ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1<br />
<br />
9<br />
<br />
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG NƯỚC<br />
CÔNG SUẤT NHỎ ĐỂ LÀM LẠNH<br />
STUDYING AND APPLYING WATER ENERGY WITH SMALL CAPACITY TO COOLING<br />
Võ Chí Chính1, Vũ Huy Khuê2<br />
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; vcchinh@dut.udn.vn<br />
2<br />
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; vukhuebk@gmail.com<br />
<br />
1<br />
<br />
Tóm tắt - Bài báo trình bày sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh sử dụng<br />
sức nước để sản xuất đá viên và bảo quản thực phẩm, các cơ sở<br />
lý thuyết, tính toán thiết kế và lựa chọn thiết bị, kết quả lắp đặt hệ<br />
thống thiết bị và phân tích hiệu quả kinh tế của dự án ứng dụng<br />
năng lượng tái tạo để làm lạnh đã được triển khai ứng dụng thực<br />
tế tại Khu Du lịch Sinh thái Lái Thiêu – Đà Nẵng. Từ các kết quả<br />
nghiên cứu và đánh giá cho thấy việc ứng dụng sức nước tại các<br />
khu du lịch sinh thái là cần thiết, có thể sử dụng vào nhiều mục<br />
đích khác nhau và mang lại hiệu quả thiết thực cho chủ đầu tư.<br />
Các kết quả nghiên cứu là cơ sở để triển khai các dự án sử dụng<br />
nguồn nước tự nhiên công suất nhỏ để làm lạnh.<br />
<br />
Abstract - This article presents the schematic diagram of the cooling<br />
system using water power to produce ice cubes and preserve food,<br />
the theoretical basis, the design calculation and the equipment<br />
selection, the results of the equipment system installation. The article<br />
also analyses the economic efficiency of renewable energy<br />
application projects for refrigeration that have been applied to Lai<br />
Thieu eco-tourism park of Da Nang city. The research and evaluation<br />
results show that the application of water energy to eco-tourism parks<br />
is necessary and can be used for many purposes to bring benefits to<br />
investors. The research results are the basis for implementing<br />
projects using small capacity natural water for cooling.<br />
<br />
Từ khóa - năng lượng nước; du lịch sinh thái; đá viên; bảo quản<br />
thực phẩm; ứng dụng sức nước<br />
<br />
Key words - water energy; eco-tourism; ice cubes; food<br />
preservation; water energy application<br />
<br />
1. Đặt vấn đề<br />
Khai thác và ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo là<br />
một trong những ưu tiên của Đảng và Nhà nước ta trong<br />
thời gian qua. Đối với các khu du lịch sinh thái miền núi<br />
luôn có sẵn các nguồn năng lượng nước công suất nhỏ có<br />
thể khai thác phục vụ cho khu du lịch như cung cấp điện<br />
sinh hoạt, sản xuất đá viên và bảo quản thực phẩm. Do công<br />
suất của nguồn nhỏ nên việc khai thác hầu như không ảnh<br />
hưởng môi trường.<br />
Trong bài báo này, nhóm tác giả giới thiệu các kết quả<br />
nghiên cứu, thiết kế và triển khai lắp đặt hệ thống lạnh sản<br />
xuất đá viên và bảo quản thực phẩm sử dụng sức nước.<br />
Điểm đặc biệt ở đây là nguồn nước được sử dụng trực tiếp<br />
để chạy máy lạnh mà không thông qua điện năng. Giải pháp<br />
này một mặt làm giảm chi phí đầu tư máy phát điện và tránh<br />
được tổn thất năng lượng ở máy phát điện. Mặt khác, trong<br />
quá trình vận hành, khi lưu lượng nước thay đổi theo mùa,<br />
hệ thống vẫn hoạt động bình thường không hề bị ảnh hưởng<br />
như trường hợp sử dụng mô tơ điện, chỉ khác là thời gian<br />
làm lạnh có thể thay đổi.<br />
2. Khảo sát nhu cầu sử dụng đá viên và bảo quản thực<br />
phẩm của các khu du lịch sinh thái tại miền Trung<br />
Khu vực miền Trung và Tây Nguyên có rất nhiều khu<br />
du lịch sinh thái. Qua khảo sát lượng du khách tham quan<br />
các cơ sở hằng năm trên các website và ước tính nhu cầu<br />
về sử dụng đá viên, thực phẩm theo số lượng khách du lịch<br />
hằng năm, nhóm tác giả đã xác lập được các kết quả ước<br />
tính như Bảng 1 dưới đây.<br />
<br />
2<br />
<br />
Nghệ An<br />
<br />
1,0<br />
<br />
500<br />
<br />
3<br />
<br />
Hà Tĩnh<br />
<br />
0,6<br />
<br />
300<br />
<br />
600<br />
<br />
4<br />
<br />
Quảng Bình<br />
<br />
3<br />
<br />
1.500<br />
<br />
3.000<br />
<br />
5<br />
<br />
Quảng Trị<br />
<br />
0,2<br />
<br />
100<br />
<br />
200<br />
<br />
6<br />
<br />
Thừa Thiên –<br />
Huế<br />
<br />
2<br />
<br />
1.000<br />
<br />
2.000<br />
<br />
7<br />
<br />
Đà Nẵng<br />
<br />
2,5<br />
<br />
1.250<br />
<br />
2.500<br />
<br />
8<br />
<br />
Quảng Nam<br />
<br />
1,2<br />
<br />
600<br />
<br />
1.200<br />
<br />
9<br />
<br />
Quảng Ngãi<br />
<br />
0,2<br />
<br />
100<br />
<br />
200<br />
<br />
10<br />
<br />
Bình Định<br />
<br />
0,7<br />
<br />
350<br />
<br />
700<br />
<br />
11<br />
<br />
Phú Yên<br />
<br />
0,2<br />
<br />
100<br />
<br />
200<br />
<br />
12<br />
<br />
Khánh Hòa<br />
<br />
1,0<br />
<br />
500<br />
<br />
1.000<br />
<br />
13<br />
<br />
Ninh Thuận<br />
<br />
0,4<br />
<br />
200<br />
<br />
400<br />
<br />
14<br />
<br />
Bình Thuận<br />
<br />
0,9<br />
<br />
450<br />
<br />
900<br />
<br />
15<br />
<br />
Kon Tum<br />
<br />
0,1<br />
<br />
50<br />
<br />
100<br />
<br />
16<br />
<br />
Gia Lai<br />
<br />
0,3<br />
<br />
150<br />
<br />
300<br />
<br />
17<br />
<br />
Đắk Lắk<br />
<br />
0,3<br />
<br />
150<br />
<br />
300<br />
<br />
18<br />
<br />
Đắc Nông<br />
<br />
0,1<br />
<br />
50<br />
<br />
100<br />
<br />
19<br />
<br />
Lâm Đồng<br />
<br />
2<br />
<br />
1.000<br />
<br />
2.000<br />
<br />
7.501<br />
<br />
15.003<br />
<br />
TỔNG<br />
<br />
3. Sơ đồ nguyên lý<br />
<br />
Bảng 1. Ước tính nhu cầu sử dụng đá viên và thực phẩm tại các<br />
khu du lịch sinh thái các tỉnh miền Trung – Tây Nguyên<br />
TT<br />
1<br />
<br />
Tỉnh, thành<br />
Thanh Hóa<br />
<br />
Nhu cầu (tấn/năm)<br />
<br />
Du khách<br />
(triệu<br />
người/năm)<br />
<br />
Đá viên<br />
<br />
TP<br />
<br />
0,8<br />
<br />
400<br />
<br />
800<br />
<br />
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh<br />
<br />
1.000<br />
<br />
Võ Chí Chính, Vũ Huy Khuê<br />
<br />
10<br />
<br />
Hệ thống sử dụng 01 máy nén lạnh kiểu hở chạy cho 03<br />
phụ tải gồm: máy đá viên 1.000 kg/ngày, kho lạnh bảo quản<br />
đá kích thước 15 m3, nhiệt độ -15°C, kho lạnh bảo quản rau<br />
quả 20 m3, nhiệt độ 5°C. Máy nén lạnh được dẫn động trực<br />
tiếp bằng một tua bin gáo. Nguồn nước có độ cao chừng<br />
100m và lưu lượng cực đại có thể khai thác chừng 100 kg/s.<br />
4. Tính toán công suất hệ thống thiết bị<br />
4.1. Các thông số đầu thiết kế<br />
- Máy đá viên năng suất: 1.000 kg/ngày;<br />
- Kích cỡ đá viên: 38x38 mm;<br />
- Thời gian làm đá của mỗi mẻ: 45 phút;<br />
- Khối lượng mỗi mẻ : 50 kg/mẻ;<br />
- Kho bảo quản đá: -15°C, 15 m3;<br />
- Kho bảo quản thực phẩm (rau quả): 5°C, 20 m3.<br />
4.2. Xác định phụ tải nhiệt máy đá viên<br />
- Dòng nhiệt tổn thất do truyền nhiệt tại cối đá:<br />
Q11 = k1 .F1 .t1<br />
<br />
N=<br />
<br />
(1)<br />
<br />
t1: Độ chênh nhiệt độ bên trong và ngoài cối đá, K.<br />
- Dòng nhiệt do nước làm đá tỏa ra:<br />
<br />
=<br />
<br />
Gd<br />
G<br />
q o = d (Cpn .t n + r + Cpd t d )<br />
<br />
<br />
<br />
Gd<br />
(4186.tn + 333600 + 2090. t d )<br />
<br />
<br />
(2)<br />
<br />
: Thời gian sản xuất một mẻ đá, giây.<br />
tn, td: Nhiệt độ nước vào làm đá và nhiệt độ đá thành<br />
phẩm, °C;<br />
Cpn, Cpd: Nhiệt dung riêng của nước và đá, J/kg.K;<br />
R: Nhiệt hóa rắn nước đá, J/kg.<br />
Trong một ngày máy sẽ chạy 20 mẻ, nên khối lượng<br />
một mẻ sẽ là G d = 1.000 / 20 = 50 kg/mẻ.<br />
Trong cối đá viên vẫn còn một số dòng nhiệt tổn thất<br />
như: tổn thất nhiệt trên đường ống gas, tổn thất nhiệt do mở<br />
cửa v.v... Tuy nhiên các tổn thất nhiệt này nhỏ, khó tính<br />
toán nên được đưa vào trong hệ số dự trữ.<br />
4.3. Xác định phụ tải kho lạnh<br />
- Dòng nhiệt tổn thất truyền nhiệt qua kết cấu kho lạnh:<br />
<br />
: Hệ số lạnh chu trình máy lạnh.<br />
- Lưu lượng và cột áp yêu cầu của nguồn nước:<br />
<br />
2<br />
2<br />
Gn: Lưu lượng nguồn nước, kg/s;<br />
H: Độ cao nguồn nước, m;<br />
<br />
(6)<br />
<br />
: Tốc độ chuyển động, m/s;<br />
G: Gia tốc trọng trường, m/s2.<br />
Công thức trên đây chưa tính đến tổn thất năng lượng<br />
trên đường ống nước, tổn thất ở các van, các chỗ rẽ, tổn<br />
thất ở tua bin v.v... Do đó, khi lựa chọn cần tính đến hệ số<br />
dự trữ.<br />
5. Kết quả tính toán, lựa chọn máy và triển khai ứng<br />
dụng<br />
Trên cơ sở các tính toán và có tính đến công suất dự<br />
phòng, nhóm tác giả đã chọn các thiết bị triển khai như<br />
Bảng 2 và 3 dưới đây.<br />
Bảng 2. Kết quả tính toán<br />
Phụ tải máy đá viên<br />
<br />
Phun tải<br />
kho lạnh<br />
<br />
Tổng phụ tải<br />
yêu cầu<br />
<br />
8 kW<br />
<br />
4<br />
<br />
12 kW<br />
<br />
Bảng 3. Kết quả lựa chọn máy và thiết bị của hệ thống<br />
<br />
t2: Độ chênh nhiệt độ bên trong và bên ngoài kho, K.<br />
Ở đây có hai kho có độ chênh nhiệt độ khác nhau nên<br />
tính phụ tải riêng biệt, tuy nhiên công thức thì giống nhau.<br />
- Dòng nhiệt do sản phẩm mang vào kho lạnh bảo quản:<br />
<br />
G2<br />
.Cp .(t 2 − t1 )<br />
24x3.600<br />
<br />
Ns: Công suất nén đoạn nhiệt, W;<br />
Qo: Năng suất lạnh yêu cầu của máy để đáp ứng các phụ<br />
tải máy đá viên và kho lạnh, W;<br />
<br />
(3)<br />
<br />
k2: Hệ số dẫn nhiệt qua vách kho, W/m2.K;<br />
F2: Diện tích trao đổi nhiệt của kho, m2;<br />
<br />
Q22 =<br />
<br />
(5)<br />
<br />
N = G n gh = G n .<br />
<br />
Gd: Khối lượng đá trong một mẻ, kg/mẻ;<br />
qo: Nhiệt lượng làm đông 1 kg đá, J/kg;<br />
<br />
Q12 = k 2 .F2 .t 2<br />
<br />
Qo<br />
Ns<br />
=<br />
,W<br />
i e td i e td .<br />
<br />
i, e, tđ: Hiệu suất tính đến do nén lệch đoạn nhiệt,<br />
ma sát và truyền động của máy nén;<br />
<br />
k1: Hệ số dẫn nhiệt của cối đá, W/m .K;<br />
F1: Diện tích trao đổi nhiệt cối đá, m2;<br />
2<br />
<br />
Q21 =<br />
<br />
G2: Lượng sản phẩm nhập vào kho lạnh trong một ngày<br />
đêm, kg/ngày đêm. Ở đây có hai kho và sản phẩm bảo quản<br />
khác nhau;<br />
Cp: Nhiệt dung riêng sản phẩm, J/kg.K;<br />
t1, t2: Nhiệt độ sản phẩm bảo quản và nhiệt độ sản phẩm<br />
khi đưa vào kho bảo quản, °C.<br />
Tương tự như máy đá viên, ở các kho lạnh, ngoài hai<br />
dòng nhiệt kể trên, trong kho lạnh còn có các dòng tổn thất<br />
như thông gió kho lạnh, do mở cửa, do quạt dàn lạnh tỏa ra<br />
v.v... Tuy nhiên, các dòng nhiệt này không lớn và khó tính<br />
toán nên đưa vào hệ số dự trữ của máy.<br />
4.4. Xác định công suất yêu cầu của nguồn nước<br />
- Công suất yêu cầu của nguồn nước:<br />
<br />
(4)<br />
<br />
Công suất<br />
tua bin<br />
<br />
Công suất<br />
máy lạnh<br />
<br />
Lưu lượng nước yêu cầu<br />
(H = 100m)<br />
<br />
3 kW<br />
<br />
13,5 kW (18 HP)<br />
<br />
4 kg/s<br />
<br />
Trên cơ sở các kết quả tính toán, nhóm tác giả đã thiết<br />
kế, lắp đặt hệ thống lạnh sử dụng nguồn năng lượng nước<br />
chạy trực tiếp tại Khu Du lịch Sinh thái Lái Thiêu – Đà<br />
Nẵng như Hình 2 và 3 dưới đây.<br />
<br />
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1<br />
<br />
11<br />
<br />
- Tua bin hoạt động tốt, ổn định và rất phù hợp cho việc<br />
dẫn động máy nén lạnh, hiệu suất làm việc cao, nguồn nước<br />
sau tua bin có thể tận dụng giải nhiệt dàn ngưng và đưa vào<br />
hồ nuôi cá;<br />
- Hệ thống lạnh máy đá viên hoạt động hiệu quả, chất<br />
lượng đá đạt chất lượng tốt;<br />
- Hệ thống lạnh hoạt động tốt, ổn định do nguồn nước<br />
đảm bảo, thời gian làm đá đạt yêu cầu là 45 phút;<br />
- Các kho lạnh hoạt động tốt, nhiệt độ đạt yêu cầu.<br />
<br />
Hình 2. Hệ thống máy lạnh<br />
<br />
Hình 3. Thi công lắp đặt hệ thống<br />
<br />
Bảng 4 là kết quả chạy thử 05 mẻ vận hành máy đá viên<br />
mà nhóm tác giả đã thực hiện tại hiện trường. Từ các kết<br />
quả này cho thấy hệ thống vận hành tốt, ổn định, đáp ứng<br />
thời gian và năng suất yêu cầu của toàn hệ thống.<br />
Bảng 4. Kết quả chạy thử<br />
Thông số<br />
<br />
Mẻ 1 Mẻ 2 Mẻ 3 Mẻ 4 Mẻ 5<br />
<br />
Thời gian<br />
<br />
45<br />
<br />
45<br />
<br />
45<br />
<br />
45<br />
<br />
45<br />
<br />
Khối lượng đá, kg<br />
<br />
55<br />
<br />
54<br />
<br />
55<br />
<br />
52<br />
<br />
53<br />
<br />
Nhiệt độ đá, °C<br />
<br />
-5<br />
<br />
-4<br />
<br />
-5<br />
<br />
-5<br />
<br />
-4<br />
<br />
Qua kết quả lắp đặt và vận hành hệ thống tại thực tế<br />
công trình, nhóm tác giả nhận thấy:<br />
- Nguồn nước của khu du lịch ổn định, đáp ứng đầy đủ<br />
phụ tải của hệ thống lạnh máy đá viên 1.000 kg/ngày và hai<br />
kho lạnh bảo quản đá và thực phẩm ngay cả vào mùa hè;<br />
<br />
6. Nhận xét và kết luận<br />
Việc nghiên cứu và ứng dụng các nguồn năng lượng<br />
nước công suất nhỏ để chạy các máy lạnh sản xuất đá viên<br />
có nhiều thuận lợi, mang lại hiệu quả kinh tế cao và có<br />
nhiều ưu điểm như:<br />
- Không ảnh hưởng đến môi trường vì không cần xây<br />
đập, ngăn sông mà chỉ tận dụng các nguồn nước công suất<br />
nhỏ.<br />
- Khi sử dụng nguồn nước chạy trực tiếp không qua<br />
phát điện có ưu điểm là không cần trang bị thêm máy<br />
phát điện, tránh tổn thất năng lượng do phát điện và khi<br />
lượng nước thay đổi cũng không ảnh hưởng nhiều đến<br />
hệ thống.<br />
- Qua phân tích tính kinh tế của hệ thống, nhóm tác giả<br />
đã xác định được thời gian hoàn vốn hệ thống là khoảng 3<br />
năm. Sở dĩ như vậy là do năng lượng vận hành hệ thống<br />
chủ yếu được tận dụng từ nguồn nước tự nhiên, nên không<br />
tính vào chi phí vận hành.<br />
- Việc sản xuất đá viên không những tạo ra giá trị cho<br />
các cơ sở du lịch mà còn tăng tính chủ động trong kinh<br />
doanh, tạo điểm nhấn cho du khách tham quan học hỏi.<br />
- Đây là mô hình tốt mà các khu du lịch sinh thái miền<br />
núi có các nguồn nước tự nhiên chảy quanh năm nên tham<br />
khảo áp dụng.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Máy và thiết bị lạnh, Nhà xuất<br />
bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005.<br />
[2] Đinh Văn Thuận, Võ Chí Chính. Hệ thống máy và Thiết bị lạnh, Nhà<br />
xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2005.<br />
[3] Nguyễn Đức Lợi. Hướng dẫn tính toán thiết kế hệ thống lạnh, Nhà<br />
xuất bản Giáo dục, Hà Nội, 2001.<br />
<br />
(BBT nhận bài: 06/4/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 15/4/2018)<br />
<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
