Chương 1 CÔNG NGHỆ BƠM NHIỆT KÉT HỢP VOI NANG LUONG MAT TROI TRONG SAN XUAT NUOC NONG 1. Sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt Bơm nhiệt có cấu tạo và nguyên lý hoạt động giống như máy lạnh và chỉ khác ở việc sử dụng nguồn nhiệt. Máy lạnh sử dụng nguồn nhiệt (lạnh) do thiết bị bay hơi tạo ra còn bơm nhiệt sử dụng nguồn nhiệt (nóng) tỏa ra từ thiết bị ngưng tụ. Gần đây, do nhu cầu tiết kiệm năng lượng ngày một cao, loại bơm nhiệt sử dụng đồng thời cả 2 nguồn nhiệt nóng, lạnh cũng đã được áp dụng trên thế giới.
Ưu điểm chính của bơm nhiệt là nhiệt hữu ích, do thiết bị ngưng tụ cung cấp, phần lớn do thiết bị bay hơi lấy từ môi trường bên ngoài, với loại bơm nhiệt sử dụng một nguồn nhiệt, hoặc từ buồng lạnh, với loại bơm nhiệt sử dụng cả 2 nguồn nhiệt. Trung bình, cứ tiêu lãi tốn 1 kWh điện, bơm nhiệt sẽ tạo ra được từ 3 — 6 kWh nhiệt. Chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt nóng và lạnh càng bé thì hiệu quả của bơm nhiệt càng lớn. Do vậy, hiệu quả của bơm nhiệt nói chung, bơm nhiệt sản xuất nước nóng nói riêng, phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ nước nóng cần tạo ra cũng như nhiệt độ môi trường xung quanh.
Ở nhiệt độ nước nóng cần đạt là 55 °C, khi nhiệt độ môi trường nhỏ hơn 5 °C thi COP (Coefficient Of Performance) cua bom nhiệt sẽ giam xuong dưới 3. Thực tế, COP của bơm nhiệt sản xuất nước nóng sẽ giảm rất nhanh khi nhiệt độ môi trường giảm xuống dưới 5 °C. Ngoài ra, do hiện tượng bám tuyết và đóng băng ở thiết bị bay hơi, việc ứng dụng bơm nhiệt nói chung, bơm nhiệt sản xuất nước nóng nói riêng cũng bị hạn chế khi nhiệt độ môi trường thấp hơn 0 °C. Công nghệ lấy nhiệt từ môi trường bằng bơm nhiệt Một bơm nhiệt lấy nhiệt từ môi trường, với sơ đồ nguyên lý trình bày trên hình 1.1, bao gồm 4 bộ phận cơ bản, ghép nối tiếp nhau thành chu trình kín là thiết bị hơi, máy nén, thiết bị ngưng 12 tụ và thiết bị tiết lưu.
Do bên trong có môi chất sôi ở nhiệt độ thấp, thiết bị bay hơi sẽ nhận một lượng nhiệt từ môi trường xung quanh, trường hợp này đóng vai trò nguồn lạnh. Quá trình nhận nhiệt này sẽ làm tăng entanpy của môi chất và kết quả là làm cho môi chất sôi hoàn toàn đến trạng thái là hơi bão hòa khô hoặc hơi quá nhiệt ở đầu ra (trạng thái 1). Môi chất ở trạng thái 1, sau đó, sẽ được máy nén “bơm” lên áp suất cao và nhiệt độ cao (trạng thái 2) để sẵn sàng nha nhiệt cho môi trường cần gia nhiệt, trường hợp này đóng vai trò nguồn nóng. Trong quá trình này, môi chất sẽ nhận năng lượng từ máy nén làm cho entanpy của nó tiếp tục tăng.
Bằng quá trình ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ, môi chất sẽ cấp toàn bộ lượng nhiệt nhận từ nguồn lạnh và lượng năng lượng do máy nén cung cấp cho nguồn nóng và trở lại mức năng lượng ban đầu như trước khi vào thiết bị bay hơi nhưng với áp suất cao hơn (trạng thái 3). Để có thể quay về trạng thái vào thiết bị bay hơi ban đầu (trạng thái 4) và kết thúc một chu trình làm việc, môi chất sẽ được cho qua thiết bị tiết lưu như trình bày trên hình 1. 13 +s Thiết bi ti vl Thiết bị Nhiệt môi trường hơi ñ Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của bơi t lưu 3 Thiể ngưng tụ 2 Máy nén Điện năng n nhiệt lẫy nhiệt từ môi trường.2 là đồ thị lgp — i biểu diễn các quá trình thay đổi trạng thái của môi chất xảy ra bên trong bơm nhiệt.
Có thể thấy ở đây, các quá trình bay hoi (4 — 1) va ngung tụ (2s — 3) hoặc (2r — 3) được coi là đẳng áp ở áp suất tương ứng là p, (ap suất bay hơi) và ø¿ (áp suất ngưng tụ). Trên thực tế, luôn tồn tại các ton thất áp suất do ma sát bên trong các ống dẫn, kênh dẫn cũng như tại các vị trí dòng chảy bị chuyển hướng, bị thay đổi tiết diện lưu động. nên trong các quá trình này luôn có sự suy giảm áp suất nhất định. Tuy nhiên, với mức độ không đáng kê, kéo theo một ảnh hưởng không đáng kể đến giá trị entanpy cũng như các tính toán về năng lượng, sự suy giảm áp suất này hoàn toàn có thể được bỏ qua.
Cũng trên hình 1.2, biến đổi trạng thái môi chất trong van tiết lưu (3 - 4) được xem là đẳng entanpy và vì đây là một quá trình không thuận nghịch nên về lý thuyết, chỉ có trạng thái đầu và cuối là được xác định và toàn bộ quá trình này được biểu diễn bởi I đường “đứt đoạn”. Về quá trình xảy ra trong 15 máy nén, như đã trình bày, nếu bỏ qua ma sát và không tính đến sự trao đổi nhiệt giữa môi chất với môi trường xung quanh, có thé coi day 1a qua trình đoạn nhiệt thuận nghịch (đẳng entropy) và được biểu diễn bởi đường cong (1 — 2s). Tuy nhiên, trong thực tế hoạt động, quá trình nén chịu ảnh hưởng rất lớn bởi hiện tượng ma sát và sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Vì vậy ở đây, quá trình nén sẽ được xem xét kể đến cả hai ảnh hưởng vừa nêu và được biểu diễn bằng đường cong nén thực (1 — 2r).
Trên thực tế hoạt động, quá trình sôi trong thiết bị bay hơi thường kết thúc ở trạng thái I với độ quá nhiệt từ 7 K đến 11 K và quá trình ngưng tụ trong thiết bi ngưng tụ thường kết thúc ở trạng thái 3 với độ quá lạnh từ 3 K đến 5 K. Các mức quá nhiệt và quá lạnh này là để đảm bảo tối ưu về hiệu quả cũng như an toàn trong hoạt động của bơm nhiệt. Khi bỏ qua các tổn thất, hơi ra khỏi máy nén (trạng thái 2s) sẽ có độ quá nhiệt từ vài chục cho đến khoảng 100 K. Tuy nhiên trên thực tế, môi 16 chât khi ra khỏi máy nén sẽ có trạng thái 2r với entanpy và độ quá nhiệt cao hơn một chút so với trạng thái 2s, như trình bày trên hình 1.
las l2rl Hình 1. Đồ thị lgp - ¡ của chu trình bơm nhiệt. Có thê tính các đại lượng đặc trưng cho chu trình bơm nhiệt dựa trên các công thức sau đây. Năng suất lẫy nhiệt riêng của dàn bay hơi: ,=l—=b (1.1) Năng suất gia nhiệt riêng của dàn ngưng tụ: qu=b„— (1.2) Công nén riêng thực của máy nén: 17 I, = ty, 4 (1.3) Công nén riêng đoạn nhiệt thuận nghịch của máy nén: l, =i,, -i, (1.4) Hiệu suât bơm nhiệt: CoP=fL~ 1+ % _ 1.
L, Trong thực tế tính toán, quá trình nén đoạn nhiệt thuận nghịch (1 — 2s) thường được xác định dễ dàng và dựa vào đó, có thê xác định quá trình nén thuc (1 — 2r) thông qua hiệu suất không thuận nghịch ;„_ được xác định như sau: l 1= (1.6) Có thể thấy rõ qua công thức (1.5) rằng COP của bơm nhiệt là đại lượng luôn lớn hơn 1. Điều này có thể được giải thích rằng nhiệt hữu ích thu được ở dàn ngưng tụ của bơm nhiệt không hoàn toàn sinh ra bởi năng lượng J, cap 18 vào cho máy nén mà một phần (chiếm tỉ lệ lớn trong thực tế) của nó, chính bằng năng suất lấy nhiệt g„ của dàn bay hơi, được lấy từ môi trường xung quanh. Công nghệ sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt Sử dụng bơm nhiệt để sản xuất nước nóng đã được đề xuất ứng dụng từ lâu. Tuy nhiên, trước đây khi nhiên liệu hóa thạch còn có giá thành thấp với trữ lượng dồi dào, công nghệ sử dụng bơm nhiệt để sản xuất nước nóng chưa thật sự được quan tâm.
Lý do chính là nhiệt độ nước cấp ra không cao, thông thường chỉ đạt từ 60 °C đến 70 °C. Thời gian gần đây, vì những nguyên nhân đã nêu ở phần trên mà bơm nhiệt sản xuất nước nóng lại được ứng dụng hết sức rộng rãi trên thế giới. Bơm nhiệt dùng để sản xuất nước nóng hiện tại có 2 loại chủ yếu là bơm nhiệt “nước — nước” (WTW - Water To Water heat pump), với dàn bay hơi nhận nhiệt từ một nguôn nước nảo đó, và 19 bơm nhiệt “gió — nước” (ATW — Air to Water heat pump), với dàn bay hơi nhận nhiệt từ nguồn không khí. Bơm nhiệt “nước — nước” linh hoạt hơn trong việc lấy nhiệt từ các nguồn nhiệt khác nhau nhưng lại có khó khăn trong vận hành cũng như công tác bảo dưỡng, sửa chữa nên thường được ứng dụng trong công nghiệp.
Do nguồn nhiệt từ không khí có ở mọi nơi nên bơm nhiệt “gió — nước” thuận tiện hơn trong việc lắp đặt, bảo dưỡng và sửa chữa và vì vậy, phù hợp hơn với các ứng dụng phục vụ sinh hoạt. Ngoài 2 loại phổ biến vừa nêu, trên thị trường còn có bơm nhiệt địa nhiệt, một dạng bơm nhiệt với dàn bay hơi nhận nhiệt trực tiếp từ các nguồn nhiệt ở dưới lòng đất, sông, hô. Do nhiệt độ của các nguồn nhiệt này kha 6n định nên các bơm nhiệt địa nhiệt ít chịu những ảnh hưởng có hại thường xảy ra vào mùa đông như đóng băng dàn bay hơi và/hoặc sụt giảm hệ số hiệu qua COP quá mức. Vì vậy, bơm nhiệt địa nhiệt phù hợp hơn với các vùng khí hậu ôn đới.
20 Do kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt, hoạt động tương đối ôn định nên bơm nhiệt “gió — nước” là sự lựa chọn cho điều kiện sử dụng tại Việt Nam. Một điểm cũng rất đáng lưu ý ở đây là ngoài tính dễ lắp đặt, vận hành, sửa chữa và bảo dưỡng như đã trình bày, các bơm nhiệt kiểu “gió — nước” còn rất có tiềm năng trong việc tận dụng nguồn nhiệt (lạnh) do dàn bay hơi tạo ra để phục vụ các nhu cầu khác của con người về làm lạnh như bảo quản thực phẩm, điều hòa không khí. Sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời Sử dụng năng lượng mặt trời để sản xuất nước nóng là một trong những ứng dụng lâu đời. Tùy vào cầu tạo thiết bị và cường độ bức xạ mặt trời tại VỊ trí lắp đặt mà nhiệt độ nước nóng tạo ra có thể đạt từ 70 °C đến trên 100 °C và năng lượng tiết kiệm được nhờ sử dụng năng lượng mặt trời có thể lên tới 60% so với các phương pháp sản xuất nước nóng truyền thống.