Nguyễn Công Vinh và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
189(13): 59 - 65<br />
<br />
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THÁP GIẢI NHIỆT<br />
ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ<br />
Nguyễn Công Vinh, Nguyễn Lê Châu Thành*<br />
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - ĐH Đà Nẵng<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Trong kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí, tháp giải nhiệt đóng vai trò rất quan trọng để làm mát<br />
nước trong bình ngưng. Tuy nhiên, trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam, khi tháp giải<br />
nhiệt làm việc kém hiệu quả sẽ gây ra những hạn chế cho tổ hợp hệ thống máy lạnh. Để giải quyết<br />
những vấn đề này, cần phải nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm phù hợp với lượng<br />
nhiệt thải bình ngưng của hệ thống lạnh, hay nói cách khác là tháp giải nhiệt phải thải được toàn<br />
bộ lượng nhiệt do bình ngưng thải ra. Mặt khác, cần tính toán tối ưu về mặt kinh tế nghĩa là phải<br />
chọn tháp giải nhiệt sao cho tổng thể tiêu tốn điện năng để sản xuất ra một đơn vị lạnh là thấp nhất.<br />
Trong khi đó, để xác định các đại lượng của tháp giải nhiệt có sử dụng nhiều thông số, công thức<br />
phức tạp và tốn khá nhiều thời gian. Vì vậy để thuận lợi cho việc này, chúng tôi xây dựng các lưu<br />
đồ thuật toán và thiết lập chương trình tính toán mô phỏng tháp giải nhiệt. Chương trình cho phép<br />
người sử dụng có nhiều lựa chọn với nhiều công suất khác nhau, giúp rút ngắn thời gian tính toán<br />
và đạt độ chính xác cao nhất.<br />
Từ khóa: Tháp giải nhiệt; hệ số trao đổi nhiệt; nhiệt độ; chương trình; hệ thống lạnh.<br />
<br />
ĐẶT VẤN ĐỀ*<br />
Hiện nay, tháp giải nhiệt (TGN) là thiết bị<br />
trao đổi nhiệt hỗn hợp loại dùng đệm được sử<br />
dụng rộng rãi, trong các ngành như điện lạnh;<br />
ngành nhựa; thủy hải sản; luyện kim; dược<br />
phẩm ...Đối với hệ thống lạnh, TGN là một<br />
thiết bị trao đổi nhiệt dùng để làm mát nước<br />
tuần hoàn cho bình ngưng tụ bằng cách bay<br />
hơi một phần nước vào không khí và trao đổi<br />
nhiệt với không khí khi cho nước tiếp xúc<br />
trực tiếp với không khí của môi trường. Cũng<br />
như các thiết bị trao đổi nhiệt khác, năng suất<br />
giải nhiệt của TGN không phải cố định mà<br />
thay đổi theo điều kiện làm việc. Trong đó chi<br />
phí điện năng cung cấp cho máy nén, bơm<br />
nước, quạt gió, chi phí đầu tư ban đầu, chi phí<br />
vận hành… cần phải tính toán kỹ để vừa đảm<br />
bảo về mặt kỹ thuật vừa mặt kinh tế. Nghĩa là<br />
phải tính chọn tháp giải nhiệt sao cho tổng thể<br />
tiêu tốn điện năng để sản xuất ra một đơn vị<br />
lạnh là thấp nhất. Ở trong bài báo này, chủ<br />
yếu đi sâu nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt<br />
và trao đổi ẩm trong TGN kiểu tròn ứng dụng<br />
trong kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí.<br />
Dựa trên cơ sở từ các tài liệu, chúng tôi xây<br />
*<br />
<br />
Tel: 0989 296540, Email: nguyenlechauthanh@gmail.com<br />
<br />
dựng sơ đồ thuật toán, giao diện chương trình<br />
tính toán các thông số của tháp bằng ngôn<br />
ngữ phần mềm Visual basic 6.0.<br />
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU<br />
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tháp<br />
giải nhiệt<br />
<br />
Hình 1. Cấu tạo tháp giải nhiệt<br />
<br />
Tháp giải nhiệt là một thiết bị làm mát nước,<br />
dựa theo nguyên tắc tạo mưa và làm mát bằng<br />
gió. Luồng không khí theo hướng ngược với<br />
lưu lượng nước. Nước nóng sau khi ra khỏi<br />
bình ngưng được đưa lên cao rồi phun qua<br />
các lỗ nhỏ tạo thành các giọt nước, các giọt<br />
nước này rơi trên các lá chắn tạo thành các<br />
hạt nhỏ hơn hoặc chảy thành từng lớp mỏng<br />
59<br />
<br />
Nguyễn Công Vinh và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
qua lớp đệm từ trên xuống dưới. Mặt khác<br />
không khí từ ngoài tháp (là không khí ẩm của<br />
môi trường xung quanh chưa bão hòa, φ <<br />
100%) nhờ quạt gió hút vào đi từ dưới lên và<br />
ra khỏi tháp. Không khí tiếp xúc với nước sẽ<br />
thực hiện quá trình trao đổi nhiệt. Nước sẽ tỏa<br />
nhiệt cho không khí, hạ thấp nhiệt độ và quay<br />
về bình ngưng. Qúa trình truyền nhiệt giữa<br />
nước và không khí được thực hiện bằng hai<br />
cách: cách thứ nhất là truyền nhiệt bằng đối<br />
lưu do chênh lệch nhiệt độ giữa nước và<br />
không khí; và cách thứ hai là truyền nhiệt<br />
bằng truyền ẩm nghĩa là do nước bay hơi vào<br />
trong không khí. Thực tế trong TGN thì nhiệt<br />
truyền từ nước vào không khí bằng cách bay<br />
hơi là chủ yếu [1].<br />
<br />
189(13): 59 - 65<br />
<br />
số tưới (m3/m2.h); ∆pk- trở kháng khối đệm<br />
(mm H2O); β- hệ số truyền ẩm (kg/m2.s); αhệ số tỏa nhiệt (W/m2.0K); ω- tốc độ không<br />
khí (m/s).<br />
Xác định các thông số của nước và không khí<br />
Khi không khí vào tháp có độ ẩm φ ≤ 100%<br />
thì nhiệt độ t’k ≥ tu , nghĩa là nhiệt độ thấp<br />
nhất của không khí vào tháp t’k = tu. Vậy điều<br />
kiện để kiểm tra chương trình, thì nhiệt độ<br />
nước ra khỏi tháp t”n phải lớn hơn nhiệt độ<br />
nhiệt kế ướt của không khí vào tháp tu và<br />
được chọn như sau:<br />
- Nhiệt độ của nước ra khỏi tháp:<br />
<br />
Cơ sở tính toán<br />
Khi tính toán TGN chúng ta cần xem xét một<br />
số giả thiết gần đúng và để tiện lợi trong quá<br />
trình tính toán, tên các đại lượng và đơn vị<br />
được ký hiệu như sau:<br />
- Hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm cũng như<br />
các thông số vật lý, nhiệt ẩn hóa hơi, nhiệt<br />
dung riêng của không khí ẩm được xem là<br />
không đổi trên toàn bộ diện tích (Fx) tiếp xúc<br />
giữa không khí và nước.<br />
- Nhiệt độ màng nước trên bề mặt cắt ngang<br />
bất kỳ của tháp được xem là nhiệt độ trung<br />
bình của nước trên tiết diện (F) này.<br />
Qk- công suất bình ngưng (kW); η- hiệu suất<br />
tháp (%); ∆t- hiệu nhiệt độ vào ra (0C); Cknhiệt dung riêng của không khí (kJ/kg.K); Cnnhiệt dung riêng của nước (kJ/kg.K); t- nhiệt<br />
độ (0C); ε- hệ số dính ướt của nước trên bề<br />
mặt đệm; φ- độ ẩm tương đối (%); B- áp suất<br />
khí trời (bar); I- entanpy (kJ/kg); d- độ chứa<br />
ẩm (kg ẩm/kg kk); v- thể tích tự do khối đệm<br />
(m3/m3); f- bề mặt của một đơn vị thể tích<br />
khối đệm (m3/m2); μ- độ nhớt động lực của<br />
không khí (N.s/m2); ρ- khối lượng riêng<br />
(kg/m3); g- gia tốc trọng trường (m/s2); νk độ nhớt động học của không khí (m2/s); pbphân áp suất (bar); Re- hệ số Reynold; Ar- hệ<br />
số Arximed; M- mật độ tưới (m3/m2.h); Ψ- hệ<br />
60<br />
<br />
Hình 2. Sơ đồ trao đổi nhiệt giữa nước và không<br />
khí trong tháp giải nhiệt<br />
<br />
t"n = tu + ∆t ; với ∆t = (3 ÷ 5)<br />
<br />
(1)<br />
<br />
- Nhiệt độ nước vào tháp:<br />
<br />
t 'n t u <br />
<br />
t<br />
1 <br />
<br />
(2)<br />
<br />
- Lượng nước phun trong tháp chính là lượng<br />
nước làm mát của bình ngưng:<br />
<br />
Gn <br />
<br />
Qk<br />
C n t 'n t"n <br />
<br />
(3)<br />
<br />
- Lượng không khí vào ra là bằng nhau:<br />
Qk<br />
(4)<br />
Gk <br />
I' 'k I'k C n .t 0 d ' 'k d 'k <br />
- Lượng nước tưới bổ sung:<br />
Gbs = Gk(dk” – dk’)<br />
<br />
(5)<br />
<br />
Xác định các thông số của tháp<br />
Để tính diện tích trao đổi nhiệt của bề mặt<br />
đệm (F) ta phải biết hệ số truyền nhiệt kF.<br />
<br />
Nguyễn Công Vinh và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
Việc xác định thông số này khá phức tạp, bởi<br />
vì ngoài quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu<br />
còn xảy ra quá trình trao đổi ẩm giữa không<br />
khí và nước. Tuy nhiên, chúng ta có thể lý<br />
luận dựa trên cơ sở là: lượng nhiệt trao đổi<br />
giữa không khí và nước (Q) bao gồm lượng<br />
nhiệt trao đổi bằng đối lưu của không khí khô<br />
(Qđ) và lượng nhiệt trao đổi qua việc trao đổi<br />
ẩm (Qa). Trên thực tế, vì (Qa) nhỏ hơn rất<br />
nhiều so với Qđ [1], nên có thể xem gần đúng<br />
Q = Qđ.<br />
Qđ = Gk.Ck(t”k - tk’)<br />
<br />
189(13): 59 - 65<br />
<br />
Đường kính và chiều cao của tháp được tính<br />
chọn trên cơ sở chiều cao và đường kính của<br />
đệm đồng thời đảm bảo một số yêu cầu như:<br />
khoảng cách để lắp đặt quạt hút, mô tơ,<br />
khoảng trống để không khí hút vào, bố trí dàn<br />
phun nước…<br />
- Tiêu chuẩn Reynold được xác định từ<br />
phương trình chuẩn:<br />
<br />
(6)<br />
<br />
- Mặt khác theo công thức Newton về trao đổi<br />
nhiệt đối lưu giữa không khí và nước qua bề<br />
mặt đệm F bằng:<br />
Qđ = α.F.∆t<br />
<br />
R e 0,045.Ar<br />
<br />
0 , 57<br />
<br />
Gk<br />
<br />
Gn<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0 , 43<br />
<br />
(12)<br />
<br />
- Tiêu chuẩn Arximed:<br />
<br />
(7)<br />
<br />
d 3tđ . k . n .g<br />
Ar <br />
2<br />
<br />
- Diện tích của bề mặt khối đệm:<br />
<br />
(13)<br />
<br />
- Tốc độ khí đi qua lỗ rỗng được xác định<br />
theo tiêu chuẩn Reynold:<br />
<br />
R e.f .<br />
4. k<br />
<br />
'k <br />
<br />
(14)<br />
<br />
- Đường kính tương đương của lỗ đệm:<br />
<br />
d tđ <br />
Hình 3. Trao đổi nhiệt hỗn hợp dùng đệm<br />
<br />
Q<br />
Q<br />
F<br />
đ<br />
k F .t. .t<br />
<br />
(8)<br />
<br />
- Thể tích khối đệm:<br />
<br />
V<br />
<br />
F<br />
f<br />
<br />
(15)<br />
<br />
- Hệ số tỏa nhiệt đối lưu tính theo công thức<br />
gần đúng của Luic [1]. Quan hệ của Luic nêu<br />
lên sự đồng dạng giữa quá trình truyền nhiệt<br />
và quá trình truyền ẩm.<br />
α = Ck.β<br />
<br />
(9)<br />
<br />
(16)<br />
<br />
- Hệ số truyền ẩm được xác định:<br />
<br />
- Chiều cao khối đệm:<br />
<br />
4.V<br />
h<br />
.D 2<br />
4.G k<br />
.k . k<br />
<br />
. <br />
0,0047 k k .d tđ0, 2<br />
v <br />
0,8<br />
<br />
(10)<br />
<br />
- Đường kính khối đệm:<br />
<br />
D<br />
<br />
4.v<br />
f<br />
<br />
- Mật độ tưới được các định:<br />
<br />
M<br />
(11)<br />
<br />
(17)<br />
<br />
4.G n<br />
.D 2 . n<br />
<br />
(18)<br />
<br />
61<br />
<br />
Nguyễn Công Vinh và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
189(13): 59 - 65<br />
<br />
1,2 0,04.M<br />
<br />
(19)<br />
<br />
- Mật độ tưới tối thiểu theo kinh nghiệm:<br />
Mmin = 0,12.f<br />
<br />
(20)<br />
<br />
- Mật độ tưới tối đa theo kinh nghiệm:<br />
Mmax = (4 ÷ 6).Mmin<br />
<br />
(21)<br />
<br />
- Trở lực của dòng khí khi đi qua khối đệm<br />
xếp tự do được xác định:<br />
<br />
p .p k<br />
<br />
(22)<br />
<br />
- Trở kháng của khối đệm khi không khí đi<br />
qua đệm không có nước:<br />
<br />
7,6. k .' 2k . 0k, 2<br />
p k h.<br />
khi Re < 7000 (23)<br />
g.d tđ .v1,8<br />
1,3. k .'2k . 0k, 2<br />
p k h.<br />
khi Re ≥ 7000 (24)<br />
g.d tđ .v 2<br />
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH<br />
Xây dựng lưu đồ thuật toán và giao diện<br />
<br />
Hình 4. Lưu đồ thuật toán chương trình<br />
<br />
- Hệ số tưới được xác định:<br />
<br />
Trên cơ sở lý thuyết ở mục 2, chúng tôi chọn<br />
phần mềm Visual Basic 6.0 để xây dựng lưu<br />
đồ thuật toán tính toán, thiết kế giao diện của<br />
chương trình. Chương trình gồm ba phần:<br />
phần nhập số liệu ban đầu, phần xác định các<br />
thông số của nước và không khí, phần xác<br />
định các thông số của tháp [3].<br />
<br />
Hình 5. Giao diện chính của chương trình<br />
<br />
62<br />
<br />
Nguyễn Công Vinh và Đtg<br />
<br />
Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br />
<br />
189(13): 59 - 65<br />
<br />
Chạy chương trình<br />
<br />
Hình 6. Nhập thông số đầu vào<br />
<br />
Hình 7. Xác định các thông số của nước và không khí<br />
<br />
Sau khi nhập hoặc chọn xong các dữ liệu ban đầu (hình 6) thì chương trình chuyển qua xác định<br />
thông số trạng thái của nước và không khí (hình 7) và xác định các đại lượng cơ bản của tháp<br />
(hình 8). So sánh các số liệu nhập vào và các kết quả thu được từ phần mềm, chúng tôi rút ra<br />
được một số nhận xét sau đây:<br />
<br />
Hình 8. Xác định các thông số của tháp<br />
<br />
- Khi nhiệt độ không khí vào tháp không đổi nhưng độ ẩm tương đối φ của không khí tăng thì khả<br />
năng hoạt động của tháp giảm, nghĩa là nhiệt độ nước ra khỏi tháp (vào bình ngưng) tăng lên và<br />
làm giảm quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh trong bình ngưng [2]. Muốn nhiệt độ nước ra khỏi<br />
tháp không đổi khi độ ẩm không khí vào tháp tăng, chúng ta phải tăng lượng không khí vào tháp<br />
tức là điều chỉnh tốc độ gió. Khi nhiệt độ kế ướt càng nhỏ nghĩa là độ ẩm tương đối không khí<br />
càng nhỏ, nước càng dễ bay hơi vào không khí và năng suất tháp tăng lên. Tuy nhiên điều này<br />
phụ thuộc vào môi trường xung quanh.<br />
63<br />
<br />
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
