PHẦN 1: HỆ THỐNG LẠNH KHO LẠNH 1 BÀI 1: KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ CHỌN NHIỆT ĐỘ BẢO QUẢN 1 1.1. Khái niệm kho lạnh bảo quản 1 1.2. Phân loại 1 1.2.1. Theo công dụng 1 1.2.2. Theo nhiệt độ 2 1.2.3. Theo dung tích chứa 4 1.2.4. Theo đặc điểm cách nhiệt 4 1.3. Chọn chế độ bảo quản 4 1.3.1. Chế độ và thời gian bảo quản đồ hộp 5 1.3.2. Chế độ và thời gian bảo quản rau quả tươi 5 1.3.3. Chế độ và thời gian bảo quản thực phẩm đông lạnh 6 BÀI 2: KHẢO SÁT HỆ THỐNG LẠNH KHO LẠNH 8 2.1. Khái niệm 8 2.2. Cấu tạo hệ thống lạnh kho lạnh 8 2.2.1. Sơ đồ nguyên lý 8 2.2.2. Các thiết bị của hệ thống lạnh kho lạnh 9 2.3. Sơ đồ mạch điện hệ thống lạnh kho lạnh 15 2.3.1. Sơ đồ mạch điện 15 2.3.2. Các thiết bị điện, khí cụ điện của hệ thống lạnh kho lạnh 16 2.4. Khảo sát hệ thống lạnh kho lạnh 17 BÀI 3: KẾT CẤU KHO LẠNH 18 3.1. Khái niệm 18 3.2. Kết cấu kho lạnh 18 3.2.1. Móng và cột 18 3.2.2. Tường bao và tường ngăn 18 3.2.3. Nền 21 3.2.4. Trần 22 3.2.5. Cửa và màn chắn 23 3.2.6. Giá đỡ, chứa hàng bảo quản 24 3.2.7. Tính toán chiều dày cách nhiệt kết cấu bao che 25 3.3. Khảo sát kho lạnh 29 BÀI 4: TÍNH TOÁN DUNG TÍCH KHO LẠNH 30 4.1. Khái niệm 30 4.2. Thể tích kho lạnh 30 4.3. Diện tích chất tải 32 4.4. Diện tích cần xây dựng 32 BÀI 5: TÍNH PHỤ TẢI NHIỆT KHO LẠNH 33 5.1. Khái niệm 33 5.2. Trình tự tính phụ tải nhiệt kho lạnh 33 5.2.1. Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che 33 5.2.2. Dòng nhiệt do sản phẩm toả ra 35 5.2.3. Dòng nhiệt do thông gió buồng lạnh 37 5.2.4. Các dòng nhiệt do vận hành 38 5.2.5. Dòng nhiệt do hoa quả hô hấp 41 BÀI 6: VẬN HÀNH HỆ THỐNG LẠNH KHO LẠNH 43 6.1. Qui trình vận hành 43 6.1.1. Qui trình vận hành tự động 43 6.1.2. Qui trình vận hành bằng tay 46 6.1.3. Một số thao tác trong quá trình vận hành 47 6.2. Vận hành hệ thống lạnh kho lạnh 49 BÀI 7: BẢO DƯỠNG THIẾT BỊ HỆ THỐNG LẠNH KHO LẠNH 50 7.1. Mục đích, ý nghĩa 50 7.2. Phân loại bảo dưỡng 50 7.3. Nội dung công tác bảo dưỡng các thiết bị trong hệ thống lạnh kho lạnh 51 7.3.1. Bảo dưỡng máy nén 51 7.3.2. Bảo dưỡng thiết bị ngưng tụ 53 7.3.3. Bảo dưỡng thiết bị bay hơi 55 7.3.4. Bảo dưỡng van tiết lưu 56 7.3.5. Bảo dưỡng tháp nhiệt 56 7.3.6. Bảo dưỡng bơm 56 7.3.7. Bảo dưỡng quạt 57 7.3.8. Bổ sung gas, dầu cho hệ thống lạnh 57 7.4. Bảo dưỡng các thiết bị hệ thống lạnh kho lạnh 57 BÀI 8: SỬA CHỮA HỆ THỐNG LẠNH KHO LẠNH 58 8.1. Hiện tượng, nguyên nhân và cách sửa chữa hư hỏng 58 8.2. Quy trình sửa chữa hệ thống lạnh 61 ÔN TẬP PHẦN 1 63 PHẦN 2: HỆ THỐNG LẠNH MÁY ĐÁ CÂY 64 BÀI 9: KHẢO SÁT HỆ THỐNG LẠNH MÁY ĐÁ CÂY 64 9.1. Khái niệm 64 9.2. Cấu tạo hệ thống lạnh máy đá cây 64 9.2.1. Sơ đồ nguyên lý 64 9.2.2. Các thiết bị của hệ thống lạnh máy đá cây 67 9.3. Sơ đồ mạch điện hệ thống lạnh máy đá cây 71 9.3.1. Sơ đồ mạch điện 71 9.3.2. Các thiết bị điện, khí cụ điện của hệ thống lạnh máy đá cây 72 9.4. Khảo sát hệ thống lạnh máy đá cây 73 BÀI 10: KẾT CẤU BỂ ĐÁ CÂY 74 10.1. Khái niệm 74 10.2. Kết cấu bể đá 74 10.2.1. Kết cấu tường 75 10.2.2. Nền 78 10.2.3. Kết cấu nắp bể đá 78 BÀI 11: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC BỂ ĐÁ VÀ THỜI GIAN LÀM ĐÁ 79 11.1. Khái niệm 79 11.2. Xác định kích thước bể đá 79 11.2.1. Xác định số lượng và kích thước khuôn đá 79 11.2.2. Xác định số lượng và kích thước linh đá 80 11.2.3. Xác định kích thước bên trong bể đá 81 11.3. Tính thời gian làm đá 84 BÀI 12: TÍNH NHIỆT BỂ ĐÁ 85 12.1. Khái niệm 85 12.2. Tính nhiệt bể đá 85 12.2.1. Nhiệt truyền qua kết cấu bao che bể đá 85 12.2.2. Nhiệt để đông đá và làm lạnh khuôn đá 88 12.2.3. Nhiệt do bộ cánh khuấy gây ra 89 BÀI 13 : PHA NƯỚC MUỐI CHO BỂ ĐÁ 91 13.1. Khái niệm 91 13.2. Nước muối bể đá 91 13.2.1. Muối NaCl 91 13.2.2. Muối CaCl2 92 13.2.3. Tính khối lượng muối NaCl hoặc CaCl2 cho bể đá 92 13.3. Pha nước muối cho bể đá 95 BÀI 14: VẬN HÀNH HỆ THỐNG LẠNH MÁY ĐÁ CÂY 96 14.1. Qui trình vận hành 96 14.1.1. Qui trình vận hành tự động: 96 14.1.2. Qui trình vận hành bằng tay 98 14.2. Vận hành hệ thống máy đá cây 98 BÀI 15: BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG LẠNH MÁY ĐÁ CÂY 99 15.1. Mục đích, ý nghĩa 99 15.2. Phân loại bảo dưỡng 99 15.3. Nội dung công tác bảo dưỡng các thiết bị trong hệ thống lạnh máy đá cây 99 15.3.1. Bảo dưỡng máy nén 99 15.3.2. Bảo dưỡng dàn ngưng kiểu tưới 100 15.3.3. Bảo dưỡng dàn lạnh xương cá 100 15.3.4. Bảo dưỡng van tiết lưu 100 15.3.5. Bảo dưỡng quạt – động cơ điện 101 15.3.6. Bảo dưỡng hệ thống thiết bị đo lường, tự động điều chỉnh và bảo vệ 101 15.4. Bổ sung gas, dầu cho hệ thống lạnh máy máy đá 101 15.5. Bảo dưỡng hệ thống lạnh máy đá cây 102 BÀI 16: SỬA CHỮA HỆ THỐNG LẠNH MÁY ĐÁ CÂY 103 16.1. Hiện tượng, nguyên nhân và cách sửa chữa hư hỏng 103 16.2. Quy trình sửa chữa hệ thống lạnh 106 16.3. Sửa chữa các thiết bị trong hệ thống lạnh máy đá cây 107 ÔN TẬP PHẦN 2 108 PHẦN 3: HỆ THỐNG LẠNH MÁY ĐÁ VẢY 109 BÀI 17: KHẢO SÁT HỆ THỐNG LẠNH MÁY ĐÁ VẢY 109 17.1. Khái niệm 109 17.2. Cấu tạo hệ thống lạnh máy đá vảy 109 17.2.1. Sơ đồ nguyên lý 109 17.2.2. Các thiết bị của hệ thống lạnh máy đá vảy 110 17.3. Sơ đồ mạch điện hệ thống lạnh máy đá vảy 113 17.3.1. Sơ đồ mạch điện 113 17.3.2. Các thiết bị điện, khí cụ điện của hệ thống lạnh máy đá vảy 114 17.4. Khảo sát hệ thống lạnh máy đá vảy 115 BÀI 18: KHẢO SÁT CỐI ĐÁ VẢY 116 18.1. Khái niệm 116 18.2. Cối đá vảy 116 18.2.1. Cấu tạo 116 18.2.2. Nguyên lý hoạt động 117 18.2.3. Ưu, nhược điểm 118 18.3. Xác định kích thước và cách nhiệt cối đá vảy 119 18.3.1. Xác định kích thước 119 18.3.2. Cách nhiệt cối đá vảy 119 18.4. Khảo sát cối đá vảy 120 BÀI 19: TÍNH NHIỆT HỆ THỐNG CỐI ĐÁ VẢY 121 19.1. Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che 121 19.1.1. Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che cối đá vảy 121 19.1.2. Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che bể nước tuần hoàn 122 19.1.3. Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che bình giữ mức – tách lỏng 123 19.2. Tổn thất nhiệt để làm lạnh đá 124 19.3. Tổn thất nhiệt do mô tơ cắt đá tạo ra 125 19.4. Tổn thất nhiệt do bơm nước tuần hoàn 125 19.5. Chọn cối đá vảy 125 BÀI 20: VẬN HÀNH HỆ THỐNG LẠNH MÁY ĐÁ VẢY 128 20.1. Qui trình vận hành 128 20.1.1. Qui trình vận hành tự động: 128 20.1.2. Qui trình vận hành bằng tay 130 20.2. Vận hành hệ thống máy đá vảy 130 BÀI 21: BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG MÁY ĐÁ VẢY 131 21.1. Mục đích, ý nghĩa 131 21.2. Phân loại bảo dưỡng 131 21.3. Nội dung công tác bảo dưỡng các thiết bị trong hệ thống lạnh kho lạnh 131 21.3.1. Bảo dưỡng máy nén 131 21.3.2. Bảo dưỡng thiết bị ngưng tụ 132 21.3.3. Bảo dưỡng van tiết lưu 132 21.3.4. Bảo dưỡng tháp nhiệt 132 21.3.5. Bảo dưỡng bơm 133 21.3.6. Bảo dưỡng cối đá vảy 133 21.4. Bảo dưỡng các thiết bị trong hệ thống lạnh kho lạnh 133 BÀI 22: SỬA CHỮA HỆ THỐNG LẠNH MÁY ĐÁ VẢY 134 22.1. Hiện tượng, nguyên nhân và cách sửa chữa 134 22.2. Quy trình sửa chữa hệ thống lạnh 135 22.3. Sửa chữa các thiết bị trong hệ thống lạnh máy đá vảy 136 ÔN TẬP PHẦN 3 137 PHẦN 4: HỆ THỐNG LẠNH TỦ ĐÔNG TIẾP XÚC 138 BÀI 23: KHẢO SÁT HỆ THỐNG TỦ CẤP ĐÔNG TIẾP XÚC 138 23.1. Khái niệm tủ cấp đông tiếp xúc 138 23.2. Cấu tạo hệ thống lạnh tủ cấp đông tiếp xúc 138 23.2.1. Sơ đồ nguyên lý 141 23.2.2. Các thiết bị của hệ thống lạnh tủ cấp đông tiếp xúc 144 23.3. Sơ đồ mạch điện hệ thống lạnh tủ đông tiếp xúc 146 23.3.1. Sơ đồ mạch điện 147 23.3.2. Các thiết bị điện, khí cụ điện của hệ thống lạnh tủ đông tiếp xúc 147 23.4. Khảo sát hệ thống lạnh tủ cấp đông tiếp xúc 148 BÀI 24: TÍNH NHIỆT TỦ CẤP ĐÔNG TIẾP XÚC 149 24.1. Khái niệm 149 24.2. Trình tự tính phụ tải nhiệt tủ cấp đông tiếp xúc 149 24.2.1. Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che 149 24.2.2. Dòng nhiệt do làm lạnh sản phẩm, khay, nước châm tỏa ra Q2 150 24.2.3. Dòng nhiệt do làm lạnh các thiết bị trong tủ 151 BÀI 25: VẬN HÀNH HỆ THỐNG TỦ CẤP ĐÔNG TIẾP XÚC 153 25.1. Qui trình vận hành 153 25.1.1. Qui trình vận hành hệ thống lạnh tủ đông tiếp xúc 153 25.1.2. Vận hành tủ cấp đông tiếp xúc 155 25.2. Vận hành hệ thống lạnh tủ cấp đông tiếp xúc 156 BÀI 26: BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG LẠNH TỦ CẤP ĐÔNG TIẾP XÚC 157 26.1. Mục đích, ý nghĩa 157 26.2. Phân loại bảo dưỡng 157 26.3. Nội dung công tác bảo dưỡng các thiết bị trong hệ thống lạnh tủ cấp đông tiếp xúc 157 26.3.1. Bảo dưỡng máy nén 157 26.3.2. Bảo dưỡng thiết bị ngưng tụ 158 26.3.3. Bảo dưỡng thiết bị bay hơi 158 26.3.4. Bảo dưỡng van tiết lưu 158 26.3.5. Bảo dưỡng tháp nhiệt 158 26.3.6. Bảo dưỡng bơm 159 26.3.7. Bảo dưỡng quạt 159 26.3.8. Bảo dưỡng tủ cấp đông tiếp xúc 159 26.3.9. Bổ sung gas, dầu cho hệ thống lạnh 160 26.4. Bảo dưỡng hệ thống lạnh tủ cấp đông tiếp xúc 160 BÀI 27: SỬA CHỮA HỆ THỐNG LẠNH TỦ CẤP ĐÔNG TIẾP XÚC 162 27.1. Hiện tượng, nguyên nhân và cách sửa chữa 162 27.2. Quy trình sửa chữa hệ thống lạnh 164 27.3. Sửa chữa hư hỏng của các thiết bị trong hệ thống lạnh tủ đông tiếp xúc 165 ÔN TẬP PHẦN 4 166 PHẦN 5: HỆ THỐNG LẠNH TỦ ĐÔNG GIÓ 167 BÀI 28: KHẢO SÁT HỆ THỐNG LẠNH TỦ CẤP ĐÔNG GIÓ 167 28.1. Khái niệm 167 28.2. Cấu tạo hệ thống lạnh tủ cấp đông gió 167 28.2.1. Sơ đồ nguyên lý 167 28.2.2. Các thiết bị của hệ thống lạnh tủ cấp đông gió 169 28.3. Sơ đồ mạch điện hệ thống lạnh tủ đông gió 169 28.3.1. Sơ đồ mạch điện 169 28.3.2. Các thiết bị điện, khí cụ điện của hệ thống lạnh tủ đông gió 169 28.4. Khảo sát hệ thống lạnh tủ cấp đông gió 171 BÀI 29: KHẢO SÁT TỦ CẤP ĐÔNG GIÓ 172 29.1. Khái niệm 172 29.2. Tủ đông gió 172 29.2.1. Cấu tạo 172 29.2.2. Nguyên lý làm việc 173 29.3. Khảo sát tủ cấp đông gió 173 BÀI 30: TÍNH NHIỆT TỦ CẤP ĐÔNG GIÓ 174 30.1. Khái niệm 174 30.2. Trình tự tính phụ tải nhiệt tủ cấp đông gió 174 30.2.1. Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che 174 30.2.2. Dòng nhiệt do sản phẩm tỏa ra 175 30.2.3. Dòng nhiệt do làm lạnh khay cấp đông 175 30.2.4. Dòng nhiệt do làm lạnh các thiết bị trong tủ 176 30.2.5. Dòng nhiệt do xả băng 176 30.2.6. Dòng nhiệt do động cơ quạt 177 BÀI 31: VẬN HÀNH HỆ THỐNG TỦ CẤP ĐÔNG GIÓ 178 31.1. Qui trình vận hành 178 31.1.1. Qui trình vận hành hệ thống lạnh tủ cấp đông gió 178 31.1.2. Qui trình vận hành tủ cấp đông gió 180 31.2. Vận hành hệ thống lạnh tủ cấp đông gió 181 BÀI 32: BẢO DƯỠNG THIẾT BỊ HỆ THỐNG LẠNH TỦ CẤP ĐÔNG GIÓ 182 32.1. Mục đích, ý nghĩa 182 32.2. Phân loại bảo dưỡng 182 32.3. Nội dung công tác bảo dưỡng các thiết bị trong hệ thống lạnh tủ cấp đông gió 182 32.3.1. Bảo dưỡng máy nén 182 32.3.2. Bảo dưỡng thiết bị ngưng tụ 183 32.3.3. Bảo dưỡng thiết bị bay hơi 183 32.3.4. Bảo dưỡng van tiết lưu 183 32.3.5. Bảo dưỡng tháp nhiệt 183 32.3.6. Bảo dưỡng bơm 184 32.3.7. Bảo dưỡng quạt 184 32.3.8. Bảo dưỡng tủ cấp đông gió 184 32.4. Bảo dưỡng hệ thống lạnh tủ cấp đông gió 185 BÀI 33: SỬA CHỮA HỆ THỐNG LẠNH TỦ ĐÔNG GIÓ 186 33.1. Hiện tượng, nguyên nhân và cách sửa chữa 186 33.2. Quy trình sửa chữa hệ thống lạnh 188 33.3. Sửa chữa hệ thống lạnh tủ đông gió 189 ÔN TẬP PHẦN 5 190 PHẦN 6: HỆ THỐNG BUỒNG CẤP ĐÔNG IQF 191 BÀI 34: KHẢO SÁT HỆ THỐNG LẠNH BUỒNG CẤP ĐÔNG IQF 191 34.1. Khái niệm 191 34.2. Cấu tạo hệ thống lạnh buồng cấp đông IQF 191 34.2.1. Sơ đồ nguyên lý 191 34.2.2. Các thiết bị của hệ thống lạnh buồng cấp đông IQF 192 34.3. Sơ đồ mạch điện hệ thống lạnh cấp đông IQF 193 34.3.1. Sơ đồ mạch điện 194 34.3.2. Các thiết bị điện, khí cụ điện của hệ thống lạnh cấp đông IQF 194 34.4. Khảo sát hệ thống lạnh cấp đông IQF 195 BÀI 35: KHẢO SÁT BUỒNG CẤP ĐÔNG IQF VÀ BUỒNG TÁI ĐÔNG 196 35.1. Khái niệm 196 35.2. Phân loại 196 35.3. Buồng cấp đông IQF xoắn 196 35.3.1. Cấu tạo 196 35.4. Buồng cấp đông IQF thẳng 198 35.5. Buồng cấp đông IQF siêu tốc 199 35.6. Buồng tái đông 203 35.7. Khảo sát buồng cấp đông IQF và tái đông 204 BÀI 36: TÍNH NHIỆT TỦ CẤP ĐÔNG IQF 205 36.1. Khái niệm 205 36.2. Trình tự tính phụ tải nhiệt buồng cấp đông IQF 205 36.2.1. Dòng nhiệt truyền qua kết cấu bao che 205 36.2.2. Dòng nhiệt do làm lạnh sản phẩm 206 36.2.3. Dòng nhiệt do động cơ điện 207 36.2.4. Dòng nhiệt do lọt không khí từ ngoài vào 207 BÀI 37: VẬN HÀNH HỆ THỐNG BUỒNG CẤP ĐÔNG IQF 209 37.1. Qui trình vận hành 209 37.1.1. Qui trình vận hành hệ thống lạnh 1 cấp 209 37.1.2. Qui trình vận hành hệ thống lạnh hai cấp 211 37.2. Vận hành hệ thống lạnh cấp đông IQF 212 BÀI 38: BẢO DƯỠNG HỆ THỐNG LẠNH BUỒNG CẤP ĐÔNG IQF 213 38.1. Mục đích, ý nghĩa 213 38.2. Phân loại bảo dưỡng 213 38.3. Nội dung công tác bảo dưỡng các thiết bị trong hệ thống lạnh buồng cấp đông IQF 213 38.3.1. Nạp gas cho hệ thống lạnh 213 38.3.2. Rút gas khỏi hệ thống lạnh 216 38.3.3. Nạp dầu bổ sung 217 38.3.4. Xả dầu 218 38.4. Bảo dưỡng hệ thống lạnh buồng cấp đông IQF 219 BÀI 39: SỬA CHỮA HỆ THỐNG LẠNH BUỒNG CẤP ĐÔNG 221 39.1. Hiện tượng, nguyên nhân và cách sửa chữa 221 39.2. Quy trình sửa chữa hệ thống lạnh 223 39.3. Sửa chữa hư hỏng của các thiết bị trong hệ thống lạnh buồng cấp đông IQF 224 ÔN TẬP PHẦN 6 225 TÀI LIỆU THAM KHẢO 226
KHÁI QUÁT VỀ BƠM NHIỆT
Lịch sử phát triển của bơm nhiệt
Bơm nhiệt là thiết bị chuyển đổi nhiệt độ từ thấp lên cao để sử dụng, hoạt động tương tự như máy nén lạnh Để duy trì hoạt động, bơm nhiệt cần tiêu tốn năng lượng cho máy nén Sự khác biệt giữa bơm nhiệt và máy lạnh nằm ở mục đích sử dụng: máy lạnh tạo ra hiệu ứng lạnh ở dàn bay hơi, trong khi bơm nhiệt tận dụng hiệu ứng nhiệt từ dàn ngưng tụ, hoặc kết hợp cả hai hiệu ứng lạnh và nhiệt.
Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) đã phát minh ra bơm nhiệt đầu tiên trên thế giới, đánh dấu bước khởi đầu cho sự phát triển của công nghệ này song song với Kỹ thuật lạnh Bơm nhiệt trở nên nổi bật sau cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập niên 70 và những năm đầu thế kỷ 21 Hiện nay, nhờ vào sự tiến bộ trong khoa học kỹ thuật và sự gia tăng nhanh chóng của giá dầu thế giới, bơm nhiệt đã phát triển mạnh mẽ về chủng loại, công suất, số lượng và chất lượng.
Năm 1928, T.G Haldane, một người Mỹ, đã khởi động lại nghiên cứu về bơm nhiệt và chế tạo bơm nhiệt đầu tiên để sưởi ấm văn phòng của mình Mặc dù Haldane là một người ủng hộ nhiệt tình cho công nghệ bơm nhiệt, ông không phát triển thêm bất kỳ hệ thống nào khác do chi phí đầu tư cao và hiệu quả chưa đạt yêu cầu.
Các bơm nhiệt nén hơi là những thiết bị đầu tiên hoạt động hiệu quả, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và duy trì hiệu suất nhiệt cao qua nhiều năm Một ví dụ điển hình là bơm nhiệt sưởi ấm cho văn phòng công ty Southern California Edison Co ở Los Angeles, được xây dựng vào năm 1930 với năng suất nhiệt 1050kW và hệ số bơm nhiệt đạt 2,5.
Vào năm 1938, một bơm nhiệt có công suất 175 kW và hệ số bơm nhiệt 2,0 được lắp đặt tại tòa thị chính Zurich Đến năm 1942, một bơm nhiệt khác với công suất 7000 kW và hệ số bơm nhiệt 3,0 đã được lắp đặt tại trường đại học kỹ thuật ETH Zurich.
Kể từ cuộc khủng hoảng năng lượng đầu thập kỷ 70, bơm nhiệt đã có những bước tiến vượt bậc Nhiều loại bơm nhiệt với kích cỡ và ứng dụng đa dạng đã được nghiên cứu, chế tạo và phổ biến rộng rãi trên thị trường.
Hiện nay, máy điều hòa không khí 2 chiều là loại bơm nhiệt phổ biến nhất, chiếm 75% trong số 50 triệu bộ được xuất xưởng vào năm 2008 Bên cạnh đó, thị trường cũng ghi nhận hàng triệu bộ bơm nhiệt dùng để đun nóng nước từ nguồn gió gia dụng.
Bơm nhiệt công nghiệp thương mại công suất lớn đang phát triển mạnh mẽ ở nhiều quốc gia như Mỹ, Trung Quốc và Nam Âu Tại Mỹ, một bơm nhiệt 1920kW đã được lắp đặt cho nhà thi đấu thể thao Square Walley, cung cấp đồng thời nhu cầu lạnh cho 4 sân trượt băng và nhiệt để sưởi ấm các phòng thi đấu, cũng như làm tan băng trên mái nhà để tránh sập do tuyết Hệ số bơm nhiệt (COP) có thể đạt 7 – 8, tức là với 1kW điện tiêu thụ, người ta có thể thu được 7 – 8kW lạnh và nhiệt Hiệu quả tiết kiệm của bơm nhiệt rất rõ ràng, dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này.
Các cột mốc quan trọng trong việc hình thành và phát triển bơm nhiệt:
- 1748: William Cullen chứng minh khả năng làm lạnh nhân tạo.
- 1834: Jacob Perkins chế tạo một tủ lạnh thực tế bằng ete dietyl.
- 1852: Lord Kelvin mô tả lý thuyết cơ bản về máy bơm nhiệt.
- 1855–1857: Peter von Rittinger phát triển và chế tạo máy bơm nhiệt đầu tiên.
- 1945: John Summer xây dựng một máy bơm nhiệt toàn bộ nguồn nước ở Norwich
- 1983: Lọmpửọssọ chế tạo mỏy bơm nhiệt đầu tiờn của họ ở Lapua, Phần Lan
Các ứng dụng của bơm nhiệt
Bơm nhiệt là giải pháp hiệu quả cho các cơ sở có nhu cầu năng lượng ở nhiệt độ từ 40 đến 80 độ C, và có thể đạt tới 115 đến 120 độ C Khi nhu cầu về nhiệt và lạnh tương đối đồng nhất, hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt sẽ tăng cao.
Khi sử dụng bơm nhiệt, hiệu quả kinh tế được thể hiện qua hệ số bơm nhiệt (COP), phụ thuộc vào nhiệt độ của dàn ngưng và dàn bay hơi Để bơm nhiệt hoạt động hiệu quả, nhu cầu về nhiệt độ nóng và lạnh cần phải liên tục và ổn định, giúp giảm thiểu thời gian hoàn vốn.
Nói chung bơm nhiệt có thể ứng dụng trong các ngành kinh tế sử dụng các nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp như:
- Công nghiệp sấy và hút ẩm;
- Các quá trình thu hồi nhiệt thải;
- Gia nhiệt nước hoặc không khí;
- Công nghiệp chưng cất, tách chất;
- Công nghiệp thực phẩm chủ yếu để tẩy rửa, tiệt trùng;
- Công nghiệp vải sợi, gỗ, bột và giấy;
- Tẩy rửa, mạ kim loại sơn sấy trong kỹ thuật điện và chế tạo máy;
- Công nghiệp hóa học như bay hơi, cô đặc,
- Điều tiết không khí tiện nghi công nghiệp, nông nghiệp, các công trình công cộng như y tế, văn hóa, thể thao.
Ứng dụng bơm nhiệt trong điều hòa không khí đã trở nên phổ biến, đặc biệt trong việc sưởi ấm Tại Việt Nam, máy điều hòa hai chiều được sử dụng rộng rãi ở miền Bắc, phục vụ làm mát vào mùa hè và sưởi ấm vào mùa đông Loại bơm nhiệt này có công suất nhỏ dưới 200kW, thích hợp cho gia đình và các công trình công cộng Dàn ngưng gió làm ấm không khí trong phòng, trong khi dàn bay hơi thu nhiệt từ không khí ngoài trời Hầu hết các bơm nhiệt này là bơm nhiệt nén hơi, sử dụng máy nén điện với dạng rô to hoặc xoắn ốc, có van đổi dòng 4 ngã để chuyển đổi giữa chế độ làm mát và sưởi ấm theo nhu cầu sử dụng.
Hình 1.1 Van đảo dòng 4 ngã của máy điều hòa không khí
Van đảo dòng 4 ngã hoạt động theo nguyên lý thay đổi hướng di chuyển của dòng môi chất, giúp điều chỉnh nhiệt độ không gian điều hòa Vào mùa hè, dòng môi chất di chuyển từ máy nén qua các bộ phận 1, 2, dàn nóng, tiết lưu và dàn lạnh để làm mát không khí Ngược lại, vào mùa đông, dòng môi chất chuyển hướng qua van 4 ngã từ máy nén đến bộ phận 1, 4, dàn nóng, tiết lưu và dàn lạnh để sưởi ấm không khí Nhờ vào van đảo chiều 4 ngã, các dàn trao đổi nhiệt bên trong và bên ngoài sẽ thay đổi chức năng, với dàn bên trong làm lạnh vào mùa hè và làm nóng vào mùa đông, đảm bảo hiệu quả tối ưu cho hệ thống điều hòa không khí.
Máy điều hòa 2 chiều model FTXS của Daikin có ứng dụng quan trọng trong việc bơm nhiệt để đun nước nóng từ 45 đến 70 độ C, phục vụ cho gia đình, văn phòng, thương mại và công nghiệp Hệ thống bơm nhiệt này bao gồm dàn ngưng để gia nhiệt cho nước trong bồn, sau đó nước nóng sẽ được bơm đến các hộ tiêu thụ Dàn bay hơi chủ yếu sử dụng gió để thu nhiệt từ không khí bên ngoài, bên cạnh đó còn có loại dàn bay hơi thu nhiệt từ nguồn nước như nước giếng khoan, nước máy, hoặc nước từ ao, hồ, sông, suối và cả nước thải có nhiệt độ cao, cũng như nước thu từ bộ thu năng lượng mặt trời.
Bơm nhiệt nóng lạnh là giải pháp tối ưu, tận dụng cả nguồn nóng và lạnh, giúp tăng hệ số bơm nhiệt lên gấp đôi Chẳng hạn, trong khách sạn, hệ thống này cung cấp không khí mát cho điều hòa và nước nóng cho sinh hoạt Ở các khu vực lạnh như Bắc Mỹ, Canada hay Bắc Nga, nhu cầu chủ yếu là sưởi ấm và cung cấp nước nóng Ngược lại, các nước nhiệt đới không có mùa đông chỉ cần làm lạnh không khí Việc kết hợp làm mát không khí với sản xuất nước nóng sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng bơm nhiệt đáng kể.
Trong ngành công nghiệp và các hệ thống điều hòa không khí lớn, bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh được sử dụng để nâng cao hiệu quả Điển hình, vào năm 1959, hãng York (Mỹ) đã lắp đặt bơm nhiệt tại Square Walley phục vụ Olympic mùa đông, với công suất lạnh đạt 1.650.000 kcal/h và sử dụng máy nén tuabin Hệ thống này không chỉ cung cấp nhiệt cho phòng thể thao và bể bơi thông qua 6 dàn ngưng không khí, mà còn cung cấp lạnh cho bốn sân trượt băng nghệ thuật, sử dụng nước muối CaCl2 ở nhiệt độ -10 °C Nhờ vào sự kết hợp giữa nóng và lạnh, hệ số bơm nhiệt đạt mức cao từ 9 đến 1.
Hình 1.2 Sơ đồ heat pumps trong hệ thống điều hòa không khí chiller sử dụng bộ trao đổi nhiệt.
Sơ đồ nguyên lý chiller bơm nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí cho thấy cách thức hoạt động của hệ thống này Nó sử dụng vòng tuần hoàn nước lạnh để cung cấp nước phục vụ nhu cầu điều hòa, trong khi vòng tuần hoàn nước ngưng giúp gia nhiệt nước cho các nhu cầu sinh hoạt Nguồn nhiệt thải từ thiết bị ngưng tụ được tận dụng để làm nóng nước qua bộ trao đổi nhiệt, với nhiệt độ nước ra không quá cao, phù hợp cho sinh hoạt Chính vì vậy, hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trong các công trình khách sạn.
Hình 1.3 Sơ đồ heat pumps trong hệ thống điều hòa không khí chiller không sử dụng bộ trao đổi nhiệt.
Hệ thống điều hòa không khí được giới thiệu trong hình 1.3 sử dụng 4 chiller để làm lạnh nước, trong đó 3 chiller tạo nước lạnh cho điều hòa, và chiller thứ 4 tạo nước nóng cho mục đích sử dụng Chiller 4 không chỉ cung cấp nước nóng mà còn sản sinh thêm lượng nước lạnh, giúp giảm tải cho 3 chiller còn lại Lượng nước nóng được tạo ra đáp ứng đầy đủ nhu cầu về lưu lượng và nhiệt độ nước.
Bơm nhiệt dân dụng công suất nhỏ và vừa đa chức năng mang lại hiệu quả cao nhờ khả năng kết hợp giữa nước nóng và lạnh Điều này rất cần thiết trong ngành chế biến thực phẩm, bao gồm thịt, cá, bơ, sữa, đồ hộp, đường, bánh kẹo, rượu bia và hoa quả, nơi mà việc bảo quản lạnh và sử dụng nước nóng cho các quy trình như nấu, tẩy rửa, vệ sinh, triệt khuẩn, tiệt trùng, bay hơi, cô đặc và tráng nước nóng là vô cùng quan trọng.
Trong các xí nghiệp thực phẩm, kho lạnh được sử dụng để bảo quản sản phẩm, trong khi nồi hơi cung cấp nhiệt cho các quy trình sản xuất và chế biến.
Hiện nay, các quốc gia phát triển trên toàn thế giới đang áp dụng công nghệ bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh, mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội trong việc cung cấp nhiệt và làm lạnh.
Nhiều xí nghiệp đã cải tạo hệ thống lạnh của mình để tận dụng hiệu quả cả nguồn nhiệt và lạnh, nhằm giảm thiểu lãng phí nhiệt năng bị bỏ đi trước đây tại thiết bị ngưng tụ.
Bơm nhiệt có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, không chỉ giới hạn trong ngành thực phẩm Chúng có khả năng cung cấp năng lượng nhiệt ở nhiệt độ thấp cho các mục đích như sấy, sưởi ấm và chuẩn bị nước nóng, đáp ứng nhu cầu đa dạng của người sử dụng.
Nguyên lý làm việc
Bơm nhiệt là hệ thống thiết bị chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao, phục vụ cho nhu cầu như sưởi ấm không khí, đun nước nóng và sấy Cả bơm nhiệt và máy lạnh đều hoạt động theo nguyên lý chu trình nhiệt động ngược chiều, nhưng khác nhau ở mục đích sử dụng nguồn nhiệt Máy lạnh sử dụng nguồn lạnh từ dàn bay hơi, trong khi bơm nhiệt sử dụng nguồn nhiệt nóng từ dàn ngưng tụ.
Trong tự nhiên, nước chảy từ cao xuống thấp và nhiệt độ truyền từ nơi cao sang thấp Tuy nhiên, chúng ta có thể sử dụng bơm để nâng nước từ vị trí thấp lên cao và bơm nhiệt để chuyển nhiệt từ nguồn thấp (không khí xung quanh) đến nguồn cao hơn (như bình nước nóng) Nếu nguồn nhiệt có ích là Qk, thì thiết bị được gọi là bơm nhiệt; còn nếu nguồn nhiệt có ích là Qo, thiết bị đó được gọi là máy lạnh.
Chu trình hoạt động của bơm nhiệt được thể hiện ở hình 4.1 dưới đây.
Hình 1.4 Biểu diễn chu trình làm việc của bơm nhiệt trên đồ thị
Các quá trình chính của bơm nhiệt bao gồm:
Quá trình nén hơi môi chất trong máy nén hơi bắt đầu từ áp suất và nhiệt độ thấp, sau đó được nâng lên mức áp suất và nhiệt độ cao Đây là giai đoạn quan trọng trong chu trình nén, được gọi là đoạn nhiệt, giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc của máy nén.
2 - 3: Quá trình ngưng tụ là đoạn nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, nhả nhiệt cho môi trường.
4 - 1: Quá trình bay hơi đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp thu nhiệt của môi trường.
Bơm nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý tuần hoàn của môi chất lạnh, bắt đầu từ việc hơi môi chất ở dàn bay hơi với nhiệt độ và áp suất thấp được máy nén hút vào Sau đó, hơi này được nén lên áp suất và nhiệt độ cao, rồi đẩy vào dàn ngưng tụ Tại đây, hơi môi chất cung cấp nhiệt cho nhu cầu sử dụng, sau đó ngưng tụ thành lỏng áp suất cao Lỏng này tiếp tục đi qua thiết bị tiết lưu để giảm áp suất trước khi quay trở lại dàn bay hơi, nơi nó bay hơi và hấp thụ nhiệt từ môi trường Quá trình này khép kín, với hơi môi chất lại được máy nén hút vào, tạo thành vòng tuần hoàn liên tục.
Hình 1.5 Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt
MN - Máy nén; NT - Thiết bị ngưng tụ;
Thiết bị tiết lưu (TL) và thiết bị bay hơi (BH) là hai thành phần quan trọng trong hệ thống lạnh Công tiêu tốn cho máy nén (l) ảnh hưởng đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống Nhiệt lượng nhận từ môi trường (q0) và nhiệt lượng nhả ra ở dàn ngưng tụ (qk) là những yếu tố quyết định trong quá trình trao đổi nhiệt, giúp duy trì hoạt động hiệu quả của hệ thống lạnh.
Năng suất nhiệt của bơm nhiệt chính là phương trình cân bằng nhiệt của máy lạnh: qk = q0 + l
Hệ số nhiệt của bơm nhiệt là:
Sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp mang lại hiệu quả kinh tế tối ưu, khi chỉ cần tiêu tốn một nguồn năng lượng duy nhất để đạt được cả năng suất lạnh (qo) và năng suất nhiệt (qk) như mong muốn Hệ số nhiệt lạnh của bơm nhiệt nóng lạnh được ký hiệu là , và công thức tính toán hiệu suất này rất quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Bơm nhiệt nén hơi ngày càng trở nên phổ biến và mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp và ngư nghiệp, tương tự như máy lạnh.
Ngoài bơm nhiệt nén hơi, tương tự như máy lạnh, còn có nhiều loại bơm nhiệt khác hoạt động theo các nguyên lý khác nhau, bao gồm bơm nhiệt hấp thụ, bơm nhiệt nén khí và bơm nhiệt nhiệt điện.
Hiện nay, tất cả các loại bơm nhiệt đều được sử dụng, nhưng bơm nhiệt nén hơi là phổ biến nhất Bên cạnh đó, bơm nhiệt hấp thụ cũng ngày càng được chú ý nhờ khả năng sử dụng nguồn nhiệt từ môi trường xung quanh, mang lại hiệu quả cao trong việc tiết kiệm năng lượng.
Dựa vào các đặc điểm, hệ thống bơm nhiệt có nhiều cách phân loại khác nhau.
* Dựa vào nguyên lý làm việc, bơm nhiệt có thể chia ra các loại sau:
- Bơm nhiệt dùng máy nén hơi
* Dựa vào chu trình làm việc, bơm nhiệt có thể chia ra các loại sau:
- Bơm nhiệt nén hơi chu trình cacno
- Bơm nhiệt nén hơi chu trình khô
- Bơm nhiệt nén hơi chu trình Lorenz,
* Dựa vào nguồn nhiệt, ích nhiệt có thể chia ra các loại sau:
- Bơm nhiệt ATA (air – to – air): Bơm nhiệt có nguồn nhiệt là không khí, ích nhiệt là không khí.
- Bơm nhiệt ATW (air – to – water): Bơm nhiệt có nguồn nhiệt là không khí, ích nhiệt là nước
- Bơm nhiệt WTA (water – to – air): Bơm nhiệt có nguồn nhiệt là nước, ích nhiệt là không khí
- Bơm nhiệt WTW (water – to – water): Bơm nhiệt có nguồn nhiệt và ích nhiệt đều là nước.
1.3.4 Chu trình bơm nhiệt nén hơi Đây là loại bơm nhiệt quan trong vì đang được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, đặc biệt là được sử dụng trong điều hòa không khí với mục đích sưởi ấm, chuẩn bị nước nóng, sấy nhiệt độ thấp, hút ẩm, thu hồi nhiệt thải để đáp ứng các nhu cầu năng lượng ở nhiệt độ thấp.
Bơm nhiệt nén hơi được phân loại dựa trên loại môi chất và phương thức truyền động Về môi chất, có hai loại chính: đơn chất theo chu trình Carnot và hỗn hợp không đồng sôi theo chu trình Lorenz Về phương thức truyền động, hầu hết các bơm nhiệt sử dụng điện (EHP - Bơm nhiệt điện), nhưng cũng có loại sử dụng động cơ gas (GHP - Bơm nhiệt sử dụng động cơ gas), cùng với các loại động cơ khác như diesel, xăng, dầu, gió và nước để vận hành máy nén.
* Bơm nhiệt nén hơi chu trình carnot
Bơm nhiệt nén hơi chu trình carnot được thể hiện trên hình 1.6:
Hình 1.6 Bơm nhiệt nén hơi chu trình carnot, sơ đồ thiết bị và chu trình thể hiện trên đồ thị T-s
Bơm nhiệt bao gồm bốn thành phần chính: máy nén, dàn ngưng tụ, máy dãn nở và dàn bay hơi Môi chất sử dụng trong bơm nhiệt là loại đơn chất hỗn hợp đồng sôi Nếu biểu diễn các quá trình này trên đồ thị, ta có thể dễ dàng theo dõi sự chuyển đổi năng lượng và hiệu suất hoạt động của hệ thống.
T – s thì chu trình là một hình chữ nhật gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và đẳng nhiệt xen kẽ nhau:
1 – 2 là quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén : s1 = s2
2 – 3 là quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt trong dàn ngưng: T2 = T3
3 – 4 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong máy dãn nở: s3 = s4
4 – 1 là quá trình bay hơi đoạn nhiệt trong dàn bay hơi: T4 = T1
Hệ số bơm nhiệt φ c được xác định theo biểu thức sau: φC = Qk/N = qk/l = Tk/(Tk - To) Trong đó:
Qk là năng suất nhiệt ở bình ngưng, W;
N là công tiêu tốn cho chu trình, được tính bằng công tiêu tốn cho máy nén trừ đi công hữu ích thu được ở máy dãn nở, với công thức N = NMN - NDN Công tiêu tốn riêng cho một kg môi chất được ký hiệu là l, có đơn vị là J/kg.
Tk và To lần lượt là nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi, K.
Phương trình cân bằng nhiệt của bơm nhiệt là:
Công thức Qk = Qo + N, W mô tả năng suất lạnh của bơm nhiệt, trong đó Qo là năng suất lạnh cơ bản Chu trình bơm nhiệt ngược chiều được đánh giá là lý tưởng nhờ vào hệ số nhiệt cao nhất so với các chu trình khác như chu trình khô hay hồi nhiệt, ngoại trừ chu trình Lorenz.
Nhược điểm: Chu trình Carnot có nhiều nhược điểm về vận hành không thể khắc phục được như:
Trạng thái hơi hút của máy nén không được xác định rõ ràng do nằm trong vùng hơi ẩm Với thành phần ẩm có trong trạng thái 1, nguy cơ hút phải lỏng và gây ra va đập thủy lực, làm hỏng máy nén là rất cao.
- Máy dãn nở cồng kềnh, giá thành cao mà công hữu ích thu được không đáng kể, do đó chu trình này không được sử dụng trong thực tế.
* Bơm nhiệt nén hơi chu trình khô
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG
Hệ số nhiệt của bơm nhiệt
Để so sánh hiệu quả sử dụng năng lượng của hai chu trình bơm nhiệt, cần tính toán hệ số nhiệt của bơm nhiệt Hệ số lạnh của máy lạnh được xác định là tỷ lệ giữa năng suất lạnh hữu ích tại thiết bị bay hơi và điện năng tiêu thụ.
- Ɛ, COP(Coefficient of performance): Hệ số lạnh (hệ số hiệu quả năng lượng)
- qo : Năng suất lạnh hữu ích
Hệ số nhiệt của bơm nhiệt φ, hay còn gọi là COP, được định nghĩa là tỷ lệ giữa năng suất nhiệt hữu ích thu được tại thiết bị ngưng tụ và điện năng tiêu thụ.
2.1.1 Hệ số nhiệt thực tế của bơm nhiệt
Hệ số nhiệt thực tế của bơm nhiệt, được gọi là hệ số φ (COP), được tính toán dựa trên các chu trình thực tế mà bơm nhiệt thực hiện, bao gồm chu trình khô, chu trình quá lạnh, chu trình quá nhiệt và chu trình hồi nhiệt.
Ví dụ:Xác định hệ số nhiệt của bơm nhiệt gió – gió hoạt động với nhiệt độ tk
= 50 o C; to = 5 o C; độ quá nhiệt ∆tqn = độ quá lạnh ∆tql = 7 o C Môi chất sử dụng là R22.
Bảng 2.1 Thông số điểm nút của chu trình Điểm nút 1’ 1 2 3’ 3 4
T, o C 5 12 75.84 50 43 5 h, kJ/kg 406.71 412.02 443.19 263.05 253.59 253.59 s, kJ/kg.K 1.7433 1.7621 1.7621 1.2076 1.1788 1.1928 Năng suất nhiệt riêng: qk = h2 – h3 = 443.19 – 253.59 = 189.6 kJ/kg
Công nén riêng: l = h2 – h1 = 443.19 – 406.71 = 36.48 kJ/kg
Hệ số nhiệt: φ = COP = qk/l = 189.6/36.48 = 5.2 Đồ thị lgP – h của chu trình
Hệ số nhiệt chu trình thực (COP) của bơm nhiệt nén hơi phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, được thể hiện rõ qua đồ thị lgP - h.
- Nhiệt độ quá lạnh lỏng;
- Môi chất lạnh sử dụng;
- Kiểu loại và hiệu suất máy nén;
Mức độ hoàn thiện của hệ thống và thiết bị có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số nhiệt φ Để phân tích tác động của nhiệt độ ngưng tụ đến hệ số này, tác giả đã lựa chọn các thông số hoạt động của chu trình bơm nhiệt trong điều kiện nhiệt độ ngoài trời to = 5 °C và nhiệt độ ngưng tụ tk = 30 °C.
50 o C, t qn = 5 o C, t ql = 5 o C Với các môi chất R12, R22, R502, R134a, R404a và R407c.
Bảng 2.2 Hệ số nhiệt của các loại môi chất theo nhiệt độ ngưng tụ
Hình 2.2 Hệ số nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ ngưng tụ
Quan sát bảng thông số 2.2 và hình 2.2 ta thấy:
- Hệ số nhiệt của các loại môi chất khảo sát giảm khi tăng nhiệt độ ngưng tụ.
Trong các loại môi chất khảo sát, R12 sở hữu hệ số nhiệt cao nhất, trong khi R407c có hệ số nhiệt thấp nhất, và R22 nằm ở mức hệ số nhiệt trung bình.
Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến hệ số nhiệt φ, tác giả đã lựa chọn các thông số hoạt động của chu trình bơm nhiệt với điều kiện tk = 45 oC, t0 = -10 ÷ 10 oC, Δtqn = 5 oC và Δtql = 5 oC Nghiên cứu sử dụng các môi chất lạnh như R12, R22, R502, R134a, R404a và R407c.
Bảng 2.3 Hệ số bơm nhiệt của các loại môi chất theo nhiệt độ bay hơi
Hình 2.3 Hệ số nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ bay hơi
Quan sát bảng thông số 2.3 và hình 2.3 ta thấy:
- Hệ số nhiệt của các loại môi chất khảo sát đều tăng theo tỷ lệ nhất định khi nhiệt độ bay hơi tăng.
Trong số các loại môi chất khảo sát, R12 và R22 sở hữu hệ số nhiệt cao nhất, trong khi R404a có hệ số nhiệt thấp nhất Các môi chất R505 và R407c có hệ số nhiệt nằm ở mức trung bình.
2.1.2 Hệ số nhiệt lý thuyết theo chu trình Carnot
Hệ số nhiệt lý thuyết theo chu trình carnot của bơm nhiệt là hệ số φc (COP) tính toán được khi bơm nhiệt thực hiện chu trình lý thuyết carnot.
Ví dụ:Xác định hệ số nhiệt của bơm nhiệt gió – gió hoạt động với nhiệt độ tk
= 50 o C; to = 5 o C Môi chất sử dụng là R22 thực hiện trên chu trình lý thuyết carnot.
Hệ số nhiệt lý thuyết theo chu trình carnot được xác định theo biểu thức sau: φc (COP) = Tk/(Tk – To) = (50 + 273)/(50 – 5) = 7.18
Hệ số nhiệt chu trình Carnot (φc) luôn lớn hơn hệ số nhiệt chu trình thực (φ), điều này được minh chứng qua hai ví dụ Mối quan hệ giữa hệ số nhiệt thực và lý thuyết được diễn đạt bằng công thức: φ = ν φc = ν.[Tk/(Tk – To)].
Trong đó ν gọi là hiệu suất execgi hay còn gọi là hệ số hoàn thiện của chu trình thực.
So sánh các phương án cấp nhiệt
Để đánh giá hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt, cần so sánh các phương án trong sơ đồ cấp nhiệt từ nguồn năng lượng sơ cấp đến nơi tiêu thụ Ở Việt Nam, nguồn năng lượng sơ cấp chủ yếu là than đá, do đó, việc sử dụng than đá làm ví dụ cho tính toán cấp nhiệt là hợp lý.
Ví dụ ta cần phải cấp nhiệt cho một lò sấy, yêu cầu nhiệt độ sấy từ 70 đến
100 o C, nghĩa là nhiệt độ đó phù hợp với khả năng của bơm nhiệt.
2.2.1 Dùng than để sản xuất điện, sau đó dùng điện sinh nhiệt
Việc sử dụng than để sản xuất điện tại nhà máy nhiệt điện và cấp trực tiếp năng lượng điện cho lò sấy cho thấy hiệu suất sử dụng than chỉ đạt 27% Cụ thể, 100% than được dùng, nhưng phải chịu 70% hao hụt tại nhà máy điện và 3% hao hụt trong quá trình truyền tải điện.
Hình 2.4 Biểu đồ tổn thất năng lượng cho phương án dùng than để sản xuất điện, sau đó dùng điện sinh nhiệt
2.2.2 Dùng than để sinh nhiệt
Khi sử dụng than để đốt lò hơi và cung cấp nhiệt cho hầm sấy bằng hơi nước, hiệu suất sử dụng than đạt 68% Điều này được tính toán dựa trên 100% than sản xuất tại mỏ, sau khi trừ hao hụt tại lò là 32%.
Hình 2.5 Biểu đồ tổn thất năng lượng cho phương án dùng than để sinh nhiệt 2.2.3 Dùng than để sản xuất điện, sau đó dùng điện để chạy bơm nhiệt
Trong các điều kiện tương tự như phương án hình 2.4, thay vì sử dụng trực tiếp năng lượng điện qua các bộ đốt điện trở, hệ thống sử dụng bơm nhiệt nén hơi Nhờ vào hệ số nhiệt của bơm nhiệt dao động từ φ=3 đến 4 tùy thuộc vào ∆t, hiệu suất sử dụng năng lượng được cải thiện gấp 3 đến 4 lần.
Biểu đồ tổn thất năng lượng cho phương án sử dụng than để sản xuất điện, sau đó dùng điện để vận hành bơm nhiệt cho thấy hiệu suất và mức tiêu thụ năng lượng Việc dùng than để sinh nhiệt và sau đó tận dụng nhiệt để chạy bơm nhiệt là một giải pháp hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Giống như phương án hình 2.5, năng lượng hữu ích 44% không được sử dụng trực tiếp cho hầm sấy mà thông qua bơm nhiệt hấp thụ Với hệ số nhiệt φA≈1,4 của bơm nhiệt hấp thụ, năng lượng hữu ích sẽ tăng lên khoảng 62%: Sp,A=1,4*44%.
Biểu đồ tổn thất năng lượng cho phương án sử dụng than để sinh nhiệt, sau đó dùng nhiệt để vận hành bơm nhiệt, cho thấy hiệu quả của việc đốt than trực tiếp cho bình sinh hơi của máy lạnh hấp thụ.
Sử dụng than đốt cho buồng sấy trực tiếp qua thiết bị trao đổi nhiệt mang lại năng lượng hữu ích lên đến 100%, tuy nhiên cần lưu ý rằng có 6% năng lượng bị tổn thất trong quá trình vận chuyển và 32% năng lượng bị tiêu hao cho thiết bị biến đổi năng lượng tại chỗ.
Đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt
Khi lắp đặt hệ thống bơm nhiệt, cần giải bài toán kinh tế kỹ thuật để chứng minh hiệu quả so với các phương án cấp nhiệt truyền thống Chẳng hạn, khi cung cấp nhiệt để đun nước nóng cho bệnh viện, có thể so sánh giữa việc sử dụng bơm nhiệt nén hơi chạy điện ATW và các phương án cấp nhiệt khác.
- Dùng bơm nhiệt nén hơi chạy điện WTW;
- Dùng bơm nhiệt nén hơi chạy động cơ xăng, dầu, ga;
- Dùng máy lạnh hấp thụ đốt than, đốt dầu, đốt ga;
- Dùng điện qua điện trở;
- Dùng nồi hơi đốt than;
- Dùng nồi hơi đốt dầu;
Để lựa chọn nồi hơi đốt ga, phương án bơm nhiệt cần chứng minh tính tối ưu trong việc cấp nhiệt với chi phí thấp nhất (VND/kWh nhiệt hoặc VND/m³ nước nóng) Bên cạnh đó, bơm nhiệt cũng phải thể hiện các ưu điểm như dễ lắp đặt, vận hành an toàn, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài, và thân thiện với môi trường, đồng thời giảm thiểu phát thải khí nhà kính Hình 7.2 trình bày các bước đánh giá hiệu quả năng lượng (HQNL) cho phương án cấp nhiệt phổ biến nhằm xác định phương án tối ưu Bảng 2.4 cung cấp các khả năng so sánh giữa các phương án cấp nhiệt khác nhau.
Bảng 2.4 Các khả năng có thể xảy ra khi so sánh các phương án cấp nhiệt khác nhau
Năng lượng tiêu tốn cho thiết bị
Các thiết bị đều dùng điện
Các thiết bị sử dụng các nguồn năng lượng sơ cấp khác nhau
Các đối tượng cần so sánh
Chỉ so sánh các chu trình bơm nhiệt nén hơi với nhau
So sánh các chu trình bơm nhiệt nén hơi chạy điện với thanh điện trở
So sánh các chu trình bơm nhiệt nén hơi chạy điện với các loại chạy bằng động cơ xăng, dầu, ga cho thấy sự khác biệt rõ rệt về hiệu suất và nguồn năng lượng Các thiết bị sử dụng năng lượng sơ cấp như than, dầu, và ga thường có chi phí vận hành cao hơn và tác động môi trường lớn hơn Trong khi đó, bơm nhiệt nén hơi chạy điện mang lại hiệu quả năng lượng tốt hơn và giảm thiểu khí thải Việc lựa chọn giữa các loại năng lượng này phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng, chi phí và tính bền vững của nguồn năng lượng.
So sánh các loại bơm nhiệt với điện trở
ATA và ATW ATA và WTA ATA và WTW WTA và WTW
ATA và điện trở ATW và điện trở WTA và điện trở WTW và điện trở
Bơm nhiệt nén hơi (ATA, ATW, WTW, WTA) và bơm nhiệt hấp thụ bao gồm các loại sử dụng nhiên liệu như than, dầu, và ga, hoặc chạy bằng hơi qua nồi hơi đốt than, dầu, và ga.
Bơm nhiệt nén hơi(ATA, ATW, WTW, WTA) và các phương án cấp nhiệt qua đốt trực tiếp bằng than, dầu, ga
So sánh các loại bơm nhiệt với môi chất khác nhau
So sánh các bơm nhiệt nén hơi cùng chạy điện
Hệ số dùng để so sánh
Hệ số bơm nhiệt: COP = φ
Hệ số điện trở(hiệu suất điện trở): COPđt = ηđt
Hệ số sử dụng năng lượng sơ cấp € được xác định bởi các yếu tố φc (hệ số bơm nhiệt nén hơi), φA (hệ số bơm nhiệt hấp thụ), ηt (hiệu suất nhiệt của thiết bị như nhà máy nhiệt điện và đường dây tải điện), cùng với ηnh (hiệu suất của nồi hơi).
Bảng 2.4 cho thấy việc so sánh các thiết bị điện dễ dàng nhất thông qua cột 2 và cột 3 Chúng ta chỉ cần xác định hiệu quả năng lượng COP của các bơm nhiệt để so sánh và tìm ra bơm nhiệt có COP cao nhất Việc so sánh với thanh điện trở cũng đơn giản khi coi hiệu suất nhiệt của nó bằng 1, tương ứng với COP là 1.
Hình 2.8 Các bước đánh giá hiệu quả năng lượng (HQNL) của một phương án cấp nhiệt thông dụng để chọn ra phương án tối ưu
Các bước đánh giá HQNL của các phương án cấp nhiệt khác nhau
- Xây dựng và giải bài toán tối ưu về kinh tế
- Năng suất nhiệt nhiệt độ thấp yêu cầu, Qk, kW
- Chất tải nhiệt (không khí nóng, nước nóng) và nhiệt độ chất tải nhiệt
- Tên phương án cấp nhiệt
- Vốn đầu tư ban đầu (giá thiết bị, giá lắp đặt, vận hành thử)
- Giá vận hành (công nhân, điện, nước, vật liệu phụ…)
- Giá bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ
- Giá thành một đơn vị nhiệt (VND/kWh hoặc VND/m 3 nước nóng)
- Tính toán thời gian hoàn vốn
- Đánh giá tác động môi trường
- So sánh và chọn phương án tối ưu ÔN TẬP
1/ Định nghĩa hệ số nhiệt của bơm nhiệt?
2/ Định nghĩa hệ số nhiệt thực của bơm nhiệt?
3/ Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đến hệ số nhiệt của bơm nhiệt?
4/ Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ bay hơi đến hệ số nhiệt của bơm nhiệt?
5/ Đánh giá ảnh hưởng của môi chất được sử dụng đến hệ số nhiệt của bơm nhiệt?
6/ Hãy vẽ biểu đồ tổn thất năng lượng cho phương án dùng than để sản xuất điện, sau đó dùng điện để sinh nhiệt?
7/ Hãy vẽ biểu đồ tổn thất năng lượng cho phương án dùng than để sinh nhiệt ?
8/ Hãy vẽ biểu đồ tổn thất năng lượng cho phương án dùng than để sản xuất điện, sau đó dùng điện để chạy bơm nhiệt ?
9/ Hãy vẽ biểu đồ tổn thất năng lượng cho phương án dùng than để sinh nhiệt sau đó dùng nhiệt để chạy bơm nhiệt?
10/ Trình bày các bước đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của bơm nhiệt?
BƠM NHIỆT VÀ CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA BƠM NHIỆT
Môi chất và cặp môi chất
3.1.1 Yêu cầu môi chất và cặp môi chất của bơm nhiệt
Môi chất cho bơm nhiệt và máy lạnh có nhiều điểm tương đồng, đặc biệt là về khả năng hấp thụ Các yêu cầu liên quan đến tính chất vật lý, hóa học, an toàn, nhiệt động và môi trường của chúng cũng giống nhau, đảm bảo hiệu suất và an toàn trong ứng dụng.
Do đặc điểm làm việc của bơm nhiệt ở dải nhiệt độ bay hơi và ngưng tụ cao nên nó gần máy điều hòa không khí hơn là máy lạnh.
Môi chất và cặp môi chất của bơm nhiệt có yêu cầu tương tự như máy lạnh, nhưng cần lưu ý đến nhiệt độ sôi và ngưng tụ cao hơn Các loại môi chất như R22, R32, R410, R290 và R502 thường được sử dụng cho máy nén Mặc dù Amoniac cũng là một lựa chọn, nhưng nó có nhiệt độ ngưng tụ thấp và yêu cầu đặc biệt về điều kiện an toàn.
Các loại môi chất lạnh:
Môi chất lạnh CFC (ChloroFluoroCarbons) được tạo ra bằng cách thay thế tất cả các nguyên tử Hydro trong các Hydrocarbon bằng các nguyên tử Clo và Flo Những môi chất này, chẳng hạn như CFC 11, đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp lạnh.
12, CFC 113, CFC 114, CFC 115, CFC 13, CFC 111, CFC 112, CFC 211, CFC
212, CFC 213, CFC 214, CFC 215, CFC 216, CFC 217…vv.
Môi chất lạnh HCFC (HydroChloroFluoroCarbon Refrigerant) được phát triển bằng cách thay thế một số nguyên tử Hydro trong Hydrocacbon bằng nguyên tử Clo và Flo, khác với môi chất lạnh CFC Một số loại môi chất HCFC phổ biến bao gồm HCFC-21, HCFC-22, HCFC-31, HCFC-121, HCFC-122, HCFC-123, HCFC-124, HCFC-131, HCFC-132, HCFC-133, HCFC-141b, HCFC-142b và HCFC-151.
Môi chất lạnh HFC (HydroFluoroCarbons Refrigerant) bao gồm các nguyên tử hydrogen, flo và carbon Một số loại môi chất lạnh HFC phổ biến như HFC-134a (CF3CH2F), HFC-152a (CHF2CH3), HFC-125 (CF3CHF2), HFC-143a (CF3CH3), HFC-32 (CH2F2), HFC-227ea (CF3–CHF–CF3), HFC-236fa (CF3–CH2–CF3) và HFC-23 (CHF3).
Halon BFC (Bromine Fluorine Carbon Refrigerant) is a refrigerant composed of bromine, fluorine, and carbon Notable types of HFC refrigerants include BFC-13B1 (CBrF3), BFC-12B1 (CBrClF2), and BFC-12B2 (CBr2F2).
Môi chất lạnh hòa trộn là giải pháp hiệu quả cho việc lựa chọn môi chất lạnh có đặc tính nhiệt động tốt và thân thiện với môi trường Việc hòa trộn các môi chất theo tỷ lệ phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu suất nhiệt động và giảm thiểu tác động đến môi trường Một số môi chất hòa trộn phổ biến bao gồm R404A, R507A, R407A, R407B, R407C, R410A, R508A, R508B, R413A, FX80, ISCEON89, ISCEON59, R401A, R410B, R409A, R409B, R402A, R402B, R403A, R403B, và R408A.
Môi chất lạnh thiên nhiên bao gồm các sản phẩm như Propan (R290), Butan (R600), Isobutan (R600a), CO2 (R744), Amonia (R717), không khí (R729) và nước (R718) Những môi chất này không chỉ thân thiện với môi trường mà còn không gây hại cho tầng ozone và không góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu.
Nhiệt độ chất tải nhiệt chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ ngưng tụ, mà nhiệt độ ngưng tụ lại phụ thuộc vào thiết kế của máy nén Chẳng hạn, với máy nén có áp suất ngưng tụ tối đa 2,35MPa, nhiệt độ ngưng tụ của R12 đạt khoảng 84 o C, cho phép nhiệt độ chất tải nhiệt đạt khoảng 70 o C Đối với R22, nhiệt độ ngưng tụ chỉ khoảng 60 o C, dẫn đến nhiệt độ chất tải nhiệt chỉ đạt khoảng 50 o C R502, mặc dù có năng suất lạnh thể tích nhỉnh hơn R22, nhưng lại có ưu điểm về nhiệt độ cuối quá trình nén thấp nhờ vào thành phần R115.
Môi chất R11 chỉ thích hợp cho máy nén tuabin vì năng suất lạnh thể tích thấp Nhưng R11 có ưu điểm là nhiệt độ ngưng tụ đạt đến 120 o C.
Như đã trình bày, để đảm bảo hệ số bơm nhiệt = 3 4, thì hiệu nhiệt độ Tk -
Nhiệt độ không được vượt quá 60 oK, do đó, nếu nhiệt độ ngưng tụ cao, nhiệt độ nguồn nhiệt cung cấp cho dàn bay hơi cũng cần phải cao Thực tế, chỉ có nguồn nhiệt thải từ công nghiệp và địa nhiệt mới đạt được nhiệt độ này, dẫn đến việc các loại môi chất lạnh có nhiệt độ cao ít được sử dụng.
Môi chất hỗn hợp không đồng sôi trên lý thuyết có nhiều ưu điểm nhưng thực tế vẫn còn nhiều khó khăn khi áp dụng chúng.
Do tác động của hiệu ứng nhà kính và sự suy giảm tầng ôzôn, nhiều loại môi chất freôn như R11, R12 và R13 đã bị cấm Điều này đã tạo ra nhu cầu cấp thiết trong việc tìm kiếm các môi chất mới cho bơm nhiệt và máy lạnh Đối với các hệ thống điều hòa không khí gia đình, ngoài những môi chất phổ biến như R22, R32 và R410A, các lựa chọn thay thế tiềm năng trong tương lai bao gồm R1234yf, R290 và CO2 Đối với hệ thống máy lạnh trung tâm chiller, các môi chất như R134a, R407C và R507 đang được sử dụng, trong khi chiller ly tâm thường sử dụng R123.
Bảng 3.1 Tính chất cơ bản của một số môi chất lạnh
Công thức hóa học CHClF2 CH2F2
Hỗn hợp R32/R125 CHCl2CF3 CH2FCF3
Nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển, o C -40.8 -51.7 -51.6 27.8 -26.1
Nhiệt độ tới hạn, o C 96.2 78.2 72.5 183.8 101.1 Áp suất tới hạn, MPa 4.99 5.78 4.61 3.66 4.06
Thời gian tồn tại trong khí quyển, năm 11.8 5.6 4.95 1.4 13.6
Tiềm năng làm suy giảm tầng ozone
Tiềm năng làm nóng địa cầu GWP (100 năm)
Chất tổng hợp Đơn chất Đơn chất 50%R32+
3.1.2 Các cặp môi chất cho bơm nhiệt hấp thụ Đối với bơm nhiệt hấp thụ, người ta vẫn sử dụng chủ yếu hai cặp môi chất là
Máy lạnh H2O/BrLi rất phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới của Việt Nam, vì yêu cầu nhiệt độ nguồn nhiệt chỉ khoảng 85 o C, trong khi cặp môi chất NH3/H2O cần nhiệt độ lên tới 130 o C Điều này cho phép tận dụng các nguồn nhiệt thải như nước nóng và hơi thừa từ các nhà máy có sử dụng nồi hơi, mang lại hiệu quả kinh tế và tiết kiệm năng lượng.
Máy nén lạnh
Máy nén là bộ phận quan trọng nhất trong bơm nhiệt, tương tự như trong máy lạnh Các loại máy nén thường được sử dụng trong bơm nhiệt bao gồm máy nén pittông trượt, máy nén rôto, máy nén xoắn ốc, máy nén trục vít và máy nén tuabin.
3.2.1 Các loại máy nén dùng trong bơm nhiệt
Máy nén biến tần hoạt động với tốc độ quay tỷ lệ thuận với tần số dòng điện, được tính theo công thức n = (f/p) * (1 – s), trong đó n là tốc độ vòng quay (vg/s), f là tần số dòng điện (Hz), s là hệ số trượt và p là số cặp cực.
Đối với tần số 50Hz, động cơ với 1 cặp cực có tốc độ quay 50vg/s (3000vg/phút) Nếu bị trượt 100vg/phút, tốc độ động cơ giảm xuống còn 2900vg/phút Trong trường hợp sử dụng 2 cặp cực và trượt 50vg/phút, tốc độ động cơ sẽ là 1450vg/phút.
Khi biến đổi tần số vô cấp, động cơ có thể điều chỉnh tốc độ một cách linh hoạt, từ đó ảnh hưởng đến năng suất lạnh và nhiệt Tuy nhiên, để đơn giản hóa công nghệ, máy nén biến tần thường chỉ được điều chỉnh theo một số bậc nhất định, thường từ 10 đến 21 bậc, nhằm đáp ứng hiệu quả các thay đổi về năng suất.
Máy điều hòa không khí hiện đại ngày nay sử dụng công nghệ biến tần để điều chỉnh năng suất lạnh và nhiệt một cách liên tục, thay vì phương pháp đóng/ngắt truyền thống Công nghệ này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như hoạt động êm ái hơn, nhiệt độ trong phòng ổn định hơn và khả năng tiết kiệm năng lượng lên đến 30%.
Máy điều hòa không khí sử dụng công nghệ biến tần (inverter) đang phát triển mạnh mẽ nhờ khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội so với máy điều hòa thông thường Mặc dù có nhiều ưu điểm về hiệu suất và tiết kiệm, nhưng máy điều hòa inverter cũng gặp phải một số vấn đề như gây nhiễm cho các thiết bị điện tử như tivi và radio, cũng như chi phí đầu tư và sửa chữa cao.
Hình 3.1 Biểu đồ so sánh quá trình điều khiển nhiệt độ của máy điều hòa Inverter và Non - Inverter
* Máy nén xoắn ốc kỹ thuật số
Ngoài công nghệ biến tần, các hãng máy lạnh hiện nay đang phát triển máy nén xoắn ốc kỹ thuật số (Digital Scroll compressor), một công nghệ tiên tiến được áp dụng trong các máy điều hòa cục bộ và hệ thống VRV, VRF Các thương hiệu nổi bật như Samsung, Daikin, và Trane đang dẫn đầu trong việc ứng dụng công nghệ này.
Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động máy nén xoắn ốc kỹ thuật số
Máy nén xoắn ốc kỹ thuật số hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng van điện từ (thường đóng) để kiểm soát hai trạng thái làm việc: có tải và không tải Khi van mở, buồng điều tiết có áp suất bằng buồng áp suất thấp, dẫn đến hai đĩa xoắn ốc tách rời, tạo ra chế độ không tải Ngược lại, khi van đóng, áp suất trong buồng điều tiết tăng chậm do lối thông nhỏ với buồng áp suất cao, khiến hai đĩa xoắn ốc được đẩy vào nhau, máy nén chuyển sang trạng thái có tải.
Sự thay đổi giữa các chu kỳ có tải và không tải cho phép kiểm soát nhanh chóng và chính xác khối lượng môi chất lạnh theo nhu cầu nhiệt độ Công nghệ máy nén xoắn ốc kỹ thuật số có khả năng điều tiết công suất từ 10 đến 100%, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể, với mức tiêu thụ năng lượng chỉ 10% trong quá trình không tải So với công nghệ biến tần, công nghệ này mang lại hiệu quả cao hơn trong việc đáp ứng các nhu cầu nhỏ về năng lượng và đạt được các giá trị nhiệt độ đặt trong không gian.
Hình 3.3 Cơ cấu điều chỉnh năng suất lạnh trong chu kỳ có tải và không tải
Trong hệ thống lạnh freon, khi tỷ số nén Pk/Po vượt quá 12, việc chuyển sang hai cấp nén là cần thiết để tối ưu hiệu suất năng lượng Tuy nhiên, nhiều máy nén cho tủ đông gia đình và thương nghiệp vẫn sử dụng một cấp do kích thước nhỏ Với sự phát triển công nghệ hiện nay, nhiều nhà sản xuất đã nghiên cứu và chế tạo máy nén hai cấp, không chỉ cho tủ lạnh và tủ đông mà còn cho máy điều hòa không khí và bơm nhiệt, nhằm tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả hoạt động.
Máy nén roto hai cấp hoạt động qua hai buồng nén, bao gồm buồng nén thứ nhất và buồng nén thứ hai, trong đó có thành phần phun hơi vào buồng nén thứ hai.
Hình 3.4 Máy nén roto hai cấp
Hình 3.5 Chu trình lạnh hai cấp sử dụng trong điều hòa không khí và bơm nhiệt 3.2.2 Yêu cầu máy nén dùng trong bơm nhiệt
So với máy nén lạnh, máy nén dùng trong bơm nhiệt có có yêu cầu cao hơn, đặc biệt là các yêu cầu sau đây:
- Nhiệt độ ngưng tụ khoảng 55 ÷ 80 o C
- Nhiệt độ cuối quá trình nén khoảng 100 ÷ 130 o C; như vậy nhiệt độ dầu phải cao tương ứng
- Hiệu suất cao với các điều kiện của bơm nhiệt
- An toàn khi tải thay đổi
- Có thể điều chỉnh công suất vô cấp mà không có tổn hao
Máy nén bơm nhiệt cần đảm bảo độ bền cao, tuổi thọ lâu dài và hoạt động êm ái, đồng thời có hiệu suất tốt trong điều kiện tải thấp hoặc đủ Để nâng cao hiệu quả bơm nhiệt, cần tính toán các thành phần như môi chất và thiết bị trao đổi nhiệt, cũng như cách lắp đặt Tuy nhiên, nếu sản lượng sản xuất quá ít, việc thay đổi công nghệ sẽ không kinh tế Do đó, máy nén cho bơm nhiệt thường được chọn từ dòng máy nén điều hòa không khí, với sự chú ý đến các yêu cầu đặc thù của bơm nhiệt nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Để nâng cao hiệu quả bơm nhiệt, việc chọn máy nén lạnh phù hợp là rất quan trọng, bên cạnh việc tính toán các thành phần khác như môi chất và thiết bị trao đổi nhiệt Tuy nhiên, nếu sản xuất ở quy mô nhỏ, việc thay đổi công nghệ không phải là giải pháp kinh tế Do đó, máy nén cho bơm nhiệt thường được chọn từ các dòng máy nén lạnh hiện có, với sự chú ý đến các yêu cầu đặc biệt nhằm đảm bảo hiệu suất Đặc tính của máy nén có thể được biểu diễn qua đồ thị, cho thấy các đường giới hạn như nhiệt độ động cơ tối đa và nhiệt độ dầu bôi trơn tối đa, cùng với hệ số cấp tối thiểu.
Để tính chọn máy nén cho bơm nhiệt, cần dựa vào các điều kiện làm việc như nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ hút, nhiệt độ trước van tiết lưu và công suất nhiệt yêu cầu Việc này cho phép so sánh các môi chất, tính toán các thông số cơ bản và xác định các thông số thiết yếu của máy nén khi đã biết hiệu suất thể tích λ.
Cần kiểm tra sự phù hợp của máy nén với điều kiện làm việc của bơm nhiệt, thường chọn máy nén dành cho máy điều hòa không khí do chế độ hoạt động tương tự Ví dụ, máy nén cho điều hòa không khí ở khu vực Trung cận Đông được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong điều kiện thử nghiệm với nhiệt độ ngoài trời khô 43°C, ướt 26°C và trong nhà khô 32°C, ướt 23°C.
Các thiết bị trao đổi nhiệt
3.3.1 Các loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng trong bơm nhiệt
Các thiết bị trao đổi nhiệt chính trong bơm nhiệt bao gồm thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ, tương tự như máy lạnh, với các dạng thiết bị đa dạng như ống chùm, ống lồng ngược dòng, ống xoắn, ống đứng và kiểu tấm Ngoài ra, máy lạnh hấp thụ còn có thiết bị sinh hơi và thiết bị hấp thụ Phương pháp tính toán cho các thiết bị này cũng tương đồng với phần tính toán của máy lạnh.
Dàn bay hơi trong bơm nhiệt có nhiệm vụ nhận nhiệt từ nguồn nhiệt thông qua quá trình bay hơi lỏng môi chất ở áp suất và nhiệt độ thấp Chúng được chia thành hai loại chính: nguồn gió và nguồn nước Nguồn gió thường sử dụng dàn bay hơi ống xoắn tĩnh hoặc có quạt, tiếp nhận nhiệt từ nhiều nguồn khác nhau như không khí trong buồng lạnh (đối với bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh), không khí ngoài trời, khí thải công nghiệp, gió thải từ các công trình dân dụng, khu thể thao và trường học.
Nguồn nước có thể được phân loại thành bốn loại chính: nước mặt (bao gồm ao, hồ, sông, suối), nước giếng khoan (còn gọi là địa nhiệt), nước trong hệ thống tuần hoàn kín, và nước từ các đường ống đặt ngầm trong lòng đất, có thể nằm ngang hoặc thẳng đứng, cùng với các sản phẩm công nghệ.
Các sản phẩm công nghệ liên quan bao gồm nước hoặc nước muối dùng cho hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí của bơm nhiệt kết hợp, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, thiết bị chưng luyện và tách chất, nồi cô đặc, cũng như nước từ bộ thu năng lượng mặt trời.
* Dàn bay hơi nguồn gió
Dàn bay hơi nguồn gió chủ yếu sử dụng các dàn ống xoắn cánh kết hợp với quạt Môi chất freon được sử dụng trong hệ thống, với ống trao đổi nhiệt thường làm từ đồng hoặc nhôm Cách tản nhiệt bằng nhôm giúp môi chất sôi trong ống nhận nhiệt từ không khí bên ngoài.
Hình 3.8 Dàn bay hơi Meluck (sử dụng cho freon R22 và R404A, năng suất lạnh từ 2.2kW đến 128.1kW)
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật dàn bay hơi Meluck (sử dụng cho freon R22 và
R404A, năng suất lạnh từ 2.2kW đến 128.1kW)
Công suất lạnh (kW) Diện tích
* Bình bay hơi ống vỏ
Bình bay hơi ống vỏ là thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng chất lỏng như nước, nước muối hoặc glycol Mô hình bình bay hơi ống vỏ kiểu chữ U, với môi chất sôi là freon, được giới thiệu trong Hình 9.3 Mặc dù bình bay hơi này gặp khó khăn trong việc vệ sinh, chỉ có thể tẩy rửa bằng hóa chất, nhưng nó có ưu điểm lớn là lượng môi chất cấp cho bình thường được điều chỉnh qua van tiết lưu cân bằng ngoài, giúp hơi môi chất ra khỏi bình được quá nhiệt sơ bộ.
Hình 3.9 Bình bay hơi ống vỏ (kiểu chữ U)
* Dàn bay hơi ống lồng ống
Dàn bay hơi dạng ống lồng ống là lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống có năng suất nhỏ dưới 40 kW lạnh Ưu điểm nổi bật của loại dàn này là dòng môi chất và chất tải lạnh chảy ngược chiều nhau, giúp tối ưu hóa hiệu suất Khi áp dụng hỗn hợp không đồng sôi, chu trình Lorenz có thể được thực hiện để nâng cao hiệu quả năng lượng.
Hình 3.10 Dàn bay hơi ống lồng ống
* Dàn bay hơi tấm bản
Dàn lạnh kiểu tấm bản được cấu tạo từ các tấm trao đổi nhiệt phẳng có dập sóng, ghép lại bằng đệm kín, với hai đầu là các tấm khung dày và chắc chắn, giữ nhờ thanh giằng và bu lông Môi chất và chất tải lạnh di chuyển ngược chiều và xen kẽ nhau, tạo ra tổng diện tích trao đổi nhiệt lớn Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra hiệu quả nhờ vách tương đối mỏng, với các lớp chất tải lạnh mỏng giúp tăng tốc độ trao đổi nhiệt Dàn lạnh tấm bản NH3 có khả năng đạt hiệu suất lên tới 4500 W/m2.K khi làm lạnh nước, trong khi hệ số truyền nhiệt của R22 đạt khoảng 3000 W/m2.K Đặc điểm nổi bật của dàn lạnh kiểu tấm bản là thời gian làm lạnh nhanh và khối lượng môi chất lạnh cần thiết nhỏ.
Nhược điểm của sản phẩm là quá trình chế tạo phức tạp, khiến chỉ những hãng nổi tiếng mới đủ khả năng sản xuất Hệ quả là khi sản phẩm gặp sự cố, việc tìm kiếm vật tư thay thế trở nên khó khăn và quá trình sửa chữa cũng gặp nhiều trở ngại.
Hình 3.11 Dàn lạnh tấm bản b Thiết bị ngưng tụ
Thiết bị ngưng tụ là một phần quan trọng trong hệ thống bơm nhiệt, hoạt động giữa hơi môi chất ngưng tụ ở áp suất và nhiệt độ cao với môi trường ích nhiệt Môi trường ích nhiệt có thể là không khí hoặc nước, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng Không khí thường được dùng để sưởi ấm, sấy khô hoặc hút ẩm, trong khi nước được sử dụng để cung cấp nước nóng cho sinh hoạt và các ứng dụng công nghệ Ngoài ra, môi trường ích nhiệt còn có thể bao gồm các sản phẩm công nghệ như hỗn hợp ở đáy tháp chưng cất và tinh luyện Tương tự như thiết bị bơm nhiệt, thiết bị ngưng tụ chủ yếu phục vụ cho hai chức năng chính là sưởi ấm không khí và đun nước nóng.
* Dàn ngưng giải nhiệt gió
Dàn ngưng giải nhiệt gió được cấu tạo từ dàn ống xoắn tương tự như dàn bay hơi, nhưng có sự khác biệt cơ bản ở cánh tản nhiệt dày hơn Bố trí ống dẫn môi chất cũng có thể khác, với đường kính ống nhỏ hơn do áp lực trong hệ thống đường ống lớn.
Hình 3.12 Dàn ngưng giải nhiệt gió
Bình ngưng ống vỏ, hay còn gọi là ống chùm, là thiết bị nhiệt năng truyền nhiệt bằng nước phổ biến nhất để đun nước nóng Trong bình ngưng, nước tuần hoàn trong ống trao đổi nhiệt và môi chất ngưng tụ bên trong ống Cấu trúc của bình ngưng ống vỏ tương tự như bình bay hơi ống vỏ, nhưng khác biệt cơ bản là bình ngưng không có đôm hơi, vì hơi cao áp được đưa từ trên xuống và lỏng được lấy từ đáy bình, ngược với dòng môi chất vào và ra trong bình bay hơi.
Hình 3.13 Bình ngưng ống vỏ
* Dàn ngưng ống lồng ống
Dàn ngưng ống lồng ống hoạt động theo chế độ trao đổi nhiệt ngược dòng, với môi chất di chuyển bên ngoài và nước di chuyển bên trong ống Loại dàn ngưng này mang lại hiệu quả cao khi sử dụng hỗn hợp môi chất không đồng sôi.
Hình 3.14 Dàn ngưng ống lồng ống 3.3.2 Tính nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt
* Công thức tính nhiệt cơ bản
Q – Tải nhiệt của TBTĐN, W (nếu là thiết bị ngưng tụ là Qk và thiết bị bay hơi là Qo) k – Hệ số truyền nhiệt, W/m 2 K
F – Diện tích trao đổi nhiệt, m 2 Δttb – Hiệu nhiệt độ trung bình logarit, K.
Hệ số truyền nhiệt k được tính theo biểu thức:
Thiết bị trao đổi nhiệt được cấu tạo chủ yếu từ ống hình trụ, do đó hệ số truyền nhiệt k được xác định theo công thức dành riêng cho ống hình trụ với chiều dài một mét.
Trong bài viết này, chúng tôi đề cập đến các thông số quan trọng liên quan đến ống dẫn, bao gồm đường kính trong (d1) và đường kính ngoài (d2) của ống, cùng với các hệ số tỏa nhiệt đối lưu α1 và α2 Hệ số tỏa nhiệt α1 áp dụng cho môi chất lạnh sôi hoặc ngưng bên trong ống, trong khi α2 áp dụng cho môi trường bên ngoài như không khí, nước, nước muối hoặc chất tải lạnh Bảng thông tin về hệ số tỏa nhiệt của một số môi chất và môi trường cũng sẽ được cung cấp để tham khảo.
Khí (và không khí) tĩnh: 3 ÷ 10 W/m 2 K
Khí (và không khí) chuyển động: 10 ÷ 100 W/m2.K
Hơi ngưng tụ: 500 ÷ 10.000 W/m 2 K λi – Hệ số dẫn nhiệt của lớp kim loại chế tạo, lớp sơn phủ bên ngoài, lớp cáu cặn và lớp dầu bên trong , W/m.K
K t t t t tb t , ln min max min max
Trong đó: Δtmax – Độ chênh nhiệt độ có giá trị lớn ở hai đầu TBTĐN, K; Δtmin – Độ chênh nhiệt độ có giá trị nhỏ ở hai đầu TBTĐN, K;
* Công thức tính nhiệt phía môi chất
Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt
Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ và tối ưu hóa hiệu suất của bơm nhiệt, phù hợp với từng phương án sử dụng cụ thể Hình 3.15 minh họa một số dạng thiết bị ngoại vi điển hình của bơm nhiệt.
Hình 3.15 Các dạng thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt 3.4.1 Thiết bị truyền động
- Các phương án cấp nguồn động lực cho máy nén như:
- Các phương án sử dụng nhiệt thu được ở dàn ngưng tụ:
+ A: Sưởi ấm sử dụng dàn ngưng trực tiếp hoặc gián tiếp với nhiệt độ 50 –
+ B: Sản xuất nước nóng từ 40 - 60 o C;
+ D: Sấy với nhiệt độ từ 30 - 70 o C;
- Các phương án cấp nhiệt cho dàn bay hơi:
+ F: Dàn bay hơi đặt ngoài trời;
+ G: Dàn bay hơi đặt dưới nước;
+ H: Bình bay hơi dùng nước;
+ I: Dàn bay hơi đặt dưới mặt đất;
+ J: Dàn bay hơi bức xạ mặt trời.
* Yêu cầu và nhiệm vụ
Thiết bị tích nhiệt thuộc về thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt Thiết bị tích nhiệt được ứng dụng trong những điều kiện kinh tế kỹ thuật sau:
- Sản xuất và tiêu thụ nhiệt không trùng nhau về mặt thời gian;
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng nước nóng tắm rửa cho công nhân sau giờ làm việc, cũng như cung cấp nước nóng công nghiệp theo từng mẻ sản xuất, cần có hệ thống có khả năng tải đỉnh trong thời gian ngắn Bên cạnh đó, việc sử dụng chất tải lạnh để làm lạnh dịch bia cũng cần được thực hiện theo quy trình mẻ, đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
- Đơn giản hóa khâu điều khiển (điều khiển on – off);
- Tận dụng giá điện rẻ khi chạy bơm nhiệt vào ban đêm;
- Phải ngừng máy vào giờ cao điểm;
- San đều được công suất theo thời gian, qua đó giảm được công suất lắp đặt.
Tích lạnh nhiệt (TES) là giải pháp hiệu quả để cân bằng tiêu thụ điện năng giữa ban ngày và ban đêm Phương pháp này sử dụng nước lạnh, nước đá hoặc dung dịch biến đổi pha để lưu trữ năng lượng Vào ban đêm, khi có dư thừa điện năng, các máy làm lạnh (chiller) hoạt động để làm lạnh nước và tích trữ trong các bình chứa Trong khi đó, vào ban ngày, các máy chiller ngừng hoạt động, và hệ thống bơm nước sẽ vận chuyển chất tải lạnh để làm mát không gian.
Hệ thống tích lạnh không chỉ giúp cân bằng tiêu thụ điện năng giữa ngày và đêm mà còn mang lại hiệu quả năng lượng cao hơn nhờ nhiệt độ ban đêm thường thấp hơn từ 9 đến 10 độ C, giúp chiller hoạt động hiệu quả hơn Khi chiller hoạt động hiệu quả, công suất yêu cầu sẽ giảm, dẫn đến vốn đầu tư ban đầu thấp hơn Hơn nữa, hệ thống này có tuổi thọ cao, độ tin cậy lớn và chi phí bảo trì, sửa chữa cũng được giảm thiểu.
* Tích nhiệt bằng chất tải nhiệt không biến đổi pha
Khi tích nhiệt bằng chất tải nhiệt không biến đổi pha, người ta thường sử dụng nhiệt dung riêng của chất lỏng hoặc chất rắn Chất tích nhiệt rắn, chủ yếu là đá, ít được áp dụng do nhiệt dung riêng thấp và khó vận chuyển Nhiệt dung riêng của đá chỉ bằng một nửa so với nước Nước là chất tích nhiệt lỏng phổ biến nhất nhờ vào tính sẵn có, giá thành thấp, không độc hại, không ăn mòn, không gây han gỉ thiết bị và có nhiệt dung riêng cao 4,186 kJ/(kg.K) hoặc 4,186 MJ/(m³.K) Đối với tích lạnh, nước muối NaCl, CaCl2 hoặc dung dịch nước với các chất hữu cơ như cồn và glycol cũng có thể được sử dụng.
Nước nóng hoặc lạnh được lưu trữ trong các bồn chứa cách nhiệt nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng trong những thời điểm cao điểm trong ngày Tuy nhiên, việc tích trữ nhiệt lâu dài gặp khó khăn do tổn thất nhiệt lớn và yêu cầu cách nhiệt cao Các bồn chứa thường có hình dạng trụ đứng hoặc nằm ngang, được cách nhiệt bằng polyurethane, với dung tích đa dạng từ 0,5 m³ đến hàng trăm mét khối Bồn đứng có ưu điểm về diện tích lắp đặt nhỏ gọn nhưng lại chịu áp lực tĩnh cao hơn.
Hình 3.16 Bồn tích trữ lạnh
Các bồn chứa có đường kính 3m, chiều cao 8m và dung tích 52m³, được cách nhiệt bằng polyurethane dày 80mm Vỏ bồn bên ngoài được làm từ tôn hoa, không chỉ bảo vệ lớp cách nhiệt mà còn đảm bảo an toàn khi lắp đặt ngoài trời Lớp tôn hoa cần kín ẩm để tránh hiện tượng đọng sương trong quá trình tích lạnh Polyurethane được phun vào khoảng trống giữa vỏ bồn và vỏ bảo vệ sau khi hoàn thành lắp đặt Tổn thất truyền nhiệt trung bình là k = 0,42 W/(m².K), với dòng nhiệt tổn thất vào môi trường khi chênh lệch nhiệt độ nước nóng trong bồn và nhiệt độ môi trường là khoảng Qtt = 1,4kW.
Theo năng suất nhiệt của bơm nhiệt, tổn thất năng lượng chiếm khoảng 0,6% với thời gian tích nhiệt dưới 12 giờ và sẽ tăng lên khi thời gian này kéo dài Tại Nhật Bản và Trung Quốc, các bể chứa hình hộp với kích thước 47,84m x 17,29m x 5,8m, dung tích 4.700m³, được xây dựng phục vụ cho các tòa nhà cao tầng Một số bể tích nhiệt có dung tích lên tới 20.000m³ Nhờ vào bể tích nhiệt lớn, hệ thống điều hòa không khí chiller hoạt động vào ban đêm, khi giá điện chỉ bằng 20% so với ban ngày, giúp giảm đáng kể hóa đơn tiền điện.
* Tích nhiệt bằng chất tải nhiệt có biến đổi pha
Khi tích nhiệt bằng chất tải nhiệt có biến đổi pha, ta có thể tận dụng nhiệt ẩn nóng chảy và nhiệt ẩn thăng hoa cao của các chất này Nhiệt ẩn nóng chảy của nước là 333,6 kJ/kg ở 0 °C, trong khi nhiệt ẩn thăng hoa của đá khô CO2 là 574 kJ/kg ở -78,9 °C Đối với nhiệt độ từ 5 đến 70 °C, dung dịch nước và muối hydrat cùng các dung dịch tinh của chúng thường được sử dụng, với nhiệt ẩn khoảng 150 đến 250 kJ/kg Ở nhiệt độ từ 5 đến 32 °C, Natriumsulphat – Decahydrat (Na2SO4.10H2O) với điểm nóng chảy 32 °C hoặc các dung dịch tinh của nó với clorua là những lựa chọn khả thi Các chất tích nhiệt biến đổi pha vẫn đang được nghiên cứu để ứng dụng trong những trường hợp cụ thể, tuy nhiên, chúng có giá thành cao hơn nước và chỉ phù hợp cho quy mô nhỏ.
- 87% hệ thống điều hòa không khí có tích lạnh của Mỹ sử dụng nước đá,10% sử dụng nước và 3% sử dụng nước muối cùng tinh.
Năng suất của hệ thống tích lạnh có biến đổi pha dao động từ 350 kWh đến 102 MWh, với mức trung bình khoảng 10 đến 15 MWh.
- Năng suất hệ thống tích lạnh không biến đổi pha là 2,3 ÷ 24 MWh, trung bình 8 MWh.
3.4.3 Thiết bị điều khiển và bảo vệ
Các thiết bị điều khiển tự động giám sát hoạt động của bơm nhiệt và các thiết bị hỗ trợ liên quan Chúng đảm bảo rằng các thiết bị phụ trợ hoạt động đồng bộ với bơm nhiệt Ví dụ, khi bơm nhiệt sử dụng dàn bay hơi nhận năng lượng bức xạ mặt trời, nếu nhiệt độ dàn bay hơi vượt quá hoặc đạt yêu cầu nhiệt độ ngưng tụ, thiết bị sẽ tự động ngừng hoạt động của bơm nhiệt và chuyển năng lượng từ bộ thu trực tiếp đến nơi tiêu thụ.
* Nhiệm vụ và chức năng.
Chức năng chính của hệ thống bơm nhiệt là duy trì các thông số đầu ra ổn định trong một khoảng nhất định, bất chấp sự biến đổi của điều kiện môi trường xung quanh và sự thay đổi của phụ tải.
Hệ thống bơm nhiệt có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện phụ tải và môi trường luôn thay đổi.
Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ nhận diện các tín hiệu biến đổi từ môi trường và tải, nhằm điều chỉnh thiết bị để duy trì ổn định các thông số đầu ra, bất chấp sự ảnh hưởng của điều kiện khí hậu bên ngoài và tải bên trong Các thông số cơ bản cần được duy trì bao gồm:
Trong các thông số trên nhiệt độ là thông số quan trọng nhất.
Hệ thống điều khiển không chỉ đảm bảo các thông số đầu ra mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ an toàn cho hệ thống Nó giúp ngăn ngừa các sự cố tiềm ẩn, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và kinh tế, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành.
* Sơ đồ và các thiết bị chính của hệ thống điều khiển.
Sơ đồ điều khiển tự động.