Đang tải... (xem toàn văn)
Trong các nhu cầu tiêu thụ năng lượng, thì nhu cầu tiêu thụ năng lượng cho quá trình sản xuất nước nóng cũng là một nhu cầu tất yếu, và cũng giống như các nước trên thế giới nhu cầu sử dụng nước nóng chủ yếu tập trung vào các thành phần là khu dân cư và một số ngành trong lĩnh vực công nghiệp. Tuy nhiên vì nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới, nên nhu cầu sử dụng nước nóng trong các khu dân cư, khách sạn hay hộ gia đình chủ yếu được sử dụng cho quá trình sinh hoạt như tắm rửa, giặc tẩy…Do đó, hệ thống nước nóng sử dụng bơm nhiệt được ra đời nhầm tạo ra bước ngoặc mới cho việc phát triển công nghệ sản xuất nước nóng. Bơm nhiệt gia nhiệt cho nước nóng có thể triển khai rộng rãi và tiết kiệm điện, góp phần bảo vệ môi trường.
ĐỒ ÁN NHIỆT MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG DANH MỤC KÝ HIỆU TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 1.1 Khái quát nhu cầu lượng tiêu thụ cho trình sản xuất nước nóng nước giới 1.2.Tổng quan nhu cầu lượng tiệu thụ cho q trình sản xuất nước nóng Việt Nam 11 1.3.Định hướng phát triển lượng Việt Nam 13 1.4 Các phương pháp sử dụng để sản xuất nước nóng 14 1.4.1 Gia nhiệt nước nóng điện 14 1.4.2 Gia nhiệt nước nóng nhiên liệu hóa thạch 15 1.4.3 Gia nhiệt nước nóng lượng mặt trời 16 1.4.4 Gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt 18 1.4.5 Một số phương pháp gia nhiệt nước công nghiệp: 19 CHƯƠNG 20 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT 20 2.1 Lịch sử phát triển bơm nhiệt: 20 2.2 Khái niệm bơm nhiệt: 20 2.3 Cấu tạo bơm nhiệt: 21 2.4 Phân loại bơm nhiệt 22 2.4.1 Phân loại theo ứng dụng 22 2.4.2 Phân loại theo nguồn cho nhiệt 23 2.5 Nơi lấy lượng cung cấp cho bơm nhiệt 25 2.6 Những phương pháp đo lường hiệu suất bơm nhiệt: 26 2.6.1 Đo phương pháp COP 26 2.6.2 Đo phương pháp EER 26 2.6.3 Đo phương pháp SEER 26 2.6.4 Đo phương pháp HSPF 26 2.6.5 Đo phương pháp Kw/ Tấn 27 2.7 Nguyên lý hoạt động bơm nhiệt 27 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT 2.8 Các thành phần bơm nhiệt: 27 2.8.1 Môi chất lạnh: 27 2.8.2 Máy nén lạnh 29 2.8.2.1 Máy nén piston 29 2.8.2.2 Máy nén trục quay 29 2.8.2.3 Máy nén trục vít 30 2.8.2.4 Máy nén xoắn ốc 31 2.8.2.5 Máy nén ly tâm 32 2.9 Ứng dụng bơm nhiệt: 32 2.10 Một số bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng gia đình: 33 2.11 Khả ứng dụng bơm nhiệt công nghệ chế biến thực phẩm 36 2.11.1 Sản xuất nước nóng phục vụ cho sản xuất 33 2.11.2 Trong công nghệ sản xuất bia, đường, sữa, nước giải khát có ga, cô đặc, chưng cất, sấy… 33 2.11.2.1 Công nghệ sản xuất bia 33 2.11.2.2 Sản xuất đường 33 2.11.2.3 Công nghệ chế biến sữa 34 2.11.2.4 Cơng nghệ sản xuất nước khống có gas (CO2) 34 2.11.2.5 Cơng nghệ sản xuất rượu, cồn, dầu ăn 34 2.11.2.6 Trong chưng cất 35 2.11.2.7 Trong kỹ thuật sấy (sấy lạnh) 36 2.11.2.8 Trong thiết bị ổn nhiệt (tủ ổn nhiệt) 36 CHƯƠNG 37 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT VÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA BƠM NHIỆT 37 3.1 Phương trình cân nhiệt bơm nhiệt 37 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay đến thông số đặc trưng bơm nhiệt 37 3.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ tk 37 3.2.2 Ảnh hưởng to 38 CHƯƠNG 40 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG BƠM NHIỆT GIA NHIỆT NƯỚC NÓNG 40 4.1 Đặt toán 40 4.2 Tính tốn nhiệt 40 4.3 Tính tốn chu trình chọn máy 40 4.4 Tính tốn nhiệt máy nén 41 4.5 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt 42 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT 4.5.1 Tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay 42 4.5.2 Tính diện tích trao đổi nhiệt dàn ngưng tụ 43 4.6 Hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt 44 4.6.1 Dàn ngưng tụ: 44 4.6.2 Dàn bay hơi: 45 4.6.3 Máy nén lạnh: 45 4.6.4 Van tiết lưu: 45 4.6.5 Thông số hoạt động hệ thống bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng: 45 4.7 Tính nhiệt độ nước: 46 4.8 Tính hiệu suất nhiệt 47 CHƯƠNG 48 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ 48 5.1 Hiệu kinh tế hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt nước nóng điện 48 5.2 Hiệu mặt xã hội, môi trường hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt nước nóng điện trở 49 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG Hình 1.1a: Năng lượng tiêu thụ cho q trình sản xuất nước nóng khu vực châu âu [TL2] Hình 1.1b Nhu cầu sử dụng nước nóng cho mục đích khác khu dân cư, khác sạn mỹ 10 Hình 1.1c Năng lượng tiêu thụ hàng năm hộ gia đình số nước (GJ/hộ gia đình/năm) 10 Hình 1.1d Năng lượng tiêu thụ số nghành lĩnh vực công nghiệp số nước giới [TL2] 11 Hình 1.1e Tiềm sử dụng nước nóng q trình làm nóng số ngành cơng nghiệp nước châu âu (Đức) [TL2] 12 Hình 1.2a Dự báo lượng tiêu thụ cho thành phần tới năm 2030 Việt Nam [TL3] 13 Hình 1.2b Năng lượng tiêu thụ cho hệ thống tòa nhà khách sạn Việt Nam [TL3] 14 Hình 1.2c Năng lượng tiêu thụ hộ gia đình năm Việt Nam [TL4] 14 Hình 1.4.1 Cấu tạo hệ thống sản xuất nước nóng điện theo kiểu truyền thống 16 Hình 1.4.2 Cấu tạo hệ thống sản xuất nước nóng nhiên liệu hóa thạch (dầu) 17 Bảng 1.4.2: Nhiệt trị số chất đốt 17 Hình 1.4.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống sản xuất nước nóng lượng mặt trời 18 Bảng 1.4.3: Số nắng trung bình tháng địa phương 19 Hình 1.4.4 Cấu tạo nguyên lý hoạt động hệ thống sản xuất nước nóng bơm nhiệt 20 Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động bơm nhiệt 21 Hình 2.3a cấu tạo bơm nhiệt 22 Hình 2.3b cấu tạo máy lạnh 23 Hình 2.4 Cách thức phân loại bơm nhiệt theo nguồn nhận nhiệt cho nhiệt [TL8] 23 Hình 2.4.1 Phần trăm ứng dụng bơm nhiệt sản xuất nước nóng làm nóng [TL9] 23 Hình 2.4.2a Phần trăm nguồn cung cấp nhiệt cho bơm nhiệt [TL9] 24 Hình 2.4.2b Tháp giải nhiệt cho hệ thống HVAC cỡ trung 24 Hình 2.4.2c Lắp đặt đường ống dọc máy bơm nhiệt địa nhiệt 25 Hình 2.4.2d Lắp đặt bơm nhiệt nước cách đặt chìm đường ống cuộn 26 Hình 2.4.2e Chu trình kép máy làm lạnh hấp thụ 26 Hình 2.5 khái quát nơi lấy lượng 26 Hình 2.7 Chu trình làm việc bơm nhiệt đồ thị 28 Hình 2.8.2.1a Máy nén piston 30 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Hình 2.8.2.1b Chu trình máy nén piston 30 Hình 2.8.2.2a Máy nén trục quay 31 Hình 2.8.2.2b Bánh máy nén trục quay 31 Hình 2.8.2.3 Các trục vít ăn khớp 32 Hình 2.8.2.4a Máy nén xoắn ốc 32 Hình 2.8.2.4b Đĩa xoắn ốc 32 Hình 2.8.2.5a Máy nén ly tâm 33 Hình 2.8.2.5b Cánh xốy ly tâm 33 Hình 2.11.1 Ứng dụng bơm nhiệt sản xuất nước nóng 34 Hình 2.11.2.5a ứng dụng bơm nhiệt sản cô đặc áp sấu chân khơng 35 Hình 2.11.2.5b ứng dụng bơm nhiệt đặc 36 Hình 2.11.2.6 ứng dụng bơm nhiệt chưng cất 36 Hình 2.11.2.8 Ứng dụng bơm nhiệt thiết bị ổn nhiệt 37 Bảng 3.2.1a Hệ số nhiệt ϕ môi chất theo nhiệt độ ngưng tụ 38 Bảng 3.2.1b Công nén l môi chất theo nhiệt độ ngưng tụ 39 Bảng 3.2.2a Hệ số bơm nhiệt ϕ môi chất theo nhiệt độ bay 39 Bảng 3.2.2b Hệ số công nén l môi chất theo nhiệt độ bay 39 Bảng 3.2.2c Các thông số đặc trưng theo loại mơi chất lạnh 40 Hình 3.2.2 Biểu đồ thơng số hệ số nhiệt, nhiệt ngưng tụ riêng loại mơi chất 40 Hình 4.3 Biểu diễn chu trình làm việc đồ thị 41 Bảng 4.3 Các thông số chu trình 42 Bảng 4.6.5 Các thơng số hoạt động hệ thống gía nhiệt nước nóng bơm nhiệt 47 Hình 4.6.5 Sự tăng nhiệt độ nước áp suất môi chất theo thời gian hệ thống bơm nhiệt gia nhiệt nước 47 Bảng 5.1 So sánh lợi ích kinh tế hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt điện trở 50 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT DANH MỤC KÝ HIỆU KÍ HIỆU CHÚ GIẢI 𝜃 Hệ số làm nóng 𝜑 Hệ số bơm nhiệt ∆𝑡𝑡𝑏 Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit ∆𝑡 Độ chênh nhiệt độ, oC 𝐶𝑝 Nhiệt dung riêng nước, 𝐶𝑝 =4,18 kJ/kgK F Diện tích trao đổi nhiệt, 𝑚2 G Lưu lượng khối lượng mơi chất lạnh chu trình,kg/s i Enthalpy, KJ/kg k Hệ số truyền nhiệt thiết bị bay k = 17,5 l Công tiêu tốn riêng máy nén cho kg môi chất, KJ/kg L Công tiêu thụ cho máy nén m Khối lượng, Kg q Năng suất nhiệt riêng kg môi chất, KJ/kg Q Nhiệt lượng, W t Nhiệt độ, oC 𝜏 Thời gian, s 𝜀 Hệ số lạnh 𝑞𝑛 Qúa nhiệt, oC 𝑞𝑙 Qúa lạnh, oC TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Trong sống ngày nay, yếu tố quan trọng định đến sự sống trái đất lượng Hằng ngày, sử dụng lượng cho việc phát triển kinh tế, kỹ thuật Trong đó, nhiên liệu than đá, dầu mỏ, dần kiệt quệ Đây điều đáng báo động cho tình trạng nay, dẫn đến việc thiếu nhiên liệu, gây khủng hoảng kinh tế trật tự xã hội quan trọng sử dụng nhiều dẫn đến gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, ảnh hưởng đến sức khoẻ người động vật Vì vậy, việc phát triển nghiên cứu nguồn lượng tái tạo vô cấp thiết, mang đến sự giảm tải cho nguồn lượng truyền thống Trong nhu cầu tiêu thụ lượng, nhu cầu tiêu thụ lượng cho q trình sản xuất nước nóng nhu cầu tất yếu, giống nước giới nhu cầu sử dụng nước nóng chủ yếu tập trung vào thành phần khu dân cư số ngành lĩnh vực cơng nghiệp Tuy nhiên nước ta nước có khí hậu nhiệt đới, nên nhu cầu sử dụng nước nóng khu dân cư, khách sạn hay hộ gia đình chủ yếu sử dụng cho trình sinh hoạt tắm rửa, giặc tẩy… Do đó, hệ thống nước nóng sử dụng bơm nhiệt đời nhầm tạo bước ngoặc cho việc phát triển cơng nghệ sản xuất nước nóng Bơm nhiệt gia nhiệt cho nước nóng triển khai rộng rãi tiết kiệm điện, góp phần bảo vệ mơi trường TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT CHƯƠNG KHÁI QUÁT VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 1.1 Khái quát nhu cầu lượng tiêu thụ cho trình sản xuất nước nóng nước giới _ Ngày nay, mà mức độ tiêu thụ lượng tất thành phần xã hội có xu hướng ngày tăng lên mức độ gia tăng dân số, để phục vụ cho nhu cầu người sự phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu sử dụng nước nóng lượng tiêu thụ cho q trình sản xuất nước nóng chiếm tỉ trọng lớn Nhưng hầu như, thành phần có nhu cầu sử dụng nước nóng chủ yếu tập trung vào khu dân cư, dịch vụ thương mại số ngành lĩnh vực cơng nghiệp hình 1.1a bên (khu vực châu âu) Và mức độ tiêu thụ lượng để sản xuất nước nóng thành phần khác quốc gia khu vực khác nhau, vị trí địa lý nên điều kiện khí hậu yếu tố định đến lượng tiêu thụ cho trình sản xuất nước nóng thành phần khu dân cư thương mại dịch vụ… Hình 1.1a: Năng lượng tiêu thụ cho q trình sản xuất nước nóng khu vực châu âu [TL2] _ Nhìn chung thấy rằng, lượng tiêu thụ thành phần khu dân cư, hộ gia đình hay dịch vụ thương mại nước có khí hậu giá lạnh giới, chủ yếu tập trung cho việc sản xuất nước nóng sưởi ấm (tuy nhiên điều tùy thuộc vào quốc gia khu vực cụ thể) Trong nước nóng ngồi việc dùng để sưởi ấm sử dụng cho nhu cầu chủ yếu tắm rửa, giặc tẩy, rửa chén dĩa… TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Hình 1.1b Nhu cầu sử dụng nước nóng cho mục đích khác khu dân cư, khác sạn mỹ _ Để có nhìn tổng quan khách quan ta thấy lượng tiêu thụ hàng năm hộ gia đình số nước giới cho trình sản xuất nước nóng lớn thể hình 1.1c bên Hình 1.1c Năng lượng tiêu thụ hàng năm hộ gia đình số nước (GJ/hộ gia đình/năm) _ Qua số liệu ta thấy nhu cầu sử dụng nước nóng lượng tiêu thụ cho trình sản xuất nước nóng thành phần khu dân cư dịch vụ thương mại lớn Và điều dể hiểu, nói phần điều kiện khí hậu quốc gia khác nhau, nên nước có điều kiện TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT thời tiết giá lạnh có nhu cầu sử dụng nước nóng cho mục đích sinh hoạt hay sưởi ấm lớn so với nước có khí hậu nóng ẩm _ Thành phần đứng thứ hai có nhu cầu sử dụng nước nóng có nhiệt độ khơng cao lớn, số ngành lĩnh vực cơng nghiệp hóa chất, nhuộm, giặc tẩy, cấp nhiệt cán giấy, nấu nướng cho mục đích làm sạch…Có thể nói với lượng tiêu thụ trung bình lĩnh vực cơng nghiệp nước châu khoảng 27,5%, điều cho thấy lượng lượng tiêu thụ cho q trình sàn xuất nước nóng lĩnh vực cơng nghiệp nói lớn Nhưng để thấy rõ lượng tiêu thụ ngành nêu lĩnh vực cơng nghiệp ta xem lượng tiêu thụ cho ngành số nước giới hình 1.1d 1.1e bên Hình 1.1d Năng lượng tiêu thụ số nghành lĩnh vực công nghiệp số nước giới [TL2] 10 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Môi chất/nhiệt độ 𝑻𝒌 30 35 40 45 50 R12 13006 15388 17700 19943 22117 R22 17954 21307 24583 27784 30911 R502 12509 14753 16916 19000 21010 R134a 16713 19730 22642 25452 28159 R404a 14307 16839 19266 21591 23817 R407c 19211 22720 26122 29419 32614 Bảng 3.2.1b Công nén l môi chất theo nhiệt độ ngưng tụ 3.2.2 Ảnh hưởng to Trong nội dung nghiên cứu, chọn tk= 50oC, t0 = 10oC, ∆tqn = 5oC, ∆tql = 5oC Kết tổng hợp sau: Môi chất/nhiệt độ To -10 -5 10 R12 4,83 5,39 6,08 6,94 8,04 R22 4,76 5,30 5,97 6,80 7,88 R502 4,48 5,01 5,67 6,49 7,55 R134a 4,74 5,29 5,98 6,84 7,95 R404a 4,26 4,77 5,41 6,21 7,24 R407c 4,62 5,15 5,81 6,64 7,70 Bảng 3.2.2a Hệ số bơm nhiệt ϕ môi chất theo nhiệt độ bay Môi chất/nhiệt độ To -10 -5 10 R12 29146 25952 22887 19943 17111 R22 41307 36576 32073 27784 23696 R502 28052 24900 21885 19000 16239 R134a 37337 33207 29248 25452 21807 R404a 31845 28281 24865 21591 18451 R407c 43390 38526 33873 29419 25153 Bảng 3.2.2b Hệ số công nén l mơi chất theo nhiệt độ bay 38 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Tổng hợp nghiên cứu theo tk= 50oC, t0 = 10oC, ∆tqn = 5oC, ∆tql = 5oC Kết sau: ϕ R12 R22 R502 R134a R404a R407c 6,94 6,80 6,49 6,84 6,21 6,64 Qk 138330 188970 123252 174076 133979 195276 L 19,943 27,784 19,000 25,452 21,591 29,419 ε 5,94 5,80 5,49 5,84 5,21 5,64 Bảng 3.2.2c Các thông số đặc trưng theo loại môi chất lạnh Hình 3.2.2 Biểu đồ thơng số hệ số nhiệt, nhiệt ngưng tụ riêng loại môi chất 39 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG BƠM NHIỆT GIA NHIỆT NƯỚC NĨNG 4.1 Đặt tốn _ Mơ hình tính lượng nước nóng cần dùng 500 lít/ngày _ Nhiệt độ nước ban đầu: 28oC _ Nhiệt độ nước sau gia nhiệt: 50oC _ Thời gian gia nhiệt: _ Mơi chất lạnh sử dụng: R410a 4.2 Tính tốn nhiệt Q= Q= M ×Cn ×(t2 −t1 ) τ 500×4186×(50−28) 2×3600 = 6395,28 (W) _ Do có tổn thất nhiệt khác (tổn thất đường ống, bảo ôn, thiết bị gia cơng thiếu xác… ), nên chọn hệ số dự trữ kdt = 1,2 Vậy nhiệt lượng yêu cầu hệ thống là: Q yêu cầu = Q × kdt = 6395,28 × 1,2 = 7674,33 (W) = 7,67 (kW) 4.3 Tính tốn chu trình chọn máy Chọn thơng số để tính tốn chu trình chọn máy sau: tk = 55 C, to = 5oC, ∆tql = 5oC, ∆tqn = 5oC, R410a o Hình 4.3 Biểu diễn chu trình làm việc đồ thị Các thơng số chu trình: 40 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Điểm 1’ 3’ 4’ Nhiệt độ, oC 10 79,136 55 50 5 Áp suất, bar 9,345 9,345 34,35 34,35 34,35 3,5 3,5 i, kJ/kg 422,58 429,72 465,92 296,81 287,7 287,7 296,81 s, KJ/kg.K 1,8001 1,8245 1,8245 1,3128 - 1,3148 1,3476 v, dm3/kg 0,873 0,0288 0,00842 1,156 - 0,8711 0,87123 Bảng 4.3 Các thơng số chu trình _ Năng suất lạnh riêng: qo = i1’ – i4 = 422,58 – 287,7=134,88 (kJ/kg) _ Năng suất nhiệt ngưng tụ riêng: qk = i2 – i3 = 465,92 – 287,7 = 178,22 (kJ/kg) _ Công nén riêng: l = i2 – i1 = 465,92 – 429,72 = 36,2 (kJ/kg) q0 134,88 _ Hệ số lạnh chu trình: ε= = 36,2 = 3,73 l _ Hệ số làm nóng chu trình: 𝜃 |i2 – i3| = |i2 – i1| = 4,923 Từ thơng số tình tốn, ta chọn máy có cơng suất sau: q 134,88 Q = Q k × q0 = 7674,33× 178,22 = 5808,07 (W) k = 5,81 (kW) 4.4 Tính tốn nhiệt máy nén _ Lượng thực tế hút vào xilanh: Gh Q = q0 = 5808,07 134,9.103 = 0,043kg/s V = Gh x v1’ = 0,043 × (m /s) _ Thể tích thực tế hút vào xilanh: −4 8,73.10 −5 = 3,7539.10 _ Hệ số thị thể tích: λi = p0 −∆ph p0 –C × [( pk −∆pd m p0 _ Hệ số tổn thất không thấy được: T ) − p0 −∆ph p0 ] = 0,735 275−5 λw′ = T0 = 275+55 = 0,82 k _ Hệ số lưu lượng máy nén: λ = λi × λw′ = 0,735 × 0,82 = 0,6027 41 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT _ Thể tích chuyển dời pittong: Vh = V λ = 3,7539.10−5 0,6027 × 3600 = 0,224 (m3/h) _ Công suất đoạn nhiệt: Na = G x (i2 – i1’) = 0,043 × (465,92 – 422,58) = 1,86 (kW) _ Hiệu suất thị: ηi =λw' +b×to = 0,82 + 0,0024 × = 0,832 Na 1,86 _ Công suất thị: Ni = = = 2,24 (kW) ηi 0,832 Vh × Pm × 102 = 0,145 (kW) hiệu dụng: NE = Ni + Nm = 2,24 + 0,145 = 2,39 _ Công suất ma sát: Nm = _ Công suất (kW) _ Công suất động điện truyền động trực tiếp có lấy dự trữ 10% công suất: N = 1,1x NE = 1,1 × 2,39 = 2,629 (kW) Q0 5,81 _ Hệ số lạnh hiệu dụng: K E = = = 2,43 N 2,39 E Qktn = G x (i2 – i3) = 0,043 × (465,92 – 287,7) = 7,663 (kW) _ Phụ tải nhiệt thiết bị ngưng tụ: 4.5 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt Máy nén có thơng số: _ Công suất định mức: 12000 Btu/h (3,515 kW = 3024 Kcal/h) _ Công suất điện động cơ: 1125W _ Tốc độ vòng quay: 1.400 vòng/phút _ Số xi lanh: Z = _ Mơi chất lạnh: R410a 4.5.1 Tính diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay Q o = G × (i1′ − i4 ) 3,517 = G × (422,58-287,7) G = 0,026 (kg/s) ∆t tb = ∆tmax −∆tmin ∆t ln( max ) ∆tmin = (tmt −to )−(tmt −∆t−to ) ln( tmt −to ) tmt −∆t−to 42 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT = (27−10)−(27−10−5) ln( 27−10 ) 27−10−5 = 14,355 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt xác định theo công thức: F = k×∆t Qo tb 3,517 = = 14 (m ) −3 −3 ×10 17,5×14,355×10 Chọn hệ số an tồn η = 1,2 Fo = η × F = 1,2 × 14 = 16,8 (m2 ) Tra catalogue Chọn dàn lạnh Inverter 1.5 HP CU/CS PU12TKH-8 Panasonic 4.5.2 Tính diện tích trao đổi nhiệt dàn ngưng tụ ∆t tb = ∆tmax −∆tmin (79,136−50)−(55−28) ∆t ln( max ) = ∆tmin ln( 79,136−50 ) 55−28 = 28,05 Tính tốn hệ số trao đổi nhiệt k= 1 𝛿 + + 𝛼1 λ 𝛼2 [W/𝑚2 K] 𝛿: độ dài vách (5.10−4 m) λ: hệ số truyền nhiệt vách Chọn hệ số đồng đỏ 41,8 W/m.K Tính 𝛼1 (hệ số tỏa nhiệt R134a) α = 0,729 × Trong đó: 𝑡𝑤 = g×r×ρ2 ×λ3 1/4 [μ×d×(t −t )] w f 0,5 × (79,136 + 55) = 67,068 oC 𝑡𝑓 = 0,5 × (55 + 28) = 41,5 oC Tra bảng tính chất vật lý R410a 67,07 oC λw = 0,04664 (W/m.K) ϑw = 1,48.10−7 (𝑚2 /𝑠) μ = 1,19.10−4 (Pa.s) ρ = 989,48 (kg/𝑐𝑚3 ) r = 120,08 (J/kg) Prw = 0,53; Đường kính ngồi ống d=0,024 m Thay vào cơng thức ta tính α = 0,729 × g×r×ρ2 ×λ3 1/4 [μ×d×(t −t )] w f 43 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT = 0,729 × 9,81 ×120,08.103 ×989,322 ×0,04664 1/4 [ 1,19.10−4 ×0,024×(67,068−41,5) ] α1 = 820,136 (W/𝑚 K) Tính 𝛼2 (hệ số tỏa nhiệt nước) Xét nước phía bên ngồi: Tra thơng số vật lý nước 𝑡𝑓 = 41,5 oC λf = 63,695.10−2 (W/m.K) ϑf = 0,64355.10−6 (𝑚2 /𝑠) Prf = 4,1945 β = 3,963.10−4 (1/K) Grf = = ̅̅̅ g× β×h3 ×∆t ϑ2 9,81 ×3,963×10−4 ×0,024 ×(67,068−41,5) (0,64355×10−6 )2 = 3317867,002 (Gr Pr)f = 13916793,14 Chảy tầng Pr Nuf = 0,5 × (Gr Pr)f 0,25 × (Pr f )0,25 = 35,79 α2 = Nuf ×λf h = 35,79×63,695.10−2 Hệ số trao đổi nhiệt k k= 1 𝛿 + + 𝛼1 λ 𝛼2 = 0,024 Theo phương trình cân nhiệt: 𝑚 × 𝐶𝑝 ×∆𝑡 = 949,85 [W/𝑚2 𝐾] 1 5.10−4 + 820,136 41,8 F = 𝜏 ×𝑘 × ∆𝑡 = w + 949,85 = 437,82 [W/𝑚2 𝐾] 500 ×4,18 ×1000 × (50−28) 𝑡𝑏 × 437,82 ×28,05 = 0,52 𝑚2 Chọn ống trao đổi nhiệt có đường kính D = 24mm F 0,52 l = π×D = 3,14 ×0,024 = 6,89 (m) Chọn hệ số an toàn ε = 1,2 Chiều dài ống 8,276 m => Chọn L = 8,5 m 4.6 Hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt 4.6.1 Dàn ngưng tụ: Dàn ngưng tụ kiểu ống đồng trơn, dạng lò xo _ Đường kính vòng tròn xoắn cụm dàn ngưng tụ D = 0,24 m _ Chu vi vòng tròn đường ống trao đổi nhiệt: 44 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT C = D x π = 0,24 x 3,14 = 0,7536 (m) _ Số lượng vòng tròn S = l/C = 8,5 / 0,7536 = 11,28 (vòng) Chọn số lượng vòng tròn dàn ngưng tụ 12 vòng Dàn ngưng tụ giải nhiệt nước đặt vào bình kín bảo ơn, dung tích 25 lít, thơng số kết cấu bình sau: _ Chiều cao: h = 480 mm = 0,48 m _ Đường kính: r = 130 mm = 0,13 m _ Thể tích bồn:V = π x r2 x h = 3,14 x 0,132 x 0,48 = 0,025m3 _ Vật liệu bảo ôn: Bông thủy tinh dày 20 mm Nước sau giải nhiệt cho dàn ngưng đạt nhiệt độ cài đặt (40oC) van tự động mở chảy sang bồn chứa nước nóng 4.6.2 Dàn bay hơi: Dàn bay kiểu ống đồng có cánh, cơng suất 12.000 Btu, thông số dàn bay sau: _ Loại ống trao đổi nhiệt: Ống đồng cánh nhôm _ Đường kính ống trao đổi nhiệt: D = 10 mm _ Chiều dài đường ống trao đổi nhiệt: 580 mm _ Số lượng đường ống trao đổi nhiệt: 22 ống _ Diện tích cánh tản nhiệt: 28 x 25 mm _ Số lượng cánh tản nhiệt đường ống: 280 cánh 4.6.3 Máy nén lạnh: _ Công suất: 12000 Btu/h, nhãn hiệu máy: TOSHIBA _ Công suất điện động cơ: 1125W, tốc độ 1.400 vòng/phút _ Mơi chất lạnh sử dụng: R410a 4.6.4 Van tiết lưu: _ Van tiết lưu loại TEX2 hiệu danfoss _ Loại van: Van tiết lưu nhiệt 4.6.5 Thông số hoạt động hệ thống bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng: _ Nhiệt độ nước vào: 27oC _ Nhiệt độ nước đạt sau gia nhiệt: 41oC Thông số hoạt động hệ thống sau: Thời gian (giây) Nhiệt độ nước Thời gian (giây) Nhiệt độ nước (oC) Áp suất môi chất, bar (oC) Áp suất môi chất, bar 27,1 7,26 200 40,2 15,25 20 28,2 11,64 220 40,4 15,70 40 30,8 13,71 240 40,7 15,94 45 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT 60 32,7 13,90 260 40,8 16,18 80 34,5 14,24 280 40,9 16,23 100 35,8 14,67 300 41,0 16,58 120 37,2 14,69 350 41,1 16,61 140 38,5 14,82 400 41,2 16,64 160 39,3 14,87 500 41,1 16,64 180 39,8 14,93 600 41,2 16,65 Bảng 4.6.5 Các thông số hoạt động hệ thống gía nhiệt nước nóng bơm nhiệt Hình 4.6.5 Sự tăng nhiệt độ nước áp suất môi chất theo thời gian hệ thống bơm nhiệt gia nhiệt nước Nhận xét: _ Bơm nhiệt gia nhiệt cho nước nóng hồn tồn phù hợp, nhiệt độ đạt sau gia nhiệt 410C thích hợp cho hộ gia đình _ Trong điều kiện thí nghiệm, vận hành máy nén áp suất nén 17 bar nên nhiệt độ nước nóng đạt 41oC Tuy nhiên, thực tế, nâng áp suất nén bơm nhiệt lên 20 – 25 bar ứng với nhiệt độ nước nóng từ 60 – 70oC 4.7 Tính nhiệt độ nước: Nhiệt lượng nước nhận chu trình 46 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT 𝑚 × 𝐶𝑝 × ∆𝑡𝑛ướ𝑐 = G × ( 𝑖2 − 𝑖3 ) × 𝜏 500 ×4,18 ×(50−28) G = 3600 ×(465,92−287,7)×2 = 0,036 m: khối lượng nước bồn chứa (=500kg) 𝐶𝑝 : nhiệt dung riếng nước (4,18 kJ/kg.K) ∆𝑡𝑛ướ𝑐 = (𝑡′𝑛ướ𝑐 − 𝑡𝑛ướ𝑐 ): độ thay đổi nhiệt độ nước sau thời gian 𝜏 (s) 4.8 Tính hiệu suất nhiệt W: điện tiêu thụ hệ thống 𝑁𝑚𝑛 : công suất thực tế máy nén Nf : công suất động quạt TBBH ( = 20 Watt) ηtđ : hiệu suất truyền động máy nén ( máy nén kín ηtđ = ) ηel : hiệu suất động điện (ηel = 0,8) ηms : hiệu suất máy nén có ma sát chi tiết khí (ηms = 0,8) L Nmn = η tđ ×ηel ×ηms W=η G×l tđ ×ηel ×ηms COP = 𝑄0 +𝑊 𝑊 = =η G×l tđ ×ηel ×ηms = 0,026×36,2 1×0,8×0,8 = 1,47 kW + Nf × 𝜏 = 1,47 + 20.10−3 × 2=1,51kW 𝐺 ×(𝑖1′ – 𝑖4 ) + 𝑊 𝑊 = 0,026 ×( 422,58 – 287,7) +1,51 1,51 = 3,322 47 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ 5.1 Hiệu kinh tế hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt nước nóng điện So sánh cho hộ gia đình, tiêu thụ nước nóng 500 lít/ngày: Nhiệt độ nước ban đầu 28oC, nhiệt độ nước sau gia nhiệt 50oC, thời gian gia nhiệt giờ, môi chất lạnh sử dụng: R410a Lượng nhiệt cần để gia nhiệt 500 lít nước từ 28oC đến 50oC: Q= M ×Cn ×(t2 −t1 ) τ = 500×4,18×(50−28) = 22,99(KJ) 2×103 Nếu sử dụng bình đun nước điện trở: Lượng điện tiêu thụ = 22,99 / 3,6 = 6,389(kW) = 6386,11W Nếu sử dụng bình gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt: Lượng điện tiêu thụ: 1510 W Chỉ tiêu Gia nhiệt nước nóng điện trở Gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt Điện tiêu thụ ngày (W) 6386,11 1510 Số ngày sử dụng/năm (ngày) 365 365 Điện tiêu thụ/năm (kWh/năm) 2330,9 551,15 Giá điện bình quân (đồng/kWh) 1720 1720 Chi phí điện (VNĐ) 4009148 947978 Chi phí đầu tư (VNĐ) (tính theo mơ hình chế tạo) 2200000 5000000 STT Lượng điện tiết kiệm năm (kWh) 1779,75 Lượng tiền điện tiết kiệm năm (VNĐ) 3061170 10 Thời gian hoàn vốn (tháng) 20 48 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Bảng 5.1 So sánh lợi ích kinh tế hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt điện trở 5.2 Hiệu mặt xã hội, môi trường hệ thống gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt nước nóng điện trở Đối với mơi trường: _ Điện tiêu thụ giảm 1779,75kWh tương ứng giảm phát thải môi trường 0,735 CO2/năm Đối với xã hội: _ Bình nước nóng bơm nhiệt đun nóng gián tiếp Do tuyệt đối an tồn với người dùng _ Có thể kết hợp bơm nhiệt hệ thống hấp thụ lượng mặt trời để gia nhiệt cho nước 49 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT KẾT LUẬN Bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng sinh hoạt ngày sử dụng rộng rãi mang lại hiệu kinh tế to lớn, đặc biệt việc giảm thiểu sử dụng lượng điện Do đó, việc nghiên cứu, chế tạo bơm nhiệt cần phải tiếp tục thực nhằm tìm mơ hình thích hợp với điều kiện nước ta Đây mục tiêu đề tài, qua đồ án lần rút kết luận: Nhu cầu sử dụng nước nóng sinh hoạt Việt Nam cao, đặc biệt lĩnh vực dân dụng khách sạn Hiện nay, việc sử dụng thiết bị gia nhiệt nước nóng điện trở không hiệu điện Công nghệ bơm nhiệt giới quan tâm phát triển lĩnh vực gia nhiệt nước nóng mang lại hiệu cao, giảm điện tiêu thụ 1/3 đến ¼ lần so với dùng điện trở Tuy nhiên, việc giá thành thiết bị bơm nhiệt gia nhiệt nước cao nên việc sử dụng chưa phổ biến Vì vậy, việc nghiên cứu, chế tạo bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng để sản xuất Việt Nam hồn toàn phù hợp với định hướng phát triển kinh tế q trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước 50 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT TÀI LIỆU THAM KHẢO [TL1] QD/1208-TTG “Phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030” [TL2] Rainer Jakobs, Dominik Cibis, Hans-Jürgen Laue “Status And Outlook Industrial Heat Pumps” International Refrigeration and Air Conditioning Conference Paper 1081 [TL3] Nguyễn Thế Bảo “ giảng bảo toàn quản lý lượng”-2014 [TL4] Hidetoshi Nakagami, Chiharu Murakoshi, and Yumiko Iwafune “International Comparison of Household Energy Consumption and Its Indicator” Jyukankyo Research Institute [TL5] Attorney General’s Department of Australia Government “Water Heating Data Collection and Analysis”- April 2012 [TL6] Trung tâm Tư liệu Thống kê - Tổng Cục Thống kê Việt Nam “ Tổng số nắng số trạm quan trắc” tính đến tháng 10/2014 [TL7] Hồng Đình Tín, Lê Chí Hiệp – Nhiệt động lực học kỹ thuật – NXB ĐHQG TpHCM – 2011 (Tái lần thứ nhất) “trang 13, 369, 387” [TL8] Rainer Jakobs, Dominik Cibis, Hans-Jürgen Laue “Status And Outlook Industrial Heat Pumps” International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, July 12-15, 2010 [TL9] Ivan Malenković “Overview Of Combined Solar Thermal And Heat Pump Systems” Austrian Institute of Technology S Ito, N Miura And K Wang “Performance Of A Heat Pump Using Direct Expansion Solar Collectors” Solar Energy Vol 65, No 3, pp 189–196 H.D Fu, G Pei, J.Ji, H Long, T Zhang, T.T Chow “Experimental study of a photovoltaic solar-assisted heat-pump/heat-pipe system” Applied Thermal Engineering Vol 40 (2012) pp 343 – 350 F.B Gorozabel Chata, S.K Chaturvedi, A Almogbel “Analysis of a direct expansion solar assisted heat pump using different refrigerants” Energy Conversion and Management Vol 46 (2005) pp 2614–2624 Available online at www.sciencedirect.com Nguyễn Thế Bảo “ giảng lượng tái tạo” Lê Chí Hiệp – Máy Lạnh Hấp Thụ kỹ tḥt điều hòa khơng khí NXB ĐHQG TpHCM – 2008 51 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NĨNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT Giao trình kỹ thuật lạnh – TS Lê Xuân Hòa http://luanvan.co/luan-van/bom-nhiet-su-dung-nang-luong-mat-troi60958/ http://luanvan.net.vn/luan-van/nhiet-lanh/?page=19 https://www.veevn.com/vn/nhung-dieu-nen-biet-de-co-the-lua-chon-maynen-lanh-thich-hop-cho-he-thong-lanh-a93.html https://lammattt.com.vn/nguyen-ly-he-thong-lanh http://mhenergy.vn/co-so-tinh-toan-luong-nhiet-va-lua-chon-cong-suatmay-bom-nhiet-khong-khi-5929.html http://www.evn.com.vn/d6/news/Dieu-chinh-gia-ban-le-dien-binh-quannam-2017-6-12-20989.aspx http://nuocnong24.com/home/Technical/?aid=fledowdpwisdsux http://www.epu.edu.vn/cnnl/Default.aspx?BT=12780 52 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ... nhiệt nước nóng từ lò _ Gia nhiệt nước nóng từ nguồn nhiệt thải _ Gia nhiệt nước nóng điện _ Gia nhiệt nước nóng bơm nhiệt 19 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT CHƯƠNG... nhiệt nước nóng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt điện trở 50 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT ĐỒ ÁN NHIỆT DANH MỤC KÝ HIỆU KÍ HIỆU CHÚ GIẢI