Khái niệm cơ bản về cơ chế bơm nhiệt (Heat pump)

Khái niệm cơ bản về bơm nhiệt. Trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu cách thức hoạt động của bơm nhiệt. Có một số biến thể của máy bơm nhiệt, nhưng trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một máy bơm nhiệt nguồn không khí điển hình. Chúng sử dụng van đảo chiều để cho phép cả hai chế độ sưởi và làm mát.

Cuộn xuống phía dưới để xem video hướng dẫn YouTube về Thông tin cơ bản về Máy bơm nhiệt

Các bộ phận chính bạn sẽ tìm thấy trên bất kỳ hệ thống nào là dàn lạnh, dàn nóng và một số đường ống nối cả hai.

Dàn lạnh có thể được lắp vào hệ thống ống dẫn, điều này rất phổ biến ở Bắc Mỹ. Dù bằng cách nào, về cơ bản chúng đều hoạt động giống nhau.

Tháo các nắp chúng ta sẽ tìm thấy các thành phần sau. Bên trong dàn lạnh, chúng ta tìm thấy bộ trao đổi nhiệt, sau đó chúng ta có van giãn nở và van một chiều cũng như một chiếc quạt nhỏ để lưu thông không khí trong phòng.

Bên trong dàn nóng chúng ta có máy nén. Đây là động lực của chất làm lạnh xung quanh hệ thống. Chúng ta sẽ lại tìm thấy bộ trao đổi nhiệt trong bộ phận này cùng với quạt, van đảo chiều, van một chiều và van tiết lưu.

Chế độ làm mát

Vì vậy, ở chế độ làm mát, bơm nhiệt hoạt động giống như một bộ điều hòa không khí thông thường. Dàn nóng hoạt động như một thiết bị ngưng tụ và dàn lạnh hoạt động như một thiết bị bay hơi.

Chất làm lạnh rời khỏi máy nén dưới dạng hơi quá nhiệt có áp suất cao, nhiệt độ cao. Nó đi thẳng vào đầu van đảo chiều. Van đảo chiều sẽ quyết định nó có thể chảy theo hướng nào. Trong trường hợp này, nó được chuyển hướng và gửi trực tiếp đến bộ trao đổi nhiệt ngoài trời, nơi chất làm lạnh sẽ được ngưng tụ và nó sẽ giải phóng một phần năng lượng.

Không khí ngoài trời mát hơn nhiệt độ của chất làm lạnh bên trong các ống. Một chiếc quạt bên trong dàn nóng thổi không khí này qua bộ trao đổi nhiệt, điều này sẽ loại bỏ năng lượng từ chất làm lạnh, khiến nó ngưng tụ. Hãy nhớ rằng chất làm lạnh luôn ở trong ống, nó không bao giờ trộn lẫn với không khí. Năng lượng nhiệt chỉ truyền qua thành ống vì có sự chênh lệch nhiệt độ và nóng luôn chuyển sang lạnh.

Nhiệt độ của chất làm lạnh khi rời khỏi máy nén cao hơn nhiều so với nhiệt độ của không khí bên ngoài. Đó là cho phép trao đổi nhiệt xảy ra. Nếu chất làm lạnh và không khí có cùng nhiệt độ thì sự truyền nhiệt sẽ không xảy ra và hệ thống điều hòa không khí sẽ không hoạt động. Chênh lệch nhiệt độ giữa chất làm lạnh và không khí bên ngoài càng lớn thì khả năng trao đổi nhiệt càng lớn.

Vì vậy, chất làm lạnh đó khi đi vào và đi xung quanh bộ trao đổi nhiệt ngoài trời sẽ ngưng tụ và trở thành chất lỏng. Vào thời điểm nó rời đi và đi qua van một chiều, nó sẽ ở nhiệt độ trung bình, chất lỏng bão hòa nhưng vẫn có áp suất cao. Lực của tất cả chất làm lạnh đằng sau nó thoát ra khỏi máy nén này là lực đẩy chất làm lạnh đi khắp các bộ phận khác trong hệ thống này.

Trong cấu hình này, dàn nóng hoạt động như một bình ngưng có nhiệm vụ loại bỏ nhiệt từ hệ thống. Tất cả nhiệt lượng không mong muốn mà hệ thống thu được từ dàn lạnh sẽ được gửi đến máy nén và sẽ đẩy nó vào bình ngưng, nơi nó sẽ thải nhiệt không mong muốn ra không khí ngoài trời. Quạt chỉ ở đó để giúp tăng tốc độ trao đổi nhiệt.

Khi chất làm lạnh ở trạng thái lỏng hiện đang bị đẩy vào dàn lạnh, nó sẽ đến một van một chiều khác. Van kiểm tra này bị đảo ngược và sẽ không cho chất làm lạnh đi qua. Thay vào đó, nó sẽ bỏ qua điều này và đi qua van tiết lưu. Van giãn nở mở rộng chất làm lạnh.

Tìm hiểu cách hoạt động của van mở rộng tại đây

Khi môi chất lạnh rời khỏi van giãn nở sẽ là hỗn hợp hơi lỏng, nhiệt độ thấp, áp suất thấp. Điều này sẽ được đẩy xung quanh bộ trao đổi nhiệt trong nhà và sẽ bắt đầu thu một phần năng lượng nhiệt không mong muốn từ căn phòng. Một chiếc quạt bên trong dàn lạnh sẽ lưu thông không khí quanh phòng để tạo ra không khí ấm vào dàn lạnh cũng như đẩy không khí mát ra khắp phòng.

Ở đây dàn lạnh hoạt động như một thiết bị bay hơi. Chất làm lạnh đi vào dàn lạnh dưới dạng hỗn hợp hơi lỏng, nhưng chất làm lạnh có nhiệt độ sôi rất thấp. Nhiệt độ không khí trong phòng đủ để đun sôi chất làm lạnh này và biến nó thành hơi bão hòa – hơi quá nhiệt. Chất đó vẫn đang bị đẩy ra ngoài bởi tất cả chất làm lạnh được bơm phía sau nó từ máy nén.

B thời điểm nó rời khỏi dàn lạnh, chất làm lạnh sẽ rời đi dưới dạng hơi bão hòa, nhiệt độ thấp, áp suất thấp. Nó sẽ quay thẳng trở lại van đảo chiều, hiện được thiết lập để chuyển chất làm lạnh trở lại máy nén. Chất làm lạnh đó sau đó sẽ đi qua máy nén và lặp lại toàn bộ chu trình.

Chế độ làm nóng

Nếu bây giờ chúng ta xem xét cách bơm nhiệt hoạt động ở chế độ sưởi ấm, bạn có thể thấy dàn nóng hoạt động như thiết bị bay hơi và dàn lạnh hoạt động như thiết bị ngưng tụ.

Vì vậy, chất làm lạnh rời khỏi máy nén, một lần nữa, dưới dạng hơi áp suất cao, nhiệt độ cao, siêu nóng và dẫn thẳng đến van đảo chiều. Trong cài đặt này, van đảo chiều sẽ chuyển chất làm lạnh về phía dàn lạnh thay vì dàn nóng.

Chất làm lạnh đi vào dàn lạnh, bây giờ là thiết bị ngưng tụ, và nó đi vào đây dưới dạng hơi áp suất cao, nhiệt độ cao, siêu nóng.

Quạt trong phòng đang lưu thông không khí trong phòng qua bộ trao đổi nhiệt. Không khí này sẽ có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của chất làm lạnh trong các ống trao đổi nhiệt. Do đó, chất làm lạnh sẽ nhường một phần năng lượng cho không khí. Điều này làm ngưng tụ chất làm lạnh và biến nó thành chất lỏng.

Chất làm lạnh rời khỏi dàn lạnh và đi về phía van một chiều và van tiết lưu. Trong trường hợp này, nó sẽ đi qua van kiểm tra vì van giãn nở sẽ không cho nó đi qua theo cách đó.

Chất làm lạnh chảy dọc theo đường chất lỏng thẳng xuống dàn nóng. Van một chiều bên trong dàn nóng sẽ không cho phép nó đi qua theo hướng này, do đó, nó sẽ đi qua van tiết lưu.

Van giãn nở làm giãn nở chất làm lạnh và khi chất làm lạnh đi qua van giãn nở, nó sẽ thoát ra dưới dạng hỗn hợp hơi lỏng, nhiệt độ thấp, áp suất thấp.

Bây giờ quạt bên trong dàn nóng đang thổi không khí qua bộ trao đổi nhiệt có nhiệt độ cao hơn điểm sôi của chất làm lạnh. Do đó, chất làm lạnh sôi lên và nhận một phần nhiệt từ không khí này.

Điều đó sẽ biến chất làm lạnh đó thành hơi áp suất thấp, nhiệt độ thấp, bão hòa/hơi quá nhiệt. Sau đó, nó sẽ hướng thẳng về phía máy nén, nơi nó sẽ đi qua máy nén và lặp lại toàn bộ chu trình một lần nữa.

Vì vậy, chất làm lạnh đang lấy năng lượng nhiệt đó từ tất cả không khí bên ngoài và đưa nó vào máy nén. Máy nén nén nó, ép nó lại với nhau, điều này làm tăng nhiệt độ khi các hạt chất làm lạnh va chạm nhiều hơn và đẩy nó ra phía dàn lạnh.

Bây giờ, rất nhiều người nói, “Ồ, vào mùa đông thì sao? Không khí lạnh. Không có năng lượng trong đó. Vậy làm thế nào để bạn lấy năng lượng từ không khí?” Thực ra, không khí đó vẫn còn rất nhiều năng lượng, và chắc chắn đủ để được chiết xuất bằng máy bơm nhiệt. Miễn là không khí ở trên -273 độ C thì trong không khí đó còn có năng lượng, có thể khai thác được. Rõ ràng là chúng ta sẽ không giảm nhiệt độ xuống mức đó ở vùng khí hậu của chúng ta. Tuy nhiên, nhiệt độ càng thấp thì càng khó lấy năng lượng và đến một lúc nào đó hệ thống sẽ sử dụng nhiều năng lượng hơn mức nó lấy ra.

Lý do bạn có thể trích năng lượng nhiệt từ không khí tùy thuộc vào nhiệt độ là do nhiệt độ sôi của chất làm lạnh rất thấp.

Nếu chúng ta so sánh nước và một số chất làm lạnh thông thường. Chúng ta biết rằng nước sôi ở khoảng 100°C (212°F) và ở nhiệt độ đó nó trở thành hơi nước, hơi nước thoát ra khỏi nước và mang nhiệt đi. Mặt khác, chất làm lạnh sẽ sôi ở nhiệt độ cực thấp. Vì vậy, miễn là nhiệt độ không khí cao hơn nhiệt độ điểm sôi này, nó có thể thu nhiệt.

Nguồn: theengineeringmindset