Tính toán thiết kế hệ thống nước nóng sử dụng bơm nhiệt

ĐỒ ÁN NHIỆT MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG DANH MỤC KÝ HIỆU TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 1.1 Khái quát nhu cầu lượng tiêu thụ cho trình sản xuất nước nóng nước giới 1.2.Tổng quan nhu cầu lượng tiệu thụ cho q trình sản xuất nước nóng Việt Nam 11 1.3.Định hướng phát triển lượng Việt Nam 13 1.4 Các phương pháp sử dụng để sản xuất nước nóng 14 1.4.1 Gia nhiệt nước nóng điện 14 1.4.2 Gia nhiệt nước nóng nhiên liệu hóa thạch 15 1.4.3 Gia nhiệt nước nóng lượng mặt trời 16 1.4.4 Gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt 18 1.4.5 Một số phương pháp gia nhiệt nước công nghiệp: 19 CHƯƠNG 20 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT 20 2.1 Lịch sử phát triển bơm nhiệt: 20 2.2 Khái niệm bơm nhiệt: 20 2.3 Cấu tạo bơm nhiệt: 21 2.4 Phân loại bơm nhiệt 22 2.4.1 Phân loại theo ứng dụng 22 2.4.2 Phân loại theo nguồn cho nhiệt 23 2.5 Nơi lấy lượng cung cấp cho bơm nhiệt 25 2.6 Những phương pháp đo lường hiệu suất bơm nhiệt: 26 2.6.1 Đo phương pháp COP 26 2.6.2 Đo phương pháp EER 26 2.6.3 Đo phương pháp SEER 26 2.6.4 Đo phương pháp HSPF 26 2.6.5 Đo phương pháp Kw/ Tấn 27 2.7 Nguyên lý hoạt động bơm nhiệt 27 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT 2.8 Các thành phần bơm nhiệt: 27 2.8.1 Môi chất lạnh: 27 2.8.2 Máy nén lạnh 29 2.8.2.1 Máy nén piston 29 2.8.2.2 Máy nén trục quay 29 2.8.2.3 Máy nén trục vít 30 2.8.2.4 Máy nén xoắn ốc 31 2.8.2.5 Máy nén ly tâm 32 2.9 Ứng dụng bơm nhiệt: 32 2.10 Một số bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng gia đình: 33 2.11 Khả ứng dụng bơm nhiệt công nghệ chế biến thực phẩm 36 2.11.1 Sản xuất nước nóng phục vụ cho sản xuất 33 2.11.2 Trong công nghệ sản xuất bia, đường, sữa, nước giải khát có ga, cô đặc, chưng cất, sấy… 33 2.11.2.1 Công nghệ sản xuất bia 33 2.11.2.2 Sản xuất đường 33 2.11.2.3 Công nghệ chế biến sữa 34 2.11.2.4 Cơng nghệ sản xuất nước khống có gas (CO2) 34 2.11.2.5 Cơng nghệ sản xuất rượu, cồn, dầu ăn 34 2.11.2.6 Trong chưng cất 35 2.11.2.7 Trong kỹ thuật sấy (sấy lạnh) 36 2.11.2.8 Trong thiết bị ổn nhiệt (tủ ổn nhiệt) 36 CHƯƠNG 37 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT VÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA BƠM NHIỆT 37 3.1 Phương trình cân nhiệt bơm nhiệt 37 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay đến thông số đặc trưng bơm nhiệt 37 3.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ tk 37 3.2.2 Ảnh hưởng to 38 CHƯƠNG 40 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG BƠM NHIỆT GIA NHIỆT NƯỚC NÓNG 40 4.1 Đặt toán 40 4.2 Tính tốn nhiệt 40 4.3 Tính tốn chu trình chọn máy 40 4.4 Tính tốn nhiệt máy nén 41 4.5 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt 42 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT 4.5.1 Tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay 42 4.5.2 Tính diện tích trao đổi nhiệt dàn ngưng tụ 43 4.6 Hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt 44 4.6.1 Dàn ngưng tụ: 44 4.6.2 Dàn bay hơi: 45 4.6.3 Máy nén lạnh: 45 4.6.4 Van tiết lưu: 45 4.6.5 Thông số hoạt động hệ thống bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng: 45 4.7 Tính nhiệt độ nước: 46 4.8 Tính hiệu suất nhiệt 47 CHƯƠNG 48 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ 48 5.1 Hiệu kinh tế hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt nước nóng điện 48 5.2 Hiệu mặt xã hội, môi trường hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt nước nóng điện trở 49 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG Hình 1.1a: Năng lượng tiêu thụ cho q trình sản xuất nước nóng khu vực châu âu [TL2] Hình 1.1b Nhu cầu sử dụng nước nóng cho mục đích khác khu dân cư, khác sạn mỹ 10 Hình 1.1c Năng lượng tiêu thụ hàng năm hộ gia đình số nước (GJ/hộ gia đình/năm) 10 Hình 1.1d Năng lượng tiêu thụ số nghành lĩnh vực công nghiệp số nước giới [TL2] 11 Hình 1.1e Tiềm sử dụng nước nóng q trình làm nóng số ngành cơng nghiệp nước châu âu (Đức) [TL2] 12 Hình 1.2a Dự báo lượng tiêu thụ cho thành phần tới năm 2030 Việt Nam [TL3] 13 Hình 1.2b Năng lượng tiêu thụ cho hệ thống tòa nhà khách sạn Việt Nam [TL3] 14 Hình 1.2c Năng lượng tiêu thụ hộ gia đình năm Việt Nam [TL4] 14 Hình 1.4.1 Cấu tạo hệ thống sản xuất nước nóng điện theo kiểu truyền thống 16 Hình 1.4.2 Cấu tạo hệ thống sản xuất nước nóng nhiên liệu hóa thạch (dầu) 17 Bảng 1.4.2: Nhiệt trị số chất đốt 17 Hình 1.4.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống sản xuất nước nóng lượng mặt trời 18 Bảng 1.4.3: Số nắng trung bình tháng địa phương 19 Hình 1.4.4 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống sản xuất nước nóng bơm nhiệt 20 Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động bơm nhiệt 21 Hình 2.3a cấu tạo bơm nhiệt 22 Hình 2.3b cấu tạo máy lạnh 23 Hình 2.4 Cách thức phân loại bơm nhiệt theo nguồn nhận nhiệt cho nhiệt [TL8] 23 Hình 2.4.1 Phần trăm ứng dụng bơm nhiệt sản xuất nước nóng làm nóng [TL9] 23 Hình 2.4.2a Phần trăm nguồn cung cấp nhiệt cho bơm nhiệt [TL9] 24 Hình 2.4.2b Tháp giải nhiệt cho hệ thống HVAC cỡ trung 24 Hình 2.4.2c Lắp đặt đường ống dọc máy bơm nhiệt địa nhiệt 25 Hình 2.4.2d Lắp đặt bơm nhiệt nước cách đặt chìm đường ống cuộn 26 Hình 2.4.2e Chu trình kép máy làm lạnh hấp thụ 26 Hình 2.5 khái quát nơi lấy lượng 26 Hình 2.7 Chu trình làm việc bơm nhiệt đồ thị 28 Hình 2.8.2.1a Máy nén piston 30 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Hình 2.8.2.1b Chu trình máy nén piston 30 Hình 2.8.2.2a Máy nén trục quay 31 Hình 2.8.2.2b Bánh máy nén trục quay 31 Hình 2.8.2.3 Các trục vít ăn khớp 32 Hình 2.8.2.4a Máy nén xoắn ốc 32 Hình 2.8.2.4b Đĩa xoắn ốc 32 Hình 2.8.2.5a Máy nén ly tâm 33 Hình 2.8.2.5b Cánh xốy ly tâm 33 Hình 2.11.1 Ứng dụng bơm nhiệt sản xuất nước nóng 34 Hình 2.11.2.5a ứng dụng bơm nhiệt sản cô đặc áp sấu chân khơng 35 Hình 2.11.2.5b ứng dụng bơm nhiệt đặc 36 Hình 2.11.2.6 ứng dụng bơm nhiệt chưng cất 36 Hình 2.11.2.8 Ứng dụng bơm nhiệt thiết bị ổn nhiệt 37 Bảng 3.2.1a Hệ số nhiệt ϕ môi chất theo nhiệt độ ngưng tụ 38 Bảng 3.2.1b Công nén l môi chất theo nhiệt độ ngưng tụ 39 Bảng 3.2.2a Hệ số bơm nhiệt ϕ môi chất theo nhiệt độ bay 39 Bảng 3.2.2b Hệ số công nén l môi chất theo nhiệt độ bay 39 Bảng 3.2.2c Các thông số đặc trưng theo loại mơi chất lạnh 40 Hình 3.2.2 Biểu đồ thơng số hệ số nhiệt, nhiệt ngưng tụ riêng loại mơi chất 40 Hình 4.3 Biểu diễn chu trình làm việc đồ thị 41 Bảng 4.3 Các thông số chu trình 42 Bảng 4.6.5 Các thơng số hoạt động hệ thống gía nhiệt nước nóng bơm nhiệt 47 Hình 4.6.5 Sự tăng nhiệt độ nước áp suất môi chất theo thời gian hệ thống bơm nhiệt gia nhiệt nước 47 Bảng 5.1 So sánh lợi ích kinh tế hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt điện trở 50 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT DANH MỤC KÝ HIỆU KÍ HIỆU CHÚ GIẢI 𝜃 Hệ số làm nóng 𝜑 Hệ số bơm nhiệt ∆𝑡𝑡𝑏 Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit ∆𝑡 Độ chênh nhiệt độ, oC 𝐶𝑝 Nhiệt dung riêng nước, 𝐶𝑝 =4,18 kJ/kgK F Diện tích trao đổi nhiệt, 𝑚2 G Lưu lượng khối lượng mơi chất lạnh chu trình,kg/s i Enthalpy, KJ/kg k Hệ số truyền nhiệt thiết bị bay k = 17,5 l Công tiêu tốn riêng máy nén cho kg môi chất, KJ/kg L Công tiêu thụ cho máy nén m Khối lượng, Kg q Năng suất nhiệt riêng kg môi chất, KJ/kg Q Nhiệt lượng, W t Nhiệt độ, oC 𝜏 Thời gian, s 𝜀 Hệ số lạnh 𝑞𝑛 Qúa nhiệt, oC 𝑞𝑙 Qúa lạnh, oC TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Trong sống ngày nay, yếu tố quan trọng định đến sự sống trái đất lượng Hằng ngày, sử dụng lượng cho việc phát triển kinh tế, kỹ thuật Trong đó, nhiên liệu than đá, dầu mỏ, dần kiệt quệ Đây điều đáng báo động cho tình trạng nay, dẫn đến việc thiếu nhiên liệu, gây khủng hoảng kinh tế trật tự xã hội quan trọng sử dụng nhiều dẫn đến gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, ảnh hưởng đến sức khoẻ người động vật Vì vậy, việc phát triển nghiên cứu nguồn lượng tái tạo vô cấp thiết, mang đến sự giảm tải cho nguồn lượng truyền thống Trong nhu cầu tiêu thụ lượng, nhu cầu tiêu thụ lượng cho q trình sản xuất nước nóng nhu cầu tất yếu, giống nước giới nhu cầu sử dụng nước nóng chủ yếu tập trung vào thành phần khu dân cư số ngành lĩnh vực cơng nghiệp Tuy nhiên nước ta nước có khí hậu nhiệt đới, nên nhu cầu sử dụng nước nóng khu dân cư, khách sạn hay hộ gia đình chủ yếu sử dụng cho trình sinh hoạt tắm rửa, giặc tẩy… Do đó, hệ thống nước nóng sử dụng bơm nhiệt đời nhầm tạo bước ngoặc cho việc phát triển cơng nghệ sản xuất nước nóng Bơm nhiệt gia nhiệt cho nước nóng triển khai rộng rãi tiết kiệm điện, góp phần bảo vệ mơi trường TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 1.1 Khái quát nhu cầu lượng tiêu thụ cho trình sản xuất nước nóng nước giới _ Ngày nay, mà mức độ tiêu thụ lượng tất thành phần xã hội có xu hướng ngày tăng lên mức độ gia tăng dân số, để phục vụ cho nhu cầu người sự phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu sử dụng nước nóng lượng tiêu thụ cho q trình sản xuất nước nóng chiếm tỉ trọng lớn Nhưng hầu như, thành phần có nhu cầu sử dụng nước nóng chủ yếu tập trung vào khu dân cư, dịch vụ thương mại số ngành lĩnh vực cơng nghiệp hình 1.1a bên (khu vực châu âu) Và mức độ tiêu thụ lượng để sản xuất nước nóng thành phần khác quốc gia khu vực khác nhau, vị trí địa lý nên điều kiện khí hậu yếu tố định đến lượng tiêu thụ cho trình sản xuất nước nóng thành phần khu dân cư thương mại dịch vụ… Hình 1.1a: Năng lượng tiêu thụ cho q trình sản xuất nước nóng khu vực châu âu [TL2] _ Nhìn chung thấy rằng, lượng tiêu thụ thành phần khu dân cư, hộ gia đình hay dịch vụ thương mại nước có khí hậu giá lạnh giới, chủ yếu tập trung cho việc sản xuất nước nóng sưởi ấm (tuy nhiên điều tùy thuộc vào quốc gia khu vực cụ thể) Trong nước nóng ngồi việc dùng để sưởi ấm sử dụng cho nhu cầu chủ yếu tắm rửa, giặc tẩy, rửa chén dĩa… TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Hình 1.1b Nhu cầu sử dụng nước nóng cho mục đích khác khu dân cư, khác sạn mỹ _ Để có nhìn tổng quan khách quan ta thấy lượng tiêu thụ hàng năm hộ gia đình số nước giới cho trình sản xuất nước nóng lớn thể hình 1.1c bên Hình 1.1c Năng lượng tiêu thụ hàng năm hộ gia đình số nước (GJ/hộ gia đình/năm) _ Qua số liệu ta thấy nhu cầu sử dụng nước nóng lượng tiêu thụ cho trình sản xuất nước nóng thành phần khu dân cư dịch vụ thương mại lớn Và điều dể hiểu, nói phần điều kiện khí hậu quốc gia khác nhau, nên nước có điều kiện TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT thời tiết giá lạnh có nhu cầu sử dụng nước nóng cho mục đích sinh hoạt hay sưởi ấm lớn so với nước có khí hậu nóng ẩm _ Thành phần đứng thứ hai có nhu cầu sử dụng nước nóng có nhiệt độ khơng cao lớn, số ngành lĩnh vực cơng nghiệp hóa chất, nhuộm, giặc tẩy, cấp nhiệt cán giấy, nấu nướng cho mục đích làm sạch…Có thể nói với lượng tiêu thụ trung bình lĩnh vực cơng nghiệp nước châu khoảng 27,5%, điều cho thấy lượng lượng tiêu thụ cho q trình sàn xuất nước nóng lĩnh vực cơng nghiệp nói lớn Nhưng để thấy rõ lượng tiêu thụ ngành nêu lĩnh vực cơng nghiệp ta xem lượng tiêu thụ cho ngành số nước giới hình 1.1d 1.1e bên Hình 1.1d Năng lượng tiêu thụ số nghành lĩnh vực công nghiệp số nước giới [TL2] 10 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT _ Theo quy hoạch, tổng cơng suất nguồn điện gió khoảng 1.000MW vào năm 2020 khoảng 6.200MW vào năm 2030; điện từ gió chiếm tỷ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030 Quy hoạch ưu tiên phát triển nguồn thủy điện, đưa tổng công suất nguồn thủy điện từ 9.200MW lên 17.400MW vào năm 2020 Ngoài ra, đưa tổ máy điện hạt nhân Việt Nam vào vận hành năm 2020 đến năm 2030, dự kiến, nguồn điện hạt nhân đạt đến công suất 10.700MW, sản xuất khoảng 70,5 tỷ kWh (chiếm 10,1% sản lượng điện sản xuất) Mục tiêu phát triển cụ thể giai đoạn tới: _ Sản lượng điện sản xuất nhập khẩu năm 2015 khoảng 194210 tỷ kWh; năm 2020 khoảng 330-362 tỷ kWh _ Ưu tiên phát triển nguồn lượng tái tạo sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện từ nguồn lượng lên 4,5% năm 2020 6,0% năm 2030 tổng điện sản xuất _ Giảm hệ số đàn hồi điện/GDP từ bình quân 2,0 xuống 1,5 vào năm 2015 1,0 vào năm 2020 _ Đẩy nhanh chương trình điện khí hóa nơng thơn, miền núi, hải đảo đảm bảo đến năm 2020 hầu hết số hộ dân nơng thơn có điện 1.4 Các phương pháp sử dụng để sản xuất nước nóng 1.4.1 Gia nhiệt nước nóng điện _ Chúng ta biết điện loại lượng có chất lượng cao dể dàng chuyển đổi thành nhiệt năng, ưu điểm phương pháp dễ điều chỉnh nhiệt độ theo mong muốn, đáp ứng nhanh liên tục cho yêu cầu cụ thể, dễ sử dụng hệ thống thiết bị đơn giản Nhưng nói xét theo quan điểm hiệu sử dụng lượng phương pháp gia nhiệt nước nóng điện theo kiểu truyền thống gây lãng phí lượng nhất, rõ ràng ta dùng loại lượng có chất lượng cao để sản xuất loại lượng có chất lượng thấp nhiệt Và góp phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính đáng kể so với phương pháp cịn lại Vì điện sản xuất chủ yếu từ q trình chuyển đổi loại nhiên liệu hóa thạch, mà q trình chuyền đổi gây nhiều tổn thất lớn để tạo điện năng, q trình chuyển đổi mà nhiều loại khí độc hại phát thải vào mơi trường CO2, NOx…và CO2 ngun nhân làm gia tăng hiệu ứng nhà kính vậy nhược điểm hệ thống 14 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Hình 1.4.1 Cấu tạo hệ thống sản xuất nước nóng điện theo kiểu truyền thống _ Mặc dù phương pháp gia nhiệt nước nóng điện theo kiểu truyền thống gây nhiều lãng phí lượng làm gia tăng hiệu ứng nhà kính, khơng thể loại bỏ hồn tồn lập tức Vì số lý giá điện cịn thấp, hay nhu cầu sử dụng nước nóng thấp…thì việc đầu tư cho máy sản xuất nước nóng điện theo kiểu truyền thống hợp lý 1.4.2 Gia nhiệt nước nóng nhiên liệu hóa thạch _ Khác với gia nhiệt nước nóng điện năng, phương pháp gia nhiệt nước nóng nhiên liệu hóa thạch thực nhiệt lượng sinh q trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, khí đốt, than, củi…) để gia nhiệt cho nước Hiện giới, đặc biệc số nước phát triển phương pháp sử dụng phổ biến lĩnh vực công nghiệp khu dân cư, khách sạn, số ưu điểm hệ thống đáp ứng nhanh liên tục cho yêu cầu cụ thể, hiệu sử dụng lượng cao khả gây hiệu ứng nhà kính thấp so với phương pháp gia nhiệt nước nóng điện Tuy nhiên nhược điểm phương pháp tổn thất nhiệt trình 15 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT cháy nhiệt khói mang ngồi, hệ thống phức tạp phải lắp đặt thêm hệ thống chứa nhiên liệu, trình bảo trì bảo dưỡng khó khăn chi phí đầu tư ban đầu cao so với phương pháp gia nhiệt điện [TL5] Hình 1.4.2 Cấu tạo hệ thống sản xuất nước nóng nhiên liệu hóa thạch (dầu) Chất đốt Nhiệt trị (J/kg) Chất đốt Nhiệt trị (J/kg) Củi khô 10.106 Gas 44.106 Than bùn 14.106 Dầu hỏa 44.106 Than đá 27.106 Xăng 46.106 Than củi 34.106 Hiđrô 120.106 Bảng 1.4.2: Nhiệt trị số chất đốt 1.4.3 Gia nhiệt nước nóng lượng mặt trời _ Ở nước ta nay, tính đến thời điểm tháng 10/2014 nước ta có số nắng trung bình năm vào khoảng 1219,6 ÷ 2498 giờ/năm cường độ xạ mặt trời vào khoảng 3,5 ÷ 4,5 kWh/m2/ngày tùy thuộc vào 16 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT khu vực cụ thể [TL6] Rõ ràng ta thấy tiềm sử dụng lượng mặt trời nước ta vô lớn, thêm vào tác động sách sử dụng lượng hiệu bảo vệ môi trường nhà nước ban hành, làm cho hệ thống sản xuất nước nóng lượng mặt trời phát triển cách nhanh chóng mạnh mẽ vài năm gần Có thể nói, phương pháp sản xuất nước nóng lượng mặt trời khơng tốn chi phí q trình vận hành, lượng mặt trời miễn phí tái tạo Hình 1.4.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống sản xuất nước nóng lượng mặt trời _ Nguyên lý hoạt động hệ thống sản xuất nước nóng lượng mặt trời tương đối đơn giản, ban đầu nước từ bình chứa điền đầy vào ống collector, nước nhận nhiệt từ xạ mặt trời làm nước nóng lên, nước nóng nên có khối lượng riêng nhỏ so với nước lạnh, nên nước nóng có xu hướng di chuyển lên phía quay bình chứa song song với trình nước lạnh từ bình chứa chuyển động xuống phía ống điền đầy vào phần thể tích nước nóng rời đi, trình diễn liên tục có xạ mặt trời Tuy nhiên q trình trao đổi nhiệt nước bên đối lưu tự nhiên cần phải có xạ mặt trời, nên để có đủ lượng nước nóng yêu cầu cho trình sử dụng phải chờ thời gian dài vào ngày mà xạ mặt trời thấp khơng đáp ứng đầy đủ cho u cầu sử dụng, nhược điểm hệ thống phụ thuộc vào điều 17 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT kiện thời tiết Mặc dù khơng tốn chi phí cho q trình vận hành chi phí đầu tư ban đầu hệ cao so với hai phương pháp gia nhiệt nước nóng điện kiểu truyền thống nhiên liệu hóa thạch Bảng 1.4.3: Số nắng trung bình tháng địa phương 1.4.4 Gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt _ Về bơm nhiệt có cấu tạo nguyên lý hoạt động giống máy lạnh, lại khác mục đích sử dụng Đối với bơm nhiệt mục đích sử dụng làm nóng, bơm nhiệt sử dụng để sản xuất nước nóng nhiệt lượng mà nước nhận môi chất nhả dàn ngưng nhiệt lượng hữu ích 18 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Hình 1.4.4 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống sản xuất nước nóng bơm nhiệt _ Rõ ràng bơm nhiệt loại máy nhiệt nhận cơng từ bên ngồi (cụ thể điện năng) để vận hành hệ thống tham gia vào q trình sản xuất nước nóng Mặc dù bơm nhiệt sử dụng điện năng, không giống với phương pháp gia nhiệt nước nóng điện kiểu truyền thống trực tiếp sử dụng điện để sinh nhiệt, mà bơm nhiệt sử dụng điện để vận chuyển nhiệt lượng từ nơi đến nơi khác Do so với phương pháp gia nhiệt nước nóng điện kiểu truyền thống phương pháp sử dụng bơm nhiệt có hiệu suất cao chi phí để vận hành hệ thống thấp Và đặc biệt phương pháp khơng phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, đảm bảo yêu cầu nhiệt độ nhu cầu sử dụng lúc 1.4.5 Một số phương pháp gia nhiệt nước công nghiệp: _ Gia nhiệt nước nóng từ lị _ Gia nhiệt nước nóng từ nguồn nhiệt thải _ Gia nhiệt nước nóng điện _ Gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt 19 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT 2.1 Lịch sử phát triển bơm nhiệt: _ Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) sáng chế bơm nhiệt Ngày nay, bơm nhiệt phát triển cách nhanh chóng chủng loại, công suất, số lượng, chất lượng ứng dụng ngành kinh tế như: Công nghệ sấy hút ẩm; công nghệ chưng cất, tách chất; q trình thu hồi nhiệt thải; cơng nghệ thực phẩm 2.2 Khái niệm bơm nhiệt: _ “Bơm nhiệt loại máy nhiệt, nhận cơng từ bên ngồi để vận chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược từ nguồn lạnh đến nguồn nóng, cụ thể nhiệt lượng vận chuyển từ mơi trường xung quanh đến mơi trường có nhiệt độ cao môi trường xung quanh” [TL7] hình 2.2 bên Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động bơm nhiệt _ Để đánh giá hiệu bơm nhiệt người ta sử dụng hệ số làm nóng φ (hay nói cách khác hiệu suất chu trình thể thơng qua hệ số COP = φ) Vì mục đích bơm nhiệt làm nóng nên hệ số φ tỷ số QH W  QH W  QH QH  QL (2.2) _ Từ công thức 2.2 ta thấy rằng, hệ số làm nóng ln ln lớn không tiến đến vô cùng, tiệm cận giá trị tương 20 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT ứng chu trình Carnot ngược chiều điều kiện có nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh Nhưng thực tế hệ số φ không đạt đến giá trị chu trình Carnot ngược chiều có nhiệt độ nguồn nóng nguồn lạnh tính khơng tḥn nghịch trình 2.3 Cấu tạo bơm nhiệt: _ Về bơm nhiệt có cấu tạo tương đối giống với máy lạnh xếp vào nhóm, lại khơng hồn tồn giống mục đích sử dụng chúng khác nhau, với bơm nhiệt dùng để làm nóng máy lạnh sử dụng để làm lạnh hình 2.3a 2.3b bên Về cấu tạo bơm nhiệt có thiết bị máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị tiết lưu thiết bị bay Hình 2.3a cấu tạo bơm nhiệt 21 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Hình 2.3b cấu tạo máy lạnh 2.4 Phân loại bơm nhiệt _ Hiện nay, tùy theo công nghệ chế tạo mục đích sử dụng mà có nhiều cách phân loại bơm nhiệt theo ứng dụng (nguồn nhận nhiệt), nguồn cho nhiệt, kiểu lưu trữ nhiệt… Nhưng chủ yếu phân loại theo ứng dụng nguồn cho nhiệt Hình 2.4 Cách thức phân loại bơm nhiệt theo nguồn nhận nhiệt cho nhiệt [TL8] 2.4.1 Phân loại theo ứng dụng Trong kiểu phân loại theo ứng dụng bơm nhiệt chủ yếu sử dụng để: _ Gia nhiệt cho nước trình sản xuất nước nóng _ Gia nhiệt cho khơng khí q trình sưởi ấm hay sấy Hình 2.4.1 Phần trăm ứng dụng bơm nhiệt sản xuất nước nóng làm nóng [TL9] 22 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT 2.4.2 Phân loại theo nguồn cho nhiệt _ Trước đây, hệ thống bơm nhiệt dùng để sản xuất nước nóng thường sử dụng nguồn cho nhiệt khơng khí tự nhiên, lịng đất, khí thải q trình, nước ngầm, nước thải…Trong nguồn cho nhiệt khơng khí tự nhiên, lịng đất chiếm tỉ trọng lớn so với loại lại, nguồn cho nhiệt có sẵn, dễ sử dụng, dễ bảo trì đặc biệt tốn chi phí q trình lắp đặt loại cịn lại đặc biệt cịn phụ thuộc vào điều kiện khí hậu khu vực Hình 2.4.2a Phần trăm nguồn cung cấp nhiệt cho bơm nhiệt [TL9]  Khơng khí _ Bơm nhiệt khơng khí đem nhiệt thải khơng khí bên ngồi Phần lớn hệ thống bơm nhiệt bơm nhiệt không khí Đối với máy làm lạnh cỡ lớn, thiết bị thải nhiệt khơng khí bên ngồi gọi tháp giải nhiệt Hình 2.4.2b Tháp giải nhiệt cho hệ thống HVAC cỡ trung 23 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT  Đất _ Bơm nhiệt địa nhiệt (GSHP) đem nhiệt thải vào đất thay khơng khí Bởi nhiệt độ đất tương đối ổn định quanh năm nên thiết bị đạt hiệu cao so với bơm nhiệt khơng khí vào ngày nóng lạnh Hình 2.4.2c Lắp đặt đường ống dọc máy bơm nhiệt địa nhiệt  Nước _ Một số máy bơm nhiệt địa nhiệt sử dụng dòng sơng, ao, vv… cho mục đích tản nhiệt Hệ thống vịng kín sử dụng có hiệu phần cứng hoạt động tương tự máy bơm nhiệt địa nhiệt _ Tuy nhiên, cài đặt hệ thống “vòng mở” với đường ống mở suối Hệ thống kéo nước đầu, dẫn vào máy bơm nhiệt nơi nhiệt hấp thụ giải nhiệt nhờ nước, nước sau trao đổi nhiệt (làm nóng làm mát) bơm trở lại xuống sông hạ lưu Hệ thống sử dụng nước ngầm từ giếng riêng biệt, bơm từ giếng vào giếng khác 24 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Hình 2.4.2d Lắp đặt bơm nhiệt nước cách đặt chìm đường ống cuộn  Máy làm lạnh hấp thụ _ Máy làm lạnh hấp thụ bơm nhiệt q trình nén bay mơi chất kiểm sốt nguồn nhiệt bên ngồi thay dùng bơm chạy điện _ Trong máy làm lạnh hấp thụ, mơi chất khí trở lại trạng thái lỏng hấp thụ hóa chất thứ cấp, ammonia Sau đó, hóa chất thứ cấp tách nhiệt môi chất trở lại cho vòng lặp làm mát dạng chất lỏng Hình 2.4.2e Chu trình kép máy làm lạnh hấp thụ 2.5 Nơi lấy lượng cung cấp cho bơm nhiệt Tải FULL (File Word 52 trang): bit.ly/2Ywib4t Dự phịng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Hình 2.5 khái qt nơi lấy lượng 25 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT _ Một máy nước nóng sử dụng bơm nhiệt lấy “năng lượng miễn phí”, giống máy nước nóng sử dụng lượng mặt trời Năng lượng thu nhận từ khơng khí từ nước _ Năng lượng tách từ không khí từ nước ngưng tụ khơng khí vào thiết bị bay _ Một lượng nhỏ điện sử dụng để vận hành máy nén Nhiệt lượng phân phối đến bình chứa nước khoảng từ đến lần điện sử dụng “Năng lượng miễn phí” lấy từ khơng khí xung quanh 2.6 Những phương pháp đo lường hiệu suất bơm nhiệt: _ Có phương pháp đo chính: COP, EER, SEER, HSPF, kW / 2.6.1 Đo phương pháp COP _ COP (Coefficient of Performance) phép đơn giản tính lượng nhiệt vận chuyển (tính theo W), chia cho điện sử dụng để di chuyển lượng nhiệt (W), nhiệt độ ngồi trời xác định Giá trị COP cao hệ thống hiệu Máy sưởi điện trở sinh nhiệt đạt hiệu suất 100% tương ứng với COP = 1, máy bơm nhiệt chế độ sưởi ấm có COP khoảng từ 2-5, 3-12 vận hành chế độ làm mát 2.6.2 Đo phương pháp EER _ EER (Energy Efficiency Ratio) tương tự COP, sử dụng cho làm mát EER đo lường hệ thống làm mát vận hành hiệu đến đâu EER thường sử dụng cho máy điều hịa khơng khí cửa sổ, máy điều hịa cục cỡ nhỏ bơm nhiệt EER tỷ lệ suất làm mát Btu/giờ chia cho công suất điện tiêu thụ nhiệt độ bên 95 ° F (35 ° C) Điều hịa khơng khí phịng nên có EER đạt 9.0 khí hậu ơn hịa 10.0 cho vùng khí hậu nóng 2.6.3 Đo phương pháp SEER _ SEER (Summer Energy Efficiency Ratio) đo lường hiệu máy điều hịa khơng khí dân dụng cỡ nhỏ bơm nhiệt vận hành xuyên suốt mùa làm mát, nhiệt độ khác hẳn với nhiệt độ trời Tương tự EER, SEER cao hệ thống làm mát hiệu SEER tỷ số tổng lượng làm mát mà hệ thống cung cấp xuyên suốt mùa (Btu) chia cho tổng số watt-giờ hệ thống tiêu thụ 2.6.4 Đo phương pháp HSPF _ HSPF (Heating Seasonal Performance Factor) đo lường hiệu bơm nhiệt vận hành chế độ sưởi ấm qua xuyên suốt mùa sưởi ấm Nó giống SEER áp dụng cho sưởi ấm HSPF cao, hệ thống hiệu HSPF tính cách chia tổng lượng sưởi ấm (Btu) cung cấp mùa cho tổng số watt-giờ điện cần thiết để cung cấp nhiệt 26 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT 2.6.5 Đo phương pháp Kw/ Tấn _ kW / đo lường lượng đầu vào tính kW để sản xuất lạnh Không giống hệ số trên, kW/tấn thấp, hiệu làm lạnh cao Hệ số thường sử dụng để xác định hiệu máy làm lạnh quy mô lớn 2.7 Nguyên lý hoạt động bơm nhiệt Bơm nhiệt có cấu tạo giống máy lạnh Tuy nhiên, sử dụng nguồn nhiệt có ích Qk nên gọi bơm nhiệt Hình 2.7 Chu trình làm việc bơm nhiệt đồ thị Các trình bơm nhiệt bao gồm: - : Q trình nén đoạn nhiệt mơi chất - 3: Quá trình ngưng tụ đoạn nhiệt thiết bị ngưng tụ - 4: Quá trình tiết lưu - 1: Quá trình bay đẳng nhiệt Năng suất nhiệt bơm nhiệt phương trình cân nhiệt Tải FULL (File Word 52 trang): bit.ly/2Ywib4t máy lạnh: qk = q0 + l Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ q0 +l Hệ số nhiệt bơm nhiệt là: 𝜑 = =𝜀+1 l 2.8 Các thành phần bơm nhiệt: 2.8.1 Môi chất lạnh: Freon 12: R12 – Có cơng thức CCl2F2 _ Là chất khí khơng màu có mùi thơm nhẹ, nặng khơng khí lần, nặng nước 1,3 lần Nếu làm mát nước nhiệt độ ngưng tụ 30 0C, pk = 0,74Mpa (7,4 at), làm mát khơng khí tk = 420C, pk = 1Mpa (11at), sơi áp suất khí – 29,80C 27 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT _ Năng suất lạnh riêng khối lượng nhỏ (q0), phù hợp với cơng suất điều hịa nhỏ nhỏ, suất lạnh riêng thể tích (qv) nhỏ nên hệ thống cồng kềnh R12 không dẫn điện nên an tồn cho máy nén kín nửa kín, hồ tan dầu hồn tồn, tḥn lợi với q trình bơi trơn, khơng hồ tan nước gây tắc ẩm cho phận tiết lưu, có tính rửa cặn bẩn, cát bụi, gỉ sắt nên phải bố trí phin sấy lọc R12 khơng ăn mịn kim loại đen, màu phi kim, không gây cháy nổ, không độc, không làm biến chất sản phẩm, môi chất lạnh đại, dễ kiếm, vận chuyển, chuyên chở dễ dàng đắt, phá huỷ tầng ôzôn nên bị cấm sản xuất từ 1996 Freon 22: R22 - Có cơng thức CHClF2 _ Là chất khí khơng màu, có mùi thơm nhẹ Nếu làm mát nước nhiệt độ ngưng tụ 300 C áp suất ngưng tụ 1,19MPa (12kg/cm2) làm mát khơng khí nhiệt độ ngưng tụ 420C áp suất ngưng tụ 1,6MPa (gần 16,5 kg/cm2) _ Nhiệt độ sơi áp suất khí – 40,80C nên áp suất bay thưòng lớn áp suất khí _ R22 khơng dẫn điện thể dẫn điện thể lỏng, nên tuyệt đối không để lỏng lọt động máy nén nửa kín kín, tất tính chất điện R22 R12 đặc biệt có ẩm số giảm nhanh chóng _ R22 sử dụng nhiều đặc biệt hệ thống điều hịa khơng khí Mức độ phá huỷ tầng ôzôn R22 nhỏ lại gây tượng hiệu ứng lồng kính làm nhiệt độ trái đất tăng lên Từ 1/1/1995 hệ thống R22 có lượng nạp lớn 5kg bị cấm đến cuối kỷ R22 bị cấm sản xuất Freon 134a: R134a - Công thức CF3CH2F _ Là ga lạnh thay cho R12, có tính chất gần giống với R12, khơng cháy nổ, khơng ăn mịn với phần lớn kim loại, dùng tủ lạnh gia đình, điều hịa tơ v.v Tuy nhiên R134a có tác dụng làm nóng trái đất nên quan niệm sử dụng R134a chưa thống Freon 143a: R143a - Cơng thức CF3CH3 _ Khơng độc khơng ăn mịn phần lớn vật liệu, dễ cháy nổ R143a thường dùng hỗn hợp (R507, R404A) Freon 410A: R410A _ Là hỗn hợp hai Freon không đồng sôi, gồm 50% R32 50% R125 Đây môi chất sử dụng phổ biến máy điều hịa nhiệt độ mơi chất không phá hủy tầng ozon Khi sử dụng môi chất cần ý: Áp suất ngưng R410A lớn khoảng 1,6 lần so với R22 nên ống đồng cần dày để không bị nổ R410A không cháy, khơng độc hại, bền vững hóa học khơng ăn mịn phần lớn vật liệu 5009739 28 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ... nhiệt nước nóng từ lị _ Gia nhiệt nước nóng từ nguồn nhiệt thải _ Gia nhiệt nước nóng điện _ Gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt 19 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT CHƯƠNG... nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt điện trở 50 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT DANH MỤC KÝ HIỆU KÍ HIỆU CHÚ GIẢI