Hệ sốđặc trưng cho đặc tính hoạt động của thiết bị bơm nhiệt đó là hệ số
bơm nhiệt φ. Hệ số bơm nhiệt φ được định nghĩa bằng tỷ số giữa năng suất của bình ngưng Qk và công tiêu tốn cho máy nén Ns:
k Q N lt s ϕ = (2.29) Hệ số bơm nhiệt tính theo lý thuyết ở trên:
k Q 3, 26 5,15 N 0,6324 lt s ϕ = = = 2.2.2. Hệ số bơm nhiệt thực tế
Hệ số bơm nhiệt lí thuyết chưa phản ánh hết đặc tính hoạt động của thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng do chưa tính đến công để chạy quạt dàn lạnh cũng như các tổn thất khác (cũng cần phải tiêu tốn năng lượng), do đó người ta sử dụng hệ số bơm nhiệt thực hay viết tắt tiếng Anh là COP để đánh giá chính xác hiệu quả nhiệt của thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng. Hệ số bơm nhiệt được định nghĩa bằng tỷ số giữa lượng nhiệt nước trong bình ngưng nhận được Qn (Qn=Qk=3,26kW) và công suất tiêu tốn cho máy nén, quạt dàn lạnh, bơm và hệ thống thiết bị phụ. Để xác định tiêu tốn điện năng khi chạy bơm nhiệt từ nhiệt độ nước từ 220C lên đến 500C chúng tôi đã sử dụng công tơ mét và các thiết bịđo điện áp và dòng điện.
của các thiết bị riêng lẻ như máy nén, quạt, bơm nước, thiết bị phụ là: Nt= Ne+N1 +N2+N3
Về lí thuyết cũng có thể tính tổng công suất điện tiêu tốn theo công suất của các thiết bị riêng lẻ như máy nén, quạt, bơm nước, thiết bị phụ là:
Nt= Ne+N1 +N2+N3 Trong đó :
Ne – Công suất tiêu thụđiện của động cơ máy nén, Ne = 0,75kW. N1 – Công suất của quạt, N1 = 0,09 kW
N2 – Công suất của bơm nước tuần hoàn, N2 =0,135kW N3 – Công suất của các thiết bị phụ, kW. Ởđây N3≈ 0
n Q COP =
Nt (2.30)
Theo kết quả tính toán và chọn thiết bị ở trên, bỏ qua tổn thất, hệ số COP lý thuyết của thiết bịđược xác định bằng:
lt
3, 26
COP = 3,34
0,75 0,09 0,135 ≈
CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM BƠM NHIỆT ĐUN
NƯỚC NÓNG
3.1 Thiết bị thí nghiệm
3.1.1 Thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng
Bơm nhiệt bao gồm 2 bộ phận cơ bản là hệ thống bơm nhiệt và bình chứa nước nóng:
- Hệ thống bơm nhiệt gồm: Dàn lạnh, quạt li tâm, máy nén và bình ngưng kiểu ống lồng ống đểđun nước nóng. Máy nén, quạt dàn lạnh và khung sườn là tận dụng từ một máy điều hòa cửa sổ cũ năng suất lạnh 2,64kW (9000Btu/h). Máy nén kiểu roto có công suất 0,75kW (1HP) là máy nén một cấp. Dàn ngưng giải nhiệt gió được ngắt ra để thay bằng dàn ngưng ngược chiều ống lồng ống để gia nhiệt đun nước nóng.
- Bộ phận cơ bản thứ 2 là bình chứa nước nóng và bơm nước tuần hoàn. Bình cấu tạo kiểu hình trụ bằng tôn có đường kính ngoài 300mm, cao 1400mm, có cách nhiệt bằng Superlon dầy 40mm. Bình có đường nước vào, có van phao khống chế mức nước đểđảm bảo nước luôn đầy trong bình.
Sơ đồ nguyên lí bơm nhiệt đun nước nóng:
Sau khi khởi động hệ thống bơm nhiệt, nước được bơm từ bình chứa qua dàn ngưng để trao đổi nhiệt với môi chất R22. Sau đó nước lại trở về bình chứa để tuần hoàn lại. Nhiệt độ nước tăng dần cho đến nhiệt độ đặt ban đầu thì máy dừng hoạt động. Theo tính toán thiết kế chúng tôi đã chế tạo được thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng như trong hình 3.1
Hình 3.1 Thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng 1- Dàn lạnh 2- Máy nén 3- Dàn ngưng ống lồng ống 4- Bình chứa nước nóng 5- Máy bơm nước 6- Nước vào dàn ngưng 7- Nước từ dàn ngưng vào bình chứa
Hơi quá nhiệt của môi chất lạnh R22 từ máy nén đi vào phía trên của ống to và nước lạnh được bơm ngược chiều vào trong ống nhỏ từ bên dưới dàn ngưng để tăng cường quá trình trao đổi nhiệt. Dàn ngưng là dàn ống xoắn ống
lồng ống bao gồm 6 vòng ống quấn tròn ở đường kính D=175mm, chiều cao H=230mm. Các vòng ống xoắn xếp liền sát nhau. Ống xoắn bình ngưng là
ống đồng. Môi chất chảy trong khoảng không gian giữa 2 ống có đường kính ngoài Da=21,5mm, chiều dày δ=1mm; nước chảy trong ống nhỏ có đường kính ngoài da=8,5mm, đường kính trong di=7,5mm.
Dàn ngưng được cách nhiệt bằng hộp xốp hình chữ nhật có chiều rộng 220mm, chiều dài 315mm, chiều cao 220mm và bề dày của lớp xốp là 25mm. Bình chứa nước nóng có dung tích 100 lít.
Vỏ bình chứa được bọc cách nhiệt bằng cao su xốp cách nhiệt Superlon dạng tấm dày 19mm, hệ số dẫn nhiệt λcn=0,04W/mK để giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường. Môi chất lạnh được nén bằng máy nén roto quay có công suất tiêu thụđiện 0,75kW với hiệu suất khoảng 80%.
Dàn bay hơi dạng ống đồng có cánh nhôm và có quạt gió thổi cưỡng bức ngang qua dàn lạnh cấp nhiệt cho môi chất để môi chất bay hơi trong ống. Thiết bị cũng được trang bị rơ le áp suất cao (đặt ở 22,5 bar) và các thiết bị
bảo vệ quá dòng, thiết bị bảo vệ quá nhiệt cho máy nén. Các đường ống đồng dẫn môi chất được bọc cách nhiệt cao su xốp dày 5mm để giảm tổn thất nhiệt trên đường ống.
3.1.2 Thiết bịđo
Để xác định các điểm làm việc đặc trưng cho sự hoạt động của thiết bị, sử dụng các thiết bị đo kỹ thuật số của hãng TASCO Nhật Bản Model TNA- 110 với dải đo từ -1000C÷10000C và thiết bị đo nhiệt độ của hãng Testo. Khi cần đo nhiệt độ tại điểm nào thì cho đầu cảm biến tiếp xúc với điểm đó và nhiệt độ sẽ hiển thị bằng số trên bề mặt.
(a) (b) Hình 3.2 Thiết bị đo nhiệt độ
a-Thiết bịđo nhiệt độ hãng TASCO b-Thiết bịđo nhiệt độ hãng Testo
Các vị trí cần đo nhiệt độ là nhiệt độ bên ngoài ống đồng dẫn môi chất ở
hai đầu đẩy và hút của máy nén, đầu vào của dàn bay hơi và đầu ra của bình ngưng tụ. Để xác định được nhiệt độ trung bình của nước trong bình chứa, đặt
đầu đo cảm biến nhiệt độ tại đỉnh, giữa, và ở vòi lấy nước ra trên bình chứa. Thiết bị có đầu đo cảm biến với dải đo trong khoảng -1000C ÷ 10000C.
Hai đồng hồ áp suất của bộ nạp 3 dây được gắn vào đầu hút và đầu đẩy của máy nén để xác định áp suất bay hơi p0 và áp suất ngưng tụ pk của chu trình.
Hình ảnh bộ nạp 3 dây sử dụng để đo áp suât của hãng DAIKIN như
Hình 3.3 Bộ nạp 3 dây tạm thời sử dụng đểđo áp suất
Điện năng tiêu thụ của thiết bị được đo bằng công tơ mét do hãng EMIC sản xuất. Thiết bị này có độ chính xác đến 0,1 kWh để xác định công suất tiêu thụđiện của hệ thống bơm nhiệt.
Theo tính toán ở trên lưu lượng nước qua dàn ngưng xấp xỉ 10 lít/phút.
Để đo lưu lượng nước ta sử dụng một bình có thể tích chuẩn 10 lít và một
đồng hồ bấm giây. Bơm nước chảy qua dàn ngưng và cho chảy vào bình chứa 10 lít tiến hành bấm giờ. Điều chỉnh van cấp nước từ bình chứa đến máy bơm cho đến khi lưu lượng nước qua bình ngưng đạt yêu cầu bằng 10l/min tức là trong 1 phút thì lượng nước ra điền đầy 1 bình 10 lít.
Các vị trí cần đo nhiệt độ thiết bị trong quá trình làm thí nghiệm được thể hiện trong hình 3.4.
* Vị trí các điểm đo như sau:
T1- Đo nhiệt độ giữa đầu ra của dàn lạnh và đầu hút của máy nén.
T3- Đo nhiệt độ giữa bình ngưng và van tiết lưu T4- Đo nhiệt độ giữa van tiết lưu và đầu vào dàn lạnh
Các đầu đo nhiệt độ này, cùng với hai đồng hồđo áp suất cao và áp suất thấp
để xác định các điểm đặc trưng 1, 2, 3, 4 của chu trình bơm nhiệt. T5- Đo nhiệt độ nước ở giữa đỉnh bình.
T6- Đo nhiệt độ tại điểm giữa bình chứa. T7- Đo nhiệt độđáy bình chứa.
Hình 3.4 Sơ đồ các điểm đo nhiệt độ
3.2 Quy trình thí nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm
3.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm
Việc lắp đặt và khởi động chạy thử thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng có ý nghĩa rất quan trọng bởi đặc tính làm việc và an toàn vận hành của thiết bị
và hoạt động an toàn của các thành phần thiết bị, lượng môi chất nạp, dầu bôi trơn, ẩm và khí không ngưng trong ống và hệ thống, chế độ vận hành của van tiết lưu, máy nén, hệ thống điện động lực, điện điều khiển... Thực hiện đúng quy trình lắp đặt, khởi động và chạy thử thiết bị sẽ giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố này đến đặc tính làm việc của thiết bị.
3.2.1.1. Làm sạch và thử kín thiết bị
Đây là bước thực hiện đầu tiên sau khi lắp đặt thiết bị vào vị trí và nối
ống. Việc làm sạch thiết bị cần phải được đảm bảo trong suốt quá trình lắp đặt thiết bị. Kiểm tra và mở tất cả các van chặn trên hệ thống đường ống dẫn môi chất, để van tiết lưu nhiệt mở ở vị trí gần lớn nhất. Kiểm tra các đường ống dẫn tín hiệu áp suất đảm bảo thông với ống dẫn môi chất được nối vào. Dàn lạnh, ống xoắn bình ngưng, các đường ống nối môi chất được thổi khí nitơ
xuôi dòng để loại bỏ toàn bộ các bụi bẩn, ba via trong ống đồng trước khi
được hàn kín với nhau. Kiểm tra lại tính xác lắp đặt các đầu đo, đầu cảm biến của thiết bị đo và van tiết lưu nhiệt đảm bảo các thiết bị bộ phận hoạt động
đúng chức năng và chính xác.
Trước khi thử kín, thiết bị được nạp một ít môi chất. Việc thử kín thiết bị được thực hiện bằng khí nitơ. Bình chứa nitơ lỏng được nối với đầu nạp môi chất của thiết bị qua van giảm áp. Bình chứa nitơ lỏng luôn được đặt đứng để
van giảm áp ở phía trên của bình chứa nitơ lỏng, đảm bảo chỉ nạp nitơ ở thể
hơi vào thiết bị. Van giảm áp có tác dụng khống chế áp suất thử của thiết bị
(áp suất trong bình khí nitơ rất lớn). Mở van dần để nạp đầy khí nitơ vào thiết bị, để áp suất khí nitơ trong thiết bị khoảng 21 bar, tương đương áp suất làm việc của thiết bị. Dùng mắt thường kiểm tra tất cả các mối nối, đường ống, dàn lạnh, ống xoắn bình ngưng bằng cách tìm các vết dầu loang (đã có sẵn một lượng dầu bôi trơn nhất định trong máy nén). Dùng đầu báo rò môi chất
rò tìm vết hở. Nâng áp suất của khí nitơ trong thiết bị lên đến 32 bar, tương
đương 1,5 lần áp suất làm việc của thiết bị, khóa chặt van và ghi lại giá trị áp suất thử. Giữ nguyên áp suất này trong vòng 4 giờ. Trong thời gian này kiểm tra bằng mắt thường và đồng hồ rò môi chất để tìm vết hở. Độ giảm áp suất khí nitơ trong thiết bị không quá 0,5% áp suất thử và không tìm thấy các vết rò rỉ thì coi như thiết bị kín. Xả hết khí nitơ để kết thúc quá trình thử áp thiết bị. Nếu phát hiện vết rò rỉ, xả khí nitơ trong thiết bị, xử lý vết rò và thực hiện lại quá trình thử kín từđầu cho đến khi chắc chắn thiết bịđã kín [8].
3.2.1.2. Nạp bổ sung dầu, khử ẩm, thử kín chân không và loại bỏ khí không ngưng trong thiếtbị
Đây là quy trình quan trọng cần phải thực hiện do dầu bôi trơn và môi chất có tính hút ẩm, khí không ngưng (nitơ) còn dư trong hệ thống sau quá trình thử kín) và các khí khác. Nếu ẩm hay khí không ngưng còn trong thiết bị
sẽ làm giảm hiệu quả làm việc của thiết bị. Thiết bị bơm nhiệt luôn phải làm việc trong chế độ vận hành tương đối khắc nghiệt, đảm bảo lượng dầu bôi trơn trong thiết bị sẽ kéo dài tuổi thọ của máy nén và đảm bảo máy nén hoạt
động ổn định, bền. Dầu có sẵn trong máy nén chỉở một lượng nhất định và bị
tổn thất trong quá trình thử kín. Để bổ sung dầu sau quá trình thử kín, xả áp trong hệ thống cân bằng áp suất môi trường, dùng xilanh có thang chia bơm vào hệ thống qua van nạp môi chất. Lượng dầu nạp vào trong thiết bị được xác định tương ứng với lượng môi chất nạp vào thiết bị [8].
Tiến hành khử ẩm, thử kín chân không và loại bỏ khí không ngưng bằng bơm chân không. Bơm chân không được nối với thiết bị qua van nạp môi chất. Chạy bơm chân không liên tục đến khi đạt độ chân không 500 microns (xác định bằng chân không kế). Tiếp tục chạy bơm chân không thêm cho đến khi độ chân không trong thiết bị đạt ổn định. Ẩm và khí không ngưng được
bơm chân không hút ra trong suốt quá trình chạy bơm chân không. Khi mới chạy bơm chân không, chủ yếu khí không ngưng được loại bỏ. Ẩm trong thiết bị chỉ được loại bỏ khi độ chân không trong hệ thống đã đạt một giá trị nhất
định. Đóng van nạp môi chất, theo dõi độ chân không trong thiết bị qua chân không kế. Nếu độ chân không giảm nghĩa là trong thiết bị vẫn còn ẩm ngậm trong môi chất và dầu bôi trơn, mở van nạp môi chất và tiếp tục chạy bơm chân không cho đến khi độ chân không đạt giá trị ổn định trở lại. Đóng van nạp môi chất và tiếp tục theo dõi, đảm bảo độ chân không vẫn giữ ổn định trong vòng 2 giờ. Tháo dây nối bơm chân không và van nạp môi chất, giữ
nguyên vị trí đóng của van nạp môi chất, kết thúc quá trình khử ẩm, khử khí không ngưng và thử chân không cho thiết bị [8].
3.2.1.3. Nạp môi chất và chạy thử thiết bị
Để thực hiện bước này, đầu tiên phải tiến hành kiểm tra lại toàn bộ phần
đấu nối trang thiết bị điện động lực và điện điều khiển đảm bảo thiết bị đúng vị trí và sẵn sàng hoạt động. Phần điện động lực cần phải được thực hiện đo cách điện, đo thông mạch cho động cơ máy nén, động cơ quạt dàn lạnh và các
đường dây dẫn điện. Dây điện điều khiển được kiểm tra thông mạch. Thiết bị điều khiển được chạy thử ở chế độ chưa có điện động lực cấp cho thiết bị.
Điền đầy nước vào bình ngưng để chuẩn bị cho quá trình nạp môi chất và chạy thử thiết bị.
Nối bình chứa môi chất với thiết bị qua bộ nạp môi chất và van nạp môi chất. Xảđuổi khí không ngưng trong đường ống nối của bộ nạp môi chất bằng cách để hở giắc co nối với van nạp môi chất và mở nhỏ van của bình chứa môi chất từ từ. Để xả một lát đảm bảo đã đuổi hết khí không ngưng trong
đường ống dẫn, xiết chặt giắc co nối với van nạp môi chất của thiết bị và đóng van của bình chứa môi chất. Bình chứa môi chất được đặt lên cân để xác định
lượng môi chất nạp vào trong thiết bị. Mở van nạp môi chất của thiết bị. Mở
từ từ van của bình chứa môi chất để bắt đầu nạp môi chất vào thiết bị. Trong quá trình nạp môi chất, giám sát áp suất môi chất nạp vào qua áp kế trên bộ
nạp môi chất và cân định lượng lượng môi chất nạp vào. Đóng van của bình chứa môi chất sau khi đã nạp đủ lượng môi chất yêu cầu để bắt đầu chạy thử
thiết bị. Bật điện nguồn cấp cho thiết bị, cho thiết bị chạy. Theo dõi áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ và dòng điện chạy của máy trong suốt thời gian chạy thử. Để máy chạy một thời gian để máy chạy ổn định.
3.2.2 Thử nghiệm chế độ chạy theo từng bình (theo mẻ)
Trong quá trình thực nghiệm này tôi tiến hành thí nghiệm với từng bình