UBND TỈNH PHÚ YÊN

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ PHÚ YÊN

GIÁO TRÌNH
Tên môn học: BƠM NHIỆT
Mã số môn học: MH 27
NGHỀ: VẬN HÀNH SỬA CHỮA THIẾT BỊ LẠNH
Trình độ: CAO ĐẲNG
Ban hành kèm theo Quyết định số:
/QĐ-…… ngày ………tháng.... năm……
...........……… của …………………………………

Phú Yên, năm 2020


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo hoặc tham
khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ BƠM NHIỆT..........................1
1.1. Lịch sử phát triển của bơm nhiệt...........................1
1.2. Các ứng dụng của bơm nhiệt................................2
1.3. Nguyên lý làm việc.............................................8
1.3.1. Định nghĩa bơm nhiệt....................................8
1.3.2. Nguyên lý làm việc.......................................8

1.3.3. Phân loại bơm nhiệt....................................11
1.3.4. Chu trình bơm nhiệt nén hơi.........................12
1.3.5. Bơm nhiệt kiểu hấp thụ...............................17
1.3.6. Bơm nhiệt nhiệt điện..................................19
ÔN TẬP................................................................21
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG
LƯỢNG................................................................22
2.1. Hệ số nhiệt của bơm nhiệt.................................22
2.1.1. Hệ số nhiệt thực tế của bơm nhiệt..................22
2.1.2. Hệ số nhiệt lý thuyết theo chu trình Carnot......26
2.2. So sánh các phương án cấp nhiệt......................26
2.2.1. Dùng than để sản xuất điện, sau đó dùng điện
sinh nhiệt...........................................................27
2.2.2. Dùng than để sinh nhiệt...............................27
2.2.3. Dùng than để sản xuất điện, sau đó dùng điện để
chạy bơm nhiệt....................................................27
2.2.4. Dùng than để sinh nhiệt sau đó dùng nhiệt để
chạy bơm nhiệt....................................................28


2.2.5. Dùng than đốt trực tiếp cho bình sinh hơi của máy
lạnh hấp thụ........................................................29
2.3. Đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt........................29
ÔN TẬP................................................................33
CHƯƠNG 3: BƠM NHIỆT VÀ CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA
BƠM NHIỆT...........................................................34
3.1. Môi chất và cặp môi chất...................................34
3.1.1. Yêu cầu môi chất và cặp môi chất của bơm nhiệt

........................................................................34

3.1.2. Các cặp môi chất cho bơm nhiệt hấp thụ..........37
3.2. Máy nén lạnh..................................................37
3.2.1. Các loại máy nén dùng trong bơm nhiệt.............37
3.2.2. Yêu cầu máy nén dùng trong bơm nhiệt.............41
3.2.3. Tính chọn máy nén............................................42
3.3. Các thiết bị trao đổi nhiệt..................................44
3.3.1. Các loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng trong bơm
nhiệt............................................................................44
3.3.2. Tính nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt.................50
3.4. Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt...........................53
3.4.1. Thiết bị truyền động.........................................53
3.4.2. Thiết bị tích trữ................................................53
3.4.3. Thiết bị điều khiển và bảo vệ.............................57
ÔN TẬP................................................................68
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA BƠM NHIỆT TRONG NỀN KINH
TẾ QUỐC DÂN........................................................69


4.1. Ứng dụng bơm nhiệt trong công nghiệp sấy, hút ẩm

..........................................................................69
4.1.1. Bơm nhiệt hút ẩm......................................69
4.1.2. Bơm nhiệt sấy nông sản..............................72
4.1.3. Bơm nhiệt sấy gỗ.......................................73
4.2. Ứng dụng bơm nhiệt trong các ngành khác............75
4.2.1. Chưng cất, bay hơi, cơ đặc............................75
4.2.2. Điều hịa khơng khí.....................................76
4.2.3. Cơng nghiệp thực phẩm...............................77
ƠN TẬP................................................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................80



CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC
Tên mơn học: BƠM NHIỆT
Mã số mơn học: MH 27
Thời gian môn học: 45giờ (Lý thuyết: 30 giờ; Thực hành, thí nghiệm thảo
luận, bài tập13 giờ, kiểm tra 2 giờ)
I. Vị trí tính chất mơn học:
- Vị trí: Mơn học Bơm nhiệt là mơn học tự chọn được bố trí học sau các mơn
học chung và các mơn học, mơ đun chun mơn nghề.
- Tính chất: Là môn học chuyên môn nghề, thuộc môn học đào tạo nghề tự
chọn.
II. Mục tiêu mơn học:
- Kiến thức:
+ Trình bày được nguyên lý cấu tạo và hoạt động của bơm nhiệt;
+ Biết được các ứng dụng của bơm nhiệt trong thực tế
- Kỹ năng:
+ Tính được hệ số nhiệt của bơm nhiệt;
+ Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác.
+ Xây dựng được các sơ đồ nguyên lý ứng dụng của bơm nhiệt
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm:


+ Hình thành năng lực làm việc nhóm
+ Tăng cường năng lực tự học, tự nghiên cứu


CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ BƠM NHIỆT
MỤC TIÊU
- Trình bày được sự hình thành và phát triển của bơm nhiệt;

- Trình bày được nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt;
- Chỉ ra được các ứng dụng của bơm nhiệt trong các dây chuyền sản xuất.
NỘI DUNG
1.1. Lịch sử phát triển của bơm nhiệt
Bơm nhiệt là một thiết bị dung để bơm dòng nhiệt từ nhiệt độ thấp lên nhiệt
độ cao hơn để sử dụng. Để duy trì hoạt động của bơm nhiệt cần phải tiêu tốn một
năng lượng để chạy máy nén.Như vậy bơm nhiệt có nguyên lý và hoạt động như
máy nén lạnh. Sự khác nhau chỉ là mục đích sử dụng, ở máy lạnh người ta sử dụng
hiệu ứng lạnh do máy tạo ra ở dàn bay hơi, còn ở bơm nhiệt người ta sử dụng hiệu
ứng nhiệt sinh ra ở dàn ngưng tụ hoặc đồng thời sử dụng cả lạnh và cả 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 riêng của mình.
Bơm nhiệt được đặc biệt chú ý sau cuộc khủng hoảng năng lượng ở thập niên 70
của thế kỷ 20 và những năm đầu thế kỷ 21. Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học
kỹ thuật cũng như giá dầu thế giới tăng lên nhanh chóng, bơm nhiệt đã phát triển
một cách nhanh chóng về cả chủng loại, công suất, số lượng, chất lượng.
Năm 1928, một người Mỹ tên là T.G. Haldane mới quay lại nghiên cứu bơm
nhiệt và đã chế tạo bơm nhiệt đầu tiên để sưởi ấm cho chính văn phịng của ơng.
Haldane là người cổ vũ nhiệt tình cho bơm nhiệt nhưng đáng tiếc là ông cũng
không xây dựng thêm bất kỳ một hệ thống bơm nhiệt nào khác, lý do chủ yếu là
giá đầu tư cao nhưng hiệu quả thấp.
Những bơm nhiệt đầu tiên hoạt động có hiệu quả là các bơm nhiệt nén hơi.
Chúng đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật và hoạt động qua nhiều năm với hiệu
quả nhiệt cao. Một bơm nhiệt công nghiệp tiêu biểu đầu tiên đó là bơm nhiệt sưởi
ấm cho văn phịng cơng ty Southern California Edison Co. ở Los Angeles. Bơm
nhiệt được xây dựng vào năm 1930, năng suất nhiệt 1050kW và hệ số bơm nhiệt
đạt 2,5.
1



Năm 1938 một bơm nhiệt năng suất 175kW với hệ số bơm nhiệt 2,0 được lắp
đặt tại tịa thị chính Zurich và năm 1942 một bơm nhiệt khác được lắp đặt tại
trường đại học kỹ thuật ETH Zurich với năng suất 7000kW và hệ số bơm nhiệt đạt
3,0
Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỷ 70, bơm nhiệt
lại có bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt bơm nhiệt đủ loại kích cỡ cho các ứng
dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị
trường.
Ngày nay, loại bơm nhiệt được sản xuất nhiều nhất có lẽ là máy điều hịa
khơng khí 2 chiều. Trong số khoảng 50 triệu bộ xuất xưởng năm 2008 thì 75% là
loại bơm nhiệt (máy điều hịa 2 chiều). Ngồi ra, có hàng triệu bộ bơm nhiệt đun
nóng nước nguồn gió gia dụng được tung ra thị trường.
Bơm nhiệt công nghiệp thương nghiệp công suất lớn cũng đang phát triển rất
mạnh mẽ (Mỹ, Trung Quốc, Nam Âu). Ví dụ ở Mỹ, người ta đã sử dụng bơm nhiệt
năng suất 1920kW lắp đặt cho nhà thi đấu thể thao Square Walley. Đây là bơm
nhiệt kết hợp nóng lạnh, đáp ứng đồng thời nhu cầu lạnh cho 4 sân trượt băng và
nhu cầu nhiệt để sưởi ấm cho các phòng thi đấu, làm tan băng trên mái nhà thi đấu
tránh sập mái do tuyết dày. Hệ số bơm nhiệt (COP) có thể lên tới 7 – 8, nghĩa là cứ
tiêu tốn 1kW điện người ta có được 7 – 8kW lạnh và nhiệt để sử dụng. Hiệu quả
tiết kiệm của bơm nhiệt là quá rõ ràng nên các nghiên cứu về bơm nhiệt ngày càng
được thúc đẩy 1 cách mạnh mẽ.
Các cột mốc quan trọng trong việc hình thành và phát triển bơm nhiệt:
- 1748: William Cullen chứng minh khả năng làm lạnh nhân tạo.
- 1834: Jacob Perkins chế tạo một tủ lạnh thực tế bằng ete dietyl.
- 1852: Lord Kelvin mô tả lý thuyết cơ bản về máy bơm nhiệt.
- 1855–1857: Peter von Rittinger phát triển và chế tạo máy bơm nhiệt đầu
tiên.
- 1945: John Summer xây dựng một máy bơm nhiệt toàn bộ nguồn nước ở
Norwich
- 1983: Lämpöässä chế tạo máy bơm nhiệt đầu tiên của họ ở Lapua, Phần Lan

1.2. Các ứng dụng của bơm nhiệt
2


Bơm nhiệt có thể được ứng dụng ở tất cả các cơ sở có nhu cầu năng lượng ở
nhiệt độ thấp khoảng 40 80oC hoặc có thể cao đến 115 120oC. Nếu như nhu cầu
về nóng và lạnh tương đối ăn khớp nhau thì hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt càng
lớn hơn.
Khi sử dụng bơm nhiệt cần chú ý đến hiệu quả kinh tế của nó biểu hiện qua hệ
số bơm nhiệt . Hệ số nhiệt  của bơm nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào hiệu nhiệt độ
của dàn ngưng và dàn bay hơi. Một điều kiện nữa của bơm nhiệt đạt hiệu quả cao
là nhu cầu về nóng và lạnh phải liên tục và ổn định để thời gian hồn vốn là thấp
nhất.
Nói chung bơm nhiệt có thể ứng dụng trong các ngành kinh tế sử dụng các
nguồn nhiệt có nhiệt độ thấp như:
- Cơng nghiệp sấy và hút ẩm;
- Các quá trình thu hồi nhiệt thải;
- Gia nhiệt nước hoặc khơng khí;
- Cơng nghiệp chưng cất, tách chất;
- Công nghiệp thực phẩm chủ yếu để tẩy rửa, tiệt trùng;
- Công nghiệp vải sợi, gỗ, bột và giấy;
- Tẩy rửa, mạ kim loại sơn sấy trong kỹ thuật điện và chế tạo máy;
- Cơng nghiệp hóa học như bay hơi, cơ đặc,...
- Điều tiết khơng khí tiện nghi cơng nghiệp, nơng nghiệp, các cơng trình cơng
cộng như y tế, văn hóa, thể thao.
Trong đó, ứng dụng bơm nhiệt trong lĩnh vực điều hịa khơng khi phục vụ
sưởi ấm đã được sử dụng khá phổ biến. Hiện nay nước ta máy điều hịa khơng khí
hai chiều được ứng dụng điều hòa làm mát vào mùa hè, sưởi ấm vào mùa đông
được sử dụng rộng rải ở các tỉnh miền Bắc. Đây là là loại bơm nhiệt công suất nhỏ
dưới 200kW phục vụ cho gia đình và các cơng trình cơng cộng. Dàn ngưng gió làm

ấm trực tiếp khơng khí trong phòng, dàn bay hơi thu nhiệt trực tiếp từ khơng khí
ngồi trời. Hầu hết bơm nhiệt loại này đều là bơm nhiệt nén hơi, dùng máy nén cơ
chạy điện, máy nén phổ biến là dạng rô to hoặc xoắn ốc, có van đổi dịng 4 ngã để
chuyển đổi chế độ làm mát và sưởi theo mục đích sử dụng.
3


Hình 1.1. Van đảo dịng 4 ngã của máy điều hịa khơng khí
Ngun lý hoạt động của van đảo dịng 4 ngã: Vào mùa hè, khi chúng ta cần
làm mát khơng gian điều hịa. Hướng di chuyển của dịng mơi chất qua van 4 ngã:
Máy nén – 1 – 2 – dàn nóng – tiết lưu – dàn lạnh (khơng gian điều hịa) – 4 – 3.
Vào mùa đơng, khi chúng ta cần sưởi ấm khơng gian điều hịa. Hướng di chuyển
của dịng mơi chất sẽ chuyển đổi khi qua van 4 ngã: Máy nén – 1 – 4 – Dàn nóng
(khơng gian điều hịa) – tiết lưu – dàn lạnh – 2 – 3. Như vậy, nhờ van đảo chiều 4
ngã nên tính chất của các dàn trao đổi nhiệt được lắp đặt cố định bên trong và bên
ngoài sẽ thay đổi. Cụ thể, dàn bên trong sẽ là dàn lạnh và bên ngồi là dàn nóng
khi chúng ta cần làm mát khơng khí (mùa hè); dàn bên trong sẽ là dàn nóng và bên
ngồi là dàn lạnh khi chúng ta cần sưởi ấm khơng khí (mùa đơng).
Bảng 1.1. Thơng số kỹ thuật máy điều hịa 2 chiều model FTXS của Daikin

4


Ứng dụng thứ hai cũng không kém phần quan trọng này là bơm nhiệt đun
nước nóng từ 45 ÷ 70oC dùng cho gia đình, cơng sở, thương nghiệp và cơng
nghiệp. Bơm nhiệt loại này có dàn ngưng gia nhiệt cho nước trong bồn nước
nóng. Nước nóng sẽ được bơm bơm đến hộ tiêu thụ. Dàn bay hơi chủ yếu là loại
gió thu nhiệt trực tiếp từ khơng khí ngồi trời. Cũng có loại dàn bay hơi là dàn
nước thu nhiệt trực tiếp từ nước giếng khoan, nước máy, nước ao, hồ, sơng, suối
hoặc nước thải có nhiệt độ cao, nước lấy từ bộ thu năng lượng mặt trời.

Bơm nhiệt nóng lạnh là phương án bơm nhiệt hiệu quả nhất vì có thể sử dụng
cả nguồn nóng và nguồn lạnh của bơm nhiệt, hệ số bơm nhiệt có thể nói là tăng lên
gấp đơi. Ví dụ, trong các khách sạn, lạnh dùng để điều hịa khơng khí cịn nước
nóng sẽ sử dụng cho mục đích sinh hoạt.
Ở các vùng hàn đới, quanh năm giá lạnh như Bắc Mỹ, Canada, Bắc Nga,...
hầu như người ta chỉ có nhu cầu sưởi ấm và đun nước nóng. Ngược lại ở các nước
nhiệt đới khơng có mùa đơng lại chỉ có nhu cầu làm lạnh khơng khí. Nếu kết hợp
được việc làm mát khơng khí với việc đun nước nóng phục vụ sinh hoạt thì hiệu
quả bơm nhiệt sẽ cao hơn nhiều.
Trong công nghiệp và trong các cơng trình điều hịa khơng khí lớn thường sử
dụng bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh để tăng hiệu quả. Ví dụ: năm 1959 hãng York
(Mỹ) đã lắp đặt một bơm nhiệt ở Square Walley phục vụ Olympic mùa đông. Hệ
5


thống có năng suất lạnh 1.650.00 kcal/h, máy nén tuabin. Năng suất nhiệt của bơm
nhiệt (6 dàn ngưng khơng khí) dùng để cấp nhiệt cho phòng thể thao, các bể bơi.
Năng suất lạnh dùng để cấp cho bốn sân trượt băng nghệ thuật, chất tải lạnh là
nước muối CaCl2 nhiệt độ -10oC, do kết hợp nóng lạnh nên hệ số bơm nhiệt đạt
khá cao từ 9  1.

Hình 1.2. Sơ đồ heat pumps trong hệ thống điều hịa khơng khí chiller sử dụng bộ
trao đổi nhiệt.
Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ nguyên lý chiller bơm nhiệt trong hệ thống điều
hòa khơng khí. Theo sơ đồ, hệ thống điều hịa khơng khí chiller giải nhiệt nước với
vịng tuần hồn nước lạnh cung cấp nước lạnh phục vụ cho nhu cầu điều hịa và
vịng tuần hồn nước ngưng sẽ cung cấp nhiệt cho việc đun nước nóng sơ bộ phục
vụ cho nhu cầu sinh hoạt. Sơ đồ bơm nhiệt này sử dụng nguồn nhiệt thải ra ở thiết
bị ngưng tụ để gia nhiệt nước thông qua bộ trao đổi nhiệt. Nhiệt độ nước ra không
quá cao phù hợp cho các nhu cầu sinh hoạt nên được ứng dụng rộng rãi cho các

công trình khách sạn.

6


Hình 1.3. Sơ đồ heat pumps trong hệ thống điều hịa khơng khí chiller khơng sử
dụng bộ trao đổi nhiệt.
Hình 1.3 giới thiệu một nguyên lý chiller bơm nhiệt khác trong hệ thống điều
hịa khơng khí. Theo sơ đồ, hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng 4 chiller làm lạnh
nước. Trong đó, 3 chiller chỉ có nhiệm vụ tạo nước lạnh phục vụ điều hịa cịn
chiller thứ 4 có nhiệm vụ tạo nước nóng cho mục đích sử dụng. Trong q trình tạo
nước nóng ở chiller 4 đồng thời sẽ tạo ra một lượng nước lạnh cung cấp bổ sung
cho 3 chiller làm lạnh, vì thế nó có ý nghĩa giảm tải lạnh cho 3 chiller còn lại. Đối
với sơ đồ này, lượng nước nóng được tạo ra sẽ đáp ứng được nhu cầu sử dụng về
lưu lượng và nhiệt độ nước.
Bơm nhiệt dân dụng công suất nhỏ và vừa đa chức năng sử dụng bơm nhiệt
kết hợp nóng lạnh với hiệu quả cao vì hầu hết các ngành chế biến thực phẩm như
thịt, cá, bơ, sữa, đồ hộp, đường, bánh kẹo, rượu bia, hoa quả đều cần lạnh để bảo
7


quản và cần nước nóng để đun, nấu, tẩy, rửa, vệ sinh, triệt khuẩn, tiệt trùng, bay
hơi, cô đặc, tráng nước nóng,...
Trước đây, trong một xí nghiệp thực phẩm thường có các kho lạnh để bảo
quản và các nồi hơi để cấp nhiệt cho các quy trình cơng nghệ sản xuất, chế biến.
Ngày nay, các nước tiên tiến trên thế giới đều sử dụng bơm nhiệt kết hợp
nóng lạnh để cấp nhiệt và cấp lạnh với hiệu quả kinh tế cao.
Nhiều xí nghiệp đã cải tạo lại hệ thống lạnh để đồng thời sử dụng cả hai
nguồn nóng và lạnh, tránh lãng phí nguồn nhiệt bị bỏ phí trước đây ở thiết bị
ngưng tụ.

Nói chung, ngồi cơng nghiệp thực phẩm và các ứng dụng đã nêu, bơm nhiệt
có thể ứng dụng cho mọi ngành, mọi nơi có yêu cầu năng lượng nhiệt ở nhiệt độ
thấp như sấy, sưởi, chuẩn bị nước nóng,...
1.3. Nguyên lý làm việc
1.3.1. Định nghĩa bơm nhiệt
Bơm nhiệt là hệ thống thiết bị dùng để vận chuyển lượng nhiệt từ nơi có nhiệt
độ thấp đến nơi có nhiệt độ cao phục vụ cho các nhu cầu sử dụng nguồn năng
lượng nhiệt như: Sưởi ấm khơng khí, đun nước nóng, sấy,... Bơm nhiệt và máy
lạnh cùng có chung nguyên lý làm việc theo chu trình nhiệt động ngược chiều.
Chúng chỉ khác nhau ở mục đích sử dụng nguồn nhiệt. Khi chúng ta sử dụng
nguồn lạnh được sinh ra ở dàn bay hơi thì gọi là máy lạnh, nhưng khi chúng ta sử
dụng nguồn nhiệt nóng được sinh ra ở dàn ngưng tụ thì gọi là bơm nhiệt.
1.3.2. Nguyên lý làm việc
Trong tự nhiên, nước luôn chảy từ cao xuống thấp, nhiệt ln truyền từ nơi có
nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp. Nhưng chúng ta có thể dùng bơm để bơm
nước từ dưới thấp lên cao và dùng bơm nhiệt để di chuyển nhiệt từ một nguồn
nhiệt thấp (khơng khí mơi trường xung quanh) tới nguồn nhiệt cao hơn (bình chứa
nước nóng). Như vậy, nếu nguồn nhiệt có ích là Qk thì gọi là bơm nhiệt, cịn nguồn
nhiệt có ích là Qo thì gọi là máy lạnh.
Chu trình hoạt động của bơm nhiệt được thể hiện ở hình 4.1 dưới đây.

8


Hình 1.4. Biểu diễn chu trình làm việc của bơm nhiệt trên đồ thị
Các q trình chính của bơm nhiệt bao gồm:
1 – 2 : Q trình nén hơi mơi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất
cao và nhiệt độ cao trong máy nén hơi. Quá trình nén là đoạn nhiệt.
2 - 3: Quá trình ngưng tụ là đoạn nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, nhả nhiệt cho
mơi trường.

3 - 4: Q trình tiết lưu.
4 - 1: Quá trình bay hơi đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp thu nhiệt
của môi trường.
Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt như sau: Hơi môi chất lạnh ra ở dàn bay
hơi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp được máy nén hút về và nén lên ở áp suất cao
và nhiệt độ cao rồi đẩy vào dàn ngưng tụ. Tại dàn ngưng tụ, hơi môi chất cấp nhiệt
cho nhu cầu sử dụng nhiệt (nguồn nóng) rồi ngưng tụ thành lỏng áp suất cao, sau
đó được đưa đến thiết bị tiết lưu giảm áp suất rồi đi vào dàn bay hơi. Ở đây, môi
chất sẽ bay hơi và nhận nhiệt của môi trường (nguồn lạnh). Hơi môi chất sau khi ra
khỏi dàn bay hơi tiếp tục được máy nén hút về và nén khép kín vịng tuần hoàn.

9


a. Sơ đồ thiết bị

b. Sơ đồ năng lượng

Hình 1.5. Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt
MN - Máy nén; NT - Thiết bị ngưng tụ;
TL - Thiết bị tiết lưu; BH - Thiết bị bay hơi;
l - Công tiêu tốn cho máy nén;
q0 - Nhiệt lượng nhận từ môi trường;
qk - Nhiệt lượng nhả ra ở dàn ngưng tụ.
Năng suất nhiệt của bơm nhiệt chính là phương trình cân bằng nhiệt của máy
lạnh:
qk = q0 + l
Hệ số nhiệt của bơm nhiệt là:

 


qk
1
l

 

q0  l
  1
l

Nếu sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp thì hiệu quả kinh tế cịn cao hơn
nữa vì chỉ cần tiêu tốn một dòng năng lượng l ta được cả năng suất lạnh q o và năng
suất nhiệt qk như mong muốn. Gọi  là hệ số nhiệt lạnh của bơm nhiệt nóng lạnh
thì ta có cơng thức:

10


 =

q k q 0
+  +  = 2 + 1
l

Cũng như máy lạnh, hiện nay bơm nhiệt nén hơi được sử dụng rộng rãi và có
hiệu quả kinh tế to lớn trong các ngành công, nông, lâm, ngư nghiệp…
Nhưng ngoài bơm nhiệt nén hơi, giống như máy lạnh, người ta chế tạo hầu
như đủ các loại bơm nhiệt làm việc theo các nguyên lý khác nhau như bơm nhiệt
hấp thụ, bơm nhiệt, bơm nhiệt nén khí và bơm nhiệt nhiệt điện.

Nói chung, hiện nay tất cả các loại bơm nhiệt đều được sử dụng. Tuy nhiên,
bơm nhiệt nén hơi được sử dụng rộng rãi nhất. Bơm nhiệt hấp thụ cũng được chú ý
sử dụng vì ngồi qk người ta cịn sử dụng được cả qA từ nguồn nóng.
1.3.3. Phân loại bơm nhiệt
Dựa vào các đặc điểm, hệ thống bơm nhiệt có nhiều cách phân loại khác
nhau.
* Dựa vào nguyên lý làm việc, bơm nhiệt có thể chia ra các loại sau:
- Bơm nhiệt dùng máy nén hơi
- Bơm nhiệt hấp thụ
- Bơm nhiệt kiểu ejector
* Dựa vào chu trình làm việc, bơm nhiệt có thể chia ra các loại sau:
- Bơm nhiệt nén hơi chu trình cacno
- Bơm nhiệt nén hơi chu trình khơ
- Bơm nhiệt nén hơi chu trình Lorenz,...
* Dựa vào nguồn nhiệt, ích nhiệt có thể chia ra các loại sau:
- Bơm nhiệt ATA (air – to – air): Bơm nhiệt có nguồn nhiệt là khơng khí, ích
nhiệt là khơng khí.
- Bơm nhiệt ATW (air – to – water): Bơm nhiệt có nguồn nhiệt là khơng khí,
ích nhiệt là nước
- Bơm nhiệt WTA (water – to – air): Bơm nhiệt có nguồn nhiệt là nước, ích
nhiệt là không khí
- Bơm nhiệt WTW (water – to – water): Bơm nhiệt có nguồn nhiệt và ích
nhiệt đều là nước.
11


1.3.4. Chu trình bơm nhiệt nén hơi
Đây là loại bơm nhiệt quan trong vì đang được ứng dụng rộng rãi trong thực
tế, đặc biệt là được sử dụng trong điều hịa khơng khí với mục đích sưởi ấm, chuẩn
bị nước nóng, sấy nhiệt độ thấp, hút ẩm, thu hồi nhiệt thải... để đáp ứng các nhu

cầu năng lượng ở nhiệt độ thấp.
Bơm nhiệt nén hơi có thể được phân ra nhiều loại khác nhau theo loại môi
chất và dạng truyền động. Về môi chất là loại đơn chất (theo chu trình carnot) và
hỗn hợp khơng đồng sơi (theo chu trình Lorenz). Về truyền động, chủ yếu các bơm
nhiệt đều truyền động bằng điện (EHP – Ellectrically driven Heat Pumps) nhưng
cũng có loại bơm nhiệt khơng sử dụng động cơ điện mà thay vào đó là sử dụng
động cơ gas (GHP – gas engine driven Heat Pumps), động cơ diesel, động cơ xăng,
động cơ dầu, động cơ gió, nước... để truyền động cho máy nén.
* Bơm nhiệt nén hơi chu trình carnot
Bơm nhiệt nén hơi chu trình carnot được thể hiện trên hình 1.6:

Hình 1.6. Bơm nhiệt nén hơi chu trình carnot, sơ đồ thiết bị và chu trình thể hiện
trên đồ thị T-s
Bơm nhiệt gồm bốn thiết bị chính là máy nén, dàn ngưng tụ, máy dãn nở và
dàn bay hơi. Môi chất là loại đơn chất hỗn hợp đồng sơi. Nếu biễu diễn trên đồ thị
T – s thì chu trình là một hình chữ nhật gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và đẳng nhiệt
xen kẽ nhau:
1 – 2 là quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén : s1 = s2
2 – 3 là quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt trong dàn ngưng: T2 = T3
3 – 4 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong máy dãn nở: s3 = s4
12


4 – 1 là quá trình bay hơi đoạn nhiệt trong dàn bay hơi: T4 = T1
Hệ số bơm nhiệt φc được xác định theo biểu thức sau:
φC = Qk/N = qk/l = Tk/(Tk - To)
Trong đó:
Qk là năng suất nhiệt ở bình ngưng, W;
N là cơng tiêu tốn cho chu trình (ở đây bằng cơng tiêu tốn cho máy nén trừ đi
cơng hữu ích thu được ở máy dãn nở N= NMN - NDN), W;

l là công tiêu tốn riêng cho một kg môi chất, J/kg
Tk và To lần lượt là nhiệt độ ngưng tụ và bay hơi, K.
Phương trình cân bằng nhiệt của bơm nhiệt là:
Qk = Qo + N, W
Trong đó: Qo là năng suất lạnh của bơm nhiệt.
Ưu điểm: Chu trình bơm nhiệt ngược chiều được coi là chu trình lý tưởng vì
có hệ số nhiệt là cao nhất so với các chu trình khơ, hồi nhiệt... trừ chu trình Lorenz.
Nhược điểm: Chu trình Carnot có nhiều nhược điểm về vận hành không thể
khắc phục được như:
- Không xác định được rõ ràng trạng thái hơi hút về máy nén (điểm 1), vì nó
nằm trong vùng hơi ẩm. Do trạng thái 1 có thành phần ẩm nên nguy cơ hút phải
lỏng gây va đập thủy lực phá hỏng máy nén là rất lớn.
- Máy dãn nở cồng kềnh, giá thành cao mà cơng hữu ích thu được khơng đáng
kể, do đó chu trình này khơng được sử dụng trong thực tế.
* Bơm nhiệt nén hơi chu trình khơ
Như đã trình bày, chu trình Carnot tuy có hệ số nhiệt là lớn nhất nhưng do có
nhiều nhược điểm về vận hành nên trong thực tế người ta chỉ sử dụng chu trình khơ
và các chu trình khơ có cải tiến như chu trình q nhiệt, q lạnh, hồi nhiệt...
Chu trình khơ giải quyết được hai nhược điểm đó bằng cách cho máy nén hút
hơi bão hịa khơ và thay máy dãn nở bằng van tiết lưu. Bơm nhiệt do đó đơn giản
hơn đỡ cồng kềnh hơn, vận hành máy dễ dàng và an toàn hơn, giá thành thấp hơn.

13


Hình 1.7 giới thiệu bơm nhiệt chu trình khơ, mơi chất là đơn chất, sơ đồ thiết
bị và chu trình biểu diễn trên đồ thị T-s và lgp-h.

a)


b)

Hình 1.7. Bơm nhiệt chu trình khơ, mơi chất là đơn chất
a) Sơ đồ thiết bị; b) Chu trình biểu diễn trên đồ thị T-s;
Các quá trình chủ yếu là:
1-2: quá trình nén hơi đoạn nhiệt (s1 = s2) với trạng thái 1 là hơi bão hịa khơ;
2-3: q trình ngưng tụ hơi môi chất ở áp suất cao và nhiệt độ cao, cung cấp
ích nhiệt cho hộ tiêu thụ;
3-4: q trình tiết lưu đẳng entanpy h3 = h4;
4-1: quá trình bay hơi môi chất lỏng ở nhiệt độ môi trường nguồn nhiệt.
Các đại lượng cơ bản của chu trình khơ là:
- Năng suất nhiệt riêng:

qk = h3 – h2, kJ/kg

- Công nén riêng:

l = h2 – h1, kJ/kg

- Năng suất lạnh riêng:

qo = h1 – h4, kJ/kg

- Hệ số lạnh:

ε = qo/l

- Hệ số nhiệt:

φ = qk/l = (qo + l)/l = ε +l


* Bơm nhiệt nén hơi chu trình Lorenz
Chu trình Lorenz ngược chiều đạt được hệ số bơm nhiệt cao hơn so với chu
trình lý tưởng Carnot từ 10 đến 40% nhờ sử dụng hỗn hợp môi chất lạnh không
14


đồng sôi để trượt nhiệt độ sôi tương ứng với chất tải lạnh và trượt nhiệt độ ngưng
tụ tương ứng với chất tải nhiệt trong thiết bị bay hơi và ngưng tụ.
Nhà bác học Lorenz người Đức đã chỉ ra sự khơng hồn thiện của chu trình
carnot ngược chiều và đưa ra một chu trình mới (được gọi là chu trình Lorenz) phù
hợp hơn nhằm tiết kiệm cơng nén, qua đó tiết kiệm được năng lượng sơ cấp, đồng
thời có hệ số lạnh cao hơn.

Hình 1.8. Chu trình Carnot và Lorenz trên đồ thị T-s
Theo lý thuyết về phương diện nhiệt thì chu trình Carnot là chu trình lý tưởng.
Nhưng căn cứ vào thực tế, chất tải nhiệt ở dàn ngưng tụ (nước, khơng khí,...) và
chất tải lạnh ở dàn bay hơi (nước muối, khơng khí,...) bao giờ cũng có biến thiên
nhiệt độ ở đầu vào và đầu ra. Khi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt, chất tải nhiệt sẽ
nóng lên cịn chất tải lạnh sẽ lạnh xuống.
Do vậy, để tiết kiệm năng lượng, Lorenz đưa ra ý tưởng thay quá trình ngưng
tụ 2 – 3 đẳng nhiệt bằng quá trình ngưng tụ với nhiệt độ giảm dần 2 – 3` để thích
ứng theo đường biến thiên nhiệt độ của chất tải nhiệt và quá trình bay hơi đẳng
nhiệt 4 -1 bằng quá trình bay hơi với nhiệt độ tăng dần 4 – 1` và sử dụng thiết bị
trao đổi nhiệt kiểu ngược chiều. Trên hình 1.8, so với chu trình Carnot 1-2-3-4-1
thì chu trình Lorenz 1`-2-3`-4-1` sẽ tiết kiệm lượng cơng nén là diện tích 2 hình
tam giác được gạch chéo. Vì vậy, có thể tiết kiệm được điện năng tiêu thụ cho máy
nén. Qua đây ta cũng thấy, độ trượt nhiệt độ ΔT K càng lớn thì khả năng tiết kiệm
năng lượng càng cao.
Điều kiện tiên quyết để thực hiện chu trình Lorenz là phải sử dụng hỗn hợp

không đồng sôi (hay môi chất không đồng sôi). Ví dụ R404A, R407C,... khơng thể
sử dụng mơi chất lạnh đơn chất hoặc đồng sơi vì chúng khơng có độ trượt nhiệt độ
15


khi sôi và khi ngưng. Điều kiện thứ hai là thiết bị trao đổi nhiệt của chu trình
Lorenz nhất thiết phải làm việc theo nguyên tắc ngược dòng.
* Bơm nhiệt nén hơi hai cấp
Như đã đề cập, máy lạnh sử dụng nguồn lạnh nên nhiệt độ bay hơi phụ thuộc
vào u cầu cơng nghệ. Thơng thường có thể dùng máy lạnh một cấp, nhưng khi
đòi hỏi nhiệt độ bay hơi thấp hơn người ta phải sử dụng máy lạnh hai cấp, ba cấp
nén, máy lạnh ghép tầng.
Đối với bơm nhiệt thì mục đích sử dụng lại là nguồn nóng và mục tiêu thứ hai
của bơm nhiệt là phải kinh tế, thời gian hoàn vốn của thiết bị phải đủ ngắn. Hệ số
bơm nhiệt được cho là đạt yêu cầu cho mục đích kinh tế là φ ≥ 2,5 (hoặc COP ≥
2,5). Từ u cầu đó có thể tính ra là nhiệt độ ngưng tụ không thể cao hơn nhiệt độ
bay hơi quá 60 K, nghĩa là:
Δt = tk – to ≤ 60 K
Đối với bơm nhiệt gió gió, khi chọn hiệu nhiệt độ tối thiểu trao đổi nhiệt của
dàn nóng và lạnh là 10 K thì nhiệt độ nguồn nóng khơng thể lớn hơn nguồn lạnh 40
K. Ví dụ để đảm bảo hiệu quả năng lượng tối thiểu là 2,5, thơng thường, nếu nhiệt
độ ngồi trời là 5oC thì gió nóng ra khỏi dàn ngưng tụ khơng được vượt q 5 + 40
= 45oC. Nhiệt độ bay hơi trường hợp này sẽ là khoảng – 5 oC và nhiệt độ ngưng tụ
sẽ là khoảng 55oC.
Tuy nhiên khi sử dụng cả phía nóng và phía lạnh thì khi đó khơng cịn phải
tính đến COP phải bằng hoặc lớn hơn 2,5 nữa vì khi sử dụng cả nóng và lạnh, COP
của bơm nhiệt đã gần như tăng gấp đơi vì nó đã là tổng của cả hệ số nhiệt và hệ số
lạnh của chu trình:
COP = φ + ε = 1 + 2 ε
Như vậy, có thể dùng bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh hai cấp nén, trong khi chỉ

nên dùng bơm nhiệt thường một cấp nén. Ví dụ, một xí nghiệp chế biến thịt có một
hệ thống lạnh hai cấp NH3 để bảo quản thịt đã chế biến. Thông thường nước làm
mát ra ở bình khoảng 37oC được đưa vào làm mát ở tháp giải nhiệt xuống 32 oC rồi
đưa trở lại làm mát bình ngưng. Nay người ta cải tiến để nước ra ở bình ngưng lên
đến 43oC và đưa đi sử dụng làm nước tẩy rửa và sinh hoạt, qua đó tiết kiệm được
một nồi hơi đốt than để đun nước nóng và chi phí than cũng như vận hành nồi hơi
phức tạp và tốn kém.
16


1.3.5. Bơm nhiệt kiểu hấp thụ
Bơm nhiệt hấp thụ cũng là một dạng quan trọng sau bơm nhiệt nén hơi. Bơm
nhiệt hấp thụ thường được chế tạo thành tổ hợp nguyên cụm với năng suất trung
bình, lớn và rất lớn, năng suất nhiệt có khi đạt tới 1 ÷ 5 MW, sử dụng trong các nhà
máy điện, xi măng, chế biến thực phẩm, công nghiệp nhẹ, các sân vận động hoặc
các trung tâm thể thao lớn... giúp thu hồi nhiệt thải, tiết kiệm năng lượng.
* Bơm nhiệt hấp thụ
Bơm nhiệt hấp thụ có nguyên lý cấu tạo gần giống như bơm nhiệt nén hơi.
Khác biệt cơ bản là máy nén cơ được thay thế bằng một hệ thống thiết bị gọi là
máy nén nhiệt. Máy nén nhiệt bao gồm một bình giải hấp (cịn gọi bình sinh hơi),
một bình hấp thụ, một bơm dung dịch và một van tiết lưu dung dịch. Hình 1.9 giới
thiệu nguyên lý cấu tạo và làm việc của bơm nhiệt hấp thụ.

Hình 1.9. Nguyên lý cấu tạo và làm việc của bơm nhiệt hấp thụ
Các quá trình 2-3, 3-4 và 4-1 là tương tự như ở bơm nhiệt nén hơi. Riêng quá
trình nén 1-2 là khác nhau. Ở bơm nhiệt nén hơi, hơi được nén nhờ một máy nén
cơ. Ở bơm nhiệt hấp thụ, quá trình nén được thực hiện nhờ quá trình hấp thụ ở áp
suất thấp và nhiệt độ thấp, sau đó là q trình sinh hơi (cịn gọi là giải hấp) ở áp
suất cao và nhiệt độ cao.
Hai quá trình hấp thụ và giải hấp được thực hiện nhờ một vòng tuần hồn

dung dịch trong một hệ thống thiết bị gồm bình hấp thụ, bơm dung dịch, bình giải
17


hấp và van tiết lưu dung dịch. Chính vì vậy, hệ thống thiết bị này được gọi là máy
nén nhiệt.
Ví dụ với cặp mơi chất amoniac/nước thì q trình “nén hơi” như sau: Hơi
amoniac sinh ra ở dàn bay hơi được bình hấp thụ “hút” và cho tiếp xúc với dung
dịch nghèo (cịn gọi là dung dịch lỗng) vừa được tiết lưu từ bình giải hấp xuống.
Dung dịch nghèo hấp thụ đủ hơi amoniac sẽ trở thành dung dịch giàu (còn gọi là
dung dịch đậm đặc) và được bơm bơm lên bình giải hấp. Do tác động của nhiệt độ
cao (khoảng 130oC) ở bình giải hấp dung dịch giàu “xả” amoniac và hơi amoniac
có nhiệt độ cao và áp suất cao đi vào dàn ngưng tụ. Chất hấp thụ (nước) có nhiệm
vụ “cõng” amoniac từ dàn bay hơi đến dàn ngưng còn bơm dung dịch làm nhiệm
vụ “nén” từ áp suất thấp po lên áp suất cao pk.
Như vậy, trong bơm nhiệt hấp thụ có hai vịng tuần hồn rõ rệt là vịng tuần
hồn mơi chất lạnh và vịng tuần hồn của chất hấp thụ (hay của dung dịch):
a) Vịng tuần hồn mơi chất lạnh: dàn bay hơi – bình hấp thụ - bơm dung dịch
– bình giải hấp – dàn ngưng – van tiết lưu – dàn bay hơi.
b) Vịng tuần hồn dung dịch: bình hấp thụ - bơm dung dịch – bình giải hấp –
van tiết lưu dung dịch – bình hấp thụ.
Phương trình cân bằng nhiệt của bơm nhiệt hấp thụ là:
qo + qH + lB = qk + qA, kJ/kg
Trong đó:
qo – Năng suất lạnh riêng, kJ/kg môi chất lạnh;
qH – Năng suất nhiệt riêng giải hấp, kJ/kg;
qk – Năng suất nhiệt riêng ngưng tụ, kJ/kg;
qA – Năng suất nhiệt riêng hấp thụ, kJ/kg;
lB – Công riêng tiêu tốn cho bơm, kJ/kg.
Giống như bơm nhiệt nén hơi, tất cả các đại lượng q đều tính quy ước cho 1

kg mơi chất lạnh tuần hồn trong chu trình. Nhiệt hữu ích của bơm nhiệt hấp thụ
lấy từ dàn ngưng qk và bình hấp thụ qA. Năng lượng tiêu tốn cho chu trình là nhiệt
cấp cho bình sinh hơi qH và điện cho bơm qB. Hệ số nhiệt của bơm nhiệt hấp thụ
được tính theo biểu thức:
18