Cấu tạo và phân loại của bơm nhiệt

Bơm nhiệt dùng để làm gì?Ngoài ra người ta dùng bơm nhiệt Heat Pump để di chuyển nhiệt từ một nguồnnhiệt thấp hơn không khí trong môi trường xung quanh tới nguồn nhiệt caohơn bình chứa n

I TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT.

a Bơm nhiệt là gì?

Trong tự nhiên, nhiệt độ có xu hướng truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn Vậy dùng cách nào thu thập, để kiểm soát và điều khiển nhiệt

độ theo ý muốn vì vậy người ta dung máy bơm nhiệt để giải quyết bài toán nan giải ở trên

Vậy máy bơm nhiệt (tiếng Anh: heat pump, tiếng Pháp: pompe à chaleur) là một thiết bị hoạt động theo nguyên lý Nhiệt động lực học nhằm mục đích vận chuyển một nhiệt lượng từ môi trường này sang môi trường khác Một máy bơm nhiệt thông thường chỉ cho phép nhiệt lượng di chuyển theo một chiều cố định (từ “nóng” sang “lạnh” hoặc ngược lại), ví dụ như lò sưởi, tủ lạnh…

b Bơm nhiệt dùng để làm gì?

Ngoài ra người ta dùng bơm nhiệt (Heat Pump) để di chuyển nhiệt từ một nguồn nhiệt thấp hơn (không khí trong môi trường xung quanh) tới nguồn nhiệt cao hơn (bình chứa nước nóng chẳng hạn) và ngược lại Như vậy: bơm nhiệt là một thiết bị có sử dụng một lượng nhỏ năng lượng để hấp thụ, điều chỉnh nhiệt độ và

di chuyển nó đến nơi mong muốn

II CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI CỦA BƠM NHIỆT

Cấu tạo gồm bốn bộ phận chính: Máy nén, thiết bị bay hơi, thiết bị ngưng tụ,

van tiết lưu

+ Máy nén:

Là bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt có công dụng là hút và đẩy môi chất Cũng như máy lạnh, máy nén là bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt Tất cả các dạng máy nén của máy lạnh đều dược ứng dụng trong bơm nhiệt Đặc biệt quan trọng là may nén pitông trượt, máy nén roto, máy nén xoắn ốc, máy nén trục vít và máy nén tuabin

So sánh với máy nén lạnh, máy nén dùng cho bơm nhiệt có đòi hỏi cao hơn, đặc biệt là các yêu cầu sau đây: Nhiệt độ ngưng tụ đến khoảng 55-800C Nhiệt độ cuối quá trình nén phải cao hơn 100-1300C; như vậy, nhiệt độ dầu cũng phải

cao tương ứng Hiệu suất cao với các điều kiện của bơm nhiệt An toàn khi tải thay đổi Có thể điều chỉnh công suất vô cấp mà không có tổn hao Tiếng ồn thấp

Như vậy, một máy nén bơm nhiệt cần phải đặc biệt chắc chắn, tuổi thọ cao và chạy êm, cần phải có hiệu suất cao trong trường hợp ít hoặc đủ tải Những yêu cầu cũng được thỏa mãn phần nào khi chọn máy nén của máy điều hòa không khí để dùng cho bơm nhiệt Nói chung để nâng cao hiệu quả bơm nhiệt, người ta còn cần tính toán các phần khác nữa như môi chất và các thiết bị trao đổi nhiệt cũng như cách lắp đặt, bố trí Nhưng trong thực tế, nếu như số lượng sản xuất quá ít thì thay đổi công nghệ sản xuất là không kinh tế Bởi vậy, người ta vẫn chọn máy nén cho bơm nhiệt trong các loạt máy nén cho điều hòa không khí được sản xuất nhưng có chú ý đến các yêu cầu đặc biệt của bơm nhiệt để hiệu suất bơm nhiệt được đảm bảo

+ Thiết bị bay hơi:

Là thiết bị nhận nhiệt từ nguồn nhiệt và làm bay hơi môi chất ở áp suất và nhiệt

độ thấp Nhiệm vụ của dàn bay hơi bơm nhiệt là nhận nhiệt của nguồn nhiệt bằng bay hơi lỏng môi chất ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp Dàn bay hơi của bơm nhiệt chủ yếu được chia làm 2 loại là nguồn gió và nguồn nước Nguồn gió thường là dàn bay hơi ống xoắn tĩnh hoặc có quạt với các nguồn nhiệt khác nhau như không khí trong buồn lạnh, không khí môi trường, khí thải công nghiệp, gió thải từ nhà ở, công xưởng, khu thể thao, trường học, gió thải từ các khu chăn nuôi, chuồng trại…

Nguồn nước (có thể là loại vòng kín hoặc vòng hở) có thể chia làm 4 loại như nước mặt (ao, hồ, sông, suối, thành phố…), nước giếng khoan, nước trong vòng tuần hoàn kín, đường ống đặt ngầm trong lòng đất kiểu nằm ngang hoặc thẳng đứng và sản phẩm công nghệ

Sản phẩm công nghệ có thể kể đến là nước hoặc nước muối sử dụng để làm lạnh, điều hòa không khí của bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh, nước thải sinh hoạt hoặc công nghiệp, sản phẩm đỉnh tháp chưng luyện, tách chất, nồi cô đặc… hoặc nước từ bộ thu năng lượng MT

+ Thiết bị ngưng tụ:

Thiết bị ngưng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt giữa môt bên là hơi môi chất ngưng tụ

áp suất cao, nhiệt độ cao với một bên là môi trường ích nhiệt Môi trường ích nhiệt của bơm nhiệt tùy theo nhu cầu sử dụng, chủ yếu có 2 dạng là không khí

và nước Không khí dùng cho sưởi ấm, sấy, hút ẩm…còn nước dùng để đun nước nóng sinh hoạt, nước nóng công nghệ Ngoài ra môi trường ích nhiệt còn

có thể là các sản phẩm công nghệ như hỗn hợp đáy tháp chưng cất, tinh luyện,

Nước, nước muối lạnh công nghệ của bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh Nước thải công nghiệp, sinh hoạt.

Sản phẩm đỉnh tháp chưng cất

Nước từ bộ thu năng lượng MT

Nước mặt, ao, hồ, sông, suối, thành phố…

Nước giếng khoan.

Vòng nước kín đặt trong long đất kiểu nằm ngang và kiểu đứng

Sản phẩm công

Nguồn đất

Nước giếng khoan

Nước mặt

Không khí trong

phòng lạnh (bơm

nhiệt kết hợp nóng

lạnh).

Không khí môi

trường.

Khí thải công

nghiệp.

Gió thải từ nhà ở,

xưởng sản xuất,

khu thể thao,

trường học.

Gió thải từ khu

chăn nuôi, chuồng

trại,…

Nguồn nước

Nguồn

gió

Thiết bị bay hơi của bơm nhiệt

tách chất Cũng giống như thiết bị bay hơi, thiết bị ngưng tụ có 2 dạng là sưởi nóng không khí và đun nước nóng

+ Van tiết lưu:

Đây là bộ phận chính trong hệ thống Chúng có nhiệm vụ là điều tiết lưu chất dung môi từ nơi có áp suất cao, nhiệt độ cao sang một vùng áp suất thấp và nhiệt

độ bay hơi thấp hơn

+ Thiết bị phụ của bơm nhiệt

Tất cả các thiết bị phụ của bơm nhiệt giống như thiết bị phụ của máy lạnh Cũng xuất phát từ yêu cầu nhiệt độ cao hơn nên đòi hỏi về công nghệ gia công, độ tin cậy của thiết bị cao hơn Đây cũng là vấn đề đặt ra đối với dầu bôi trơn, đệm kín các loại môi chất cũng như vật liệu khác 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 nói chung và tự động bảo vệ nói riêng là rất cần

Dàn ống xoắn, bình ngưng ống vỏ…

Dàn ngưng ống lồng, dàn ngưng ống xoắn…

Dàn ống xoắn

có cánh tĩnh và

có quạt

Thiết bị ngưng tụ gia nhiệt sản phẩm công nghệ

Thiết bị ngưng tụ đun nước nóng

Thiết bị ngưng tụ

sưởi ấm không khí

Thiết bị ngưng tụ của bơm nhiệt

thiết và phải hoạt động với độ tin cậy cao để đề 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 Để đáp ứng yêu cầu đó các hãng sản xuất thiết bị tự động đã nghiên cứu chế tạo các loại van tiết lưu cho các môi chất R134a, R22, R407C, R410A Với nhiệt độ bay hơi tới +200C Với nhiệt độ bay hơi trên +200C và đặc biệt với các loại môi chất lạnh khác, việc tìm kiếm được van tiết lưu là tương đối khó khăn Như vậy trong hoàn cảnh Việt Nam, ta chỉ có thể xây dựng các thiết bị thí nghiệm về bơm nhiệt ứng dụng với các loại môi chất thông dụng đó và với nhiệt độ sôi cao nhất khoảng +200C

+ Môi chất và cặp môi chất

Môi chất dùng cho bơm nhiệt cũng tương tự như mối chất dùng cho máy lạnh, các cặp môi chất cũng vậy

Phân loại máy bơm nhiệt: được dựa vào các đặc tính như sau.

a Dựa vào công nghệ bơm nhiệt

Dựa trên công nghệ Heatpump, dòng máy bơm nhiệt nước nóng được chia thành hai loại chính: Địa nhiệt và Khí nhiệt

Máy nước nóng Heatpump loại Địa nhiệt: Là máy nước nóng sử dụng nhiệt độ

từ sâu trong lòng đất, thông qua công nghệ Heatpump để làm nóng nước Khi lắp đặt, người ta sẽ phải khoan một đường ống xuống sâu để lấy nhiệt độ Dòng máy nước nóng này chủ yếu được sử dụng tại các đất nước có nhiệt độ lạnh quanh năm, không thể sử dụng loại khí nhiệt Thế nên, ở nước ta, không có đơn

vị nào cung cấp do vị trí lắp đặt bắt buộc phải ở chân tòa nhà khiến cho chi phí lắp đặt cũng cao hơn rất nhiều so với dòng khí nhiệt

Máy nước nóng Heat pump loại khí nhiệt: Là máy bơm nhiệt sử dụng nhiệt độ ngoài môi trường không khí, thông qua công nghệ Heat pump để truyền nhiệt làm nóng nước Khi lắp đặt, chỉ cần có không khí thông thoáng để cho máy có thể hút gió là hoàn toàn có thể sử dụng, không phụ thuộc vào vị trí lắp đặt, có thể trên mái, trong phòng kỹ thuật hay dưới chân nhà Dòng máy bơm nhiệt Heat pump này rất được ưa chuộng tại Việt Nam nhờ tận dụng được ưu thế khí hậu nóng ẩm mà tiết kiệm được chi phí lắp đặt

b Dựa vào công năng: Dựa vào công năng thì máy nước nóng trung tâm Heat

pump được chia thành 3 loại chính: Loại gia đình, Loại dành riêng cho bể bơi, Loại thương mại công nghiệp

c Dựa vào cấu tạo: Có 3 nhóm bơm nhiệt chính: Bơm nhiệt có máy nén cơ.

Bơm nhiệt hấp thụ gồm 3 loại là (hấp thụ, biến thế nhiệt và tái hấp thụ) Bơm nhiệt kiểu ejector

III NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG (Bổ sung phần chu trình)

Chu trình bơm nhiệt nén hơi

Đây là dạng bơm nhiệt quan trọng nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất trong tất

cả các lĩnh vực kinh tế, đặc biệt là để sưởi ấm trong điều hòa không khí dân dụng và công nghiệp, chuẩn bị nước nóng, sấy nhiệt độ thấp, hút ẩm, thu hồi nhiệt thải…để đáp ứng các nhu cầu năng lượng ở nhiệt độ thấp

a Bơm nhiệt nén hơi chu trình Carnot.

Bơm nhiệt gồm 4 thiết bị là máy nén, dàn ngưng tụ, máy dãn nở, dàn bay hơi Môi chất vào là đơn chất hoặc hỗn hợp đồng sôi Nếu biểu diễn trên đồ thị T-s thì chu trình là một hình chữ nhật với 2 quá trình đoạn nhiệt và đẳng nhiệt xen kẽ:

1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén: s1=s2

2-3 là quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt trong dàn ngưng: T2=T3

3-4 là quá trình dãn nở đoạn nhiệt trong máy dãn nở: s3=s4

4-1 là quá trình bốc hơi đoạn nhiệt trong dàn bay hơi: T4=T1

Ưu điểm: chu trình bơm nhiệt ngược chiều được coi là chu trình lý tưởng vì có

hệ số nhiệt cao nhất so với chu trình khô, hồi nhiệt…trừ chu trình Lorenz

Nhược điểm: không xác định được rõ rang trạng thái hơi hút vào máy nén, vì nó nằm trong vùng hơi ẩm nên nguy cơ hút phải lỏng gây va đập thủy lực phá hỏng máy nén là rất lớn Máy dãn nở cồng kềnh, giá thành cao mà công hữu ích thu được không đáng kể, do đó chu trình này không được sử dụng trong thực tế

b Bơm nhiệt nén hơi chu trình khô.

Trong thực tế, người ta sử dụng chu trình khô vì nó khắc phục được nhược điểm vận hành của chu trình Carnot bằng cách cho máy nén hút hơi bão hòa khô và thay máy dãn nở bằng van tiết lưu Do đó bơm nhiệt bớt cồng kềnh, đơn giản, dễ vận hành, giá thành thấp và an toàn

Để cải thiện hệ số lạnh, giảm công nén của máy nén để tiết kiệm năng lượng, nhà bác học Lorenz đã hoàn thiện chu trình Carot ngược chiều và đạt được hệ số bơm nhiệt cao hơn 10 đến 40% Lorenz đưa ra ý tưởng trượt nhiệt độ sôi của chất tải lạnh và trượt nhiệt độ ngưng tụ của chất tải nhiệt trong thiết bị bay hơi

và ngưng tụ

Thay quá trình 2-3 đẳng nhiệt bằng quá trình 2-3’; thay quá trình 4-1 bằng quá trình 4-1’

c Bơm nhiệt kiểu hấp thụ

Bơm nhiệt hấp thụ cũng là một dạng quan trọng sau bơm nhiệt nén hơi, có năng suất lớn thường được sử dụng trong công nghiệp

Có chu trình hoạt động như sau:

Chu kỳ của môi trường hấp thụ: tại giao điểm của P1 / T2, năng lượng nhiệt được thêm vào máy phát của bơm nhiệt Kết quả là chất làm lạnh bị bay hơi ra khỏi môi trường hấp thụ ở áp suất cao Môi trường hấp thụ được giảm áp suất khi sử dụng thiết bị giãn nở và chảy về phía thiết bị hấp thụ Bên trong chất hấp thụ NH3 khí được hấp thụ (giao điểm P0 / T1) Do quá trình hấp thụ, nhiệt hữu ích được giải phóng ở nhiệt độ trung gian Áp suất của hỗn hợp tăng hơn khi bơm và chảy trở lại máy phát Để tăng hiệu quả, một bộ trao đổi nhiệt bên trong được sử dụng để làm nóng trước hỗn hợp lạnh với hỗn hợp nóng

Chu trình lạnh: Tại giao điểm của P1 / T2, năng lượng nhiệt được thêm vào máy phát của bơm nhiệt Kết quả là chất làm lạnh bị bay hơi ra khỏi môi trường hấp thụ ở áp suất cao Khí chảy về phía tụ Bên trong thiết bị ngưng tụ, NH3 giải phóng nhiệt ra môi trường của nó và sẽ ngưng tụ Amoniac lỏng hơn áp suất thấp hơn bên trong thiết bị giãn nở và chảy về phía thiết bị bay hơi Ở nhiệt độ

thấp (tại điểm giao nhau P0 / T0) nhiệt được thêm vào Amoniac và Amoniac sẽ bốc hơi Nhiệt thải có thể được sử dụng làm nguồn nhiệt, nhưng cũng có thể sử dụng thiết bị bay hơi cho mục đích làm mát NH3 khí hơn chảy về phía chất hấp thụ nơi nó được hấp thụ trong nước Do sự hấp thụ nhiệt hữu ích được giải phóng

Bơm nhiệt hấp thụ với khí tự nhiên làm nguồn nhiệt có sẵn trên thị trường Để sản xuất nhiệt hữu ích ở nhiệt độ tối đa 70 ° C và làm mát bình ngưng bằng nước hoặc không khí, hiệu suất đạt xấp xỉ 150% Nói cách khác: việc bổ sung 1 kWh khí đốt tự nhiên dẫn đến việc sản xuất 1,5 kWh nhiệt

IV Ứng dụng của bơm nhiệt.

+ Trong dân dụng: Với tính năng tiết kiệm và an toàn cao, bơm nhiệt được áp dụng trong dân dụng sẽ đảm bảo nhu cầu nước nóng quanh năm với chi phí ít hơn khoảng 65% so với sử dụng bình nước nóng dun điện thông thường Một số loại máy bơm nhiệt của Midea còn được kết hợp giữa việc làm nước nóng và điều hòa đảm bảo cả nhu cầu làm mát, sưởi ấm và nước nóng quanh năm với chi phí thấp nhất

+ Trong thương mại và công nghiệp: Trong thương mại và công nghiệp, bơm nhiệt (Heat Pump) rất thích hợp ứng dụng cho những nghành cần lượng nước nóng lớn như khách sạn, khu tổ hợp chung cư, nhà máy sản xuất thực phẩm, nhà hàng, xưởng giặt là và bệnh viện Với việc sử dụng nước nóng thường xuyên, chi phí điện năng, dầu là rất lớn Áp dụng công nghệ bơm nhiệt sẽ góp phần tiết kiệm đáng kể chi phí khổng lồ trên qua đó giúp giảm giá thành, tăng khả năng cạnh tranh, tăng lợi nhuận

+ Ứng dụng trong công nghệ sấy bơm nhiệt: là hệ thống sử dụng thiết bị bơm nhiệt kết hợp với điện trở gia nhiệt phụ, kèm theo hệ thống tách ẩm hơi nước

V UU NHƯỢC ĐIỂM CỦA MÁY BƠM NHIỆT

Ưu điểm

+ Ưu điểm 1: Tiết kiệm 70 – 80% điện năng và hiệu suất trao đổi nhiệt cao được đánh giá qua chỉ số COP

Năng lượng không khí xung quanh là nguồn nhiên liệu chính mà bơm nhiệt dùng để sản xuất nước nóng chiếm đến 80% Điện năng chỉ được sử dụng để vận hành hệ thống thiết bị hỗ trợ Cho nên giải pháp sử dụng bơm nhiệt trở nên cực kỳ tiết kiệm và có lợi cho chủ đầu tư

Để biết chắc chắn một bơm nhiệt có tiết kiệm điện hay không, bạn hoàn toàn có thể thông qua thông số kỹ thuật của bơm nhiệt, và một trong số đó là chỉ số COP Vậy chỉ số COP là gì? Có tác động như thế nào đến sự tiết kiệm điện của bơm nhiệt?

COP trên bơm nhiệt là: Chỉ số COP – viết tắt của Coeficient of Performance là

hệ số hiệu quả năng lượng Để phân biệt hệ số làm lạnh và hệ số bơm nhiệt, khi tính COP người ta dùng thêm ký hiệu “cooling” khi tính hiệu quả năng lượng cho mục đích làm lạnh, và dùng “heating” cho mục đích sưởi ấm/gia nhiệt Công thức tính chỉ số COP là:

COPcooling = Q0/N

Trong đó Q0 – Năng suất lạnh hữu ích thu được ở dàn bay hơi Q0 (kW)

N – Điện năng tiêu tốn (kW)

COPheating = COPcooling + 1 = Qk/N

Trong đó Qk – Năng suất nhiệt hữu ích thu được ở dàn ngưng tụ Qk (kW)

N – Điện năng tiêu tốn (kW)

Chỉ số hiệu quả năng lượng dùng để phán ánh chính xác hiệu quả sử dụng năng lượng điện để biến thành nhiệt lượng (có thể làm mát hoặc sưởi ấm không khí) Nhìn chỉ số COP ở đâu trên bơm nhiệt?

Ở hầu hết trên các catalog của các dòng bơm nhiệt được bán ra trên thị trường đều có ghi hệ số hiệu quả năng lượng, nhưng bạn cũng lưu ý là hệ số hiệu quả này được đo khi “máy nén hoạt động 100% công suất”

Hoặc nếu như trên một bơm nhiệt nào đó không ghi rõ thì bạn có thể cũng tự tính được dựa vào công thức trên đây, nhưng bạn cần lưu ý là đơn vị của năng suất lạnh là kW chứ không phải là BTU như khi tính chỉ số EER

Để quy đổi đơn vị từ BTU sang kW thì chúng ta có tỉ lệ: 3,516 kW = 12000 btu

= 1ton

Như vậy, lấy ví dụ cho một bơm nhiệt có công suất làm lạnh là 9000btu, công suất tiêu thụ điện của loại này là 800W, thì khi đó, từ công thức ta có thể tính được chỉ số COP của máy lạnh đó là bằng 3,29

Bơm nhiệt có chỉ số COP bao nhiêu là tiết kiệm điện

Với mỗi loại bơm nhiệt khác nhau, thì chỉ số COP cũng không giống nhau, cụ thể:

Máy bơm nhiệt làm lạnh trực tiếp (bơm nhiệt dân dụng) thì chỉ số COP từ 2,7 trở lên là tiết kiệm điện

Đối với bơm nhiệt tòa nhà, bơm nhiệt thương mại thì chỉ số COP từ 3,8 là tiết kiệm điện

Đối với bơm nhiệt bể bơi thì chỉ số COP dao động từ 3,8 – 4,5

Do đó, tùy thuộc vào từng loại bơm nhiệt mà bạn mua cũng như các thông số kỹ thuật trên máy bơm nhiệt mà bạn kết luận được bơm nhiệt mà bạn mua có tiết kiệm điện hay không