Luận văn Thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải để cung cấp nƣớc lạnh bằng máy lạnh hấp thụ tại công ty Tae Kwang Vina

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH ---oOo--- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU HỒI NHIỆT THẢI ĐỂ CUNG CẤP NƢỚC LẠNH BẰNG MÁY LẠNH HẤP THỤ TẠI CÔNG TY TAE KWANG VINA GVHD : TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN SVTH : TRƢƠNG QUỐC BẢO MSSV : 20500166 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01/2010 ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Tuyên đã tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt những kiến thức kinh nghiệm và có nhiều góp ý quan trọng giúp tôi hoàn thành luận văn này. Xin cảm ơn các thầy cô ở bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh, khoa Cơ Khí cũng nhƣ các thầy cô tại trƣờng ĐH Bách Khoa TP. HCM đã tận tình giảng dạy trong suốt thời gian học tập tại trƣờng. Xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã quan tâm giúp đỡ trong những năm học qua. Sinh viên Trƣơng Quốc Bảo iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn trình bày các vấn đề về thu hồi nhiệt thải: những điều kiện, cơ sở cần thiết để có thể đƣa ra một phƣơng án thu hồi nhiệt thải hiệu quả, hợp lý và tối ƣu. Thông qua phân tích, đánh giá về hiện trạng nguồn nhiệt thải của một doanh nghiệp cụ thể (công ty Tae Kwang Vina), từ đó đƣa ra phƣơng án tối ƣu là thu hồi nhiệt thải của khói và hơi phân ly để cung cấp nƣớc lạnh bằng máy lạnh hấp thụ. Luận văn trình bày cách tính toán thiết kế các thiết bị thu hồi nhiệt thải trong hệ thống cũng nhƣ chọn lựa các thiết bị khác nhƣ máy lạnh hấp thụ, bơm… Bên cạnh đó, luận văn cũng trình bày cách tính toán một chu trình máy lạnh hấp thụ Single Effect và chƣơng trình tính toán bằng ngôn ngữ C#. Ngoài ra, luận văn đã nghiên cứu tính toán hiệu quả của biện pháp thu hồi nhiệt hơi phân ly bằng ejector nhằm mục tiêu tiết kiệm chi phí nhiên liệu. Qua việc đánh giá tính kinh tế của hệ thống, luận văn đã đƣa ra một số nhận định về điều kiện thực tế của Việt Nam khi ứng dụng các phƣơng án thu hồi nhiệt thải để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ. iv MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG TRANG BÌA ............................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ iii MỤC LỤC ................................................................................................................. iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... ix MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THU HỒI NHIỆT THẢI............................................ 2 1.1 Nhiệt thải................................................................................................................ 2 1.2 Cơ sở lý thuyết về thu hồi nhiệt thải ....................................................................... 3 1.2.1 Điều kiện cần để thu hồi nhiệt thải .............................................................. 3 1.2.2 Đặc điểm nguồn nhiệt thải .......................................................................... 3 1.2.3 Khó khăn và nhƣợc điểm của hệ thống thu hồi nhiệt thải ............................ 4 1.3 Ví dụ về hệ thống tận dụng nhiệt thải...................................................................... 5 CHƢƠNG 2: TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG TẠI DOANH NGHIỆP ......... 6 2.1 Giới thiệu doanh nghiệp ........................................................................................ 6 2.2 Quy trình công nghệ sản xuất ................................................................................ 6 2.3 Đánh giá việc sử dụng các nguồn năng lƣợng ......................................................... 8 2.3.1 Tổng quát ................................................................................................... 8 2.3.2 Về các nguồn nhiệt thải ............................................................................. 14 2.4 Đặt vấn đề ............................................................................................................ 14 CHƢƠNG 3: LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT THẢI ĐỂ CUNG CẤP NƢỚC LẠNH ................................................................................................................ 15 3.1 Tính công suất nhiệt thu hồi.................................................................................. 15 3.1.1 Tính công suất nhiệt thu hồi của hơi phân ly ................................................ 15 3.1.2 Tính công suất nhiệt thu hồi của khói thải .................................................... 16 3.2 Phân tích, lựa chọn phƣơng án .............................................................................. 22 3.2.1 Phƣơng án 1 ................................................................................................ 22 3.2.2 Phƣơng án 2 ................................................................................................ 23 3.2.3 Phƣơng án 3 ................................................................................................ 24 3.2.4 Kết luận, lựa chọn phƣơng án thiết kế ......................................................... 25 CHƢƠNG 4: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MÁY LẠNH HẤP THỤ ............................. 26 4.1 Tổng quan về máy lạnh hấp thụ ............................................................................ 26 4.1.1 Sự khác biệt giữa máy lạnh hấp thụ và máy lạnh có máy nén hơi ................ 26 v 4.1.2 Nguyên lý làm việc của máy lạnh hấp thụ H2O – LiBr loại Single Effect .... 27 4.1.3 Lựa chọn máy lạnh hấp thụ ......................................................................... 28 4.2 Tính toán chu trình máy lạnh hấp thụ .................................................................... 28 4.2.1 Các công thức dùng để tính toán nhiệt động ................................................. 28 4.2.2 Các phƣơng trình cân bằng nhiệt và trình tự tính toán .................................. 36 CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ THU HỒI NHIỆT THẢI ............ 44 5.1 Tính toán sơ đồ nhiệt ............................................................................................ 44 5.1.1 Tính lƣợng hơi trích bổ sung ........................................................................ 44 5.1.2 Tính lƣợng nƣớc qua các thiết bị thu hồi nhiệt ............................................. 47 5.2 Thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly .......................................................................... 48 5.3 Thiết bị thu hồi nhiệt khói thải .............................................................................. 53 5.3.1 Thiết bị thu hồi nhiệt khói thải của lò hơi số 3.............................................. 53 5.3.2 Thiết bị thu hồi nhiệt khói thải của lò hơi số 4.............................................. 60 5.4 Thiết bị trao đổi nhiệt hơi bổ sung và bồn chứa nƣớc nóng: .................................. 65 5.5 Tính toán trở lực ................................................................................................... 72 5.5.1 Trở lực đƣờng nƣớc nóng của hệ thống ........................................................ 72 5.5.2 Trở lực đƣờng nƣớc nóng cung cấp cho MLHT ........................................... 76 5.5.3 Trở lực đƣờng nƣớc lạnh cung cấp cho công nghệ ....................................... 78 5.5.4 Trở lực đƣờng nƣớc giải nhiệt ...................................................................... 79 5.6 Chọn bơm............................................................................................................. 81 CHƢƠNG 6: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ ........................................................ 82 6.1 Chi phí đầu tƣ và vận hành .................................................................................... 82 6.1.1 Chi phí đầu tƣ .............................................................................................. 82 6.1.2 Chi phí vận hành .......................................................................................... 82 6.1.3 Chi phí tiết kiệm đƣợc của hệ thống: ............................................................ 83 6.2 Tính toán lại phƣơng án ......................................................................................... 84 6.2.1 Chọn máy lạnh hấp thụ ................................................................................ 84 6.2.2 Tính toán các thiết bị thu hồi nhiệt thải ........................................................ 85 6.2.3 Chọn các thiết bị khác .................................................................................. 87 6.2.4 Tính toán lại chi phí ..................................................................................... 88 6.3 Nhận xét ................................................................................................................ 89 PHỤ CHƢƠNG: HỆ THỐNG EJECTOR HƠI ĐỂ THU HỒI NHIỆT LƢỢNG HƠI PHÂN LY ....................................................................................................................... 91 P.1 Tổng quan về ejector ............................................................................................. 91 P.2 Tính toán ejector ................................................................................................... 92 P.2.1 Cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 92 P.2.2 Tính toán ejector.......................................................................................... 95 vi P.3 Nhận xét................................................................................................................ 98 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 102 PHỤ LỤC 1 ................................................................................................................... 103 PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................... 107 PHỤ LỤC 3 ................................................................................................................... 114 PHỤ LỤC 4 ................................................................................................................... 116 PHỤ LỤC 5 ................................................................................................................... 117 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1: Quy trình công nghệ sản xuất giày tại công ty Tae Kwang Vina .................. 6 Hình 2.2: Đồ thị phân bố tỉ lệ tiêu thụ điện năng của các thiết bị trong doanh nghiệp .. 8 Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống cung cấp nƣớc lạnh cho công nghệ ...................................... 9 Hình 2.4: Lò hơi đốt dầu FO với hệ thống béc đốt quay ............................................ 10 Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động của béc đốt quay ...................................................... 11 Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiệt tại doanh nghiệp ........................................ 11 Hình 2.7: Bố trí đƣờng ống khói tại nhà lò ................................................................ 12 Hình 2.8: Bình góp hơi ............................................................................................. 12 Hình 2.9: Hơi phân ly không đƣợc thu hồi tại bồn nƣớc cấp ..................................... 14 Hình 3.1: Đồ thị xác định nhiệt độ đọng sƣơng của khói ........................................... 17 Hình 3.2: Phƣơng án 1 .............................................................................................. 22 Hình 3.3: Phƣơng án 2 .............................................................................................. 23 Hình 3.4: Phƣơng án 3 .............................................................................................. 24 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý của MLHT H2O – LiBr loại Single Effect ....................... 27 Hình 4.2: Sơ đồ khối của MLHT H2O – LiBr loại Single Effect ................................ 36 Hình 4.3: Bình phát sinh ........................................................................................... 38 Hình 4.4: Bình ngƣng ............................................................................................... 39 Hình 4.5: Bình bốc hơi .............................................................................................. 39 Hình 4.6: Bình hấp thụ .............................................................................................. 40 Hình 4.7: Bộ trao đổi nhiệt ........................................................................................ 40 Hình 4.8: Giao diện chính của chƣơng trình .............................................................. 42 Hình 4.9: Giao diện “Thông số các điểm đặc trƣng” của chu trình ............................ 42 Hình 4.10: Đồ thị liên hệ giữa áp suất - nhiệt độ và nồng độ của dung dịch H2O - LiBr ................................................................................................................. 43 Hình 5.1: Sơ đồ nhiệt của phƣơng án ........................................................................ 44 Hình 5.2: Thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly ............................................................... 48 Hình 5.3: Ngƣng tụ trong thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly ....................................... 49 Hình 5.4: Mặt sàng của thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly .......................................... 49 Hình 5.5: Đồ thị trao đổi nhiệt ở thiết bị thu hồi nhiệt hơi phân ly ............................. 51 viii Hình 5.6: Thiết bị thu hồi nhiệt khói thải................................................................... 53 Hình 5.7: Các kích thƣớc của ống cánh ..................................................................... 54 Hình 5.8: Đồ thị tra hiệu suất cánh ............................................................................ 56 Hình 5.9: Đồ thị trao đổi nhiệt của thiết bị thu hồi nhiệt khói thải ở lò hơi số 3 ......... 58 Hình 5.10: Đồ thị trao đổi nhiệt của thiết bị thu hồi nhiệt khói thải ở lò hơi số 4 ....... 63 Hình 5.11: Thiết bị trao đổi nhiệt của bồn nƣớc nóng................................................ 65 Hình 5.12: Bồn nƣớc nóng và nhiệt độ nƣớc khi hoạt động ....................................... 66 Hình 5.13: Quá trình hòa trộn trong bồn nƣớc nóng .................................................. 68 Hình 5.14: Đồ thị trao đổi nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt bổ sung ............................... 70 Hình 5.15: Sơ đồ đƣờng nƣớc nóng đi qua các thiết bị .............................................. 72 Hình 5.16: Trở lực cục bộ khi dòng chảy từ tiết diện nhỏ sang tiết diện lớn và ngƣợc lại .............................................................................................................................. 75 Hình P.1: Ejector ...................................................................................................... 91 Hình P.2: Quá trình giãn nở trong ejector ................................................................. 92 Hình P.3: Sự thay đổi áp suất và vận tốc trong ejector .............................................. 93 Hình P.4: Đồ thị i - s ................................................................................................. 97 Hình P.5: Sơ đồ hệ thống nhiệt tại Công ty Nikkico .................................................. 99 ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật các lò hơi đốt dầu FO .................................................. 13 Bảng 3.1: Thành phần dầu FO (%) ............................................................................ 16 Bảng 4.1 .................................................................................................................... 28 Bảng 5.1: Kết quả tính lƣợng hơi trích bổ sung ......................................................... 46 Bảng 5.2: Thông số chọn bơm ................................................................................... 81 Bảng 5.3: Thông số bơm của hệ thống ...................................................................... 81 Bảng 6.1: Thông số chọn bơm ................................................................................... 88 Bảng 6.2: Thông số bơm của hệ thống ...................................................................... 88 MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì nhu cầu về sử dụng năng lƣợng cũng ngày càng tăng. Hiện nay, con ngƣời vẫn phải dựa vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí đốt…) để cung cấp năng lƣợng cho các hoạt động sản xuất, sinh hoạt… Do mức độ khai thác ngày càng gia tăng nên trong tƣơng lai sản lƣợng của các nguồn nhiên liệu trên sẽ giảm dần và cạn kiệt. Để đối phó với tình trạng này, con ngƣời không còn cách nào khác là phải có biện pháp sử dụng tiết kiệm các nguồn năng lƣợng hiện có và tìm ra các nguồn năng lƣợng mới để thay thế. Bên cạnh vấn đề về sản lƣợng, các nguồn nhiên liệu hóa thạch còn gây ra những tác động nguy hại đến môi trƣờng – vấn đề hiện nay đang trở thành mối quan tâm chung của toàn cầu. Hiện tƣợng nóng dần lên toàn cầu đã gây ra những tác động đến sinh thái, khí hậu và gây những hậu quả rất lớn mà nguyên nhân của nó phần lớn là do các khí nhà kính, một trong số đó phải kể đến khí CO2 – sản phẩm của quá trình đốt cháy các nguồn nhiên liệu hóa thạch. Một vấn đề cũng đáng quan tâm đó là sự biến động của giá nhiên liệu trên thị trƣờng hiện nay. Điều này ảnh hƣởng không nhỏ đến sản xuất và giá thành sản phẩm. Tại Việt Nam, việc ứng dụng những nguồn năng lƣợng mới vẫn còn gặp khó khăn. Do đó, nâng cao hiệu quả sử dụng và tiết kiệm năng lƣợng là mối quan tâm hàng đầu hiện nay. Nó không chỉ vì lợi ích của các doanh nghiệp, cá nhân mà còn vì lợi ích của cả quốc gia hay rộng hơn là cho toàn cầu. 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THU HỒI NHIỆT THẢI 1.1 Nhiệt thải Nhiệt thải là nguồn năng lƣợng ở dạng nhiệt năng đƣợc thải bỏ ra ngoài môi trƣờng sau một quá trình sử dụng năng lƣợng nào đó. Hiện nay có rất nhiều lĩnh vực cần đến các nguồn nhiệt năng để cung cấp năng lƣợng cho hoạt động sản xuất, do vậy có khả năng tồn tại một hoặc nhiều nguồn nhiệt thải đã bị lãng phí. Trong phạm vi của luận văn này, ta chỉ xét đến các nguồn nhiệt thải trong công nghiệp. Các nguồn nhiệt thải có thể chia thành 3 dạng: - Chất khí: khói thoát ra từ turbine khí hoặc động cơ đốt trong; khói thải từ lò hơi, lò nung gốm sứ, lò luyện kim, nấu thủy tinh… - Chất lỏng: nƣớc làm mát động cơ, làm mát thiết bị; nƣớc trong quá trình tạo hạt xỉ từ các lò công nghiệp… - Chất rắn: sản phẩm nóng cần đƣợc làm mát nhƣ clinke xi măng, vật sấy… Ý nghĩa: việc tận dụng các nguồn nhiệt thải một cách hiệu quả và hợp lý sẽ mang lại các lợi ích sau:  Tiết kiệm nhiên liệu: trong một quy trình sản xuất có thể có nhiều công đoạn cần đến nguồn nhiệt năng, do đó có thể tận dụng nhiệt thải của công đoạn này để cung cấp cho công đoạn khác nhằm giảm lƣợng tiêu hao nhiên liệu cung cấp cho toàn hệ thống. Điều này sẽ giúp doanh nghiệp có thể hạ giá thành sản phẩm, tăng khả năng cạnh tranh trên thị trƣờng.  Tăng tính kinh tế của hệ thống, khai thác tối đa năng suất làm việc của hệ thống so với trƣớc đây.  Góp phần bảo vệ môi trƣờng: việc giảm đi lƣợng tiêu hao nhiên liệu cũng đồng nghĩa với việc giảm