Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------

TRƯƠNG HỒNG ANH

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG DÙNG CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH
DẠNG BĂNG TAN CHẢY BÊN NGOÀI ỐNG TRONG CÁC HỆ THỐNG
ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ TRUNG TÂM
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ NHIỆT
MÃ SỐ:
60.52.80

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 naêm 2006


LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn:

-

Thầy hướng dẫn, TS.Nguyễn Thế Bảo đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi
điều kiện tốt nhất giúp tác giả hoàn thành luận văn.

-

Thầy chủ nhiệm ngành Công Nghệ Nhiệt, PGS.TS Lê Chí Hiệp cùng các
thầy cô của trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã

ra các thí nghiệm được thực hiện nhằm đo đạc bề dày lớp băng hình thành trên
bề mặt ống trong quá trình tích trữ theo thời gian, sau đó tiến hành so sánh với
kết quả mô phỏng trên máy tính và đưa ra các nhận xét.

Luận văn đã đưa ra các phương pháp tính toán chế tạo thiết bị tích trữ
lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống, viết chương trình tính toán sơ bộ hệ
thống bằng phần mềm Microsoft Access, so sánh kinh tế khi sử dụng bồn tích trữ
băng với các hệ thống truyền thống.

Các vấn đề được nêu ra trong luận văn có thể làm cơ sở tính toán chế tạo
thiết bị tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên ngoài ống trong điều kiện công
nghệ Việt Nam, qua đó từng bước ứng dụng công nghệ tích trữ băng vào các hệ
thống lạnh tại nước ta nhằm giảm chi phí năng lượng.


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1:............................................................................................................1
1.1 Yêu cầu của đề tài ........................................................................................1
1.2 Nội dung nghiên cứu .....................................................................................2
1.3 Giới hạn của đề tài ......................................................................................3
1.4 Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................3
1.5 Ýnghóa khoa học và ý nghóa thực tiễn của đề tài .........................................4
CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH ................5
2.1 Tình hình sử dụng công nghệ tích trữ lạnh trên thế giới ..............................5
2.2 Nguyên lý chung của công nghệ tích trữ lạnh ..............................................6
2.3 Các phương pháp tích trữ lạnh ......................................................................7
2.3.1 Tích trữ toàn phần ..................................................................................7
2.3.2 Tích trữ một phần ...................................................................................8

3.3.4.3 Thời gian thu hồi vốn khi sử dụng bồn tích trữ lạnh......................41
3.4 Phần mềm tính toán kinh tế kỹ thuật..........................................................42


3.4.1 Sơ đồ khối của chương trình .................................................................42
3.4.2 Các giao diện của chương trình............................................................45
CHƯƠNG 4:THÍ NGHIỆM TÍCH TRỮ LẠNH DẠNG BĂNG TAN CHẢY
BÊN NGOÀI ỐNG ........................................................................51
4.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm bồn tích trữ lạnh dạng băng tan chảy bên
ngoài ống. ..................................................................................................51
4.1.1 Giới thiệu hệ thống thực nghiệm .........................................................51
4.1.2 Đo đạc và ghi nhận các kết quả thí nghiệm .........................................57
4.2 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................58
4.2.1 Bề dày lớp băng hình thành trên bề mặt ống theo thời gian ...............58
4.2.2 Quá trình thay đổi nhiệt độ của nước và chất tải lạnh.........................60
4.3 Kết quả mô phỏng trên máy tính................................................................62
4.4 Nhận xét......................................................................................................64
4.1.1 So sánh quá trình tạo băng lý thuyết và thực tế ..................................64
4.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành băng trên ống .....................67
4.1.2.1 Đường kính ống dàn lạnh...............................................................67
4.1.2.2 Nhiệt độ glycol trong dàn lạnh ......................................................68
CHƯƠNG 5:ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ - KỸ THUẬT TRONG VIỆC
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH DẠNG BĂNG
TAN CHẢY BÊN NGOÀI ỐNG CHO ĐIỀU HOÀ KHÔNG
KHÍ ..................................................................................................70
5.1 Tính toán chế tạo bồn tích lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài Ống ....70


5.2 Tính toán kinh tế kỹ thuật ...........................................................................73
5.2.1 Tính toán theo phương án 1 .....................................................................73

Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 4000kWh, nhập từ nước ngoài ....................................78

Bảng 5.7 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 4000kWh, chế tạo trong nước .....................................79
Bảng 5.8 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 6000kWh, nhập từ nước ngoài ....................................81
Bảng 5.9 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 6000kWh, chế tạo trong nước .....................................82
Bảng 5.10 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 8500kWh, nhập từ nước ngoài ....................................84
Bảng 5.11 Tính toán kinh tế cho hệ thống ĐHKK dùng bồn tích trữ lạnh dung
lượng tích trữ 8500kWh, chế tạo trong nước .....................................85


CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1

Sơ đồ vận hành tích trữ toàn phần ......................................................8

Hình 2.2

Sơ đồ vận hành tích trữ một phần kiểu san bằng tải. .........................9

Hình 2.3

Sơ đồ vận hành tích trữ một phần kiểu giới hạn tải yêu cầu. ..........10

Hình 2.4


Hình 4.1 Mô hình thực nghiệm.........................................................................51
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm .............................................52
Hình 4.3 Cụm máy nén ....................................................................................53
Hình 4.4

Dàn ống trao đổi nhiệt ......................................................................54

Hình 4.5 Bồn tích trữ lạnh dạng băng tan chảy trong ống ...............................55
Hình 4.6 Nhiệt kế điện tử.................................................................................56
Hình 4.7 Thước kẹp ..........................................................................................56
Hình 4.8 Mô hình thực nghiệm đang được vận hành .......................................57
Hình 4.9 Lớp băng hình thành trên ống ...........................................................58
Hình 4.10 Quá trình tạo băng trên ống theo thời gian .......................................60
Hình 4.12 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình nạp tải ......................................61
Hình 4.13 Sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình xả tải ........................................62
Hình 4.14 Quá trình tạo băng trên ống mô phỏng trên máy tính.......................64
Hình 4.16 So sánh hai quá trình tạo băng thực tế và lý thuyết ..........................66
Hình 4.17 So sánh hai quá trình tạo băng thực tế và lý thuyết ..........................67
khi bỏ qua quá trình làm lạnh nước ban đầu .....................................67
Hình 4.18 nh hưởng của việc thay đổi đường kính ống dàn lạnh đến sự hình
thành băng trên ống...........................................................................68
Hình 4.18 nh hưởng của nhiệt độ glycol trong dàn lạnh đến sự hình thành
băng trên ống.....................................................................................69
Hình 5.1 Tương quan giữa số giờ tích trữ và thời gian thu hồi vốn bồn tích trữ
có dung lượng 6000kWh ....................................................................83
Hình 5.2 Tương quan giữa số giờ tích trữ và thời gian thu hồi vốn bồn tích trữ
có dung lượng 8500kWh ....................................................................86




:

Thời gian vận hành trong một năm, ngày

Dng :

Đường kính ngoài của ống khi chưa có băng bám, m

dtd

:

Đường kính tương đương, m

Dx

:

Đường kính ngoài của ống khi đã có băng bám, m

f

:

hệ số ma sát của đoạn ống có đường kính d

g

:


mC :

Tiền đầu tư cho một đơn vị năng suất lạnh của tổ máy, triệu
đồng/kW

mS :

Tiền đầu tư cho một đơn vị dung lượng tích trữ, triệu đồng/kWh

IS

Chi phí đầu tư ban đầu đối với hệ thống có sử dụng bồn tích trữ

:

lạnh, triệu đồng
IC

:

Chi phí đầu tư ban đầu đối với hệ thống truyền thống, triệu đồng


IS1

:

Tổng tiền đầu tư cho tổ máy lạnh trong hệ thống có tích trữ băng,
triệu đồng

Công suất tiêu thụ điện ứng với các giờ cao điểm, kWh

PM :

Công suất tiêu thụ điện ứng với các giờ bình thường, kWh

PL

Công suất tiêu thụ điện ứng với các giờ thấp điểm, kWh

:

PDH :

Công suất tiêu thụ điện để cấp lạnh trực tiếp ứng với các giờ cao
điểm, kWh

PDM :

Công suất tiêu thụ điện để cấp lạnh trực tiếp ứng với các giờ bình
thường, kWh

PDL :

Công suất tiêu thụ điện để cấp lạnh trực tiếp ứng với các giờ thấp
điểm, kWh

PSH :

Công suất điện tiêu thụ để tích trữ lạnh ứng với các giờ cao điểm,


Nhiệt ẩn đóng băng của nước, kJ/kg


QS :

Năng suất lạnh cực đại của tổ máy lạnh, kW

rx

:

Bán kính lớp băng hình thành, m

rng

:

Bán kính ngoài của ống, m

rtr

:

Bán kính trong của ống, m

TC

:


Hệ số tỏa nhiệt của chất tải lạnh, W/m2.độ

δx

:

Bề dày lớp băng hình thành, m

ΔI :

Mức gia tăng chi phí đầu tư ban đầu so với phương án truyền
thống khi sử dụng bồn tích trữ lạnh, triệu đồng

ΔP :

Trở lực của thiết bị về phía chất tải lạnh, Pa

ΔPc :

Trở lực cục bộ, Pa

ΔPm :

Trở lực ma sát, Pa

ΔPH :

Trở lực tạo bởi cột chất lỏng, Pa

ΔT :


Độ nhớt động học của chất tải lạnh, Ns/m2

θ0

:

Nhiệt độ bề mặt lớp băng, 0C

ρ

:

Khối lượng riêng của nước, kg/m3

ρd

:

Khối lượng riêng của băng (đá), kg/m3

ρL

:

Khối lượng riêng của chất tải lạnh, kg/m3

ξ

:


Điện thoại

: 0903344798

Email

:

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
-Từ tháng 10/1993 → 07/1998 : Học đại học tại trường Đại Học Kỹ Thuật Đà
Nẵng (ĐHBK Đà Nẵng).
- Từ tháng 09/2003 → 08/2005 : Học cao học tại trường Đại Học Bách Khoa
tp.Hồ Chí Minh.

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC:
-Từ 10/1998 → 07/2000: Làm việc tại công ty CARRIER Việt Nam, chi nhánh
Đà Nẵng
-Từ 08/2000 → nay : Làm công tác giảng dạy tại trường Cao Đẳng Kỹ Thuật
Cao Thắng, 65 Huỳnh Thúc Kháng, phường Bến Nghé, quận 1, tp.Hồ Chí Minh


LỜI MỞ ĐẦU
Trên thế giới hiện nay vấn đề năng lượng luôn là vấn đề nóng bỏng và là
mối quan tâm hàng đầu của nhiều nước. Nguồn năng lượng hiện nay chúng ta
đang sử dụng hầu hết là năng lượng hóa thạch, mà đây không phải là nguồn
năng lượng vô tận, theo thống kê của IEA, trữ lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ
còn đủ sử dụng trong vòng 30 năm tới. Vì vậy việc sử dụng năng lượng tiết kiệm
và hiệu quả thời gian gần đây đã được nhắc đến rất nhiều.
Trong một vài năm gần đây, sự phát triển mạnh về kinh tế ở nước ta đã kéo

dụng điều hoà không khí là không thể thiếu được. Mà hệ thống điều hoà không
khí là một trong những phụ tải rất lớn đối với lưới điện, theo thống kê trong một
cao ốc văn phòng hay một khách sạn thì lượng điện cấp cho hệ thống điều hoà
không khí chiếm từ 45 đến 55% tổng lượng điện tiêu thụ. Mặc khác, các hệ
thống điều hoà không khí luôn luôn được thiết kế lớn hơn tải đỉnh của nó và số
giờ để hệ thống làm việc ở phụ tải đỉnh trong ngày là rất ít, nên xét về hiệu quả
kinh tế là chưa cao.
Để giảm phụ tải điện vào giờ cao điểm và nâng cao hiệu quả kinh tế cho
các hệ thống điều hoà không khí, việc ứng dụng công nghệ tích trữ lạnh vào
việc cấp lạnh cho các hệ thống điều hoà không khí là rất hợp lý và cần thiết.
Công nghệ tích trữ lạnh giúp san bằng phụ tải làm giảm chi phí sử dụng điện cho
các doanh nghiệp, giảm áp lực tiêu thụ điện và còn giảm lượng khí thải nhà kính
ra môi trường.
Trên thế giới, công nghệ tích trữ lạnh đã được sử dung rộng rãi nhiều nơi từ
rất lâu nhưng tại Việt Nam nó mới được quan tâm gần đây. Vì thế việc đánh giá
khả năng ứng dụng công nghệ này cho điều hoà không khí trong tình hình sử
dụng năng lượng hiện nay tại nước ta là rất cần thiết.


1

CHƯƠNG 1:

MỞ ĐẦU

1.1 Yêu cầu của đề tài
Từ khi nước ta bước vào thời kỳ mở cửa, nền kinh tế phát triển rất nhanh
kéo theo sự gia tăng nhu cầu về tiện nghi phục vụ cuộc sống, công việc và trong
đó rõ ràng nhất là vai trò không thể thay thế của các hệ thống điều hòa không
khí. Hầu hết các tòa nhà văn phòng, khách sạn, siêu thị, nhà hàng… đều sử dụng

1.2 Nội dung nghiên cứu
- Đưa ra các phương pháp tích trữ lạnh hiện đang sử dụng trên thế giới, sau
đó so sánh và chọn ra sơ đồ tích trữ lạnh ứng dụng trong các hệ thống điều hòa
không khí phù hợp với điều kiện hiện nay tại Việt Nam.
- Nghiên cứu lý thuyết và thực hiện các thực nghiệm liên quan đến quá
trình hình thành băng trên bề mặt ống của thiết bị tích trữ băng dạng Băng Tan
Chảy Bên Ngoài Ống.
- Xây dựng mô hình thí nghiệm bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên
Ngoài Ống.
- Mô phỏng quá trình hình thành băng trên bề mặt ống bằng máy tính, sau
đó so sánh với kết quả thực nghiệm và đưa ra các nhận xét, đề nghị.
- Tính toán chế tạo một bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên Ngoài
Ống và tính toán sơ bộ giá thành thiết bị, sau đó so sánh với giá thành thiết bị
ngoại nhập.
- Tính toán kinh tế, kỹ thuật cho một công trình điều hòa không khí, so sánh
các trường hợp hệ thống có sử dụng bồn tích trữ lạnh với hệ thống truyền thống.


3

So sánh trường hợp sử dụng bồn tích trữ lạnh chế tạo trong nước và bồn tích trữ
lạnh nhập từ nước ngoài. Đưa ra các nhận xét.
1.3 Giới hạn của đề tài
Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu tính toán chế tạo một trong số rất nhiều các
thiết bị tính trữ lạnh hiện nay trên thế giới, đó là bồn tích trữ lạnh dạng Băng
Tan Chảy Bên Ngoài Ống.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu phương pháp tính toán chế tạo bồn tích trữ lạnh dạng Băng
Tan Chảy Bên Ngoài Ống.
- Xây dựng mô hình thí nghiệm bồn tích trữ lạnh dạng Băng Tan Chảy Bên


5

CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ LẠNH

2.1 Tình hình sử dụng công nghệ tích trữ lạnh trên thế giới
Công nghệ tích trữ lạnh trên thế giới được quan tâm đến từ rất sớm, ở Mỹ
nó được phát triển từ những năm 1930, tuy nhiên công nghệ này bắt đầu được sử
dụng rộng rãi từ những năm 1970-1980 [4]. Công nghệ tích trữ lạnh thường được
sử dụng cấp lạnh cho văn phòng, khách sạn, bệnh viện, siêu thị, trường học, nhà
máy chế biến thực phẩm… Theo Potter (1994), trong các hệ thống tích trữ lạnh
được sử dụng thì có 80% đến 85% hệ thống tích trữ băng, 10% đến 15% tích trữ
nước lạnh và khoảng 5% tích trữ muối eutectic.
Tại Mỹ từ những năm đầu 1990 đã có từ 1500 đến 2000 công trình tích trữ
lạnh được sử dụng phổ biến. Theo Baltimore Aircoil Company, một trong những
nhà sản xuất thiết bị tích trữ lạnh hàng đầu trên thết giới, thì đến năm 1996 họ
đã cung cấp cho khoảng 500 công trình tích trữ lạnh tại Mỹ và 40 công trình tích
trữ lạnh tại Cana.
Tại Nhật, [9]:
- Năm 1990 có 1474 công trình điều hoà không khí có sử dụng tích trữ lạnh
- Năm 1993 có 2335 công trình điều hoà không khí có sử dụng tích trữ lạnh
- Năm 1998 có 5566 công trình điều hoà không khí có sử dụng tích trữ lạnh
Dự kiến đến năm 2010 các hệ thống tích trữ lạnh có thể dịch chuyển phụ tải
đỉnh khoảng 7,2.106kW.


6



Làm lạnh trực tiếp bằng tác nhân lạnh

™

Làm lạnh gián tiếp bằng chất tải lạnh

Băng tan chảy bên trong ống (Internal melt ice-on-coil)

o Tích trữ băng dạng động (Ice havester)
o Tích trữ băng dạng bột băng (Ice slurry)
o Tích trữ băng dạng nổi (Encapsulated ice)


7

•

Tích trữ lạnh dùng muối eutectic: loại này sử dụng tính biến đổi pha

của muối eutectic, năng lượng tích trữ chủ yếu là nhiệt ẩn, còn nhiệt hiện không
đáng kể.
Bảng sau đây tóm tắc các đặc tính của các sơ đồ tích trữ trên:
Bảng 2.1 Tóm tắt đặc tính của các sơ đồ tích trữ
Chất dùng để

Nhiệt độ

Nhiệt độ


0

0,0193÷0.0265

4÷6

9÷10

8,3

0,0483

Muối eutectic

2.3 Các phương pháp tích trữ lạnh
2.3.1 Tích trữ toàn phần
Đối với phương pháp tích trữ này, máy lạnh hoàn toàn không hoạt động
vào giờ cao điểm vì toàn bộ tải lạnh giờ cao điểm đã được đáp ứng bằng lượng
lạnh đã được tích trữ trong hệ thống vào giờ thấp điểm. Do đặc điểm này nên
các thiết bị trong hệ thống như máy móc, bồn tích trữ… đều có kích thước lớn hơn
các hệ thống kiểu khác và giá thành đầu tư cũng cao hơn.
Tuy nhiên hệ thống tích trữ toàn phần là hệ thống đạt được sự tiết kiệm lớn
nhất do mức độ chênh lệch tương đối lớn giữa giá điện giờ cao điểm và giờ
thấp điểm (ở nước ta là khoảng 3 lần). Ngoài ra hệ thống này càng tiết kiệm hơn
ở nhưng nơi có tải đỉnh ngắn và sự chênh lệch giữa tải cao điểm và tải thấp điểm
lớn.


8