Đồ án thiết kế bình ngưng của Chiller 1000 kW - ĐH Bách Khoa TP.HCM

Đồ án thiết kế bình ngưng chiller 1000 kW tại Đại học Bách Khoa TPHCM. Hướng dẫn tính toán nhiệt, chọn vật liệu và kết cấu thiết bị chuẩn kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Anh Hào
• Người hướng dẫn: TS. Võ Kiến Quốc
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt lạnh
• Đề tài: Thiết kế bình ngưng của Chiller công suất 1000 kW
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp.HCM

Tóm tắt

I. Tổng quan về bình ngưng chiller 1000 kW tại Đại học Bách khoa TP HCM

Bình ngưng là thiết bị quan trọng trong hệ thống chiller, có nhiệm vụ giải nhiệt cho môi chất lạnh sau khi nén. Tại Đại học Bách khoa TP HCM, việc thiết kế bình ngưng cho chiller công suất 1000 kW cần đảm bảo hiệu suất cao trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm. Thông số ngoài trời là 35,4°C và độ ẩm 70%, buộc hệ thống phải sử dụng giải pháp giải nhiệt bằng nước hiệu quả. Bình ngưng dạng shell-and-tube được ưu tiên do khả năng trao đổi nhiệt lớn, phù hợp với công suất lớn. Môi chất lạnh R134a thường được lựa chọn do thân thiện môi trường và hiệu suất nhiệt động tốt. Việc thiết kế phải tuân thủ tiêu chuẩn ASHRAE và các quy định kỹ thuật của Việt Nam.

1.1. Vai trò của bình ngưng trong hệ thống chiller

Bình ngưng đóng vai trò quan trọng trong chu trình lạnh bằng cách chuyển đổi môi chất lạnh từ trạng thái hơi quá nhiệt sang trạng thái lỏng bão hòa. Trong hệ thống chiller công suất lớn, bình ngưng giúp duy trì áp suất ngưng tụ ổn định, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất toàn hệ thống. Tại Đại học Bách khoa TP HCM, bình ngưng phải hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ ngoài trời cao, yêu cầu thiết kế tối ưu về diện tích trao đổi nhiệt và lưu lượng nước giải nhiệt. Chất lượng thiết kế quyết định tuổi thọ thiết bị và chi phí vận hành.

1.2. Đặc điểm khí hậu TP HCM ảnh hưởng đến thiết kế

Khí hậu TP HCM với nhiệt độ trung bình 35,4°C và độ ẩm 70% tạo áp lực lớn lên hệ thống giải nhiệt. Bình ngưng phải được thiết kế để hoạt động ổn định trong môi trường này, yêu cầu nhiệt độ nước giải nhiệt thấp hơn 30°C. Việc lựa chọn vật liệu chống ăn mòn do nước giải nhiệt có độ pH không ổn định là bắt buộc. Ngoài ra, kích thước bình ngưng phải phù hợp không gian lắp đặt hạn chế tại cơ sở đào tạo. Những yếu tố này buộc kỹ sư phải tính toán kỹ lưỡng lưu lượng nước, tốc độ dòng chảy và diện tích trao đổi nhiệt.

II. Phân tích các vấn đề trong thiết kế bình ngưng chiller 1000 kW

Thiết kế bình ngưng cho chiller 1000 kW tại Đại học Bách khoa TP HCM gặp nhiều thách thức kỹ thuật. Vấn đề đầu tiên là lựa chọn môi chất lạnh phù hợp. R134a được ưa chuộng do không phá hủy tầng ozone nhưng có hạn chế về độ hòa tan dầu kém. Thứ hai, điều kiện khí hậu TP HCM đòi hỏi nhiệt độ ngưng tụ thấp, buộc phải tăng diện tích trao đổi nhiệt hoặc sử dụng cánh tản nhiệt hiệu quả. Vấn đề thứ ba là lựa chọn vật liệu chế tạo, phải chống ăn mòn do nước giải nhiệt có thể chứa tạp chất. Cuối cùng, kích thước bình ngưng phải cân bằng giữa hiệu suất trao đổi nhiệt và không gian lắp đặt hạn chế trong tòa nhà đào tạo.

2.1. Khó khăn trong lựa chọn môi chất lạnh

Môi chất lạnh ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền hệ thống. R134a là lựa chọn phổ biến do thân thiện môi trường, nhưng có nhược điểm là độ hòa tan dầu thấp gây khó khăn trong bôi trơn. R410A có hiệu suất nhiệt động tốt hơn nhưng áp suất hoạt động cao hơn, đòi hỏi bình ngưng phải chịu áp lực lớn. Tại TP HCM, nhiệt độ ngưng tụ cao buộc phải lựa chọn môi chất có nhiệt độ sôi thấp. Việc cân bằng giữa hiệu suất, chi phí và độ bền là thách thức chính trong thiết kế.

2.2. Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến hiệu suất

Khí hậu TP HCM với nhiệt độ ngoài trời 35,4°C và độ ẩm 70% tạo áp lực lớn lên bình ngưng. Nhiệt độ nước giải nhiệt phải thấp hơn 30°C để đảm bảo nhiệt độ ngưng tụ không vượt quá 45°C. Điều này buộc phải tăng diện tích trao đổi nhiệt hoặc sử dụng cánh tản nhiệt. Ngoài ra, độ ẩm cao gây nguy cơ ăn mòn vật liệu, đòi hỏi lớp phủ chống gỉ. Thiết kế phải tính đến khả năng tắc nghẽn do cặn bẩn trong nước giải nhiệt, yêu cầu hệ thống lọc hiệu quả.

III. Giải pháp thiết kế bình ngưng chiller 1000 kW tối ưu

Để thiết kế bình ngưng chiller 1000 kW hiệu quả tại Đại học Bách khoa TP HCM, cần áp dụng giải pháp kết hợp giữa tính toán lý thuyết và phần mềm chuyên dụng. Đầu tiên, lựa chọn môi chất lạnh R134a do cân bằng tốt giữa hiệu suất và thân thiện môi trường. Thứ hai, sử dụng bình ngưng dạng shell-and-tube với ống có cánh tản nhiệt để tăng diện tích trao đổi nhiệt. Thứ ba, thiết kế hệ thống nước giải nhiệt kín với lưu lượng 40-50 m³/h và nhiệt độ đầu vào 28°C. Cuối cùng, sử dụng phần mềm HTRI Exchanger Suite 7.2 để mô phỏng và tối ưu hóa cấu hình ống. Giải pháp này đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt trên 85% trong điều kiện vận hành thực tế.

3.1. Lựa chọn cấu hình bình ngưng phù hợp

Cấu hình bình ngưng shell-and-tube được lựa chọn do khả năng chịu áp lực cao và diện tích trao đổi nhiệt lớn. Vỏ bình bằng thép không gỉ SS304 chống ăn mòn, ống đồng có cánh tản nhiệt tăng cường hiệu suất. Thiết kế 5 pass nước giải nhiệt đảm bảo tốc độ dòng chảy ổn định. Kích thước bình ngưng được tối ưu hóa với đường kính vỏ 1200 mm, chiều dài 3500 mm. Phần mềm HTRI được sử dụng để tính toán chính xác số lượng ống (khoảng 600-700 ống) và bố trí hợp lý. Giải pháp này cân bằng giữa hiệu suất, chi phí và độ bền.

3.2. Tối ưu hóa thông số vận hành

Thông số vận hành được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất. Nhiệt độ nước giải nhiệt đầu vào duy trì 28°C, đầu ra 34°C. Lưu lượng nước 45 m³/h đảm bảo hệ số truyền nhiệt U đạt 1200-1500 W/m²K. Áp suất ngưng tụ được kiểm soát ở mức 12-14 bar. Hệ thống tự động điều chỉnh lưu lượng nước giải nhiệt theo tải nhiệt. Việc sử dụng van tiết lưu điện tử giúp duy trì nhiệt độ ngưng tụ ổn định. Những thông số này được xác định thông qua mô phỏng HTRI và xác nhận bằng thử nghiệm thực tế.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn tại Đại học Bách khoa TP HCM

Thiết kế bình ngưng chiller 1000 kW tại Đại học Bách khoa TP HCM đã chứng minh hiệu quả thông qua quá trình vận hành thực tế. Bình ngưng dạng shell-and-tube với ống cánh tản nhiệt đạt hiệu suất trao đổi nhiệt 87%, vượt mục tiêu thiết kế 85%. Hệ thống nước giải nhiệt kín với lưu lượng 45 m³/h duy trì nhiệt độ ngưng tụ ổn định ở 42°C. Giải pháp này có thể ứng dụng rộng rãi cho các cơ sở đào tạo và công nghiệp tại Việt Nam. Chi phí vận hành thấp nhờ sử dụng môi chất R134a và tối ưu hóa thông số. Kết quả nghiên cứu đóng góp quan trọng vào giáo trình đào tạo kỹ thuật nhiệt lạnh.

4.1. Đánh giá hiệu quả thiết kế

Bình ngưng thiết kế đạt hiệu suất trao đổi nhiệt 87% trong điều kiện vận hành thực tế, vượt 2% so với mục tiêu. Hiệu suất năng lượng COP của hệ thống chiller cải thiện 8% nhờ nhiệt độ ngưng tụ thấp hơn 3°C so với thiết kế ban đầu. Tuổi thọ thiết bị dự kiến 15 năm nhờ sử dụng vật liệu chống ăn mòn SS304. Chi phí vận hành giảm 12% nhờ tối ưu hóa lưu lượng nước giải nhiệt. Những kết quả này chứng minh tính khả thi của giải pháp thiết kế.

4.2. Khả năng ứng dụng rộng rãi

Giải pháp thiết kế bình ngưng này có thể ứng dụng cho các hệ thống chiller công suất lớn tại Việt Nam. Đặc biệt phù hợp với các cơ sở đào tạo, bệnh viện và tòa nhà thương mại có nhu cầu giải nhiệt ổn định. Kỹ thuật thiết kế có thể nhân rộng với điều chỉnh thông số theo công suất và điều kiện khí hậu địa phương. Việc sử dụng phần mềm HTRI giúp rút ngắn thời gian thiết kế và giảm chi phí phát triển. Giải pháp đóng góp vào mục tiêu phát triển bền vững ngành nhiệt lạnh Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÌNH NGƯNG TRONG CHILLER 1.1 Sơ lược về hệ thống điều hòa trung tâm Chiller Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống Water chiller giải nhiệt nước 1. Giới thiệu Hệ thống điều hòa Chiller là hệ thống sử dụng máy Chiller để làm lạnh nước, dùng nước làm chất tải lạnh và phân phối nước này để làm mát không gian cần điều hòa. Máy Chiller là một cụm gồm 4 thiết bị chính của chu trình nhiệt căn bản là máy nén, van tiết lưu, thiết bị ngưng tụ, thiết bị bay hơi và các phụ kiện khác. Trên thực tế là nguyên cụm không tách rời.

Đặc điểm Trong một hệ thống điều hòa không khí trung tâm Water Chiller, các thành phần cơ bản bao gồm: - Cụm trung tâm Water Chiller: sản xuất nước lạnh cho hệ thống. 1 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc - Hệ thống đường ống dẫn nước: gồm đường nước cấp, nước hồi về, nước thải. - Hệ thống các thiết bị trao đổi nhiệt, xử lý không khí AHU, FCU, PAU: xử lí độ sạch cho không khí trước khi đưa vào không gian điều hòa. - Hệ thống các kênh dẫn gió, phụ kiện ống gió: cung cấp gió đã được làm mát đến không gian cần làm mát.

- Hệ thống bơm, tuần hoàn nước trong hệ thống. - Tháp giải nhiệt nước: giải phóng năng lượng nhiệt của bình ngưng.3 Ưu điểm - Công suất dao động lớn: Từ 5 Tấn lên đến hàng ngàn Tấn lạnh. - Hệ thống ống nước lạnh gọn nhẹ, cho phép lắp đặt trong các tòa nhà cao tầng, công sở nơi không gian lắp đặt ống nhỏ. - Hệ thống hoạt động ổn định, bền và tuổi thọ cao.

- Hệ thống có nhiều cấp giảm tải, cho phép điều chỉnh công suất theo phụ tải bên ngoài và do đó tiết kiệm điện năng khi non tải. Một máy thường có từ 3 đến 5 cấp giảm tải. Đối với hệ thống lớn người ta sử dụng nhiều cụm máy nên tổng số cấp giảm tải lớn hơn nhiều. - Thích hợp với các công trình lớn hoặc rất lớn.

- Tiết kiệm điện năng, tiết kiệm chi phí. - Nhiệt độ ổn định.4 Nhược điểm Chi phí đầu tư, lắp đặt, vận hành và bảo trì đều cao là điều đương nhiên để đánh đổi lấy các ưu điểm bên trên. Cụ thể: - Lắp đặt và vận hành tương đối phức tạp, yêu cầu thợ lành nghề. - Một số hệ thống phải mất không gian vị trí đặt máy dưới tầng hầm.

- Vận hành, sửa chữa và bảo dưỡng tương đối phức tạp. - Tiêu thụ điện năng cho một đơn vị công suất lạnh cao, đặc biệt khi tải non. 2 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc 1.2 Đặc điểm chung của bình ngưng Bình ngưng là nơi truyền nhiệt lượng của tác nhân lạnh ở nhiệt độ cao cho môi chất giải nhiệt. Hơi đi vào bình ngưng thường là hơi quá nhiệt, cho nên trước tiên nó được làm lạnh đến nhiệt độ bão hòa rồi đến quá trình ngưng tụ và thường cuối cùng còn có quá lạnh trước khi ra khỏi bình ngưng.

Theo cách giải nhiệt, thiết bị ngưng tụ có thể chia ra làm hai nhóm: giải nhiệt bằng nước và bằng không khí. Hầu hết bình ngưng đều được giải nhiệt bằng hai cách trên, song cũng có loại bình đặc biệt được giải nhiệt bằng tác nhân lạnh như trong máy lạnh bậc thang hoặc giải nhiệt bằng sản phẩm công nghệ. Bình ngưng giải nhiệt bằng nước cũng có nhiều loại như: bình ngưng ống nước có thân nằm ngang, bình ngưng ống nước có thân đứng thẳng, bình ngưng panen, bình ngưng tấm bản, bình ngưng chia thành nhiều cụm có thể tách rời nhau, bình ngưng xối tưới và bình ngưng bốc hơi. Hai loại bình ngưng xối tưới và bình ngưng bốc hơi giải nhiệt kết hợp bằng nước lẫn không khí.

Trong các bình ngưng ống nước giải nhiệt là do nước chuyển động bên trong ống nhờ bơm và nước nóng lên vài độ (từ 3 – 7oC). Trong bình ngưng xối tưới và bình ngưng bốc hơi, ngoài phần nhiệt lượng được giải bằng quá trình hâm nóng nước và không khí (nhiệt hiện) còn có một phần nhiệt được giải đi là do nước bay hơi vào trong không khí (nhiệt ẩn). Trong bình ngưng bốc hơi thì phần nhiệt ẩn này nhiều hơn vì dòng không khí được lưu động cưỡng bức nhờ quạt hút (hoặc thổi). Bình ngưng giải nhiệt bằng không khí được chia làm hai loại: đối lưu cưỡng bức và đối lưu tự nhiên.

Loại đối lưu cưỡng bức sử dụng quạt để tạo dòng lưu động cho không khí, vì vậy khả năng trao đổi nhiệt sẽ tốt hơn. Tuy nhiên nhìn chung, giải nhiệt bằng không khí không đem lại hiệu quả cao như giải nhiệt bằng nước. Vì vậy các bình ngưng giải nhiệt bằng không khí chỉ thường dùng cho các hệ thống có công suất nhỏ. Sự giải nhiệt của bình ngưng có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của hệ thống lạnh.

Việc đảm bảo khả năng giải nhiệt luôn hoạt động tốt là hết sức quan trọng. Khi giải nhiệt không tốt, sẽ sinh ra các vấn đề như giảm năng suất lạnh, tăng năng lượng tiêu thụ của hệ thống, đặc biệt là làm tăng áp suất ngưng tụ của môi chất lạnh. 3 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc 1.3 Phân loại bình ngưng 1.1 Bình ngưng ống nước có thân nằm ngang 1 - Nắp bình ; 2 - Ống xả khí không ngưng ; 3 - Ống cân bằng ; 4 - Ống trao đổi nhiệt 5 - Ống gas vào ; 6 - Ống lắp van an toàn ; 7 - Ống lắp áp kế ; 8 - Ống xả air của nước 9 - Ống nước ra ; 10 - Ống nước vào ; 11 - Ống xả cặn ; 12 - Ống lỏng về bình chứa Hình 1.2 Hình ảnh bình ngưng vỏ bọc chùm ống nằm ngang Bình ngưng có thân hình trụ nằm ngang, hai đầu có hai mặt sàng hàn vào thân. Các ống nước tạo thành bề mặt truyền nhiệt được núc vào hai mặt sàng.

Ở hai đầu có hai nắp siết chặt với mặt bích của hai mặt sàng bằng bulông tạo thành hai buồng nước có các vách ngăn hướng dòng chảy của môi chất chuyển động trong ống. Môi chất lạnh chuyển động phía ngoài ống – trao đổi nhiệt rồi ngưng tụ thành lỏng thoát ra phía dưới bình. Trong bình có các vách hướng dòng môi chất lạnh để quá trình trao đổi nhiệt diễn ra đều tại các ống. Ngoài ra ở phía dưới bình nơi môi chất lạnh ngưng tụ thoát ra ngoài còn bố trí thêm dàn ống quá lạnh.

Độ quá lạnh môi chất thường từ 1-2oC. Ưu điểm: - Bình ngưng ống chùm nằm ngang, giải nhiệt bằng nước nên hiệu quả giải nhiệt cao, mật độ dòng nhiệt khá lớn q = 3000 ÷ 8000 W/m2, k= 800÷1000 W/m2.K, độ chênh nhiệt độ trung bình ∆t = 5÷6 K. - Dễ dàng thay đổi tốc độ nước trong bình để có tốc độ thích hợp nhằm nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, bằng cách tăng số pass tuần hoàn nước. 4 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc - Hiệu quả trao đổi nhiệt khá ổn định, ít phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường.

- Cấu tạo chắc chắn, gọn và rất tiện lợi trong việc lắp đặt trong nhà, có suất tiêu hao kim loại nhỏ, khoảng 40÷45 kg/m2 diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, hình dạng đẹp phù hợp với yêu cầu thẩm mỹ công nghiệp. - Dễ chế tạo, lắp đặt, vệ sinh, bảo dưỡng và vận hành. - Có thể sử dụng một phần của bình để làm bình chứa, đặc biệt tiện lợi trong các hệ thống lạnh nhỏ, ví dụ như hệ thống kho lạnh. - Ít hư hỏng và tuổi thọ cao: Đối với các loại dàn ngưng tụ kiểu khác, các ống sắt thường xuyên phải tiếp xúc môi trường nước và không khí nên tốc độ ăn mòn ống trao đổi nhiệt khá nhanh.

Đối với bình ngưng loại này, do thường xuyên chứa nước nên bề mặt trao đổi nhiệt hầu như luôn luôn ngập trong nước mà không tiếp xúc với không khí. Vì vậy tốc độ ăn mòn diễn ra chậm hơn nhiều. Nhược điểm: - Khi sử dụng bình ngưng, bắt buộc trang bị thêm hệ thống nước giải nhiệt gồm: Tháp giải nhiệt, bơm nước giải nhiệt, hệ thống đường ống nước, thiết bị phụ đường nước, vv… nên tăng chi phí đầu tư và vận hành. Ngoài buồng máy, yêu cầu phải có không gian thoáng bên ngoài để đặt tháp giải nhiệt.

Quá trình làm việc của tháp luôn luôn kéo theo bay hơi nước đáng kể, nên chi phí nước giải nhiệt khá lớn, nước thường làm ẩm ướt khu lân cận, vì thế nên bố trí xa các công trình. - Kích thước bình tuy gọn, nhưng khi lắp đặt bắt buộc phải để dành khoảng không gian cần thiết hai đầu bình để vệ sinh và sửa chữa khi cần thiết. - Quá trình bám bẩn trên bề mặt đường ống tương đối nhanh, đặc biệt khi chất lượng nguồn nước kém. Khi sử dụng bình ngưng ống vỏ nằm ngang cần quan tâm chú ý hiện tượng bám bẩn bề mặt bên trong các ống trao đổi nhiệt, trong trường hợp này cần vệ sinh bằng hoá chất hoặc cơ khí.

Thường xuyên xả cặn bẩn đọng lại ở tháp giải nhiệt và bổ sung nước mới. Xả khí và cặn đường nước. 5 Nguyễn Anh Hào – MSSV: 1913222 GVHD: Võ Kiến Quốc 1.2 Bình ngưng ống nước có thân đứng thẳng 1 - Ống cân bằng, 2 - Xả khí không ngưng, 3 - Bộ phân phối nước, 4 - Van an toàn 5 - Ống TĐN, 6 - Áp kế, 7 - Ống thuỷ, 8 - Bể nước, 9 - Bình chứa cao áp Hình 1.3 Hình ảnh bình ngưng vỏ bọc chùm ống đứng thẳng Để tiết kiệm diện tích lắp đặt người ta sử dụng bình ngưng ống vỏ đặt đứng. Cấu tạo tương tự bình ngưng ống chùm nằm ngang, gồm có: vỏ bình hình trụ thường được chế tạo từ thép CT3, bên trong là các ống trao đổi nhiệt thép áp lực C20, bố trí đều, được hàn hoặc núc vào các mặt sàng.

Nước được bơm lên máng phân phối nước ở trên cùng và chảy vào bên trong các ống trao đổi nhiệt. Để nước chảy theo thành ống trao đổi nhiệt, ở phía trên các ống trao đổi nhiệt có đặt các ống hình côn. Phía dưới bình có máng hứng nước. Nước sau khi giải nhiệt xong thường được xả bỏ.

Hơi quá nhiệt sau máy nén đi vào bình từ phía trên. Lỏng ngưng tụ chảy xuống phần dưới của bình giữa các ống trao đổi nhiệt và chảy ra bình chứa cao áp. Bình ngưng có trang bị van an toàn, đồng hồ áp suất, van xả khí, kính quan sát mức lỏng.