Luận án tiến sĩ: Tối ưu hóa & phân tích hiệu suất điều hòa chiller SSCF - Ulsan

Luận án tối ưu hóa tổng thể, phân tích hiệu suất hệ thống điều hòa không khí. Áp dụng dòng đối lưu nối tiếp cho máy làm lạnh nước trung tâm.

Trường ĐH

University of Ulsan

Chuyên ngành

Mechanical Engineering

Tác giả

Luan An

Thể loại

Dissertation

Năm xuất bản

Số trang

173

Thời gian đọc

26 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

50 Point

Tóm tắt nội dung

I. Tối ưu hiệu suất chiller SSCF Lợi ích và thách thức chính

Nghiên cứu tập trung vào hệ thống điều hòa trung tâm sử dụng chiller nước. Cấu hình nối tiếp-nối tiếp ngược dòng (SSCF) được phân tích kỹ lưỡng. Hệ thống này mang lại những lợi ích đáng kể, đồng thời cũng đặt ra những thách thức riêng. Việc hiểu rõ cả hai khía cạnh này là nền tảng cho việc tối ưu hiệu suất chiller toàn diện. Mục tiêu chính là cải thiện hiệu quả năng lượng hệ thống HVACgiảm chi phí vận hành chiller thông qua phương pháp tiếp cận sáng tạo này. Hệ thống SSCF đại diện cho một bước tiến trong công nghệ chiller hiệu suất cao, cần được đánh giá một cách toàn diện để khai thác tối đa tiềm năng của nó.

1.1. Giới thiệu hệ thống chiller nối tiếp ngược dòng SSCF

Hệ thống SSCF bố trí các chiller nước trung tâm theo cấu hình nối tiếp-nối tiếp ngược dòng. Cấu hình này khác biệt so với các hệ thống song song truyền thống. Mục đích là để thay đổi điều kiện vận hành của từng chiller. Phân tích này là một phần của nỗ lực quản lý năng lượng chiller hiệu quả hơn. Hệ thống SSCF tìm cách cải thiện hiệu quả tổng thể của quá trình làm lạnh.

1.2. Lợi ích về hiệu quả năng lượng của cấu hình SSCF

Một lợi ích chính của SSCF là giảm độ nén của máy nén. Điều này dẫn đến công suất máy nén thấp hơn cho mỗi chiller. Tổng thể, công suất máy nén của các chiller SSCF thấp hơn đáng kể so với cấu hình song song. Đây là yếu tố quan trọng giúp tiết kiệm năng lượng chiller. Việc giảm công suất máy nén trực tiếp góp phần vào chỉ số COP (Coefficient of Performance) chiller được cải thiện. Đây là một bước tiến hướng tới vận hành chiller thông minh.

1.3. Thách thức trong vận hành và tối ưu bơm nước

Mặc dù có lợi ích về máy nén, hệ thống SSCF lại gặp phải vấn đề áp suất nước tăng. Lưu lượng nước qua các chiller SSCF là lưu lượng của toàn hệ thống. Điều này làm tăng công suất tiêu thụ của bơm nước. Để giải quyết, cần tăng chênh lệch nhiệt độ nước qua dàn bay hơi và dàn ngưng. Đây là một yếu tố quan trọng cần tối ưu hiệu suất chiller để tránh tăng chi phí vận hành chiller. Giải pháp đòi hỏi cân bằng kỹ lưỡng giữa hiệu suất máy nén và công suất bơm.

II. Nâng cao hiệu quả năng lượng hệ thống HVAC với SSCF

Nghiên cứu không chỉ tập trung vào chiller mà còn mở rộng ra toàn bộ hệ thống HVAC. Các thành phần quan trọng khác được phân tích sâu. Mục tiêu là để đảm bảo hiệu quả năng lượng hệ thống HVAC tổng thể. Điều này bao gồm việc xem xét thiết kế các bộ phận, tương tác giữa chúng và ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài. Việc tối ưu hiệu suất chiller chỉ là một phần của bức tranh lớn hơn. Kết quả là một hệ thống làm mát tích hợp, có khả năng tiết kiệm năng lượng chiller tối đa và mang lại chỉ số COP chiller cao.

2.1. Phân tích thiết kế chiller với ống tăng cường hiệu suất

Nghiên cứu bao gồm phân tích và thiết kế chiller nước. Sử dụng các ống tăng cường hiệu suất thương mại để cải thiện truyền nhiệt. Việc mô hình hóa truyền nhiệt và sụt áp nước là cần thiết. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt bên trong chiller. Việc lựa chọn và tích hợp các ống này góp phần trực tiếp vào công nghệ chiller hiệu suất caotối ưu hiệu suất chiller.

2.2. Ảnh hưởng của tháp giải nhiệt đến toàn hệ thống

Tác động của nhiệt độ và lưu lượng nước đến tháp giải nhiệt ướt được đánh giá. Áp dụng lý thuyết Merkel và các tương quan thực nghiệm. Xác định các đặc tính tâm ẩm của không khí ẩm là quan trọng. Quy trình giải pháp và xác nhận được thực hiện. Việc tháp giải nhiệt tối ưu là cần thiết để duy trì hiệu suất làm việc cao của chiller và tiết kiệm năng lượng chiller.

2.3. Nghiên cứu cuộn làm lạnh khử ẩm và phương pháp enthalpy

Các nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa được tiến hành cho cuộn làm lạnh khử ẩm. Sử dụng phương pháp enthalpy potential để phân tích. Việc này giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất làm lạnh và khử ẩm của hệ thống. Hiệu suất của cuộn làm lạnh trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng hệ thống HVAC tổng thể. Tối ưu hóa thành phần này là chìa khóa cho quản lý năng lượng chiller hiệu quả.

III. Quản lý năng lượng chiller thông minh Vận hành tối ưu

Việc vận hành chiller thông minh đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện. Điều này bao gồm việc tích hợp các phân tích thành phần vào một mô hình hệ thống lớn hơn. Phân tích exergy đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định các điểm lãng phí năng lượng. Mục tiêu là đạt được tối ưu hiệu suất chiller ở cấp độ hệ thống. Quản lý năng lượng chiller không chỉ giới hạn ở việc chọn thiết bị. Nó còn liên quan đến cách thức vận hành và điều khiển chúng. Các giải pháp như bơm chiller biến tần (VFD) có thể được cân nhắc để khắc phục các thách thức về áp suất.

3.1. Quy trình tối ưu hóa toàn diện hệ thống điều hòa trung tâm

Nghiên cứu mô tả hệ thống điều hòa không khí trung tâm. Một quy trình giải pháp được xây dựng để tối ưu hóa tổng thể. Quy trình này tích hợp các mô hình thành phần và điều kiện vận hành. Mục đích là để tìm ra điểm vận hành tối ưu nhất. Điều này đảm bảo hiệu quả năng lượng hệ thống HVAC cao nhất có thể đạt được. Đây là chìa khóa cho quản lý năng lượng chiller hiện đại.

3.2. Phân tích exergy và tối ưu hóa hệ thống SSCF

Nghiên cứu tiến hành phân tích hiệu suất và exergy của hệ thống điều hòa không khí. Hệ thống sử dụng cấu hình chiller SSCF. Phân tích exergy giúp xác định hiệu quả sử dụng năng lượng thực sự. Nó chỉ ra các khu vực có tiềm năng cải thiện hiệu suất. Đây là một công cụ mạnh mẽ để tối ưu hiệu suất chillertiết kiệm năng lượng chiller tối đa. Kết quả hướng đến vận hành chiller thông minh hơn.

3.3. Tích hợp bơm chiller biến tần VFD để giảm áp suất

Để giải quyết vấn đề tăng áp suất nước trong hệ thống SSCF, việc tích hợp bơm chiller biến tần (VFD) là một giải pháp tiềm năng. VFD giúp điều chỉnh lưu lượng nước linh hoạt. Điều này giảm thiểu công suất tiêu thụ của bơm. VFD đóng vai trò quan trọng trong việc giảm chi phí vận hành chillertiết kiệm năng lượng chiller. Đây là một phần không thể thiếu của công nghệ chiller hiệu suất caovận hành chiller thông minh.

IV. Giảm chi phí vận hành chiller Kết quả và khuyến nghị

Nghiên cứu đã tổng hợp các phát hiện quan trọng. Các kết quả cho thấy tiềm năng đáng kể trong việc giảm chi phí vận hành chiller. Điều này đạt được thông qua việc tối ưu hiệu suất chiller bằng cấu hình SSCF. Các khuyến nghị được đưa ra dựa trên phân tích chuyên sâu. Chúng nhằm mục đích hỗ trợ việc triển khai thực tế. Việc áp dụng các giải pháp này có thể cải thiện đáng kể chỉ số COP chillerhiệu quả năng lượng hệ thống HVAC tổng thể. Tương lai của quản lý năng lượng chiller sẽ tiếp tục phát triển dựa trên những nghiên cứu như thế này.

4.1. Tổng hợp các kết quả phân tích hiệu suất và exergy

Nghiên cứu trình bày các kết quả từ phân tích hiệu suất và exergy. Các kết quả này minh họa lợi ích của cấu hình SSCF. Chúng cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong hiệu quả năng lượng hệ thống HVAC. Dữ liệu được so sánh với các hệ thống truyền thống. Việc này cung cấp bằng chứng cụ thể về tiềm năng tiết kiệm năng lượng chiller.

4.2. Tiềm năng tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành

Các phát hiện chỉ ra tiềm năng đáng kể trong việc tiết kiệm năng lượng chiller. Điều này dẫn đến giảm chi phí vận hành chiller. Cấu hình SSCF, khi được tối ưu, có thể hoạt động hiệu quả hơn. Chỉ số COP chiller được cải thiện là một minh chứng rõ ràng. Đây là thông tin quan trọng cho các nhà quản lý cơ sở và kỹ sư thiết kế.

4.3. Hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai

Nghiên cứu đưa ra các thảo luận và kết luận về công trình. Nó cũng đề xuất các hướng nghiên cứu trong tương lai. Các hướng này có thể bao gồm việc khám phá các công nghệ chiller hiệu suất cao mới. Mục tiêu là tiếp tục tối ưu hiệu suất chiller và nâng cao quản lý năng lượng chiller.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ overall optimization and performance analysis of an air conditioning system by adopting series series couter flow to central water chillers

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (173 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

공학박사 학위논문 중앙집중 물냉각기에 직렬-직렬 대향류 방식을 채택한 공기조화시스템의 성능 해석과 최적화 Overall Optimization and Performance Analysis of an Air Conditioning System by adopting Series-Series Counter-flow to Central Water Chillers 울산대학교 대학원 기계공학과 Nguyen Minh Phu Doctor of Philosophy Overall Optimization and Performance Analysis of an Air Conditioning System by adopting Series-Series Counter-flow to Central Water Chillers The Graduate School of the University of Ulsan Department of Mechanical Engineering Nguyen Minh Phu Overall Optimization and Performance Analysis of an Air Conditioning System by adopting Series-Series Counter-flow to Central Water Chillers 지 도 교 수 이근식 이 논문을 공학박사 학위 논문으로 제출함 2012 년 5 월 울산대학교 대학원 기계공학과 Nguyen Minh Phu Overall Optimization and Performance Analysis of an Air Conditioning System by adopting Series-Series Counter-flow to Central Water Chillers Supervisor: Prof. Geun Sik Lee A Dissertation Submitted to the Graduate School of the University of Ulsan In partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy by Nguyen Minh Phu Department of Mechanical Engineering University of Ulsan, Republic of Korea May, 2012 Nguyen Minh Phu 의 공학박사 학위 논문을 인준함 심 사 위원장 김무현 인 심 사 위 원 이근식 인 심 사 위 원 원성필 인 심 사 위 원 이목인 인 심 사 위 원 김무근 인 울산대학교 대학원 2012 년 5 월 Overall Optimization and Performance Analysis of an Air Conditioning System by adopting Series-Series Counter-flow to Central Water Chillers This certifies that the dissertation of Nguyen Minh Phu is approved. Committee Chairman Prof. MOO HYUN KIM Committee Member Prof.

GEUN SIK LEE Committee Member Prof. SUNG PIL WON Committee Member Prof. MOK IN LEE Committee Member Prof. MOO GEUN KIM Department of Mechanical Engineering University of Ulsan, Republic of Korea May, 2012 ACKNOWLEDGEMENTS I would like to express my heartfelt gratitude to my advisor, Prof.-Ing Geun Sik Lee, who not only gives me priceless guidance in scientific work but also supports me the financial help for three and half years studying in the University of Ulsan.

I would like to thank professors in the committee for their suggestions and comments throughout the research. Sincerely thank to University of Ulsan that grants me the scholarship and opportunity for studying in Korea. I also express my gratitude to professors and staff members of the Department of Mechanical Engineering for their kind help. Special thank to Korea and Korean people for their civilization and friendship.

I would like to thank my family members, who encourage and suffer a separation during the period I am away from home. Specially thank to all members of the Entire Energy Harmony laboratory who support me a lot in my research work. I’d like to thank the Union of Vietnamese Students at University of Ulsan for spiritual help and consulting abroad living experience, and close friends in Vietnam who always look forward to my returning our motherland. Ulsan, Republic of Korea.

May, 2012 NGUYEN MINH PHU CONTENTS Abstract. iii List of figures. vi List of tables .2 Problem statement, necessity, objectives and thesis layout. Analysis and design of a water chiller using commercial enhanced tubes .1 Heat transfer model .2 Water pressure drop model .3 Results and discussion .4 Comparison to commercial software.

Effect of water temperature and water flow rate on wet cooling tower .2 Merkel’s theory and the empirical correlations .3 Formulation of psychrometric properties of moist air .4 Solution procedure and validation .5 Results and discussion. Experimental and modeling studies of a dehumidifying cooling coil .2 Enthalpy potential method .3 Experimental set-up .5 Results and discussion. Overall optimization and exergy analysis of the air-conditioning system with series-series counter-flow chillers .2 Description of the central air conditioning system and solution procedure .3 Results and discussion. Discussion, conclusions, and future work .1 Discussion and conclusions.

105 List of publications. 114 -ii- Overall Optimization and Performance Analysis of an Air Conditioning System by adopting Series-Series Counter-flow to Central Water Chillers By Nguyen Minh Phu Department of Mechanical Engineering Graduate School, University of Ulsan ABSTRACT When central water chillers in air conditioning are arranged in series-series counter-flow (SSCF), compressor lift of each chiller decreases in comparison with that of water chillers in parallel. That means that the compressor power of the chillers in SSCF is lower than that of chillers in parallel. However, the water pressure drop of the SSCF chillers increases, i.

increase in power of water pumps, because the water flow rates of SSCF chillers are the flow rates of the whole system. This disadvantage will be solved by increasing the temperature difference of water flow through an evaporator and condenser, but the water flow rates will decrease. Under the conditions of high temperature differences and low water flow rates, cooling coil and cooling tower may be affected. Hence, in this thesis, we consider overall air conditioning system including SSCF water chillers, cooling coil and cooling tower.

Those components are modeled and simulated in viewpoints of the first and second laws of thermodynamics. Model formulations of transfers and pressure drops are performed in the thesis, namely as follows. The water chiller model is based on the logarithmic mean temperature difference (LMTD) method. Refrigerant R134a condenses and evaporates on the tube bundles of condenser and evaporator of the chiller; whereas, chilled water and condenser water pass inside tubes.

The tubes are commercial enhanced tubes so that heat transfer areas can be diminished and the problem can be reached reality. Refrigerant pressure drop is neglected. But water pressure -iii- drop is considered. Results of the water chiller model are verified by the commercial software HTRI Xchanger suite.

Simulation results show that with larger number of tubes than a specified one, the length of the tube can be short if a tube of small diameter is used. It avoids a design of large number of tube and large tube diameter. This is because inner thermal resistance can be lessened with the tube of small diameter. This conclusion reduces in capital cost of heat exchanger.

Tube diameter must be as low as 10.08 mm when number of tubes is more than 630 if the condenser capacity is 3412.4 kW with the common design conditions of cooling water and refrigerant R134a. However, tube of small diameter results in high water pressure drop. Therefore, an optimization can be carried out by trade-off of capital and operating costs. A cooling tower model is derived by using Merkel’s theory in company with the empirical correlations of transfer and air pressure drop from previous studies.

The model optimizes power of the cooling tower fan. The optimization problem is compared with the previous study that used the optimization package DICOPT (DIscrete and Continuous OPTimizer). A prominent result can be deduced. A condition of high temperature of water entering the cooling tower and low water flow does not bring an effective energy consumption of the fan.

With that condition, the air flow rate can be reduced but the length of cooling tower fill has to be longer in order to increase the contact time between water of high temperature and air. This trade-off leads to maximum power consumption of the fan at a certain value of the entering water temperature. That means the water temperature should be higher or lower than this value. From this work, the water temperature is 36oC and doesn’t depend on the thermal duty of the tower.

Only at a rather high water temperature, potential of heat and mass transfer can be strengthened and therefore fan power can be lowered. The cooling coil model is based on the enthalpy potential method and sustainable correlations of McQuiston about continuous plate fin under wet and dry environments. An experimental apparatus is set up to validate the model and carry out further studies. From analysis, it can be deduced that air pressure drop under fully wet and fully dry conditions are well predicted by the correlations of McQuiston.

However, the correlations have not covered the prediction in partially wet condition. Hence, a linear correlation between fully wet and -iv- fully dry zones is proposed to predict the air pressure drop in partially wet condition and proposition is confirmed by the experiment. A combination of the above models to simulate overall air conditioning system is then conducted in this study. The water temperature entering cooling coil, the water temperature leaving cooling tower, condenser water flow rate and number of SSCF chillers are assigned as key parameters.

Results can be seen as follows. The COP (Coefficient of performance) of the entire system can obtain maximum at a certain number of SSCF chillers when SSCF chillers system is operated with the same operating parameters of conventional parallel chillers system and when number of SSCF chillers is more than 4, the air conditioning system with SSCF chillers is ineffective. Trade-offs of power consumptions were pointed out as functions of the water temperature entering cooling coil, the water temperature leaving cooling tower, and the condenser water flow rate in order to see that an overall optimization is necessary. The COP after optimization can be greater up to 26% than that of conventional parallel chillers and the COP reduces as the number of chiller in SSCF increases.

Optimal parameters corresponding to number of SSCF chillers were shown so that they are can set in reality. Exergy analysis was performed with the parameters that make the maximum COP at each number of SSCF chillers. Result shows that the exergy efficiency of SSCF chillers system (83%) is higher than that of parallel chillers system (77%). Irreversibilities of the components in SSCF chillers are lower than those of components in parallel chillers.

But irreversibilities of cooling coil and cooling tower in SSCF chillers are slightly higher and lower than those in parallel chillers, respectively. Key words: Air conditioning, Overall optimization, Heat exchanger, Series-series counter- flow. -v- LIST OF FIGURES Fig. a) Parallel, b) Series-series counter-flow.2 Trends of water temperatures, condensation temperature and evaporation temperature.

a) Parallel chillers, b) SSCF chillers.3 Conceptualization of reduced lift (Groenke and Schwedler, 2002).4 Structure of the present thesis with a central air conditioning system.1 Pressure-enthalpy diagram of the considered water chiller.2 Notations used in the finned-tube.3 Enhanced boiling surface of turbo-B tube (Browne and Bansal, 1999).4 Boiling heat transfer coefficient on Turbo-B tube (Wolverine, Inc.5 Tube length vs. the number of tubes and tube passes.6 Reynolds number vs. the number of tubes and tube passes.7 Water pressure drop vs. the number of tubes and tube passes.8 Allowable tube side ( Pt ) and shell side ( Ps ) pressure drops (Muralikrishna and Shenoy, 2000).9 Tube length vs.

the number of tubes and tube inner diameter.10 Thermal resistances for four cases.11 Reynolds number vs. the number of tubes and tube inner diameter.12 Water pressure drop vs. the number of tubes and tube inner diameter.13 Tube length vs. the number of tubes and tube passes.14 Reynolds number vs.

the number of tubes and tube passes.15 Water pressure drop vs. the number of tubes and tube passes.16 An interface of HTRI software.17 Graphical results from HTRI software. a) HTRI condenser, b) HTRI evaporator.1 A sketch of cooling tower and its notations.2 A differential control volume of a counter-flow cooling tower.3 Equilibrium and operating lines on enthalpy-temperature diagram (Serna-González et al.4 Algorithm for searching the optimal fan power .5 Comparison about a) TAC, b) Me and c) Kfi to examples in previous study (Serna- González et al.6 Merkel number against Tw,in for all the considered Q .7 Dry air flow rate against Tw,in and Q .8 Cross sectional area of fill against Tw,in and Q .9 Fill height against Tw,in for all the considered Q .10 Loss coefficient against Tw,in for all the considered Q .11 Total pressure drop for all the considered Q .12 Fan power against Tw,in and Q .1 Circular fin in fully dry (a), fully wet (b), and partially wet (c) surface conditions (Pirompugd et al.2 Tube and wet fin with notations.3 Photo and the detailed test coil of the present experimental setup.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Tối ưu hiệu suất hệ thống điều hòa dùng chiller SSCF" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận án tối ưu hóa tổng thể, phân tích hiệu suất hệ thống điều hòa không khí. Áp dụng dòng đối lưu nối tiếp cho máy làm lạnh nước trung tâm.

Luận án "Tối ưu hiệu suất hệ thống điều hòa dùng chiller SSCF" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại University of Ulsan. Năm bảo vệ: 2012.

Luận án "Tối ưu hiệu suất hệ thống điều hòa dùng chiller SSCF" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Tối ưu hiệu suất hệ thống điều hòa dùng chiller SSCF" thuộc chuyên ngành Mechanical Engineering. Danh mục: Kỹ Thuật Nhiệt.

Luận án "Tối ưu hiệu suất hệ thống điều hòa dùng chiller SSCF" có bao nhiêu trang?

Luận án "Tối ưu hiệu suất hệ thống điều hòa dùng chiller SSCF" có 173 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Tối ưu hiệu suất hệ thống điều hòa dùng chiller SSCF" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter