Đồ án: Thiết kế hệ thống bơm nhiệt ống lồng ống tận dụng nhiệt máy nén điều hòa

Đồ án thiết kế, chế tạo hệ thống bơm nhiệt tận dụng nhiệt thải từ máy điều hòa không khí. Mô hình thực nghiệm giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

• Tác giả: Phạm Thế Huy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Viên
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống bơm nhiệt sử dụng ống nhiệt ống lồng ống tận dụng nhiệt đầu đẩy máy nén của máy điều hòa không khí 2 cục
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Bơm Nhiệt Tận dụng Nhiệt Thải Máy Điều hòa

Đồ án bơm nhiệt tận dụng nhiệt thải máy điều hòa không khí là một giải pháp tiết kiệm năng lượng hiện đại được thực hiện tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Dự án này nhằm giải quyết vấn đề lãng phí năng lượng từ hệ thống lạnh, một thách thức lớn ở các quốc gia có khí hậu nhiệt đới như Việt Nam. Việt Nam là quốc gia có nhu cầu sử dụng điều hòa không khí rất lớn do khí hậu nóng ẩm quanh năm. Tuy nhiên, thiết bị này thải ra một lượng nhiệt khổng lồ ra môi trường, gây lãng phí năng lượng đáng kể. Đồ án này đã thiết kế một hệ thống bơm nhiệt sử dụng công nghệ ống nhiệt ống lồng ống, tận dụng hiệu quả nhiệt từ đầu đẩy máy nén máy điều hòa 2 cục để cung cấp nước nóng cho sinh hoạt hàng ngày.

1.1. Lý do chọn đề tài và Mục tiêu

Nhu cầu sử dụng nước nóng trong sinh hoạt hằng ngày ở Việt Nam rất lớn, nhưng nguồn năng lượng truyền thống như năng lượng hóa thạch và điện rất tốn kém. Việc tận dụng nhiệt thải từ hệ thống điều hòa không khí là giải pháp bền vững. Mục tiêu của đồ án là thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống bơm nhiệt hoàn toàn mới, nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm chi phí sử dụng điện năng cho các hộ gia đình Việt Nam.

1.2. Tình hình tiêu thụ năng lượng tại Việt Nam

Hiện nay, lượng điện tiêu thụ tại Việt Nam liên tục tăng cao, đặc biệt trong lĩnh vực điều hòa không khí. Nhu cầu cấp nước nóng cho sinh hoạt như tắm, giặc, rửa chén bát cũng rất lớn. Sự kết hợp giữa bơm nhiệt và tận dụng nhiệt thải máy điều hòa có thể giảm đáng kể chi phí năng lượng, đồng thời bảo vệ môi trường bằng cách giảm lượng khí thải và tiêu thụ điện.

II. Cơ Sở Lý Thuyết và Nguyên Lý Hoạt Động

Hệ thống bơm nhiệt được thiết kế dựa trên nguyên lý đối lưu tự nhiên, không tiêu tốn năng lượng bổ sung. Công nghệ sử dụng ống nhiệt ống lồng ống cho phép trao đổi nhiệt hiệu quả giữa chất lạnh R134a từ máy điều hòa và nước cần nóng. Chất lạnh R134a là một chất lạnh an toàn, không phá hủy tầng ozone, được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều hòa hiện đại. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc tận dụng nhiệt từ đầu đẩy máy nén của máy điều hòa 2 cục, nơi có nhiệt độ rất cao. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống xoắn được sử dụng để tối ưu hóa diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng, từ đó tăng hiệu suất trao đổi nhiệt.

2.1. Chất lạnh R134a và đặc tính của nó

R134a (CH2F-CF3 Tetrafloetan) là chất lạnh thân thiện với môi trường được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều hòa không khí hiện đại. Nó có đặc tính an toàn cao, không gây cháy nổ và không phá hủy tầng ozone. Các tính chất nhiệt động của R134a cho phép hệ thống bơm nhiệt hoạt động với hiệu suất cao, đặc biệt trong việc tận dụng nhiệt từ quá trình nén khí.

2.2. Công nghệ ống nhiệt ống lồng ống

Ống lồng ống là thiết bị trao đổi nhiệt hiệu quả, với ống bên trong chứa chất lạnh nóng và ống bên ngoài chứa nước lạnh. Các loại ống lồng ống bao gồm ống thẳng, ống cong, ống xoắn và ống elipse. Ống lồng ống xoắn được sử dụng trong đồ án này vì có diện tích trao đổi nhiệt lớn, tăng hiệu suất truyền nhiệt lên tới 3,61 lần.

III. Tính Toán Thiết Kế và Các Thông Số Kỹ Thuật

Quá trình thiết kế hệ thống bơm nhiệt bao gồm tính toán chu trình máy lạnh 1 cấp dựa trên nhiệt độ và áp suất làm việc của R134a. Các thông số chính được lựa chọn nhằm đạt hiệu suất tối ưu cho trao đổi nhiệt và tận dụng nhiệt hiệu quả. Tính toán hệ số tỏa nhiệt (α1) của R134a chảy bên trong ống và hệ số trao đổi nhiệt của nước bên ngoài (α2) là bước quan trọng để xác định diện tích bề mặt cần thiết. Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit được tính toán để đảm bảo trao đổi nhiệt đủ giữa hai chất. Hệ số hiệu quả năng lượng được nâng từ 3,3 lên 3,61, chứng tỏ sự cải thiện đáng kể trong việc tận dụng nhiệt thải của máy điều hòa.

3.1. Chu trình máy lạnh và thông số làm việc

Chu trình máy lạnh 1 cấp được tính toán dựa trên quy trình nén, ngưng tụ, giãn nở và chứng thoát nhiệt. Các thông số làm việc bao gồm nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi và áp suất làm việc được chọn để tối ưu hóa hiệu suất bơm nhiệt. Nhiệt độ đầu đẩy máy nén được sử dụng làm nguồn nhiệt chính cho hệ thống trao đổi nhiệt.

3.2. Tính toán diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt được xác định dựa trên công suất nhiệt cần truyền và hệ số tổng thể truyền nhiệt. Ống lồng ống xoắn được sử dụng vì cấu trúc xoắn tạo ra sự rối loạn trong dòng chảy, tăng hệ số truyền nhiệt. Bình chứa nước cũng được thiết kế phù hợp để lưu trữ nước nóng và duy trì nhiệt độ ổn định.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm và Ứng Dụng Thực Tế

Hệ thống thực nghiệm được chế tạo hoàn chỉnh với các thành phần bao gồm máy điều hòa 2 cục, ống nhiệt ống lồng ống xoắn, bình chứa nước và các thiết bị đo lường. Quá trình chế tạo tuân theo các tính toán thiết kế chặt chẽ, đảm bảo chất lượng và an toàn. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động rất tốt với các chỉ tiêu vượt quá mong đợi. Hệ số hiệu quả năng lượng được nâng từ 3,3 lên 3,61, tương ứng với mức tiết kiệm điện năng đáng kể. Tận dụng nhiệt thải từ máy điều hòa không khí được chứng minh là khả thi và hiệu quả, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các hộ gia đình và công trình xây dựng tại Việt Nam.

4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống

Hệ thống bơm nhiệt gồm máy điều hòa 2 cục làm nguồn nhiệt, ống nhiệt ống lồng ống xoắn để trao đổi nhiệt, bình chứa nước và các van điều khiển. Nguyên lý hoạt động dựa trên đối lưu tự nhiên, không cần pump hoặc thiết bị tiêu tốn năng lượng. Nước nóng được cung cấp liên tục cho các nhu cầu sinh hoạt như tắm, giặc, rửa chén bát.

4.2. Kết quả thực nghiệm và ưu điểm thực tiễn

Kết quả thực nghiệm chứng minh rằng bơm nhiệt tận dụng nhiệt thải máy điều hòa hoạt động hiệu quả, tiết kiệm điện năng và chi phí năng lượng cho người sử dụng. Ứng dụng này đặc biệt thích hợp cho Việt Nam với khí hậu nót ẩm quanh năm, nhu cầu điều hòa không khí cao. Ngoài tiết kiệm năng lượng, hệ thống còn góp phần giảm lượng khí thải, bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay vấn đề ô nhiễm môi trường và những hạn chế của năng lượng hóa thạch xuất hiện như một cuộc khủng hoảng nghiêm trọng không chỉ trong phạm vi mỗi quốc gia mà đã trở thành vấn đề của thế giới. Các ngành công nghiệp đang phải đối đầu với nguy cơ thiếu năng lượng, nguồn dự trữ năng lượng cũng gần cạn kiệt, vì thế vấn đề tiết kiệm năng lượng là cần thiết trong tất cả các thiết bị tiêu thụ năng lượng bao gồm hệ thống điều hòa không khí. Ở Việt Nam, đi đôi với sự phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa thời kì cận hiện đại là sự xuất hiện mạnh mẽ của nhiều tòa nhà cao tầng.

Hàng trăm ngôi nhà cao tầng ở các thành phố lớn được sử dụng để làm văn phòng làm việc, khách sạn, ngân hàng, trung tâm thương mại, nhà ở chung cư mọc lên theo sự đổi mới nhịp sống xã hội. Theo sau nhu cầu sử dụng và sự hiện đại đó chính là lượng tiêu thụ năng lượng đang ngày một gia tăng, vì thế việc phát triển hệ thống sử dụng năng lượng tiêu thụ một cách tiết kiệm hơn mang tính chiến lược để phát triển nền kinh tế đất nước nói riêng và của thế giới nói chung. Tháng 3/2019, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt Chương trình quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả giai đoạn 2019 – 2030 [1]. Chương trình đề ra mục tiêu đạt mức tiết kiệm năng lượng 5 - 7% tổng tiêu thụ năng lượng toàn quốc trong giai đoạn từ năm 2019 - 2025 và từ 8 - 10% trong giai đoạn 2019 - 2030.

Tại diễn đàn, nhiều chuyên gia cho rằng, ngoài việc hình thành thói quen sử dụng năng lượng tiết kiệm, thì các giải pháp về công nghệ mới cũng cần được áp dụng để nâng cao hiệu suất tiết kiệm năng lượng, đẩy lùi các công nghệ cũ. Ông Nguyễn Quân, Nguyên Bộ trưởng Bộ Khoa học Công nghệ, Chủ tịch Hôi tự động hóa cho rằng, đã đến lúc phải nhìn nhận lại việc sử dụng năng lượng để nâng cao hiệu quả của nền kinh tế nói chung. Hiện nay, khoảng 30% sản lượng điện dành cho chiếu sáng (dân dụng, công cộng…) chỉ cần tiết kiệm một nửa số điện hiện dùng bằng công nghệ đèn led,. sẽ tiết kiệm tương đương việc phải xây dựng một nhà máy điện hạt nhân công suất khoảng 4000 MW.

Hay với 1 điều hòa nhiệt độ, với khoảng 10 triệu chiếc điều hòa trên cả nước, nếu có công nghệ mới đưa vào để tiết kiệm được khoảng 10% lượng điện cũng tiết kiệm con số tương đối lớn. Điều hòa nhiệt độ là thiết bị tiêu thụ năng lượng có số lượng lớn trên toàn quốc hiện nay và nhu cầu sử dụng nước nóng trong ăn uống và sinh hoạt ngày càng cao, từ đó ý tưởng để đáp ứng nhu cầu sử dụng nước nóng tiết kiệm năng lượng bằng thiết bị trao đổi nhiệt (heat exchanger) là một ưu thế. Loại hình thiết bị trao đổi nhiệt là loại hình công nghệ hiện đại đã đang được nghiên cứu và sử dụng. Ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt gia nhiệt nước trong đời sống rất quan trọng.

Mỗi gia đình tại thành phố lớn hay nông thôn đều sử dụng một lượng nước nóng vô cùng lớn. Các phương pháp truyền thống như sử dụng điện, gas, dầu,… thì sẽ tiêu hao lượng năng lượng hóa thạch cũng như ảnh hưởng từ khí thải tới môi trường. Biểu đồ so sánh chi phí các loại năng lượng dùng làm nóng nước. [1] Từ việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng nhiệt thải gia nhiệt nước nóng nhờ vào năng lượng thừa của thiết bị điều hòa nhiệt độ sẽ tạo ra giải pháp tuyệt vời cho vấn đề tiết kiệm năng lượng cũng như phát triển nền kinh tế đất nước.

Từ sự phân công đề tài và tầm nhìn chiến lược cao của giáo viên hướng dẫn nhằm góp phần giảm sự tiêu thụ năng lượng và bảo vệ môi trường phát triển kinh tế đất nước, nhóm em xin thực hiện đề 2 tài : ‘‘Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống bơm nhiệt sử dụng ống nhiệt ống lồng ống tận dụng nhiệt đầu đẩy máy nén của máy điều hòa không khí 2 cục’’ làm đề tài tốt nghiệp. Mục tiêu chọn đề tài Tìm hiểu về thiết bị trao đổi nhiệt, phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng nhiệt thải và các thiết bị trong hệ thống lạnh. Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống bơm nhiệt sử dụng ống nhiệt ống lồng ống tận dụng nhiệt đầu đẩy máy nén của máy điều hòa không khí 2 cục. Kiểm chứng thực nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống gia nhiệt nước trên mô hình thực tế.

Tình hình tiêu thụ điện trong và ngoài nước 1. Tình hình tiêu thụ điện trong nước Lượng điện được tiêu thụ ngày càng tăng cao, tại miền Nam thiếu hụt điện càng nghiêm trọng. Theo thống kê, nhu cầu tiêu thụ điện năm 2018 tăng cao hơn so với kế hoạch 2,4 tỷ kWh, việc cấp than cũng không đáp ứng nhu cầu sản xuất điện, lưu lượng nước về các hồ thủy điện cuối năm ít ở các tỉnh miền Trung. Các nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, sinh khối, hay thủy triều, của Việt Nam được đánh giá rất giàu có và phong phú nhưng vẫn là tiềm năng chưa thể khai thác.

Do vậy tiết kiệm lượng tiêu thụ điện là cần thiết. Tình hình tiêu thụ điện ngoài nước Năm 2017, theo thống kê tổng lượng điện năng tiêu thụ trên toàn thế giới đạt 25,551 triệu tỷ kWh, tăng 3,1% so với năm 2016. Trong đó tỷ trong nguồn sản xuất điện từ than đá chiếm 38%, khí tự nhiên chiếm 23%, thủy điện chiếm 16%, điện hạt nhân 10%, dầu 4%, năng lượng tái tạo 8% và 1% từ nguồn khác. Sự ấm lên toàn cầu cũng là nguyên nhân gây ra sự gia tăng nhu cầu sử dụng điện của thế giới.

Những nghiên cứu nổi bật về hệ thống tiết kiệm năng lượng trên hệ thống lạnh ở trong và ngoài nước 1. Nghiên cứu trong nước Trong nước, Nguyễn Đình Vịnh, Hà Đăng Trung đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng sử dụng tác nhân lạnh R22 và dàn lạnh không khí trong điều kiện khí hậu Việt Nam [2]. Các tác giả đã kết luận thiết bị bơm nhiệt đun nước nóng có COP đạt 3,3 đến 3,8 trong điều kiện môi trường trong nhà 22 °C và độ ẩm 60%, tiết kiệm được 65% đến 70% năng lượng tiêu thụ so với bình đun nước nóng bằng điện. Theo Nguyễn Công Vinh, Nguyễn Lê Châu Thành đã nghiên cứu tận dụng nhiệt thải của khói lò hơi công nghiệp để gia nhiệt cho không khí và nước cấp trong lò hơi để góp phần sử dụng tiết kiệm và hiệu quả thì việc thu hồi nhiệt thải từ khói lò của lò hơi công nghiệp là rất cần thiết [3].

Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng tận dụng nhiệt thải từ khói lò để nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường là có ý nghĩa rất lớn. Đối với máy điều hòa là thay đổi nhiệt độ cài đặt ban ngày, ban đêm, thay đổi lưu lượng không khí theo phụ tải thực tế [4] hoặc sử dụng bơm nhiệt để tiết kiệm năng lượng [5]. Hai bài báo này trình bày nguyên lý làm việc, phương pháp đánh giá hiệu quả năng lượng và các khả năng sử dụng bơm nhiệt hiệu quả trong nền kinh tế quốc dân để tiết kiệm năng lượng sơ cấp. Bài báo cũng nêu ra khả năng kết hợp bơm nhiệt với các nguồn năng lượng mới, năng lượng thu hồi, tái sinh để nâng cao hơn nữa hiệu quả của các thiết bị hệ thống nhiệt – lạnh.

Theo nghiên cứu chế tạo mô hình gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt [6]. Báo cáo đã tìm hiểu tổng quan về các loại bơm nhiệt đã sử dụng hiện nay để thấy được phạm vi ứng dụng của nó trong thực tế, từ đó nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt đô bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ của bơm nhiệt. Trong bài báo cũng đồng thời nghiên cứu, tính toán, chế tạo mô hình gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt sử dụng trong các hộ gia đình để kiểm chứng. 4 Qua nghiên cứu sẽ đánh giá được hiệu quả kinh tế - xã hội - môi trường của thiết bị nghiên cứu so với các thiết bị sử dụng điện truyền thống để gia nhiệt nước nóng.

Bùi Ngọc Hùng đã nghiên cứu và chế tạo mô hình thu hồi nhiệt thải từ dàn ngưng của máy điều hòa không khí công suất nhỏ đun nước nóng để tiết kiệm năng lượng [7] và đã kết luận việc thu hồi nhiệt thải ngoài việc tiết tiết kiệm năng lượng thì cũng không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các máy điều hòa không khí công suất nhỏ. Để tiết kiệm năng lượng trong việc điều hòa không khí và đun nước nóng, bài báo này trình bày việc nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình thu hồi nhiệt thải từ dàn nóng của các máy điều hòa không khí trung tâm để đun nước nóng qui mô công nghiệp phục vụ cho các nhu cầu [6] về nước nóng với số lượng lớn như các khách sạn hoặc các nhà máy chế biến thủy sản,. Mô hình sử dụng dàn trao đổi nhiệt dạng tấm trong đó nước nóng trong bình được bơm tuần hoàn qua dàn trao đổi nhiệt tấm để thu hồi nhiệt thải. Nghiên cứu ngoài nước Trên phương diện quốc tế, các nhà khoa học nghiên cứu về việc thu hồi năng lượng và bảo vệ môi trường rất sôi nổi.

Theo Pinart Mere Cuce và Saffa Riffat tại Department of Architecture and Built Environment, Faculty of Engineering, University of Nottingham. Bài báo này thể hiện sự đánh giá toàn diện về ứng dụng của hệ thống thu hồi nhiệt trong tòa nhà [8]. Đánh giá này được đưa ra dựa trên sự tóm tắt về các thành quả đi trước một cách rõ ràng và dễ hiểu. Bài báo này bao gồm những mô tả chi tiết về hệ thống thu hồi nhiệt với nguyên lý làm việc và thành phần của hệ thống, công nghệ thu hồi nhiệt điển hình hiện tại bao gồm ứng dụng xây dựng, lý thuyết, thực nghiệm và công việc mô phỏng được thực hiện cho các công nghệ thu hồi nhiệt khác nhau và đánh giá hiệu suất nhiệt động lực học.

Hơn thế nữa, tác động từ hệ thống thu hồi nhiệt ra môi trường cũng được đánh giá. Bức tranh tương lai của hệ thống thu hồi nhiệt cũng được cân nhắc, đánh giá trong việc nghiên cứu.