Năm 1852 Thomas (Lord Kelvin) sáng chế ra máy bơm nhiệt đầu tiên của thế giới. Từ năm 1940 những thành công lớn của bơm nhiệt bắt đầu: hàng loạt bơm nhiệt công suất lớn được lắp đặt thành công ở nhiều nước Châu Âu để sưởi ấm, đun nước nóng và điều hòa không khí.
Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỷ 70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cỡ cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiệ và bán rộng rãi trên thị trường.
Ngày nay bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí, sấy, hút ẩm, đun nước,..
3.2. Nguyên lý hoạt động
Bơm nhiệt là một hệ thống dùng để bơm dòng nhiệt từ mức nhiệt độ thấp lên mứcn hiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt. Để duy trì bơm nhiệt hoạt động tiêu tốn một dòng năng lượng khác (điện hoặc nhiệt năng). Như vậy máy lạnh cũng là một loại bơm nhiệt và có chung một nguyên lý hoạt động. Các thiết bị của chúng là giống nhau. Người ta chỉ phân biệt máy lạnh và bơm nhiệt ở mục đích sử dụng. Máy lạnh gắn với việc sử dụng nguồn nhiệt ở thiết bị ngưng tụ. Do yêu cầu sử dụng nguồn nhiệt nên bome nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt độ cao hơn.
Báo cáo thực tập tổng hợp
Bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược với các quá trình chính:
1-2: 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. Qúa trình nén là đoạn nhiệt.
2-3:quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, thải nhiệt cho môi trường.
3-4:quá trình tiết lưu đảng entapi (i3 = i4) của môi trường chất lỏng qua van tiết lưu từ áp suất cao xuống áp suất thấp.
4-1:quá trình bay hơi đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp, thu nhiệt của môi trường lạnh.
3.3. Hệ số nhiệt của bơm nhiệt
Hệ số của bơm nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc năng cao hiệu quả chuyển hóa năng lượng của bơm nhiệt.
Để đánh gái hiệu quả chuyển hóa năng lượng, ta dùng hệ số nóng (hệ số bơm nhiệt) với định nghĩa: hệ sốφ là lượng nhiệt môi chất thải cho nguồn nóng ứng với một đơn vị công hỗ trợ và được biểu thị bằng:
φ=qk
l =qo+l l =ε+1
Nếu sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp thì hiệu quả kinh tế còn cao hơn nhiều vì chỉ cẩn tiêu tốn một dòng năng lượng l ta được cả năng suất lạnh qo và năng suất nhiệt qk như mong muốn. Gọi φε là hệ số nhiệt lạnh của bơm nhiệt nóng lạnh:
qε=qk+qo
l =φ+ε=2ε+1
Như vậy hệ số nhiệt của bơm nhiệt là đại lượng luôn lớn hơn 1. Do đó ứng dụng của bơm nhiệt đóng vai trò quan trọng trong viêc nâng cao hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt.
Hệ số thực bơm nhiệt φnhỏ hơn hệ số nhiệt lý thuyết tính theo chu trình Carnot φc
φ=ϑ × φc
Với 2 nguồn nóng – lạnh có nhiệt độ Tk và T0, theo chu trình Cácnô, ta có:
14
Báo cáo thực tập tổng hợp
φc= Tk Tk−T0
Như vậy suy ra: φ=ϑ ×T Tk
k−T0
Trong đó ϑ là hiệu suất execgi hay hệ số hoàn nhiệt của chu trình thực.
Dựa avof phương trình ta thấy hệ số nhiệt lý thuyết có thể tính theo chu trình Cácnô phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ của dàn ngưng tụ và dàn bay hơi. Để bơm nhiệt đạt được hiệu quả kinh tế cao thì thường người ta phải chọn hiệu nhiệt độ ∆ Tsao cho hệ số thực tế của bơm nhiệt phải đạt tử 3-4 trở lên, nghĩa là hiệu nhiệt độ phải nhỏ hơn 60K.
Cũng chính vì lý do đó mà chỉ trong những trường hợp đặc biệt người ta mói sử dụng 2 cấp nén. Đó chính là sự khác biệt quan trọng giữa bơm nhiệt và máy nén.
3.4. So sánh các phương án cấp nhiệt
Để thấy rõ hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt ta có thể so sánh một số phương án trên sơ dồ cấp nhiệt từ nguồn năng lượng sơ cấp đén nơi tiêu thụ.
Nguồn năng lượng sơ cấp chủ yếu là than, dầu mỏ và khí thiên nhiên,…Ở nước ta nguồn năng lượng sơ cấp chủ yếu là than đá.
Phương án 1:
Dùng than để sản xuất ra điện ở nhà máy nhiệt điện, sau đó sử dụng trực tiếp năng lượng diện để cấp cho lò sấy thì hiệu suất sử dụng than sẽ là 100% than – 70% hao hụt ở nhà máy điện – 3% hao hụt trên đường tải điện. hiệu suất thực tế là 27%.
Phương án 2:
Báo cáo thực tập tổng hợp
Nếu sử dụng than để đốt lò hơi, cung cấp nhiệt cho hầm sấy bằng hơi nước thì hiệu suất sử dụng than như sau: 100% than – 6% hao hụt ở vận chuyển bóc dỡ - 50%
hao hụt ở lò hơi. hiệu suất thực tế là 44%.
Phương án 3:
Các điều kiện như trong phương án 1, nhưng không sử dụng trực tiếp năng lượng điện qua các bộ đốt điện trở mà sử dụng qua bơm nhiệt nén hơi. Với hệ số nhiệt của bơm nhiệt φ=3−4theo ∆ T , Sp cũng tăng lên gấp 3-4 lần.
Phương án 4:
16
Báo cáo thực tập tổng hợp
Giống như phương án 2 nhưng năng lượng hữu ích 44% đó không sử dụng trực tiếp ngay cho hầm sấy mà sử dụng qua một bơm nhiệt hấp thụ. Theo kinh nghiệm, bơm nhiệt có hệ số φA≈1,4. Như vậy năng lượng hữu ích sẽ tăng lên 1,4 lần: Sp,A= 1,4*44% =62%.
Phương án 5:
Sử dụng than đốt cho buồng sấy trực tieepsqua thiết bị trao đổi nhiệt thì năng lượng hữu ích là: 100% - 6% tổn thất vận chuyển – 32% cho thiết bị biến đổi năng lượng tại chỗ. Vậy hiệu suất thực tế là 62%.
Phương án 6:
Sử dụng than đá trực tiếp bình sinh hơi của máy lạnh hấp thụ ta sẽ có năng luongj hữu ích: Sp , A=Sp× φA=1,4×62 %=87 %.
Qua 6 phương án cấp nhiệt nêu ra ở trên, ta thấy tất cả phương án cấp nhiệt có bơm nhiệt đều co hệ số sử dụng năng lượng sơ cấp cao hơn. Một ưu điểm nữa của phương án sử dụng bơm nhiệt là có thể sử dụng được cả công suất lạnh của noscho các mục đích khác như bảo quản hoặc điều tiết không khí.
3.5. Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt Môi chất và cặp môi chất
Báo cáo thực tập tổng hợp
Môi chất và cặp môi chất của bơm nhiệt có yêu cầu như máy lạnh. Một vài yêu cầu đặc biệt hơn xuất phát từ nhiệt độ sôi và ngưng tụ cao hơn, gần giống như chế độ nhiệt độ cao của điều hòa không khí, nghĩa là cho đén nay người ta vẫn sử dụng các loại môi chất như: R12, R22, R502 và MR cho máy nén tuabin.
Máy nén lạnh
Là bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt. Tất cả các dạng máy nén lạnh đều được ứng dụng trong bơm nhiệt. Đặc biệt quan trọng là máy nén piston trượt, máy nén trục vít và máy nén tuabin.
Một máy nén bơm nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suất cao trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải.
Các thiết bị trao đổi nhiệt
Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơm nhiệt là thiết bị bay hơi và ngưng tụ.
Máy lạnh có thêm thiết bị sinh hơi và hấp thụ. Giống như máy lạnh, thiết bị ngưng tụ và bay hơi của bơm nhiệt cũng bao gồm các dạng: ống chùm, ống lồng ngược dòng, ống đứng và ống kiểu tấm. Các phương pháp tính toán cũng giống như chế độ điều hòa nhiệt độ.
Thiết bị phụ của bơm nhiệt
Tất cả thiết bị phụ của bơm nhiệt đều giống như thiết bị phụ của máy lạnh. Xuất phát từ yêu cầu nhiệt độ cao hơn nên đòi hỏi về độ tin cậy, công nghệ gia công thiết bị cao hơn. Đây cũng là vấn đề đặt ra đối với dầu bôi trơn và đệm kín các loại trong hệ thống.
Do bơm nhiệt phải hoạt động ở chế độ áp suất và nhiệt độ gần sát với giới hạn tối đa nên các thiết bị tự động rất cần thiết và phải hoạt động với độ tin cậy cao để phòng hư hỏng thiết bị khi chế độ làm việc vượt quá giới hạn cho phép.
Đối với van tiết lưu, bơm nhiệt có chế độ làm việc khác máy lạnh nên cũng cần có van tiết lưu phù hợp.
Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt
Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hỗ trợ cho bơm nhiệt phù hợp với tùng phương án sử dụng của nó. Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt gồm một số loại sau:
18
Báo cáo thực tập tổng hợp
Các phương án động lực của máy nén như: động cơ điện, động cơ gas, động cơ diesel hoặc động cơ gió,…
Các phương án sử dụng nhiệt thu ở dàn ngưng tụ. Nếu là sưởi ấm thì có thế sử dụng dàn ngưng tụ trực tiếp hoặc gián tiếp qua một vòng tuần hoàn chất tải nhiệt, có thể sử dụng để sấy, nấu ăn, hút ẩm,…Mỗi phương án đòi hỏi những thiết bị hỗ trợ khác nhau.
Các phương án cấp nhiệt cho dàn hơi. Trường hợp sử dụng dàn lạnh đòng thời với nóng thì phia dàn bay hơi có thể là buồng lạnh hoặc chất tải lạnh. Ngoài ra còn có thể sử dụng dàn bay hơi đặt ngoài không khí, dàn bay hơi sử dụng nước giếng là môi trường cấp nhiệt. Còn những phương án như dàn bay hơi đặt ở dưới nước, đặt ở dưới đất hoặc sử dụng năng lượng ngoài trời.
Các thiết bị điều khiển, kiểm tra tự đọng sự hoạt động của bơm nhiệt và các thiết bị hỗ trợ. Đây là những thiết bị tự động điều khiển các thiết bị phụ trợ ngoiaf bơm nhiệt đẻ phù hợp với hoạt động của bơm nhiệt.