CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRUYỀN NHIỆT TRONG VI ỐNG 1. Thiết bị trao đổi nhiệt trong bơm nhiệt 1. Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt Bơm nhiệt và máy lạnh là hai loại máy có cùng nguyên lý hoạt động, hoạt động theo chu trình máy nhiệt ngược chiều và về bản chất, chúng đều giúp chuyển một lượng nhiệt từ môi trường có nhiệt độ thấp, được gọi là nguồn nhiệt lạnh (hay nguồn lạnh), sang môi trường có nhiệt độ cao hơn, được gọi là nguồn nhiệt nóng (hay nguồn nóng). Thông thường, khi nhiệt trao đổi ở nguồn lạnh được sử dụng để làm lạnh các vật hay môi trường, ta có một máy lạnh.
Ngược lại, khi nhiệt trao đổi ở nguồn nóng được sử dụng để gia nhiệt cho các vật hay môi trường, ta có một bơm nhiệt. Gần đây, do nhu cầu tiết kiệm năng lượng ngày một tăng cao, người ta có xu hướng sử dụng nhiệt trao đổi ở cả nguồn nóng và nguồn lạnh. Trường hợp này, máy cũng được gọi là bơm nhiệt. Cuối cùng, khi thuật ngữ “bơm nhiệt” dần trở nên quen thuộc, đôi lúc, người ta cũng dùng nó để chỉ tất cả các loại máy nhiệt ngược chiều, bất kể nó được ứng dụng để “lấy” nhiệt ở nguồn nóng hay nguồn lạnh.
Trong luận án này, thuật ngữ “bơm nhiệt” được dùng với nghĩa bao quát nhất, tức là chỉ tất cả các loại máy hoạt động theo chu trình ngược chiều. Thiết bị tiết lưu 4 3 Thiết Thiết bị Qo bị Qo Qc bay ngưng hơi N = Qc - Qo tụ Máy nén 1 2 N Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt. 8 Một hệ thống bơm nhiệt gồm có bốn thành phần cơ bản là máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị tiết lưu và thiết bị bay hơi, được kết nối với nhau theo sơ đồ hình 1.
Để có thể thực hiện được các chức năng như vừa giới thiệu, bơm nhiệt được “nạp” một loại chất môi giới, thường được gọi là môi chất lạnh. Nhờ có năng lượng nhận được từ máy nén, môi chất lạnh sẽ chuyển động qua các thiết bị theo một chu trình khép kín, với thứ tự (1 – 2 – 3 – 4) như được ký hiệu trên hình vẽ. Trong đó, (1 – 2) là quá trình xảy ra trong máy nén, có chức năng nâng nhiệt độ và áp suất của môi chất lạnh lên một mức cao để nó có thể nhả nhiệt Qc cho nguồn nóng; (2 – 3) là quá trình môi chất lạnh nhả nhiệt Qc cho nguồn nóng để trở về trạng thái có nhiệt độ thấp (nhưng vẫn cao hơn nhiệt độ nguồn nóng) và vẫn ở mức áp suất cao. Để đồng thời hạ áp suất và nhiệt độ, giúp nó có thể nhận nhiệt từ môi trường có nhiệt độ thấp, môi chất lạnh sẽ phải thực hiện quá trình tiết lưu (3 – 4) trong thiết bị tiết lưu.
Sau khi ra khỏi thiết bị tiết lưu, môi chất lạnh có nhiệt độ và áp suất đủ thấp để có thể nhận nhiệt Qo từ nguồn lạnh trong quá trình (4 – 1). Về lý thuyết, trong quá trình tiết lưu, môi chất lạnh không trao đổi công và nhiệt với môi trường xung quanh. Do vậy, khi xét cân bằng năng lượng của các quá trình trong 3 thiết bị còn lại, ta có thể xác định được công cần cấp cho máy nén, N, có giá trị chính bằng (Qc – Qo). Do đó, về mặt số lượng, ta luôn thu được nhiệt lượng tại nguồn nóng, Qc, lớn hơn công tiêu hao cho máy nén, N.
Đây chính là một trong những lý do mà bơm nhiệt được sử dụng để cấp nhiệt thay cho các phương pháp truyền thống như dùng dây điện trở và đốt nhiên liệu hoá thạch… 1. Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt dùng cho bơm nhiệt. Thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi được giới thiệu trong sơ đồ Hình 1.1 là các thiết bị trao đổi nhiệt chính của bơm nhiệt. Tuỳ thuộc vào mục đích và phạm vi nhiệt độ sử dụng, bơm nhiệt còn có thể được trang bị các thiết bị trao đổi nhiệt phụ như thiết bị hồi nhiệt, trao đổi nhiệt trung gian.
Tuy nhiên, về mức độ ảnh hưởng, các thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi luôn đóng vai trò chính, quyết định đến hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt. Vì vậy, luận án sẽ chỉ tập trung nghiên cứu các quá trình trao đổi nhiệt xảy ra trong 2 loại thiết bị trao đổi nhiệt chính này. Thiết bị ngưng tụ Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ thải nhiệt của hơi môi chất lạnh sau quá trình nén của máy nén để ngưng tụ thành môi chất lỏng. Nhiệt thải của môi chất lạnh được sử dụng để sưởi ấm trong điều hoà không khí, để sấy sản phẩm trong hệ thống sấy nhiệt độ thấp, để cung cấp nhiệt trong hệ thống đun nước nóng… Quá trình làm việc của thiết bị ngưng tụ có ảnh hưởng quyết định đến áp suất và nhiệt độ ngưng tụ và do đó ảnh hưởng đến hiệu quả và độ an toàn làm việc của toàn hệ thống lạnh.
Khi trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ kém hiệu quả, áp suất và nhiệt độ ngưng tụ tăng làm máy nén làm việc quá tải, năng suất lạnh giảm, hiệu suất của hệ thống giảm… Thêm vào đó, vấn đề áp suất và nhiệt độ ngưng tụ tăng còn làm cho nhiệt độ môi chất trong và cuối quá trình nén tăng, gây ảnh hưởng đến dầu bôi trơn và làm giảm hiệu quả bôi trơn các chi tiết chuyển động trong máy nén… dẫn đến máy nén có thể bị sự cố. Căn cứ vào môi trường làm việc, tính năng sử dụng, đặc điểm cấu tạo người ta chia thiết bị ngưng tụ thành: - Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí (đối lưu tự nhiên và cưỡng bức); - Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước gồm: Bình ngưng ống vỏ nằm ngang, thẳng đứng, dàn ngưng kiểu tưới, kiểu nhúng trong bể …; - Thiết bị ngưng tụ kiểu kết hợp giữa nước và không khí (thiết bị ngưng tụ kiểu bay hơi). Dàn ngưng tụ làm mát bằng không khí, đối lưu cưỡng bức [1]. 1 - Ống trao đổi nhiệt; 2 - Vỏ dàn; 3 - Ống lắp quạt; 4 - Hơi ra.
Dàn ngưng tụ làm mát bằng không khí, đối lưu tự nhiên [1]. Bình ngưng tụ làm mát bằng nước, kiểu ống chùm nằm ngang (ảnh chụp tại phòng thí nghiệm). Thiết bị ngưng tụ làm mát kiểu bay hơi [1]. 1 - Ống trao đổi nhiệt; 2 - Dàn phun nước; 3 - Lồng quạt; 4 - Mô tơ quạt; 5 - Bộ chắn nươc; 6 - Ống gas vào; 7 - Ống góp; 8 - Ống cân bằng; 9 - Đồng hồ áp suất; 10 - Ống lỏng ra; 11 - Bơm nước; 12 - Máng hứng nước; 13 - Xả đáy bể nước; 14 - Xả tràn.
Dàn ngưng tụ kiểu tưới [1]. 1 - Máng cấp nước; 2 - Xả tràn; 3 - Đầu lấy nước; 4 - Nước tuần hoàn; 5 - Xả dầu; 6 - Đường cân bằng; 7 - Xả khí; 8 - Hộp phân phối nước; 9 - Van cấp nước mới. Thiết bị bay hơi Thiết bị bay hơi làm nhiệm vụ giúp môi chất lạnh lỏng nhận nhiệt và hóa hơi, được sử dụng để làm lạnh trong quá trình cấp đông và bảo quản sản phẩm, quá trình làm mát trong điều hoà không khí cũng như quá trình tách ẩm trong sấy nhiệt độ thấp. Tương tự như thiết bị ngưng tụ, khi trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi kém, nhiệt độ và áp suất bay hơi thấp dẫn đến giảm lưu lượng (khối lượng) môi chất qua máy nén, giảm năng suất nén và năng suất lạnh hệ thống (năng suất nhận nhiệt ở thiết bị bay hơi), kéo theo giảm năng suất gia nhiệt của bơm nhiệt (năng suất nhiệt thải ở thiết bị ngưng tụ)… và cuối cùng, giảm hiệu suất hệ thống.
Áp suất bay hơi giảm còn có thể gây hiện tượng “bọt” trong các-te máy nén và làm giảm khả năng bôi trơn của dầu, gây sự cố hệ thống. Thiết bị bay hơi có thể phận ra hai loại chính đó là: - Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng như bình bay hơi làm lạnh chất lỏng, dàn lạnh panel, dàn lạnh xương cá…; - Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí như dàn lạnh không khí đối lưu tự nhiên, dàn lạnh không khí đối lưu cưỡng bức. Bình bay hơi với môi chất lạnh Freon, kiểu ống vỏ nằm ngang [1]. 1 - Ống góp lỏng; 2 - Ống chất tải lạnh vào; 3 - Ống chất tải lạnh ra; 4 - Van an toàn; 5 - Ống hơi môi chất lạnh ra; 6 - Áp kế.
Một số kiểu dàn lạnh đối lưu cưỡng bức [1]. Vi ống trong chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt cho bơm nhiệt Cho tới nay, vi ống mới chỉ được ứng dụng phổ biến trong việc chế tạo dàn bay hơi và dàn ngưng tụ cho hệ thống điều hoà không khí (cũng có thể được coi là một loại bơm nhiệt) sử dụng trên ôtô. Lý do mà công nghệ này được áp dụng đầu tiên cho thiết bị di động nói chung và ôtô nói riêng là nó có thể tạo ra các thiết bị trao đổi nhiệt gọn nhẹ, chắc chắn nên hoạt động hiệu quả, tin cậy trong điều kiện có nhiều rung chấn. Cấu tạo vi ống và cánh tăng cường trong dàn trao đổi nhiệt điều hoà ôtô (ảnh chụp tại phòng thí nghiệm).
Sản phẩm này được chế tạo từ nhôm tinh chế sau đó phun kẽm chống ăn mòn. Với công nghệ này, dàn trao đổi nhiệt đạt tiêu chuẩn thân thiện với môi trường, hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, tiêu tốn ít vật tư chế tạo và có khả năng chịu rung chấn cao. 15 mm mm mm Hình 1. Kích thước một “dãy” vi ống dùng trong thiết bị trao đổi nhiệt.
Ngoài ứng dụng trong điều hoà không khí ôtô, vi ống cũng đã được ứng dụng để chế tạo các bình ngưng tụ, bình bay hơi và thiết bị hồi nhiệt của hệ thống lạnh với mức công suất cỡ vài chục kW. Vi ống cũng được ứng dụng cho bình ngưng tụ cho nhà máy nhiệt điện với năng suất thải nhiệt cực lớn, lên tới 680 MW một đơn nguyên và với 6 đơn nguyên được lắp đặt, tổng năng suất nhiệt thải lên đến 4080 MW [2]. Điều đó cho thấy, vi ống không chỉ có ưu điểm ở tính gọn nhẹ, chịu được rung động mà còn có thể cho hiệu quả trao đổi nhiệt rất cao. Thiết bị hồi nhiệt dùng vi ống có khả năng chịu áp tới 1000 PSI (tương đương 68,9 bar) [2].
Dàn bay hơi làm lạnh không khí dùng vi ống, khả năng chịu áp tới 1000 PSI (tương đương 68,9 bar) [2]. Dàn ngưng tụ giải nhiệt gió dùng vi ống, khả năng chịu áp 1000 PSI (tương đương 68,9 bar) [2].