Seite 1
ZÁN NHIỆT MỤC LỤC MỤC LỤC.............................................................................................................1 DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG .................................................................4 DANH MỤC KÝ HIỆU........................................................................................6 TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN...........................................................................7 CHƯƠNG 1...........................................................................................................8 KHÁI QUÁT VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG ..........................................................................................8 1.1. Khái quát về nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở các nước trên thế giới................................................................................8 1.2.Tổng quan về nhu cầu và năng lượng tiệu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở Việt Nam.................................................................................................11 1.3.Định hướng phát triển về năng lượng của Việt Nam....................................13 1.4 Các phương pháp được sử dụng để sản xuất nước nóng ..............................14 1.4.1 Gia nhiệt nước nóng bằng điện năng..................................................14 1.4.2 Gia nhiệt nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch.................................15 1.4.3 Gia nhiệt nước nóng bằng năng lượng mặt trời..................................16 1.4.4 Gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt..................................................18 1.4.5 Một số phương pháp gia nhiệt nước trong công nghiệp:....................19 CHƯƠNG 2.........................................................................................................20 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT ............................................................20 2.1. Lịch sử phát triển của bơm nhiệt: ................................................................20 2.2. Khái niệm bơm nhiệt: ..................................................................................20 2.3. Cấu tạo của 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 năng lượng cung cấp cho bơm nhiệt...............................................25 2.6. Những phương pháp đo lường hiệu suất bơm nhiệt: ...................................26 2.6.1 Đo bằng phương pháp COP................................................................26 2.6.2 Đo bằng phương pháp EER.................................................................26 2.6.3 Đo bằng phương pháp SEER...............................................................26 2.6.4 Đo bằng phương pháp HSPF..............................................................26 2.6.5 Đo bằng phương pháp Kw/ Tấn ..........................................................27 2.7. Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt ............................................................27 1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 2
ZÁN NHIỆT 2.8. Các thành phần cơ bản của 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 của bơm nhiệt:.............................................................................32 2.10. Một số bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng trong gia đình: .............................33 2.11. Khả năng ứng dụng của bơm nhiệt trong công nghệ chế biến thực phẩm................................................................................................................. ...36 2.11.1 Sản xuất nư ớc nóng phục vụ cho sản xuất ........................................33 2.11.2 Trong công nghệ sả n 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. Công nghệ sản xuất nước khoáng có gas (CO2)............................34 2.11.2.5. Công 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 3.........................................................................................................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 bằng nhiệt của bơm nhiệt ................................................37 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bay hơi đến các thông số đặc trưng của bơm nhiệt.......................................................................37 3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ tk ...................................................37 3.2.2. Ảnh hưởng của to ................................................................................38 CHƯƠNG 4.........................................................................................................40 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG BƠM NHIỆT GIA NHIỆT NƯỚC NÓNG.....................................................................................................40 4.1. Đặt bài toán ..................................................................................................40 4.2. Tính toán nhiệt .............................................................................................40 4.3. Tính toán chu trình và chọn máy .................................................................40 4.4. Tính toán nhiệt máy nén ..............................................................................41 4.5. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt....................................................................42 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 3
ZÁN NHIỆT 4.5.1 Tính diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi................................42 4.5.2 Tính diện tích trao đổi nhiệt của dàn ngưng tụ...................................43 4.6 Hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng 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 của hệ thống bơm nhiệt gia nhiệt nước nóng:....45 4.7. Tính nhiệt độ nước:......................................................................................46 4.8. Tính hiệu suất nhiệt......................................................................................47 CHƯƠNG 5.........................................................................................................48 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ.....................................................................................48 5.1. Hiệu quả kinh tế của hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng điện .............................................................48 5.2. Hiệu quả về mặt xã hội, môi trường của hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng điện trở. ..........................49 KẾT LUẬN.........................................................................................................50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................51 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 4
ZÁN NHIỆT DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG Hình 1.1a: Năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở khu vự c châu âu [TL2] 9 Hình 1.1b Nhu cầu sử dụng nước nóng cho các mục đích khác nhau ở các khu dân cư, khác sạn ở mỹ 10 Hình 1.1c Năng lượng tiêu thụ hàng năm của hộ gia đình ở một số nước (GJ/hộ gia đình/năm) 10 Hình 1.1d Năng lượng tiêu thụ của một số nghành trong lĩnh vự c công nghiệp của một số nước trên thế giới [TL2] 11 Hình 1.1e Tiềm năng sử dụng nước nóng và quá trình làm nóng trong một số ngành công nghiệp ở các nước châu âu (Đức) [TL2] 12 Hình 1.2a Dự báo năng lượng tiêu thụ cho các thành phần tới năm 2030 ở Việt Nam [TL3] 13 Hình 1.2b Năng lượng tiêu thụ cho các hệ thống trong các tòa nhà và khách sạn ở Việt Nam [TL3] 14 Hình 1.2c Năng lượng tiêu thụ của một hộ gia đình trong một năm ở Việt Nam [TL4] 14 Hình 1.4.1. Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống cơ bản 16 Hình 1.4.2 Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch (dầu) 17 Bảng 1.4.2: Nhiệt trị của một số chất đốt 17 Hình 1.4.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời 18 Bảng 1.4.3: Số giờ nắng trung bình trong tháng ở các địa phương 19 Hình 1.4.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt 20 Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt 21 Hình 2.3a cấu tạo cơ bản của một bơm nhiệt 22 Hình 2.3b cấu tạo cơ bản của một máy lạnh 23 Hình 2.4 Cách thức phân loại bơm nhiệt theo nguồn nhậ n nhiệt và cho nhiệt [TL8] 23 Hình 2.4.1 Phần trăm ứng dụng của bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng và làm nóng [TL9] 23 Hình 2.4.2a Phần trăm các 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 của máy bơm nhiệt địa nhiệt 25 Hình 2.4.2d Lắp đặt bơm nhiệt nước bằng cách đặt chìm đường ống cuộn 26 Hình 2.4.2e Chu trình kép của máy làm lạnh hấp thụ 26 Hình 2.5 khái quát nơi lấy năng lượng 26 Hình 2.7 Chu trình làm việc của bơm nhiệt trên đồ thị 28 Hình 2.8.2.1a Máy nén piston 30 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 5
ZÁN 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 răng 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 xoáy ly tâm 33 Hình 2.11.1 Ứng dụng bơm nhiệt trong sản xuất nước nóng 34 Hình 2.11.2.5a ứng dụng bơm nhiệt trong sản cô đặc ở áp sấu chân không 35 Hình 2.11.2.5b ứng dụng bơm nhiệt trong cô đặc 36 Hình 2.11.2.6 ứng dụng bơm nhiệt trong chưng cất 36 Hình 2.11.2.8 Ứng dụng bơm nhiệt trong thiết bị ổn nhiệt 37 Bảng 3.2.1a Hệ số nhiệt ϕ của các môi chất theo nhiệt độ ngưng tụ 38 Bảng 3.2.1b Công nén l của các môi chất theo nhiệt độ ngưng tụ 39 Bảng 3.2.2a Hệ số bơm nhiệt ϕ của môi chất theo nhiệt độ bay hơi 39 Bảng 3.2.2b Hệ số công nén l của môi chất theo nhiệt độ bay hơi 39 Bảng 3.2.2c Các thông số đặc trưng theo các loại môi chất lạnh 40 Hình 3.2.2 Biểu đồ thông số hệ số nhiệt, nhiệt ngưng tụ riêng của các loại môi chất 40 Hình 4.3 Biểu diễn chu trình làm việc trên đồ thị 41 Bảng 4.3 Các thông số của chu trình 42 Bảng 4.6.5 Các thông số hoạt động của hệ thống gía nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt 47 Hình 4.6.5 Sự tăng nhiệt độ nước và áp suất môi chất theo thời gian của hệ thống bơm nhiệt gia nhiệt nước 47 Bảng 5.1 So sánh lợi ích kinh tế của hệ thống gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt so với hệ thống gia nhiệt bằng điện trở 50 5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 6
ZÁN 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 của nước, 𝐶𝑝=4,18 kJ/kgK F Diện tích trao đổi nhiệt, 𝑚2 G Lưu lượng khối lượng của môi chất lạnh trong chu trình,kg/s i Enthalpy, KJ/kg k Hệ số truyền nhiệt tại thiết bị bay hơi k = 17,5 l Công tiêu tốn riêng máy nén cho mỗi 1 kg môi chất, KJ/kg L Công tiêu thụ cho máy nén m Khối lượng, Kg q Năng suất nhiệt riêng 1 kg môi chất, KJ/kg Q Nhiệt lượng, W t Nhiệt độ, oC 𝜏 Thời gian, s 𝜀 Hệ số lạnh 𝑞 Qúa nhiệt, oC 𝑛 𝑞 Qúa lạnh, oC 𝑙 6 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 7
ZÁN NHIỆT TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN Trong cuộc sống ngày nay, yếu tố quan trọng quyết định đến sự sống trên trái đất đó chính là năng lượng. Hằng ngày, chúng ta đều sử dụng năng lượng cho việc phát triển kinh tế, kỹ thuậ t. Trong đó, các nhiên liệu như than đá, dầu mỏ,... đang dần kiệt quệ. Đây là điều đáng báo động cho tình trạng hiện nay, có thể dẫn đến việc thiếu nhiên liệu, gây khủng hoảng kinh tế cũng như trậ t tự xã hội và quan trọng hơn khi sử dụng quá nhiều dẫn đến gây ô nhiễm môi trường trầm trọng, ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và động vậ t.. Vì vậ y, việc phát triển và nghiên cứu nguồn năng lượng tái tạo là vô cùng cấp thiết, mang đến sự giảm tải cho nguồn năng lượng truyền thống. 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 tậ p trung vào các thành phần là khu dân cư và một số ngành trong lĩnh vự c công nghiệp. Tuy nhiên vì nước ta là một nước có khí hậ u 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 tẩ y… 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. 7 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 8
ZÁN NHIỆT CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ NHU CẦU SỬ DỤNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NƯỚC NÓNG 1.1. Khái quát về nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở các nước trên thế giới _ Ngày nay, khi mà mức độ tiêu thụ năng lượng của tất cả các thành phần trong xã hội sẽ có xu hướng ngày càng tăng lên vì mức độ gia tăng dân số, để phục vụ cho các nhu cầu của con người cũng như sự phát triển kinh tế - xã hội, trong đó nhu cầu sử dụng nước nóng và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng cũng chiếm một tỉ trọng khá lớn. Nhưng hầu như, những thành phần có nhu cầu sử dụng nước nóng chủ yếu tậ p trung vào khu dân cư, dịch vụ thương mại và một số ngành trong lĩnh vự c công nghiệp như hình 1.1a bên dưới (khu vự c châu âu). Và mức độ tiêu thụ năng lượng để sản xuất nước nóng ở các thành phần này cũng sẽ khác nhau ở mỗi quốc gia và khu vự c khác nhau, vì do vị trí địa lý nên điều kiện khí hậ u sẽ là yếu tố quyết định đến năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng trong các thành phần khu dân cư và thương mại dịch vụ… Hình 1.1a: Năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở khu vự c châu âu [TL2] _ Nhìn chung chúng ta có thể thấy rằng, hầu như năng lượng tiêu thụ ở thành phần khu dân cư, hộ gia đình hay dịch vụ thương mại ở các nước có khí hậ u giá lạnh trên thế giới, chủ yếu tậ p trung cho việc sản xuất nước nóng và sưởi ấm (tuy nhiên điều này cũng còn tùy thuộc vào từng quốc gia và khu vự c cụ thể). Trong đó nước nóng ngoài việc dùng để sưởi ấm còn được sử dụng cho các nhu cầu chủ yếu như tắm rửa, giặc tẩ y, rửa chén dĩa… 8 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 9
ZÁN NHIỆT Hình 1.1b Nhu cầu sử dụng nước nóng cho các mục đích khác nhau ở các khu dân cư, khác sạn ở mỹ _ Để có một cái nhìn tổng quan và khách quan hơn ta có thể thấy được năng lượng tiêu thụ hàng năm của một hộ gia đình ở một số nước trên thế giới cho quá trình sản xuất nước nóng là khá lớn và được thể hiện như hình 1.1c bên dưới. Hình 1.1c Năng lượng tiêu thụ hàng năm của hộ gia đình ở một số nước (GJ/hộ gia đình/năm) _ Qua các số liệu đó ta có thể thấy rằng nhu cầu sử dụng nước nóng và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở thành phần khu dân cư và dịch vụ thương mại là rất lớn. Và điều này có thể dể hiểu, vì như đã nói ở phần trên do điều kiện khí hậ u ở mỗi quốc gia là khác nhau, nên các nước có điều kiện 9 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 10
ZÁN NHIỆT thời tiết giá lạnh sẽ có nhu cầu sử dụng nước nóng cho mục đích sinh hoạt hay sưởi ấm cũng sẽ lớn hơn so với các nước có khí hậ u nóng ẩ m. _ Thành phần đứng thứ hai cũng có nhu cầu sử dụng nước nóng có nhiệt độ không cao khá lớn, đó là một số ngành trong lĩnh vự c công nghiệp như hóa chất, nhuộm, giặc tẩ y, cấp nhiệt cán giấy, nấu nướng và cho các mục đích làm sạch…Có thể nói với năng lượng tiêu thụ trung bình trong lĩnh vự c công nghiệp ở các nước châu âu là khoảng 27,5%, và điều này cho thấy lượng năng lượng tiêu thụ cho quá trình sàn xuất nước nóng trong lĩnh vự c công nghiệp nói trên là rất lớn. Nhưng để thấy rõ được năng lượng tiêu thụ của các ngành nêu như trên trong lĩnh vự c công nghiệp ta có thể xem năng lượng tiêu thụ cho các ngành ở một số nước trên thế giới như hình 1.1d và 1.1e bên dưới. Hình 1.1d Năng lượng tiêu thụ của một số nghành trong lĩnh vự c công nghiệp của một số nước trên thế giới [TL2] 10 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 11
ZÁN NHIỆT Hình 1.1e Tiềm năng sử dụng nước nóng và quá trình làm nóng trong một số ngành công nghiệp ở các nước châu âu (Đức) [TL2] _ Từ cái nhìn tổng quan về năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở các nước trên thế giới ta có thể thấy rằng nhu cầu sử dụng nước nóng là một nhu cầu thiết yếu và quan trọng trong cuộc sống của con người, cũng như trong lĩnh vự c công nghiệp. Và không những thế ở một số quốc gia hay khu vự c, thì năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng, để phục vụ cho quá trình sưởi ấm và sinh hoạt cá nhân trong các tòa nhà khách sạn, khu chung cư hay hộ gia đình chiếm phần trăm lớn nhất và quan trọng nhất. Và điều này có thể dễ hiểu vì do điều kiện khí hậ u lạnh giá ở các nước hay khu vự c đó. 1.2. Tổng quan về nhu cầu và năng lượng tiệu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng ở Việt Nam _ Với tốc độ phát triển kinh tế, tình trạng đô thị hóa và mức độ gia tăng dân số như ngày nay ở nước ta, thì có thể nói rằng nhu cầu tiêu thụ năng lượng cho mọi thành phần sẽ có xu hướng ngày càng tăng lên. Và theo như một số dự báo thì năng lượng tiêu thụ đến năm 2030 của Việt Nam là khoảng 100 triệu tấn dầu tương đương. [TL3] 11 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 12
ZÁN NHIỆT Hình 1.2a Dự báo năng lượng tiêu thụ cho các thành phần tới năm 2030 ở Việt Nam [TL3] _ 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 tậ p trung vào các thành phần là khu dân cư và một số ngành trong lĩnh vự c công nghiệp. Tuy nhiên vì nước ta là một nước có khí hậ u 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 tẩ y…Chứ không phục vụ cho quá trình sưởi ấm vì hầu như thời tiết ở nước ta là nóng ẩ m. _ Hiện nay theo các khảo sát, thì năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nước nóng của các khách sạn ở Việt Nam vào khoảng 4-5% tổng năng lượng tiêu thụ của khách sạn [TL3]. Còn ở các khu dân cư và hộ gia đình thì năng lượng tiêu thụ cho quá trình sản xuất nướBiểu đồ tỷ lệ sử dụng năng lượng trong ngàyc nóng vào khoảng 2 GJ/Hộ gia đình/ Năm. [TL4] Hệ thống thang máy Hệ thống khác Hệ thống máy 4.95% 6.70% nước nóng 4.41% Hệ thống chiếu sáng 9.11% Hệ thống ĐHKK 74.83% 12 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 13
ZÁN NHIỆT Hình 1.2b Năng lượng tiêu thụ cho các hệ thống trong các tòa nhà và khách sạn ở Việt Nam [TL3] Hình 1.2c Năng lượng tiêu thụ của một hộ gia đình trong một năm ở Việt Nam [TL4] _ Trong khi đó với tốc độ phát triển công nghiệp như hiện nay, đặc biệt là trong các lĩnh vự c công nghệ thự c phẩ m, bia rượu, công nghệ nhuộm màu…thì nhu cầu sử dụng nước nóng có nhiệt độ không cao để phục vụ cho quy trình công nghệ của nhà máy là rất lớn. _ Qua cái nhìn tổng quan về nhu cầu và năng lượng tiêu thụ cho quá trình sử dụng nước nóng ở các nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Ta có thể thấy rằng, năng lượng tiêu hao cho quá trình này cũng chiếm một tỉ lệ khá đáng để và tùy thuộc vào từng quốc gia và khu vự c cụ thể. Nhưng trong bối cảnh mức tiêu thụ năng lượng ở mọi thành phần ngày càng tăng lên, mà trong khi các nguồn nhiên liệu dùng để sản xuất năng lượng ngày càng cạn kiệt. Vì vậ y việc tiết kiệm năng lượng ở mọi lĩnh vự c nói chung và ngành nghề cụ thể ở đây là sản xuất nước nóng nói riêng là hết sức cần thiết và cấp bách. 1.3. Định hướng phát triển về năng lượng của Việt Nam _ Ngày 21 tháng 7 năm 2011, Thủ Tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số 1208/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Quy hoạch phát triển điện lự c quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030” – gọi tắt là Quy hoạch điện VII (QHĐ VII). 13 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 14
ZÁN NHIỆT _ Theo quy hoạch, tổng công suất nguồn điện gió sẽ khoảng 1.000MW vào năm 2020 và khoảng 6.200MW vào năm 2030; điện từ gió chiếm tỷ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030. Quy hoạch cũng ưu tiên phát triển các nguồn thủy điện, đưa tổng công suất các nguồn thủy điện từ 9.200MW hiện nay lên 17.400MW vào năm 2020. Ngoài ra, sẽ đưa tổ máy điện hạt nhân đầu tiên của Việt Nam vào vậ n hành năm 2020 và đến năm 2030, dự kiến, nguồn điện hạt nhân sẽ đạt đến công suất 10.700MW, sản xuất được khoảng 70,5 tỷ kWh (chiếm 10,1% sản lượng điện sản xuất). Mục tiêu phát triển cụ thể trong giai đoạn tới: _ Sản lượng điện sản xuất và nhậ p khẩ u năm 2015 khoảng 194210 tỷ kWh; năm 2020 khoảng 330-362 tỷ kWh. _ Ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện từ nguồn năng lượng này lên 4,5% năm 2020 và 6,0% năm 2030 tổng điện năng sản xuất. _ Giảm hệ số đàn hồi điện/GDP từ bình quân 2,0 hiện nay xuống còn bằng 1,5 vào năm 2015 và còn 1,0 vào năm 2020. _ Đẩ y nhanh chương trình điện khí hóa nông thôn, miền núi, hải đảo đảm bảo đến năm 2020 hầu hết số hộ dân nông thôn có điện. 1.4 Các phương pháp được sử dụng để sản xuất nước nóng 1.4.1 Gia nhiệt nước nóng bằng điện năng _ Chúng ta biết rằng điện năng là loại năng lượng có chất lượng cao nhất và có thể dể dàng chuyển đổi thành nhiệt năng, do đó ưu điểm của phương pháp này là dễ điều chỉnh nhiệt độ theo mong muốn, đáp ứng nhanh và liên tục cho các yêu cầu cụ thể, dễ sử dụng và hệ thống thiết bị đơn giản. Nhưng như đã nói ở trên nếu xét theo quan điểm hiệu quả sử dụng năng lượng thì phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống sẽ gây lãng phí năng lượng nhất, vì rõ ràng rằng ta đã dùng loại năng lượng có chất lượng cao nhất để sản xuất ra loại năng lượng có chất lượng thấp nhất là nhiệt năng. Và hơn thế nữa nó cũng góp phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính đáng kể so với các phương pháp còn lại. Vì điện năng được sản xuất chủ yếu từ quá trình chuyển đổi các loại nhiên liệu hóa thạch, mà chính trong quá trình chuyền đổi đã gây ra nhiều tổn thất rất lớn để tạo ra được điện năng, và cũng chính trong quá trình chuyển đổi mà nhiều loại khí độc hại đã được phát thải vào trong môi trường như CO2, NOx…và chính CO2 là nguyên nhân chính làm gia tăng hiệu ứng nhà kính vì vậ y đây cũng là nhược điểm của hệ thống này. 14 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 15
ZÁN NHIỆT Hình 1.4.1. Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống cơ bản _ Mặc dù phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống gây ra nhiều lãng phí về năng lượng và làm gia tăng hiệu ứng nhà kính, nhưng cũng không thể loại bỏ hoàn toàn và ngay lậ p tức được. Vì một số lý do như giá điện còn thấp, hay nhu cầu sử dụng nước nóng thấp…thì việc đầu tư cho một máy sản xuất nước nóng bằng điện năng theo kiểu truyền thống sẽ hợp lý hơn. 1.4.2 Gia nhiệt nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch _ Khác với gia nhiệt nước nóng bằng điện năng, phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch được thự c hiện chính bằng nhiệt lượng sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, khí đốt, than, củi…) để gia nhiệt cho nước. Hiện nay trên thế giới, và đặc biệc ở một số nước phát triển thì phương pháp này được sử dụng rất phổ biến trong lĩnh vự c công nghiệp và khu dân cư, khách sạn,..vì một số ưu điểm của hệ thống như đáp ứng nhanh và liên tục cho các yêu cầu cụ thể, hiệu quả sử dụng năng lượng cao và khả năng gây hiệu ứng nhà kính là thấp hơn so với phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là tổn thất nhiệt do quá trình 15 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 16
ZÁN NHIỆT cháy và nhiệt do khói mang ra ngoài, hệ thống phức tạp vì phải lắp đặt thêm hệ thống chứa nhiên liệu, quá trình bảo trì bảo dưỡng cũng khó khăn hơn và chi phí đầu tư ban đầu cũng cao hơn so với phương pháp gia nhiệt bằng điện năng. [TL5] Hình 1.4.2 Cấu tạo của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng nhiên liệu hóa thạch (dầu) Chất đốt Nhiệt trị Chất đốt Nhiệt trị (J/kg) (J/kg) Củi khô 10.106 Gas 44.106 Than bùn 14.106 Dầu hỏa 44.106 Than đá 27.106 Xăng 46.106 Than củi 34.106 Hiđrô 120.106 Bảng 1.4.2: Nhiệt trị của một số chất đốt 1.4.3 Gia nhiệt nước nóng bằng năng lượng mặt trời _ Ở nước ta hiện nay, tính đến thời điểm tháng 10/2014 thì nước ta có số giờ nắng trung bình trong một năm vào khoảng 1219,6 ÷ 2498 giờ/năm và cường độ bức xạ mặt trời vào khoảng 3,5 ÷ 4,5 kWh/m2/ngày nhưng cũng tùy thuộc vào 16 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 17
ZÁN NHIỆT từng khu vự c cụ thể [TL6]. Rõ ràng ta có thể thấy tiềm năng sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta là vô cùng lớn, và thêm vào đó dưới tác động của các chính sách về sử dụng năng lượng hiệu quả và bảo vệ môi trường được nhà nước ban hành, đã làm cho các hệ thống sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời phát triển một cách nhanh chóng và mạnh mẽ trong vài năm gần đây. Có thể nói, phương pháp sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời hầu như không tốn chi phí trong quá trình vậ n hành, vì năng lượng mặt trời là miễn phí và có thể tái tạo được. Hình 1.4.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời _ Nguyên lý hoạt động của hệ thống sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời tương đối đơn giản, ban đầu nước từ bình chứa sẽ điền đầy vào các ống collector, tại đây nước sẽ nhậ n nhiệt từ bức xạ mặt trời và làm nước nóng lên, vì nước nóng nên sẽ có khối lượng riêng nhỏ hơn so với nước lạnh, nên nước nóng sẽ có xu hướng di chuyển lên phía trên và quay về bình chứa và song song với quá trình này là nước lạnh từ bình chứa sẽ chuyển động xuống phía dưới ống và điền đầy vào phần thể tích của nước nóng đã rời đi, và cứ thế quá trình diễn ra liên tục khi có bức xạ mặt trời. Tuy nhiên vì quá trình trao đổi nhiệt của nước bên trong là đối lưu tự nhiên và cần phải có bức xạ mặt trời, nên để có được đủ lượng nước nóng yêu cầu cho quá trình sử dụng thì phải chờ một thời gian khá dài hoặc vào những ngày mà bức xạ mặt trời thấp thì sẽ không đáp ứng đầy đủ cho các yêu cầu sử dụng, và đó chính là nhược điểm của hệ thống vì quá phụ thuộc vào điều 17 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 18
ZÁN NHIỆT kiện thời tiết. Mặc dù không tốn chi phí cho quá trình vậ n hành nhưng chi phí đầu tư ban đầu của hệ khá cao so với hai phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện kiểu truyền thống và bằng nhiên liệu hóa thạch. Bảng 1.4.3: Số giờ nắng trung bình trong tháng ở các địa phương 1.4.4 Gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt _ Về cơ bản bơm nhiệt có cấu tạo và nguyên lý hoạt động giống máy lạnh, nhưng lại khác nhau về mục đích sử dụng. Đối với bơm nhiệt mục đích sử dụng là làm nóng, nếu bơm nhiệt được sử dụng để sản xuất nước nóng thì nhiệt lượng mà nước nhậ n được do môi chất nhả ra tại dàn ngưng sẽ là nhiệt lượng hữu ích. 18 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 19
ZÁN NHIỆT Hình 1.4.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt _ Rõ ràng bơm nhiệt là một loại máy nhiệt do đó nó sẽ nhậ n công từ bên ngoài (cụ thể là điện năng) để vậ n hành hệ thống tham gia vào quá trình sản xuất nước nóng. Mặc dù bơm nhiệt cũng sử dụng điện năng, nhưng không giống với phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng kiểu truyền thống là trự c tiếp sử dụng điện năng để sinh nhiệt, mà bơm nhiệt sử dụng điện năng để vậ n chuyển nhiệt lượng từ nơi này đến nơi khác. Do đó so với phương pháp gia nhiệt nước nóng bằng điện năng kiểu truyền thống thì phương pháp sử dụng bơm nhiệt sẽ có hiệu suất cao hơn và do đó chi phí để vậ n hành hệ thống cũng sẽ thấp hơn. Và đặc biệt phương pháp này hầu như không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, có thể đảm bảo các yêu cầu về nhiệt độ và nhu cầu sử dụng mọi lúc. 1.4.5 Một số phương pháp gia nhiệt nước trong công nghiệp: _ Gia nhiệt nước nóng bằng hơi từ lò hơi. _ Gia nhiệt nước nóng từ các nguồn nhiệt thải. _ Gia nhiệt nước nóng bằng điện. _ Gia nhiệt nước nóng bằng bơm nhiệt. 19 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Seite 20
ZÁN NHIỆT CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT 2.1. Lịch sử phát triển của bơm nhiệt: _ Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên. Ngày nay, bơm nhiệt đã phát triển một cách nhanh chóng về cả chủng loại, công suất, số lượng, chất lượng và được ứng dụng trong các ngành kinh tế như: Công nghệ sấy và hút ẩ m; công nghệ chưng cất, tách chất; các quá trình thu hồi nhiệt thải; công nghệ thự c phẩ m. 2.2. Khái niệm bơm nhiệt: _ “Bơm nhiệt là loại máy nhiệt, nhậ n công từ bên ngoài để vậ n chuyển nhiệt lượng theo chiều ngược từ nguồn lạnh đến nguồn nóng, cụ thể nhiệt lượng sẽ được vậ n chuyển từ môi trường xung quanh đến môi trường có nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh” [TL7] như hình 2.2 bên dưới. Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt _ Để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt người ta sử dụng hệ số làm nóng φ (hay nói cách khác là hiệu suất của chu trình cũng được thể hiện thông qua hệ số COP = φ). Vì mục đích của bơm nhiệt là làm nóng nên hệ số φ chính là tỷ số giữa QH và W. Q Q (2.2) H H W Q Q H L _ Từ công thức 2.2 ta thấy rằng, hệ số làm nóng sẽ luôn luôn lớn hơn 1 nhưng sẽ không bao giờ tiến đến vô cùng, và nó chỉ có thể tiệm cậ n giá trị tương 20 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NƯỚC NÓNG SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
Die ersten 20 Seiten werden angezeigt. Laden Sie das Dokument herunter, um alles zu sehen.
Kommentare (0)
Noch keine Kommentare. Seien Sie der Erste!