ĐỒ ÁN Thiết kế hệ thống cấp nước nóng cho bể bơi khách sạn dùng bơm nhiệt

MỤC LỤC Danh mục Trang Lời mở đầu 2 Phần I. Đánh giá lợi ích của việc sử dụng bơm nhiệt 1 Mục đích đề tài 3 1.1 Lợi ích sức khỏe 1.2 Lợi ích thương mại 1.3 Nhu cầu ứng dụng 2 Phương pháp 6 Phần II. Cơ sở lý thuyết 7 I.Tìm hiểu chung về bơm nhiệt. 7 1.1.Giới thiệu chung về bơm nhiệt 1.2 Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt nén hơi. 1.3 Đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt qua hệ số φ 1.4 Sơ đồ công nghệ của phương pháp sử dụng bơm nhiệt II.Tìm hiểu nguyên nhân tổn thất năng lượng ra ngoài môi trường. 9 III Tính thủy lực cho mạng nhiệt 10 1 Tính chọn đường kính ống 2 Tính sức cản thủy lực 2.1 Các loại tổn thất áp suất 2.2 Hệ số trở lực ma sát λ 2.3 Hệ số trở lực cục bộξ 3 Phân bố áp suất môi chất trên đường ống 4 Tính chọn bơm , quạt cho mạng nhiệt: Phần III Tính toán thiết kế sơ bộ 18 Lời mở đầu Khí hậu Việt Nam được chia làm hai mùa với sự chênh lệch nhiệt độ rất lớn, vì vậy các công trình bể bơi chủ yếu chỉ được khai thác trong 06 tháng mùa nóng còn lại 06 tháng mùa lạnh thì không được sử dụng. Điều này gây lãng phí lớn trong quá trình khai thác cũng như đầu tư xây dựng bể bơi cho chủ đầu tư. Để khắc phục mặt hạn chế này, đã có một số Hãng sản xuất thiết bị làm nóng nước cho bể bơi với nhiều dây chuyền công nghệ khác nhau, kinh phí đầu tư và khai thác vận hành cũng rất khác nhau cho nên bài toán về kinh tế đang là một vấn đề đáng quan tâm. Qua quá trình tìm hiểu và tiếp xúc với một số công nghệ đang được dùng hiện nay, em xin được phân tích tóm tắt một số điểm chủ yếu để có phương án so sánh, lựa chọn phương án đầu tư hiệu quả, tối ưu nhất cho công trình bể bơi của mình. Dưới đây là bản tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nhiệt cho bể bơi. Do kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án này chắc chắn không tránh khỏi sai sót, rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy Đỗ Anh Tuấn đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn

1

MỤC LỤC Danh mục Trang Lời mở đầu 2

Phần I Đánh giá lợi ích của việc sử dụng bơm nhiệt

1 Mục đích đề tài 3

1.1 Lợi ích sức khỏe

1.2 Lợi ích thương mại

1.3 Nhu cầu ứng dụng

2 Phương pháp 6

Phần II Cơ sở lý thuyết 7

I.Tìm hiểu chung về bơm nhiệt 7

1.1.Giới thiệu chung về bơm nhiệt 1.2 Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt nén hơi. 1.3 Đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt qua hệ số 1.4 Sơ đồ công nghệ của phương pháp sử dụng bơm nhiệt II.Tìm hiểu nguyên nhân tổn thất năng lượng ra ngoài môi trường 9

III Tính thủy lực cho mạng nhiệt 10

1 Tính chọn đường kính ống 2 Tính sức cản thủy lực 2.1 Các loại tổn thất áp suất 2.2 Hệ số trở lực ma sát λ 2.3 Hệ số trở lực cục bộ-ξ 3 Phân bố áp suất môi chất trên đường ống 4 Tính chọn bơm , quạt cho mạng nhiệt: Phần III Tính toán thiết kế sơ bộ 18

Lời mở đầu

Khí hậu Việt Nam được chia làm hai mùa với sự chênh lệch nhiệt độ rất lớn, vì vậy các công trình bể bơi chủ yếu chỉ được khai thác trong 06 tháng mùa nóng còn lại 06 tháng mùa lạnh thì không được sử dụng Điều này gây lãng phí

Để khắc phục mặt hạn chế này, đã có một số Hãng sản xuất thiết bị làm nóngnước cho bể bơi với nhiều dây chuyền công nghệ khác nhau, kinh phí đầu tư vàkhai thác vận hành cũng rất khác nhau cho nên bài toán về kinh tế đang là một vấn

đề đáng quan tâm

Qua quá trình tìm hiểu và tiếp xúc với một số công nghệ đang được dùnghiện nay, em xin được phân tích tóm tắt một số điểm chủ yếu để có phương án sosánh, lựa chọn phương án đầu tư hiệu quả, tối ưu nhất cho công trình bể bơi củamình

Dưới đây là bản tính toán thiết kế hệ thống cung cấp nhiệt cho bể bơi Dokiến thức còn hạn chế nên bản đồ án này chắc chắn không tránh khỏi sai sót, rấtmong được sự góp ý của thầy cô và các bạn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy Đỗ Anh Tuấn đã giúp đỡ chúng em hoàn

thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn !

PHẦN I ĐÁNH GIÁ LỢI ÍCH CỦA VIỆC SỬ DỤNG BƠM NHIỆT.

1 Mục đích đề tài 1.1 Lợi ích sức khỏe

Tắm nước nóng mang lại cảm giác thư giãn, tinh thần thoải mái và làm ấm cơthểtrong những mùa lạnh Các gia đình có điều kiện thì thường lắp máy nước nóng

để sử dụng.Vì chúng không làm mất thời gian và tiện lợi khi sử dụng

 Tăng cường sức khỏe: Không ít người cho rằng, tắm nóng – lạnh làphương pháp giúp cơ thể khỏe mạnh, tăng cường sức chịu đựng, tăng cường thịlực và duy trì trí nhớ,… Nhưng với phương pháp này lại không tốt cho lứa tuổi

sau 30, bệnh nhân bị tim mạch Một lời khuyên là không nên tắm nước quá nóng.

Mà phải làm cho nhiệt độ tăng từ từ lên

 Cảm, nghẹt mũi: Khóa mình trong phòng tắm và bật nước nóng từ 10-15phút sẽ giúp bạn thoát khỏi đờm, loại bỏ các kích thích niêm mạc, chữa ho, viêmmũi hiệu quả Cho thêm dầu bạch đàn hoặc các loại tinh dầu khác sẽ nhận đượchiệu quả chữa bệnh và giúp thư giãn tối ưu Sau mỗi lần tắm như vậy bạn sẽ thở

dễ dàng hơn và giảm đau cổ họng

 Đau đầu, đau nửa đầu: Máu không được lưu thông Thiếu máu lên não lànguyên nhân chính của việc bị đau đầu Vì lúc này các dây thần kinh bị co lại,máu không lên được não Nước nóng sẽ làm giãn các dây thần kinh và mang lạicảm giác dễ chịu

 Mất ngủ, ngủ không ngon giấc, stress: Tinh thần thoải mái, các dây thầnkinh, tĩnh mạch sẽ giãn ra Mang lại cảm giác dễ chịu Các chuyên gia sức khỏenào cũng sẽ khuyên bạn nên tắm nước nóng để thư giãn Việc ngâm mình trongbồn nước nóng với một ít tinh dầu phù hợp đã là cách thư giãn tối ưu

 Giảm đau khớp: Tuy không chữa được bệnh Nhưng với những người bệnhkhớp thì khi tắm bằng nước nóng làm các cơ bắp được thư giãn, máu lưu thôngtốt

 Giảm đau cơ bắp: Vận động không đúng cách, tập thể dục nặng hay tậpnhững động tác mới thường làm bạn đau mỏi cơ Chỉ cần 15 phút tắm nước nóngkết hợp một ít tinh dầu massage, các cơn đau mỏi này sẽ dịu ngay

 Tăng tuần hoàn máu, giảm béo: Nhiệt độ nước nóng kích thích tuần hoànmáu của cơ thể Vì vậy, nếu có vòi sen, bạn nên chú ý xịt nước vào những vùngtích nhiều mỡ như bắp tay, hông, bụng, đùi Cách thức này sẽ rất hiệu quả chonhững ai muốn giảm các số đo một cách nhẹ nhàng

1.2 Lơi ích thương mại

_Chi phí vận hành thấp

Bơm nhiệt có chi phí vận hành hàng năm thấp hơn nhiều so với việc sử dụng điệnhoặc ga để làm sản xuất nước nóng Điều này có được là do thiết bị sử dụng điệnkhông phải để đun nóng nước mà là để hấp thụ nhiệt từ không khí, gia tăng nhiệtcho nó và dùng nó để làm nóng nước Khoảng ba phần tư nhiệt độ có được là dohấp thụ từ môi trường.Trong chu trình nêu trên, chúng ta có thể thấy rằng nănglượng do bơm nhiệt tạo ra tương đương với nhiệt lượng QC đã được truyền vào

nước lạnh trong bình chứa (bình bảo ôn) Theo tính toán của các chuyên gia, nhiệtlượng được hấp thụ từ không khí QA bằng 3/4 QC và đây chính là phần nănglượng hệ thống tiết kiệm được.Hệ thống chỉ tiêu thụ lượng điện năng QB bằng 1/4tổng khối lượng năng lượng tạo ra Do vậy khi sử dụng công nghệ bơm nhiệt làmnóng nước phục vụ cho sinh hoạt chúng ta có thể tiết kiệm đến 75% chi phí nănglượng so với việc sử dụng bình nước nóng thông thường.

Bảng giá thành phải trả cho 1 triệu BTU nhiệt

_Khả năng thu hồi vốn nhanh

Các thiết bị nhiệt và điều hòa thường có giá thành cao Tuy nhiên, mặc dù có chiphí đầu tư ban đầu cao hơn nhưng Bơm nhiệt (Heat Pum) có chi phí vận hành hàngnăm thấp hơn nhiều so với so với việc sử dụng điện hoặc gas để sản xuất nướcnóng Một hệ thống Heat Pump được lắp đặt hợp lý sẽ tiết kiệm đáng kể chi phívận hành và mang lại cho chủ đầu tư khả năng thu hồi vốn trong khoảng 2 năm

_Độ bền cao

Nhiệt lượng trong không khí là miễn phí và vô tận.Nhưng sẽ là vô ích nếu thiết bị

nhiệt (heat pump) được thiết kế với hệ thống bảo vệ thông minh, các bộ phận tiếpxúc với nước được làm bằng thép không gỉ hoặc tráng men, vỏ máy sơn tĩnh điệncao cấp chịu được mọi thời tiết đảm bảo tuổi thọ máy 15 đến 20 năm.

_Trong thương mại và công nghiệp

Trong thương mại và công nghiệp, bơm nhiệt (Heat Pump) rất thích hợp ứng dụngcho những nghành cần lượng nước nóng lớn như khách sạn, khu tổ hợp chung cư,nhà máy sản xuất thực phẩm, nhà hàng, xưởng giặt là và bệnh viện

Với việc sử dụng nước nóng thường xuyên, chi phí điện năng, dầu là rất lớn Ápdụng công nghệ bơm nhiệt sẽ góp phần tiết kiệm đáng kể chi phí khổng lồ trên qua

đó giúp giảm giá thành, tăng khả năng cạnh tranh, tăng lợi nhuận

2 Phương pháp

Gia nhiệt nước nóng cho bể bơi đã được ứng dụng phổ biến, đặc biệt đối với bể bơithương mại Giúp gia tăng thời gian hoạt động của bể bơi từ 4 tháng khi chưa có

công nghệ gia nhiệt nước nóng lên đến 12 tháng.

Các phương pháp gia nhiệt được sử dụng trước đây chủ yếu là nồi hơi dầu, nồi hơi

ga và nồi hơi điện, phương pháp này đảm bảo khả năng gia nhiệt công suất lớn tuynhiên thường gặp hạn chế với vấn đề xin cấp phép do nguy cơ cháy nổ có thể xảy

ra, vấn đề về không gian lắp đặt cũng cần được chú ý Một thế hệ mới sử dụngnăng lượng mặt trời để gia nhiệt nước nóng cũng được đưa vào ứng dụng tuy nhiênthiết bị gia nhiệt năng lượng mặt trời chỉ có thể hỗ trợ gia nhiệt nước nóng hiệu quảvơi chứ hoàn toàn không thể đứng độc lập ở công trình.

Ngày nay, Các chủ đầu tư chú ý hơn và thường lựa chọn công nghệ bơm nhiệt chogia nhiệt nước nóng bể bơi Hoạt động trên nguyên lý hấp thụ nhiệt từ môi trường

và nhiệt lượng thu được có hiệu suất cao gấp 4 lần so với thiết bị gia nhiệt bằngđiện cùng loại Bơm nhiệt là thiết bị gia nhiệt gián tiếp cho nguồn nước do vậy khảnăng an toàn cho người sử dụng được đảm bảo tuyệt đối Máy nước nóng bơmnhiệt đảm bảo khả năng cung ứng cho mọi dung tích bể bơi do năng suất làm nóngcao

PHẦN II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I Tìm hiểu chung về bơm nhiệt

1 Giới thiệu chung về bơm nhiệt

Bơm nhiệt là một thiết bị dung để bơm dòng nhiệt từ nhiệt độ thấp lên nhiệt độcao hơn để sử dụng Để duy trì hoạt động của bơm nhiệt cần phải tiêu tốn một nănglượng để chạy máy nén.Như vậy bơm nhiệt có nguyên lý và hoạt động như máynén lạnh Sự khác nhau chỉ là mục đích sử dụng, ở máy lạnh người ta sử dụng hiệuứng lạnh do máy tạo ra ở dàn bay hơi, còn ở bơm nhiệt người ta sử dụng hiệu ứngnhiệt sinh ra ở dàn ngưng tụ hoặc đồng thời sử dụng cả lạnh và cả nhiệt

Ưu điểm vượt trội của bơm nhiệt chính là phần lớn nhiệt thu được ở dàn ngưng

là được lấy từ môi trường bên ngoài như không khí hoặc nước luôn có sẵn xungquanh chúng ta Hiệu quả năng lượng COP của bơm nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào

độ chênh giữa nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi.Để đảm bảo COP của bơm nhiệt phảibằng 3 trở lên thì độ chênh nhiệt đọ không được quá 50oC-60oC Cũng chính vì lí

do hiệu quả năng lượng nên nhiệt độ nước nóng và không khí ra từ dàn ngưng tụ

dung cho sấy sưởi và sinh hoạt thường không vượt quá 60oC Trừ trường hợpnguồn nhiệt thải (môi trường) cao hơn cung cấp cho dàn bay hơi.

2 Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt nén hơi

Môi chất lạnh được máy nén hút từ thiệt bị bay hơi với trạng thái p0 và t0, nénlên áp suất pk và đẩy vào thiết bị ngưng tụ Ở thiết bị ngưng tụ môi chất tỏa nhiệt qkcho môi trường để ngưng tụ lại thành lỏng ở nhiệt độ tk Lỏng lại được tiết lưu trởlại thiết bị bay hơi, ở đây môi chất lại bay hơi thu nhiệt q0 của môi trường lạnh vàlại được máy nén hút, khép kín vòng tuần hoàn của môi chất lạnh

3 Đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt qua hệ số

Hệ số nhiệt còn được gọi là COPheating là tỉ số giữa nhiệt hữu ích thu được ở giànngưng tụ

trên điện năng tiêu tốn cho máy nén

Trong đó là hệ số lạnh của máy lạnh

Hệ số nhiệt là chỉ tiêu đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt Thông thường(nghĩa là mỗi 1kW điện tiêu tốn người ta phải thu được ít nhất 3kW nhiệt) thì bơmnhiệt mới có hiệu quả vì chi phí ban đầu để xây dựng bơm nhiệt so với một thanhđiện trở là khá lớn Cũng như máy lạnh hệ số bơm nhiệt phụ thuộc chủ yếu vàohiệu nhiệt độ vận hành giữa giàn bay hơi và giàn ngưng ( nhiệt độ giàn ngưng,nhiệt độ giàn bay hơi)

Theo chu trình carnot ta có: , vì vậy thì bơm nhiệt mới mang lại hiệu quả kinh tế,

và càng nhỏ thì hiệu quả càng cao

4 Sơ đồ công nghệ của phương pháp sử dụng bơm nhiệt

II Tìm hiểu nguyên nhân tổn thất năng lượng nước nóng ra ngoài môi trường.

Lượng nhiệt cấp cần để làm nóng bể là

Q = m*c*

M là khối lượng nước cần gia nhiệt

C là nhiệt dung riêng

là độ chênh nhiệt độ giữa nước nóng và nước lạnh

1 Vấn đề về tổn thất nhiệt ra môi trường

Vấn đề gặp phải đối với bể bơi nước nóng đó là trong quá trình làm nóngnước sẽ có một lượng nhiệt bị mất do hiện tượng truyền nhiệt qua vách thành

bể, đáy bể và do đối lưu giữa mặt nước với môi trường Do đó ta cần phải tínhtoán lượng nhiệt bị tổn thất để bù lại nhằm đáp ứng yêu cầu nhiệt độ của bể ởtrong khoảng quy định tiêu chuẩn Dưới dây là các công thức tính toán các dạngtổn thất

Lượng nhiệt tổn thất qua thành bể và đáy bể

là độ chênh nhiệt độ giữa nước và không khí

III.TÍNH THUỶ LỰC CHO MẠNG NHIỆT

- Xác định đường kính các ống

- Tính tổn thất áp suất (hay tổn thất thuỷ lực)

- Tìm phân bố áp suất môi chất trên đường ống

- Kiểm tra áp suất và lưu lượng môi chất đến các hộ tiêu thụ ở cuối đường ống

- Chọn bơm quạt cho mạng nhiệt

4 Chất khí chảy tự nhiên

5 Khí trong ống đẩy của quạt

6 Khí trong ống đẩy của máy nén

7 Hơi bão hòa

8 Hơi quá nhiệt

2 Tính sức cản thủy lực

Sức cản thủy lực được đo bằng hiệu số áp suất (hay tổn thất áp suất) (N/ =Pa).Quan hệ tính đổi các đơn vị áp suất là: 1Pa = 1N/m2 = 10-5bar = 0,987.10-5 atm =1,02.10-5 at = 0,102mmH2O (40C)

+ , (N/) là áp suất để khắc phục trở lực cục bộ tại các chi tiết, với ξ là hệ số trở lựccục bộ, (m) là chiều dài tương đương, bằng chiều dài ống thẳng có trở lực bằng trởlực cục bộ của chi tiết

+ = fgh (N/) là áp suất để nâng chất lỏng lên cao hoặc khắc phục áp suất thuỷ lực,với ρ (kg/) khối lượng riêng chất lỏng, g = 9,81 m/), h(m) chiều cao nâng chất lỏnghoặc cột chất lỏng

+ = (N/) là áp suất động lực học, cần để tạo dòng ra khỏi ống với tốc độ ω(m/s).+ (N/) là áp suất để khắc phục trở lực trong thiết bị

+ (N/) là áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn khi cần đưa chất lỏng vào thiết bị có p >

pk hoặc để phun chất lỏng vào thiết bị, v.v

2.2 Hệ số trở lực ma sát λ

Nói chung λ = f (Re, độ nhám ε thành ống)

 Khi chảy tầng Re <2320 (với , , với:

ν(/s), μ(Ns/) là độ nhớt động học, động lực của môi chất, A là hệ số KTN phụ thuộchình dạng mặt cắt ngang ống.(m) là đường kính tương đương của ống

 Khi chảy quá độ 2320 <Re <4000 thì là công thức thực nghiệm củaBrassius.

 Khi chảy rối Re >4000 thì:

khi

khi

2.3 Hệ số trở lực cục bộ-ξ: xác định theo bảng sau:

3 Phân bố áp suất môi chất trên đường ống

3.1 Phân bố áp suất môi chất trong ống trơn

Xét môi chất có lưu lượng G (kg/s) độ nhớt ν (/s) áp suất (N/) chảy vào ống trơnđường kính d Áp suất môi chất tại x là p(x) = - Δpm với:

Nếu môi chất chảy tầng thì:,với vận tốc ω tính theo

hay sau khi thay ω, ρ, ν, λ, Δpm ta sẽ được hàm phân bố áp suất như sau:

Áp suất môi chất ra khỏi ống dài l là:

, N/m2

Nếu chế độ chảy thay đổi thì tính λ, ω theo công thức tương ứng

Hình 2.1 Phân bố áp suất môi chất trên ống trơn

3.2 Phân bố áp suất môi chất trên ống có Δpc

Tại mỗi chi tiết cục bộ, áp suất môi chất giảm đột ngột một lượng

Do đó phân bố áp suất, chẳng hạn trên ống có các như hình vẽ, sẽ có dạng:

Áp suất môi chất ra khỏi ống dài l, có n chi tiết gây tổn thất cục bộ là:

, (N/m2)

, (KW) vớiη ∈(0,5 ÷0,8) là hiệu suất quạt.

* Nếu tính H theo (mmO) vì 1mmH2O = 9,81 N/ nên có thể tính Nq bằng(kW) theo công thức:

, (KW)

* Công suất động cơ điện kéo quạt là:

Với : là hiệu suất cơ - điện = 0,98

4.2 Tính chọn bơm

∗ Để bơm được lưu lượng thể tích V(/s) một chất lỏng có khối lượng riêng

ρ(kg/) đến độ cao H(mmH2O) với H = 1,2ΣΔp (mmH2O) công suất bơm là:

, KW

, với ρn = 103kg/m3

∗ Công suất động cơ điện kéo bơm là:

, với K, ηc, ηd như trên

PHẦN III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ SƠ BỘ.

1 Các thông số ban đầu

- Thể tích bể: 213

- Nhiệt độ nước lạnh: 180C 20C

- Nhiệt độ nước nóng: 300C 20C

2 Tính toán

2.1.Gia nhiệt cho bể khi ở trạng thái lạnh

Tính toán nhiệt khi bể đang ở trạng thái lạnh là ta cần xác định lượng nhiệt cầnthiết để nâng nước từ 200C lên 280C

t1= 200C, t2= 280C ttb= 240C ,

Khi kể đến hệ số tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường trong quá trình gia nhiệt chonước ở trạng thái lạnh, ta lấy hệ số tổn thất nhiệt Ktt = 1,1

(kJ)

Do yêu cầu làm nóng nước trong 65 giờ, nên mỗi giờ bơm nhiệt phải cấp:

2.2 Gia nhiệt cho bể khi đã hoạt động

Khi bể đi vào hoạt động thì ta cần bù lại lượng nhiệt tổn thất ra ngoài môi trườngxung quanh chủ yếu là do đối lưu giữa bề mặt bể bơi với không khí

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ nước ra không khí

2.3 Lượng nhiệt cấp cho số người đến tắm

Giả sử số người đến tắm là 120 người

Tiêu chuẩn cấp cho 1 người đến tắm là q0= 60 (kcal)

Giả sử thời gian hoạt động của bể một ngày là 8 giờ

Công suất cấp cho tắm tráng,

- Tổng công suất cần cung cấp là:

Công suất của máy bơm nhiệt sẽ là:

Thông số kỹ thuật của một số thiết bị bơm nhiệt dành cho hồ bơi

Chỉ tiêu Thông số kỹ thuật

Model MGS-2HP- S MGS- 3HP-S MGS-5HP- S MGS-10HP- S MGS-15HP- SHình ảnh