Tận dụng nhiệt thừa khi đun bếp làm bình nóng lạnh theo nguyên tắc đối lưu

LỜI CẢM ƠN!Đầu tiên, nhóm tác giả dự án “ TẬN DỤNG NHIỆT THỪA KHI NẤU ĂN LÀM BÌNH NÓNG LẠNH THEO NGUYÊN TẮC ĐỐI LƯU ” chúng em xin gửi lời cảm ơn chânthành đến Ban tổ chức cuộc thi “NCKH

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH LÀO CAI

Trưởng nhóm: Đỗ Việt Đức - 10A1

Thành viên: Hoàng Thị Minh Nguyệt - 10A1

Phạm Nguyễn Lan Anh– 12A1

Đơn vị: Trường THPT số 4 Văn Bàn

Năm học: 2013 - 2014

Giáo viên hướng dẫn: Vũ Xuân Quế - GV Vật lí - TTCM

Văn Bàn, tháng 12 năm 2013

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU

V Phương pháp, nội dung, thời gian nghiên cứu 6

PHẦN HAI NỘI DUNG

A CƠ SỞ LÝ THUYẾT

B KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM CÁC Ý TƯỞNG, BÀN LUẬN

LỜI CẢM ƠN!

Đầu tiên, nhóm tác giả dự án “ TẬN DỤNG NHIỆT THỪA KHI NẤU ĂN LÀM BÌNH NÓNG LẠNH THEO NGUYÊN TẮC ĐỐI LƯU ” chúng em xin gửi lời cảm ơn chânthành đến Ban tổ chức cuộc thi “NCKH dành cho học sinh” của SGD- ĐT tỉnh Lào Cai Nhờ có cuộc thi này chúng em không những học hỏi thêm được nhiều kiến thức bộ môn mà còn có ý thức hơn đối với cuộc sống, xã hội Biết được các vấn đề cấp bách mà cuộc sống đặt ra, có ý thức cộng đồng vì những người nghèo khó

Nhóm nghiên cứu chúng em cũng chân thành cảm ơn đến các quý thầy

cô trong Ban lãnh đạo trường THPT số 4 Văn Bàn đã ủng hộ nhiệt tình cả vềtinh thần lẫn vật chất cho nghiên cứu dự án này

Để biến ý tưởng thành hiện thực, chúng em đã được sự giúp đỡ vàhướng dẫn rất nhiệt tình của thầy cô hướng dẫn Chúng em xin gửi lời cảm ơnđặc biệt tới các thầy cô nhóm vật lí đã tận tình chỉ bảo và cố vấn cho nhómchúng em hoàn thành ý tưởng

Cuối cùng, nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bètrong và ngoài lớp đã tin tưởng, tao điều kiện thời gian và luôn động viênkhích lệ để nhóm hoàn thành đề tài này

Trân trọng cảm ơn!

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài:

Một trong những vấn đề cấp bách đã và đang đặt ra không chỉ với ViệtNam mà tất cả các quốc gia trên thế giới là vấn đề nhiên liệu hóa thạch ngàymột cạn, ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu ngày một phức tạp.Với thực trạng như vậy, việc cần thiết đặt ra là làm sao phát triển được nhữngnguồn năng lượng mới, mặt khác với những nguồn năng lượng và nhiên liệu

có sẵn, làm sao sử dụng một cách tiết kiệm, hiệu quả nhất Câu hỏi đó đãđược rất nhiều thầy cố chúng em nhắc nhở trong các tiết dạy

Hàng ngày khi thấy bố mẹ, người thân nấu ăn bằng bếp củi, bếp dạ nhễnhại mồ hôi hoặc rất bụi em đã nảy ra ý tưởng làm sao phải thu được lượngnhiệt dư thừa tỏa ra môi trường một cách lãng phí và thiết kế bếp làm sao đểkhông bụi hoặc ít bụi nhất Ý tưởng phát sinh và đã được mang ra bàn bạccùng các bạn trong lớp, đồng thời qua sự gợi ý và hướng dẫn của thầy giáo,chúng em đã đưa ra được một số giải pháp: xây bếp và đặt nhiều nồi xungquanh và cho ống khói hướng ra ngoài bếp; hoặc hàn một bình nước baoquanh bếp; hoặc làm 3 chân kiềng là ba bình nước nhỏ Cả ba phương án đềuđược thầy hướng dẫn đánh giá cao về mặt ý thức và tận dụng

Tuy nhiên khi thử nghiệm, những bình nước xung quanh rất nóngnhưng lại phải dùng ngay vì nhanh nguội Sau một thời gian suy nghĩ, bàn bạc

và thầy hướng dẫn, chúng em đã nghĩ đến phương án là làm bình cách nhiệt

để dẫn nước vào theo nguyên tắc ủ hoặc nguyên tắc đối lưu

( Sơ đồ tư duy quá trình nghiên cứu).

Tận dụng nhiệt thừa như thế nào?

Thảo luận, đưa các phương án

Bàn luận, sửa đổi hoặc bổ sung thêm cho phương án đã chọn

Kiểm tra lần cuối tính khoa học, tính phổ biến, tính công nghiệp

và hoàn thiện báo cáo

II Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Sự thành công của đề tài sẽ giúp giải quyết một phần đặt ra trong lý

do chọn đề tài: sử dụng tiết kiệm và tận dụng nhiên liệu, hạn chế việc chặt phárừng

- Trường hợp đề tài được nhân rộng sẽ giúp được rất nhiều hộ gia đình

có hoàn cảnh khó khăn có nước ấm dùng trong mùa đông mà không có tiềnlắp nóng lạnh

III Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu của đề tài là phải tận dụng được phần lớn nhiệt lượng dưthừa từ sự tỏa nhiệt, những ngọn lửa thừa để làm nóng được nước phục vụnhu cầu sinh hoạt: tắm giặt mùa đông, làm nước nóng đun nấu

- Phải đáp ứng được tính thuận tiện, tính thẩm mĩ, thực tiễn và tínhcông nghiệp

- Đáp ứng nhiều loại nhiên liệu chủ yếu cho người nghèo

IV Đối tượng, giới hạn nghiên cứu

- Nghiên cứu sự phù hợp của nhiều nhiên liệu hoặc một số loại hìnhbếp khác nhau phù hợp từng vùng nhiên liệu ,phù hợp với đại đa số nhân dânlao động: đun củi, rơm rạ, than, mùn cưa, lá cây…

- Giới hạn: không phù hợp với bếp điện

V Phương pháp, nội dung, thời gian nghiên cứu.

- Nhóm phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: nghiên cứu, thử nghiệmthực tế các ý tưởng, đúc rút kinh nghiệm và so sánh giữa các loại hình thử nghiệm để đưa ra sản phẩm hoàn chỉnh

2 Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết của bình nóng lạnh, bình thái dương năng đểvận dụng nguyên tắc hoạt động của chúng vào dự án

- Nghiên cứu thực nghiệm một số loại hình tận dụng nhiệt và nguyêntắc đối lưu, bàn luận và đưa ra kết luận về tính khả thi, thực tế của dự án

- Nghiên cứu một số hình thức chế tạo phù hợp thực tiễn của các hộ giađình nông thôn, miền núi nghèo trong việc giảm giá thành sản phẩm hoặcnhân rộng sản phẩm sau khi được phổ biến

3 Thời gian nghiên cứu:tháng 10/2013- tháng 12/2013

VI Những điểm mới của đề tài

- Sau khi thống nhất xong về phương án triển khai, nhóm tác giả chúng

em đã kiểm tra lại các sáng chế của các đơn vị dự thi các cấp trước đó, kiểmtra quyền sở hữu trí tuệ và sở hữu công nghiệp trên trang của Bộ khoa họccông nghệ Việt Nam thì thấy không có sự trùng lặp về mặt kiểu dáng, mụcđích, nguyên tắc

- Theo tìm hiểu rất kĩ trên các loại phương tiện thông tin thì năm 2006,một bác nông dân ở Kinh Môn Hải Dương đã chế ra bình nước quanh bếpthan tổ ong, tháng 8 năm 2013, bất chợt thấy trên ti vi một sáng chế tương tựcủa bác nông dân Hải Dương- nhưng người tỉnh khác, chỉ thay than bằng mùncưa theo kiểu bếp sinh học dạng đơn giản vẫn bán trên thị trường, xung quanh

có bao nước Mới nhất, kiến trúc sư Nguyễn Văn Xuân (ảnh), giám đốc Công

ty TNHH tư vấn - thiết kế - xây dựng Xuân An Khang (TP.HCM) đã sáng chế

“Hệ thống đun nước sôi tự động sử dụng kiềng bếp gas” ( Phụ lục)

Nhưng qua bàn bạc và phân tích thì cả 3 loại bếp trên đều có chungchung ý tưởng như nhau, ưu điểm giống nhau là tận dụng được nhiệt thừa

Chúng cũng có nhược điểm là nhiên liệu đầu vào không đa dạng, giữ nhiệtkém hoặc phải ủ than để giữ nhiệt Hai loại bếp đều làm theo kinh nghiệm,không theo nguyên tắc đối lưu vật lý như công trình nhóm đang làm Hơn nữa

cả 3 sáng chế trên là độc lập không vi phạm bản quyền của nhau Vì vậy cóthể khẳng định công trình nghiên cứu của nhóm không vi phạm bản quyền tácgiả

- Qua phân tích trên, nhóm tác giả và thầy giáo hướng dẫn đã bàn bạc

và đưa ra những kết luận về ưu, nhược điểm, tính trùng lặp:

+ Đề tài không vi phạm về bản quyền công nghiệp, bản quyền nhãnmác và nguyên lý hoạt động

+ Nhiên liệu đầu vào đa dạng: củi, rơm rạ, trấu, mùn cưa, phù hợp với

cả nhân dân lao động nghèo miền núi( đun củi chủ yếu) và miền xuôi( đunrơm rạ chủ yếu)

+ Giảm bụi khi nấu ăn so với những loại bếp truyền thống sử dụngnhiên liệu tương tự

+ Giữ nhiệt nước lâu hơn nhờ bình ủ, có thể kết nối với bình nóng lạnhAriston và các bình nóng lạnh khác

+ Về giá thành: tùy loại bếp, nhiên liệu và hình thức tận dụng Bộ phậntận dụng có thể dao động từ 250.000đ- 500.000đ

PHẦN HAI NỘI DUNG

A Cơ sở lí thuyết

I Lý thuyết của nhiệt thừa khi đun bếp:

- Theo lý thuyết tỏa nhiệt và hấp thụ nhiệt khi đun nấu thì với loại bếpkiềng 3 chân thông thường, hiệu suất chỉ khoảng 35-45% Còn lại là nhiệtthừa tỏa ra môi trường

- Đối với các loại bếp cải tiến, tiết kiệm nhiên liệu, hiệu suất cũng chỉkhoảng 45-60%

- Khi đun bếp, càng đun to thì càng sôi nhanh, nhưng nhiệt lượng tỏa ramôi trường cũng nhiều hơn do các tia lửa xòe ra

II Nguyên tắc đối lưu, truyền nhiệt

- Đối lưu là di chuyển đối lập.ví dụ không khí hay nước(nóng giãn nở vànhẹ hơn nên nổi lên trên để khí lạnh nhẹ hơn chìm xuống)

- Cụ thể hơn: Khi có nguồn nhiệt, phần chất gần nguồn nhiệt sẽ nóng hơncác nơi khác, nhiệt độ tăng thì thể tích của phần chất đó cũng tăng và làm chokhối lượng riêng giảm Lực đẩy Ác-si-mét tác dụng vào phần chất nhẹ, khiến

nó nổi lên Một lượng chất lỏng từ địa điểm gần nơi đun sẽ di chuyển qua bù

lại phần chất đã nổi lên.( tham khảo internet về nguyên tắc đối lưu)

- Khi bình nước hoặc chậu nước nóng để ngoài môi trường sẽ truyền nhiệtcho môi trường xung quanh theo 2 nguyên tắc là bức xạ nhiệt và đối lưu- bayhơi nước

- Vì vậy muốn giữ nhiệt cho nước cần dùng vật liệu cách nhiệt

III Lý thuyết nhiệt học

- Khối lượng riêng thay đổi theo nhiệt độ và khí áp Tuy nhiên cũng như ápsuất sự thay đổi của khối lượng riêng của không khí trong thực tế kỹ thuậtkhông lớn nên người ta lấy gần đúng ở điều kiện tiêu chuẩn :to= 200C và P =

= 760mmHg, ρ= 1,2 kg/m3

- Nhiệt lượng hấp thụ: Q = m.c.t = m.c.(t lớn – t nhỏ )

- Nhiệt dung riêng của nước xấp xỉ 4200J/Kg. oC

- C- Nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí khô C= 1,005 kJ/kg.oC

- Năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu: Q tỏa = q.m

Q: Nhiệt lượng tỏa ra (J)

q: Năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu (J.kg)

m: Khối lượng nhiên liệu bị đốt cháy hoàn toàn (kg)

- ĐLBT năng lượng: Qtỏa = Qthu

Chất

Năng suất tỏa nhiệt (kg

J

) Chất

Năng suất tỏa nhiệt (kg

I THÍ NGHIỆM 01 Đặt nhiều nồi xung quanh hoặc hàn bình bao quanh để tận dụng nhiệt

1 Mô tả:

- Bố trí nhiều kiềng xung quanh bếp chính( H ảnh dưới)

- Hoặc thay thế xung quanh bằng phần tận dụng dung tích 18 lít

2 Mục đích: tận dụng nhiệt thừa và những ngọn lửa thừa

3 Một số hình ảnh thực nghiệm: Monday, October 28, 2013, 9:03:23

PM

Bình nước tận dụng bao quanh do thầy trò tự xây Đáy bằng kim

loại, 2 thành bê tông.

Quá trình thử nghiệm

4 Kết quả: với ấm nước 3 lít, sau 10- 13 phút nước sôi Khi đun được 6

ấm nước 3 lít thì nhiệt đo được phía bình tận dụng( 18 lít) là 480

* Kết luận: dạng bếp vừa nêu đã tận dụng được một phần nhiệt thừa để

đun nóng nước Tuy nhiên hiệu suất tận dụng chưa cao, cồng kềnh, chưa thẩmmỹ

II THÍ NGHIỆM 02 Ý tưởng chính hình thành, khảo sát và bàn luận kết quả

Kết quả khá khả quan của ý tưởng thứ 2 là động lực giúp nhóm chúng

em tiếp tục nghiên cứu, bàn bạc và khắc phục tiếp những nhược điểm hoặc những điều dự án chưa đạt được Trong lúc bàn bạc, nhóm đã léo lên một ý tưởng là bình năng lượng mặt trời Tiếp tục lên mạng tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của bình và đi đến thống nhất sẽ vận dụng nguyên tắc đối lưu của nước giống như bình năng lượng mặt trời Từ đó ý tưởng “BÌNH NƯỚC NÓNG

TỪ NHIỆT THỪA KHI NẤU ĂN THEO NGUYÊN TẮC ĐỐI LƯU” chính thức được nghiên cứu và đặt tên

1 Mô tả

- Về mặt nguyên lý: bình nước nóng được chế tạo theo nguyên tắc hoạt động của bình thái dương năng( nguyên lý đối lưu nước) Nước nóng nhẹ sẽ nổi lên, lạnh đi xuống

- Về mặt thiết kế, được lấy ý tưởng từ chiếc kiềng 3 chân Thay thế kiềng 3 chân bằng 3 bình nước cao 15-20cm, dung tích mỗi bình 3-5 lít tùy kích cỡ bếp Với mục đích hấp thụ nhiệt thừa tỏa ra xung quanh Để tận dụng những ngọn lửa xèo xung quanh, bếp được bổ sung thêm một vành khuyên nước phía trên dày 5-8cm Giữa 3 chân bếp và vành nước phía trên được kết nối thông nhau Tổng dung tích của thiết kế đã thực hiện là 18 lít Bình nước đối lưu hiện tại được làm tạm bằng thùng sơn 20 lít Vị trí đặt bếp tại bếp ký túc

xá trường THPT số 4 Văn Bàn( Do ký túc sắp xây mới nên nhóm chúng em

không xây bể nước đối lưu) Ngoài ra để đáp ứng được các loại nhiên liệu và

tiết kiệm nhiên liệu , bếp có thêm một phễu phía trong( kiểu bếp tiết kiệm củi của bác Thân Xuân Trường- Bắc Giang) và một ống khò điện khi đun trấu, mùn cưa

- Về mặt vật liệu, giá thành: có thể dùng tôn 1mm, inox, gang đúc Với bếp hiện tại khoảng 15kg x giá 12.000đ/kg = 180.000đ; gia công 500.000đ => gần700.000đ Trường hợp làm công nghiệp, giá thành có thể hạ còn 2/3

Một số hình ảnh trong quá trình thiết kế

Một học sinh trong ký túc xá đang nấu rau với nhiên liệu củi và mùn cưa

kết hợp

2 Quá trình đo đạc, kết quả và bàn luận:

Thí nghiệm 2.1: Khảo sát nhiệt độ của nước tận dụng khi chưa có bình đối

lưu: ( Kết quả ngày 25/11/2013)

* Thông số: xoong dung tích 15 lít nước; bình tận dụng đổ đầy- 18 lít,

nhiệt độ ban đầu của nước máy là 230C

* Kết quả: Kí hiệu: nhiệt độ nước trong xoong (1); nhiệt độ nước phía

trên bình tận dụng (2); nhiệt độ nước phía dưới( vòi xả kiệt phía dưới) (3)

* Hiệu suất bếp của dự án: tính cho một xoong nước 15 lít, bình tận dụng 18 lít ( 46 phút nước sôi, hết gần 0,7kg củi+ 0,4kg mùn cưa khô)

dụng được 29% nhiệt thừa là một sự tiết kiệm rất nhiều.

- So sánh với bếp tiết kiệm củi của bác Thân Xuân Trường, có thể thấy

hiệu suất bếp chính(44,5%) gần bằng với bếp của bác Trường(49%) Tuynhiên về tổng thể, tính cả lượng nhiệt thừa thu được thì hiệu suất chung là73% Và điều này đã đáp ứng phần lớn tiêu chí đề ra của giải pháp

Tuy nhiên vẫn còn một tiêu chí khác cần phải khắc phục đó chính làbình nước tận dụng vẫn chưa được ủ hoặc bảo ôn nhiệt độ Trong quá trìnhbàn luận nhóm, chúng em đã đưa ra một số giải pháp: hoặc là xả nước nóngvào bình ủ, hoặc chứa bằng phích nước Tuy nhiên cả 2 phương án này mớichỉ giữ được nhiệt lâu chứ chưa đáp ứng tính thuận tiện

Thí nghiệm 2.2: Khảo sát nhiệt độ của nước tận dụng khi có bình đối lưu:

( Kết quả 19h10 phút ngày 01/12/2013)

* Thông số: giống các thông số trong thí nghiệm 1( 2.1) Bổ sung thêm

bình nước đối lưu gần 20 lít( Ảnh dưới), nhiệt độ ban đầu của nước máy là

200C

Ảnh Cả nhóm đang thí nghiệm trong bếp ký túc xá

* Kết quả: Kí hiệu: nhiệt độ nước trong xoong (1); nhiệt độ nước trong

bình đối lưu (2); nhiệt độ nước phía dưới bình tận dụng (3)

TG 19h10’ 19h20’ 19h30’ 19h40’ 20h50’ 20h58’ 21h25’

1 20 0 43 0 62 0 81 0 98 0 102 0 Xoong 2

2 20 0 23 0 25 0 29 0 34 0 41 0 75 0

3 20 0 30 0 39 0 45 0 49 0 61 0 86 0

NHIỆT ĐỘ NƯỚC TẠI CÁC BÌNH THEO THỜI GIAN

- Lúc đầu nhiệt độ của bình 2 và 3 chênh nhau nhiều Khi nhiệt độ củabình 3 càng cao thì sự chênh nhau đó ít đi, rõ nhất sau khoảng 40 phút Điềunày có thể giải thích qua đoạn video( minh chứng đi kèm) Qua quan sátchúng em thấy khi nhiệt độ bình sắt bao quanh bếp tăng cao thì ngoài thấy sựđối lưu lên bình 2, còn xuất hiện hiện tượng đẩy khí, đẩy nước mạnh lên bình

2 thông qua ống đối lưu Đây có thể là nguyên nhân dẫn đến nhiệt độ bình 2tăng nhanh hơn lúc đầu

- Kết quả thu được là một niềm vui rất lớn cho các thành viên nhómchúng em Sự truyền nhiệt theo nguyên tắc đối lưu qua ống lên bình cao thànhcông đã giải quyết được điều còn tồn tại trong thí nghiệm 2.1 Là cơ sở kếtnối bình nóng lạnh Ariston hoặc các loại bình nóng lạnh khác với bếp tậndụng nhiệt này Với các hộ gia đình chưa có bình nóng lạnh có thể làm bình ủcách nhiệt bằng cách xây 2 lớp, dùng bông cách nhiệt như ủ ấm chè

- Thiết kế đáp ứng được nhiều loại nhiên liệu như củi, rơm rạ và cảnhững nhiên liệu tận dụng như mùn cưa, trấu …

- Với giá thành dao động từ 250.000đ- 500.000đ tùy kích cỡ, mục đích,hoàn cảnh Chúng em hy vọng sẽ giúp cho rất nhiều hộ dân lao động không

có đủ điều kiện mua bình nóng lạnh chạy điện ấm áp trong những mùa đôngnăm sau

- Tồn tại: với mẫu thiết kế như ảnh chụp trên chưa nhỏ gọn và hơi cầu

kì Để sản phẩm gọn nhẹ hơn mà vẫn đảm bảo nguyên tắc, tác dụng Chúng

em đã thiết kế thêm một số mẫu mô hình phù hợp( kèm theo tại gian trưngbày)

- Có sự hỗ trợ từ các tổ chức từ thiện, các cơ quan chức năng để có kinhphí triển khai rộng tới các hộ dân

- Sự góp ý sâu sắc của các thầy cô giám khảo sẽ là bài học quý giá để

đề tài được hoàn thiện hơn

- Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình giúp đỡ củathầy giáo hướng dẫn, Ban giám hiệu nhà trường đã động viên giúp chúng emhoàn thành ý tưởng này Kính chúc sức khỏe ban giám khảo, quý thầy cô