ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------œ---------------

NGUYỄN THỊ MINH TRINH

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIỆT THẢI TỪ CÁC
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN
PHÚ QUỐC ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ BẰNG
MÁY LẠNH HẤP THỤ (NH3+H2O)
Chuyên ngành: CƠNG NGHỆ NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TRẦN THANH KỲ

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. LÊ CHÍ HIỆP

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. HỒNG ĐÌNH TÍN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

Ngày …… tháng …… năm …………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----------------------------

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ MINH TRINH

Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh:

01-01-1979

Nơi sinh: Bình Thuận

Chun ngành:

Cơng Nghệ Nhiệt

Khóa:


2006

1. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NHIỆT THẢI TỪ CÁC ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG CỦA TRẠM PHÁT ĐIỆN PHÚ QUỐC ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ
BẰNG MÁY LẠNH HẤP THỤ (NH3 + H2O)
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
− Đánh giá khả năng tận dụng nguồn nhiệt từ khói thải của các động cơ đốt
trong tại trạm phát điện ở Phú Quốc và đề xuất phương án tận dụng hiệu quả.
− Tính tốn chu trình máy lạnh hấp thụ sử dụng dung dịch (NH3+H2O) để sản
xuất đá cây.
− Nghiên cứu tính tốn thiết kế cho các thiết bị trong chu trình máy lạnh hấp thụ
sử dụng dung dịch (NH3+H2O)
− Đánh giá hiệu quả kinh tế, xã hội mà hệ thống này mang lại.
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

25-01-2008

4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

30-11-2008

5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

PGS.TS. TRẦN THANH KỲ

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thơng qua
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN

QN LÝ CHUN NGÀNH

PGS.TS.TRẦN THANH KỲ

PGS.TS.LÊ CHÍ HIỆP


1

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc:
− Đến Thầy hướng dẫn – PGS.TS Trần Thanh Kỳ – đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
và cùng tác giả hoàn tất từng vấn đề trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
− Đến PGS.TS Hồng Đình Tín đã có nhiều ý kiến đóng góp cho nội dung khoa
học của luận văn.
− Đến Thầy chủ nhiệm Bộ môn – PGS.TS.Lê Chí Hiệp – cùng các Thầy Cơ
đồng nghiệp trong Bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh – Trường Đại học Bách
Khoa TP.HCM đã giúp đỡ, thông cảm và chia sẻ khó khăn trong cơng việc để
tác giả có thể hoàn thành tốt luận văn.
− Đến Chi nhánh điện huyện Phú Quốc – Kiên Giang, Công ty xuất nhập khẩu
thủy sản Minh Phú – Cà Mau đã cung cấp các số liệu liên quan góp phần vào
sự thành cơng của luận văn.
− Và đến các thành viên trong gia đình, bạn bè đã giúp đỡ và luôn động viên tác
giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

Tác giả
NGUYỄN THỊ MINH TRINH


2


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu tận dụng nguồn nhiệt thải từ các động cơ đốt trong của
trạm phát điện tại Phú Quốc để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ (NH3+H2O) sản xuất
B

B

B

B

B

B

nước đá. Luận văn bao gồm các nội dung chính sau:
− Đánh giá khả năng tận dụng nguồn nhiệt từ khói thải của các động cơ đốt
trong tại trạm phát điện ở Phú Quốc và đề xuất phương án tận dụng hiệu quả.
− Tính tốn chu trình máy lạnh hấp thụ sử dụng dung dịch (NH3+H2O) để sản
B

B

B

B

xuất đá cây.
− Nghiên cứu tính tốn thiết kế cho các thiết bị trong chu trình máy lạnh hấp thụ

sử dụng dung dịch (NH3+H2O).
B

B

B

B

− Đánh giá hiệu quả kinh tế, xã hội mà hệ thống này mang lại.


3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Các ký hiệu và đơn vị:
Các ký hiệu không thứ nguyên:
r

– Thành phần thể tích của khí trong hỗn hợp

f

– Bội số tuần hoàn

R

– Phần hồi lưu

ξ


– Nồng độ của dung dịch NH3

E

– Hiệu suất cánh

Re

– Tiêu chuẩn Reynolds

B

PB

Nu – Tiêu chuẩn Nusselt

λ

– Hệ số ma sát

ζ

– Hệ số trở lực cục bộ

Các ký hiệu có thứ nguyên:
t

– Nhiệt độ của môi chất làm việc, 0C


p

– Áp suất của môi chất làm việc, at

P

P

Ckh – Nhiệt dung riêng của khói, kcal/m3 0C
B

B

P

P

i

– Entanpy của môi chất làm việc, kcal/kg

I

– Entanpy của khơng khí, kJ/kg

Q

– Phụ tải nhiệt của thiết bị, kcal/h

G NH3 – Lượng NH3 tuần hồn trong chu trình, kg/h

B

B

G đá – Năng suất đá, kg/h

V

– Lưu lượng chất mơi giới đi qua thiết bị, m3/h

D, d – Đường kính, m

P

P


4

L, l – Chiều dài, m
s

– Bước ống, m

ω

– Tốc độ chuyển động của dịng chất mơi giới, m/s

ρ


– Khối lượng riêng của chất môi giới, kg/m3

f

– Tiết diện ống, m2

F

– Diện tích truyền nhiệt, m2

K

– Hệ số truyền nhiệt, kcal/m2h0C

∆t

– Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, 0C

λ

– Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, kcal/mh0C

α

– Hệ số tỏa nhiệt đối lưu, kcal/m2h0C

P

P


P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

∆P – Trở lực, Pa

N

P

– Công suất động cơ, kW

2. Các chữ viết tắt:
MLHT


– Máy lạnh hấp thụ

ĐCĐT

– Động cơ đốt trong

BPS

– Bình phát sinh

TCC

– Tháp chưng cất

HL

– Bình hồi lưu

BN

– Bình ngưng

HT

– Bình hấp thụ

QL

– Bình quá lạnh


HN

– Bình hồi nhiệt

P

P

P

P


5

MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn ............................................................................................................ 1
Tóm tắt luận văn .................................................................................................... 2
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ................................................................... 3
Mục lục ................................................................................................................. 5
Lời mở đầu .................................................................................................................... 7
Tổng quan .............................................................................................................. 8
Chương 1: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẬN DỤNG
NGUỒN NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ................ 10
1.1 Tổng quan về nguồn nhiệt thải từ động cơ đốt trong ............................... 10
1.2 Đánh giá khả năng tận dụng nguồn nhiệt thải từ các động cơ đốt trong
dùng để phát điện tại đảo Phú Quốc ........................................................ 11
1.2.1 Thông số kỹ thuật của động cơ ....................................................... 11

1.2.2 Tính tốn khả năng tận dụng nguồn nhiệt từ khói thải ................... 12
1.3 Phân tích lựa chọn phương án tận dụng nguồn nhiệt thải .......................... 15
Chương 2: NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN MÁY LẠNH HẤP THỤ
(NH3+H2O) ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ ...................................... 19
B

B

B

B

2.1 Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ ............................................... 19
2.2 Tính tốn chu trình máy lạnh hấp thụ ...................................................... 22
Chương 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC THIẾT BỊ
TRONG MÁY LẠNH HẤP THỤ SỬ DỤNG DUNG DỊCH
(NH3+H2O) .................................................................................... 28
B

B

B

B

3.1 Bình phát sinh .......................................................................................... 28


6


3.2 Tháp chưng cất ......................................................................................... 38
3.3 Hệ thống nước giải nhiệt .......................................................................... 45
3.4 Bình hồi lưu .............................................................................................. 46
3.5 Bình ngưng ............................................................................................... 49
3.6 Bình hấp thụ ............................................................................................. 52
3.7 Bình hồi nhiệt ........................................................................................... 60
3.8 Bình quá lạnh ........................................................................................... 65
3.9 Tháp giải nhiệt .......................................................................................... 69
3.10 Bể đá ....................................................................................................... 75
3.11 Xác định công suất bơm sử dụng trong hệ thống ................................... 82
3.11.1 Bơm dung dịch NH3 ........................................................................ 82
B

B

3.11.2 Bơm nước giải nhiệt ........................................................................ 86
Chương 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ - XÃ HỘI
CỦA HỆ THỐNG MÁY LẠNH HẤP THỤ (NH3+H2O) ......... 92
B

B

B

B

4.1 Chi phí đầu tư cho thiết bị ........................................................................ 92
4.2 Chi phí vận hành ...................................................................................... 94
4.3 Đánh giá hiệu quả ..................................................................................... 95
Kết luận và kiến nghị ........................................................................................ 98

Lý lịch trích ngang ........................................................................................... 100
Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 101
Phụ lục .............................................................................................................. 102


7

LỜI MỞ ĐẦU

Bước sang thế kỷ 21, vấn đề năng lượng và mơi trường càng trở nên nóng
bỏng và là mối quan tâm của hầu hết các quốc gia trên thế giới.
Trước tình hình này, máy lạnh hấp thụ (MLHT) dần được sử dụng trở lại để
thay thế cho máy lạnh có máy nén hơi chạy bằng điện năng. MLHT là một thiết bị
biến đổi nhiệt năng có thể hoạt động từ nguồn nhiệt thải bỏ trong công nghiệp
nhưng vẫn mang lại hiệu quả cao. Đây là một tính năng ưu việt của MLHT so với
máy lạnh có máy nén hơi trong giai đoạn mà việc sử dụng năng lượng hiệu quả
đang được thế giới chú ý.
Hiện nay tại các hải đảo của Việt Nam, đặc biệt là các đảo phát triển mạnh về
du lịch, nguồn điện sử dụng trên đảo được cung cấp chủ yếu từ các tổ máy phát điện
diesel công suất lớn. Nếu nghiên cứu được phương án tận dụng nguồn nhiệt thải từ
các tổ máy này để chạy MLHT sản xuất nước đá phục vụ đánh bắt thủy hải sản và
tiêu dùng sẽ là một đóng góp rất lớn, giảm được gánh nặng đáng kể về lượng điện
năng dùng để sản xuất đá bằng các hệ thống như hiện tại.


8

TỔNG QUAN
A. Các cơng trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong nước liên quan đến
đề tài

1. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước do PGS.TS Trần Thanh Kỳ chủ
nhiệm, thuộc chương trình KC-07-18: “Nghiên cứu lựa chọn quy trình cơng nghệ,
thiết kế chế tạo một số thiết bị nhiệt lạnh sử dụng nguồn năng lượng rẻ tiền tại địa
phương để phục vụ sản xuất và đời sống” đã nghiệm thu năm 2004.
Với đề tài này tác giả đã nghiên cứu chế tạo thành công loại MLHT sử dụng
dung dịch (NH3+H2O) được cấp nhiệt từ lò hơi ống nước công suất nhỏ đốt than
B

B

B

B

cám để sản xuất đá viên và đá cây.
Triển vọng của đề tài này là tiếp tục nghiên cứu việc sử dụng nhiệt thải trong
công nghiệp để cấp nhiệt cho MLHT nhưng chưa thực hiện.
2. Đề tài luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Hữu Nghĩa: “Nghiên cứu tận dụng
nhiệt thải từ động cơ đốt trong để cấp nhiệt cho khu nghỉ mát Hòn Tre – Khánh
Hòa” đã bảo vệ năm 2006.
Trong luận văn tác giả đã đưa ra các phương án thu hồi nhiệt thải từ động cơ
đốt trong (ĐCĐT) để cung cấp nước nóng, sản xuất hơi bão hịa và chạy máy lạnh
hấp thụ (H2O+LiBr) để điều hịa khơng khí, đánh giá hiệu quả của các phương án
B

B

này. Và tác giả cũng đã có kiến nghị được tạo điều kiện để nghiên cứu sâu hơn
trong trường hợp sử dụng MLHT (H2O+LiBr) để điều hịa khơng khí.
B


B

3. Đề tài luận văn thạc sĩ của tác giả Trần Ngọc Hợp: “Nghiên cứu thiết kế máy
lạnh hấp thụ (NH3+H2O) tận dụng nhiệt thải từ động cơ đốt trong và đánh giá khả
B

B

B

B

năng ứng dụng tại Việt Nam” đã bảo vệ năm 2004.
Đề tài nêu lên các phương pháp để thu hồi nhiệt thải từ ĐCĐT và tính tốn
nhiệt cơ bản cho chu trình MLHT (NH3+H2O). Đề tài chỉ dừng lại ở việc nêu lên cơ
B

B

B

B

sở lý thuyết và chỉ tính tốn riêng lẻ cho từng phần thu hồi nhiệt thải và chu trình


9

máy lạnh hấp thụ mà chưa có sự liên kết giữa hai phần này. Vì vậy đề tài chưa đánh

giá được mức độ thống nhất của toàn hệ thống.
B. Mục tiêu và nội dung của luận văn
1. Mục tiêu:
Xuất phát từ ý tưởng của các đề tài đã được nghiên cứu và những tồn tại cũng
như hướng phát triển của các đề tài này, mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu
tính tốn khả năng tận dụng nguồn nhiệt thải từ các ĐCĐT của trạm phát điện tại
Đảo Phú Quốc để cung cấp nhiệt cho MLHT (NH3+H2O) sản xuất nước đá.
B

B

B

B

2. Nội dung:
− Đánh giá khả năng tận dụng nguồn nhiệt thải từ các ĐCĐT của trạm phát điện
tại Phú Quốc và đề xuất phương án tận dụng hiệu quả.
− Tính tốn chu trình máy lạnh hấp thụ sử dụng dung dịch (NH3+H2O) để sản
B

B

B

B

xuất nước đá.
− Nghiên cứu tính tốn thiết kế các thiết bị trong chu trình MLHT sử dụng dung
dịch (NH3+H2O)

B

B

B

B

− Đánh giá hiệu quả kinh tế, xã hội mà hệ thống này mang lại.


10

Chương 1: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẬN DỤNG NGUỒN NHIỆT
THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt tạo ra công cơ học bằng cách đốt
nhiên liệu bên trong động cơ, cụ thể là quá trình cháy nhiên liệu xảy ra bên trong hệ
thống piston-xylanh của động cơ. ĐCĐT được sử dụng rộng rãi trong giao thông
vận tải và trong công nghiệp.
Trong thực tế, ngoài lưới điện quốc gia, việc cung cấp điện cho các trường hợp
còn lại hầu hết đều được thực hiện bằng ĐCĐT.
Hiệu suất nhiệt của ĐCĐT nằm trong khoảng từ 30 ÷ 48%. Nhiệt lượng do
khói thải mang ra khỏi động cơ chiếm từ 26 ÷ 37% tổng nhiệt lượng cấp vào động
cơ. Đây là nguồn nhiệt bị thải bỏ ra ngồi mơi trường khi động cơ đã thực hiện q
trình sinh cơng, và là nguồn nhiệt cịn có thể tận dụng được.
Nhiệt độ khói thải của ĐCĐT khoảng từ 2500C ÷ 5000C tùy theo cơng suất và
P

P


P

P

chế độ hoạt động của động cơ. Ở những động cơ có công suất lớn thường sử dụng
nước để giải nhiệt cho động cơ nên nguồn nhiệt thải tận dụng được không chỉ ở
khói thải mà cịn từ nước giải nhiệt động cơ.
Những nguồn nhiệt thải có thể tận dụng được từ ĐCĐT:
− Khói thải
− Nước làm mát động cơ
− Nước làm mát dầu bôi trơn
Tuy nhiên, việc nghiên cứu phương án tận dụng các nguồn nhiệt thải này cần
phải chú ý đến các yếu tố:
− Các thông số cơ bản của nguồn nhiệt thải (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, …)


11

− Độ ổn định của nguồn nhiệt thải
− Độ tăng trở lực trên đường khói thải khi lắp thêm thiết bị thu hồi nhiệt thải
trong phạm vi cho phép để không ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ.
− Hiệu quả kinh tế của việc thu hồi nguồn nhiệt thải.
1.2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẬN DỤNG NGUỒN NHIỆT THẢI TỪ CÁC
ĐCĐT DÙNG ĐỂ PHÁT ĐIỆN TẠI ĐẢO PHÚ QUỐC
Đảo Phú Quốc thuộc tỉnh Kiên Giang, có diện tích tự nhiên là 593 km2 với dân
P

P


số trên 80 ngàn người. Đây là một huyện đảo có tiềm năng kinh tế về nuôi trồng,
đánh bắt, chế biến thủy hải sản và đặc biệt là phát triển về du lịch ở nước ta.
Tuy nhiên, toàn bộ nguồn điện cung cấp cho mọi hoạt động trên đảo đều từ
các tổ máy phát điện diesel độc lập. Những tổ máy được lắp đặt trước 2001 đều đã
cũ và hoạt động không ổn định. Đầu tháng 7 năm 2006, Phú Quốc đã xây dựng
xong và đưa vào vận hành hai tổ máy phát điện diesel với công suất mỗi tổ máy là
2180 kW, nâng tổng công suất máy phát điện diesel tại đảo này đạt 12 MW.
Trên cơ sở đánh giá tính ổn định của nguồn nhiệt thải và để đảm bảo cho hoạt
động của MLHT, giới hạn nghiên cứu của luận văn này là chỉ đề xuất phương án
tính tốn tận dụng nguồn nhiệt từ khói thải của 2 tổ máy phát điện diesel vừa mới
được lắp đặt năm 2006 tại Phú Quốc để cấp nhiệt cho MLHT.
1.2.1 Thông số kỹ thuật của động cơ
− Hãng chế tạo: Cummins
− Số hiệu động cơ: QSK60-G6
− Động cơ 4 thì, 16 xilanh
− Cơng suất phát lý thuyết: 2180 kW
− Điện áp 380V – 3 pha – 50Hz
− Nhiệt độ khói thải tại cơng suất lý thuyết: 475 0C
P

P


12

− Trở lực tối đa trên đường khói thải: 51 mmHg
− Nhiên liệu sử dụng: dầu DO số 4
− Lượng tiêu hao nhiên liệu định mức: 521 lít/h
1.2.2 Tính tốn khả năng tận dụng nguồn nhiệt từ khói thải
1.2.2.1 Thơng số tính tốn

1. Thơng số của dầu
ρ = 0,926 kg/l

Cl = 86,1%
P

P

Hl = 11,9%
P

P

Sl = 1%
P

P

Al = 0,02%
P

P

Wl = 0,5%
P

P

Ol = 0,43%
P


P

Nl = 0,05%
P

P

Nhiệt trị: Q lc = 146000 Btu/gallon = 10497,3 kcal/kg
2. Thơng số của khói
− Nhiệt độ khói vào thiết bị: t kv = 475 0 C
− Nhiệt độ khói ra khỏi thiết bị:
Chọn nhiệt độ khói thải ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt thải phải lớn hơn
nhiệt độ đọng sương của khói. Nhiệt độ đọng sương của khói ra khỏi động cơ
phụ thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh có trong nhiên liệu dầu diesel sử dụng.


13

Hình 1.1. Đồ thị xác định nhiệt độ đọng sương của khói
Căn cứ vào đồ thị ta xác định được nhiệt độ đọng sương của khói là
tđsk = 1300C. Tuy nhiên, để tránh hiện tượng hơi nước ngưng tụ kết hợp với
B

B

P

P


oxýt lưu huỳnh trong khói thải tạo thành axít ăn mòn đường ống xả và bề mặt
trao đổi nhiệt của thiết bị khi động cơ vận hành non tải, chọn nhiệt độ khói
thải ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt thải là tkr = 1700C.
B

B

P

P

1.2.2.2 Tính tốn
− Lượng khơng khí lý thuyết cần thiết trên 1kg nhiên liệu:

(

)

V 0 = 0,0889 C l + 0,375Sl + 0,265H l − 0,0333O l

= 0,0889(86,1 + 0,375.1) + 0,265.11,9 − 0,0333.0,43
= 10,83 m 3 tc / kg nl
= 10,83.ρ kk = 10,83.1,293 = 14 kg kk/kg nl

− Sản phẩm cháy:

VN0 2 = 0,79V 0 + 0,008N l = 0,79.10,83 + 0,008.0,05
= 8,56 m 3 tc / kg nl



14

(

)

VRO = 0,01866 C l + 0,375Sl = 0,01866(86,1 + 0,375.1)
2

= 1,61 m 3 tc / kg nl
VH0 2O = 0,111H l + 0,0124W l + 0,0161V 0
= 0,0111 .11,9 + 0,0124 .0,5 + 0,0161 .10,83

= 1,5 m 3 tc / kg nl
0
0
Vkh
= VN0 2 + VRO
+ VH0 2O = 8,56 + 1,61 + 1,5
2

= 11,67 m 3 tc / kg nl
Tỉ lệ hịa trộn trong q trình đốt cháy nhiên liệu của các ĐCĐT này là: 17 kg
kk/kg nl
Vậy hệ số khơng khí thừa:

α=

17
= 1,21

14

Lượng khói thải thực trên 1kg nhiên liệu:
0
Vkh = Vkh
+ 1,0161(α − 1)V 0 = 11,67 + 1,0161(1,21 − 1).10,83

= 13,98 m 3 tc / kg nl
− Nhiệt dung riêng trung bình của khói:

VH 2O = VH0 2O + 0,0161(α − 1)V 0 = 1,5 + 0,0161(1,21 − 1).10,83
= 1,54 m 3 tc / kg nl
rH 2O =

VH 2O
Vkh

=

1,54
= 0,11
13,98

VN 2 = VN0 2 + 0,79(α − 1)V 0 = 8,56 + 0,79(1,21 − 1).10,83
= 10,36 m 3 tc / kg nl
rN 2 =

VN 2
Vkh


=

10,36
= 0,74
13,98


15

rRO2 = 0,15
Căn cứ vào nhiệt độ trung bình của khói thải tìm nhiệt dung riêng của từng
loại khí trong khói:
t tb =

475 + 170
= 322,5 0 C
2

C RO2 = 0,4485 kcal/m3tc0C
P

P

P

P

C N2 = 0,3126 kcal/m3tc0C
P


P

P

P

C H 2O = 0,3696 kcal/m3tc0C
P

P

P

P

C kh = ∑ ri C i = 0,11.0,3696 + 0,74.0,3126 + 0,15.0,4485
= 0,3357 kcal/m3tc0C
P

P

P

P

− Tiêu hao nhiên liệu cho một tổ máy:
B = 521 l/h = 521.0,926 = 482,4 kg/h
− Nhiệt thải của một tổ máy:
Q kh = Vkh B.C kh (t kv − t kr ) = 13,98.482,4.0,3357(475 − 170 )


= 690503 kcal/h = 801,75 kW
1.3 PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TẬN DỤNG NGUỒN NHIỆT THẢI
1.3.1 Phương án 1
Sử dụng lò hơi tận dụng nhiệt thải làm việc với áp suất p = 3 at sinh hơi bão
hịa (nhiệt độ t = 1330C) cấp nhiệt cho bình phát sinh của MLHT như hình 1.2
P

P

Phương án này cần sử dụng thêm lò hơi phụ để bổ sung hơi nước cấp cho bình
phát sinh trong trường hợp ĐCĐT chạy non tải so với thiết kế. Lò hơi phụ được
thiết kế hoạt động độc lập với lò hơi tận dụng nhiệt thải để có thể đốt bằng các
nhiên liệu rẻ tiền như trấu, than cám.


16

Khói thải

Khói thải

Lò hơi tận dụng
nhiệt thải

Lò
hơi
phụ

Nước bổ sung
Bình chứa

nước ngưng

Hơi bão hòa vào
bình phát sinh

Bình góp hơi

Động cơ

Máy lạnh
hấp thụ

Nước ngưng

Hình 1.2. Sơ đồ sử dụng lị hơi tận dụng nhiệt thải có thêm lị hơi phụ
Nhược điểm của phương án 1:
− Đây là phương án cấp nhiệt gián tiếp cho bình phát sinh của MLHT thơng qua
hơi nước được sinh ra từ lò hơi tận dụng nhiệt thải nên phải thêm chi phí đầu
tư cho hệ thống lị hơi tận dụng nhiệt thải.
− Để có hơi nước có thông số như yêu cầu bổ sung cho hệ thống MLHT khi
ĐCĐT giảm tải, lị hơi phụ phải ln ở chế độ sẵn sàng cấp hơi khi toàn hệ
thống hoạt động. Duy trì nóng lị hơi phụ sẽ làm tăng chi phí vận hành và gây
lãng phí.
1.3.2 Phương án 2
Phương án này cũng sử dụng lò hơi tận dụng nhiệt thải như phương án 1
nhưng thay thế lò hơi phụ bằng buồng đốt phụ như hình 1.3 nhằm linh động hơn
trong việc bổ sung phần nhiệt lượng thiếu hụt khi ĐCĐT giảm tải. Buồng đốt phụ
sử dụng nhiên liệu giống nhiên liệu ĐCĐT.



17

Nước bổ sung
Bình chứa
nước ngưng
Hơi bão hòa vào
bình phát sinh

Lò hơi tận dụng
nhiệt thải

Bình góp hơi

Máy lạnh
hấp thụ

Nước ngưng

Buồng hỗn hợp
Không khí

Khói thải
từ động cơ

Buồng đốt phụ

Hình 1.3. Sơ đồ sử dụng lị hơi tận dụng nhiệt thải có thêm buồng đốt phụ
Nhược điểm của phương án 2:
− Cũng giống như phương án 1, phương án này phải tốn thêm chi phí đầu tư cho
hệ thống lị hơi tận dụng nhiệt thải.

− Buồng đốt phụ sử dụng dầu DO. Với tính chất của hệ thống MLHT này là tận
dụng nguồn năng lượng thải bỏ nhằm mang lại hiệu quả kinh tế xã hội, thì việc
sử dụng thêm dầu DO để cung cấp cho hệ thống hỗ trợ sẽ không được ưu tiên.
− Cơ chế vận hành buồng đốt phụ phức tạp để có được thơng số khói như thiết
kế hệ thống.
1.3.3 Phương án 3
Đây là phương án cấp nhiệt cho bình phát sinh của MLHT trực tiếp bằng khói
thải từ ĐCĐT như hình 1.4


18

Động cơ
1

Máy đá
1

Đường liên thông
giữa 2 động cơ

Động cơ
2

Ống khói

Máy đá
2

Hình 1.4. Sơ đồ cấp nhiệt cho MLHT trực tiếp bằng khói thải

Ưu điểm của phương án 3:
− Giảm được chi phí đầu tư cho lị hơi tận dụng nhiệt thải dẫn đến giảm giá
thành đầu tư cho toàn bộ hệ thống.
− Đơn giản hơn trong việc vận hành.
− Có thể mở rộng được hệ thống MLHT. Ban đầu chỉ lắp đặt một MLHT làm
việc tương ứng với một động cơ. Khói thải từ động cơ thứ 2 có thể hỗ trợ cho
hệ thống khi động cơ thứ nhất hoạt động non tải. Trong tương lai nếu hệ thống
hiện hành khả thi ta có thể lắp thêm một MLHT thứ 2 có cơng suất tương ứng
với lượng khói thải cịn lại của cả hai động cơ.
− Trong trường hợp đã lắp đặt đầy đủ hai hệ thống MLHT, khi động cơ chạy
non tải dẫn tới lưu lượng khói thải giảm thì cơng suất nước đá sẽ được giảm
theo tương ứng mà khơng cần thiết phải có thêm thiết bị cung cấp nhiệt dự
phịng cho bình phát sinh.
Mặc dù phương án cấp nhiệt trực tiếp thường không được lựa chọn trong các
nghiên cứu về tận dụng nhiệt khói thải để cấp cho MLHT do tính khơng ổn định của
nguồn khói, nhưng trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này xét thấy phương án 3 là
phương án tối ưu.


19

Chương 2: NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN MÁY LẠNH HẤP THỤ SỬ
DỤNG DUNG DỊCH (NH3+H2O) ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC ĐÁ
B

B

B

B


2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MÁY LẠNH HẤP THỤ
Điểm khác nhau cơ bản của MLHT và máy lạnh có máy nén hơi là năng lượng
sử dụng. Máy lạnh có máy nén hơi sử dụng điện năng cung cấp cho máy nén, cịn
MLHT sử dụng nhiệt năng và khơng cần có máy nén.
Môi chất làm việc trong MLHT là một dung dịch, trong đó chất nào có nhiệt
độ sơi thấp hơn thì sẽ làm tác nhân lạnh và chất còn lại là chất hấp thụ. Hiện nay các
dung dịch được sử dụng phổ biến trong MLHT là cặp (NH3+H2O) và (H2O+LiBr).
B

B

B

B

B

B

Trong dung dịch (H2O+LiBr) thì nước là tác nhân lạnh và LiBr là chất hấp thụ. Dung
B

B

dịch này được sử dụng khi nhiệt độ cần làm lạnh lớn hơn 00C, vì vậy nó được dùng
P

P


trong điều hịa khơng khí. Cịn trong dung dịch (NH3+H2O) thì NH3 là tác nhân lạnh
B

B

B

B

B

B

và nước là chất hấp thụ. Dung dịch này được sử dụng khi cần làm lạnh đến nhiệt độ
dưới 00C nên nó được dùng để sản xuất nước lạnh, nước đá và trong đơng lạnh.
P

P

Hình 2.1 trình bày sơ đồ ngun lý hoạt động của máy lạnh hấp thụ sử dụng
dung dịch (NH3+H2O).
B

B

B

B

Trong bình phát sinh BPS, dung dịch no (NH3+H2O) được đun sơi bằng khói

B

B

B

B

thải từ ĐCĐT làm bốc hơi NH3, cịn nước thì ở lại trong dung dịch đói NH3. Để hơi
B

B

B

B

NH3 hồn tồn tinh khiết khơng cịn hơi nước kéo theo nên sơ đồ sử dụng thêm tháp
B

B

chưng cất TCC và bình hồi lưu HL. Sau khi ra khỏi HL, hơi NH3 gần như hồn tồn
B

B

tinh khiết đi vào bình ngưng BN, nhả nhiệt và ngưng tụ thành lỏng NH3 ở áp suất
B


B

pk. Ra khỏi BN, NH3 lỏng đi qua bình quá lạnh QL nhả bớt nhiệt lượng cho hơi
B

B

B

B

NH3 ra khỏi bể đá (nhằm tăng năng suất lạnh của chu trình) và được tiết lưu từ áp
B

B

suất pk xuống áp suất p0 trong van tiết lưu TL1 để vào bể đá. Trong bể đá, NH3 lỏng
B

B

B

B

B

B

sẽ nhận nhiệt và bốc hơi, vì vậy sẽ làm đơng đá. Hơi NH3 ra khỏi bể đá được sẽ đi

B

B


20

qua QL. Dung dịch đói từ BPS có áp suất pk được tiết lưu trong van tiết lưu TL2
B

B

đến áp suất p0 sẽ hấp thụ hơi NH3 từ QL về trong bình hấp thụ HT (có nước giải
B

B

B

B

nhiệt) để trở thành dung dịch no. Sau đó dung dịch no được bơm dung dịch B đẩy
vào BPS để tiếp tục chu trình.
1
HL

11

Qk


Nước

Nước

BN

12
TCC

2
5

8

QL
BPS
3

Q

9

TL1

HN
10

TL2

3'


10'

Q0

HT
7

B

6

4

Bể đá

Nước

Hình 2.1 Sơ đồ ngun lý hoạt động của máy lạnh hấp thụ (NH3+H2O)
B

B

B

B

BPS – Bình phát sinh

BN – Bình ngưng


TL – Van tiết lưu

TCC – Tháp tinh luyện

QL – Bình quá lạnh

HT – Bình hấp thụ

HL – Bình hồi lưu

HN – Bình hồi nhiệt

B – Bơm dung dịch NH3
B

B

Như vậy chu trình khơng sử dụng máy nén. Năng lượng cung cấp cho chu
trình chính là nguồn nhiệt làm bốc hơi NH3 trong BPS. Trong chu trình này có sử
B

B

dụng bơm dung dịch chạy bằng điện vì áp suất pk trong BPS lớn hơn áp suất p0
B

B

B


B


21

trong HT. Tuy nhiên công suất của bơm rất nhỏ so với máy nén (khoảng 5%) nên
lượng điện năng tiêu tốn không nhiều.
Để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, chu trình sử dụng thêm bình hồi nhiệt
HN để gia nhiệt cho dung dịch no đến gần với nhiệt độ sơi trong BPS bằng nhiệt
lượng của dung dịch đói đi từ BPS về HT. Bằng cách này ta đã tiết kiệm được một
lượng nhiệt cần phải cung cấp cho BPS.
Các số trên hình 2.1 biểu thị trạng thái của mơi chất làm việc, cụ thể như sau:
1 – Hơi NH3 ra khỏi bình hồi lưu (vào bình ngưng),
B

B

2 – Lỏng NH3 ra khỏi bình ngưng (vào bình quá lạnh),
B

B

3 – Lỏng NH3 ra khỏi bình quá lạnh (vào van tiết lưu 1),
B

B

3’– Lỏng NH3 ra khỏi van tiết lưu 1 (vào bể đá),
B


B

4 – Hơi NH3 ra khỏi bể đá (vào bình quá lạnh),
B

B

5 – Hơi NH3 ra khỏi bình quá lạnh (vào bình hấp thụ),
B

B

6 – Dung dịch no NH3 ra khỏi bình hấp thụ (vào bơm dung dịch NH3),
B

B

B

B

7 – Dung dịch no NH3 ra khỏi bơm dung dịch NH3 (vào bình hồi nhiệt),
B

B

B

B


8 – Dung dịch no NH3 ra khỏi bình hồi nhiệt (vào tháp tinh luyện),
B

B

9 – Dung dịch đói NH3 ra khỏi bình phát sinh (vào bình hồi nhiệt),
B

B

10 – Dung dịch đói NH3 ra khỏi bình hồi nhiệt (vào van tiết lưu 2),
B

B

10’ – Dung dịch đói NH3 ra khỏi van tiết lưu 2 (vào bình hấp thụ),
B

B

11 – Hơi NH3 ra khỏi tháp tinh luyện (vào bình hồi lưu),
B

B

12 – Phần hồi lưu ra khỏi bình hồi lưu (vào tháp tinh luyện).


22


2.2 TÍNH TỐN CHU TRÌNH MÁY LẠNH HẤP THỤ
2.2.1. Chọn thơng số tính tốn ban đầu
Căn cứ vào điều kiện khí hậu ở Việt Nam và các yêu cầu kỹ thuật sản xuất
nước đá, chọn thông số làm việc của MLHT như sau:
− Nhiệt độ sôi của NH3 trong bể đá: t 0 = t 4 = – 10 0C
B

B

P

P

− Áp suất sôi tương ứng: p 0 = p 4 = 3 at
− Nhiệt độ ngưng tụ của NH3 trong bình ngưng: t k = t 1 = 38 0C
B

B

P

P

− Áp suất ngưng tụ tương ứng: p k = p1 = 15 at
− Nồng độ của dung dịch no NH3 vào bình phát sinh: ξ r = 0,396
B

B


− Nồng độ của dung dịch đói NH3 ra khỏi bình phát sinh: ξ a = 0,306
B

B

− Áp suất làm việc trong bình phát sinh được xác định:
p BPS = p1 + ∆p k

Với ∆p k - Tổn thất trên đường hơi NH3 đi từ bình phát sinh đến bình ngưng.
B

B

Theo kinh nghiệm mức tổn thất này có thể chọn khoảng 5%.
Vậy p BPS = 15 + 1 = 16 at
B

− Áp suất làm việc trong bình hấp thụ đuợc xác định:
p HT = p 4 − ∆p 0

Với ∆p 0 - Độ chênh áp suất giữa bể đá và bình hấp thụ.
Chọn theo kinh ngiệm ∆p 0 = 0,5 at
Vậy p HT = 3 − 0,5 = 2,5 at
− Nồng độ hơi NH3 ra khỏi tháp tinh luyện:
B

B

Từ áp suất p BPS = 16 at và nồng độ dung dịch no NH3 ξ r = 0,396 , tra giản đồ
B


B