Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 1
MỤC LỤC Trang
LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………………………. ..4
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................5
CHƯƠN G 1: LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SẤY ...............................................7
1.1. Vật liệu ẩm ......................................................................................................7
1.1.1. Độ ẩm của vật liệu …………………….................................................7
1.1.2. Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu .......................................................9
1.2. Quá trình đốt nóng và làm lạnh .................................................................... .11
1.2.1 Quá trình đốt nóng và đôt nóng tăng ẩm ............................................ 11
1.2.2 Quá trình làm lạnh và làm lạnh khử ẩm ..............................................11
1.3. Các phương pháp sấy .....................................................................................12
1.3.1. Phương pháp sấy nóng .........................................................................12
1.3.2. Phương pháp sấy lạnh ..........................................................................14
1.3.3. Sơ đồ thiết bị và trạng thái tác nhân sấy của hệ thống sấy lạnh …….. 16
1.4. Phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt ……………………………………. 17
1.4.1. Thế sấy ………………………………………………………………. 17
1.4.2. So sánh hai phương pháp sấy lạnh ………………………………….. 18
1.4.3. Đặc tính của quá trình sấy lạnh ……………………………………... 20
CHƯƠN G 2 : LÝ THUYẾT VỀ BƠM N HIỆT ……………………………… 22
2.1. Khái quát về bơm nhiệt ………………………………………………….... 22
2.2. Nguyên lý hoạt động …………………........................................................ 23
2.3. Hệ số nhiệt của bơm nhiệt ............................................................................ 24
2.4. So sánh các phương án cấp nhiệt ……......................................................... 25
2.5. Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt ......................................................... 27
2.6. Ứng dụng của bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân …….………………. 29
CHƯƠN G 3 : CÔN G N GHỆ SẤY RAU QUẢ ………………………………… 34
5.2.2 Sơ đồ, nguyên lý làm việc ……………………………………...……. 56
5.2.3 Xây dựng đồ thị và lập bảng xác định các giá trị tại các điểm nút ..... 57
5.2.4 Tính toán chu trình …………………………………...……………… 58
5.3 Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt của bơm nhiệt ……………………...… 59
5.3.1 Dàn ngưng (Thiết bị gia nhiệt không khí) …………………..…..…… 59
Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 3
1. Chọn loại dàn ngưng ……………………………………...…………... 60
2. Các thông số cho trước ………………………………………………... 60
3. Tính diện tích trao đổi nhiệt ……………………………………...…… 61
4. Tính các thông số cụ thể của dàn ngưng ………………………..….…. 65
5.3.2 Dàn bay hơi (Thiết bị làm lạnh không khí) ………..………..…...…… 65
1. Chọn loại dàn bay hơi ……………………………………………..…... 66
2. Các thông số cho trước ………………………………………..…..…... 66
3. Tính diện tích trao đổi nhiệt ……………………………….……..…… 67
4. Tính các thông số cụ thể của dàn bay hơi …………………….…..…... 70
5.3.3 Thiết bị hồi nhiệt …………………………………………...….…….... 71
1. Tính chọn đường kính ống …………………………………………….. 72
2. Tính toán diện tích trao đổi nhiệt ……………………………………… 73
5.4 Tính chọn máy nén ……………………………………………..……...…... 76
5.4.1. Tính toán chu trình ở chế độ yêu cầu …………………….…….…...... 77
5.4.2. Tính toán năng suất lạnh tiêu chuẩn ……………………………….…. 77
5.4.3. Chọn máy nén ………………………………………….…………….. 78
5.4.4. Tổn thất năng lượng và công suất động cơ ……………………….….. 79
5.5 Chọn Đường ống dẫn môi chất ……………………………..………...……. 79
5.5.1 Đường ống đẩy ……………….……………………………………….. 79
5.5.2 Đường ống hút ……………………………………….…...………….... 80
CHƯƠN G 6 : TÍN H TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT ……………….. … 81
6.1 Tính toán đường ống dẫn tác nhân sấy …………………………………….. 81
6.2 Tính toán trở lực của hệ thống …………………………………………….. 82
Đà N ẵng , Tháng 05/2007
Sinh viên thực hiện
Cao Văn Sơn
Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 5
PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, có bờ biển dài hơn
3000 Km, độ ẩm không khí thường trên 70%, nhiệt độ cao nhất có thể lên tới 38
o
C.
Khí hậu nóng ẩm là điều kiện thuận lợi để nấm mốc và các loại vi sinh vật có hại
phát triển làm hư hại các loại lương thực, thực phẩm, hoa quả, giống cây trồng,
thuốc chữa bệnh…. Bên cạnh đó, nước ta lại là một nước nông nghiệp, trình độ
khoa học kỹ thuật còn lạc hậu. Có nhiều địa phương do không có trang bị kỹ thuật
bảo quản hoa quả, nông sản sau thu hoạch nên thường bán thốc bán tháo với giá rẻ
khi mùa thu hoạch đến. Có khi giá trị đạt được chỉ khoảng 20% so với giá trị thực
của nó. Để tránh được tình trạng đó và để đa dạng hoá các loại sản phẩm nông
nghiệp, nâng cao giá trị sử dụng của sản phẩm, nâng cao thu nhập cho người nông
dân, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm sau thu hoạch là một yêu cầu
cần thiết trong thời gian hiện nay.
Ngày nay, nhu cầu về chất lượng của sản phẩm ngày càng đòi hỏi khắt khe, đặc
mạnh dạn chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống sấy Mít nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt”
để làm đề tài tốt nghiệp cho mình.
N ội dung nghiên cứu
- Lý thuyết về kỹ thuật sấy.
- Lý thuyết về bơm nhiệt.
- Sơ lược về công nghệ sấy hoa quả.
- Tính toán thiết kế hệ thống sấy Mít sử dụng bơm nhiệt.
- Tính toán kinh tế của hệ thống.
- Kết luận.
Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên lý thuyết trong các tài liệu, tiến hành tính toán thiết kế hệ thống sấy lạnh
dùng bơm nhiệt. Từ đó ta rút ra kết luận và ứng dụng của nó trong thực tiễn.
Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài có thể chỉ rõ được hiệu quả của việc sử dụng bơm nhiệt trong sấy ở nhiệt
độ thấp so với hệ thống sấy nóng. Trên cơ sở tính toán, ta có thể lựa chọn công suất
của bơm nhiệt sao cho phù hợp với hệ thống. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 7
Chương 1
LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SẤY
1.1 Vật liệu ẩm
Vật liệu ẩm trong kỹ thuật sấy là các vật có khả năng chứa nước hoặc hơi nước
trong quá trình hình thành hoặc gia công bản thân các vật liệu như các loại nông sản
(lúa, ngô, đậu,…), giấy, vải sợi, gỗ, các loại huyền phù hoặc các lớp sơn trên bề mặt
các chi tiết kim loại.v.v..[3]
1.1.1 Độ ẩm của vật liệu
n
100 [%]. (1.2)
Trong đó: G - khối lượng vật ẩm: G = G
n
+ G
k
[kg]
Quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần:
w
0
=
w
w
−
100
100 [%]. (1.3)
3. Độ chứa ẩm
Là tỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Kí hiệu:
u, [kg ẩm/ kg vật khô]. Được tính theo công thức:
Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 8
u =
k
n
G
G
, [kg ẩm/kg vật khô] (1-4).
Nếu độ chứa ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể thì ta có quan hệ sau:
w
o
.
V
k
là thể tích của vật khô tuyệt đối, ta có:
0
.ρuN= (1-8)
Trong đó:
V
G
k
=
0
ρ là khối lượng của vật khô tuyệt đối.
5. Độ ẩm cân bằng
Là độ ẩm của vật khi ở trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh vật đó.
Khi đó độ chứa ẩm trong vật là đồng đều và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật
ẩm bằng phân áp suất hơi nước có trong môi trường tác nhân sấy. Kí hiệu: W
cb
,
u
cb
...
Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn, nó dùng để xác định giới hạn
quá trình sấy và độ ẩm cuối cùng trong quá trình sấy của mỗi loại vật liệu trong
những điều kiện môi trường khác nhau.
Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 9
1.1.2. Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu
Khi nghiên cứu quá trình sấy cần phải xác định các dạng tồn tại và các hình thức
Liên kết thẩm thấu là liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệch
nồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào, tức là có sự chênh lệch áp suất hơi
nước. Quá trình thẩm thấu không kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và không làm cho
vật biến dạng. Về bản chất, ẩm thẩm thấu trong các tế bào không khác với bình
thường và không chứa các chất hòa tan vì các chất hoà tan sẽ không thể khuếch tán
vào trong tế bào cùng với nước.
3. Liên kết cơ lý
Đây là mối liên kết giữa vật và nước với tỉ lệ không hạn định, được hình thành do
sức căng bề mặt của nước trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật. Liên kết
cơ học được chia làm ba dạng: liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính
ướt.
+ Liên kết cấu trúc:
Được hình thành trong quá trình hình thành vật (ví dụ như quá trình đông đặc...).
Để tách nước trong trường hợp này có thể dùng phương pháp nén ép, làm cho nước
bay hơi hoặc phá vỡ cấu trúc của vật... Sau khi tách nước, vật bị biến dạng nhiều, có
thể thay đổi tính chất, thậm chí có thể thay đổi cả trạng thái pha.
+ Liên kết mao dẫn:
Nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản, ví dụ như gỗ, vải... Trong các vật thể này có
vô số các mao quản. Các vật thể này khi để trong không khí, nước sẽ theo các mao
quản xâm nhập vào vật thể. Khi vật thể này đặt trong môi trường không khí ẩm thì
hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao dẫn và theo các mao quản xâm nhập vào vật
thể. Tách ẩm liên kết mao dẫn bằng phương pháp làm cho ẩm bay hơi hoặc đẩy ẩm
ra bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn. Vật sau khi tách ẩm mao dẫn nói chung vẫn
giữ được kích thước, hình dáng và các tính chất hoá lý.
+ Liên kết dính ướt:
Được hình thành do nước bám dính vào bề mặt vật với góc dính ướt <90
o
C và
dính ướt nhờ vào sức căng bề mặt. Ẩm liên kết dính ướt được tách khỏi vật dễ dàng
bằng phương pháp bay hơi, đồng thời cũng có thể tách ra bằng các phương pháp cơ
0
,
0
ϕ ) cần đốt nóng tăng ẩm đến
trạng thái N(t
n
,
n
ϕ ) (t
n
>t
0
;
0
ϕϕ >
n
) thì quá trình đó được biểu diển trên đồ thị theo
đường AN, trong đó N là giao điểm của 2 đường t = t
n
= const và
n
ϕϕ = = const.
1.2.2 Quà trình làm lạnh và làm lạnh - khử ẩm
Quá trình làm lạnh ngược với quá trình đốt nóng. Trong quá trình này nhiệt độ
giảm và độ ẩm tương đối tăng lên.
1) Quá trình làm lạnh đẳng entanpi
Quá trình này xẩy ra khi phun nước có cùng nhiệt độ với không khí vào không
khí. Chẳng hạn không khí tại điểm A được làm lạnh đẳng entanpi đến nhiệt độ t
1
theo quá trình làm lạnh
đẳng entanpi thì không
khí ở điểm B
1
’ phải
được tiếp tục làm lạnh
đến trạng thái bảo hoà
B
2
” có nhiệt độ đọng
sương t
S1
.
Điểm B
2
”
chính là giao điểm của
đường I = I
0
= const và
đường
ϕ = 100%. Nếu không khí tại điểm B
2
” tiếp tục được làm lạnh thì quá trình
khử ẩm bắt đầu và sẽ diễn ra dọc theo đường ϕ = 100% về phía d giảm.
2) Quá trình làm lạnh đẳng ẩm
Quá trình này xẩy ra khi không khí ẩm ở một trạng thái nào đó bị mất nhiệt do
trao đổi nhiệt với môi trường. Do đó lượng chứa ẩm của nó không đổi. Không khí
tại điểm A được làm lạnh theo quá trình d = const đến nhiệt độ đọng sương t
B
2
''
B
3
'
B
1
'
t
s1
t
0
0
=100%
Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 13
φ =
o
r
p
p
= exp
−
nước giữa vật liệu sấy và môi trường:
1) Giảm phân áp suất của hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách đốt nóng.
2) Tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy.
Tóm lại, nhờ đốt nóng cả tác nhân sấy và vật liệu sấy hoặc chỉ đốt nóng vật liệu
sấy mà hiệu số giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật P
hb
và phân áp suất hơi
nước trong tác nhân sấy P
h
tăng lên dẫn đến quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng
vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường.
Do đó, hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo phương pháp cung cấp
nhiệt:
+ Hệ thống sấy đối lưu: Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể
nóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò. Hệ thống sấy đối lưu gồm:
hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động….
+ Hệ thống sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng. Như vậy
trong hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng phân áp
suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy. Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô,
hệ thống sấy tang…
+ Hệ thống sấy bức xạ: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để dẫn ẩm
dịch chuyển từ lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường. Ở đây
người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường bằng
cách đốt nóng vật.
Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 14
+ Hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường:
Khi vật liệu sấy đặt trong môi trường điện từ thì trong vật xuất hiện các dòng điện
và chính dòng điện này sẽ đốt nóng vật.
* Ưu điểm của phương pháp sấy nóng:
Có thể phân loại hệ thống sấy lạnh như sau:
1. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ t > 0
o
C
Với hệ thống sấy này, nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ
bằng nhiệt độ môi trường. Tác nhân sấy thường là không khí. Trước hết, không khí
được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ. Sau
đó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy.
Khi đó, phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên
Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 15
bề mặt vật liệu sấy nên ẩm từ dạng lỏng sẽ bay hơi và đi vào tác nhân sấy. Như vậy,
quy luật dịch chuyển ẩm trong lòng vật liệu sấy và từ bề mặt vật vào môi trường
trong các hệ thống sấy lạnh giống như các loại hệ thống sấy nóng. Điều khác nhau ở
đây là cách giảm phân áp suất hơi nước P
h
trong tác nhân sấy. Trong các hệ thống
sấy nóng đối lưu người ta giảm P
h
bằng cách đốt nóng tác nhân sấy (d = const) để
tăng áp suất bão hoà dẫn đến giảm độ ẩm tương đối
ϕ . Còn các hệ thống sấy lạnh
có nhiệt độ tác nhân sấy bằng nhiệt độ môi trường chẳng hạn, người ta tìm cách
giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy bằng cách giảm lượng chứa ẩm d kết
hợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp phụ) hoặc đốt nóng (sau khử ẩm
bằng làm lạnh)
2. Hệ thống sấy thăng hoa
Hệ thống sấy thăng hoa là hệ thống sấy lạnh mà trong đó ẩm trong vật liệu sấy ở
dạng rắn trực tiếp biến thành hơi đi vào tác nhân sấy. Trong hệ thống sấy này người
ta tạo ra môi trường trong đó nước trong vật liệu sấy ở dưới điểm 3 thể, nghĩa là
Có thể tổ chức sấy ở nhiệt độ thấp theo sơ đồ hồi lưu tuần hoàn. Ta xét các sơ đồ
sau:
Sơ đồ 1
N guyên lý
Tác nhân sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy được dẫn qua máy hút ẩm để khử bớt
ẩm. Thường quá trình khử ẩm, do chất hấp phụ phải liên tục hoàn nguyên nên quá
trình khử ẩm là quá trình d giảm, nhiệt độ tăng. Trên đồ thị I-d biểu diễn bởi đường
C
0
A. Không khí ở trạng thái A xác định bởi cặp thông số (d
1
,t
1
), được làm lạnh đến
trạng thái B xác định bởi cặp thông số (d
1
,t
0
). Tác nhân sấy ở trạng thái B có nhiệt
độ và độ ẩm tương đối
1
ϕ rất bé được đưa vào thiết bị sấy để thực hiện quá trình sấy
đẳng nhiệt BC
0
.
"#$%&'!()!*+&,
I
B
-./,!0.12#
Tác nhân sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy được làm lạnh khử ẩm theo quá trình
C
0
A
1
A
2
. Không khí ở trạng thái C
0
có nhiệt độ t
0
và lượng chứa ẩm d
2
được làm
lạnh đẳng ẩm (d
2
= d = const) đến trạng thái bảo hoà A
1
. Không khí ở trạng thái A
1
được tiếp tục làm lạnh. Khi đó hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ một phần. Giả
sử trạng thái A
2
có thông số (d
1
,t
1
) và ta có: d
1
nhân sấy hấp thụ. Đối với tác nhân sấy là không khí, để làm được điều đó thì độ ẩm
tương đối của không khí phải nhỏ. Trong công nghệ sấy lạnh, người ta tập trung
làm giảm dung ẩm của không khí, nhưng đồng thời cũng yêu cầu nhiệt độ phải nhỏ
hơn nhiệt độ môi trường [6]. Không khí được hút ẩm, độ chứa hơi giảm làm cho độ
"#$%&'!()!*+&,
-./,!0.12#
-./,!0.12#!7#89!+45
II
III
I
B
I
A1
B
=100%
d
1
A2
d2
d, kg/kg kkk
t1
I, kJ/kg kkk
III
A
C
0
II
A
C0
t0
+45
:#;2<!7#=
7#;!>.?!>8@AB
<$.95!2#$%1'!>;A
:#;2<!<$.2!B+C2!#3/'!+45
D.E2!0.E5!2F/2<!7#;2<!7#=
:#;2<!7#=!7#;
G./2#!B#+&'!#+&H!H#31
:#;2<!7#=!+45
I8@/$!0FAB!(31$
I8@/$!
0FAB!
(31$
D.E2!0.E5!0.12#!7#;2<!7#=
J;A2<!B@
K@!>;C!2<3,%2!0,/!'#$%&'!()!(.E$!+45!B#3,%2!L312<
Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 19
thành không khí ẩm. Dòng khí ẩm quay trở về thiết bị bài ẩm. Đấy là một chu kì
làm việc của thiết bị.[6]
Máy bài ẩm có ưu điểm là khả năng hút ẩm lớn, năng suất hút ẩm khá cao. Tuy
nhiên nó còn có nhiều nhược điểm:
+ Tiêu hao năng lượng lớn (cho hoạt động của dàn điện trở và máy lạnh) làm cho
chi phí sử dụng cao.
+ Chất hấp phụ sau một thời gian hoạt động sẽ cần được thay thế, mà chất hấp
phụ này thường phải nhập ngoại nên làm cho chi phí bảo dưỡng cao.
+ Giá thành thiết bị lớn, ngoài máy hút ẩm ra còn kết hợp với máy lạnh nên chi
phí đầu tư ban đầu cao.
+ Trong điều kiện làm việc nhiều bụi thì máy phải có thời gian ngừng hoạt động
để làm sạch cho chất hấp phụ của máy hút ẩm.
Khi sấy lạnh, nhiệt độ
và độ ẩm không khí cuối
quá trình sấy đều nhỏ
hơn các giá trị tương
ứng của môi trường.
Quá trình làm việc của
bơm nhiệt sấy lạnh xẩy
ra theo chu trình 1231
như hình vẽ. Còn quá
trình làm việc của tổ hợp
máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh là chu trình 23”12. Như vậy, với cùng mục
đích tạo nên quá trình sấy 1-2 thì khi dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp, ta đã tạo ra quá
trình làm lạnh 2-3 và gia nhiệt 3-1 thay cho quá trình khử ẩm 2-3” và làm lạnh 3”-1
mà phải có máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh mới thực hiện được.
Trong các quá trình này thì quá trình làm khô không khí 2-3 ở dàn bay hơi của
bơm nhiệt có vai trò đặc biệt quan trọng quyết định hiệu quả của toàn bộ quá trình
gia nhiệt không khí ở dàn ngưng 3-1 và quá trình sấy sản phẩm trong buồng sấy 1-2.
Ở đây, 2-3 là quá trình thực làm lạnh hổn hợp không khí-nước hay quá trình làm
2s
t
s
t
3
3
d
3
d
2
I, kJ/kg kkk
t
Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 22
Chương 2
LÝ THUYẾT VỀ BƠM N HIỆT
2.1 Khái quát về bơm nhiệt
Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên của thế giới.
Song song với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển của riêng mình. Những
thành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 khi hàng loạt bơm
nhiệt công suất lớn được lắp đặt thành công ở nhiều nước châu Âu để sưởi ấm, đun
nước nóng và điều hoà không khí.[12]
Từ khi xẩy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại
bước vào một bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cở cho các
k
T
k
q
0
l
●❅
5!2#$%1'
Đồ án tốt nghiệp Khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 23
2.2 N guyên lý hoạt động
Bơm nhiệt là một thiết bị dùng để bơm một dòng nhiệt từ mức nhiệt độ thấp lên
mức nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt. Để duy trì bơm nhiệt hoạt
động cần tiêu tốn một dòng năng lượng khác (điện hoặc nhiệt năng). Như vậy máy
lạnh cũng là một loại bơm nhiệt và có chung một nguyên lý hoạt động. Các thiết bị
của chúng là giống nhau. Người ta chỉ phân biệt máy lạnh với bơm nhiệt ở mục đích
sử dụng mà thôi. Máy lạnh gắn với việc sử dụng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi còn
bơm nhiệt gắn với việc sử dụng nguồn nhiệt ở thiết bị ngưng tụ. Do yêu cầu sử dụng
nguồn nhiệt nên bơm nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt độ cao hơn.
Cũng như máy lạnh, bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược với các quá trình
chính như sau:
1 – 2: quá trình nén hơi môi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất cao và
nhiệt độ cao trong máy nén hơi. Qúa trình nén là đoạn nhiệt.
2 – 3: quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, thải nhiệt cho môi
trường.
3 – 4: quá trình tiết lưu đẳng entanpi (i
3
= i
4
hiệu quả nhất định. Ví dụ bơm nhiệt hấp thụ - nén hơi nhằm mục đích tăng nhiệt độ
ngưng tụ, qua đó tăng nhiệt độ chất tải nhiệt. Nguyên lý hoạt động chủ yếu như máy
lạnh hấp thụ nhưng giữa bình sinh hơi và dàn ngưng người ta lắp thêm một máy nén
hút hơi từ bình sinh hơi và nén vào dàn ngưng. Áp suất ngưng tụ cao lên đưa nhiệt
độ ngưng tụ cao lên theo, và hệ số nhiệt của nó tăng lên đáng kể.
2.3 Hệ số nhiệt của bơm nhiệt
Để đánh giá hiệu quả chuyển hóa năng lượng, ta dùng hệ số nóng (hệ số bơm
nhiệt) với định nghĩa: hệ số nóng
ϕ là nhiệt lượng môi chất thải cho nguồn nóng
ứng với một đơn vị công hổ trợ và được biểu thị bằng:
1
0
+=
+
== εϕ
l
lq
l
q
k
. (2-1)
Nếu sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp thì hiệu quả kinh tế còn cao hơn nhiều
vì chỉ cần tiêu tốn một dòng năng lượng l ta được cả năng suất lạnh q
0
và năng suất
nhiệt q
k
như mong muốn. Gọi
ε
TT
T
k
k
c
−
=ϕ (2-4)
Như vậy ta suy ra:
0
.
TT
T
k
k
−
=υϕ (2-5)
Trong đó υ là hiệu suất execgi hay hệ số hoàn nhiệt của chu trình thực.
Dựa vào phương trình trên ta thấy hệ số nhiệt lý thuyết có thể tính theo chu trình
Cácnô phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ của dàn ngưng tụ và dàn bay hơi. Để bơm nhiệt
đạt hiệu quả kinh tế cao thì thường người ta phải chọn hiệu nhiệt độ
T∆ sao cho hệ
số nhiệt thực tế của bơm nhiệt phải đạt từ 3 đến 4 trở lên, nghĩa là hiệu nhiệt độ phải
nhỏ hơn 60K. Cũng chính vì lý do đó mà chỉ trong những trường hợp đặc biệt người
ta mới sử dụng hai cấp nén. Đó chính là sự khác biệt quan trọng giữa bơm nhiệt và
máy nén.[12]
2.4 So sánh các phương án cấp nhiệt
Để thấy rõ hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt ta có thể so sánh một số phương
án trên sơ đồ cấp nhiệt từ nguồn năng lượng sơ cấp đến nơi tiêu thụ. Nguồn năng
lượng sơ cấp là than, dầu mỏ và khí thiên nhiên…. Ở nước ta nguồn năng lượng sơ
cấp chủ yếu là than đá nên ta lấy than đá cho những ví dụ về cấp nhiệt. Ví dụ ta cần
Copyright: Tài liệu đại học ©