69 Cờng độ bức xạ mặt trời tới mặt kính tại thời điểm là E() = E n sin(), với () = . là góc nghiêng của tia nắng với mặt kính, = 2/ n và n = 24 x 3600s là tốc độ góc và chu kỳ tự quay của trái đất, E n là cờng độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy bằng trị trung bình trong năm tại vĩ độ đang xét E n = ni E 365 1 . Lúc mặt trời mọc = 0, nhiệt độ đầu của bộ thu và chất lỏng bằng nhiệt độ t o của không khí môi trờng xung quanh. Phơng trình vi phân cân bằng nhiệt của bộ thu Ta giả thiết rằng tại mỗi thời điểm , xem nhiệt độ chất lỏng và ống hấp thụ đồng nhất và bằng t(). Xét cân bằng nhiệt cho hệ bộ thu trong khoảng thời gian d kể từ thời điểm . Mặt module bộ thu hấp thụ từ mặt trời 1 lợng nhiệt bằng Q 1 : Q 1 = .E n sin .F D .sin.d, [J]. (4.16) Với F D = D 1 D 2 .F 1 + f c .D 1 D 2 .F 2 + R. f c .D 1 D 2 3 .F 3 + R. f c .D 1 D 2 .F 4 , (4.17) trong đó: F 1 = L.d , F 2 = 2L.W c , F 3 = L(d 2 - d 1 ), F 4 = L(N - d 2 ). ở đây ta giả thiết rằng tất cả các tia bức xạ mặt trời chiếu đến mặt bộ thu trên diện tích F 4 sau khi phản xạ từ gơng trụ đựơc truyền đến cánh hấp thụ. Lợng nhiệt nhận đợc của module bộ thu Q 1 dùng để: - Làm tăng nội năng của ống hấp thụ-cánh dU = (m o .C o + m c .C c )dt - Làm tăng entanpy lợng nớc tĩnh dI m = m.C P dt - Làm tăng entanpy dòng chất lỏng dI G = Gd.C P (t - t o ) - Truyền nhiệt ra ngoài không khí Q 2 = K tt .L(t - t o )d trong đó: m o = Ld. o . o , [kg] m c = 3LW c . c . c , [kg], m = 4 d 2 .L. [kg], K tt = [K L + K L bx + nK d .F d ], [W/mK] n- số nút đệm trên 1m chiều dài bộ thu, [m] -1 K d = 1 1 + d d , [W/m 2 K] 70 hệ số truyền nhệt bằng đối lu và dẫn nhiệt K L =. 1 4 1 1 2 ln. 2 1 . 1 = + + i i i i d d d , [W/mK] hệ số truyền nhiệt bằng bức xạ K L bx = qd .(T tb +T o )(T tb 2 +T o 2 ), [W/mK] với qd = 1 1122 1 21 1 111 + + ddd , = 5.67.10 -8 W/mK 4 T tb = 273 + t tb, nhiệt độ tuyệt đối trung bình tính toán của môi chất trong bộ thu, [K] Vậy ta có phơng trình cân bằng nhiệt cho bộ thu: Q 1 = dU + dI m + dI G + Q 2 (4.18) Hay có thể viết dới dạng: .E n .F D .sin 2 .d = (m o .C o +m.C P +m c .C c )dt +(GC P + K tt .L)(t - t o )d (4.19) Biến đổi bằng cách thay T() = t() - t o và đặt: a = C P CmmCCm EF ccPoo nD = ++ . , [K/s] (4.20a) b = C W CmmCCm LKGC ccPoo ttP = ++ + . . [1/s] (4.20b) thì phơng trình cân bằng nhiệt cho bộ thu là: Giải hệ phơng trình 4.21, 4.22 tơng tự nh ở mục trên ta tìm đợc hàm phân bố nhiệt độ chất lỏng trong bộ thu là: T() = b a 2 [1- 22 4 +b b sin(2 + artg 2 b ) - 2 )2/(1 b e b + ] (4.23) Trong đó a và b đợc xác định theo công thức 4.20a và 4.20b Công thức tính toán bộ thu Từ hàm phân bố (4.23) ta dễ dàng lập đợc các công thức tính các thông số kỹ thuật đặc trng cho bộ thu nh bảng 4.5. T() + b.T() = a.sin 2 () (4.21) Với điều kiện đầu T(0) = 0 (4.22) 71 Bảng 3.5. Các thông số đặc trng của bộ thu đặt nghiêng Thông số đặc trng Công thức tính toán Độ gia nhiệt lớn nhất T m T m = ) 4 1( 2 22 + + b a b a [ o C] Nhiệt độ cực đại thu đợc t m t m = t o + 22 4 1( 2 + + b b b a ) [ o C] Thời điểm đạt nhiệt độ cực đại m m = n 24 1 8 3 b artg [s] Sản lợng nhiệt trong 1 ngày Q Q = b a n 4 GC P [J] Độ gia nhiệt trung bình T n T n = b a 2 [ o C] Nhiệt độ trung bình t tb t tb = t o + b a 2 [ o C] Công suất hữu ích trung bình P tb P tb = b a 2 GC P [W] Sản lợng nớc nóng M M = G n 2 , [kg] Hiệu suất nhiệt bộ thu = o tb FE Q . = o n n n tb FdE Q n 2/ 0 .)2sin( 2 = on p FbE aGC .4 Gơng phản xạ của loại bộ thu này có cấu tạo hơi phức tạp hơn, nhng hệ thống làm việc theo nguyên tắc đối lu tự nhiên nên không cần phải có thêm bơm tuần hoàn môi chất, do đó rất thích hợp cho việc triển khai sử dụng ở các vùng sâu vùng xa không có điện lới. Tính toán chọn kích thớc bộ thu Các kích thớc module bộ thu cần phải chọn hoặc tính toán sao cho bộ thu đạt đợc hiệu quả cao nhất về mặt kinh tế cũng nh khả năng hấp thụ nhiệt từ NLMT, đồng thời đảm bảo các yêu cầu về mặt cấp nhiệt. Các kích thớc của module bộ thu có ảnh hởng đến hiệu suất bộ thu cần phải tính chọn là: 72 - Đờng kính ống hấp thụ chứa môi chất d - Chiều rộng cánh nhận nhiệt W - Đờng kính ống thuỷ tinh trong d 1 - Đờng kính ống thuỷ tinh ngoài d 2 - Chiều rộng gơng trụ phản xạ N - Đờng kính ống hấp thụ d: Nếu d lớn thì diện tích hấp thụ lớn, diện tích nhận nhiệt của nớc lớn nên nói chung hiệu suất bộ thu tăng. Mặt khác nếu d tăng thì nhiệt dung C của hệ bộ thu tăng do đó tốc độ gia nhiệt a giảm, hơn nữa nếu d lớn quá thì kết cấu bộ thu sẽ cồng kềnh và không kinh tế. Tốt nhất ta chọn đờng kính của ống hấp thụ d = 10mm. - Chiều rộng cánh nhận nhiệt W: Theo công thức 4.2 và 4.10, khi tăng chiều rộng cánh W, thì F D tăng, mà F D tăng thì tốc độ gia nhiệt a tăng và hiệu suất bộ thu tăng. Nhng nếu W tăng, hiệu suất cánh f c giảm do đó F D giảm. Vậy ta phải chọn W sao cho tối u nhất. Theo tính toán với trờng hợp này thì tốt nhất ta chọn W sao cho W K tt . 2/1 < 0,5 lúc đó hiệu suất cánh f c > 0,95. Ví dụ: Cánh làm bằng đồng có hệ số dẫn nhiệt =25W/m.độ, chiều dày cánh = 0,001m, cánh đợc gắn trên ống đồng đờng kính d =0,01m. Với trao đổi nhiệt đối lu tự nhiên ta lấy K tt =10W/m 2 độ ta có biểu thức chọn chiều rộng cánh là: W K tt . 2/1 = W. 001,0.25 10 2/1 < 0,5 Vậy ta có W < 0,025m. - Đờng kính ống thuỷ tinh trong d 1 : ống thuỷ tinh trong làm nhiệm vụ tạo "lồng kính". Thờng ta chế tạo sao cho hệ ống hấp thụ- cánh đặt khít vào ống thuỷ tinh trong có đờng kính d 1 tức là d 1 = d + 2W. Vậy đờng kính d 1 phụ thuộc vào d và W, do đó theo phân tích và nhận xét ở trên nếu đờng kính ống hấp thụ d =0,01m thì tốt nhất ta chọn d 1 < 0,06. 73 - Đờng kính ống thuỷ tinh ngoài d 2 : ống thuỷ tinh ngoài làm nhiệm vụ cách nhiệt chống tổn thất ra môi trờng xung quanh. Theo nguyên tắc thì d 2 càng lớn (lớp không khí giữa 2 ống thuỷ tinh càng lớn) thì tổn thất nhiệt càng ít, nhng thực tế với loại bộ thu kiểu ống này nếu d 2 tăng thì theo công thức 4.9 và 4.17 ta thấy F D giảm nhất là với bộ thu đặt nghiêng, do đó tốc độ gia nhiệt a giảm và hiệu suất bộ thu giảm. Do vậy ta chọn d 2 càng nhỏ càng tốt (nhng tất nhiên phải lớn hơn d 1 ), nhất là đối với bộ thu đợc hút chân không giữa 2 ống thuỷ tinh. - Chiều rộng gơng trụ phản xạ N: Theo công thức 4.9 và 4.17 ta thấy rằng N càng tăng thì F D tăng, mà F D tăng thì tốc độ gia nhiệt a tăng và hiệu suất bộ thu tăng và nhiệt độ môi chất thu đợc cũng tăng. Đối với bộ thu nằm ngang trong hệ thống đối lu tuần hoàn tự nhiên thì sự ảnh hởng của chiều rộng gơng trụ N đến hiệu suất bộ thu và nhiệt độ thu đợc của môi chất sẽ đợc khảo sát kỹ ở phần sau. Chiều rộng N của bộ thu loại đặt nghiêng trong hệ thống đối lu tuần hoàn tự nhiên thì bị hạn chế bởi chiều rộng của tổ hợp ống - cánh (hình 4.13). Tức là N ( ) )21(2 ++ Wd . 74 4.3. Thiết bị chng cất nớc bằng NLMT 4.3.1. Cấu tạo nguyên lý hoạt động của thiết bị Trờn trỏi t ca chỳng ta, nhng ni cú nhiu nng thỡ thng nhng ni ú nc ung b khan him. Bi vy nng lng mt tri ó c s dng t rt lõu thu nc ung bng phng phỏp chng ct t ngun nc bn hoc nhim mn. Cú rt nhiu thit b khỏc nhau ó c nghiờn cu v s dng cho mc ớch ny, mt trong nhng h thng chng ct nc dựng nng lng mt tri n gin c mụ t nh hỡnh 4.17. Nc bn hoc nc mn c a vo khay di v c un núng bi s hp th nng lng mt tri. Phn ỏy ca khay c sn en tng quỏ trỡnh hp thu bc x mt tri, nc cú th xem nh trong sut trong vic truyn bc x súng ngn t mt tri. B mt hp th nhn nhit bc x mt tri v truyn nhit cho nc. Khi nhit tng, s chuyn ng ca cỏc phõn t nc tr nờn rt mnh v chỳng cú th tỏch ra kh i b mt mt thoỏng v s lng tng dn. i lu ca khụng khớ phớa trờn b mt mang theo hi nc v ta cú quỏ trỡnh bay hi. S bc lờn ca dũng khụng khớ cha y hi m, s lm mỏt ca b mt tm ph bi khụng khớ i lu bờn ngoi lm cho cỏc phn t nc ngng t li v chy xung mỏng cha gúc di. Khụng khớ lnh chuyn ng xung di to thnh dũng khớ i lu. Nổồùc ngổng tuỷ trón tỏỳm phuớ Khay chổùa nổồùc õổồỹc sồn õen laỡm bóử mỷt hỏỳp thuỷ Maùng chổùa nổồùc ngổng Nổồùc vaỡo Hỡnh 4.17. Thit b chng ct n gin 75 t hiu qu ngng t cao thỡ nc phi c ngng t bờn di tm ph. Tm ph cú dc ln cho cỏc git nc chy xung d dng. iu ú cho thy rng mi thi im khong phn na b mt tm ph cha y cỏc git nc. Quỏ trỡnh ngng t c a nc di tm ph cú th l quỏ trỡnh ngng git hay ngng mng, iu ny ph thuc vo quan h gia sc cng b mt ca nc v tm ph. Hin nay ngi ta thng dựng tm ph l kớnh thun li cho quỏ trỡnh ngng git. Ngi ta thy rng vựng khớ hu nhit i, h thng chng ct nc cú th sn xut ra mt lng nc ngng tng ng vi lng ma 0,5cm/ngy. 4.3.2. Tớnh toỏn thit b chng ct nc Chỳng ta cú th phõn tớch n gin quỏ trỡnh chng ct nc ca thit b theo s hỡnh v 4.2. Thc cht nu phõn tớch chi tit thỡ õy ra quỏ trỡnh rt phc tp cú liờn quan n quỏ trỡnh truyn cht. Tuy nhiờn chỳng ta cú th phõn tớch quỏ trỡnh n gin nh sau: Chỳng ta gi thit rng n c tip xỳc vi b mt hp th v chỳng cựng chung nhit l T, nh hỡnh 4.18, nhit ca tm ph l T 1 , thỡ ta cú dũng nhit truyn qua mt n v din tớch gia 2 b mt c xỏc nh theo cụng thc: q = k(T- T 1 ), (4.24) Doỡng õi lón vồùi nhióỷt õọỹ T Tỏỳm phuớ coù nhióỷt õọỹ T 1 Doỡng õi xuọỳng vồùi nhióỷt õọỹ T 1 Nổồùc tióỳp xuùc vồùi mỷt hỏỳp thuỷ coù nhióỷt õọỹ T Hỡnh 4.18. Miờu t quỏ trỡnh i lu trong thit b chng ct nc. 76 Trong đó k là hệ số truyền nhiệt (W/m 2 K) Bây giờ chúng ta biểu diễn quá trình đối lưu này như tạo bởi 2 dòng không khí (hình 4.18), mỗi dòng có lưu lượng khối lượng tương đương là m (kg/m 2 h), một dòng thì chuyển động lên còn một dòng thì chuyển động xuống dưới. Nội năng của mỗi đơn vị khối lượng không khí có nhiệt độ T là cT, nếu xem đặc tính của không khí ở đây như là khí lý tưởng thì c là nhiệt dung riêng của không khí. Dòng khí nóng rời khỏi bề mặt phía dưới mang nội năng ở mức mcT, còn dòng khí lạnh mang nội năng ở mức cmT 1. Như vậy dòng nhiệt trao đổi giữa các bề mặt bởi những dòng này là: q = mc (T- T 1 ). (4.25) So sánh công thức 4.24 và 4.25 ta có lưu lượng dòng khí có thể tính được là: mc = k hay m = k/c. (4.26) Ví dụ: với nhiệt dung riêng của không khí là c = 0.28 Wh/kgK, và với trường hợp hệ số truyền nhiệt k = 4W/m 2 K, thì m = 14.3 kg/m 2 h. Bây giờ chúng ta giả sử rằng dòng không khí đối lưu chuyển động tương tự và cùng tốc độ khi chúng chứa đầy hơi ẩm. Sự giả thiết này rất phổ biến khi phân tích quá trình truyền chất nhưng chỉ có thể đúng khi quá trình truyền chất xảy ra với tốc độ nhỏ. Hơn nữa chúng ta có thể cho rằng khi không khí rời khỏi mỗi bề mặt mang tổng lượng hơi n ước phù hợp để cân bằng với nhiệt độ tương ứng của bề mặt, ở trạng thái cân bằng thì trong một đơn vị thời gian có bao nhiêu phân tử nước rời khỏi bề mặt mặt thoáng thì cũng có bấy nhiêu phân tử nước quay trở lại. Sau đó sự tập trung của các phân tử lỏng hay hơi nước trong không khí gần bề mặt mặt thoáng cũng đạt đến giá trị cân bằ ng và gọi là độ ẩm tương đối, w. Độ ẩm tương đối là khối lượng của hơi nước trong 1kg không khí, w phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, xem hình 4.19 77 Tip theo, nu ta miờu t quỏ trỡnh i lu bi s chuyn ng ng thi ca 2 dũng khụng khớ, mi mt dũng cú lu lng m trờn mt n v din tớch, lng nc vn chuyn ra ngoi s l mw v lng nc vo trong l mw 1 . Vy lng nc i ra m(w w 1 ), õy cng chớnh l lng nc c sn xut ra bi thit b lc nc trong mt n v din tớch b mt, M. Tng t nh quỏ trỡnh trao i nhit gia 2 tm phng ta cú th vit phng trỡnh cõn bng nng lng trong thit b chng ct cú dng: P = k (T-T 1 ) + (T 4 -T 4 1 ) + m r(w-w 1 ), (4.27) Trong ú: P(W/m 2 ) l nng lng bc x mt tri n, l en ca t hp b mt hp th v nc, r (Wh/kg) l nhit hoỏ hi ca nc. Vi r = 660 Wh/kg, = 1 v chờnh nhit trung bỡnh ca thit b khong 40K thỡ ta cú th xỏc nh lng nc sn xut c ca thit b cú th xỏc nh theo cụng thc: M = (P-160)/660 (kg/m 2 h) (4.28) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 310 Nhióỷt õọỹ, K ọỹ ỏứm tổồng õọỳi, w 320 330 340 350 360 Hỡnh 4.19. m tng i ca khụng khớ ỏp sut khớ quyn. 78 Ở Đà Nẵng với cường độ bức xạ trung bình P = 850 W/m 2 thì từ công thức (4.28) ta tính được M = 1.0 kg/m 2 h hay với 6giờ nắng trong ngày thì mỗi ngày 1m 2 bề mặt hấp thụ thiết bị sản xuất được M = 6kg nước. Đối với các hệ thống lớn thường đặt cố định với diện tích lớn thì các dòng năng lượng chủ yếu trong một thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời khi nó hoạt động có thể biểu diễn như hình 4.20. Mục đích của việ c thiết kế một thiết bị chưng cất nước là làm sao cho nhiệt lượng dùng cho nước bay hơi Q bh là lớn nhất. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời đã được hấp thụ đến bề mặt ngưng xảy ra bởi hơi nước, và quá trình này tỷ lệ thuận với nước ngưng thu được. Hơn nữa tất cả các phần năng lượng khác truyền từ đáy đến phần xung quanh phải hạn chế càng nhiều càng tốt. G Qbx Qdl Qbx Qbh Qdl Qpxa Qhthu Qtrq Qhthu Qpxa Qra Qdat Qnuoc Hình 4.20. Các dòn g năn g lư ợ n g chính tron g thiết b ị chưn g cất nước kiểu b ể. . Đờng kính ống thuỷ tinh trong d 1 : ống thuỷ tinh trong làm nhiệm vụ tạo "lồng kính& quot;. Thờng ta chế tạo sao cho hệ ống hấp thụ- cánh đặt khít vào ống thuỷ tinh trong có đờng kính d 1 . thời điểm , xem nhiệt độ chất lỏng và ống hấp thụ đồng nhất và bằng t(). Xét cân bằng nhiệt cho hệ bộ thu trong khoảng thời gian d kể từ thời điểm . Mặt module bộ thu hấp thụ từ mặt trời 1. + 2W. Vậy đờng kính d 1 phụ thuộc vào d và W, do đó theo phân tích và nhận xét ở trên nếu đờng kính ống hấp thụ d =0,01m thì tốt nhất ta chọn d 1 < 0,06. 73 - Đờng kính ống thuỷ tinh