Nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng và điều hòa không khí cho hộ gia đình

Nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng và điều hòa không khí cho hộ gia đình Nghiên cứu thiết kế chế tạo và thử nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng và điều hòa không khí cho hộ gia đình luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

-NGUYỄN DUY THẮNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG VÀ ĐIỀU HÒA

KHÔNG KHÍ CHO HỘ GIA ĐÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Người hướng dẫn 1: PGS.TS Trần Gia Mỹ

Người hướng dẫn 2: GS.TS Nguyễn Đức Lợi

Hà Nội - 2017

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản luận văn này, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Khoa Học & Công Nghệ Nhiệt Lạnh

Tôi đặc biệt gửi lời cảm ơn và biết ơn sâu sắc tới GS.TS.Nguyễn Đức Lợi

và PGS.TS.Trần Gia Mỹ, đã luôn tạo điều kiện về mặt thời gian cũng như công việc

và đã rất tận tình hướng dẫn, giảng giải, chỉ bảo và bổ sung cho tôi rất nhiều kiến thức, kỹ năng chuyên nghành, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài Để không những tôi đã hoàn thành luận văn tốt mà còn cảm nhận được các thầy là những nhà khoa học chân chính, nhiệt tình, trách nhiệm, thương mến và giàu tình cảm đối với học trò của mình, các thầy có những kho tàng kiến thức thật sự uyên thâm và rộng lớn Để lại cho thế hệ sau chúng tôi sự ngưỡng mộ

và kính trọng

Tôi cũng xin cảm ơn quý thầy, cô trong Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình truyền đạt kiến thức cũng như giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Cuối cùng, xin kính chúc quý thầy, cô và gia đình luôn dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp trồng người cao quý

Hà Nội, tháng 9 năm 2017

Học viên

Nguyễn Duy Thắng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung đề tài do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của

GS TS Nguyễn Đức Lợi và PGS TS Trần Gia Mỹ Các số liệu và kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa có ai thực hiện

Hà Nội, Ngày 29 tháng 9 năm 2017 Tác giả luận văn

Nguyễn Duy Thắng

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Pe kW Công suất điện máy nén tiêu thụ

 W/(m2K) Hệ số trao đổi nhiệt giữa nước và ống đồng

k W/(m2K) Hệ số truyền nhiệt của ống đồng

C V Đầu chung (commen)

R V Đầu chạy (Run)

S V Đầu khởi động ( Start)

Van điện từ

A

V

Wh

VCD Van chuyển dòng

ĐT Van điện từ

ϵ Tiền tiết kiệm

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Nguyên lý cấu tạo của bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió 4

Hình 1.2 Hiệu quả năng lượng trung bình của bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió 6

Hình 1.3 Biểu đồ dự đoán hệ số bơm nhiệt φ hay COP của bơm nhiệt theo nhiệt độ ngưng tụ và hiệu nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi 6

Hình 1.4 Bơm nhiệt gió- gió ATA 11

Hình 1.5 Bơm nhiệt gió – nước ATW 11

Hình 1.6 Bơm nhiệt nước – gió WTA 12

Hình 1.7 Bơm nhiệt nước – nước WTW 13

Hình 1.8 Bơm nhiệt nóng lạnh 14

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt nóng lạnh cải tạo từ hệ thống lạnh NH3 15

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống đun nước nóng 21

Hình 1.11 So sánh tiêu thụ điện giữa các phương án đun nước nóng khác nhau 22

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt sản xuất nước nóng.với dàn ngưng tụ kiểu ống xoẳn ruột gà đặt trong bình chứa 25

Hình 2.1a Sơ đồ máy điều hòa 2 chiều hoạt động chế độ làm mát 29

Hình 2.1b Sơ đồ máy điều hòa 2 chiều chế độ sưởi ấm 29

Hình 2.2a Giới thiệu dòng môi chất chuyển động cho chế độ làm lạnh 31

Hình 2.2b Sưởi ấm 32

Hình 2.2c Đun nước 32

Hình 2.2d Làm lạnh và đun nước 33

Hình 2.3: Chu trình tiêu chuẩn cho điều hòa không khí phòng RAC 34

Hình 2.4: Chu trình bơm nhiệt đun nước nóng 37

Hình 2.5: Đồ thị thể hiện độ chênh nhiệt độ của bình nước nóng 43

Hình 2.6: Thể hiện bình đun nước nóng có đường ống gas vào, ra và đường

nước vào, ra 44

Hình 2.7: Thể hiện đường ống dẫn gas bên trong bình đun nước nóng 45

Hình 2.8: thể hiện đường kính của cuộn ống đồng 45

Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo bình đun nước nóng 46

Hình 2.10 Bình chứa nước nóng 48

Hình 3.1 giới thiệu về van điện từ và bộ chia ống 49

Hình 3.2 Van chuyển dòng 50

Hình 3.3 Mạch động điện của máy điều hòa 52

Hình 3.4a Sơ đồ mạch điện điều khiển của máy điều hòa 2 chiều 54

Hình 3.4b Khối nguồn trong mạch bảng mạch điều khiển máy điều hòa hai cụm hai chiều 55

Hình 3.5 Mạch điện chọn chế độ làm việc của bơm nhiệt đa năng 57

Hình 3.6: Sơ đồ điện thiêt bị bơm nhiệt đa năng 58

Hình 3.7: Giới thiệu máy đo nhiệt độ 59

Hình 3.8: Giới thiệu thiết bị đo nhiệt độ nước trong bình nước nóng 60

Hình 3.9: Giới thiệu máy phát hiện dò khí gas 60

Hình 3.10: Đồng hồ vạn năng 61

Hình 3.11: Giới thiệu đồng hồ đo dòng điện của thiết bị 61

Đồ thị 3.1a: Hiển thị kết quả đo lần 1 63

Đồ thị 3.1b: Hiển thị kết quả đo lần 2 64

Đồ thị 3.1c: Hiển thị kết quả đo lần 3 65

Hình 3.12: Hình ảnh thực nghiệm 1 65

Hình 3.13: Hình ảnh thực nghiệm 2 66

Hình 3.14: Hình ảnh thực nghiệm 3 67

Hình 3.15: Hình ảnh thực nghiệm khi máy đã được lắp thêm van chuyển dòng và van vặn tay thay cho van điện từ 68

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Giới thiệu phân loại các dạng bơm nhiệt khác nhau 9

Bảng 1.2 Một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt thông dụng 17

Bảng 1.3 Một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp 18

Bảng 1.4 Một số khả năng sử dụng bơm nhiệt để thu hồi nhiệt thải ở các nguồn nhiệt thải 20

Bảng 2.1: Điều kiện của chế độ tiêu chuẩn cho điều hòa không khí RAC 34

Bảng 2.2: Giá trị các điểm của chu trình 35

Bảng 2.3 Các giá trị chu trình tính theo bảng 2.2 36

Bảng 2.4: Điều kiện của chế độ bơm nhiệt đun nước nóng 37

Bảng 2.5: Giá trị các điểm của chu trình 38

Bảng 2.6: Giá trị tính toán chu trình nhiệt đun nước nóng 38

Bảng 2.7: Bảng tra các thông số của c và m theo Ra 40

Bảng 3.1a: Kết quả đo thực nghiệm lần 1 62

Bảng 3.1b: Kết quả đo thực nghiệm lần 2 63

Bảng 3.1c: Kết quả đo thực nghiệm lần 3 64

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT iii

BẢNG CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG vii

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG 4

1.1 Tổng quan về bơm nhiệt 4

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 20

1.3 Lý do lựa chọn đề tài 26

1.4 Mục tiêu của đề tài 26

1.5 Phương pháp nghiên cứu 26

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 26

1.7 Nội dung nghiên cứu 26

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN XÂY DỰNG THIẾT BỊ BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG 28

2.1 Sơ đồ nguyên lý của máy điều hòa không khí General 28

2.2 Cải tạo máy điều hòa 2 cụm 2 chiều có thêm chế độ đun nước nóng 29

2.2.1 Chế độ làm lạnh 30

2.2.2 Chế độ sưởi ấm 31

2.2.3 Chế độ đun nước 32

2.2.4 Chế độ làm lạnh và đun nóng 33

2.3 Tính toán chu trình điều hòa không khí 33

2.4 Tính chu trình bơm nhiệt đun nước nóng 36

2.5 Tính toán bình đun nước nóng 39

2.6.Thiết kế bình nước nóng 43

2.7 Tính toán cách nhiệt 46

CHƯƠNG 3: LẮP RÁP, VẬN HÀNH, CHẠY THỬ & THỰC NGHIỆM 49

3.1 Lắp ráp và thi công 49

3.1.1 Chuẩn bị vật tư như đã thiết kế, cải tạo thêm vào máy 49

3.1.2 Một số hình ảnh thiết bị lắp thêm khi cải tạo lại hệ thống để đun nước nóng 49

3.1.3 Kĩ thuật hàn ống đồng 50

3.1.4 Lắp ráp ( Hút chân không nạp dầu nạp gas) 50

3.2 Các thiết bị điện trong máy điều hòa nguyên bản 52

3.3 Vận hành, chạy thử 52

3.4 Giới thiệu mạch điện điều khiển ĐHKK một pha, hai chiều 54

3.5 Sơ đồ mạch điện điều khiển chế độ làm việc của bơm nhiệt đa năng 57 3.6 Bố trí thiết bị đo 57

3.7 Kết quả chạy thử thiết bị thực nghiệm 62

3.8 Một số hình ảnh thực nghiệm 65

3.9 Đánh giá hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt đa năng 68

3.9.1 Đun nước nóng mùa đông 68

3.9.2 Đun nước kết hợp với làm lạnh phòng 69

3.9.3 Đo đạc thực tế 70

3.10 Tính toán tổng tổn thất nhiệt thường xuyên cho bình đun nước nóng 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

A.Kết luận 73

B Kiến nghị 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

LỜI NÓI ĐẦU

Dân số thế giới càng tăng, kinh tế thế giới càng phát triển thì tiêu thụ năng lượng ngày càng nhiều Các nguồn năng lượng hóa thạch than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên của thế giới là hữu hạn Vì vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng được toàn thế giới quan tâm

Trong tương lai gần, con người phải nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo để bù đắp cho sự thiếu hụt năng lượng sơ cấp hóa thạch Bơm nhiệt sẽ đóng góp vai trò quan trọng trong việc tận dụng nhiệt để giảm tiêu tốn nguồn năng lượng sơ cấp Mặt khác, bơm nhiệt được ứng dụng rất rộng rãi vào các mục đích sưởi ẩm phòng vào mùa đông, làm mát vào mùa hè, đun nước

Vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng

và điều hòa không khí cho hộ gia đình có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Cũng vì vậy mà các đề tài nghiên cứu tái tạo, phát triển để giảm thiểu sự tiêu tốn năng lượng Trong đó, bơm nhiệt cũng đã và đang được nghiên cứu ngày càng nhiều Ở đề tài này tập trung vào nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng và điều hòa không khí cho hộ gia đình, qua đó đã cải tạo thành công từ máy điều hòa không khí phòng để có thêm chức năng đun nước nóng

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ BƠM NHIỆT ĐUN NƯỚC NÓNG

1.1 Tổng quan về bơm nhiệt

Lịch sử phát triển

Năm1834, Perkin (người Anh) đăng ký bằng phát minh đầu tiên về máy lạnh Năm 1852, William Thomson, còn gọi là Lord Kelvin (cũng người Anh) đăng ký bằng phát minh đầu tiên về bơm nhiệt trên thế giới Mục đích sử dụng bơm nhiệt này là để sưởi ấm phòng vào mùa đông Chu trình làm việc của bơm nhiệt giống như của máy lạnh Đó là chu trình nhiệt động ngược chiều Khác nhau giữa tên gọi máy lạnh bà bơm nhiệt chỉ là do mục đích sử dụng Ở máy lạnh, người ta sử dụng nguồn lạnh ở dàn bay hơi, còn ở bơm nhiệt người ta sử dụng nguồn nhiệt sinh ra ở dàn ngưng tụ để sưởi ấm hoặc đun nước nóng Hình 1.1 giới thiệu sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt đun nước nóng

Hình 1.1 Nguyên lý cấu tạo của bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió

động hóa cao của chúng Bơm nhiệt nguồn gió gồm 4 bộ phận chính là máy nén, bình đun nước nóng có dàn trao đổi nhiệt, van tiết lưu và dàn bay hơi thu nhiệt từ không khí Bốn bộ phận chính này được kết nối với nhau hợp lý bằng đường ống thành một hệ thống kín Bên trong hệ thống nạp môi chất lạnh, thường là freon, để vận chuyển nhiệt từ môi trường không khí vào bình đu nước nóng Môi chất tuần hoàn trong hệ thống nhờ sự làm việc của máy nén Ở dàn bay hơi, môi chất sôi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp để thu nhiệt của môi trường, sau đó được máy nén nén lên áp suất cao đẩy vào dàn ngưng tụ đặt trong bình đun nước nóng Tại đây, môi chất truyền nhiệt cho nước để ngưng tụ lại ở nhiệt độ cao và áp suất cao Lỏng ngưng sau đó được tiết lưu xuống áp suất thấp và nhiệt độ thấp, trở lại vào dàn bay hơi, khép kín vòng tuần hoàn trong hệ thống bơm nhiệt

Hiệu suất bơm nhiệt COP

Hiệu suất bơm nhiệt là yếu tố quyết định khả năng tiết kiệm năng lượng sơ cấp của bơm nhiệt Chính vì vậy, COP của bơm nhiệt là yếu tố quyết định đối với việc có nên xây dựng công trình bơm nhiệt hay không Theo kinh nghiệm, một công trình bơm nhiệt chỉ có hiệu quả kinh tế khi hiệu suất bơm nhiệt đạt từ 2,5 trở lên [1]

Với bằng phát minh của mình, Kelvin về lý thuyết đã chứng minh rằng, với nguồn lạnh 17oC và nguồn nóng 27oC dùng để sưởi ấm, hiệu suất bơm nhiệt COP (Coefficient of Performance) của ông lên đến 30 Nghĩa là khi tiêu tốn 1 kWh điện qua bơm nhiệt có thể thu được tới 30 kWh nhiệt để sưởi ấm hoặc đun nước nóng Tuy nhiên, do trình độ khoa học công nghệ thời đó chưa cao, do giá thành của bơm nhiệt khi đó còn khá cao và đòi hỏi trình độ vận hành nhất định, do giá nhiên liệu khi đó còn khá rẻ , nên bơm nhiệt chưa được chú ý phát triển Trải qua các cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1972 và 2008, với sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu hóa thạch, bơm nhiệt ngày nay đã đang bước vào một thời kỳ phát triển vô cùng rực rỡ Hình 1.2 giới thiệu hiệu suất COP thông thường của bơm nhiệt trung bình đun nước nóng gia dụng nguồn gió

Hình 1.2 Hiệu quả năng lượng trung bình của bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió

Theo các nghiên cứu của Trung Quốc và Nhật Bản thì hiệu quả năng lượng trung bình COP của bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió gia dụng, nhiệt độ nước nóng 50o

C

là khoảng 4[1] Vào mùa đông khi nhiệt độ ngoài nhà giảm thì COP giảm 3 thậm chí 2, ngược lại vào mùa hè khi nhiệt độ ngoài nhà tăng thì COP tăng đến 5 hoặc 6 thậm chí đến 7[1]

Trên thực tế, hiệu suất bơm nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ ngưng tụ tk và

độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi Δt = tk - to Nhiệt độ ngưng tụ càng cao và độ chênh nhiệt độ càng thấp thì COP của bơm nhiệt càng cao Hình 1.3 giới thiệu biểu đồ

dự đoán COP của bơm nhiệt theo nhiệt độ ngưng tụ và độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi

Hình 1.3 Biểu đồ dự đoán hệ số bơm nhiệt φ hay COP của bơm nhiệt theo nhiệt độ

Các đường nét đứt phía trên biểu diễn hệ số bơm nhiệt của chu trình lý

thuyết Carnot Hệ số chu trình Carnot chỉ phụ thuộc tk và to

Các đường nét liền phía dưới là hệ số bơm nhiệt của chu trình thực Đường nét liền phía trên là chu trình thực với nhiệt độ ngưng tụ là 60oC còn đường nét liền phía dưới là chu trình thực với nhiệt độ ngưng tụ là tk = 20oC Với nhiệt độ ngưng tụ

từ 20 đến 60oC, ta có thể nội suy từ các đường trên Tuy nhiên nhiệt độ ứng dụng của bơm nhiệt sưởi ấm và đun nước nóng thường từ 50 đến 55oC, nếu chọn nhiệt

độ ngưng tụ cho bơm nhiệt bằng 60oC là thích hợp

Tỷ số giữa hệ số bơm nhiệt thực và lý thuyết được gọi là hiệu suất exergy hay độ hoàn thiện chu trình ν:

Khảo sát đồ thị hình 1.3 ta thấy biến thiên không nhiều từ 0,56 đến 0,59 Chính vì vậy, khi so sánh 2 chu trình bơm nhiệt về hiệu quả năng lượng có không cần dùng (có nghĩa chỉ dùng hiệu suất chu trình Carnot lý thuyết φc) mà vẫn thu được kết quả tương đối chính xác

Cũng nhờ Biểu đồ này, có thể đánh giá tương đối chính xác COP của bơm nhiệt bất kỳ dựa vào nhiệt độ ngưng tụ và độ chênh nhiệt độ ngưng tụ bay hơi Cũng nhờ Biểu đồ này, có thể dễ dàng so sánh được COP của các phương án bơm nhiệt bất kỳ

Phân loại bơm nhiệt

Như đã nói, chu trình của bơm nhiệt tương tự như chu trình máy lạnh là chu trình nhiệt động ngược chiều Có bao nhiêu loại máy lạnh thì cũng có bấy nhiêu loại bơm nhiệt Tương tự như trong kỹ thuật lạnh, máy lạnh nén hơi là phổ biến nhất sau đó đến các loại máy lạnh hấp thụ, mát lạnh ejector, máy lạnh nhiệt điện thì bơm nhiệt nén hơi cũng là phổ biến nhất sau đó đến các loại bơm nhiệt hấp thụ, bơm nhiệt ejector, bơm nhiệt điện Do bơm nhiệt nén hơi chiếm đến 95% các loại

bơm nhiệt và do luận văn này chỉ nghiên cứu về bơm nhiệt nén hơi, nên ở đây, trong luận án này, khi nói đến bơm nhiệt có nghĩa là bơm nhiệt nén hơi

Tương tự như máy lạnh, bơm nhiệt nén hơi cũng được phân loại theo:

- Môi chất lạnh sử dụng,

- Kiểu máy nén (ví dụ: máy nén kín, hở, và nửa kín, pit tông, trục vít, rô to, xoắn

ốc, tua bin )

- Theo cỡ năng suất bơm nhiệt cũng được chia ra loại nhỏ, trung bình, lớn và rất lớn

- Về ứng dụng, hơi khác so với máy lạnh, bơm nhiệt được phân loại theo mục đích

sử dụng như sưởi, điều hòa không khí, hút ẩm, sấy, bay hơi cô đặc, chưng cất, tách chất , cho công nghiệp, thương nghiệp hay gia dụng

- Khi người ta sử dụng đồng thời nguồn nóng và nguồn lạnh của bơm nhiệt thì khi đó bơm nhiệt được gọi là bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh Hiệu suất sử dụng sẽ rất cao vì nó chính là tổng COP lạnh và COP nóng cộng lại, hiệu quả kinh tế gần như gấp đôi

- Theo đặc điểm cấu tạo, bơm nhiệt nén hơi đặc biệt còn được phân thành các dạng khác nhau như giới thiệu sau đây

Các dạng bơm nhiệt ATA, ATW, WTA và WTW

Các dạng bơm nhiệt được phân loại chủ yếu dựa trên nguồn lạnh (nhiệt cấp) và nguồn nóng (hữu ích) là nước hoặc không khí Bơm nhiệt được phân làm 4 loại đó là:

- Bơm nhiệt ATA (gió – gió)

- Bơm nhiệt ATW (gió – nước)

- Bơm nhiệt WTA (nước – gió)

- Bơm nhiệt WTW ( nước – nước)

Bảng 1.1 Giới thiệu phân loại các dạng bơm nhiệt khác nhau

ATA (Air- to- Air) heat pump

ATW (Air- to- Water) heat pump

WTA (Water- to- Air) heat pump

WTW (Water- to- Water) heat pump

Dàn bay hơi

Thu nhiệt từ không khí môi trường (Dàn bay hơi trực tiếp)

Thu nhiệt từ không khí môi trường (Dàn bay hơi trực tiếp)

Thu nhiệt từ nước môi trường (nước giếng, hồ, ao, sông, suối hoặc nước thải) Đây là loại bình ngưng trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh và nước

Thu nhiệt từ nước môi trường (nước giếng, hồ, ao, sông, suối hoặc nước thải) Đây là loại bình ngưng trao đổi nhiệt giữa môi chất lạnh và nước

Dàn ngưng tụ

Tỏa nhiệt vào không khí (Dàn ngưng tỏa nhiệt trực tiếp cho không khí)

Tỏa nhiệt vào nước Bình ngưng hoặc dàn ngưng tỏa nhiệt trực tiếp cho nước

Tỏa nhiệt vào không khí (Dàn ngưng tỏa nhiệt trực tiếp cho không khí)

Tỏa nhiệt vào nước Bình ngưng hoặc dàn ngưng tỏa nhiệt trực tiếp cho nước

Máy điều hòa hai chiều giải nhiệt gió

Máy điều hòa hai chiều giải nhiệt nước Nguồn nước giải nhiệt và cấp nhiệt như nước giếng, không phải nước của tháp giải nhiệt

Chiller hai chiều giải nhiệt nước Nguồn nước giải nhiệt và cấp nhiệt như nước giếng, không phải nước của tháp giải nhiệt

Khi nói bơm nhiệt ATA, ATW, WTA và WTW thì phải hiểu là máy chỉ có một chiều nóng Các máy này chỉ thích hợp để sưởi hoặc đun nước nóng ở các vùng khí hậu ôn đới và hàn đới, không cần đến làm mát mùa hè Tuy nhiên phần lớn ở các vùng ôn đới và nhiệt đới đều yêu cầu sưởi ấm vào mùa đông và làm lạnh vào mùa hè nên chúng thường được chế tạo theo dạng hai chiều nóng lạnh Hình 1.4 đến hình 1.7 mô tả về nguyên lý cấu tạo và làm việc của 4 loại bơm nhiệt trên Bởi vậy, chúng có thể là loại 1 chiều nóng hoặc hai chiều nóng lạnh

Hình 1.4 Bơm nhiệt gió- gió ATA

Hình 1.5 Bơm nhiệt gió – nước ATW

Loại này rất thích hợp cho các vùng khí hậu ôn đới và hàn đới không cần làm lạnh vào mùa hè Đối với những khu vực cần làm lạnh mùa hè thì phải sử dụng loại máy ATW 2 chiều nóng lạnh và thay cho sưởi sàn 11 phải dùng FCU Khi cần vẫn có thể bật sang chế độ đun nước nóng Vào mùa hè sau khi đun xong nước nóng có thể chuyển sang chế độ làm lạnh phòng, chi tiết có thể xem phần bơm nhiệt đa năng

Hình 1.6 Bơm nhiệt nước – gió WTA

2 Tổ dàn ngưng tỏa nhiệt sưởi cho phòng; 3 Tổ dàn bay hơi (hoặc bình bay hơi) thu nhiệt của nước (gồm dàn bay hơi và máy nén, van tiết lưu); 5 Giếng cấp; 6 Giếng xả; 7 Bơm nước

Bơm nhiệt WTA thực chất là loại máy điều hòa giải nhiệt nước hai chiều Tuy nhiên nguôn nước yêu cầu là phải có thể giải nhiệt vào mùa hè và cấp nhiệt

vào mùa đông như nước giếng, nước ao, hồ, sông suối chứ không phải nước của tháp giải nhiệt

Hình 1.7 Bơm nhiệt nước – nước WTW

13 Bơm nhiệt nước – nước WTW (gồm dàn/ bình bay hơi thu nhiệt của nguồn nước, máy nén, van tiết lưu và dàn/ bình ngưng đun nước); Chú thích khác xem ở các hình trên

Bơm nhiệt nước – nước WTW một chiều nóng cũng chỉ thích hợp cho các vùng ôn dới và hàn đới không cần làm lạnh cho mùa hè Đối với những khu vực cần làm lạnh mùa hè thì phải sử dụng loại máy ATW hai chiều nóng lạnh và thay cho sưởi sàn 11 phải dùng FCU Khi cần vẫn có thể bật sang chế độ đun nước nóng tương tự như loại ATW

Bơm nhiệt nóng lạnh

Bơm nhiệt nóng lạnh không phải là bơm nhiệt hai chiều nóng lạnh mà là bơm nhiệt sử dụng kết hợp cả hai nguồn nóng và lạnh đồng thời, ví dụ nguồn lạnh

để làm phòng điều hòa hoặc phòng lạnh còn nguồn nóng là để đun nước nóng sinh hoạt, tẩy rửa (xem Hình 1.8)

Nói chung, trong một xí nghiệp thực phẩm thường phải có các kho lạnh để bảo quản và các nồi hơi để cấp nhiệt cho các quy trình công nghệ sản xuất, chế biến Đó

là điều kiện thuận lợi, có thể sử dụng bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh để cấp nhiệt và cấp lạnh với hiệu quả kinh tế cao

Nhiều xí nghiệp cũ trước đây có hai phần lạnh và nóng riêng biên, nay đã cải tạo lại hệ thống để đồng thời sử dụng cả hai nguồn nóng và lạnh, tránh lãng phí nguồn nhiệt bị bỏ phí trước đây ở thiết bị ngưng tụ

Hình 1.9 giới thiệu sơ đồ hệ thống bơm nhiệt nóng lạnh cải tạo từ hệ thống lạnh

NH3 của Xí nghiệp giết mổ và chế biến thịt ở Dresden (CHLB Đức)

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt nóng lạnh cải tạo từ hệ thống lạnh NH3

Xí nghiệp đã cải tạo lại toàn bộ hệ thống lạnh để sử dụng nhiệt thải của bình ngưng để cấp nước nóng phục vụ tẩy rửa và sinh hoạt Do hệ thống lạnh sử dụng môi chất amoniăc nên người ta làm thêm một vòng tuần hoàn an toàn để gián tiếp đun nóng nước tẩy rửa, sinh hoạt, đề phòng rò rỉ amoniăc Giá thành cải tạo là 139.000 DM nhưng xí nghiệp đó tiết kiệm được nhiên liệu đun nước so với trước là 200.000 DM mỗi năm Như vậy, thời gian hoàn vốn chỉ có 0,7 năm.[1]

Nói chung, ngoài công nghiệp thực phẩm và các ứng dụng đã nêu, bơm nhiệt có thể ứng dụng cho mọi ngành, mọi nơi có yêu cầu năng lượng nhiệt ở nhiệt độ thấp như sấy, sưởi, chuẩn bị nước nóng

Ứng dụng của bơm nhiệt

Ứng dụng rộng rãi nhất của bơm nhiệt như đã trình bày ở trên là để sưởi ấm phòng vào mùa đông, làm mát vào mùa hè để trở thành máy điều hòa hai chiều Đây

là loại bơm nhiệt có năng suất nhỏ từ vài kW đến vài chục kW sử dụng trong khu

vực gia đình và thương nghiệp Dàn ngưng làm ấm trực tiếp không khí trong phòng còn dàn bay hơi nhận nhiệt trực tiếp từ không khí ngoài trời

Hầu hết bơm nhiệt loại này đều là bơm nhiệt nén hơi, dùng máy nén cơ chạy điện, máy nén dạng pittông, rôto hoặc xoắn ốc, có van đổi dòng bốn ngả để chuyển đổi từ chế độ làm mát mùa hè sang chế độ sưởi ấm mùa đông Bơm nhiệt loại này còn được sử dụng trong công nghiệp sấy, hút ẩm

Ứng dụng thứ hai cũng không kém phần quan trọng hiện nay là bơm nhiệt đun nước nóng từ 45 ÷ 70oC dùng cho gia đình, công sở, thương nghiệp và công nghiệp Bơm nhiệt loại này có dàn ngưng gia nhiệt cho nước trong bồn nước nóng Nước nóng sẽ được bơm đến hộ tiêu thụ Dàn bay hơi chủ yếu là loại gió thu nhiệt trực tiếp từ không khí ngài trời Cũng có loại dàn bay hơi là dàn nước thu nhiệt trực tiếp từ nước giếng khoan, nước máy, nước ao hồ sông suối, hoặc nước thải có nhiệt độ cao, nước lấy từ bộ thu năng lượng mặt trời

Những hệ thống bơm nhiệt lớn sử dụng trong công nghiệp hoặc thương nghiệp, thể dục thể thao, năng suất nhiệt lên đến hàng chục ngàn kW thường sử dụng máy nén tuabin, chu trình nén hơi Ví dụ, năm 1959 hãng York của Mỹ đã lắp đặt một bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh ở Square Walley phục vụ Ôlempic mùa đông Đây là bơm nhiệt hai chiều nóng lạnh Nguồn lạnh có năng suất 1919 kW

để làm lạnh nước muối CaCl2 ở nhiệt độ trung bình -10oC bơm cấp cho bốn sân trượt băng nghệ thuật Nguồn nóng phát ra từ sáu dàn ngưng không khí dùng để sưởi ấm cho các phòng thể thao và các bể bơi

Bơm nhiệt nóng lạnh là phương án bơm nhiệt hiệu quả nhất vì có thể sử dụng cả nguồn nóng và nguồn lạnh của bơm nhiệt, hệ số bơm nhiệt có thể nói là tăng lên gấp đôi Ví dụ trong lò mổ, lạnh dùng để bảo quản thịt còn nước nóng dùng để tẩy rửa Trong các xí nghiệp chế biến thủy sản cũng vậy, lạnh dùng để bảo quản cá còn nước nóng dùng để tẩy rửa Trong tháp chưng cất, tách chất dàn ngưng bố trí ở đáy tháp để gia nhiệt cho đáy tháp, còn dàn bay hơi bố trí ở đỉnh

Nói chung, bơm nhiệt có thể sử dụng hiệu quả ở các trường hợp sau:

- Khi nơi đó có nguồn nhiệt thải có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường nhưng vẫn còn quá thấp để có thể sử dụng trực tiếp

- Khi nơi đó có nhu cầu đồng thời nguồn nóng và nguồn lạnh như đã nói ở trên, nguồn nóng để chuẩn bị nước nóng, để sưởi, sấy, còn nguồn lạnh để bảo quản

- Trong các cơ sở công nghiệp sử dụng nhiều nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau, phù hợp với bơm nhiệt để có thể sử dụng nhiệt thải ở đầu ra cấp ngay cho nhu cầu nhiệt ở đầu vào, ví dụ trong điều hòa không khí mùa hè, thu nhiệt từ các phòng cần làm mát để đun nước nóng sinh hoạt; thu nhiệt từ đỉnh tháp chưng cất

để cấp cho đáy tháp, sử dụng nhiệt thải của khu chiết chai, thanh trùng trong các nhà máy bia nước giải khát để cấp cho khu rửa chai

- Trong các cơ sở công nghiệp đã có sẵn thiết bị hồi nhiệt mà bơm nhiệt có khả năng cải thiện việc thu hồi nhiệt thải

- Khi phải truyền tải một dòng nhiệt đi xa, việc sử dụng bơm nhiệt ở cuối nguồn của dòng nhiệt để đảm bảo nhiệt độ đầu ra, có thể giảm đáng kể chi phí đầu tư ban đầu

Bảng 1.2 giới thiệu một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt thông dụng, bảng 1.3 giới thiệu một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp

và bảng 1.4 giới thiệu một số khả năng sử dụng bơm nhiệt để thu hồi nhiệt thải

ở các nguồn nhiệt thải

Bảng 1.2 Một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt thông dụng

TT Mục đích sử dụng của bơm

nhiệt

Năng suất nhiệt,

kW

Nhiệt độ nguồn lạnh,

o

C

Nhiệt độ nguồn nóng, oC

2 Đun nước nóng gia dụng

băng bơm nhiệt gió nước

(ATW heat pump)

2,3 ÷ 14 Nhiệt độ môi

trường 45 ÷ 50

3 Đun nước nóng thương

nghiêp và công nghiệp

(ATW heat pump)

15 ÷ 50

5 Quay vòng dòng nhiệt trong

công ghiệp bay hơi cô đặc,

tháp chưng cất, xưởng giặt

là, tẩy rửa vệ sinh thiết bị

hoặc buồng sấy

250 ÷ 1000 30 ÷ 130 30 ÷ 50

6 Thu hồi nhiệt thải từ các quá

trình công nghệ, khu đô thị,

khu dân cư, sản xuất hơi

công nghệ, kết hợp với trung

tâm cáp nhiệt, cấp lạnh, thu

hồi hiệt ngưng tụ

1000 ÷

5000 30 ÷ 70 50 ÷ 120

Bảng 1.3 Một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp

Bơm nhiệt nóng lạnh Nhu cầu nóng Nhu cầu lạnh

Điều hòa không khí

hai chiều Sưởi ấm mùa đông Làm mát mùa hè

Đun nước nóng gia

dụng Đun nước nóng

Làm mát phòng mùa hè, tủ lạnh gia đình

Bơm nhiệt đa năng

Sưởi ấm mùa đông, đun nước nóng cả năm, có thể kết hợp với

bộ thu năng lượng mặt trời

Xí nghiệp giết mổ Nước nóng để vệ sinh, tẩy rửa Làm lạnh, bảo quản lạnh, kết

đông và bảo quản đông

Các nhà máy chế biến

rau quả, nông sản

Nước nóng để vệ sinh, tẩy rửa và dùng cho máy rửa

Bảo quản lạnh, làm lạnh và bảo quản sản phẩm

Kho lạnh

Sưởi ấm phòng học bán nhiệt ngưng tụ dạng nước nóng, gió nóng

Làm lạnh phòng

Xưởng bia Nước nóng

Lạnh nhanh dịch bia, làm lạnh bia lên men và thành phẩm, bảo quản nuôi cấy men

Trung tâm cấp nhiệt,

Cấp nhiệt cho đáy tháp Thu nhiệt ở đỉnh tháp

Bay hơi cô đặc với

chu trình hở

Cấp nhiệt cho quá trình bay hơi Thu nhiệt ở quá trình ngưng

tụ

Bảng 1.4 Một số khả năng sử dụng bơm nhiệt để thu hồi nhiệt thải ở các nguồn

nhiệt thải

Cơ sở kinh tế Nhu cầu nhiệt nhiệt độ thấp Nguồn nhiệt thải

Xí nghiệp giặt là Nước nóng Nước thải

Khách sạn, bệnh viện Nước nóng và nước sinh hoạt Nước thải

Xưởng nhuộm và sợi dệt Nước nóng Nước thải

Nhà máy giấy và bột Nước nóng và nhiệt cấp cho

máy sấy

Nước thải và khí thải

Xưởng sản xuất mạch nha Nhiệt cấp cho máy sấy Khí thải

Điều hòa không khí trong xí

nghiệp và chuồng trại nông

nghiệp

Sưởi ấm và nước nóng Nhiệt thải từ chuồng

trại, buồng ấp trứng, buồng giống, buồng dấm hoa quả

Xưởng dấm chuối, dấm hoa

Gia nhiệt không khí cấp cho buồng sấy

Khí thải, ẩm thải từ buồng sấy

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

Như chúng ta đã biết, hiệu quả sử dụng năng lượng đóng vai trò quyết định và ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế, xã hội của bất kỳ một nền kinh tế nào trên thế giới Khi nền kinh tế phát triển thì nhu cầu về sử dụng năng lượng cũng tăng lên, đẩy giá nhiên liệu lên cao Vì vậy việc sử dụng năng lượng hợp lý và tiết kiệm sẽ thúc đẩy cho nền kinh tế phát triển một cách mạnh mẽ và ổn định

Kinh tế phát triển thì đời sống chung của nhân dân được nâng lên rất nhiều

Do vậy nhu cầu về mọi mặt của đời sống xã hội nói chung và nhu cầu sử dụng nước nóng trong sinh hoạt gia đình nói riêng đang là rất cần thiết Theo thống kê nhu cầu

sử dụng năng lượng cho các hộ gia đình ở Mỹ thì có đến 17% năng lượng dùng cho việc đun nước nóng phục vụ sinh hoạt Còn ở Việt Nam thì năng lượng dùng cho cung cấp nước nóng chiếm từ 12 ÷ 20% tổng năng lượng cung cấp cho hộ gia đình[8] Như vậy là năng lượng dùng để cung cấp nước nóng phục vụ sinh hoạt chiếm tỷ lệ phần trăm tương đối lớn Vì vậy phải có biện pháp để tiết kiệm năng lượng cho việc sản xuất nước nóng

Hiện nay có rất nhiều các loại thiết bị dùng đun nước nóng cung cấp cho sinh hoạt gia đình như: bình nước nóng sử dụng điện trở gia nhiệt, bình nước nóng sử dụng Khí đốt, bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời, hệ thống cung cấp nước nóng dùng lò hơi, hệ thống tận dụng nhiệt thải để đun nước, hệ thống đun nước nóng sử dụng bơm nhiệt Hình 1.8 giới thiệu các phương pháp đun nước nóng khác nhau

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống đun nước nóng

Hình 1.10 giới thiệu về hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt (ở đây là bơm nhiệt gió nước) để đun nước nóng so sánh với các phương án khác như dùng nồi hơi và dùng thanh điện trở Từ phải qua trái ta thấy phương án dùng điện trở có tiêu thụ năng lượng sơ cấp cao nhất, 100 %, sau đó là dùng nồi hơi đun nước nóng đốt gas 78 %, nồi hơi đốt than, dầu 70 % và tiếp theo là sử dụng bơm nhiệt thường 32 % và thấp nhất là bơm nhiệt nhiệt độ thấp chỉ khoảng 20%

Hình 1.11 So sánh tiêu thụ điện giữa các phương án đun nước nóng khác nhau

Hiệu nhiệt độ nước nóng ra vào càng thấp thì tiêu thụ điện càng giảm Do đun nước nóng bằng điện trở tiêu tốn điện năng quá lớn nên Quy chuẩn xây dựng Việt Nam 09:2010 yêu cầu không sử dụng thanh điện trở để đun nước nóng trừ trường hợp để hỗ trợ cho các phương án như đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời Do nồi hơi đốt dầu, gas, than không an toàn cháy nổ nên các tòa nhà công cộng như các tòa nhà văn phòng, khu chung cư, khách sạn, trường học, bệnh viện không sử dụng Phương án bơm nhiệt kết hợp với BXMT đang là phương án đun nước nóng tối ưu

Ở Việt Nam hơn 90% thiết bị sản xuất nước nóng hiện nay sử dụng dây điện trở để nung nóng nước và chỉ có khoảng 5% đến 10% các thiết bị là sử dụng năng lượng mặt trời Tuy nhiên nguồn nước nóng do hệ thống năng lượng mặt trời tạo ra không ổn định, phụ thuộc nhiều vào thời tiết ở từng vùng Còn hệ thống bơm nhiệt

để sản xuất nước nóng với COP = 3 ÷ 4 trong chế độ chỉ cấp nước nóng và COP =

4 ÷ 5 (trong chế độ vừa cấp nước nóng vừa làm mát) sẽ cho hiệu quả năng lượng rất cao, tiết kiệm được từ 50 ÷ 75% (có khi đến 80 ÷ 90%) năng lượng so với các

hệ thống đun nước nóng khác[1]

Nghiên cứu ở nước ngoài

Với khả năng tiết kiệm năng lượng và chi phí đầu tư thấp, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống bơm nhiệt đun nước nóng Từ những thập niên 80 của thế kỷ trước việc nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tế hệ thống bơm nhiệt đun nước nóng đã được triển khai ở Mỹ và Australia, và hiện nay vẫn đang nằm trong chương trình tiết kiệm năng lượng của Mỹ Trung Quốc và Nhật Bản là hai thí dụ điển hình về sự phát triển nhanh chóng của bơm nhiệt đun nước nóng Ở Nhật Bản hệ thống đun nước nóng sử dụng bơm nhiệt đã rất phổ biến

và phát triển mạnh mẽ, được dùng để cung cấp nước nóng cho cả trong công nghiệp lẫn phục vụ nhu cầu dân sinh

Ở Hàn Quốc cũng có nhiều nghiên cứu Trong bài báo [14] nhóm tác giả của khoa Máy kỹ thuật thuộc trường Đại học Quốc tế Seoul đã coi đặc tính động học của hệ thống đun nước nóng sử dụng bơm nhiệt là một hàm của nhiệt độ nước nóng trong bình chứa Nhóm tác giả đã phân tích đặc tính của thiết bị đun nước nóng ở một vài điều kiện hoạt động khác nhau đối với những bình chứa nước nóng

có thể tích khác nhau Đã tìm ra được sự thay đổi nhiệt độ của nước nóng trong bình chứa theo thời gian hoạt động của thiết bị Mô hình nghiên cứu bao gồm phần thứ nhất là bơm nhiệt, phần còn lại là vòng tuần hoàn của nước Môi chất lạnh được

sử dụng trong hệ thống là R22 Nhóm tác giả đã nghiên cứu ở hai chế độ hoạt động: chế độ tích nhiệt cho nước nóng trong bình chứa và chế độ vừa chạy bơm nhiệt để cấp nhiệt cho nước và lấy luôn nước đó cung cấp cho các hộ tiêu thụ Trong mỗi chế độ

nghiên cứu, nhóm tác giả đã thay đổi các bình chứa có thể tích khác nhau và sau đó so sánh COP, sự thay đổi năng suất giải nhiệt của thiết bị ngưng tụ, thời gian đạt đến nhiệt độ đặt yêu cầu đối với từng loại bình chứa Cuối cùng tác giả đã đưa ra kết luận: ở

cả chế độ tích nhiệt và chế độ vừa chạy bơm nhiệt vừa cung cấp nước cho các hộ tiêu thụ thì với những bình chứa nhỏ thời gian để nước nóng đạt đến nhiệt độ đặt là rất nhanh, tổn thất ít, và hiệu suất tăng Với các bình chứa nhỏ quá mức thì sẽ xảy ra sự mất

ổn định về hiệu suất vì sự tăng quá nhanh của nhiệt độ bình chứa, và thời gian để hệ thống trở lại trạng thái ổn định là rất lâu Còn đối với các bình chứa quá lớn thì thời gian

để nhiệt độ nước trong bình đạt đến nhiệt độ đặt là rất lâu, do đó thời gian hoạt động của

hệ thống tăng lên và tổn thất lớn do diện tích bề mặt bình chứa lớn

Nghiên cứu ở Việt Nam

Ở Việt Nam, bơm nhiệt đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành điều hòa không khí, trong công nghiệp sấy, hút ẩm Một ứng dụng không kém phần quan trọng hiện nay là bơm nhiệt để đun nước nóng cho hộ gia đình, công sở, thương nghiệp, công nghiệp nhiệt đun nước nóng không chỉ đem lại hiệu quả kinh

tế mà còn góp phần tích cực vào việc bảo vệ môi trường Trên thị trường đã có nhiều hãng quảng cáo bơm nhiệt đun nước nóng Tuy nhiên hiện nay ở nước ta bơm nhiệt đun nước nóng cho hộ gia đình vẫn chưa phổ biến như ở Trung Quốc và Nhật Bản cũng như các nước khác Việc nghiên cứu và chế tạo thiết bị đun nước nóng bơm nhiệt cũng chỉ mới được triển khai trong thời gian gần đây

Nhóm tác giả TS Hà Đăng Trung và ThS Nguyễn Đình Vịnh đã thực hiện

đề tài Thiết kế chế tạo và thử nghiệm bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng môi chất lạnh R22 và dàn lạnh giải nhiệt không khí trong điều kiện khí hậu Việt nam (nhiệt

độ môi trường 20oC, độ ẩm 60% Với hệ số sử dụng năng lượng COP đạt 3,3 – 3,8 tiết kiệm được 65 – 70% năng lượng tiêu thụ so với bình đun nước nóng bằng thanh điện trở[8]

Công trình của Nguyễn Nguyên An là chế tạo được thiết bị cung cấp nước nóng với nhiệt độ tố đa là 55oC sử dụng chu trình bơm nhiệt có máy nén với môi chất lạnh R134a[17 ]

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt sản xuất nước nóng.với dàn ngưng tụ kiểu

ống xoẳn ruột gà đặt trong bình chứa

Theo[1] tiêu thụ điện năng của mẫu bơm nhiệt đã chế tạo là 0,272 kWh cho

1 kWh nhiệt để làm nóng nước chỉ bằng 27% điện năng tiêu thụ của các thiết bị sản xuất nước nóng dùng dây điện trở có cùng công suất

Mẫu chế tạo chưa được hoàn thiện so với tính toán ban đầu nhưng cũng cho thấy đây là hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai

Nguyễn Thế Hùng (2009) đã nghiên cứu thiết kế chế tạo và thực nghiệm mô hình bơm nhiệt đun nước nóng nguồn gió với bình ngưng kiểu ống lồng ống để tận dụng nhiệu độ quá nhiệt nâng cao nhiệt độ nước nóng trong khi không làm giảm COP của bơm nhiệt[11]

Nguyễn Văn Thái (2017) đã nghiên cứu bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng nhiệt thải ngưng tụ của nước giải nhiệt của hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller để nâng cao hiệu quả năng lượng[12]

1.3 Lý do lựa chọn đề tài

Thực tế hiện nay trong các hộ gia đình đang sử dụng thiết bị riêng biệt là điều hòa không khí và bình đun nước nóng bằng thanh điện trở Tác giả muốn kết hợp để tận dụng nguồn nhiệt nóng thải ra từ điều hòa không khí cho việc đun nước nóng Đề tài có tính ứng dụng và thực tế rất cao, thiết bị có hiệu quả tiết kiệm năng lượng lớn, đây là một trong những vấn đề rất đáng được quan tâm hiện nay ở nước ta

1.4 Mục tiêu của đề tài

Chế tạo, lắp ráp thành công thiết bị đun nước nóng bằng bơm nhiệt kết hợp điều hòa không khí đưa vào sử dụng với hiệu quả năng lượng cao

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Lý thuyết kết hợp thực nghiệm

- Dựa vào mô hình và quá trình mô phỏng đã thực hiện từ trước

- Tham khảo các tài liệu có liên quan

- Tham khảo các tạp chí khoa học, các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước

- Tra cứu catalog, tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của thiết bị

- Tính toán và trực tiếp tham gia làm các công đoạn thiết kế, chế tạo

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: bơm nhiệt kết hợp điều hòa không khí đun nước nóng

- Phạm vi nghiên cứu: quy mô nước nóng trong dân dụng

1.7 Nội dung nghiên cứu

- Chọn thiết bị là điều hòa không khí phòng RAC ( Room Air Conditomer)

hai chiều có sẵn trong các hộ gia đình năng suất lạnh từ 2,6 kW (9000Btu/h) đến 7,1 kW (24000Btu/h) để thiết kế, chế tạo lắp ráp thêm tính năng đun nước nóng sử dụng bơm nhiệt kết hợp điều hòa không khí Ở đề tài này tác giả tính toán hệ thống của máy điều hòa không khí có công suất 11700BTU/h (tức loại máy lạnh có công

- Tính toán các chu trình lạnh của thiết bị để biết công suất giàn lạnh, giàn nóng, trên cơ sở đó chọn ống đồng và tính chiều dài ống cần thiết của bình đun nước nóng, thiết kế tính toán bình chứa và bảo ôn cách nhiệt, đường nước ra vào bình chứa nước

- Xây dựng sơ đồ các hệ thống lạnh và hệ thống điện của thiết bị

- Thiết kế và chế tạo thiết bị trên cơ sở đã nghiên cứu tính toán

- Cho thiết bị chạy thực tế và hiệu chỉnh

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN XÂY DỰNG THIẾT BỊ BƠM NHIỆT ĐUN

NƯỚC NÓNG 2.1 Sơ đồ nguyên lý của máy điều hòa không khí General

Thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng được lựa chọn từ máy điều hòa phòng hai cụm có các tính năng như sau:

Model: Dàn trong nhà ASG12ASL;

Dàn ngoài nhà AOG12ASL;

- Năng suất 3,428kW (11700Btu/h);

- Công suất máy nén 1kW (1,5HP);

- Môi chất lạnh R22;

- Điện áp 220 V – 50Hz;

- Dòng điện định mức 6,1 A;

- Dòng điện khởi động 30 A;

- 2 cụm- 2 chiều nguyên bản sử dụng để làm thí nghiệm

Hình 2.1a,b giới thiệu sơ đồ nguyên lý của máy điều hòa không khí nguyên bản hai cụm hai chiều đây là tính năng sẵn có của máy điều hòa không khí là có thể hoạt động được 2 chế độ làm lạnh và sưởi ấm Ở chế độ làm lạnh sẽ có ống mao ngắn hơn ống mao của chế độ sưởi ấm nên trên phần ống mao dẫn của máy có thêm van một chiều và ống mao phụ nối dài như hình 2.1b

Hình 2.1a giới thiệu dòng chuyển động môi chất của máy điều hòa chạy ở chế độ làm mát phòng vào mùa hè Môi chất lạnh đi từ máy nén lên van đảo chiều, qua dàn ngoài nhà, qua phin lọc, qua van một chiều vào ống mao chính tới dàn trong nhà, đi tiếp qua van đảo chiều về máy nén, khép kín vòng tuần hoàn môi chất lạnh

Hình 2.1a Sơ đồ máy điều hòa 2 chiều hoạt động chế độ làm mát

Hình 2.1b giới thiệu dòng chuyển động của môi chất lạnh khi máy hoạt động ở chế độ

mùa đông Môi chất lạnh đi từ máy nén qua van đảo chiều, vào dàn trong nhà qua ống mao chính và phụ để tăng trở lực của ống mao, đi tiếp ra dàn ngoài nhà, rồi trở

về van đảo chiều, đi về máy nén, khép kín vòng tuần hoàn môi chất lạnh

Hình 2.1b Sơ đồ máy điều hòa 2 chiều chế độ sưởi ấm

2.2 Cải tạo máy điều hòa 2 cụm 2 chiều có thêm chế độ đun nước nóng

Do máy điều hòa 2 chiều có thêm chức năng đun nước nóng nên từ đây sẽ được gọi là Bom nhiệt đa năng

Với một van đảo chiều hơi nóng từ máy nén chỉ có thể đến được dàn ngoài nhà và dàn trong nhà ở hai chế độ làm lạnh vào mùa hè và sưởi ấm vào mùa đông Nếu muốn đưa hơi nóng từ máy nén đến dàn đun nước nóng thì nhất thiết phải lắp thêm một van đảo chiều thứ hai

Hình 2.2 a,b,c,d giới thiệu sơ đồ nguyên lý của máy điều hòa đã cải tạo với hai van đảo chiều để thực hiện nhiều chế độ làm việc như làm lạnh, sưởi ấm, đun nước nóng và vừa làm lạnh vừa đun nước nóng, ở các chế độ khác nhau dàn ngoài nhà có cả hai chế độ thu nhiệt và thải nhiệt Dàn trong nhà cũng vậy Riêng dàn đun nước nóng thì chỉ làm một nhiệm vụ là dàn tỏa nhiệt Chính vì vậy phải có 4 ống mao cho 4 chế độ khác nhau do các chế độ này làm việc ở các hiệu nhiệt độ khác nhau Mỗi ống mao đều có một van điện từ để điều khiển sự làm việc của nó Máy

có 4 chế độ làm việc ( làm lạnh, sưởi ấm, đun nước nóng, vừa làm lạnh vừa đun nước nóng) thì ở mỗi chế độ chỉ có một van điện từ mở, 3 van còn lại là đóng Phần điều khiển cũng phải thiết kế lại điều khiển từ xa hoặc điều khiển tiếp điểm điện để đóng mở các van đổi dòng và các van điện từ

Hình 2.2a Giới thiệu dòng môi chất chuyển động cho chế độ làm lạnh

Máy hoạt động như sau:

Van điện từ ĐT2, ĐT3, ĐT4 đóng, van điện từ ĐT1 mở

Máy nén hút hơi môi chất từ dàn bay hơi và nén lên có áp suất cao nhiệt độ cao, được đẩy qua 2 van dịch chuyển VDC1 đến van VDC2 và đi đến dàn ngoài nhà

OU, tại đây được giải nhiệt bằng gió và ngưng tụ thành lỏng có áp suất cao nhiệt độ cao Lỏng cao áp tiếp tục đi qua van điện từ ĐT1 qua ống mao dẫn MD1, tới dàn trong nhà IU rồi đi tiếp về van đảo chiều VDC1 để trở về máy nén khép kín vòng tuần hoàn môi chất lạnh

2.2.2 Chế độ sưởi ấm

Hình 2.2b giới thiệu dòng môi chất chuyển động cho chế độ sưởi ấm

Máy hoạt động như sau:

Van điện từ ĐT1, ĐT3, ĐT4 đóng, còn van điện từ ĐT2 mở

Môi chất lạnh đi từ máy nén lên van dịch chuyên VDC1 đi lên dàn ngoài nhà

IU đi qua ống mao dẫn Md2 TL2 qua van điện từ ĐT2 về dàn OU rồi về van dịch vụ VDC2 đi về máy nén khép kín vòng tuần hoàn kín của môi chất lạnh

Chế độ đun nước nóng