Chuong 3_Collector tam phang

Chương COLLECTOR MẶT TRỜI DẠNG TẤM PHẲNG Thông thường Collector dạng phẳng bố trí theo kiểu cố định Biến thể Collector dạng phẳng Collector dạng ống rút chân không (Evacuated Tube Solar Collector) Các nghiên cứu ứng dụng năm gần cho thấy, tương lai, giải tốt bất lợi mặt giá thành, loại Collector sử dụng phổ biến để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ lượng mặt trời dùng kỹ thuật điều hòa không khí Các kết nghiên cứu từ tài liệu [59] cho thấy, điều kiện Việt Nam – tỉnh phía Nam – để nhận lượng xạ mặt trời lớn tính trung bình năm Collector dạng phẳng nên đặt góc nghiêng  từ 120 đến 150 với góc phương vị  = 00 Collector dạng phẳng có số ưu điểm:  Có thể hấp thụ tất loại tia xạ  Không cần quay theo mặt trời  Dễ gia công  Không cần bảo trì thường xuyên giá thành rẻ Trong nhiều trường hợp chất làm việc Collector dạng phẳng nước không khí, nhiên số trường hợp cụ thể khác chất làm việc chất khác Cấu tạo Nếu từ xuống, Collector dạng phẳng bao gồm thành phần sau:  - Tấm phủ suốt Bề mặt hấp thụ xạ mặt trời Rãnh dẫn chất làm việc Lớp cách nhiệt Tấm phủ suốt Tấm phủ suốt Ống dẫn chất làm việc Bề mặt hấp thụ Cách nhiệt Hình 3.1 Mặt cắt Collector phẳng loại Hiện nay, cấu tạo cụ thể Collector dạng phẳng sử dụng thực tế phong phú Hình 3.2 trình bày mặt cắt số dạng phối hợp bề mặt hấp thụ với rãnh dẫn chất làm việc (a) (g) (b) (h) (c) (i) (d) (j) (e) (k) (f) (l) Hình 3.2 Một số dạng phối hợp bề mặt hấp thụ với rãnh dẫn chất làm việc Vật liệu Vật liệu làm bề mặt hấp thụ phải có tính chất bản: - hệ số dẫn nhiệt lớn - có khả chịu nén kéo vừa đủ - bị ăn mòn - khó bám bẩn đóng cáu Trong nhiều trường hợp đồng thường lựa chọn Ngoài người ta sử sử dụng: nhôm, kẽm, thép số loại nhựa nóng Polypropylene, Polyvinyl Chloride Polybutelene để làm hấp thụ Bảng 3.1 trình bày số thông số loại vật liệu thường dùng để làm hấp thụ Bảng 3.1 Vật liệu Nhôm Sắt Thép Đồng Thau Thiếc Kẽm Khối lượng riêng, kg/m3 2707 7897 7833 8954 8522 7304 7144 Nhiệt dung Hệ số dẫn riêng, nhiệt, kJ/kg.độ W/m.độ 0,996 0,452 0,465 0,383 0,385 0,226 0,384 204 73 54 386 111 64 112 Phương pháp gia công bề mặt hấp thụ rãnh dẫn chất làm việc: Vật liệu làm phủ: - Kính chịu nhiệt - Ascrylic Polycarbonate Plastics  Ưu khuyết điểm: Hầu hết loại kính plastic dùng làm phủ có hệ số khúc xạ (Refractive Index) khoảng chừng 1,5 Hệ số xuyên qua tối đa hầu hết phủ 0,92 Hệ số xuyên qua kính chịu ảnh hưởng hàm lượng sắt có kính Do kính loại dễ vỡ, không nên chọn kính có bề dày nhỏ 3,5 mm để làm phủ Bảng 3.2 trình bày số thông số vài loại vật liệu thường dùng để làm phủ Bảng 3.2 Hệ Hệ số Hệ số số Vật liệu xuyên xuyên khúc qua (1) qua (2) xạ Thủy tinh 1,518 0,840 0,020 Polyester có sợi thủy tinh 1,540 0,870 0,076 Acrylic 1,490 0,900 0,020 Polycarbonate 1,586 0,840 0,020 Polytetrafluoroethylene 1,343 0,960 0,256 Polyninyl Fluoride 1,460 0,920 0,207 Polyester 1,640 0,870 0,178 Polyvinylidene Fluoride 1,413 0,930 0,230 Polyethylene 1,5 0,920 0,810 Bề dày mm 3,175 6,350 3,175 3,175 5,080 1,016 1,270 1,016 1,016 Khoái lượng riêng, kg/m3 2489 1399 1189 1199 2148 1379 1394 1770 910 Nhiệt dung riêng, J/kg.K 754 1465 1465 1193 1172 1256 1046 1256 2302 Nhieät dung W.h/m2.K 1,659 3,61 1,534 1,260 0,036 0,049 0,051 0,063 0,059 Ghi chuù : - Hệ số xuyên qua (1) hệ số xuyên qua ứng với tia tới thẳng góc với bề mặt khảo sát có bước sóng  = 0,4 – 2,5 m - Hệ số xuyên qua (2) hệ số xuyên qua ứng với tia tới thẳng góc với bề mặt khảo sát có bước sóng  = 2,5 – 40 m - Các hệ số xuyên qua (1) (2) ứng với bề dày cho cột - Nhiệt dung tích số nhiệt dung riêng, bề dày khối lượng riêng Bề mặt hấp thụ chọn lọc Định luật Planck định luật Wien Các tia xạ mặt trời tập trung hầu hết vùng có bước sóng ngắn với  < m , tia xạ phát từ bề mặt hấp thụ Collector tập trung hầu hết vùng có bước sóng dài Lớp phủ bề mặt Hình 3.3 trình bày quan hệ lý tưởng hệ số phản xạ  bước sóng  bề mặt hấp thụ loại chọn lọc  = 1-    0,95   0,10  Bước sóng ,m Hình 3.3 Quan hệ lý tưởng   bề mặt hấp thụ chọn lọc Bề mặt nửa xám (Semi-Gray Surface) Đối với bề mặt không suốt (Opaque Surface), quan hệ hệ số hấp thụ  , hệ số phản xạ  hệ số phát xạ        Như vậy, vùng có bước sóng nhỏ bước sóng ngưỡng, giá trị  nhỏ nên hệ số hấp thụ lớn Trong đó, vùng có bước sóng lớn bước sóng ngưỡng, giá trị  gia tăng đáng kể nên khả phát xạ nhỏ Các bề mặt hấp thụ chọn lọc thực tế có đặc tính trình bày hình 3.3 Như vậy, tùy theo công nghệ vật liệu làm lớp phủ bề mặt, tính chất nhảy vọt vùng lân cận với bước sóng ngưỡng khác Trong thực tế, khả hấp thụ phát xạ bề mặt hấp thụ chọn lọc biến đổi nhảy vọt, khái niệm bước sóng ngưỡng cần phải hiểu khác đi, giá trị mà loạt bước sóng lân cận Hình 3.4 trình bày quan hệ hệ số hấp thụ hệ số phản xạ theo bước sóng loại bề mặt hấp thụ chọn lọc thực tế 1 0,8 Hệ số phản xạ 0,6 0,4 0,2 Bước sóng ,m Hình 3.4 Đặc tính loại bề mặt hấp thụ chọn lọc thực tế 1- Chrome đen Nickel loại mờ (30 ngày sau thử nghiệm độ ẩm)  = 0,96 /  = 0,088 2- Chrome ñen Nickel loại mờ (trước thử nghiệm độ ẩm)  = 0,964 /  = 0,116 Bề mặt hấp thụ chọn lọc nghiên cứu sản xuất vào khoảng năm 1970 Loại lớp phủ bề mặt sử dụng để tạo bề mặt hấp thụ chọn lọc Chrome đen sau Crystal đen Có thể chế tạo bề mặt hấp thụ chọn lọc phương pháp sau: - Hóa học Mạ điện Lắng Oxýt hóa Bảng 3.3 trình bày vài thông số đặc trưng bề mặt hấp thụ chọn lọc thường dùng Bảng 3.3 Loại bề mặt hấp thụ chọn lọc Hệ số  Hệ số  -Nickel đen sắt mạ kẽm -Đồng đen đồng (xử lý với dung dịch NaOH NaClO2) -Chrome đen thép mạ Nickel -CuO nhôm, cách phun Cu(NO3)2 loãng nhôm nóng -CuO Nickel, cách dùng đồng lắng điện cực sau oxy hóa -Xếp xen kẽ theo lớp Al2O3-Mo -Tinh thể PbS nhôm -Nickel đen Nickel mạ ñieän 0,81 0,89 0,16 – 0,18 0,17 0,95 0,93 0,09 0,11 0,81 0,17 0,91 0,89 0,94 0,085 0,20 0,07 MỘT SỐ TÍNH TOÁN ỨNG VỚI COLLECTOR DẠNG TẤM PHẲNG §4.1 Đặc tính quang học phủ suốt Gọi ,   hệ số phản xạ, hệ số xuyên qua hệ số hấp thụ phủ, ta luôn có: (4.1)      1 Một cách tổng quát, hệ số phụ thuộc vào bề dày , hệ số khúc xạ n (Refractive Index) hệ số dập tắt (Extinction Index) tia xạ K vật liệu Trong tính toán Collector mặt trời, xem hệ số nêu số Khảo sát hình 4.1, ta thấy tia xạ khảo sát từ môi trường có hệ số khúc xạ (chiết xuất) n1 với góc tới 1 sang môi trường có hệ số khúc xạ n2 với góc khúc xạ 2 Theo định luật Snell, ta có: n1.Sin1  n2 Sin2 (4.2) Ii Môi trường Chiết xuất n1 Môi trường Chiết xuất n Ir 1 2 Hình 4.1 Đặt: Sin2 2  1   Sin2 2  1  (4.3) tan2 2  1  rb  tan2 2  1  (4.4) Ta coù: r Ir  0,5.ra  rb  Ii (4.5) Công thức (4.5) thích hợp để tính hệ số phản xạ bề mặt tiếp xúc không khí phủ suốt Trong trường hợp tia tới thẳng góc với bề mặt khảo sát, ta có: I  n  n2  r(0)    r    I i  n1  n  (4.6) Tuy nhiên, kỹ thuật lượng mặt trời, điều mà ta cần phải quan tâm nhiều mức độ xuyên qua phủ suốt tia xạ Điều có nghóa là, cần phải ý đến tượng khúc xạ bề mặt tiếp xúc với không khí phủ suốt Khi bỏ qua tượng hấp thụ phủ suốt, ta tính gần hệ số xuyên qua rN N phủ suốt sau: rN  0,5.rA  rB  Trong đó:   2N  1.ra  rb rB   2N  1.rb rA  (4.7) Ở công thức trên, 10 hệ số tỏa nhiệt đối lưu ứng với nhiệt độ trung bình 100C đơn vị W/m2.độ, t độ chênh lệch nhiệt độ với đơn vị 0C khoảng cách L tính cm Gọi t hệ số tỏa nhiệt đối lưu ứng với nhiệt độ trung bình t  100C, ta có: t = 10.[1 – 0,0018.(t – 10)] (4.28) Trong trường hợp tiêu chuẩn Gr > 2.105 góc nghiêng  (độ) Collector thay đổi từ 00 đến 900, Dropkin Somerscales đề nghị công thức sau:   , 074  Nu   0,069  0,020 .Gr Pr  Pr  90   (4.29) Do khoảng trống phẳng song song khảo sát – hầu hết trường hợp – không khí tiêu chuẩn Prandtl không khí phụ thuộc vào nhiệt độ lấy Pr = 0,7 , lúc phương trình (4.29) trở thành:    Nu   0,060  0,017 .Gr 90   Ví dụ 4.4 Khảo sát Collector có phủ suốt làm việc điều kiện sau: - Góc nghiêng Collector  = 120 - Khoảng cách bề mặt hấp thụ phủ suốt 25 mm - Nhiệt độ trung bình bề mặt hấp thụ phủ suốt 750C 450C Xác định hệ số tỏa nhiệt đối lưu bề mặt hấp thụ phủ suốt Giải (4.30) Trong trường hợp này, nhiệt độ xác định 600C Tra bảng thông số vật lý không khí ta có:  = 18,97.10–6 m2/s a = 27,2.10–6 m2/s  = 2,90.10–2 W/m.độ g = 9,81m/s2    3,00165 10  độ –1 T L = 0,025 m T = 300C Tiêu chuẩn Rayleigh có giá trị là:   g..T.L3  Ra  Pr.Gr     26750 ,6436 a 2  Theo công thức (4.19), tiêu chuẩn Nusselt có giá trị laø:  1708   Sin 1,8   1708   Ra.Cos    Nu   1,44.1     5830   1  1  Ra Cos  Ra Cos           1,   1708   0,368124  1708   26166 077     1,44.1  1     5830   1 26166 077  26166 077        1,  2,977753 Nhö vậy, hệ số tỏa nhiệt đối lưu bề mặt hấp thụ phủ suốt là:  Nu.  3,4542 W/m2.độ L Ví dụ 4.5 Giải lại toán ví dụ 4.4 góc nghiêng  có giá trị , 450 900 Giải Trong trường hợp này, tiêu chuẩn Gr có giá trị là: Gr = 42151,987  Khi  = 00 Từ công thức (4.20), ta có : Nu  0,152.Gr  0,152.42151,987 0,281 0,281  3,0298 Như vậy, hệ số tỏa nhiệt đối lưu bề mặt hấp thụ phủ suốt là:  Nu.  3,5146 W/m2.độ L  Khi  = 450 Từ công thức (4.21), ta coù: Nu  0,093.Gr 0,31  0,093.42151,987 0,31  2,5245 Như vậy, hệ số tỏa nhiệt đối lưu bề mặt hấp thụ phủ suốt là:  Nu.  2,928 W/m2.độ L  Khi  = 900 Từ công thức (4.23), ta có: Nu  0,033.Gr 0,381  0,033.42151,987 0,381  1,90796 Như vậy, hệ số tỏa nhiệt đối lưu bề mặt hấp thụ phủ suốt là:  Nu.  2,21323 W/m2.độ L Nhận xét: Ta thấy hệ số tỏa nhiệt đối lưu trường hợp  = 00 lớn nhất, trường hợp  = 450  = 900 4.2.4 Tổn thất nhiệt mặt phía Collector Gọi qtop mật độ dòng nhiệt tổn thất môi trường mặt phía Collector, ta thấy dòng nhiệt tổn thất bao gồm thành phần đối lưu xạ Gọi: Tp _ nhiệt độ bề mặt hấp thụ Tc1 _ nhiệt độ bề mặt phủ ta coù: q top Tp4  Tc41    p  c1 Tp  Tc1   1  1  p c (4.31) Trong đó: p-c1 – hệ số tỏa nhiệt đối lưu hấp thụ phủ  - số Stefan-Boltzmann, giá trị cụ thể 5,6697.10–8 W/m2.K4 p c – độ đen hấp thụ phủ Sau tuyến tính hóa ảnh hưởng xạ theo nhiệt độ gọi r,p-c1 hệ số tuyến tính tương ứng, ta viết: q top  p  c1  r , p  c1  Tp  Tc1  Tp2  Tc21  Tp  Tc1   r , p  c1  1  1  p c (4.32) (4.33) Goïi R1 nhiệt trở hấp thụ phủ, ta coù: R1   p  c1   r , p  c1 Giả sử Collector có thêm phủ thứ hai, cách tương tự ta viết biểu thức xác định nhiệt trở R (4.34) phủ Trong thực tế, số phủ tối đa dùng 3, bình thường cần hay phủ Như vậy, theo hướng tổn thất nhiệt phía Collector, phải xác định thêm nhiệt trở Rc-a phủ không khí bên Ta có: R c a   w   r ,ca (4.35) Trong đó: w hệ số tỏa nhiệt đối lưu phủ không khí bên ngoài, tính w công thức mục 4.2.2 r,c-a hệ số tuyến tính giúp lượng hóa cường độ trao đổi nhiệt xạ phủ có nhiệt độ Tc bầu trời có nhiệt độ hiệu dụng Ts: r ,c  a  c .Tc  Ts .Tc2  Ts2  Tc  Ts Tc  Ta (4.36) Như vậy, ứng với không khí bên có nhiệt độ Ta , ta có: q top  w  r ,c  a .Tc  Ta  (4.37) Nhiệt độ hiệu dụng Ts bầu trời: Ts  0,0552.Ta1,5 , K (4.38) Bliss cho cần lưu ý đến thành phần nước có không khí đề nghị công thức sau: T  273   Ts  Ta 0,8  dp 250   , 25 Liên quan đến vai trò nước, tham khảo thêm công thức đây, công thức t độ lệch thời gian tính thời điểm khảo sát thời điểm nửa đêm: (4.39) Ts  Ta 0,711  0,0056.Tdp  0,00073 Tdp2  0,013.Cos15.t  ,25 ( 4.40) Ngoài ra, trường hợp cần dự đoán nhanh giá trị Ts , dùng quan hệ đây: (4.41) Ts  Ta  Trong công thức từ (4.31) đến (4.41), nhiệt độ tính độ Kelvin Tdp công thức (4.39) (4.40) nhiệt độ đọng sương không khí khu vực khảo sát Tổng quát, giả sử Collector có N phủ, ta viết: q top  Tp  Tc1 R1  Tc1  Tc T  Ta   c R2 Rc  a (4.42) Trong đó, Tc nhiệt độ bề mặt TcN phủ thứ N Như vậy, gọi Ut hệ số tổn thất mặt phía Collector, ta coù: q top  U t Tp  Ta   Tp  Ta R1  R   R N  R c  a (4.43) Từ đó, biểu thức xác định hệ số tổn thất Ut là: Ut  R1  R   R N  R c  a (4.44) Thông thường, để xác định tổn thất nhiệt mặt phía Collector, cần phải giải toán phương pháp lặp, cần có hỗ trợ máy tính Chính vậy, Klein đề nghị sử dụng biểu thức kinh nghiệm để tính Ut: U t  X 1  Trong đó: Y Z (4.45) X N.Tp T  T  C. p a   Nf  e  (4.46) w Y  .Tp  Ta .Tp2  Ta2  Z   p  0,00591 N.w   1 (4.47) 2N  f   0,133. p s N Với: N – số phủ Tp – nhiệt độ trung bình bề mặt hấp thụ, K Ta – nhiệt độ môi trường xung quanh, K C  520.1  0,000051 2  0o    70 o Nếu   70 o lấy   70 o f  1  0,089.w  0,1166.w p .1  0,07866.N   100   e  0,431   T p   w – heä số tỏa nhiệt đối lưu gió, W/m2.độ P g – độ đen bề mặt hấp thụ phủ Các tính toán trình bày nói chung phù hợp với phủ suốt làm kính Trong trường hợp vật liệu làm phủ plastic, khả hạn chế xuyên qua tia hồng ngoại có hơn, cần đưa vào công thức tính Ut số hiệu chỉnh Ví dụ 4.6 (4.48)