Nghiên cứu đặc tính làm việc và các quá trình truyền nhiệt trong ống thủy tinh chân không của thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời

Nhằm mục đích xây dựng cơ sở khoa học giúp hỗ trợ việc định hướng hợp lý khi tính toán, phân tích, đánh giá chất lượng và hiệu quả làm việc của các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK, luận án này

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng mặt trời (NLMT) ngày càng được xem là nguồn năng lượng (NL) tái tạo quan trọng và thiết yếu đối với con người Với tiềm năng có thể được coi là vô tận, NLMT được sử dụng để sản xuất điện năng trực tiếp bằng pin mặt trời hoặc gián tiếp nhờ chu trình Rankine NLMT cũng có thể được chuyển hóa thành năng lượng hóa học, năng lượng cơ học, nhưng phổ biến, đơn giản và hiệu quả hơn cả là chuyển hóa thành nhiệt năng và được dùng để đun nước nóng cung cấp cho các nhu cầu sinh hoạt cũng như các quá trình có sử dụng nhiệt trong công nghiệp Trong lĩnh vực ứng dụng NLMT để đun nước nóng, các bộ thu kiểu tấm phẳng và kiểu ống thủy tinh chân không (TTCK) thường được

sử dụng do có cấu tạo đơn giản, hoạt động ổn định và chi phí chế tạo thấp Ngày nay, các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK được sử dụng phổ biến hơn vì chúng có nhiều ưu điểm nổi trội đã được kiểm chứng qua thực tiễn như có hiệu suất nhiệt cao trong phạm vi làm việc rộng, được mô-đun hóa đến từng ống nên dễ dàng thiết kế, lắp đặt hệ thống theo các mức độ công suất khác nhau, và có chi phí chế tạo rất thấp

Nhiều nghiên cứu khoa học ở trong và ngoài nước đã tiến hành đối với bộ thu kiểu ống TTCK Các nghiên cứu chia thành nhiều hướng khác nhau, tập trung vào nhiều mục tiêu như: nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng bộ thu, của tỉ lệ diện tích bộ thu so với thể tích bình chứa, của lưu lượng nước tuần hoàn qua bộ thu đến hiệu suất nhiệt, chi phí đầu tư

và khả năng thu hồi vốn, Các nghiên cứu có thể được thực hiện bằng

lý thuyết hoặc bằng thực nghiệm, song chủ yếu vẫn là nghiên cứu kết hợp thông qua xây dựng MHT (MHT) hoặc mô phỏng số rồi lấy thực nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình lý thuyết Mặc dù số lượng nghiên cứu khá nhiều, phong phú về nội dung, đa dạng về hướng, nhưng các kết quả công bố thiếu tính hệ thống, chưa rõ ràng, không thuận tiện cho người sử dụng trong việc tính toán thiết kế, lựa chọn lắp đặt hoặc đánh giá hiệu quả và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống bộ thu NLMT Nhằm mục đích xây dựng cơ sở khoa học giúp hỗ trợ việc định hướng hợp lý khi tính toán, phân tích, đánh giá chất lượng và hiệu quả làm việc của các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK, luận án này tập trung vào nghiên cứu các QTTN diễn ra trong ống TTCK để từ đó xác định các thông số đặc trưng (đặc tính) của bộ thu, đặc biệt khi làm việc trong điều kiện thời tiết ở Việt Nam

2 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của luận án là đặc tính làm việc và các QTTN (QTTN) trong ống TTCK của thiết bị đun nước nóng bằng

NLMT Ngoài ra, bức xạ mặt trời (BXMT) và phương pháp tính toán BXMT cũng là đối tượng mà luận án quan tâm nghiên cứu cùng với đối tượng chính, nhằm hỗ trợ cho việc nghiên cứu đối tượng chính

Phương pháp nghiên cứu là xây dựng các MHT, MHMP (MHMP), kết hợp với xây dựng mô hình vật lý (MHVL) để nghiên cứu, thí nghiệm nhằm kiểm chứng và hiệu chỉnh các MHMP Sau đó sử dụng các mô hình đã được kiểm chứng, đủ độ tin cậy để nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn tính toán bộ thu NLMT

3 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan tình hình nghiên cứu về bộ thu NLMT kiểu ống TTCK;

- Nghiên cứu về BXMT, phương pháp xác định các thành phần BX, xác định tổng lượng BX hấp thụ trên bề mặt bộ thu;

- Xây dựng MHMP ống TTCK, mô phỏng bộ thu NLMT;

- Nghiên cứu QTTN trong bộ thu, xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong ống, xác định công suất nhiệt, phân bố nhiệt độ nước trong ống góp, nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu;

- Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm bao gồm các thiết bị đo đạc dữ liệu thời tiết như nhiệt độ không khí, cường độ BXMT, nhiệt độ nước, lưu lượng nước tuần hoàn, phục vụ nghiên cứu thực nghiệm cũng như kiểm chứng MHMP;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành đến công suất và hiệu suất bộ thu

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

- Kết quả nghiên cứu, xây dựng và giải MHT xác định BX hấp thụ của

bộ thu NLMT kiểu ống TTCK bằng việc chia bề mặt ống trụ thành các phân tố dọc theo chu vi ống giúp cho việc thiết lập điều kiện biên của vùng nhận BX trong các MHMP CFD chính xác hơn;

- Làm sáng tỏ QTTN trong ống TTCK của bộ thu NLMT (quá trình hấp thụ BX trên bề mặt bộ thu và truyền nhiệt cho nước trong ống, quá trình tổn thất nhiệt ra môi trường);

- Phương trình tiêu chuẩn được xây dựng trong luận án thiết lập mối quan hệ giữa tiêu chuẩn Reynolds với các thông số vật lý và đường kính ống giúp tính toán, xác định lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn trong ống TTCK Đây là thông số quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất nhiệt hữu ích của từng ống cũng như của cả bộ thu Các hệ số trong phương trình tìm được bằng việc hồi quy các số liệu

đo và tính toán mô phỏng cho ống có đường kính trong/ngoài 47/58

mm theo các điều kiện làm việc khác nhau Phương pháp này có thể suy rộng cho các loại ống có kích thước bất kỳ;

- Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong ống dựa trên nghiên cứu mô phỏng CFD giúp mở rộng khả năng phân tích, đánh giá mức độ và các yếu tố ảnh hưởng tới QTTN trong bộ thu;

- Phương pháp tính toán công suất nhiệt hữu ích dựa theo mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm có thể áp dụng cho các loại bộ thu NLMT ở mọi điều kiện làm việc khác nhau;

- Hàm đặc tính hiệu suất bộ thu NLMT kiểu ống TTCK được xây dựng trong luận án có thể sử dụng làm cơ sở khoa học quan trọng trong một số nghiên cứu về NLMT ở Việt Nam

5 Điểm mới của luận án

- Đã xây dựng và giải mô hình xác định BX hấp thụ trên bề mặt hấp thụ của bộ thu NLMT kiểu TTCK bằng việc chia bề mặt ống trụ thành các phân tố dọc theo chu vi ống;

- Bằng việc sử dụng nghiên cứu mô phỏng CFD và thực nghiệm đã tính được các tiêu chuẩn Re và Ra*, từ đó xây dựng được phương trình tiêu chuẩn ( )* 0,709

Re=0, 012 Ra và tính được lưu lượng nước tuần hoàn trong ống TTCK;

- Xây dựng được phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong ống dựa trên kết quả nghiên cứu mô phỏng CFD;

- Bằng nghiên cứu mô phỏng đã xác định được nhiệt độ trung bình trên

bề mặt hấp thụ và từ đó xây dựng được phương pháp tính công suất nhiệt hữu ích của các loại bộ thu NLMT sử dụng ống TTCK theo các điều kiện làm việc khác nhau;

- Xây dựng được phương pháp và hệ thống thí nghiệm để xác định các thành phần BXMT sử dụng 02 BX kế (pyranometer);

- Xác định được hiệu suất của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK bằng cả

lý thuyết và thực nghiệm Đây là thông số quan trọng để tính toán công suất nhiệt hữu ích của bộ thu NLMT

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Năng lượng mặt trời và ứng dụng

1.1.1 Thực trạng tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính

Xã hội càng phát triển, các hoạt động công nghiệp và đời sống con

người ngày càng tăng cao, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng ngày càng

lớn Nếu so sánh giữa hai mốc thời gian là năm 1973 và 2015 thì mức

tiêu thụ năng lượng của thế giới đã tăng lên rất nhiều Các số liệu thống

kê của IEA minh họa rõ về điều này [84]

1.1.2 Vai trò của năng lượng mặt trời

Trong số các ứng dụng nhiệt của NLMT thì ứng dụng để đun nước

nóng là đơn giản, hiệu quả và phổ biến nhất

1.2 Vai trò của việc nghiên cứu đặc tính làm việc và các QTTN

trong ống TTCK của bộ thu NLMT

Khi tính toán các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK người ta vẫn

thường phải sử dụng khái niệm “tấm phẳng tương đương” tức là coi bộ

thu kiểu ống tương đương với bộ thu kiểu tấm phẳng là mặt phẳng qua

trục và bao tất cả các ống, bỏ qua độ cong và khe hở giữa các ống Với

cách tính này, sai số nhiều khi là không nhỏ và không thể hiện đúng bản

chất của bộ thu QTTN trong bộ thu ống TTCK cũng không giống với

trong bộ thu tấm phẳng Vì thế việc nghiên cứu đặc tính làm việc và các

QTTN trong ống TTCK là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn, giúp xây

dựng cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế cũng như vận hành tối ưu

các hệ thống đun nước nóng bằng NLMT

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Các nghiên cứu ở trong nước

Ở nước ta, đã có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu về NLMT

và các ứng dụng của nó, đặc biệt là ứng dụng nhiệt Các nghiên cứu có

thể chia thành 3 lĩnh vực lớn là: (1) nghiên cứu đánh giá tiềm năng và

phân bố NLBXMT của Việt Nam [39, 8]; (2) nghiên cứu cải tiến, phát

triển khoa học và công nghệ khai thác, sử dụng NLMT [1, 2, ]; và (3)

2015: 13647 Mtoe

nghiên cứu đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các hệ thống NLMT [10, 11, .] Tuy số lượng nghiên cứu khá nhiều nhưng việc ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế còn khá hạn chế, chưa giải quyết được các vấn đề thường gặp trong việc ứng dụng NLMT để cấp nhiệt nói chung và đun nước nóng nói riêng

Trong số các nghiên cứu trong nước, QTTN của tia BX khi đập tới bề mặt hấp thụ của bộ thu, truyền vào cho nước trong ống, cũng như quá trình thoát nhiệt từ bộ thu ra môi trường chưa được quan tâm nghiên cứu đúng mức Đặc biệt là, với kiểu bộ thu NLMT ống TTCK là loại được thương mại hóa rất phổ biến trên thị trường thì hầu như chưa có nghiên cứu nào đề cập đến QTTN trong ống

1.3.2 Các nghiên cứu ở ngoài nước

Trên thế giới, có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng NLMT vào thực tế NLMT có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhưng đơn giản và hiệu quả nhất là để cấp nhiệt, đun nước nóng Các nghiên cứu trong lĩnh vực này rất đa dạng và thường hướng đến mục tiêu nâng cao hiệu suất, khả năng làm việc ổn định và lâu dài của thiết bị và giảm giá thành sản phẩm Các nghiên cứu liên quan đến việc đun nước nóng bằng NLMT có thể chia thành 3 hướng gồm: nghiên cứu về các loại vật liệu chế tạo bộ thu; nghiên cứu về các cấu trúc, kết cấu bộ thu; nghiên cứu về các QTTN và đặc tính làm việc của bộ thu Trong các nghiên cứu kể trên thì nghiên cứu về các QTTN và đặc tính làm việc của bộ thu là khó khăn nhất bởi QTTN trong bộ thụ cũng như đặc tính làm việc của nó rất phức tạp, phụ thuộc nhiều thông số hoạt động Tuy phức tạp nhưng hướng nghiên cứu này lại được đầu tư nghiên cứu nhiều nhất bởi chúng quyết định đến hiệu quả làm việc của bộ thu Các nghiên cứu về hướng này lại có thể chia thành 4 nhóm: (a) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bố thu dùng ống chữ U [50, 123, ]; (b) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ thu sử dụng ống nhiệt [75, 76, ]; (c) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ thu sử dụng chất lỏng nano làm môi chất truyền nhiệt [103, 104, ]; (d) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ thu kiểu nước trong ống TTCK [68, 69, ]

1.3.3 Một số vấn đề tồn tại và sự cần thiết nghiên cứu

- Các nghiên cứu trong nước chưa đáp ứng được yêu cầu về tính toán, nghiên cứu QTTN cũng như các thông số hoạt động của ống TTCK trong bộ thu NLMT;

- Có nhiều nghiên cứu ở nước ngoài về NLMT và các ứng dụng nhiệt của nó, nhưng chưa có công trình nào tập trung nghiên cứu một cách có

hệ thống từ quá trình của tia BXMT đập tới bề mặt bộ thu đến quá trình

hấp thụ bức xạ, truyền nhiệt cho chất lỏng của bộ thu và thoát nhiệt từ bộ thu ra ngoài khi kể đến sự che khuất giữa các ống cạnh nhau

Vì thế, cần thiết phải nghiên cứu các quá trình của tia BX từ không gian bên ngoài đập tới bề mặt ống hấp thụ và truyền nhiệt cho nước trong ống thủy tinh, cũng như quá trình tổn thất nhiệt từ bộ thu ra môi trường

để từ đó xác định các đặc tính làm việc của bộ thu

Kết luận chương 1

Đã tổng quan tình hình tiêu thụ NL và phát thải khí nhà kính, phân tích vai trò của NLMT và việc nghiên cứu ứng dụng nhiệt của NLMT Thông qua việc xem xét, phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài nước về lĩnh vực nhiệt MT, chủ yếu tập trung với kiểu bộ thu ống TTCK, đề xuất hướng nghiên cứu mới Đề tài luận án nhằm nghiên cứu làm rõ bản chất QTTN bên trong ống, từ đó xác định các đặc tính làm việc quan trọng của bộ thu (công suất, hiệu suất, nhiệt độ nước ra)

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG

2.1 Nguyên lý làm việc của thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không

Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT là hệ thống thiết bị gồm các bộ phận như bộ thu NLMT, bình chứa nước nóng, thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị đun nóng bổ sung, Trong đó bộ thu NLMT là bộ phận quan trọng nhất, có ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả làm việc của toàn hệ thống Bộ thu NLMT kiểu ống TTCK là loại được sử dụng phổ biến hiện nay do có nhiều ưu điểm đã được kiểm chứng qua thực tiễn

2.2 Cơ sở lý thuyết về bức xạ mặt trời

Lý thuyết về BXMT đã được xây dựng và công bố khá nhiều Trong luận án này sử dụng lý thuyết đã được công bố trong tài liệu “Solar engineering of thermal processes” của các tác giả John A Duffie và William A Beckman tái bản lần thứ 4 năm 2013 [91]

2.3 Quá trình truyền nhiệt trong ống thủy tinh chân không

2.3.1 Các dòng nhiệt truyền của ống thủy tinh chân không

Phương trình cân bằng năng lượng trên bề mặt ống hấp thụ:

bx 1 đl 1 1

Q = + (2.36) Trong đó: Qht1 là dòng nhiệt hấp thụ trên bề mặt hấp thụ, sẽ được tính

ở phần sau của luận án (chính là Qabs trong công thức 2.43); Q1bx là dòng nhiệt tổn thất, chính là QL trong công thức (2.74); Q1đl là dòng nhiệt hữu ích truyền cho nước trong bộ thu:

( o i)

p c đl

Q =   − (2.37)

của tia bức xạ trong

ống thủy tinh chân

không

Tích số truyền - hấp thụ giữa hai bề mặt trụ đồng trục:

( ) =  ( −)

=0 n

n

1 (2.38) Giá trị của tích số truyền - hấp thụ được xác định cho từng thành phần trực xạ, tán xạ và phản xạ như trong các công thức (2.44)  (2.48)

2.3.4 Mô hình toán xác định lượng bức xạ hấp thụ trên bề mặt hấp thụ của bộ thu

Đường kính, chiều dài, khoảng cách giữa các ống

Nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ

Các góc giới hạn che khuất

Góc lệch

Góc giờ

Góc tới của tia trực xạ Góc chắn tia trực xạ

Các giá trị tích số truyền

- hấp thụ Các thành

phần bức xạ:

trực xạ, tán xạ

và phản xạ

Diện tích nhận trực xạ

Tổng lượng các thành phần:

- Trực xạ;

- Tán xạ;

- Phản xạ.

Tổng BXMT hấp thụ trên bề mặt bộ thu

Để tính hệ số tổn thất nhiệt của bộ thu

Hệ số TĐNĐL giữa mặt trong ống và nước

Diện tích nhận tán xạ, phản xạ

Thông số hình học của bộ thu

Dữ liệu thời gian

Hình 2.8 Sơ đồ khối mô hình xác định bức xạ hấp thụ trên bề mặt bộ thu

Tổng BX đưa tới 1 đơn vị diện tích bề mặt bộ thu và trên toàn bộ bề mặt bộ thu được xác định theo công thức (2.39) và (2.40) [91]:

r c s

c d b b

G =  +  − +  − (2.39)

ap t ap

abs abs

r L F G z

d r L F G d

r L F G z

d r L cos

cos G )

1 z ( r L cos

cos G Q

i 2

r c b b r i

0

r c t t r

i 2

s c d b d i

t d

i z b b i

z b b

abs

2

1

(2.43) Các tích số truyền - hấp thụ được xác định như sau [42]:

cos

1 b

t d t

cos

1 b 1

( ) ( )bn

ed 0 b b

1 cos

1 b 1

t r t

cos

1b1

b r b

cos

1b1

 là góc phương vị của bộ thu (đã trình bày ở mục 2.2.2)

Hình 2.9 Hệ trục tọa độ và các thông số hình học sử dụng trong mô hình

Véc tơ đơn vị tại một điểm bất kỳ trên bề mặt ống trong hệ tọa độ mới:

(sin ξ cosξ 0)

nc = (2.55) Góc chắn tia trực xạ:

sincosnsinncosn'n

'ntan

z y

z y

x y

x

Góc tới xác định theo véc tơ đơn vị tại điểm bất kỳ trên bề mặt trụ:

ex y ex

x sin n' cos'

ncos=   +   (2.57)

Các góc giới hạn của tia BX thể hiện trên hình 2.6:

d

sinC2d

i

ex o

ex 2 ex

1

d

sinC2darcsin

;2

2.3.5 Tổn thất nhiệt của bộ thu kiểu ống thủy tinh chân không

11

- Hệ số truyền nhiệt bức xạ từ bề mặt ống bao đến môi trường:

a 2

4 s 4 2 0 2 bx 2

TT

TT

1

2 đl

- Hệ số truyền nhiệt bức xạ từ ống hấp thụ đến ống bao:

2 1

4 2 4 1 0 2 1 bx 1

TT

TT

A

1A

a 1 L 1 2

TTUTT

Mật độ dòng nhiệt và dòng nhiệt tổn thất từ 1 ống TTCK và trên cả

bộ thu gồm z ống được tính theo công thức (2.72), (2.73) và (2.74):

( 1 a)L

q =  − , W/m2 (2.72)

( 1 a)L

1 L 1

Q =   − , W (2.73)

( 1 a)L

1 L

từ 1 ống TTCK và tổn thất nhiệt của cả bộ thu ra môi trường

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG 3.1 Xây dựng chương trình tính lượng bức xạ hấp thụ và chương trình tính tổn thất nhiệt của bộ thu

EES - Engineering Equation Solver là phần mềm giải các phương trình kỹ thuật bao gồm các phương trình đại số, các phương trình vi phân, các phương trình với biến phức tạp sẽ được sử dụng để xây dựng các chương trình tính này Lưu đồ thuật toán và giao diện chương trình tính được thể hiện trên hình 3.1, 3.2, 3.3, 3.4

Hình 3.2 Chương trình tính bức xạ hấp thụ trên bề mặt bộ thu

Hình 3.4 Chương trình tính tổn thất nhiệt