Nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán tháp giải nhiệt ứng dụng trong kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí

Nguyễn Công Vinh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 59 - 65 59 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THÁP GIẢI NHIỆT ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ Nguyễn Công Vinh, Nguyễn Lê Châu Thành* Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - ĐH Đà Nẵng TÓM TẮT Trong kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí, tháp giải nhiệt đóng vai trò rất quan trọng để làm mát nước trong bình ngưng. Tuy nhiên, trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam, khi tháp giải nhiệt làm việc kém hiệu quả sẽ gây ra những hạn chế cho tổ hợp hệ thống máy lạnh. Để giải quyết những vấn đề này, cần phải nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm phù hợp với lượng nhiệt thải bình ngưng của hệ thống lạnh, hay nói cách khác là tháp giải nhiệt phải thải được toàn bộ lượng nhiệt do bình ngưng thải ra. Mặt khác, cần tính toán tối ưu về mặt kinh tế nghĩa là phải chọn tháp giải nhiệt sao cho tổng thể tiêu tốn điện năng để sản xuất ra một đơn vị lạnh là thấp nhất. Trong khi đó, để xác định các đại lượng của tháp giải nhiệt có sử dụng nhiều thông số, công thức phức tạp và tốn khá nhiều thời gian. Vì vậy để thuận lợi cho việc này, chúng tôi xây dựng các lưu đồ thuật toán và thiết lập chương trình tính toán mô phỏng tháp giải nhiệt. Chương trình cho phép người sử dụng có nhiều lựa chọn với nhiều công suất khác nhau, giúp rút ngắn thời gian tính toán và đạt độ chính xác cao nhất. Từ khóa: Tháp giải nhiệt; hệ số trao đổi nhiệt; nhiệt độ; chương trình; hệ thống lạnh. ĐẶT VẤN ĐỀ* Hiện nay, tháp giải nhiệt (TGN) là thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp loại dùng đệm được sử dụng rộng rãi, trong các ngành như điện lạnh; ngành nhựa; thủy hải sản; luyện kim; dược phẩm ...Đối với hệ thống lạnh, TGN là một thiết bị trao đổi nhiệt dùng để làm mát nước tuần hoàn cho bình ngưng tụ bằng cách bay hơi một phần nước vào không khí và trao đổi nhiệt với không khí khi cho nước tiếp xúc trực tiếp với không khí của môi trường. Cũng như các thiết bị trao đổi nhiệt khác, năng suất giải nhiệt của TGN không phải cố định mà thay đổi theo điều kiện làm việc. Trong đó chi phí điện năng cung cấp cho máy nén, bơm nước, quạt gió, chi phí đầu tư ban đầu, chi phí vận hành cần phải tính toán kỹ để vừa đảm bảo về mặt kỹ thuật vừa mặt kinh tế. Nghĩa là phải tính chọn tháp giải nhiệt sao cho tổng thể tiêu tốn điện năng để sản xuất ra một đơn vị lạnh là thấp nhất. Ở trong bài báo này, chủ yếu đi sâu nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm trong TGN kiểu tròn ứng dụng trong kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí. Dựa trên cơ sở từ các tài liệu, chúng tôi xây * Tel: 0989 296540, Email: nguyenlechauthanh@gmail.com dựng sơ đồ thuật toán, giao diện chương trình tính toán các thông số của tháp bằng ngôn ngữ phần mềm Visual basic 6.0. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tháp giải nhiệt Hình 1. Cấu tạo tháp giải nhiệt Tháp giải nhiệt là một thiết bị làm mát nước, dựa theo nguyên tắc tạo mưa và làm mát bằng gió. Luồng không khí theo hướng ngược với lưu lượng nước. Nước nóng sau khi ra khỏi bình ngưng được đưa lên cao rồi phun qua các lỗ nhỏ tạo thành các giọt nước, các giọt nước này rơi trên các lá chắn tạo thành các hạt nhỏ hơn hoặc chảy thành từng lớp mỏng Nguyễn Công Vinh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 59 - 65 60 qua lớp đệm từ trên xuống dưới. Mặt khác không khí từ ngoài tháp (là không khí ẩm của môi trường xung quanh chưa bão hòa, φ < 100%) nhờ quạt gió hút vào đi từ dưới lên và ra khỏi tháp. Không khí tiếp xúc với nước sẽ thực hiện quá trình trao đổi nhiệt. Nước sẽ tỏa nhiệt cho không khí, hạ thấp nhiệt độ và quay về bình ngưng. Qúa trình truyền nhiệt giữa nước và không khí được thực hiện bằng hai cách: cách thứ nhất là truyền nhiệt bằng đối lưu do chênh lệch nhiệt độ giữa nước và không khí; và cách thứ hai là truyền nhiệt bằng truyền ẩm nghĩa là do nước bay hơi vào trong không khí. Thực tế trong TGN thì nhiệt truyền từ nước vào không khí bằng cách bay hơi là chủ yếu [1]. Cơ sở tính toán Khi tính toán TGN chúng ta cần xem xét một số giả thiết gần đúng và để tiện lợi trong quá trình tính toán, tên các đại lượng và đơn vị được ký hiệu như sau: - Hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm cũng như các thông số vật lý, nhiệt ẩn hóa hơi, nhiệt dung riêng của không khí ẩm được xem là không đổi trên toàn bộ diện tích (Fx) tiếp xúc giữa không khí và nước. - Nhiệt độ màng nước trên bề mặt cắt ngang bất kỳ của tháp được xem là nhiệt độ trung bình của nước trên tiết diện (F) này. Qk- công suất bình ngưng (kW); η- hiệu suất tháp (%); ∆t- hiệu nhiệt độ vào ra (0C); Ck- nhiệt dung riêng của không khí (kJ/kg.K); Cn- nhiệt dung riêng của nước (kJ/kg.K); t- nhiệt độ (0C); ε- hệ số dính ướt của nước trên bề mặt đệm; φ- độ ẩm tương đối (%); B- áp suất khí trời (bar); I- entanpy (kJ/kg); d- độ chứa ẩm (kg ẩm/kg kk); v- thể tích tự do khối đệm (m 3 /m 3 ); f- bề mặt của một đơn vị thể tích khối đệm (m3/m2); μ- độ nhớt động lực của không khí (N.s/m 2); ρ- khối lượng riêng (kg/m 3 ); g- gia tốc trọng trường (m/s2); νk - độ nhớt động học của không khí (m2/s); pb- phân áp suất (bar); Re- hệ số Reynold; Ar- hệ số Arximed; M- mật độ tưới (m3/m2.h); Ψ- hệ số tưới (m3/m2.h); ∆pk- trở kháng khối đệm (mm H2O); β- hệ số truyền ẩm (kg/m 2.s); α- hệ số tỏa nhiệt (W/m2.0K); ω- tốc độ không khí (m/s). Xác định các thông số của nước và không khí Khi không khí vào tháp có độ ẩm φ ≤ 100% thì nhiệt độ t’k ≥ tu , nghĩa là nhiệt độ thấp nhất của không khí vào tháp t’k = tu. Vậy điều kiện để kiểm tra chương trình, thì nhiệt độ nước ra khỏi tháp t”n phải lớn hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt của không khí vào tháp tu và được chọn như sau: - Nhiệt độ của nước ra khỏi tháp: Hình 2. Sơ đồ trao đổi nhiệt giữa nước và không khí trong tháp giải nhiệt t"n = tu + ∆t ; với ∆t = (3 ÷ 5) (1) - Nhiệt độ nước vào tháp:    1 t t't un (2) - Lượng nước phun trong tháp chính là lượng nước làm mát của bình ngưng:   nnn k n "t'tC Q G   (3) - Lượng không khí vào ra là bằng nhau:   kk0nkk k k 'd''dt.C'I''I Q G   (4) - Lượng nước tưới bổ sung: Gbs = Gk(dk” – dk’) (5) Xác định các thông số của tháp Để tính diện tích trao đổi nhiệt của bề mặt đệm (F) ta phải biết hệ số truyền nhiệt kF. Nguyễn Công Vinh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 59 - 65 61 Việc xác định thông số này khá phức tạp, bởi vì ngoài quá trình trao đổi nhiệt bằng đối lưu còn xảy ra quá trình trao đổi ẩm giữa không khí và nước. Tuy nhiên, chúng ta có thể lý luận dựa trên cơ sở là: lượng nhiệt trao đổi giữa không khí và nước (Q) bao gồm lượng nhiệt trao đổi bằng đối lưu của không khí khô (Qđ) và lượng nhiệt trao đổi qua việc trao đổi ẩm (Qa). Trên thực tế, vì (Qa) nhỏ hơn rất nhiều so với Qđ [1], nên có thể xem gần đúng Q = Qđ. Qđ = Gk.Ck(t”k - tk’) (6) - Mặt khác theo công thức Newton về trao đổi nhiệt đối lưu giữa không khí và nước qua bề mặt đệm F bằng: Qđ = α.F.∆t (7) - Diện tích của bề mặt khối đệm: Hình 3. Trao đổi nhiệt hỗn hợp dùng đệm t. Q .t.k Q F đ F     (8) - Thể tích khối đệm: f F V  (9) - Chiều cao khối đệm: 2D. V.4 h   (10) - Đường kính khối đệm: kk k .. G.4 D   (11) Đường kính và chiều cao của tháp được tính chọn trên cơ sở chiều cao và đường kính của đệm đồng thời đảm bảo một số yêu cầu như: khoảng cách để lắp đặt quạt hút, mô tơ, khoảng trống để không khí hút vào, bố trí dàn phun nước - Tiêu chuẩn Reynold được xác định từ phương trình chuẩn: 43,0 n k57,0 e G G Ar.045,0R        (12) - Tiêu chuẩn Arximed: 2 nk 3 tđ g...d Ar    (13) - Tốc độ khí đi qua lỗ rỗng được xác định theo tiêu chuẩn Reynold: k .e k .4 .fR '    (14) - Đường kính tương đương của lỗ đệm: f v.4 d tđ  (15) - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu tính theo công thức gần đúng của Luic [1]. Quan hệ của Luic nêu lên sự đồng dạng giữa quá trình truyền nhiệt và quá trình truyền ẩm. α = Ck.β (16) - Hệ số truyền ẩm được xác định: 2,0 tđ 8,0 kk d. v . 0047,0         (17) - Mật độ tưới được các định: n 2 n .D. G.4 M   (18) Nguyễn Công Vinh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 59 - 65 62 Hình 4. Lưu đồ thuật toán chương trình - Hệ số tưới được xác định: M.04,02,1  (19) - Mật độ tưới tối thiểu theo kinh nghiệm: Mmin = 0,12.f (20) - Mật độ tưới tối đa theo kinh nghiệm: Mmax = (4 ÷ 6).Mmin (21) - Trở lực của dòng khí khi đi qua khối đệm xếp tự do được xác định: k p.p  (22) - Trở kháng của khối đệm khi không khí đi qua đệm không có nước: 8,1 tđ 2,0 k 2 kk k v.d.g .'..6,7 .hp   khi Re < 7000 (23) 2 tđ 2,0 k 2 kk k v.d.g .'..3,1 .hp   khi Re ≥ 7000 (24) XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH Xây dựng lưu đồ thuật toán và giao diện Trên cơ sở lý thuyết ở mục 2, chúng tôi chọn phần mềm Visual Basic 6.0 để xây dựng lưu đồ thuật toán tính toán, thiết kế giao diện của chương trình. Chương trình gồm ba phần: phần nhập số liệu ban đầu, phần xác định các thông số của nước và không khí, phần xác định các thông số của tháp [3]. Hình 5. Giao diện chính của chương trình Nguyễn Công Vinh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 59 - 65 63 Chạy chương trình Hình 6. Nhập thông số đầu vào Hình 7. Xác định các thông số của nước và không khí Sau khi nhập hoặc chọn xong các dữ liệu ban đầu (hình 6) thì chương trình chuyển qua xác định thông số trạng thái của nước và không khí (hình 7) và xác định các đại lượng cơ bản của tháp (hình 8). So sánh các số liệu nhập vào và các kết quả thu được từ phần mềm, chúng tôi rút ra được một số nhận xét sau đây: Hình 8. Xác định các thông số của tháp - Khi nhiệt độ không khí vào tháp không đổi nhưng độ ẩm tương đối φ của không khí tăng thì khả năng hoạt động của tháp giảm, nghĩa là nhiệt độ nước ra khỏi tháp (vào bình ngưng) tăng lên và làm giảm quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh trong bình ngưng [2]. Muốn nhiệt độ nước ra khỏi tháp không đổi khi độ ẩm không khí vào tháp tăng, chúng ta phải tăng lượng không khí vào tháp tức là điều chỉnh tốc độ gió. Khi nhiệt độ kế ướt càng nhỏ nghĩa là độ ẩm tương đối không khí càng nhỏ, nước càng dễ bay hơi vào không khí và năng suất tháp tăng lên. Tuy nhiên điều này phụ thuộc vào môi trường xung quanh. Nguyễn Công Vinh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 59 - 65 64 - Để đảm bảo tốt quá trình trao đổi giữa khí và nước, cần có đủ lượng nước tưới trên bề mặt đệm. Nếu thiếu nước, bề mặt đệm có chỗ khô và làm giảm diện tích tiếp xúc giữa nước và khí. Ngược lại nếu tưới quá nhiều nước sẽ làm ngập từng vùng đệm, chất khí sẽ không đi qua được và cũng làm giảm bề mặt tiếp xúc. - Khi thay đổi nhiệt độ nước vào, nhiệt độ nước ra khỏi tháp và hiệu nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến năng suất của tháp. Năng suất tháp càng cao khi nhiệt độ nước vào và ra càng cao và hiệu nhiệt độ càng giảm. - Khi nước đang tuần hoàn trong một thời gian dài, các chất rắn hình thành và khi nồng độ này tăng nó trở nên cần thiết để "xả tràn ra ngoài" một lượng nước nhất định từ tháp được biết đến như là một sự mất mát do tràn ra ngoài. Điều này sẽ ngăn chặn sự tích tụ các chất ô nhiễm có thể ảnh hưởng đến cấu trúc của tháp. Thực tế cho thấy lượng nước bổ sung cần thiết cho tháp làm mát là khoảng 2% lượng nước tuần hoàn. - Để đảm bảo sự phân bố đều giữa không khí và nước theo tiết diện [1], thì tỷ số giữa chiều cao đệm và đường kính đệm phải nằm trong khoảng 1,5 ÷ 2 ≤ D h ≤ 5 ÷ 7 cũng như hiệu suất của tháp giải nhiệt có sử dụng quạt đạt từ (70% ÷ 80%) và kết quả chạy chương trình đã phản ánh đúng yêu cầu. KẾT LUẬN Ngày nay, với việc khoa học ngày càng phát triển, thì việc ứng dụng các phần mềm tin học để giải quyết các toán kỹ thuật nói chung và kỹ thuật lạnh nói riêng, trong đó liên quan đến quá trình tính toán các thông số của tháp giải nhiệt là hết sức cần thiết. Các số liệu thu được từ phần mềm cho thấy có thể xác định và đánh giá được những yếu tố đặc trưng ảnh hưởng đến hiệu quả trao đổi nhiệt của tháp. Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ Visual Basic 6.0 có giao diện bằng tiếng Việt; cấu trúc đơn giản; dễ sử dụng và tiện lợi khi cập nhật dữ liệu. Phần mềm đã phần nào đạt được mục đích tự động hóa việc tính toán các của thông số của tháp, trạng thái của nước và không khí vào ra tháp. Từ đó có thể lựa chọn phương án thiết kế tối ưu đảm bảo tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tư ban đầu. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư (1999), Thiết bị trao đổi nhiệt, Nxb Khoa học Kỹ thuật. 2. Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy (2007), Kỹ thuật lạnh cơ sở, Nxb Giáo dục. 3. Đậu Quang Tuấn (2006), Tự học lập trình Micorsoft Visual Basic 6.0, Nxb Giao thông Vận tải Nguyễn Công Vinh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 59 - 65 65 ABSTRACT THE STUDY OF BUILDING THE PROGRAM CALCULATE THE COOLING TOWER THE APPLICATION OF TECHNIQUES OF COLD AND AIR - CONDITIONING Nguyen Cong Vinh, Nguyen Le Chau Thanh * University of Technology and Education – University of Danang In cold and air-conditioning, cooling tower plays a very important role for cooling water in the condenser. However, in the hot, humid climate of Vietnam, when the cooling tower work poorly will cause the limitations for the air conditioning system. To solve these problems, the need to study the process of the exchange of heat and moisture exchanger fit the amount of waste heat of condenser system, or in other words is the cooling tower to be the entire amount of heat due to condenser discharged. On the other hand, it should calculate the economically optimal means to select the cooling tower stars for overall power to produce a unit of conditioning is the lowest. When determining the quantities of cooling towers that use multiple parameters, complex formulas and spend quite a long time. So to facilitate this, we built the Save Map algorithm and set the program calculated simulation of the cooling tower. The program lets the user have more options with many different capacities, to help shorten the time to calculate and achieve the highest accuracy. Key words: Cooling towers; heat exchange coefficient; temperature; program; cold system. * Tel: 0989 296540, Email: nguyenlechauthanh@gmail.com Nguyễn Công Vinh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 59 - 65 66 Ngày nhận bài: 25/9/2018; Ngày hoàn thiện: 19/11/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018