Nghiên cứu thực nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng dàn lạnh không khí trong điều kiện việt nam

và xem xét đến công suất và tần suất sử dụng của các thiết bị này trong gia đình, chúng ta có thể ước lượng tương đối tỷ lệ năng lượng sử dụng cho cấp nước nóng vào khoảng 12 – 20% tổng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ĐÌNH VỊNH

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG DÀN LẠNH

KHÔNG KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ NHIÊT- LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

T.S HÀ ĐĂNG TRUNG

HÀ NỘI - 2005

LỜI CẢM ƠN

Bản luận văn này được thực hiện tại Bộ môn Kỹ thuật lạnh và Điều hòa không khí, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn thày giáo TS Hà Đăng Trung đã hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình thực hiện bản luận văn này Tôi xin gửi lời cảm ơn đến GS TSKH Đặng Quốc Phú đã cho tôi những ý kiến và kinh nghiệm nghiên cứu khoa học quý báu Tôi xin cảm ơn

TS Nguyễn Nguyên An đã cho ý kiến đóng góp và giúp đõ để tôi hoàn thành bản luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Xuân Tiên và tập thể cán bộ Bộ môn Kỹ thuật lạnh và Điều hòa không khí đã tạo điều kiện và thời gian để tôi thực hiện bản luận văn này Tôi xin cảm ơn Bác Nguyễn Đăng Nhâm, cán bộ hưu trí của bộ môn, sinh viên Nguyễn Thế Mạnh đã giúp đỡ tôi trong việc xây dựng thí nghiệm.Tôi xin cảm ơn những người bạn đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ và gia đình tôi, những người luôn bên tôi, luôn ủng hộ và động viên tôi cả về vật chất lẫn tinh thần

để tôi được như ngày hôm nay Tôi xin dành tặng bản luận văn này cho bố mẹ

và gia đình tôi thay cho lời cảm ơn của mình

LỜI CAM KẾT

Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của thày giáo TS Hà Đăng Trung Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài những tài liệu tham khảo đã liệt kê, tôi cam đoan không sao chép các công trình hoặc thiết kế tốt nghiệp của người khác

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2005

Nguyễn Đình Vịnh

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

ASHRAE Hiệp hội lạnh, điều hòa không khí và sưởi ấm Mỹ

 l

Re =

MỞ ĐẦU

1 Vai trò của hiệu quả sử dụng năng lượng

Như chúng ta đã biết, giá và nguồn cung cấp nhiên liệu đang là một vấn đề nóng bỏng hiện nay Giá xăng dầu cũng như khí đốt đã cao nhất trong lịch sử tới giờ, giá dầu thô đã đạt đỉnh điểm 60 USD/thùng vào tháng trước, tăng hơn 2 lần so với 15 năm trước Giá than cũng tăng mạnh trong vài năm trở lại đây Nền kinh tế của chúng ta cũng như của thế giới liên tục tăng trưởng mạnh kéo theo nhu cầu năng lượng tăng lên không ngừng Sự leo thang của giá nhiên liệu cũng kéo theo giá điện tăng cao không ngừng do hơn 2/3 công suất cấp điện là từ các nhà máy nhiệt điện Các chuyên gia năng lượng dự đoán rằng giá nhiên liệu sẽ vẫn còn ở mức cao như hiện nay trong những năm tới do nhu cầu năng lượng tiếp tục tăng cao cũng như sự hạn chế khả năng cung cấp năng lượng hiện tại Rõ ràng rằng chưa bao giờ việc sử dụng năng lượng một cách hiệu quả đóng vai trò quan trọng như hiện nay trong chính sách cân bằng năng lượng và ổn định phát triển kinh tế

Vai trò của hiệu quả sử dụng là rất to lớn và không thể phủ nhận được Hiệu quả sử dụng năng lượng đóng góp vai trò to lớn đối với sự phát triển kinh tế xã hội và nâng cao mức sống của mỗi quốc gia Chính sách và ứng dụng nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của nước Mỹ từ năm 1973 đến năm 2002 đã tiết kiệm khoảng 26 quadrillion Btu (khoảng 23.810.000 MJ), tương đương với khoảng 26% lượng năng lượng sử dụng, nhiều hơn năng lượng hàng năm có được từ than, khí thiên nhiên và dầu của nước Mỹ Mức tiêu thụ năng lượng (năng lượng sử dụng trên GDP) của nước Mỹ giảm 43%

từ năm 1973 đến 2001, khoảng 60% trong số này là nhờ vai trò của việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, phần còn lại do sự thay đổi cấu trúc nền kinh tế và việc chuyển đổi nguồn năng lượng sử dụng Từ năm 1996 đến

2002, GDP của nước Mỹ tăng 21% trong khi nguồn năng lượng thô sử dụng chỉ tăng 2% [14, 19]

Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng là một yếu tố thiết yếu của một nền kinh tế ổn định và phát triển Nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng kìm hãm sự tăng trưởng nhu cầu năng lượng Nếu nhu cầu năng lượng tăng quá nhanh, các hệ thống và nguồn cung cấp năng lượng không thể phát triển kịp, làm cho giá nhiên liệu tăng cao, gây ra khả năng thiếu hụt năng lượng và khó khăn cho nền kinh tế Điều này luôn đúng cho dù năng lượng sử dụng có thể

là nhiên liệu hoá thạch, năng lượng hạt nhân hay các nguồn năng lượng tái sinh Chúng ta chỉ có một trữ lượng nhiên liệu, đất đai và tiền của rất hạn chế

để phát triển hạ tầng cung cấp năng lượng Cho dù có nguồn năng lượng như

“rừng vàng biển bạc” thì cũng sẽ đến lúc cạn kiệt nếu chúng ta không sử dụng chúng một cách hiệu quả Hiệu quả sử dụng năng lượng đã và sẽ là bí quyết thành công của mọi nền kinh tế năng lượng ổn định và vững mạnh

Mặc dù hiệu quả sử dụng năng lượng đã cao hơn nhiều so với 25 năm trước, nhưng vẫn còn rất nhiều tiềm năng nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng có thể phát triển và ứng dụng trong những năm tới Nâng cao hiệu quả

và tiết kiệm sử dụng năng lượng có thể giảm nhu cầu sử dụng năng lượng quốc gia của nước Mỹ đến 11% vào năm 2010 và 20% vào năm 2020 [19] Hàng loạt các bài báo nghiên cứu gần đây về kỹ thuật, kinh tế và tiềm năng thực tế để tiết kiệm năng lượng ở nước Mỹ của Uỷ ban kinh tế năng lượng hiệu quả Mỹ (ACEEE) cho thấy, nâng cao hiệu quả và tiết kiệm năng lượng

có thể giảm nhu cầu sử dụng điện và khí đốt của Mỹ đến 20% hoặc hơn thế [19] Khả năng tiết kiệm năng lượng cũng có thể được kiểm chứng bằng kinh nghiệm của bang California, Mỹ vào năm 2001 Trước năm 2001, California

là 1 trong số ít các bang sử dụng năng lượng hiệu quả nhất (xếp thứ 5 trong toàn nước Mỹ) Để giảm áp lực do nhu cầu sử dụng điện tăng cao, các giải

pháp tiết kiệm và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng đã được áp dụng cho các hộ gia đình và doanh nghiệp đã giảm nhu cầu sử dụng điện đến 6,7% vào mùa hè 2001 so với năm trước đó, trung bình tiết kiệm được 3 cents/kWh (khoảng 450 Đ/kWh) Chúng ta sẽ thấy hiệu quả tiết kiệm năng lượng này còn lớn hơn nhiều lần nếu đem so với giá thành bán điện ở California là 8.41 cents/kWh (khoảng 1260 Đ/kWh) [14, 19]

2 Nhu cầu sử dụng năng lượng trong hộ gia đình

Theo số liệu của Uỷ ban năng lượng Mỹ, tổng năng lượng tiêu thu trong các hộ gia đình tại Mỹ năm 2001 là 20,12 quadrillion Btu (tương đương 19.162.000 MJ) Hình 1 biểu diễn tỷ lệ năng lượng sử dụng cho trang thiết bị

trong hộ gia đình ở Mỹ, trong đó năng lượng sử dụng cho thiết bị cấp nước nóng chiếm tới 17% tổng lượng năng lượng sử dụng Năng lượng sử dụng

để cấp nước nóng chỉ đứng thứ 2 sau năng lượng sử dụng cho sưởi ấm tiện nghi

Theo số liệu thống kê của Tổng cục thống kê, tổng sản lượng điện tiêu thụ năm 2004 của nước ta là 39.596 triệu kWh, trong đó 45,18 % (tương

Tổng năng lượng sử dụng năm 2001:

20,12 quadrillion Btu

Điều chỉnh, 3%

Các thiết bị khác, 4%

Làm mát, 10%

Tủ lạnh, 9%

Chiếu sáng, 12%

Cấp nước nóng, 17%

Sưởi ấm, 30%

Nước sinh hoạt, 5%

đương 17.889 triệu kWh) cho công nghiệp và xây dựng, 44,49% (17616 triệu kWh) cho quản lý tiêu dùng dân cư [6] Chúng ta chưa có nghiên cứu thống

kê cụ thể về tỷ lệ sử dụng năng lượng trong hộ gia đình Tuy nhiên, nếu liệt

kê các trang thiết bị sử dụng thiết yếu trong gia đình điển hình tại các thành phố lớn, chúng ta có thể kể đến như đèn chiếu sáng, bếp ga, quạt, bình nước nóng, máy giặt, bàn là, bơm nước, tivi, tủ lạnh hay các thiết bị ít phổ biến hơn như máy điều hoà không khí, máy tính, bếp điện, lò vi sóng, máy xay sinh tố và xem xét đến công suất và tần suất sử dụng của các thiết bị này trong gia đình, chúng ta có thể ước lượng tương đối tỷ lệ năng lượng sử dụng cho cấp nước nóng vào khoảng 12 – 20% tổng năng lượng sử dụng trong gia đình (chỉ đứng thứ 2 sau đun nấu) Giá trị này cũng tương đối phù hợp với Tiêu chuẩn Việt Nam về thiết kế cấp điện, nước, khí đốt cho công trình dân dụng

Thiết bị cấp nước nóng cho gia đình, chủ yếu là bình nước nước nóng

sử dụng điện trở gia nhiệt, khí đốt hay gần đây mới có là thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời, cũng chỉ đã và đang phổ biến hạn chế ở các thành phố, thị xã lớn ở nước ta Cùng với sự tăng trưởng của nền kinh tế xã hội, mức sống và nhu cầu tiện nghi sinh hoạt của nhân dân được nâng cao mở

ra thị trường sử dụng thiết bị cấp nước nóng trong nước là rất lớn

Như vậy sử dụng thiết bị cấp nước nóng có hiệu quả cao sẽ tiết kiệm đáng kể năng lượng sử dụng trong hộ gia đình nói riêng và giảm đáng kể nhu cầu năng lượng quốc gia nói chung

3 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và ý nghĩa khoa học của đề tài

Việt Nam chúng là một nước nhiệt đới có khí hậu nóng ẩm, mưa nhiều

Vị trí địa lý nước ta tạo ra sự khác biệt rõ rệt khí hậu hai miền Nam, Bắc Miền Nam khí hậu nắng nóng, ẩm và chia hai mùa mưa, mùa khô rõ rệt Miền

Bắc khí hậu nóng ẩm, mưa nhiều về mùa hè, ẩm và không quá lạnh về mùa đông, thời tiết giao mùa rất dài và ẩm Nhu cầu về sưởi ấm, khử ẩm và làm lạnh ở miền Bắc, cũng như nhu cầu về làm lạnh và khử ẩm ở miền Nam là rất lớn

Thiết bị bơm nhiệt đã được biết đến từ lâu và được ứng dụng trong hàng loạt các ứng dụng tiết kiệm năng lượng như sưởi ấm, sấy nhiệt độ thấp… Thiết bị bơm nhiệt có thể sử dụng nhiều nguồn nhiệt cấp như địa nhiệt, năng lượng mặt trời, nước và không khí Việc sử dụng bơm nhiệt để đun nước nóng đang được nghiên cứu nhiều trên thế giới và có những kết quả đáng khích lệ Hàng loạt các công trình nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn cho thấy, hiệu quả sử dụng năng lượng của bơm nhiệt nói chung và bơm nhiệt đun nước nóng nói riêng có thể tiết kiệm 50 – 70% năng lượng sử dụng so với các thiết bị cùng ứng dụng nói chung, thiết bị đun nước nóng thông thường như bình nước nóng sử dụng điện trở gia nhiệt, bình nước nóng sử dụng khí đốt… nói riêng [22]

Trong tất cả các nguồn nhiệt cấp cho bơm nhiệt, không khí là nguồn nhiệt cấp quan trọng và phù hợp hơn cả với đặc thù khí hậu của nước ta Bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng nguồn cấp nhiệt là không khí, ngoài việc sử dụng nước nóng cho nhu cầu nước nóng sinh hoạt đang ngày càng tăng, còn

có thể sử dụng cả không khí sau khi đã bị thiết bị lấy đi nhiệt và tách ẩm trong nó để sử dụng cho mục đích khử ẩm và làm lạnh, một nhu cầu rất lớn trong điều kiện khí hậu nước ta Hơn tất cả những lý do và ý nghĩa đó tôi

chọn đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng dàn lạnh không khí trong điều kiện Việt Nam”, một đề tài có ý nghĩa và khả

năng thực tiễn lớn, góp phần nhỏ bé vào việc thực hiện chính sách tiết kiệm

và nâng cao hiệu qủa sử dụng năng lượng ở nước ta

Chương 1 - TỔNG QUAN

1.1 Các loại bình nước nóng trong công nghiệp và dân dụng

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều các loại bình nước nóng được sử dụng trong dân dụng và công nghiệp, với công suất khác nhau và sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau Bình đun nước nóng dùng điện trở gia nhiệt là loại bình phổ biến nhất trên thị trường, nhưng có chi phí vận hành cao nhất Bình nước nóng sử dụng khí đốt có chi phí vận hành thấp hơn, hiện cũng chưa phổ biến và chỉ áp dụng ở những nơi có nguồn cung cấp khí đốt Bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có chi phí vận hành rất thấp nhưng giá thành vẫn còn ở mức cao và khả năng cung cấp nước nóng phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết Các hệ thống thu hồi nhiệt thải rất phức tạp và chỉ mới được áp dụng trong quy mô công nghiệp hay dân dụng có như cầu phụ tải lớn Việc lựa chọn thiết bị cấp nước nóng phù hợp và hiệu quả phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nhu cầu nước nóng sử dụng, chi phí đầu tư ban đầu, khả năng cung cấp và loại nhiên liệu sử dụng, điều kiện thời tiết khu vực…

1.1.1 Bình nước nóng sử dụng điện trở gia nhiệt

Bình đun nước nóng sử dụng điện trở gia nhiệt là thiết bị phổ biến nhất Thiết bị sử dụng thanh đốt là điện trở ngập trong nước để đun nước nóng và

có hai loại: Loại bình nước nóng tích nhiệt có dung tích 30 lít, 50 lít dùng cho gia đình và loại đun nước nóng tức thời theo nhu cầu nước nóng sử dụng Loại bình nước nóng tích nhiệt có khả năng cung cấp nước nóng ổn định hơn nhưng tốn năng lượng hơn do có tổn thất nhiệt ra môi trường từ vỏ bình ngay

cả khi không có nhu cầu dùng nước nóng Hệ số sử dụng năng lượng của thiết

bị cũng chỉ đạt tối đa 0,95 – 0,97 nên có chi phí vận hành của thiết bị là cao nhất

1.1.2 Bình nước nóng sử dụng khí đốt (gas)

Thay cho bình nước nóng sử dụng điện trở có chi phí vận hành cao, bình nước nóng sử dụng khí đốt là một lựa chọn tốt hơn nhiều Theo cách thoát khói, có thể chia ra hai loại bình nước nóng dùng khí đốt Một loại khói thải của thiết bị thải ra ngoài bằng thông gió tự nhiên và loại kia thải khói trực tiếp Trong loại thải khói trực tiếp sử dụng quạt để cấp không khí cho sự cháy của khí đốt và đẩy khói thải ra ngoài Loại thiết bị này được chia làm hai loại, Một loại quạt lấy gió từ ngoài trời còn loại kia lấy gió trong nhà để cấp cho sự cháy Khói thải đều được đưa ra ngoài qua ống khói

Bình nước nóng sử dụng khí đốt thải khói trực tiếp an toàn hơn nhiều

so với loại thải khói tự nhiên Trong nhà kín việc thải khói tự nhiên có thể dẫn đến sự tuần hoàn trở lại của khói thải trong nhà (có thể do cả chiều dài ống khói quá dài), gây ra khả năng mất an toàn mà loại thải khói trược tiếp không gặp phải

Cũng giống như bình nước nóng sử dụng điện trở, bình nước nóng sử dụng khí đốt có hai loại: Loại tích nhiệt (có bình chứa) và loại tức thời theo nhu cầu nước nóng sử dụng.Với loại có bình chứa (tích nhiệt) thì cũng có tổn thất nhiệt qua vỏ bình cả khi không có nhu cầu dùng nước nóng giống như bình nước nóng sử dụng điện trở Với loại tức thời thì giảm được tổn thất trên nhưng lại tốn khí đốt để cháy mồi trong thời gian sử dụng

1.1.3 Bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời

Ưu điểm hơn hẳn hai loại trên ở chi phí vận hành rất thấp, bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời là loại bình nước nóng mới được đưa vào

sử dụng và đang dần phổ biến Thiết bị sử dụng bức xạ mặt trời để đun nóng nước Có hai loại thiết bị đun nước nóng trực tiếp và đun nước nóng gián tiếp

Ở loại bình đun nước nóng trực tiếp, là các hệ hở, nước được đun nóng trực

tiếp trong tấm thu năng lượng mặt trời, đưa đến bình chứa hoặc vòi nước để

sử dụng Còn ở bình nước nóng gián tiếp, tấm thu năng lượng mặt trời nung nóng môi chất trung gian, cũng có thể là nước Môi chất trung gian này được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt, có thể bằng bơm, ống nhiệt hay đối lưu tự nhiên, để cấp nhiệt cho nước sử dụng cho sinh hoạt Môi chất trung gian tuần hoàn kín trong hệ thống để chuyển năng lượng (nhiệt năng) thu được trong tấm thu năng lượng cho nước sử dụng cho sinh hoạt Thiết bị loại này đã được ứng dụng tại nhiều thành phố của Australia như Perth, Sydney, Melbourne, Brisbane, Adelaide với hiệu quả tiết kiệm năng lượng đạt 35 – 45%

1.1.4 Bình nước nóng sử dụng lò hơi và bộ trao đổi nhiệt

Đây là hệ thống cấp nhiệt sử dụng trong công nghiệp và các toà nhà lớn hay hệ thống cung cấp năng lượng trung tâm Lò hơi thường sử dụng nhiên liệu là khí đốt, dầu diezen hay than để sản xuất hơi (thường là hơi bão hoà) Hơi này được đưa đến các thiết bị trao đổi nhiệt, thường là loại ống xoắn, để đun nước nóng cấp cho sinh hoạt hay sưởi ấm tiện nghi Nước nóng, thường

là nước tuần hoàn, được bơm bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt, nhận nhiệt từ hơi bão hoà rồi đi đến các hộ sử dụng nước nóng, phần dư còn lại được tuần hoàn trở lại Nước lạnh bổ sung vào hệ thống nước nóng tuần hoàn theo nhu cầu sử dụng nước nóng Hơi bão hoà từ lò hơi cũng đồng thời được cấp cho các thiết bị giặt là

1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng bơm nhiệt đun nước nóng trên thế giới

Các thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng đã được nghiên cứu và ứng dụng

từ những năm đầu của thập niên 80 tai Mỹ và Australia Trường kỹ thuật Tổng hợp Melbourne kết hợp cùng Công ty Siddons Ramset Ltd thành lập

Trung tâm nghiên cứu Siddons và chi ra nhiều triệu đôla để nghiên cứu và quảng cáo thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng có thể tiết kiệm năng lượng đến 70% so với bình nước nóng sử dụng điện trở Trung tâm nghiên cứu này đã được cổ phần hoá cho các nhân viên của trung tâm và thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng được đưa ra thi trường với tên thương mại là Quantum Do khủng hoảng kinh tế và ảnh hưởng của toàn cầu hoá, Quantum đã được bán cho Singapore với giá 1,5 triệu đôla Mỹ Một số khách sạn lớn ở Singapore như Khách sạn Raffles đã sử dụng thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng này Hiện nay ở Australia cũng có hãng sản xuất thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng với tên thương mại Solitaire và được triển lãm tại Hội trợ quốc tế hàng công nghiệp Việt Nam, Thành phố Hồ Chí Minh tháng 10 năm 2004

Cùng thời gian này tại Mỹ cũng đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thành công thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng Do các thiết bị này thời gian đầu chưa có được độ tin cậy trong vận hành do chưa được thử nghiệm nên thị trường thiết bị này đã bị co hẹp nhiều, từ khoảng 10000 sản phẩm trong những năm 1980, đến những năm 2000 chỉ còn vài trăm sản phẩm được bán

ra Năm 2002 Uỷ ban nghiên cứu và phát triển năng lượng New York (NYSERDA) đã thực hiện chương trình nghiên cứu và thử nghiệm thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng trên toàn bang California Chương trình kết thúc vào 15 tháng 4 năm 2004 để thử nghiệm độ tin cậy và hiệu quả của thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng, đồng thời mở rộng thị trường cho thiết bị này với tên thương mại Watter$aver Hệ số sử dụng năng lượng của thiết bị COP đạt 2,4 (tiết kiêm năng lượng khoảng 50 – 60%) [6, 10, 11, 14]

Hiệu quả sử dụng năng lượng của thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng là

có thể dễ dàng thấy được, tuy nhiên hiện tại các thiết bị loại này giá thành còn cao, khoảng 800 đến 1500 Đô la Mỹ tuỳ loại và hãng sản xuất Các thiết bị

bơm nhiệt đun nước nóng đang được đưa vào chương trình tiết kiệm năng lượng của Mỹ và Australia

1.2.1 Các loại bình đun nước nóng dùng bơm nhiệt

Hàng loạt các kiểu bơm nhiệt đun nước nóng đang được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng Trong các loại này có thể kể đến:

1.2.1.1 Thiết bị đun nước nóng có dàn lạnh không khí

Đây là loại phổ biến nhất với 2 loại: Loại tích nhiệt và loại làm việc liên tục Với loại tích nhiệt được chia làm 2 loại: Loại dàn lạnh có quạt và loại dàn lạnh tự nhiên (không có quạt) Loại này đang được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng ở Mỹ, Australia và Singapore với các tên thương mại như E-tech, Nyle, Watter$aver (Mỹ), Solitaire (Australia), Quantum (Singapore)… Ưu điểm nổi bật của loại này là thiết bị đồng bộ lắp ráp và nạp môi chất tại nhà máy, lắp đặt tại hiện trường chỉ cần nối ống nước nên rất đơn giản, dễ dàng vận hành Với loại có quạt ở dàn lạnh còn được ứng dụng đồng thời làm thiết bị khử

ẩm hay điều hòa tiện nghi nên hệ số sử dụng năng lượng còn cao hơn nhiều

Các thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng làm việc liên tục thường được ứng dụng trong các hệ thống lớn và quy mô công nghiệp Bình ngưng có dạng ống lồng ống Nước được bơm qua thiết bị liên tục và được chứa trong một bình tích nhiệt bên ngoài hoặc sử dụng liên tục như cấp nhiệt cho bể bơi Các thíết bị này thường có dàn lạnh không khí hoặc sử dụng địa nhiệt

1.2.1.2 Thiết bị đun nước nóng có dàn lạnh dùng năng lượng mặt trời

Loại này có dàn lạnh dạng tấm thu năng lượng mặt trời Môi chất bay hơi trong tấm thu năng lượng mặt trời cấp nhiệt cho thiết bị bơm nhiệt Đặc điểm cơ bản của loại này đó là môi chất bay hơi ở nhiệt độ cao hơn, nâng cao được tuổi thọ của thiết bị và không tốn công của quạt dàn lạnh Nhược điểm cơ bản của thiết bị là phức tạp trong lắp đặt khi phải nạp môi chất tại hiện trường như máy điều hoà không khí hai cục Thiết bị loại này được nghiên cứu và ứng dụng nhiều tại Singapore

và Australia với các tên thương mại như Solitaire (Australia), Quantum (Singapore)…

1.2.2 Các vấn đề còn tồn tại

Các nghiên cứu và thử nghiệm vẫn đang được tiếp tục tiến hành tại Mỹ, Australia… để nâng cao hiệu quả, độ tin cậy của thiết bị cũng như các chương trình tiết kiệm năng lượng, mở rộng thị trường sử dụng thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng tại các nước này Việc nghiên cứu thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng ở nước ta còn đang rất hạn chế, hay có thể nói chưa có các nghiên cứu về loại thiết bị này Thực hiện nghiên cứu thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng trong điều kiện nước ta là một sự đón đầu công nghệ mới của thế giới và

mở ra khả năng sản xuất và đưa vào ứng dụng thiết bị này tại Việt Nam

Chương 2 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG 2.1 Chu trình nhiệt động của bơm nhiệt

Giống với chu trình nhiệt động của các máy điều hoà không khí hay tủ lạnh, chu trình nhiệt động của thiết bị bơm nhiệt cũng được biểu diễn trên đồ thị log p – h như trong Hình 2.1 và bao gồm các quá trình [1]:

- 3-4: Quá trình tiết lưu

đoạn nhiệt trong van

tiết lưu

- 4-1: Quá trình bay hơi trong dàn lạnh Môi chất nhận nhiệt của môi trường để bay hơi.Quá trình 1”-1 là quá trình quá nhiệt trong dàn lạnh

- 1, 2, 3, 4 là các trạng thái đặc trưng của môi chất trong chu trình

Chu trình nhiệt động của bơm nhiệt có thể xác định các đại lượng đặc trưng sau:

- Công suất lạnh của dàn lạnh Q o

) ( i1 i4G

- Công suất của bình ngưng Q k

) ( i2 i3G

Hình 2.1 Chu trình bơm nhiệt trên đồ thị log P - i

- Công suất của máy nén N mn

) ( i2 i1G

Nmn = mc − , kW (2.3) Trong đó:

- G mc : Lưu lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống, kg/s

- i 1 , i 2 , i 3 , i 4 : entanpy của môi chất ở trạng thái đặc trưng 1, 2, 3,

4 kJ/kg

Ở trạng thái cân bằng, nếu bỏ qua tổn thất, công suất lạnh của dàn lạnh

và công suất nhiệt của bình ngưng truyền cho môi trường có thể được xác định theo:

) ( kk2 kk1

kk

) (

- G kk : Lưu lượng không khí tuần hoàn qua dàn lạnh, kg/s

- i kk1 , i kk2 : entanpy của không khí vào và ra khỏi dàn lạnh, kJ/kg

- G n : Lưu lượng nước tuần hoàn qua bình ngưng, kg/s

- C p : Nhiệt dung riêng của nước, C p = 4,146 kJ/kg.K

- t n1 , t n2 : Nhiệt độ nước vào và ra khỏi bình ngưng, o C

Đại lượng đặc trưng cho chu trình bơm nhiệt đó là hệ số bơm nhiệt φ được xác định theo:

2.2 Tính toán thiết kế bơm nhiệt đun nước nóng

2.2.1 Điều kiện thiết kế

Xem xét điều kiện khí hậu trên toàn lãnh thổ Việt nam để thiết kế thiết

bị bơm nhiệt đun nước nóng phù hợp Ở thiết kế này, thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng được lắp đặt trong nhà có thể là hành lang, ban công có mái che,

bếp, khu vệ sinh Theo TCVN 4088-85 và TCVN 5687-1992 chúng tôi lựa chọn điều kiện môi trường của thiết bị như sau:

- Nhiệt độ môi trường: 10 – 35 o C

- Độ ẩm tương đối: 60 – 80%

Điều kiện môi trường xung quanh này tương đương với điều kiện môi trường cho hệ thống điều hoà không khí cấp 3

Để lấy thông số tính toán, chọn môi trường xung quanh có nhiệt độ

20 o C, độ ẩm tương đối 65% Nhiệt độ không khí sau dàn lạnh là 10 o C, độ ẩm tương đối 95%

Trong quá trình tính toán đối với không khí, ta sử dụng một số công thức sau:

− Áp suất bão hòa của không khí ẩm P b (t) (bar) tại trạng thái không khí

pb

5 , 235

42 , 4062 12

exp )

− Nhiệt độ của không khí ẩm theo phân áp suất bão hoà của hơi nước:

5 , 235 )) ( ln(

) ( 622 ,

0

t p

t p d

φ (%):Độ ẩm tương đối của không khí ẩm

− Entanpi I (kJ/kg) của không khí ẩm

I=1,004.t+d.(1,842.t+2500) , kJ/kg (2.10 ) Thông số trạng thái của không khí được cho trong bảng sau:

Trạng thái t φ D I

( o C) (%) (kg/kg) (kJ/kg) Trước dàn lạnh, 1 20.0 65.0 0.0095682 44.39

Sau dàn lạnh, 2 10.0 95.0 0.0073336 28.53

Tương ứng với trạng thái không khí môi trường như trên, nhiệt độ nước cấp cũng được chọn trong dải nhiệt độ 12 – 28 o C Trong tính toán coi như nhiệt độ nước cấp có nhiệt độ 20 o C Nhiệt độ nước nóng ra khỏi thiết bị là

55 o C Thiết bị có khả năng cung cấp nước nóng 100 lít/h

Môi chất lạnh sử dụng trong thiết bị là R22

2.2.2 Tính toán lý thuyết thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng

Nhiệt nước nhận được trong bình ngưng xác định theo công thức (2.5)

Q k = G n C p ∆t n = G n C p (t n2 – t n1 )

= 100 4,186 (55 – 20) /3600 = 4,07 , kW Môi chất bay hơi ở nhiệt độ t o = 5 o C (tương ứng áp suất bay hơi p o = 5,838 kPa), ngưng tụ ở nhiệt độ t k = 53,5 o C (tương ứng áp suất ngưng tụ p k = 21,03 kPa) Độ quá lạnh của môi chất sau ngưng tụ ∆t ql = 5 o C, độ quá nhiệt của môi chất sau bay hơi ∆t qn = 5 o C Các thông số trạng thái của môi chất tra được bằng phần mềm CATT 2 [16] như sau:

0.040360

251.70

0.9197

1 10

0.5838

0.041460

255.40

0.9330

2 79.24

2.1030

0.012890

288.50

0.9330 2” 53.5

2.1030

0.010660

262.70

0.8567 3’ 53.5

2.1030

0.000937

112.80

0.3979

4 5

0.5838

0.013040

105.70

0.4203

- Lưu lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống G mc :

7 , 105 5 , 288

07 , 4

3

=

i i

07 , 4

- Lưu lượng gió dàn lạnh G kk :

53 , 28 39 , 44

33 , 3

1

=

kk kk

o kk

i i

2.2.3 Tính toán truyền nhiệt thiết bị ngưng tụ

Bình ngưng được chế tạo có dạng ống xoắn ruột gà bằng ống đồng có đường kính ngoài 9,53 mm, chiều dày 0,5 mm Hơi quá nhiệt của môi chất đi vào phía bên trên của ống xoắn, môi chất lỏng ngưng tụ được đi ra ở phía bên dưới của ống xoắn Ống xoắn được cuộn tròn trong đường kính 240 mm Toàn bộ ống xoắn nhúng ngập trong nước của bình ngưng có đường kính 325mm Nước lạnh sẽ vào bình ngưng từ phía đáy bình, nước nóng lấy ra ở phía trên đỉnh bình Với cách bố trí như vậy bình ngưng làm việc giống như thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều Mục đích là để sử dụng nhiệt của hơi quá nhiệt để đun nóng nước ở đầu ra của bình ngưng đạt nhiệt độ cao hơn, có khả năng đạt được nhiệt độ nước đầu ra cao hơn nhiệt độ ngưng tụ của môi chất

Một điều dễ nhận thấy, hệ số toả nhiệt của môi chất ở trạng thái hơi quá nhiệt nhỏ hơn rất nhiều so với hệ số toả nhiệt khi ngưng của môi chất Do đó trong tính toán dàn ngưng ống xoắn này, ta sẽ phân đoạn ống xoắn bình ngưng để tính toán

Hệ số toả nhiệt khi ngưng của môi chất cũng lớn hơn hệ số toả nhiệt của môi chất ở trạng thái quá lạnh, Tuy nhiên lượng nhiệt toả ra trong đoạn ống bị quá lạnh 3’ – 3 là rất nhỏ:

Q k1’ = G mc (i 3’ – i 3 ) = 0,02226 (112,80 – 105,7) = 0,159 kW

Q k1’ < 5% Q k1 nên ta bỏ qua sự khác nhau của hệ số toả nhiệt khi ngưng

và hệ số toả nhiệt của môi chất quá lạnh

Như vậy, khi tính toán bình ngưng ta sẽ chia hai phần ống xoắn bình ngưng để tính toán, phần 1 coi như môi chất trong ống ở trạng thái hơi bão hòa toả nhiệt khi ngưng trong ống, đun nóng nước từ nhiệt độ vào t n1 = 20 o C đến nhiệt độ t n1’ < t k , phần 2 môi chất ở trạng thái hơi quá nhiệt toả nhiệt trong ống tiếp tục đun nóng nước từ nhiệt độ t n1’ đến nhiệt độ nước ra t n2 = 55 o C

Nhiệt độ nước ra khỏi đoạn ống môi chất ngưng trong ống t 1’ hoàn toàn

có thể xác định từ phương trình cân bằng nhiệt (2.5):

Q k1 = G n C p (t n1’ – t n1 )

186 , 4 100

3600 337 , 3 20

11

'

1

x

x C

G

Q t

t

p n

k n

2.2.3.1 Tính toán truyền nhiệt bình ngưng cho phần hơi bão hoà

Trong phần hơi bão hoà, môi chất vào là hơi bão hoà khô, toả nhiệt và ngưng trong ống có nhiệt độ vào t 2” , môi chất ra là lỏng quá lạnh có nhiệt độ

t 3 , nước nóng chuyển động tự nhiên ngoài ống xoắn, coi như xấp xỉ vuông góc với ống xoắn và có nhiệt độ vào t 1 , nước nóng ra có nhiệt độ t 1’

Phương trình truyền nhiệt:

Q k1 = k 1 l 1 ∆t 1 (2.11)

Trong đó:

- ∆t 1 - độ chênh nhiệt độ trung bình logarit giữa nước và môi chất,

K

- k 1 - hệ số truyền nhiệt của dàn ngưng ống xoắn, W/mK

- l 1 - chiều dài của phần ống xoắn có môi chất bão hoà ngưng trong ống, m

Theo [9] có thể lấy nhiệt độ trên bề mặt ngoài vách ống đồng thấp hơn nhiệt độ môi chất 1 o C

Thiết bị được coi là thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều, độ chênh nhiệt

độ trung bình logarit được xác định bằng:

2

1'

3

'1

"

21'

31

1

1 ln

) 1 ( ) 1 (

n n

n n

t t

t t

t t

t t

20 1 5 , 53 ln

) 1 , 50 1 5 , 53 ( ) 20 1 5 , 53 (

1

Ở đây ta không tính đến ảnh hưởng của phần lỏng quá lạnh đến hệ số toả nhiệt khi ngưng của môi chất do phần nhiệt quá lỏng này nhỏ như đã nói ở trên

k 1 được xác định bằng phương trình:

221

21

1

ln 2

1 1

1

α π πλ

α

d d

k

+ +

.

47 , 6

d t

Trong đó:

- r - Nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất,

r = i 2” – i 3’ = 262,7 – 112,8 = 149,9 kJ/kg

- µ - Độ nhớt động lực học của môi chất

- λ mc - Hệ số dẫn nhiệt độ của màng môi chất lỏng, W/mK

- ∆t - Độ chênh nhiệt độ giữa môi chất và vách ống, ∆t = 1K

- ρ - Khối lượng riêng của môi chất lỏng, kg/m 3 Các thông số nhiệt vật lý ρ, µ, λ mc được tra theo nhiệt độ của môi chất R22 t mc = 53,5 o C [4]

λ mc = 0,2351 - 4,95.10 -4 T = 0,2351 – 4,95.10 -4 (273,15+53,5)

λ mc = 0,07341 W/mK

5,5315,273855,53239554,3855,53239554,

4

33

32

1

10 53 8 1 10 171312 ,

0

07341 , 0 1067 9 , 149

47 ,

=

x

• Tính hệ số toả nhiệt bên ngoài ống nằm ngang α 2

Tốc độ của nước chảy ngang qua ống ω (m/s):

1000 3600

1 325

, 0

100 4

4

2

2 π π

Các tiêu chuẩn đồng dạng xác định theo [5]

Tiêu chuẩn Grashof: 21. 23

υ

β t d g

Trong đó:

g – Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2

β - Hệ số dãn nở thể tích của nước, 1/K

υ - Độ nhớt động học của nước, m 2 /s

λ n - Hệ số dẫn nhiệt của nước, W/mK Các thông số nhiệt vật lý của nước được xác định theo nhiệt độ trung bình của nước t tb,n = (t n1 + t n1’ )/2 = (20 + 50,1)/2 = 35,05 o C

β = 3,54.10 -4 1/K υ = 0,732.10 -6 m 2 /s

λ n = 0,62 W/mK Pr f = 4,905 Suy ra:

26

334

) 10 732 , 0 (

) 10 53 , 9 (

55 , 11 10 54 , 3 81 , 9

25,025

,0

Pr

Pr ) Pr (

5 ,

0 ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞

=

w

f f

,0

45 , 3

905 , 4 ) 317797 (

5 ,

10 53 , 9

62 , 0 963 , 12

1 53

, 8

53 , 9 ln 200 2

1 64

, 2999 10 53 , 8

1

1

33

Chiều dài ống xoắn trong vùng hơi ngưng bão hoà được xác định bằng:

1000 55 , 11 18 19

496 , 3 1

1

11

x t

2.2.3.2 Tính toán truyền nhiệt dàn ngưng cho phần hơi quá nhiệt

Nhiệt do phần hơi quá nhiệt toả ra như tính toán ở trên Q k2 = 0,574 kW Môi chất toả nhiệt trong ống có nhiệt độ vào t 2 , môi chất ra có nhiệt độ

t 2” , nước nóng chuyển động tự nhiên ngoài ống xoắn, coi như xấp xỉ vuông góc với ống xoắn và có nhiệt độ vào t 1’ , nước nóng ra có nhiệt độ t 2 Thiết bị

là loại thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều

Phương trình truyền nhiệt:

- l 2 - chiều dài của phần ống xoắn trong phần hơi quá nhiệt, m

Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit giữa nước và môi chất

"

2

12

'1

"

222

2

1

1 ln

) 1 ( ) 1 (

n n

n n

t t

t t

t t

t t

55 1 24 , 79 ln

) 1 , 50 1 5 , 53 ( ) 55 1 24 , 79 (

2

Hệ số truyền nhiệt k 2 được xác định theo

221

21

1

ln 2

1 1

1

α π πλ

α

d d

k

+ +

• Tính hệ số toả nhiệt khi ngưng của môi chất quá nhiệt trong ống

++

λ

ν ν

.

Lưu lượng môi chất tuần hoàn trong ống G mc = 0,02226 kg/s

Tốc độ dòng môi chất trong ống:

21

.

.

01185 , 0 02226 , 0

10 53 , 8 616 , 4

−

= = 20633,02 > 10 4

Re > 10 4 môi chất chảy rối trong ống

Tiêu chuẩn Nusselt được xác định theo công thức:

R l w

f f f f

Pr

Pr Pr Re 021 , 0

25,043

,08,0

) 02 , 20633 (

021 ,

10 53 , 8

0672476 ,

0 032 , 56

−

=

• Tính hệ số toả nhiệt mặt ngoài ống tới nước α 2

Tương tự như đã tính ở trên, ở đây các thông số nhiệt vật lý được xác định theo nhiệt độ trung bình của nước:

t tb, n = (t n1’ + t n2 )/2 = (50,1 + 55)/2 = 52,55 o C

β = 4,6481.10 -4 1/K υ = 0,53611.10 -6 m 2 /s

λ n = 0,64255 W/mK Pr f = 3,4472 Các tiêu chuẩn đồng dạng xác định theo [5]

Tiêu chuẩn Grashof: 22. 23

υ

β t d g

26

334

) 10 53611 , 0 (

) 10 53 , 9 (

29 , 11 10 6481 , 4 81 , 9

Gr f Pr f = 155027,7 x 3,4472 = 534411,5 >10 3 Hằng số Nusselt được xác định bằng công thức thực nghiệm

25,025

,0

Pr

Pr ) Pr (

5 ,

0 ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞

=

w

f f

,0

62725 , 2

4472 , 3 ) 5 , 534411 (

5 ,

10 53 , 9

64255 , 0 469 , 14

1 53

, 8

53 , 9 ln 200 2

1 74 , 441 10 53 , 8

1

1

33

π

Chiều dài ống xoắn trong vùng hơi ngưng bão hoà được xác định bằng:

1000 29 , 11 4173 , 8

574 , 0 2

Qk

Tổng chiều dài ống xoắn bình ngưng là:

l = l 1 + l 2 = 15,8 + 6,04 = 21,84 m Trong các tính toán ở trên, ống xoắn là mới và chưa bị bám cáu cặn Sự bám cáu cặn trên ống đồng thực tế có xảy ra và có ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của thiết bị Ngoài ra, do đặc thù hoạt động của thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng hoạt động ở nhiều chế độ vận hành khác nhau, do vậy để tính đến ảnh hưởng của các yếu tố này ta chọn hệ số dự phòng cho ống xoắn bình ngưng là 25% Tổng chiều dài ống xoắn bình ngưng sẽ là:

L = 1,25 l = 1,25 21,84 = 27,3 m

Số vòng ống xoắn bình ngưng bằng:

10 240

3 , 27

mm

Vỏ bình ngưng có đường kính 325 mm, chiều cao 1,2 m Vỏ bình ngưng làm bằng thép có sơn chống gỉ và sơn bảo vệ bề mặt bên trong bằng epoxy đảm bảo không ảnh hưởng đến chất lượng nước khi đi qua thiết bị Vỏ bình ngưng được bọc cách nhiệt bằng cao su xốp Superlon dày 19mm, hệ số dẫn nhiệt λ cn = 0,04 W/mK

2.2.4 Tính toán tổn thất nhiệt qua vỏ bình ngưng

Như đã trình bày ở trên, bình ngưng có dạng hình trụ tròn đường kính trong D i = 325mm Kết cấu vỏ bình bằng thép có chiều dày δ = 3 mm, hệ số dẫn nhiệt λ = 150 W/mK [15] Vỏ bình được bọc cách nhiệt bằng cao su xốp

có chiều dày δ cn = 19 mm, hệ số dẫn nhiệt λ cn = 0.04 W/mK

Mật độ dòng nhiệt qua mỗi mét chiều cao của vách của bình ngưng q l (W/mK) được xác định bằng:

q l = α 1 (t n – t w1 ).π.D 1 (2.29)

q l = α 2 (t w2 – t f ).π.D 3 (2.30) Nếu bỏ qua nhiệt trở của vách kim loại:

( 1 2)

3

2 ln

2

w w

cn

D D

(2.31) Trong đó:

- α 1 - Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước trong ống trụ đứng, W/m 2 K

- α 2 - Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của không khí bên ngoài vách trụ đứng có kể đến ảnh hưởng của bức xạ trong phòng, W/m 2 K

- t n – Nhiệt độ trung bình của nước trong ống trụ đứng, t n = 55 o C

- t f – Nhiệt độ môi trường xung quanh bình ngưng, t f = 20 o C

- t w1 , t w2 – Nhiệt độ bề mặt trong và ngoài của lớp cách nhiệt, o C

- D 1 – Đường kính trong bình ngưng, D 1 = 325 mm

- D 2 , D 3 – Đường kính trong và ngoài của lớp cách nhiệt,

D 2 = 331 mm, D 3 = 369 mm Kết hợp các phương trình (2.29), (2.30) và (2.31) ta có:

Trong đó k 1 – Hệ số dẫn nhiệt qua mỗi mét chiều cao bình ngưng

232

31

1

1

.

1 ln

2

1

1

1

α π λ

π α

D

D D

- h – Kích thước xác định - Chiều cao của bình ngưng, h = 1,2m

- Nu n – Tiêu chuẩn Nusselt của nước trong bình ngưng phụ thuộc vào tích số (Gr n Pr n )

- Pr n – Tiêu chuẩn Prandtl, xác định theo nhiệt độ trung bình t n của nước

- Gr n – Tiêu chuẩn Grashof xác định theo nhiệt độ trung bình t n của nước,

3

.

w n n

- β hệ số giãn nở thể tích của nước ở nhiệt độ t n , 1/K

- ν n – Độ nhớt động học của nước ở nhiệt độ t n , m 2 /s

20

100 100

.

bx

T T

- ε – Độ đen bề mặt của vỏ bình ngưng, ε = 0,9

- Nu f – Tiêu chuẩn Nusselt xác định theo nhiệt độ không khí t f phụ thuộc vào tích số (Gr f Pr f )

- λ f – Hệ số dẫn nhiệt của không khí ở nhiệt độ t f , W/mK

- Pr f – Tiêu chuẩn Prandtl xác định theo nhiệt độ không khí t f

- Gr f – Tiêu chuẩn Grashof xác định bằng

β

- β f – Hệ số giãn nở thể tích của không khí ở nhiệt độ t f , 1/K

20 15 , 273

1 15

, 273

1

+

= +

=

f f

t

- ν f – Độ nhớt động học của không khí ở nhiệt độ t f , m 2 /s

Thông số vật lý của không khí ở nhiệt độ t f = 20 o C [4]

Kết quả tính toán trên bảng tính Excel như sau:

54.30

39.31

Bước tiếp theo, từ quan hệ (2.30) tính được các trị số t w1 tương ứng với

các trị số t w2 đã chọn ở trên (cũng có 5 giá trị) Từ các trị số t w1 tính được, xác

định các trị số Gr n , Pr n và tính được α 1 theo (2.34)

Sau khi đã sơ bộ xác định được các giá trị α 1 , α 2 , tính hệ số truyền

nhiệt k l theo (2.33), q l1 theo (2.32) Ta xác lập được đường cong q l1 – t w2

Kết quả tính toán trên bảng tính Excel như sau:

tw1 tn Grn Prn Grn.Prn Nun α1 ql1 1/kl kl ql1

(oC) (oC) (W/m2K) (W/m) (mK/W) (W/mK) (W/m)

54.30 55 1.72E+06 3.31 5.70E+06 37.143 20.057 (88.058) 0.74983 1.3336 46.676

53.57 55 3.52E+06

3.31 1.17E+07

44.405

23.979

(87.403) 0.742062 1.3476

47.166

53.28 55 4.23E+06 3.31 1.40E+07 46.503 25.112 (84.097) 0.74031 1.3508 47.278

46.34 55 2.13E+07 3.31 7.06E+07 69.659 37.616 140.568 0.729647 1.3705 47.968

đỉnh và đáy bình ngưng, nhiệt trở của vách kim loại)

Tính toán tương tự cho nhiệt độ nước trong bình ngưng tương ứng là

50 o C, 45 o C và 40 o C ta xác định được mật độ dòng nhiệt tổn thất qua vỏ bình

20 25 30 35 40 45 50 55

Hình 2.2 Đồ thị xác định dòng nhiệt tổn thất ql

- Công suất cấp nước nóng của thiết bị

- Hiệu suất của thiết bị

- Lượng nước nóng thiết bị sản xuất được

- Kích thước hình học của bình ngưng

Khi công suất của bình ngưng giảm, nghĩa là lượng nước nóng thiết bị sản xuất ra giảm hoặc giảm nhiệt độ nước nóng, làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng của thiết bị Tuy nhiên công suất của bình ngưng lớn làm tăng kích thước của bình ngưng, cụ thể:

- Làm tăng chiều dài của dàn ngưng

- Tăng tổn thất áp suất môi chất trong bình ngưng

- Tăng lượng môi chất nạp cho thiết bị

20 25 30 35 40 45 50 55

Hình 2.3 Đồ thị xác định dòng nhiệt tổn thất ql theo nhiệt độ

nước trong bình ngưng

- Tăng độ chênh nhiệt độ giữa nước và môi chất trong bình ngưng

Có rất nhiều loại máy nén cỡ nhỏ hiện có trên thị trường, điển hình là các loại máy nén pittông, máy nén roto quay cho các máy điều hoà không khí hay các tủ lạnh với các dải công suất lạnh từ 1 kW đến 11,5 kW Dựa vào kết quả tính toán ở trên, công suất lạnh máy nén yêu cầu là Q o = 3,33 kW ở nhiệt

độ 20 o C, độ ẩm tương đối 65%, chọn máy nén Model CW-1204FH của Hãng Matsushita Industrial Corporation, Nhật Bản có công suất lạnh định mức 3,55

kW ở nhiệt độ 25 o C, độ ẩm 65% đáp ứng được yêu cầu Đây là loại máy nén roto quay, công suất điện 1,1 kW, hiệu suất khoảng 80%

2.2.6 Lựa chọn dàn lạnh và quạt dàn lạnh

Việc chọn dàn bay hơi có công suất phù hợp với công suất của máy nén

và công suất của bình ngưng có ý nghĩa quan trọng, tạo sự cân bằng công suất của hệ thống Dàn lạnh quá lớn, khiến cho môi chất bay hơi trong dàn có độ quá nhiệt lớn, sẽ làm cho nhiệt độ cuối quá trình nén cao, có thể khiến máy nén phải hoạt động trong trạng thái quá tải, làm giảm tuổi thọ của máy nén

Độ quá nhiệt lớn làm cho van tiết lưu nhiệt giảm lưu lượng môi chất tuần hoàn trong hệ thống, giảm năng suất và hiệu quả làm việc của thiết bị

Theo tính toán ở trên, công suất của dàn lạnh yêu cầu Q o = 3,33 kW ở nhiệt độ 20 o C, độ ẩm tương đối 65%, chọn dàn lạnh có công suất 3,55kW ở nhiệt độ 25 o C, độ ẩm 65% đáp ứng được yêu cầu Dàn lạnh là thiết bị đồng bộ cùng với máy nén

Việc chọn quạt dàn lạnh có ý nghĩa quan trọng Quạt đủ công suất cung cấp lưu lượng gió yêu cầu đảm bảo sự làm việc ổn định của dàn bay hơi Nếu chọn quạt quá lớn sẽ tốn thêm điện năng tiêu thụ để chạy quạt, ngoài ra còn làm tăng độ ồn của thiết bị Nếu chọn quạt quá nhỏ sẽ làm giảm công suất yêu cầu của dàn lạnh Đặc biệt với thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng có chế độ

làm việc thay đổi rất lớn Việc chọn quạt dàn lạnh hợp lý sẽ đảm bảo thiết bị vận hành đúng chế độ Do vậy chúng tôi chọn loại quạt dàn lạnh có 2 tốc độ Chọn quạt ly tâm của hãng Matsushita Industrial Corporation, Nhật Bản Lưu lượng gió ở tốc độ cao 650 m 3 /h, cột áp 100 Pa Lưu lượng gió ở tốc độ thấp

550 m 3 /h, cột áp 70 Pa, công suất động cơ quạt gió 110W

2.2.7 Lựa chọn thiết bị tiết lưu

Thiết bị tiết lưu là một trong bốn thiết bị chính của thiết bị bơm nhiệt Chức năng chính của thiết bị tiết lưu là để chuyển lỏng cao áp thành lỏng hạ

áp, đồng thời điều khiển lưu lượng môi chất lạnh tuần hoàn từ bình ngưng sang dàn bay hơi, do đó lưu lượng khối lượng môi chất vào dàn bay hơi cân bằng với môi chất bay hơi trong dàn lạnh và lưu lượng khối lượng của hơi được nén bởi máy nén Áp suất tổn thất qua thiết bị tiết lưu tách phần áp suất cao và áp suất thấp trong hệ thống

Một số loại thiết bị tiết lưu thường được sử dụng trong các thiết bị bơm nhiệt và chu trình lạnh như là ống mao, van tiết lưu tự động (AXV) van giãn

nở nhiệt (TXV) Việc lựa chọn thiết bị tiết lưu phù hợp quyết định sự hoạt động ổn định của thiết bị

Như đã chỉ ra ở trên, thiết bị tiết lưu có vai trò khống chế lưu lượng môi chất tuần hoàn từ bình ngưng sang dàn bay hơi và cân bằng với lưu lượng khối lượng môi chất sẽ được nén bởi máy nén Trong thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng, thiết bị tiết lưu phải hoạt động được trong một dải rộng của áp suất ngưng tụ tương ứng với nhiệt độ của nước giải nhiệt trong bình ngưng thay đổi lớn từ nhiệt độ nước lạnh cấp và cho đến nhiệt độ nước nóng lấy ra

sử dụng Dải hoạt động rộng của thiết bị tiết lưu cũng phải phù hợp với sự thay đổi của áp suất bay hơi do điều kiện môi trường thay đổi

2.2.7.1 Ống mao