Năm 1852 Thomson (Lord kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên của thế giới. Song song với thành tựu phát triển của công nghiệp lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển riêng của mình. Những thành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 khi hàng loạt bơm nhiệt công xuất lớn được lắp đặt thành công ở nhiều nước Châu âu để sưởi ấm, đun nước nóng và điều hòa không khí. [9]
Từ khi xảy ra cuộc khủng khoảng năng lượng vào đầu thập kỷ 70, bơm nhiệt lại càng khẳng định vai trò quan trọng của mình. Hàng lọat bơm nhiệt với những ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo và đưa vào sử dụng ở nhiều nước trên thế giới.
* Nguyên lý làm việc:
Hình 2.1. Nguyên lý chu trình bơm nhiệt nén hơi
MM : Là máy nén; NT: Là thiết bị ngưng tụ; TL: Là van tiết lưu BH: Là thiết bị bay hơi; L: Là công tiêu tốn cho máy nén
qo: Là nhiệt lượng lấy từ môi trường (hay buồng lạnh) qk : Là nhiệt tỏa ra ở dàn ngưng tụ
Bơm nhiệt là một thiết bị dùng để bơm một dòng nhiệt từ mức nhiệt độ thấp lên mức nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt. Để duy trì bơm
năng). Như vậy máy lạnh cũng là một loại bơm nhiệt và cũng có chung một nguyên ly hoạt động. Người ta chỉ phân biệt máy lạnh với bơm nhiệt ở mục đích sử dụng mà thôi.
Máy lạnh gắn với việc sử dụng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi còn bơm nhiệt gắn với việc sử dụng nguồn nhiệt ở thiết bị ngưng tụ. Do yêu cầu sử dụng nguồn nhiệt nên bơm nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt độ cao hơn.
Cũng như máy lạnh, bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược (hình 2.1) với các quá trình chính như sau:
1-2: Là quá trình nén hơi môi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất cao và nhiệt độ cao trong máy nén hơi. Quá trình này có thể xem là đoạn nhiệt.
2-3: Là quá trình ngưng tụ đẳng áp trong thiết bị ngưng tụ, thải nhiệt.
3-4: Là quá trình tiết lưu đẳng entanpi (i3 = i4) của môi chất lạnh lỏng qua van tiết lưu từ áp suất cao xuống áp suất thấp.
4-1: Là quá trình bay hơi đẳng áp ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp thu nhiệt của môi trường lạnh.
* Nếu chỉ tính đến sử dụng năng lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ: Năng suất nhiệt của bơm nhiệt chính là phương trình cân bằng nhiệt của máy lạnh [11]: L q qk = 0+ (2.1) 1 > = L qk ϕ (2.2) 1 0+ = + = ε ϕ L L q (2.3)
Vậy khi sử dụng nhiệt lượng thải ra ở thiết bị ngưng tụ thì từ công thức trên ta thấy hệ số nhiệt của bơm nhiệt luôn luôn lớn hơn 1, do đó ứng dụng của bơm nhiệt luôn luôn lợi về nhiệt.
* Nếu sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp thì hiệu quả kinh tế còn cao hơn nữa vì chỉ cần tiêu tốn một dòng năng lượng là L ta thu được cả năng lượng qo và năng lượng qk như vậy ta có hệ số nhiệt của bơm nhiệt nóng lạnh là:
1 2 + = + = ε ϕ L q qk o (2.4)
Trong trường hợp sử dụng cả 2 chiều có thể tạo nên dòng tác nhân sấy là không khí tuần hoàn kín thực hiện 2 quá trình trao đổi nhiệt: nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi dùng để tách ẩm và nguồn nóng ở thiết bị ngưng tụ dùng để tăng nhiệt độ tác nhân sấy tức giảm độ ẩm tương đối của tác nhân và tạo động lực cho quá trình sấy.
Như vậy bơm nhiệt có thể được ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực có nhu cầu năng lượng ở nhiệt độ thấp khoảng 400C- 800C hoặc có thể cao đến 1150C -1200C. Nếu như nhu cầu về nóng và lạnh tương đối ăn khớp nhau thì hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt lại càng lớn.
Khi sử dụng bơm nhiệt cần chú y hiệu quả kinh tế của nó biểu hiện qua hệ số bơm nhiệt ϕ. Hệ số nhiệt ϕ của bơm phụ thuộc rất nhiều vào hiệu nhiệt độ của dàn ngưng và dàn bay hơi như đã trình bày ở trên. Một điều kiện nữa của bơm nhiệt đạt hiệu quả cao là nhu cầu về nóng và lạnh phải liên tục và ổn định để thời gian hoàn vốn là thấp nhất.
Nói chung bơm nhiệt có thể được ứng dụng trong các ngành kinh tế sử dụng các nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp như:
- Các quá trình thu hồi thải nhiệt; - 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;
- Công nghiệp sấy và hút ẩm;
- Điều tiết không khí tiện nghi công nghiệp nông nghiệp, các công trình công cộng như y tế, văn hóa, thể thao.