Bơm nhiệt (HP) là một thiết bị cho phép lấy nhiệt từ vùng có nhiệt độ thấp và cấp nhiệt cho vùng có nhiệt độ cao hơn. Lượng nhiệt mà bơm nhiệt (HP) cấp cho vùng có nhiệt độ cao Qbơm bằng lượng nhiệt mà nó nhận được từ vùng có nhiệt độ thấp Q cộng với năng lượng cung cấp từ bên ngoài vào W.
Qbơm = Q + W (1.11)
Bơm nhiệt cung cấp một lượng nhiệt hữu ích cho quá trình đun nóng các dòng công nghệ trong quá trình nên làm giảm lượng nhiệt cần cấp thêm cho quá trình. Tuy nhiên bơm nhiệt chỉ phát huy hiệu quả khi khoảng nhiệt cần nâng lên tương đối nhỏ.
Trên hình 1.37 dưới đây là các cách đặt bơm nhiệt vào trong quá trình để phân tích bằng kỹ thuật Pinch. D- (Q+W) D- W T Q+W T Q+W D Q HP W HP W Q+W Q B- Q (a) (b) B B+W HP W Q (c)
Hình 1.37: Đặt bơm nhiệt vào trong quá trình công nghệ để phân tích bằng kỹ thuật Pinch
Nếu chúng ta đặt bơm nhiệt ơ phía trên Pinch (hình 1.37b) thì lượng nhiệt cần cấp thêm cho quá trình giảm đi tương ứng với năng lượng W cung cấp cho bơm nhiệt tuy nhiên lượng nhiệt giảm này chỉ tương đương về mặt năng lượng chứ không tương về mặt chi phí vận hành, năng lượng cung cấp cho bơm nhiệt thường là điện năng mà điện thì đắt hơn hơi nước hay nhiên liệu đốt. Mặt khác, nếu đặt bơm nhiệt ở dưới Pinch (hình 1.37c), chúng ta không những không được lợi gì mà ngược lại phải tốn thêm một năng lượng W cấp cho bơm và cũng chừng đó cho quá trình làm nguội. Như vậy cả hai trường hợp này chúng ta đều không thu được lợi gì.
Trường hợp đặt bơm có thể đem lại hiệu quả như hình 1.37a, khi đặt bơm như trên chúng ta đã di chuyển lượng nhiệt từ phía Source lên phía Sink, lượng nhiệt làm nguội giảm đi Q và bằng:
Qc = B – Q (1.12)
ứng với lượng nhiệt mà bơm lấy đi. Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình đun nóng giảm đi Q + W và bằng:
Qh = D – (Q + W) (1.13)
Như vậy, với cách đặt bơm nhiệt như thế này, chúng ta sẽ giảm được cả chi phí đun nóng và làm nguội. Một trong những bơm nhiệt được dùng nhiều là bơm phun hơi nước của các hệ thống hóa hơi (như: cô đặc) cung cấp cho quá trình và thay thế một phần hơi nước sinh ra từ lò hơi.
Áp dụng kỹ thuật Pinch cho việc phân tích bơm nhiệt bằng giản đồ Grand như trên hình 1.38.
T T Qh Qh W HP (a) Q c H (b) Qc H
Hình 1.38: Ứng dụng giản đồ Grand để phân tích bơm nhiệt bằng kỹ thuật Pinch
Dựa vào giản đồ Grand, chúng ta có thể nhận ra khả năng sử dụng bơm nhiệt để tiết kiệm năng lượng. Nếu khoảng sự thay đổi enthalpy lớn và chênh lệch nhiệt độ nhỏ xung quanh điểm Pinch (hình 1.38a) thì có thể xem xét đến khả năng sử dụng bơm nhiệt, tiến hành phân tích và lắp đặt bơm nhiệt để tiết kiệm năng lượng. Ngược lại, nếu
∆H nhỏ và chênh lệch nhiệt độ hai bên Pinch lớn thì không cần xem xét lắp đặt bơm nhiệt vì lúc này lượng nhiệt tiết kiệm được nhỏ trong khi chi phí lắp đặt thì lớn.
Ngoài ra kỹ thuật Pinch còn ứng dụng để phân tích quá trình sử dụng nước để làm giảm lượng nước thải phát sinh ra môi trường − “Pinch nước”, và phân tích làm giảm thiểu lượng H2 sử dụng trong các nhà máy lọc dầu – “Pinch hydro”.