Hcmute nghiên cứu thiết kế ,chế tạo bộ thu không khí năng lượng mặt trời cánh sóng dọc biên trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ THU KHƠNG KHÍ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÁNH SÓNG DỌC BÊN TRONG MÃ SỐ: T2019 - 26TĐ SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2020 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ THU KHƠNG KHÍ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÁNH SĨNG DỌC BÊN TRONG Mã số: T2019 - 26TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Minh Nhựt TP HCM, Tháng 04, năm 2020 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ: KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ THU KHƠNG KHÍ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÁNH SĨNG DỌC BÊN TRONG Mã số: T2019 – 26TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Lê Minh Nhựt Thành viên đề tài: ThS Huỳnh Thị Thu Hiền ThS Nguyễn Xuân Lâm TP HCM, Tháng 04, năm 2020 Luan van DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI STT Họ tên Học hàm/học vị Đơn vị 01 Lê Minh Nhựt TS Khoa Cơ Khí Động Lực ĐHSP Kỹ Thuật Tp.HCM 02 Huỳnh Thị Thu Hiền ThS Khoa Điện-Điện Tử ĐHSP Kỹ Thuật Tp.HCM 03 Nguyễn Xuân Lâm ThS Luan van Trường Cao Đẳng Nghề Hịa Bình Xn Lộc MỤC LỤC Trang Mục lục Danh sách hình Danh sách bảng Danh mục viết tắt Thông tin kết nghiên cứu Information on research results 10 PHẦN 1: GIỚI THIỆU 12 1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 16 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 16 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 19 1.2 Tính cấp thiết đề tài 21 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 21 1.3.1 Mục tiêu cụ thể đạt 21 1.3.2 Mục tiêu tổng quát 22 1.4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu 22 1.4.1 Cách tiếp cận 22 1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 22 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 23 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 23 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 23 1.6 Nội dung nghiên cứu 23 PHẦN 2: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 24 2.1 Cơ sở lý thuyết hệ thống thí nghiệm 24 2.1.1 Nguyên lý cấu tạo làm việc thu khơng khí lượng mặt trời 24 2.1.2 Lý thuyết tính tốn thu khơng khí phẳng 25 2.1.3 Thiết kế hệ thống thí nghiệm 27 Luan van 2.1.3.1 Mơ tả hệ thống thí nghiệm 27 2.1.3.2 Thiết bị đo dung cho thí nghiệm 31 2.1.3.3 Phương pháp thí nghiệm 33 2.2 Kết tính tốn thảo luận 34 PHẦN 3: KẾT LUẬN 41 3.1 Kết luận 41 3.2 Kiến nghị 41 Tài liệu tham khảo Luan van DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Mơ hình lị sấy gỗ CAXE-2015[2] Hình 1.2: Hệ thống sấy dùng lượng mặt trời[3] Hình 1.3: Nhà sấy nông sản lượng mặt trời cơng ty Cơ Khí Viễn Đơng Hình 1.4: Nhà phơi sấy lượng mặt trời[4] Hình 1.5: Hệ thống máy sấy mực lượng mặt trời[5] Hình 1.6: Bộ thu khơng khí lượng mặt trời có cánh bên trong[11] Hình 1.7: Bộ thu kiểu chắn ngang [12] Hình 1.8: Bộ thu kiểu hấp thụ gấp nếp [14] Hình 1.9: Bộ thu kiểu khối cầu[16] Hình 1.10: Các phoi xoắn đặt hấp thụ [17] Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động thu khơng khí Hình 2.2: Mạng lưới nhiệt trở thu phẳng Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý thu khơng khí lượng mặt trời với cánh sóng dọc bên Hình 2.4: Mặt cắt ngang thu khơng khí lượng mặt trời với cánh sóng dọc bên Hình 2.5: Thơng số kích thước lượn sóng Hình 2.6: Gia cơng cánh sóng dọc Hình 2.7: vật liệu cách nhiệt Hình 2.8: thu khơng khí sau chế tạo lắp đặt Hình 2.9: Máy đo xạ Tenmars TM-750 Hình 2.10: Máy đo tốc độ gió Hình 2.11: Máy đo nhiệt độ Hình 2.12: Quạt hướng trục lắp đầu vào thu Luan van Hình 2.13: mơ ảnh hưởng kích thước hình học sóng cánh đến phân bố dịng khơng khí Hình 2.14: Phân bố nhiệt độ dịng khơng khí có cánh sóng dọc bên Hình 2.15: ảnh hưởng cưởng độ xạ lượng mặt trời đến nhiệt độ đầu thu Hình 2.16: Phân bố nhiệt độ khơng khí kênh Hình 2.17: quan hệ tỉ lệ cung cánh bước cánh đến hiệu suất thu Hình 2.18: Ảnh hưởng chiều cao cánh đến hiệu suất thu hồi nhiệt thu cánh sóng dọc Hình 2.19: Ảnh hưởng số lượng cánh lưu lượng đến hiệu suất thu hồi nhiệt thu cánh sóng dọc Luan van DANH SÁCH CÁC BẢNG Luan van DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BTKK: Bộ thu khơng khí NLHI: Năng lượng hữu ích Luan van Máy đo vận tốc gió: Máy đo vận tốc gió HT-81 Cơng dụng: đo nhiệt độ khơng khí trung bình, đo tốc độ gió, mơ phản ứng gió Thơng Số Kỹ Thuật: -Dải đo gió: 196 - 4900 ft/min, 1.00 - 25.00 m/s, 3.6 - 90.0 km/h -Độ xác: ± (3% 40 ft/min), ± (3% 0,20 m/s), ± (3% 0,8 km/h) -Xuất xứ: Taiwan Total Meter -Phương pháp đo: Đặt máy đo trước đầu thổi quạt, chong chóng máy đo hướng phía quạt thổi, song song với hướng gió Hình 2.10 Máy đo tốc độ gió Thiết bị đo nhiệt độ: Máy đo nhiệt độ AmPe kìm VC3267 Cơng dụng: Đo dịng, trở, nhiệt độ, tần số, điện dung, đo nhiệt độ với dây K nhiệt tích hợp kèm -Xuất xứ: China -Kích thước: 183mm x 66mm x 35mm -Phương pháp đo: Sử dụng que đo cắm vào chân đo Ampe kìm theo cực (-) cực (+) Đặt đầu dò que đo vào vị trí cần đo đến số hiển thị hình ổn định Đối với đo nhiệt độ kính dùng thêm keo tản nhiệt để độ tiếp xúc tốt 32 Luan van Hình 2.11 Máy đo nhiệt độ Quạt hướng trục: Kích thước: 80mmx80mm, cơng suất 22W, lưu lượng khơng khí 161.41 m3/h Điều chỉnh vận tốc, lưu lượng Dimmer dimer 220V-1000W Hình 2.12 Quạt hướng trục lắp đầu vào thu 2.1.3.3 Phương pháp thí nghiệm Trong nghiên cứu này, thời gian thí nghiệm thực từ 7h00 đến 17h00 Lưu lượng khơng khí qua thu cánh sóng dọc bên điều chỉnh nằm phạm vi 0.01kg/s đến 0.04kg/s Trong thí nghiệm này, xạ lượng mặt trời chiếu đến thu xác định máy đo xạ TM-750 sai số ±5% Lưu lượng không khí qua 33 Luan van thu thay đổi nhờ điều chỉnh 220V-1000W quạt hướng trục có thơng số cơng suất 22W, lưu lượng khơng khí 161.41 m3/h, tốc độ lưu lượng khơng khí qua thu xác định máy đo vận tốc gió HT-81 sai số ± (3% - 0,20 m/s), nhiệt độ không khí đầu vào đầu ra, nhiệt độ kênh dẫn khơng khí, nhiệt độ hấp thụ nhiệt độ môi trường xung quanh xác định AmPe kìm VC3267 sai số ±1.0% Thơng số đo ghi nhận khoảng thời gian phút/lần, ghi lại lưu phần mềm Excel để phục vụ cho tính tốn phân tích 34 Luan van 2.2 KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN Trong nghiên cứu này, tính chất nhiệt động thu sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics để đánh giá so sánh kết lý thuyết thực nghiệm Hình 2.13 Mơ ảnh hưởng kích thước hình học sóng cánh đến phân bố dịng khơng khí Hình 2.13 thể kết mơ ảnh hưởng kích thước sóng đến phân bố dịng khơng khí bên thu phẳng lượng mặt trời Các dạng dòng chảy thu ảnh hưởng đến phân bố nhiệt độ đáng kể Khi tăng kích thước chiều dài cung cánh dịng khí hình thành xốy khí thể hình 2.13 Hình 2.14 Phân bố nhiệt độ dịng khơng khí có cánh sóng dọc bên 35 Luan van Hình 2.14 thể phân bố nhiệt độ dịng khí thu phẳng có cánh sóng dọc bên Kết mơ cho thấy dịng khí đầu vào thu có nhiệt độ thấp, lên phía nhiệt độ dịng khí tăng dần dịng khí tiếp tục nhận nhiệt từ thu từ cánh sóng dọc Hình 2.15 Ảnh hưởng cưởng độ xạ lượng mặt trời đến nhiệt độ đầu thu Hình 2.15 trình bày mối quan hệ cường độ xạ nhiệt độ đầu thu Kết thực nghiệm mô Kết thực nghiệm mô cho thấy nhiệt độ dịng khơng khí tăng dần từ khoảng 40 oC vào lúc bắt đầu thí nghiệm đến nhiệt độ cao 80 oC lúc 12h30 sau giảm dần vào buổi chiều Điều buổi sáng cường độ xạ mặt trời tăng dần dẫn đến tăng nhiệt độ hấp thụ buổi chiều nhiệt độ hấp thụ giảm dần cường độ xạ giảm Sự sai số giưa thực nghiệm mô dao động khoảng oC ÷2 oC 36 Luan van Hình 2.16 Phân bố nhiệt độ khơng khí kênh Hình 2.16 thể phân bố khơng khí qua kênh Bộ thu khơng khí lượng mặt trời cánh sóng dọc bố trí cánh sóng dọc chia thành kênh dẫn khơng khí Khơng khí qua gom khơng khí trước vào kênh dẫn để phân bố lưu lượng khơng khí di chuyển kênh nhằm mục đích tận dụng tối đa bề mặt trao đổi nhiệt với hấp thụ để nâng cao hiệu thu hồi nhiệt thu Kết thực nghiệm thể hình 2.16 nhiệt độ khơng khí kênh dẫn tương đối đồng nhiệt độ tăng dần từ đầu đến kênh đến cuối kênh trước khơng khí khỏi thu Điều chứng tỏ khơng khí vào gom phân phối khơng khí kênh, dẫn đến nhiệt độ đồng từ kênh dẫn kênh dẫn 37 Luan van Hình 2.17 Quan hệ tỉ lệ cung cánh bước cánh đến hiệu suất thu Hình 2.17 thể mối quan hệ tỉ lệ cung cánh bước cánh đến hiệu suất thu Từ đồ thị cho thấy tỉ lệ cung cánh bước sóng cánh tăng dần từ đến 1.182 hiệu suất cũn tăng dần đạt giá trị lớn 67% tỉ lệ 1.182, tỉ lệ cung cánh bước sóng tiếp tục tăng hiệu suất giảm Điều tỉ lệ cung cánh bước sóng lớn 1.182 thời gian lưu lại cung lớn, tổn thất áp suất lớn hiệu trao đổi nhiệt giảm Với trường hợp kích thước bước sóng cánh λ = 178mm, chiều dài cung cánh L = 210.40 mm, bán kính cánh R = 50mm tương ứng hiệu suất thu khơng khí lượng mặt trời cánh sóng dọc bên đạt giá trị lớn so với trường hợp lại 38 Luan van 80 70 Hiệu suất % 60 50 40 30 20 Hiệu suất % 10 10 20 30 40 50 60 70 chiều cao cánh mm Hình 2.18 Ảnh hưởng chiều cao cánh đến hiệu suất thu hồi nhiệt thu cánh sóng dọc Hình 2.18 thể mối quan hệ chiều cao cánh đến hiệu suất thu hồi nhiệt thu cánh sóng dọc Từ kết thực nghiệm hình 2.18 cho ta thấy chiều cao cánh sóng dọc tăng lên từ 10mm đến 50mm hiệu suất thu tăng dần từ 40% đến gần 70% sau giảm dần chiều cao cánh tiếp tục tăng lớn 50mm Điều giải thích chiều cao cánh sóng dọc với độ dày khe khơng khí dẫn đến lớp khơng khí phía kênh dẫn tiếp xúc với mặt kính bên với cường độ hơn, ngun nhân dẫn tổn thất nhiệt đối lưu khơng khí kính mơi trường bên ngồi Nhưng chiều cao cánh sóng dọc q thấp cánh khơng đủ kích thước để chia dịng khơng khí di chuyển thu khả tạo chảy rối khơng khí dẫn đến trao đổi nhiệt đối lưu hiệu khơng khí thu 39 Luan van 70 65 Hiệu suất(%) 60 55 50 0.027(kg/s) 0.025(kg/s) 0.02(kg/s) 0.015(kg/s) 0.01(kg/s) 45 40 35 Số lượng cánh bố trí thu 10 Hình 2.19 Ảnh hưởng số lượng cánh lưu lượng khơng khí đến hiệu suất thu hồi nhiệt thu cánh sóng dọc Hình 2.19 thể ảnh hưởng số lượng cánh lưu lượng đến hiệu suất thu hồi nhiệt thu cánh sóng dọc Kết thực nghiệm cho thấy hiệu suất thu cao khoảng 67% tương ứng với lưu lượng khơng khí qua thu 0.025 (kg/s) số cánh sóng dọc bên thu cánh Khi lưu lượng khơng khí qua thu nhỏ 0.025 (kg/s) nhiệt độ khơng khí tăng nhanh dẫn đến hiệu trao đổi nhiệt thấp Tuy nhiên lưu lượng khơng khí lớn 0.025 (kg/s) dẫn đến tổn thất dòng chảy rối cung cánh Trường hợp số lượng cánh bố trí thu số lượng kênh dẫn khơng khí giảm dẫn đến khả phân phối khơng khí khơng thu, khả tạo rối thấp khơng tận dụng tối đa diện tích trao đổi nhiệt khơng khí bề mặt hấp thụ Vì trao đổi nhiệt đối lưu khơng khí cánh sóng hấp thụ giảm, nguyên nhân dẫn đến tổn thất xạ Ngược lại bố trí nhiều cánh thu cản trở hấp thụ lượng xạ mặt trời dẫn đến hiệu suất thu thấp 40 Luan van PHẦN 3: KẾT LUẬN 3.1 Kết luận Đã thiết kết chế tạo thành công thu khơng khí lượng mặt trời cánh sóng dọc bên để ứng trọng lĩnh vực sấy nông sản, thực phẩm lĩnh vực liên quan khác đời sống công nghiệp Dựa vào kết nghiên cứu thực nghiệm tiến hành cho thu không khí lượng mặt trời cánh sóng dọc bên trong, kết nghiên cứu cho thấy rằng:  Nhiệt độ đầu khơng khí qua thu dao động khoảng 40 oC đến 80 oC tùy thuộc điều kiện thời tiết xạ lượng mặt trời  Nhiệt độ khơng khí kênh dẫn tương đối đồng  Tỷ lệ quan hệ tỉ lệ cung cánh bước cánh đến hiệu suất thu xác định 1.182, tương ứng với trường hợp kích thước bước sóng cánh λ = 178mm, chiều dài cung cánh L = 210.40 mm, bán kính cánh R = 50mm tương ứng hiệu suất thu khơng khí lượng mặt trời cánh sóng dọc bên đạt giá trị lớn so với trường hợp lại  Chiều cao cánh sóng dọc xác định 50mm  Lưu lượng khơng khí qua thu cho hiệu suất cao 0.025 (kg/s) số cánh sóng dọc cánh 3.2 Kiến nghị * Dựa kết nghiên cứu thu khơng khí lượng mặt trời có cánh sóng dọc bên trong, nhóm tác giả đề xuất cần áp dụng thu vào lĩnh vực sấy nông sản thực phẩm để giảm lượng tiêu thụ cho q trình sấy tăng tính cạnh tranh cho nơng sản * Tiếp tục nghiên cứu hình dáng kích thước để tin gọn sản phẩm 41 Luan van * Tiếp tục nghiên cứu đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật để triển khai sản phẩm thương mại thị trường * Triển khai ứng dụng vào công tác đào tạo sinh viên ngành Công Nghệ Nhiệt 42 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]https://bnews.vn/nong-nghiep-viet-nam-va-muc-tieu-xuat-khau-tren-43-ty usd/145728.html [2]http://baobinhduong.vn/chuyen-nang-luong-mat-troi-thanh-nang-luong-san-xuata119787.html [3] https://visong.vn/may-say-nang-luong-mat-troi/ [4] https://baoangiang.com.vn/hieu-qua-nha-phoi-say-nang-luong-mat-troi-bao-quan- nong-san-thuc-pham-va-thuy-san-a247925.html [5] https://nongnghiep.vn/may-say-muc-bang-nang-luong-mat-troi-d252028.html [6] C.H Liang, X.S Zhang, X.W Li, X Zhu, “Study on the performance of a solar assisted air source heat pump system for building heating”, Energy and Buildings, 43, 2011, pp 2188–2196 [7] A A bedi, “Utilization of solar air collectors for heating of Isfahan buildings in Iran”, Energy Procedia, 14, 2012, pp.1509–1514 [8] M.A Karim, M.N.A Hawlader, “Development of solar air collector for drying applications”, Energy Conversion$Management, 45, 2004, pp 329–344 [9] M.F EI-khawajah, L.B.Y Aldabbagh, F.E gelioglu, “The effect of using transverse fins on a double pass flow solar air heater using wire mesh as an absorber”, Solar Energy, 85 (201), pp 1479–1487 [10] A.M EI-Sawi, A.S Wifi, M.Y Younan, E.A Elsayed, B.B Basily, “Application of folded sheet metal in flat bed solar air collectors”, Applied Thermal Engineering,30 2010, pp.864–871 [11] D.G Peng, X.S Zhang, H Dong, K Lv, “Performance study of a novel solar air collector”, Applied Thermal Engineering, 30, 2010, pp 2594–2601 [12] Jianjun Hu, Xishan Sun, Jinliang Xu, “Numerical analysis of mechanical ventilation 43 Luan van solar air collector with internal baffles”, Solar Energy, 62, 2013, pp 230-238 [13] S.V Karmare, A.N Tikekar, Analysis of fluid flow and heat transfer in a rib grit roughened surface solar air heater using CFD, Solar Energy 84, 2010, pp.409–417 [14] Wenfeng Gao, Wenxian Lin, Tao Liu, Chaofeng Xi Analytical and experimental studies on the thermal performance of cross-corrugated and flat-plate solar air heaters Applied Energy 84, 2007, pp 425–441 [15] A.A Razak, Z.A.A Majid, W.H Azmi, M.H Ruslan, Sh Choobchian, G Najafi, Review onmatrix thermal absorber designs for solar air collector Renewable and Sustainable EnergyReviews, 64, 2016, pp.682–693 [16] M.S Manjunath, K Vasudeva Karanth, N Yagnesh Sharma Numerical Analysis of the Influence of Spherical Turbulence Generators on Heat Transfer Enhancement of Flat Plate Solar Air Heater Energy, 2016, pp.256-282 [17] Nguyễn Minh Phú, Hoàng Thị Nam Hương Nguyễn Thị Minh Trinh Đánh giá hiệu nhiệt-thủy lực gia nhiệt khơng khí lượng mặt trời có độ nhám nhân tạo phoi kim loại Báo cáo tổng kết đề tài KH&CN, C2018-20-02,2019, ĐHQG Tp.HCM [18] Nguyễn Thế Bảo Giáo trình lượng tái tạo phát triển bền vững NXB ĐHQG Tp.HCM, 2017 [19] Duffie, J.A.; Beckman, W.A Solar Engineering of Thermal Processes, 3rd ed.; Wiley: Hoboken, NJ, USA, 2006 [20] Nhut, L.M.; Park,Y.C A study on automatic optimal operation of a pump for solar domestic hot water system Sol Energy 2013, 98, 448–457 44 Luan van 45 Luan van Luan van ... cao cánh sóng dọc xác định 50mm  Lưu lượng khơng khí qua thu cho hiệu suất cao 0.025 (kg/s) số cánh sóng dọc cánh 3.2 Kiến nghị * Dựa kết nghiên cứu thu khơng khí lượng mặt trời có cánh sóng dọc. .. 2.3 Sơ đồ nguyên lý thu khơng khí lượng mặt trời với cánh sóng dọc bên Hình 2.4 Mặt cắt ngang thu khơng khí lượng mặt trời với cánh sóng dọc bên 28 Luan van Trong nghiên cứu này, kính có thơng... tổng quan sở lý thuyết  Nghiên cứu tổng quan lý thuyết thu không khí lượng mặt trời  Thiết kế, chế tạo thu khơng khí lượng mặt trời cánh sóng dọc bên  Thí nghiệm thu thập liệu  Phân tích thảo