Nghiên cứu sử dụng phối hợp năng lượng mặt trời trong các hệ thống cấp nước nóng bằng bơm nhiệt

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐOÀN MINH HÙNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỐI HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG CÁC HỆ THỐNG CẤP NƯỚC NÓNG BẰNG BƠM NHIỆT Chuyên ngành : CƠNG NGHỆ NHIỆT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đoàn Minh Hùng Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 09/05/1982 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt MSHV: 00606111 1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu sử dụng phối hợp lượng mặt trời hệ thống cấp nước nóng bơm nhiệt 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Tìm hiểu cơng trình nghiên cứu việc sử dụng phối hợp lượng mặt trời hệ thống cấp nước nóng bơm nhiệt nước - Nghiên cứu sở lý thuyết - Chế tạo mơ hình thử nghiệm (Bơm nhiệt + Solar air collector) - Tiến hành thử nghiệm, xử lý số liệu nhận xét - Tính hiệu kinh tế - Viết phần mềm tính tốn Bơm nhiệt - Nhận xét, kết luận 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/02/2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/07/2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): PGS.TS Lê Chí Hiệp Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS.TS Lê Chí Hiệp CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) PGS.TS Lê Chí Hiệp KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn tốt nghiệp em học hỏi nhiều kinh nghiệm quí báo lĩnh vực nghiên cứu khoa học kỹ thuật Qua đó, em cảm thấy trưởng thành sống công việc Em xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ mơn Cơng nghệ Nhiệt trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM Trường Đại học SPKT Tp.HCM tận tình giúp đỡ đóng góp ý kiến giúp em hoàn thành luận văn Đặc biệt em xin chân thành biết ơn Thầy PGS.TS Lê Chí Hiệp tận tình hướng dẫn trực tiếp em suốt thời gian thực luận văn Một lần em xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày 80 trang với mục đích nghiên cứu sử dụng kết hợp bơm nhiệt với Solar air collector hệ thống cấp nước nóng bơm nhiệt Chương 1: Tổng quan - Trình bày kết cơng trình nghiên cứu ngồi nước việc sử dụng phối hợp bơm nhiệt với lượng mặt trời Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Nghiên cứu sơ lý thuyết bơm nhiệt, xây dựng toán cụ thể làm sáng tỏ vấn đề lý thuyết - Nghiên cứu sở lý thuyết Solar air collector - Viết phần mềm tính tốn Bơm nhiệt Chương 3: Chế tạo mơ hình thực nghiệm - Chế tạo bơm nhiệt với cơng suất PH với dung tích 100 lít nước - Chế tạo Solar air collector với diện tích hấp thụ 1,2 m2 Chương 4: Thử nghiệm - Đưa qui trình thử nghiệm - Kết 16 lần thử nghiệm - Xử lý số liệu thử nghiệm Chương 5: Hiệu kinh tế - Đánh giá hiệu kinh tế cho khách sạn với nhu cầu sử dụng lượng nước nóng 50oC 2m3/h Phân tích giá trị đầu tư số tiền điện tiết kiệm từ xác định thời gian hoàn vốn Chương 6: Kết luận - Từ kết nghiên cứu thử nghiệm tác giả đưa vài nhận xét sử dụng phối hợp bơm nhiệt với Solar air collector MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan 1.1.Tổng quan bơm nhiệt 1.1.1 Bơm nhiệt 1.1.2 Khả ứng dụng bơm nhiệt 1.1.3 Khả nâng cao hiệu bơm nhiệt 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 2.1 Trong nước: 2.2 Ngoài nước: Chương 2: Cơ sở lý thuyết 14 2.1 Cơ sở lý thuyết bơm nhiệt cung cấp nước nóng 14 2.1.1 Sơ đồ nguyên lí đồ thị nguyên lí làm việc 14 2.1.2 Tính toán bơm nhiệt 15 2.1.3 Xây dựng toán 16 2.2 Solar air collector 35 2.2.1 Mô tả kết cấu thu 35 22 Tính tốn Solar air collector có kênh dẫn nằm kính đậy hấp thụ 37 2.3 Chương trình tính tốn 40 2.3.1 Sơ đồ khối 41 2.3.2 Giao diện chương trình 42 Chương 3: Chế tạo mơ hình thực nghiệm 43 3.1 Chế tạo bơm nhiệt 43 3.1.1 Tính toán chế tạo 43 3.1.1.1 Thông số đầu vào 43 3.1.1.2 Tính tốn chu trình 43 3.1.2 Chế tạo mơ hình 45 3.2 Chế tạo Solar air collector 47 Chương 4: Thử nghiệm 49 4.1 Qui trình thử nghiệm 49 4.1.1 Thiết bị đo 49 4.1.2 Bố trí thiết bị đo 51 4.1.3 Qui trình 51 4.2 Thử nghiệm 54 4.3 Xử lý số liệu 70 4.4 Kết nhận xét 73 Chương 5: Đánh giá hiệu kinh tế 77 5.1 Giải pháp 78 5.2 Chi phí đầu tư 79 5.3 Thời gian hoàn vốn 70 Chương 6: Kết luận 83 Phụ lục: Luận văn tốt nghiệp Chương 1: TỔNG QUAN Tổng quan bơm nhiệt 1.1 Bơm nhiệt Trước hết nhìn lại ngun lí làm việc bơm nhiệt sau: Hình 1-1: Sơ đồ ngun lí Hơi bão hòa ẩm sau van tiết lưu đến thiết bị bay hơi, môi chất nhận nhiệt từ mơi trường xung quanh thực q trình bay đẳng áp đẳng nhiệt trở thành bão hòa khơ hồn tồn, đầu hút máy nén Máy nén tiêu thụ ngoại cơng để thực q trình nén đoạn nhiệt đẳng entrôpi trở thành nhiệt cao áp vào thiết bị ngưng tụ, thực trình ngưng tụ đẳng áp, nhả nhiệt cho nước khơng khí cần đun nóng trở thành lỏng hồn toàn đến van tiết lưu thực trình tiết lưu đoạn nhiệt đẳng entanpy trở thành bão hoàn ẩm vào thiết bị bay Chu trình tiếp diễn Theo ngun lí làm việc ta thấy bơm nhiệt thiết bị mang nhiệt lượng từ nguồn có nhiệt độ mơi trường đến nguồn có nhiệt độ cao nhiệt độ mơi trường Nhiệt lượng để sử dụng lấy chủ yếu từ môi trường xung quanh từ nguồn địa nhiệt, từ nước khơng khí…và phần từ cơng cấp cho máy nén Nhiệt lượng sử dụng cho nhiều mục đích khác GVHD: PGS.TS Lê Chí Hiệp HVTH: KS.Đồn Minh Hùng Luận văn tốt nghiệp Hình 1-2: Ngun lí làm việc bơm nhiệt 1.2 Khả ứng dụng bơm nhiệt Ngày giới người ta ứng dụng bơm nhiệt rộng rãi đời sống hàng ngày, thương mại công nghiệp * Trong đời sống hàng ngày: - Sưởi ấm - Cung cấp nước nóng sinh hoạt - Cung cấp nước nóng cho hồ bơi * Trong thương mại cơng nghiệp: - Sưởi ấm - Cung cấp nước nóng cho qui trình cơng nghệ - Cung cấp nước nóng cho hồ bơi - Sấy hút ẩm - Sự bay làm sôi - Khử muối GVHD: PGS.TS Lê Chí Hiệp HVTH: KS.Đồn Minh Hùng Luận văn tốt nghiệp Hình 1-3: Sử dụng bơm nhiệt để sưởi ấm vào mùa đơng Hình 1-4: Bơm nhiệt cung cấp nước nóng cho hồ bơi GVHD: PGS.TS Lê Chí Hiệp HVTH: KS.Đoàn Minh Hùng Luận văn tốt nghiệp Từ qui định giá bán điện theo thời gian Công ty Điện lực TP.HCM áp dụng từ 01/03/2010 ta tính ngày có nắng từ 00 đến 17 00 sau: * Giờ bình thường: Gồm ngày từ thứ Hai đến thứ Bảy - Từ 00 đến 30 (02 30 phút) - Từ 11 30 đến 17 00 (05 30 phút) Ngày Chủ nhật từ 07 00 đến 17 00 (10 giờ) * Giờ cao điểm: Gồm ngày từ thứ Hai đến thứ Bảy - Từ 30 đến 11 30 (02 giờ) Ngày Chủ nhật khơng có cao điểm (0 giờ) Như tuần có 58 bình thường, 12 cao điểm thấp điểm (chỉ tính từ đến 17 giờ) Mà năm có 52 tuần nghĩa năm có 3016 bình thường 624 cao điểm Số tiền điện tiết kiệm năm cho 3016 bình thường là: 3016 x 1,255 kWh x 1766 đồng/1kWh = 6.684.451 đồng Số tiền điện tiết kiệm năm cho 624 cao điểm là: 624 x 1,255 kWh x 3028 đồng/1kWh = 2.371.287 đồng Vậy tổng số tiền tiết kiệm năm 6.684.451 + 2.371.287 = 9.055.738 đồng Số tiền tiết kiệm năm bao gồm thuế giá trị gia tăng 10% 9.961.312đồng Gọi R tổng số tiền tiết kiệm năm qui R = 9.961.312 (P/A,i,n) Trong đó: i : lãi suất ngân hàng lấy 10%/ năm GVHD: PGS.TS Lê Chí Hiệp HVTH: KS.Đoàn Minh Hùng 81 Luận văn tốt nghiệp n: thời gian thu hồi vốn P/A : nghĩa phương án đầu tư qui Gọi C tổng số tiền đầu tư ban đầu: C = 70.000.000 VNĐ Để tính thời gian thu hồi vốn ta cho C = R nghĩa 70.000.000 = 9.961.312 (P/A, i, n) ⇒ (P/A, i, n) = (70.000.000) / (9.961.312) = 7,0272 Tra bảng thừa số lãi suất kép (i = 10%) nội suy ta n = 12,7 năm Vậy thời gian hoàn vốn 12,7 năm GVHD: PGS.TS Lê Chí Hiệp HVTH: KS.Đồn Minh Hùng 82 Luận văn tốt nghiệp Chương 6: Kết luận Qua trình nghiên cứu lý thuyết kết thực nghiệm việc sử dụng phối hợp lượng mặt trời hệ thống cấp nước nóng bơm nhiệt, tác giả nhận thấy số vấn đề sau: - Kết thực nghiệm phù hợp với suy luận tính tốn lý thuyết tăng nhiệt độ bay lên hiệu sử dụng lượng COP tăng lên (hình 4-3, 4-5, 4-6) Trong đề tài tác giả sử dụng Solar air collector để nung nóng lượng khơng khí định cho thổi vào thiết bị bay bơm nhiệt Điều làm tăng độ nhiệt môi chất sau thiết bị bay hơi, làm cho cửa van tiết lưu nhiệt mở rộng cho phép lưu lượng khối lượng môi chất vào thiết bị bay nhiều để giảm độ nhiệt Khi lưu lượng khối lượng môi chất qua nhiều làm tăng áp suất bay lên nghĩa nhiệt độ bay tăng lên (hình 4-5 hình 4-6) - Khi sử dụng bơm nhiệt để cung cấp lượng nước nóng có nhiệt độ nhiệt độ môi trường nhau, ta có sử dụng kết hợp Solar air collector với bơm nhiệt thời gian đun nước nhanh hơn, điện tiêu thụ Tuy nhiên giá trị phụ thuộc vào cường độ xạ mặt trời - Solar air collector hồn tồn chế tạo nước giá thành không cao, tuổi thọ lớn Do đó, ta dễ dàng thu hồi vốn thời gian ngắn - Nhu cầu sử dụng lượng nước nóng nhiều hiệu kinh tế cao (hình 26) thơng qua việc tiết kiệm điện tiêu thụ Rất phù hợp cho nơi khách sạn hay qui trình cơng nghệ địi hỏi lưu lượng nước nóng lớn GVHD: PGS.TS Lê Chí Hiệp HVTH: KS.Đoàn Minh Hùng 83 Phụ lục Code chương trình tính bơm nhiệt Private Sub Chay_Click() For i = To nbh For j = To mbh Abh(i, j) = Next j Next i For i = To nqn For j = To mqn Aqn(i, j) = Next j Next i BangBH = "C:\Tables\R22bh.txt" Open BangBH For Input As #1 Do bh = bh + Input #1, DocBangBH(bh) Loop Until EOF(1) Close #1 BangQN = "C:\Tables\R22qn.txt" Open BangQN For Input As #2 Do QN = QN + Input #2, DocBangQN(QN) Loop Until EOF(2) Close #2 DocbangBH DocbangQN To = Val(Text26.Text) Tk = Val(Text27.Text) Tqn = Val(Text28.Text) T(6) = To T(7) = Tk T(8) = To ThongsoBH To, p(7), v(8), v(7), h(8), h(7), s(8), s(7) p(8) = p(7) p(6) = p(7) p(1) = p(7) T(3) = Tk T(4) = Tk ThongsoBH Tk, p(3), v(4), v(3), h(4), h(3), s(4), s(3) p(2) = p(3) p(4) = p(3) p(5) = p(3) T(1) = Tqn + To 84 DocbangQN h(6) = h(4) '- (h(1) - h(7)) Tl = (h(6) - h(8)) / (h(7) - h(8)) v(6) = v(8) + Tl * (v(7) - v(8)) s(6) = s(8) + Tl * (s(7) - s(8)) 'Trang thai Text1.Text = T(1) Text2.Text = p(1) Text3.Text = v(1) Text4.Text = h(1) Text5.Text = s(1) 'Trang thai Text6.Text = T(2) Text7.Text = p(2) Text8.Text = v(2) Text9.Text = h(2) Text10.Text = s(2) 'Trang thai Text11.Text = T(4) Text12.Text = p(4) Text13.Text = v(4) Text14.Text = h(4) Text15.Text = s(4) 'Trang thai Text16.Text = T(6) Text17.Text = p(6) Text18.Text = v(6) Text19.Text = h(6) Text20.Text = s(6) 'Trang thai Text21.Text = T(7) Text22.Text = p(7) Text23.Text = v(7) Text24.Text = h(7) Text25.Text = s(7) ' Nhiet luong nhan duoc o thiet bi bay hoi Text29.Text = Val(Text24.Text) - Val(Text19.Text) ' Nhiet luong nha o thiet bi ngung tu Text30.Text = Val(Text9.Text) - Val(Text14.Text) 'Cong cap cho may nen Text31.Text = Val(Text9.Text) - Val(Text4.Text) 'Hieu qua su dung nang luong Text32.Text = Val(Text30.Text) / Val(Text31.Text) Sub DocbangQN() i=1 For n = To QN A = DocBangQN(n) B = C(A) 85 D=1 Do If B > Then E = Mid(A, D, 1) End If D=D+1 Loop Until (E " ") Or (D > B) If D B) If P = Then j=1 For D = To B E = Mid(A, D, 1) If E " " Then F=F+E End If If (E = " ") And (F "") Then Aqn(i, j) = Val(F) F = "" j=j+1 End If If (D = B) And (F "") Then Aqn(i, j) = Val(F) F = "" j=j+1 End If Next D inqn = i i=i+1 End If End If Next n End Sub Sub BH() S=1 Do S=S+1 Loop Until (Tm - Abh(S - 1, 1)) * (Tm - Abh(S, 1))