Tính toán và triển khai hệ thống làm mát chuồng trại bằng nguồn nước ngầm

Thái Ngọc Sơn<br /> <br /> 110<br /> <br /> TÍNH TOÁN VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG LÀM MÁT CHUỒNG TRẠI<br /> BẰNG NGUỒN NƯỚC NGẦM<br /> CALCULATING AND OPERATING THE COOLING SYSTEM OF FARMHOUSES USING<br /> UNDERGROUND WATER<br /> Thái Ngọc Sơn<br /> Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; thaingocson@gmail.com<br /> Tóm tắt - Nguồn nước ngầm tại miền Trung Việt Nam có trữ lượng<br /> phong phú, nhiệt độ trong mùa hè lại thấp hơn nhiệt độ không khí<br /> khá nhiều. Để làm mát chuồng trại chăn nuôi gia cầm có rất nhiều<br /> phương pháp như tưới nước, phun sương, sử dụng buồng phun,<br /> thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn, thông gió qua tấm làm mát<br /> (cooling pad), điều hòa không khí... Bài báo đã phân tích, lựa chọn<br /> một phương pháp làm mát hỗn hợp: vừa phun mưa để giảm lượng<br /> nhiệt truyền vào chuồng do bức xạ mặt trời qua mái, vừa dùng tấm<br /> làm mát cooling pad, sử dụng nước ngầm để thông gió và làm mát<br /> không khí cho chuồng trại. Bài báo trình bày các điểm cơ bản trong<br /> tính toán thiết kế hệ thống làm mát nêu trên, kết quả triển khai ứng<br /> dụng và phương pháp vận hành hệ thống.<br /> <br /> Abstract - The central region of Vietnam has abundant reserves of<br /> underground water. During summer, the water temperature is much<br /> lower than the ambient air temperature. For cooling poultry farms,<br /> there are many popular methods such as watering, spraying, using<br /> spray chambers (air washer), surface heat exchangers, direct<br /> evaporative coolers, using the cooling pad, air conditioning systems<br /> and so on. In this article, we analyze and select a complex cooling<br /> system which combines water spray method and direct evaporative<br /> coolers using cooling pads. The former method is utilized to reduce<br /> the amount of heat entering the farmhouse due to solar radiation<br /> through the roof.Meanwhile, the latter one is applied to cool the air<br /> by evaporating the underground water as it goes through the cooling<br /> pad. This article presents the basics of calculating in designing a<br /> combined cooling system as mentioned above, the results of the<br /> application and the method of operating the whole the system.<br /> <br /> Từ khóa - không khí ẩm; phương pháp lặp; nước ngầm; làm mát<br /> chuồng trại; tấm làm mát<br /> <br /> Key words - moist air; iterative methods; ground water; cooling<br /> animal sheds; cooling pad<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Khí hậu Việt Nam chia làm hai mùa rõ rệt, đặc biệt là<br /> tại miền Trung, “nắng lắm mưa nhiều”. Bài toán đặt ra cho<br /> các nhà chăn nuôi là làm sao để khống chế vi khí hậu trong<br /> các trang trại chăn nuôi ở điều kiện tốt nhất có thể trong<br /> khi vốn đầu tư còn nhỏ.<br /> Để làm mát chuồng trại chăn nuôi gia cầm có rất nhiều<br /> phương pháp như: tưới nước, phun sương, sử dụng buồng<br /> phun, thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn, thông gió qua<br /> tấm làm mát (cooling pad), điều hòa không khí... Khảo<br /> sát nguồn nước ngầm ở Quảng Nam, Đà Nẵng trong các<br /> năm từ 2014 - 2017 cho thấy nhiệt độ khá ổn định, nằm<br /> trong khoảng 24,5 - 25,5°C. Với trữ lượng khá lớn, nguồn<br /> nhiệt này có thể sử dụng để làm mát chuồng trại. Bài báo<br /> phân tích, lựa chọn một phương pháp thích hợp, trình bày<br /> các điểm cơ bản trong tính toán thiết kế hệ thống làm mát<br /> đó, nêu kết quả triển khai ứng dụng và phương pháp vận<br /> hành hệ thống.<br /> <br /> tháng 7 nhiệt độ không khí cao nhất lúc 12h là 33,4°C cũng<br /> chính là lúc độ ẩm tương đối của không khí thấp nhất 57%.<br /> Việc làm mát cho chuồng trại thường được thực hiện trong<br /> các giờ nắng nóng cao điểm, do vậy ta chọn các thông số<br /> để tính toán ứng với thời gian đó, tức là thông số ngoài trời:<br /> nhiệt độ tN = 34,4°C, độ ẩm tương đối N = 57%.<br /> Điều kiện vi khí hậu đối với chăn nuôi gia cầm, cụ thể<br /> là gà, tối ưu là t = 18 - 24°C,  = 60 - 70%. Điều kiện này<br /> chỉ có thể đáp ứng được khi sử dụng hệ thống điều hòa<br /> không khí với chi phí đầu tư ban đầu và cả chi phí vận hành<br /> (tiền điện) rất cao. Trong điều kiện sản xuất của Việt Nam,<br /> theo [2], khi khảo sát chuồng nuôi gà đẻ, nhiệt độ trong<br /> chuồng có thể chấp nhận là trong khoảng 27 - 30°C, độ ẩm<br /> 82 - 90%, tốc độ gió 1,7 – 2 m/s. Ở điều kiện này gà chưa<br /> thể hiện stress nhiệt. Vậy ta chọn điều kiện trong chuồng<br /> như sau: nhiệt độ tT = 28,6°C; độ ẩm T = 89%.<br /> Nhiệt thừa được tính toán dựa trên tài liệu [3].<br /> Nhiệt do nguồn sáng nhân tạo Q1 = 0,90 kW.<br /> Nhiệt thừa của gia cầm tương đối khó tính toán do<br /> không có các số liệu nghiên cứu, ta tạm tính theo nhiệt thừa<br /> trung bình của người dựa trên tỷ lệ da người và gà, thu được<br /> Q2 = 22,5 kW.<br /> Nhiệt do bức xạ mặt trời vào phòng qua kết cấu bao che<br /> (ở đây là qua mái khi không có các biện pháp giảm nhiệt<br /> bức xạ như phun mưa, phun sương...) Q3 = 33,4 kW.<br /> Nhiệt truyền qua kết cấu bao che (tường, trần, nền đất)<br /> Q4 = 8,9 kW.<br /> Vậy tổng nhiệt thừa là Q = 65,7 kW, trong đó nhiệt thừa<br /> do bức xạ qua mái chiếm hơn một nửa.<br /> Lượng ẩm thừa do gà sinh ra được xác định gần đúng,<br /> <br /> 2. Giải quyết vấn đề<br /> Tính toán và triển khai hệ thống làm mát tại trang trại ở<br /> Hòa Phú, Hòa Vang, Đà Nẵng có kích thước dài D = 70 m;<br /> rộng R = 8,5 m; chiều cao của không gian cần làm mát là<br /> H = 3 m. Chuồng nuôi 6.000 con gà.<br /> 2.1. Thông số khí hậu, tính toán nhiệt thừa, ẩm thừa<br /> Xét điều kiện thời tiết tại Đà Nẵng [1], tháng nóng nhất<br /> trong năm là tháng 7 với nhiệt độ không khí cao nhất trung<br /> bình trong mùa hè là tN = 34,4°C. Phân tích biến trình ngày<br /> của nhiệt độ không khí và biến trình ngày của độ ẩm tương<br /> đối trong tháng 7, nhận thấy khi nhiệt độ không khí lên cao,<br /> độ ẩm tương đối của không khí xuống thấp, ví dụ trong<br /> <br /> ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018<br /> <br /> bằng lượng nước cung cấp hàng ngày cho gà, được gà thải<br /> qua phân và hô hấp: W = 0,029 kg/s.<br /> 2.2. Lựa chọn phương án làm mát<br /> Phương án sử dụng điều hòa không khí là tối ưu để điều<br /> khiển nhiệt độ và độ ẩm không khí trong chuồng như các<br /> nghiên cứu trên thế giới. Tuy nhiên chi phí đầu tư rất cao,<br /> chi phí vận hành cũng lớn nên chưa thích hợp với phần<br /> nhiều trang trại tại miền Trung.<br /> Phương án dùng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn<br /> không khả thi do độ chênh nhiệt độ của nước ngầm với<br /> không khí trong chuồng thấp, nếu sử dụng loại thiết bị này<br /> sẽ rất cồng kềnh, đòi hỏi một lượng nước ngầm rất lớn. Mặt<br /> khác, nước ngầm luôn có chứa nhiều tạp chất, khi bám vào<br /> mặt trong của thiết bị trao đổi nhiệt sẽ làm tăng nhiệt trở,<br /> rất khó vệ sinh, làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt.<br /> Phương pháp phun sương đòi hỏi nước tương đối sạch<br /> để tránh làm nghẹt béc phun. Mặt khác, khi phun sương trên<br /> mái sẽ làm mát cả bầu không khí xung quanh gây lãng phí.<br /> Bên cạnh đó, nếu phun trực tiếp vào chuồng sẽ cần hệ thống<br /> phân phối gió để ẩm không tập trung, dễ làm gia cầm dịch<br /> bệnh. Do vậy, phương pháp phun sương không thích hợp.<br /> Phương pháp cho nước chảy theo rãnh của mái tôn được<br /> tính toán kỹ [4], đòi hỏi lưu lượng nước lớn. Khi sử dụng<br /> nước ngầm với nhiệt độ 25°C, lưu lượng 5,4 m3/h có thể<br /> giảm khoảng 30% lượng nhiệt truyền qua mái.<br /> Để làm mát mái, ta có thể dùng phương pháp phun mưa<br /> trên mái. Phương pháp này giống như phun sương, nhưng<br /> đường kính hạt lớn hơn, do đó tránh hiện tượng nghẹt béc<br /> phun. Thiết bị phun mưa đơn giản, năng lượng điện tiêu<br /> hao ít hơn phun sương. Khi sử dụng, nước ra khỏi tấm làm<br /> mát có nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ nhiệt kế ướt với lưu lượng<br /> là 2,7 m3/h, lượng nhiệt xâm nhập qua mái sẽ là QT = 3,5<br /> kW, giảm gần 90% lượng nhiệt truyền qua mái.<br /> Để giảm nhiệt độ không khí trong chuồng, ta có thể<br /> dùng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp, cụ thể là buồng<br /> phun (có hoặc không có lớp đệm). Tuy nhiên buồng phun<br /> khá cồng kềnh, lượng nước tuần hoàn lớn nên hiện tại<br /> phương pháp dùng tấm làm mát tương đối phổ biến.<br /> Tấm làm mát (cooling pad) có thể làm giảm nhiệt độ<br /> xuống đến giới hạn chấp nhận được trong các ngày hè nóng<br /> bức với độ ẩm phù hợp trong chăn nuôi. Nước sau khi đi<br /> qua tấm làm mát có nhiệt độ gần với nhiệt độ nhiệt kế ướt,<br /> ta lấy nước đó phun mưa lên mái, theo như trên đã phân<br /> tích, sẽ làm giảm đáng kể công suất nhiệt của hệ thống.<br /> Vậy ta sẽ sử dụng đồng thời hai phương pháp làm mát:<br /> nước ngầm vào thời gian nắng nóng cao điểm sẽ được hút<br /> và bơm qua hệ thống cooling pad; nước ra khỏi hệ thống sẽ<br /> được trữ lại để tái tuần hoàn qua cooling pad hoặc phun<br /> mưa làm mát mái.<br /> 2.3. Tính toán hệ thống phun mưa<br /> Nước tạo thành một màng mỏng bao phủ toàn bộ mái<br /> tôn. Tùy theo lưu lượng nước phun mà nhiệt độ của mái sẽ<br /> giảm xuống.<br /> Bài toán: Cho không khí ngoài trời có nhiệt độ tN, độ<br /> ẩm tương đối φN. Không khí trong chuồng có nhiệt độ tT,<br /> độ ẩm tương đối φT, nước phun mưa lên mái nhà có lưu<br /> lượng Gn, nhiệt độ t'L. Xác định lượng nhiệt truyền qua mái<br /> <br /> 111<br /> <br /> vào chuồng QT, nhiệt độ đầu ra khỏi mái của nước t''L.<br /> Giải: Bài toán giải theo phương pháp lặp. Trong quá<br /> trình tính toán có sử dụng một số giả thiết sau:<br /> - Toàn bộ mái được phủ một lớp nước có nhiệt độ tính<br /> toán là nhiệt độ trung bình của nước phun lên mái t' L và<br /> nước thu hồi sau khi làm mát mái t"L.<br /> - Nhiệt độ của bề mặt ngoài của mái xem như bằng nhiệt<br /> độ của nước.<br /> - Nhiệt lượng bức xạ mặt trời do mái hấp thụ xem như<br /> truyền toàn bộ cho nước do hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt ngoài<br /> của mái vào màng nước khá lớn.<br /> - Bỏ qua quá trình trao đổi nhiệt khối giữa nước từ vòi<br /> phun đến khi tạo thành lớp màng trên bề mặt mái. Trong<br /> thực tế, quá trình này sẽ làm giảm bớt lưu lượng nước chảy<br /> trên mái và thay đổi trạng thái không khí gần bề mặt mái.<br /> <br /> Hình 1. Tính cân bằng nhiệt cho nước phủ trên mái<br /> <br /> Nước phun mưa là nước đã đi qua cooling pad, khi đó<br /> nước sẽ có nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ nhiệt kế ướt.<br /> Bảng 1. Tính nhiệt hệ thống phun mưa<br /> Ký hiệu/Công<br /> thức<br /> Gn<br /> <br /> Kết<br /> quả<br /> 0,75<br /> <br /> t'L<br /> <br /> 26,9<br /> <br /> t''L<br /> <br /> 34,6<br /> <br /> Rαn<br /> <br /> 0,002<br /> <br /> Nhiệt trở dẫn nhiệt mái (m2K/W)<br /> <br /> Rm = δm/λm<br /> <br /> 0,033<br /> <br /> Nhiệt trở của không khí (m2K/W)<br /> Nhiệt trở dẫn nhiệt trần (m2K/W)<br /> Nhiệt trở tỏa nhiệt bên trong của<br /> kết cấu bao che (m2K/W)<br /> <br /> Rkk<br /> Rt = δt/λt<br /> <br /> 0,172<br /> 0,067<br /> <br /> RαT = 1/αT<br /> <br /> 0,086<br /> <br /> Diễn giải<br /> Lưu lượng nước phun (kg/s)<br /> Nhiệt độ nước phun ra mái bằng<br /> nhiệt độ nước ra khỏi cooling pad<br /> (°C)<br /> Nhiệt độ nước ra khỏi mái (chọn)<br /> Nhiệt trở tỏa nhiệt từ bề mặt ngoài<br /> của mái vào nước (m2K/W)<br /> <br /> Tổng nhiệt trở R (m2K/W)<br /> Diện tích mái<br /> Nhiệt truyền từ trong chuồng vào<br /> nước (kW)<br /> Hệ số hấp thụ của mái<br /> Nhiệt bức xạ đối với mặt ngang<br /> (kW/m2)<br /> Nhiệt lượng bức xạ từ mặt trời<br /> vào mái (kW)<br /> Lượng nhiệt truyền từ không khí<br /> ngoài trời vào nước (kW)<br /> Diện tích bề mặt bay hơi (m2)<br /> Tốc độ gió trung bình (m/s)<br /> (m2)<br /> <br /> R = Rαn+ Rm+<br /> Rkk+ Rt+ RαT<br /> Fm<br /> <br /> 0,360<br /> 595<br /> <br /> QT=Fm(tT-tL)/R<br /> <br /> -3,5<br /> <br /> εS<br /> <br /> 0,61<br /> <br /> E<br /> <br /> 0,777<br /> <br /> Qε = FmεSE<br /> <br /> 282,0<br /> <br /> QN = Fm.αN.(tNtL)<br /> Fbh = (L+Hs)Lm<br /> ωtb<br /> <br /> 50,5<br /> 856<br /> 1,78<br /> <br /> Thái Ngọc Sơn<br /> <br /> 112<br /> <br /> Hệ số bay hơi (kg/(s.m2.Pa)) [6]<br /> Áp suất hơi nước bão hòa theo<br /> nhiệt độ của nước (Pa)<br /> Áp suất hơi nước bão hòa theo nhiệt<br /> độ của không khí ngoài trời (Pa)<br /> Áp suất riêng phần của hơi nước<br /> trong không khí ngoài trời (Pa)<br /> Lượng nước bay hơi trên toàn bộ<br /> bề mặt mái (kg/s) [6]<br /> Lượng nhiệt chuyển pha cần để<br /> bay hơi nước (kW)<br /> Tồng lượng nhiệt cung cấp cho<br /> nước (kW)<br /> Biến thiên enthalpy của nước<br /> (kW)<br /> Nhiệt độ đầu ra của nước (tính)<br /> (°C)<br /> Sai số nhiệt độ đầu ra<br /> <br /> c=(17,17+13,0<br /> 5ωtb).10-5/3600<br /> <br /> 1,12<br /> E-07<br /> <br /> ps<br /> <br /> 4 398<br /> <br /> ps_N<br /> <br /> 5 399<br /> <br /> ph = ps_N.φN<br /> <br /> 3 078<br /> <br /> W = Fbhc(ps-рh)<br /> <br /> 0,127<br /> <br /> Qbh = W.r<br /> <br /> 307,9<br /> <br /> Q = Qε+QT+QN<br /> <br /> 328,9<br /> <br /> ΔI = Q-Qbh<br /> <br /> 21,1<br /> <br /> t"L_Tính= t'L+ΔI/<br /> [(Gn-W).cp]<br /> <br /> 35,0<br /> <br /> εt=abs(t"Lt"L_Tính)/t"L_Tính<br /> <br /> 1,3%<br /> <br /> Việc phun nước trên mái nhà chủ yếu để giảm lượng<br /> nhiệt bức xạ mặt trời và lượng nhiệt truyền từ không khí<br /> ngoài trời qua mái vào chuồng. Khi phun nước có lưu<br /> lượng lớn hơn, nhiệt độ trung bình của nước sẽ giảm, đến<br /> thời điểm nhiệt độ của nước nhỏ hơn nhiệt độ của không<br /> khí trong chuồng, khi đó nhiệt sẽ truyền từ trong chuồng ra<br /> nước. Tuy nhiên, nhiệt trở truyền nhiệt từ trong chuồng lên<br /> mái rất lớn, để làm mát không khí trong chuồng hoàn toàn<br /> không có lợi.<br /> 2.4. Tính toán hệ thống cooling pad<br /> a. Tính chọn quạt<br /> Không khí lưu thông qua chuồng trong những ngày hè<br /> có 2 mục đích: cung cấp lượng không khí tươi tối thiểu cần<br /> thiết và duy trì tốc độ gió cần thiết để thải nhiệt cho gia cầm.<br /> Lượng không khí tươi tối thiểu G min [5]:<br /> Gmin = GN.n.ρ/60 = 32,8 kg/s<br /> Trong đó, năng suất chuồng trại n = 6.000 con; khối lượng<br /> trung bình mỗi con gà m = 2 kg/con; định lượng không khí<br /> tươi cho 1 kg gà GN = 5 CFM (cube feet per min; 1 cubic<br /> feet=28,3 lít); khối lượng riêng của không khí tại 30°C là<br /> ρ = 1,16 kg/m3.<br /> Để làm mát trong mùa hè, không khí trong chuồng cần<br /> lưu chuyển tối thiểu với tốc độ 2 – 3 m/s. Ứng với tốc độ 2<br /> m/s cần lưu lượng Gmax = ρ.ω.F = 59,2 kg/s. Chọn quạt hút<br /> Kolowa SLR54-3DS với lưu lượng gió: 24.000 CFM, hiệu<br /> suất 0,8, ta tính được cần dùng 4 quạt để duy trì lưu lượng<br /> không khí tươi tối thiểu cho gà và cần thêm 4 quạt để duy<br /> trì tốc độ không khí trong chuồng trong các ngày hè nóng<br /> bức là 2,4 m/s<br /> b. Tính chọn cooling pad<br /> Bài toán: Cho không khí và nước trao đổi nhiệt – khối<br /> khi đi qua tấm cooling pad. Biết không khí có lưu lượng<br /> vào thiết bị là 62,7 kg/s; nhiệt độ là tN = 34,4°C, φN = 57%.<br /> Nước ngầm vào thiết bị có nhiệt độ t'n = 25°C. Xác định<br /> nhiệt độ của không khí ẩm ra khỏi thiết bị và ra khỏi chuồng<br /> gà có nhiệt thừa, ẩm thừa đã tính trong mục 2.1, lưu lượng<br /> nước để không khí ẩm ra khỏi thiết bị có độ ẩm 85 - 90%;<br /> số tấm làm mát cần thiết.<br /> <br /> Giải: Khi cho nước có nhiệt độ bằng nhiệt độ nhiệt kế<br /> ướt chảy qua cooling pad, không khí ẩm biến đổi trạng thái<br /> theo đường đẳng enthalpy, từ nhiệt độ ban đầu t' k = tN đến<br /> nhiệt độ ra khỏi cooling pad t" k_u, quá trình diễn ra theo<br /> đường AB. Sau đó không khí ẩm tại trạng thái B được thổi<br /> vào chuồng, nhận nhiệt thừa và ẩm thừa, biến đổi đến trạng<br /> thái điểm E.<br /> Khi nước ngầm có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhiệt kế<br /> ướt vào cooling pad, không khí sẽ cung cấp thêm một<br /> lượng enthalpy ΔIn để làm tăng nhiệt độ nước đến nhiệt độ<br /> nhiệt kế ướt, quá trình diễn ra theo đường AC (Hình 2).<br /> Không khí ẩm sau đó được thổi vào chuồng, cũng nhận<br /> nhiệt thừa và ẩm thừa, biến đổi đến trạng thái F.<br /> <br /> Hình 2. Quá trình trao đổi nhiệt - khối của không khí ẩm khi<br /> qua cooling pad<br /> <br /> Vậy E và F tương ứng với trạng thái không khí ẩm trong<br /> chuồng khi nước tưới cooling pad là nước tuần hoàn trong<br /> hệ thống cooling pad (có nhiệt độ của nhiệt kế ướt) và nước<br /> ngầm. Với cùng nhiệt thừa, ẩm thừa, trạng thái E có nhiệt<br /> độ cao hơn nhưng độ ẩm tương đối thấp hơn; trạng thái F<br /> có nhiệt độ thấp hơn nhưng độ ẩm tương đối cao hơn. Đây<br /> là vấn đề cần lưu ý khi vận hành hệ thống.<br /> Chọn tấm cooling pad Celdek 7090-15 với kích thước<br /> H×W×D = 1800 x 600 x 100 mm. Nhiệt độ không khí ẩm<br /> ra khỏi cooling pad phụ thuộc vào tốc độ của không khí và<br /> bề dày của cooling pad. Số lượng tấm cooling pad phụ<br /> thuộc vào lưu lượng và tốc độ không khí cần làm mát.<br /> Khi nước vào cooling pad với nhiệt độ nhiệt kế ướt,<br /> nhiệt độ không khí qua tấm cooling pad 7090-15 được tính<br /> theo công thức thực nghiệm sau [7]:<br /> tk_u” = tk’ – η.(tk’-tư)<br /> trong đó, η là hiệu suất làm mát.<br /> Để có được độ ẩm cần thiết và tấm làm mát hoạt động<br /> tối ưu, cần cung cấp lượng nước cD nhất định cho 1 m2 bề<br /> mặt trên cùng của tấm làm mát. Lượng nước GD cung cấp<br /> cho toàn bộ chiều dài được tính như sau:<br /> GD = cD LD<br /> Trong đó, L = nW: Tổng chiều dài các tấm cooling pad<br /> (m); D: Bề dày tấm cooling pad (m).<br /> Các giá trị η và cD xác định từ catalogue của cooling<br /> pad Celdek 7090-15 [7].<br /> <br /> ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018<br /> <br /> Bảng 2. Tính nhiệt hệ thống cooling pad<br /> Diễn giải<br /> BÀI TOÁN<br /> Không khí vào cooling pad<br /> Lưu lượng khối lượng<br /> không khí (kg/s)<br /> Lưu lượng khối lượng<br /> KKK (kg/s)<br /> Nhiệt độ (°C)<br /> Độ ẩm tương đối<br /> Không khí ra khỏi chuồng<br /> Độ ẩm yêu cầu<br /> Nước<br /> Nhiệt độ nước vào (°C)<br /> GIẢI<br /> Khối lượng riêng trung bình<br /> của không khí khô (kg/m3)<br /> Lưu lượng thể tích KKK, (m3/s)<br /> Chọn tốc độ gió vào các<br /> tấm cooling pad (m/s)<br /> Tổng diện tích các tấm<br /> cooling pad (m2)<br /> Số lượng tấm cooling pad<br /> Chọn số tấm cooling pad<br /> Kiểm tra lại tốc độ gió vào<br /> các tấm cooling pad (m/s)<br /> Nhiệt độ nhiệt kế ướt<br /> Hiệu suất làm mát<br /> Nhiệt độ không khí ra<br /> cooling pad (°C)<br /> Ẩm dung không khí ra<br /> cooling pad (kg/kgKKK)<br /> Lượng nước bay hơi (kg/s)<br /> Lượng nước xả bỏ (kg/s)<br /> Lượng nước cần bổ sung<br /> khí bơm tuần hoàn (kg/s)<br /> Định lượng tưới (kg/(s.m2))<br /> Tổng chiều dài các tấm<br /> cooling pad (m)<br /> Lượng nước cung cấp GD<br /> cho toàn bộ chiều dài (kg/s)<br /> Lưu lượng nước qua toàn<br /> bộ cooling pad (kg/s)<br /> Lưu lượng nước bơm qua<br /> toàn bộ cooling pad (kg/s)<br /> (theo bơm chọn thực tế)<br /> Biến thiên enthalpy của<br /> nước (kW)<br /> Enthalpy của không khí<br /> giảm (kJ/kgKKK)<br /> Enthalpy thực tế của không<br /> khí khi ra khỏi cooling pad<br /> (kJ/kgKKK)<br /> Nhiệt độ thực tế của không<br /> khí ra khỏi cooling pad (°C)<br /> Độ ẩm tương đối thực tế của<br /> không khí ra khỏi cooling pad<br /> <br /> Ký hiệu/Công thức<br /> <br /> Kết<br /> quả<br /> <br /> G0<br /> <br /> 62,7<br /> <br /> Gk<br /> <br /> 61,5<br /> <br /> t'k = tN<br /> φ'k = φN<br /> <br /> 34,4<br /> 0,57<br /> <br /> φT<br /> <br /> 0,850,9<br /> <br /> tn'<br /> <br /> 25<br /> <br /> ρ<br /> <br /> 1,15<br /> <br /> Vk = Gk/ρ<br /> <br /> 53,5<br /> <br /> ωc<br /> <br /> 2,5<br /> <br /> F = Vk/ωc<br /> <br /> 21,4<br /> <br /> ncp=F/(W.H)<br /> n<br /> <br /> 19,8<br /> 20<br /> <br /> ω=Vk/(n.W.H)<br /> <br /> 2,48<br /> <br /> tư<br /> η<br /> <br /> 26,9<br /> 0,67<br /> <br /> tk_u” = tk’ – η.(tk’-tư)<br /> <br /> 29,4<br /> <br /> dk” = f(tk_u”, i'k)<br /> E = Gk(dk"-dk')<br /> B = CbE = 0,2E<br /> <br /> 0,021<br /> 8<br /> 0,125<br /> 0,025<br /> <br /> F = E+B<br /> <br /> 0,150<br /> <br /> cD<br /> <br /> 1,0<br /> <br /> L = nW<br /> <br /> 12,00<br /> <br /> GD = cD LD<br /> <br /> 1,20<br /> <br /> Glt = GD+B<br /> <br /> 1,23<br /> <br /> Gn<br /> <br /> 1,50<br /> <br /> ΔIn = GnCpn(tư -tn')<br /> <br /> 12,23<br /> <br /> Δik = ΔIn/Gk<br /> <br /> 0,199<br /> <br /> ik" = ik'-Δik<br /> <br /> 84,9<br /> <br /> tk" = f(dk”, ik")<br /> <br /> 29,2<br /> <br /> φk" = f(dk”, tk")<br /> <br /> 0,84<br /> <br /> 113<br /> <br /> Nhiệt thừa khi sử dụng phương<br /> pháp phun mưa với lưu lượng<br /> Q = Qp-QT<br /> 35,85<br /> nước 0,75 kg/s (kW)<br /> Enthalpy không khí mang<br /> IT' = Gkik"<br /> 5222<br /> vào chuồng (kW)<br /> Enthalpy không khí mang ra<br /> IT'' = Q+IT'<br /> 5257<br /> khỏi chuồng (kW)<br /> Ẩm thừa do gà tỏa ra (kg/s)<br /> W=nmamc/(24*3600) 0,029<br /> Không khí ra khỏi chuồng cũng là không khí trong chuồng<br /> Enthalpy riêng (kJ/kg)<br /> iT = iT"=iT"/Gk<br /> 85,51<br /> Dung ẩm (g, kg/kgKKK)<br /> dT = dk"+W1/Gk<br /> 0,022<br /> Nhiệt độ (°C)<br /> tT = f(iT,dT)<br /> 28,6<br /> Độ ẩm tương đối<br /> φT = f(tT,dT)<br /> 0,89<br /> <br /> 2.5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm mát<br /> <br /> Nước được bơm 3 với lưu lượng Gn_c hút từ giếng ngầm<br /> 1 lên phân phối vào các tấm cooling pad 5 dựng ở 1 đầu<br /> của chuồng gia cầm. Ở đầu kia của chuồng gia cầm đặt quạt<br /> hút 7 với lưu lượng Gk tạo áp suất âm trong chuồng, không<br /> khí ngoài trời với nhiệt độ tN, độ ẩm tương đối φN đi qua<br /> các tấm cooling pad 5 trao đổi nhiệt - khối với nước, hòa<br /> trộn với không khí trong chuồng đạt đến trạng thái nhiệt độ<br /> tT, độ ẩm tương đối φT. Nước sau khi đi qua cooling pad<br /> hồi về bể chứa 2 qua đường số 10.<br /> Nước từ bể chứa 2 theo đường ống số 11 được bơm 4<br /> với lưu lượng Gn_m hút lên và qua hệ thống ống 6 phun mưa<br /> trên mái. Nước gom từ mái về ống góp 8 rồi đưa về bể chứa<br /> 9 để dùng cho các nhu cầu vệ sinh chuồng trại, trồng trọt...<br /> Khi nhiệt độ ngoài trời không quá cao ta có thể chỉ cần<br /> sử dụng nước từ bể chứa 2 tuần hoàn để làm mát.<br /> 2.6. Vận hành hệ thống<br /> Kết quả vận hành và đo đạc trong một số ngày mùa hè<br /> năm 2017 được thể hiện trong Bảng 3, trong đó có các ký<br /> hiệu viết tắt về phương pháp vận hành hệ thống như sau:<br /> - PM: Sử dụng nước từ bể chứa nước sau khi qua<br /> cooling pad để phun mưa trên mái nhà;<br /> - NN: Sử dụng nước ngầm để cung cấp cho hệ thống<br /> cooling pad; sử dụng nước từ bể chứa nước sau khi qua<br /> cooling pad để phun mưa trên mái nhà;<br /> - CL: Sử dụng nước từ bể chứa nước sau khi qua<br /> cooling pad để cung cấp cho hệ thống cooling pad (tuần<br /> hoàn kín); sử dụng nước từ bể chứa nước sau khi qua<br /> cooling pad để phun mưa trên mái nhà.<br /> <br /> Thái Ngọc Sơn<br /> <br /> 114<br /> <br /> Bảng 3. Số liệu khảo sát thực tế làm mát chuồng trại hè 2017<br /> Thông số<br /> Nhiệt độ không khí ngoài trời (°C)<br /> Độ ẩm không khí ngoài trời<br /> Số tấm cooling pad ướt<br /> Nhiệt độ nước vào cooling<br /> pad (°C)<br /> Phương pháp<br /> Nhiệt độ trong chuồng (°C)<br /> Độ ẩm trong chuồng<br /> Nhiệt độ nước phun (°C)<br /> Độ chênh nhiệt độ ngoài trời trong chuồng<br /> Ngày<br /> 10/07/17<br /> Giờ<br /> 12<br /> 13<br /> 14<br /> tN<br /> 33,8 34,6<br /> 35,2<br /> φN<br /> 0,63 0,65<br /> 0,54<br /> n<br /> 20<br /> 10<br /> 20<br /> tn'<br /> 27,5<br /> 25<br /> 24,8<br /> PP<br /> CL<br /> NN<br /> NN<br /> tT<br /> 29,7 29,9<br /> 29,1<br /> φT<br /> 0,85 0,89<br /> 0,85<br /> t'L<br /> 27,5 27,9<br /> 27,5<br /> tN-tT<br /> 4,1<br /> 4,7<br /> 6,1<br /> <br /> Ngày<br /> Giờ<br /> tN<br /> φN<br /> n<br /> <br /> 16/06/2017<br /> 7<br /> 9<br /> 11<br /> 31,7 34,5<br /> 37<br /> 0,76 0,55 0,49<br /> 20<br /> 20<br /> <br /> tn'<br /> <br /> 27,3<br /> <br /> 25<br /> <br /> PM<br /> 30,1<br /> 0,8<br /> 27<br /> <br /> CL<br /> 30<br /> 0,82<br /> 27,3<br /> <br /> NN<br /> 29,8<br /> 0,82<br /> 27,2<br /> <br /> 1,6<br /> <br /> 4,5<br /> <br /> 7,2<br /> <br /> PP<br /> tT<br /> φT<br /> t'L<br /> tN-tT<br /> 13<br /> 38<br /> 0,46<br /> 20<br /> 24,7<br /> NN<br /> 30,6<br /> 0,82<br /> 27,8<br /> 7,4<br /> <br /> 01/08/17<br /> 14<br /> 15<br /> 36,1 38,1<br /> 0,52 0,54<br /> 20<br /> 20<br /> 27,6 24,7<br /> CL<br /> NN<br /> 30,4 30,6<br /> 0,79 0,88<br /> 27,6 28,2<br /> 5,7<br /> 7,5<br /> <br /> 16<br /> 35,7<br /> 0,54<br /> 20<br /> 28<br /> CL<br /> 30,6<br /> 0,82<br /> 28<br /> 5,1<br /> <br /> Để dự đoán nhiệt độ, độ ẩm trong chuồng khi sử dụng hệ<br /> thống làm mát, tác giả xây dựng một phần mềm tính toán<br /> trong Excel. Đầu vào là các số liệu cập nhật thực tế như ngày,<br /> giờ, nhiệt độ và độ ẩm tương đối ngoài trời (trong bóng râm);<br /> nhiệt độ nước ngầm hoặc nước trong bể chứa nước tuần hoàn<br /> từ cooling pad; số lượng cooling pad cho nước đi qua... Phần<br /> mềm sẽ tính toán nhiệt thừa, ẩm thừa, chế độ phun mưa và<br /> vận hành cooling pad theo các công thức tính đã đề cập trong<br /> phần 2 ở trên. Trong một số bài toán, cần sử dụng phương<br /> pháp lặp để đạt đến sai số cho phép, tácgiar đã dùng VBA<br /> (Visual Basic for Applications) để lập trình, kết hợp với các<br /> mô-đun phần mềm tính toán thông số nhiệt động của nước,<br /> hơi nước, thông số nhiệt động của không khí khô, không khí<br /> ẩm và tính bức xạ mặt trời. Kết quả tính toán của phần mềm<br /> là nhiệt độ và độ ẩm trong chuồng. Kiểm tra so sánh kết quả<br /> vận hành thực tế với kết quả tính toán của phần mềm, thấy<br /> rằng sai số nằm trong khoảng 3 - 15%. Nguyên nhân là do<br /> các thiết bị đo đều có sai số khá lớn; phương pháp đo thô sơ<br /> và biến động điều kiện thời tiết theo thời gian. Tuy nhiên<br /> phần mềm cho thấy có thể dự kiến trước kết quả để vận hành<br /> hệ thống tốt hơn.<br /> 2.7. Đánh giá về hiệu quả làm mát<br /> Làm mát trong ngày hè được thực hiện bằng cách kết<br /> hợp 3 biện pháp: phun mưa, tưới nước ngầm qua cooling<br /> pad và tưới nước tuần hoàn qua cooling pad. Việc kết hợp<br /> giữa các biện pháp nhằm làm giảm lưu lượng khai thác<br /> nước ngầm, giãn thời gian khai thác nước ngầm nhằm phục<br /> hồi lưu lượng nước ngầm tự nhiên. Tổng hợp số liệu 15<br /> ngày khảo sát rải rác trong hè năm 2017 được thể hiện tại<br /> Bảng 4. Cột “Nhỏ nhất trung bình” thể hiện trung bình các<br /> giá trị (nhiệt độ, độ ẩm...) nhỏ nhất trong 15 ngày khảo sát.<br /> <br /> Cột “Trung bình” thể hiện trung bình các giá trị (nhiệt độ,<br /> độ ẩm...) trong 15 ngày khảo sát. Cột “Lớn nhất trung bình”<br /> thể hiện trung bình các giá trị (nhiệt độ, độ ẩm...) lớn nhất<br /> trong 15 ngày khảo sát.<br /> Bảng 4. Tổng hợp số liệu thực tế làm mát trại gà hè 2017<br /> Nhỏ nhất<br /> trung bình<br /> Nhiệt độ không khí ngoài trời (°C)<br /> 30,5<br /> Độ ẩm không khí ngoài trời<br /> 0,49<br /> Nhiệt độ trong chuồng (°C)<br /> 28,4<br /> Độ ẩm trong chuồng<br /> 0,76<br /> Độ chênh nhiệt độ ngoài trời 1,2<br /> trong chuồng (°C)<br /> Thông số<br /> <br /> Trung Lớn nhất<br /> bình trung bình<br /> 34,1<br /> 37,0<br /> 0,60<br /> 0,74<br /> 29,7<br /> 30,7<br /> 0,84<br /> 0,89<br /> 4,6<br /> <br /> 6,9<br /> <br /> 3. Kết luận<br /> Bài báo đã đưa ra cơ sở lý thuyết tính toán hệ thống làm<br /> mát chuồng trại kết hợp giữa phun mưa làm mát mái và sử<br /> dụng các tấm làm mát công nghiệp (cooling pad) với nguồn<br /> nước ngầm.<br /> Tác giả đã tính toán ứng dụng cụ thể và triển khai hệ<br /> thống làm mát cho 1 trang trại gà. Kết quả cho thấy hệ<br /> thống làm mát đã thiết kế có khả năng giảm nhiệt độ tối đa<br /> trung bình đến 6,9°C, ứng với các giờ cao điểm của nắng<br /> nóng. Trung bình trong các ngày nóng có thể giảm đến<br /> 4,6°C, tạo nhiệt độ trung bình trong chuồng là 29,7°C với<br /> độ ẩm tối đa trung bình dưới 90%, nằm trong ngưỡng gà<br /> có thể chịu đựng trong điều kiện Việt Nam.<br /> Tác giả đã xây dựng được phần mềm dự báo nhiệt độ,<br /> độ ẩm của chuồng trại khi vận hành hệ thống. Kiểm tra so<br /> sánh kết quả vận hành thực tế với phần mềm cho thấy sai<br /> số nằm trong khoảng 5 - 15%, có thể chấp nhận được trong<br /> thực tế sản xuất.<br /> Hệ thống làm mát sử dụng nước ngầm tưới qua các tấm<br /> cooling pad kết hợp với phun mưa có vốn đầu tư thấp, hiệu<br /> quả giải nhiệt nằm trong phạm vi có thể chấp nhận được.<br /> Hệ thống có thể vận hành hiệu quả theo dự báo nhiệt độ,<br /> độ ẩm chuồng trại của phần mềm tính toán.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] Bộ Xây dựng Việt Nam, QCVN 02:2009/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật<br /> quốc gia số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng, Hà Nội, 2009.<br /> [2] Nguyễn Nhựt Xuân Dung, Lưu Hữu Mãnh, Lê Thanh Phương,<br /> “Khảo sát chất lượng không khí và vị trí chuồng nuôi lên năng suất<br /> sinh sản của gà đẻ trứng giống hisex brown”, Tạp ̣ chı́ Khoa học<br /> Trường Đại học Cần Thơ, Số chuyên đề Nông nghiệp (2), 2016,<br /> trang 83-90.<br /> [3] Võ Chí Chính, Giáo trình Điều hòa không khí, NXB Khoa học và<br /> Kỹ thuật, Hà Nội, 2005.<br /> [4] Thai Ngoc Son, Vo Chi Chinh, Pham Quoc Thang, “Solving the<br /> Problem of Heat Transfer of Cooling Shed for Animals”,<br /> Proceedings - 2017 International Conference on System Science<br /> and Engineering (ICSSE) ISBN: 978-1-5386-3422-6/17, pp. 632635, 2017 DOI: 10.1109/ICSSE.2017.8030952.<br /> [5] Hệ thống lạnh trong chăn nuôi, http://ksp.com.vn/cho-an-tudong/he-thong-lanh-trong-chan-nuoi/121/ [truy cập 09/08/2017].<br /> [6] Уравнение массоотдачи, https://studopedia.ru/8_163496_uravneniemassootdachi.html [truy cập 09/08/2017].<br /> [7] Munters, Evaporative Cooling with CELdek, Technical Manual.<br /> <br /> (BBT nhận bài: 5/5/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 23/5/2018)<br /> <br />