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

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Năng lượng mặt trời (NLMT) ngày xem nguồn lượng (NL) tái tạo quan trọng thiết yếu người Với tiềm coi vô tận, NLMT sử dụng để sản xuất điện trực tiếp pin mặt trời gián tiếp nhờ chu trình Rankine NLMT chuyển hóa thành lượng hóa học, lượng học, phổ biến, đơn giản hiệu chuyển hóa thành nhiệt dùng để đun nước nóng cung cấp cho nhu cầu sinh hoạt q trình có sử dụng nhiệt công nghiệp Trong lĩnh vực ứng dụng NLMT để đun nước nóng, thu kiểu phẳng kiểu ống thủy tinh chân không (TTCK) thường sử dụng có cấu tạo đơn giản, hoạt động ổn định chi phí chế tạo thấp Ngày nay, thu NLMT kiểu ống TTCK sử dụng phổ biến chúng có nhiều ưu điểm trội kiểm chứng qua thực tiễn có hiệu suất nhiệt cao phạm vi làm việc rộng, mơ-đun hóa đến ống nên dễ dàng thiết kế, lắp đặt hệ thống theo mức độ cơng suất khác nhau, có chi phí chế tạo thấp Nhiều nghiên cứu khoa học nước tiến hành thu kiểu ống TTCK Các nghiên cứu chia thành nhiều hướng khác nhau, tập trung vào nhiều mục tiêu như: nghiên cứu ảnh hưởng góc nghiêng thu, tỉ lệ diện tích thu so với thể tích bình chứa, lưu lượng nước tuần hoàn qua thu đến hiệu suất nhiệt, chi phí đầu tư khả thu hồi vốn, Các nghiên cứu thực lý thuyết thực nghiệm, song chủ yếu nghiên cứu kết hợp thông qua xây dựng MHT (MHT) mô số lấy thực nghiệm để kiểm chứng hiệu chỉnh mơ hình lý thuyết Mặc dù số lượng nghiên cứu nhiều, phong phú nội dung, đa dạng hướng, kết cơng bố thiếu tính hệ thống, chưa rõ ràng, không thuận tiện cho người sử dụng việc tính tốn thiết kế, lựa chọn lắp đặt đánh giá hiệu yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống thu NLMT Nhằm mục đích xây dựng sở khoa học giúp hỗ trợ việc định hướng hợp lý tính tốn, phân tích, đánh giá chất lượng hiệu làm việc thu NLMT kiểu ống TTCK, luận án tập trung vào nghiên cứu QTTN diễn ống TTCK để từ xác định thơng số đặc trưng (đặc tính) thu, đặc biệt làm việc điều kiện thời tiết Việt Nam Đối tượng nghiên cứu phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án đặc tính làm việc QTTN (QTTN) ống TTCK thiết bị đun nước nóng NLMT Ngồi ra, xạ mặt trời (BXMT) phương pháp tính tốn BXMT đối tượng mà luận án quan tâm nghiên cứu với đối tượng chính, nhằm hỗ trợ cho việc nghiên cứu đối tượng Phương pháp nghiên cứu xây dựng MHT, MHMP (MHMP), kết hợp với xây dựng mơ hình vật lý (MHVL) để nghiên cứu, thí nghiệm nhằm kiểm chứng hiệu chỉnh MHMP Sau sử dụng mơ hình kiểm chứng, đủ độ tin cậy để nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn tính tốn thu NLMT Nội dung nghiên cứu - Tổng quan tình hình nghiên cứu thu NLMT kiểu ống TTCK; - Nghiên cứu BXMT, phương pháp xác định thành phần BX, xác định tổng lượng BX hấp thụ bề mặt thu; - Xây dựng MHMP ống TTCK, mô thu NLMT; - Nghiên cứu QTTN thu, xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ống, xác định công suất nhiệt, phân bố nhiệt độ nước ống góp, nhiệt độ nước khỏi thu; - Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm bao gồm thiết bị đo đạc liệu thời tiết nhiệt độ khơng khí, cường độ BXMT, nhiệt độ nước, lưu lượng nước tuần hoàn, phục vụ nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng MHMP; - Nghiên cứu ảnh hưởng thông số vận hành đến công suất hiệu suất thu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: - Kết nghiên cứu, xây dựng giải MHT xác định BX hấp thụ thu NLMT kiểu ống TTCK việc chia bề mặt ống trụ thành phân tố dọc theo chu vi ống giúp cho việc thiết lập điều kiện biên vùng nhận BX MHMP CFD xác hơn; - Làm sáng tỏ QTTN ống TTCK thu NLMT (quá trình hấp thụ BX bề mặt thu truyền nhiệt cho nước ống, trình tổn thất nhiệt mơi trường); - Phương trình tiêu chuẩn xây dựng luận án thiết lập mối quan hệ tiêu chuẩn Reynolds với thông số vật lý đường kính ống giúp tính tốn, xác định lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn ống TTCK Đây thông số quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất nhiệt hữu ích ống thu Các hệ số phương trình tìm việc hồi quy số liệu đo tính tốn mơ cho ống có đường kính trong/ngồi 47/58 mm theo điều kiện làm việc khác Phương pháp suy rộng cho loại ống có kích thước bất kỳ; Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ống dựa nghiên cứu mô CFD giúp mở rộng khả phân tích, đánh giá mức độ yếu tố ảnh hưởng tới QTTN thu; - Phương pháp tính tốn cơng suất nhiệt hữu ích dựa theo mơ kiểm chứng thực nghiệm áp dụng cho loại thu NLMT điều kiện làm việc khác nhau; - Hàm đặc tính hiệu suất thu NLMT kiểu ống TTCK xây dựng luận án sử dụng làm sở khoa học quan trọng số nghiên cứu NLMT Việt Nam Ý nghĩa thực tiễn: - Đã xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm để nghiên cứu, kiểm chứng mơ hình xác định BX đập tới bề mặt hấp thụ hệ thống thiết bị thí nghiệm để nghiên cứu, kiểm chứng trình trao đổi nhiệt bên thu NLMT kiểu ống TTCK; - Các kết nghiên cứu luận án góp phần tạo nên sở khoa học tin cậy việc tính tốn, phân tích, đánh giá, tối ưu hóa phương án thiết kế, lắp đặt vận hành hệ thống đun nước nóng NLMT kiểu ống TTCK sử dụng phổ biến dân dụng công nghiệp Điểm luận án - Đã xây dựng giải mơ hình xác định BX hấp thụ bề mặt hấp thụ thu NLMT kiểu TTCK việc chia bề mặt ống trụ thành phân tố dọc theo chu vi ống; - Bằng việc sử dụng nghiên cứu mô CFD thực nghiệm tính tiêu chuẩn Re Ra*, từ xây dựng phương - ( ) trình tiêu chuẩn Re = 0,012  Ra* - - 0,709 tính lưu lượng nước tuần hồn ống TTCK; Xây dựng phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ống dựa kết nghiên cứu mô CFD; Bằng nghiên cứu mô xác định nhiệt độ trung bình bề mặt hấp thụ từ xây dựng phương pháp tính cơng suất nhiệt hữu ích loại thu NLMT sử dụng ống TTCK theo điều kiện làm việc khác nhau; Xây dựng phương pháp hệ thống thí nghiệm để xác định thành phần BXMT sử dụng 02 BX kế (pyranometer); Xác định hiệu suất thu NLMT kiểu ống TTCK lý thuyết thực nghiệm Đây thơng số quan trọng để tính tốn cơng suất nhiệt hữu ích thu NLMT CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Năng lượng mặt trời ứng dụng 1.1.1 Thực trạng tiêu thụ lượng phát thải khí nhà kính Xã hội phát triển, hoạt động công nghiệp đời sống người ngày tăng cao, nhu cầu sử dụng lượng ngày lớn Nếu so sánh hai mốc thời gian năm 1973 2015 mức tiêu thụ lượng giới tăng lên nhiều Các số liệu thống kê IEA minh họa rõ điều [84] 1.1.2 Vai trò lượng mặt trời Trong số ứng dụng nhiệt NLMT ứng dụng để đun nước nóng đơn giản, hiệu phổ biến Hình 1.1 Dự báo sử dụng NLMT cho số ứng dụng đến năm 2050 (Nguồn: IEA) 1.2 Vai trò việc nghiên cứu đặc tính làm việc QTTN ống TTCK thu NLMT Khi tính tốn thu NLMT kiểu ống TTCK người ta thường phải sử dụng khái niệm “tấm phẳng tương đương” tức coi thu kiểu ống tương đương với thu kiểu phẳng mặt phẳng qua trục bao tất ống, bỏ qua độ cong khe hở ống Với cách tính này, sai số nhiều không nhỏ chất thu QTTN thu ống TTCK khơng giống với thu phẳng Vì việc nghiên cứu đặc tính làm việc QTTN ống TTCK cần thiết có ý nghĩa thực tiễn, giúp xây dựng sở khoa học cho việc tính tốn thiết kế vận hành tối ưu hệ thống đun nước nóng NLMT 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3.1 Các nghiên cứu nước Ở nước ta, có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu NLMT ứng dụng nó, đặc biệt ứng dụng nhiệt Các nghiên cứu chia thành lĩnh vực lớn là: (1) nghiên cứu đánh giá tiềm phân bố NLBXMT Việt Nam [39, 8]; (2) nghiên cứu cải tiến, phát triển khoa học công nghệ khai thác, sử dụng NLMT [1, 2, ]; (3) nghiên cứu đánh giá hiệu kinh tế - kỹ thuật hệ thống NLMT [10, 11, ] Tuy số lượng nghiên cứu nhiều việc ứng dụng kết nghiên cứu vào thực tế hạn chế, chưa giải vấn đề thường gặp việc ứng dụng NLMT để cấp nhiệt nói chung đun nước nóng nói riêng Trong số nghiên cứu nước, QTTN tia BX đập tới bề mặt hấp thụ thu, truyền vào cho nước ống, q trình nhiệt từ thu mơi trường chưa quan tâm nghiên cứu mức Đặc biệt là, với kiểu thu NLMT ống TTCK loại thương mại hóa phổ biến thị trường chưa có nghiên cứu đề cập đến QTTN ống 1.3.2 Các nghiên cứu nước Trên giới, có nhiều nghiên cứu ứng dụng NLMT vào thực tế NLMT ứng dụng nhiều lĩnh vực đơn giản hiệu để cấp nhiệt, đun nước nóng Các nghiên cứu lĩnh vực đa dạng thường hướng đến mục tiêu nâng cao hiệu suất, khả làm việc ổn định lâu dài thiết bị giảm giá thành sản phẩm Các nghiên cứu liên quan đến việc đun nước nóng NLMT chia thành hướng gồm: nghiên cứu loại vật liệu chế tạo thu; nghiên cứu cấu trúc, kết cấu thu; nghiên cứu QTTN đặc tính làm việc thu Trong nghiên cứu kể nghiên cứu QTTN đặc tính làm việc thu khó khăn QTTN thụ đặc tính làm việc phức tạp, phụ thuộc nhiều thông số hoạt động Tuy phức tạp hướng nghiên cứu lại đầu tư nghiên cứu nhiều chúng định đến hiệu làm việc thu Các nghiên cứu hướng lại chia thành nhóm: (a) nghiên cứu truyền nhiệt đặc tính bố thu dùng ống chữ U [50, 123, ]; (b) nghiên cứu truyền nhiệt đặc tính thu sử dụng ống nhiệt [75, 76, ]; (c) nghiên cứu truyền nhiệt đặc tính thu sử dụng chất lỏng nano làm môi chất truyền nhiệt [103, 104, ]; (d) nghiên cứu truyền nhiệt đặc tính thu kiểu nước ống TTCK [68, 69, ] 1.3.3 Một số vấn đề tồn cần thiết nghiên cứu - Các nghiên cứu nước chưa đáp ứng yêu cầu tính tốn, nghiên cứu QTTN thông số hoạt động ống TTCK thu NLMT; - Có nhiều nghiên cứu nước ngồi NLMT ứng dụng nhiệt nó, chưa có cơng trình tập trung nghiên cứu cách có hệ thống từ q trình tia BXMT đập tới bề mặt thu đến trình hấp thụ xạ, truyền nhiệt cho chất lỏng thu nhiệt từ thu ngồi kể đến che khuất ống cạnh Vì thế, cần thiết phải nghiên cứu trình tia BX từ khơng gian bên ngồi đập tới bề mặt ống hấp thụ truyền nhiệt cho nước ống thủy tinh, trình tổn thất nhiệt từ thu mơi trường để từ xác định đặc tính làm việc thu Kết luận chương Đã tổng quan tình hình tiêu thụ NL phát thải khí nhà kính, phân tích vai trò NLMT việc nghiên cứu ứng dụng nhiệt NLMT Thơng qua việc xem xét, phân tích, đánh giá cơng trình nghiên cứu nước lĩnh vực nhiệt MT, chủ yếu tập trung với kiểu thu ống TTCK, đề xuất hướng nghiên cứu Đề tài luận án nhằm nghiên cứu làm rõ chất QTTN bên ống, từ xác định đặc tính làm việc quan trọng thu (công suất, hiệu suất, nhiệt độ nước ra) CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN CHO CÁC Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG 2.1 Nguyên lý làm việc thiết bị đun nước nóng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không Thiết bị đun nước nóng NLMT hệ thống thiết bị gồm phận thu NLMT, bình chứa nước nóng, thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị đun nóng bổ sung, Trong thu NLMT phận quan trọng nhất, có ảnh hưởng định đến hiệu làm việc toàn hệ thống Bộ thu NLMT kiểu ống TTCK loại sử dụng phổ biến có nhiều ưu điểm kiểm chứng qua thực tiễn 2.2 Cơ sở lý thuyết xạ mặt trời Lý thuyết BXMT xây dựng công bố nhiều Trong luận án sử dụng lý thuyết công bố tài liệu “Solar engineering of thermal processes” tác giả John A Duffie William A Beckman tái lần thứ năm 2013 [91] 2.3 Quá trình truyền nhiệt ống thủy tinh chân không 2.3.1 Các dòng nhiệt truyền ống thủy tinh chân khơng Phương trình cân lượng bề mặt ống hấp thụ: (2.36) Q ht1 = Q1đl + Q1bx Trong đó: Qht1 dòng nhiệt hấp thụ bề mặt hấp thụ, tính phần sau luận án (chính Qabs cơng thức 2.43); Q1bx dòng nhiệt tổn thất, QL cơng thức (2.74); Q1đl dòng nhiệt hữu ích truyền cho nước thu: (2.37) Q1đl = m c  C p  (t o − t i ) Hình 2.5 Các dòng nhiệt xuất BXMT đập tới bề mặt ống TTCK 2.3.2 Sự che khuất ống cạnh Hình 2.6 Các góc giới hạn tia trực xạ 2.3.3 Quá trình tia xạ mặt trời ống TTCK tích số truyền - hấp thụ ống Hình 2.7 Quá trình tia xạ ống thủy tinh chân khơng Tích số truyền - hấp thụ hai bề mặt trụ đồng trục:  ( ) =      (1 −  )  n n =0 (2.38) Giá trị tích số truyền - hấp thụ xác định cho thành phần trực xạ, tán xạ phản xạ công thức (2.44)  (2.48) 2.3.4 Mơ hình tốn xác định lượng xạ hấp thụ bề mặt hấp thụ thu Góc nghiêng, góc phương vị, vĩ độ đặt thu Dữ liệu thời tiết Cường độ BXMT, nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ khơng khí Thơng số nhiệt vật lý thu Thơng số hình học thu Thơng số lắp đặt thu Nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ số truyền qua, hệ số hấp thụ Đường kính, chiều dài, khoảng cách ống Các hệ số góc xạ thu bầu trời, mặt đất Các thành phần xạ: trực xạ, tán xạ phản xạ Các giá trị tích số truyền - hấp thụ Diện tích nhận tán xạ, phản xạ Các góc giới hạn che khuất Hệ số TĐNĐL mặt ống nước Góc Dữ liệu thời gian Để tính hệ số tổn thất nhiệt thu Góc tới tia trực xạ Ngày, làm việc thu Góc chắn tia trực xạ Diện tích nhận trực xạ Tổng lượng thành phần: - Trực xạ; - Tán xạ; - Phản xạ Góc lệch Tổng BXMT hấp thụ bề mặt thu Hình 2.8 Sơ đồ khối mơ hình xác định xạ hấp thụ bề mặt thu Tổng BX đưa tới đơn vị diện tích bề mặt thu toàn bề mặt thu xác định theo công thức (2.39) (2.40) [91]: (2.39) G t = G b  R b + G d  Fc−s +   G  Fc−r Q i = A ap  G t = A ap  (G b  R b + G d  Fc−s +   G  Fc−r ) (2.40) Bức xạ hấp thụ đơn vị diện tích bề mặt hấp thụ thu: (2.41) q abs = ()b  G b  R b + ()d  G d  Fc−s + ()r    G  Fc−r Tổng xạ hấp thụ thu: (2.42) Q abs = q abs  A abs Từ đề xuất cơng thức tính tổng xạ hấp thụ toàn bề mặt thu gổm z ống TTCK: Q abs = ( )b  G b  2 cos  cos   L  ri   + (z − 1)   ( )b  G b   L  ri  d cos  z cos  z 1 2   + z    ( )dt   G d  Fc −s  L  ri  d +  ( )db  G d  Fc −s  L  ri  d  0      + z    ( )rt   t  G  Fc − r  L  ri  d +  ( )br   b  G  Fc − r  L  ri  d  0  (2.43) Các tích số truyền - hấp thụ xác định sau [42]: ()b = 1 − b    − 1  ()bn cos       − 1  ( )bn  cos  ed   ( )dt  = k dt  1 − b    (2.44) (2.45)     cos  ed ( )db = k db  1 − b     − 1  ( )bn  (2.46)  − 1  ( )bn    cos  eg      = k br  1 − b   − 1  ( )bn   cos  eg     ()rt = k rt  1 − b   ()br (2.47) (2.48) Trong hệ tọa độ mặt đất phẳng, véc tơ đơn vị từ trái đất đến mặt trời mô tả n s = n x , n y , n z , cụ thể sau ( ) n x = cos   cos   cos  + sin   sin  (2.49) (2.50) n y = − cos   sin  n z = − cos   sin   cos  + sin   cos  (2.51) Trong hệ tọa độ (hình 2.9), véc tơ đơn vị từ trái đất đến mặt trời biểu diễn n 's = (n ' x , n ' y , n ' z ) , cụ thể là: ( ) n ' x = n x cos  − n y  sin  + n z  cos   sin  n ' y = n y  cos  − n z  sin  ( (2.52) (2.53) ) n ' z = n x  sin  + n y  sin  + n z  cos   cos  (2.54)  góc phương vị thu (đã trình bày mục 2.2.2) Hình 2.9 Hệ trục tọa độ thơng số hình học sử dụng mơ hình Véc tơ đơn vị điểm bề mặt ống hệ tọa độ mới: (2.55) n c = (sin ξ , cosξ , 0) Góc chắn tia trực xạ: tan  ex = ( ) n ' x n x  cos  − n y  sin  + n z  cos   sin  = n' y n y  cos  − n z  sin  (2.56) Góc tới xác định theo véc tơ đơn vị điểm bề mặt trụ: (2.57) cos  = n ' x  sin  ex + n ' y  cos  ex Các góc giới hạn tia BX thể hình 2.6:  d + di  X1 = arcsin o   2C  (2.58)  d − di  X = arcsin o   2C  (2.59) điều kiện cho biên tích phân 1 2:  ex  X : che khuất hoàn toàn  d − 2C sin  ex X   ex  X1 : 1 =  ex + arcsin  o di   ex  X1 : 1 =  ex −  / 2;  =  ex +  /  −  ex  X1 : (2.60)  ;  =  ex +  /  (2.61) (2.62) 1 =  ex −  / 2;  =  ex +  / (2.63) X   −  ex  X1 :  d − 2C sin  ex 1 =  ex −  / 2;  =  ex − arcsin  o di   −  ex  X : che khuất hoàn toàn    (2.64) (2.65) Tất tham số liên quan đến công thức (2.43) mô tả biểu thức từ (2.44) đến (2.65) Để xác định BXMT hấp thụ ống thu, lý thuyết thực sở áp dụng chương trình số xây dựng phần mềm EES 2.3.5 Tổn thất nhiệt thu kiểu ống thủy tinh chân không Hình 2.10 Sơ đồ biểu diễn nhiệt trở ống TTCK - Hệ số tổn thất nhiệt toàn phần ống:   UL =  +   1bx   bx +  2đl 10    −1 (2.66) - Hệ số truyền nhiệt xạ từ bề mặt ống bao đến môi trường: T − Ts4  2bx =     (2.67) T2 − Ta - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ bề mặt ống bao đến môi trường [48]: A  2đl = 0,6   (5,7 + 3,8 ) (2.68) A1 Hệ số truyền nhiệt xạ từ ống hấp thụ đến ống bao: T − T24 1bx = 1−2    (2.69) T1 − T2 Độ đen quy dẫn hai bề mặt ống: - - −1   1 A   (2.70) 1− =  +   − 1  A A      - Nhiệt độ bề mặt ống bao: U  (T − Ta ) T2 = T1 − L ,K (2.71) 1bx Từ xây dựng thuật toán để xác định hệ số tổn thất nhiệt toàn phần ống sau: Chọn trước giá trị nhiệt độ bề mặt ngồi ống bao T2, tính hệ số truyền nhiệt theo công thức (2.67), (2.68), (2.69), (2.70) thay vào cơng thức (2.66) để tính hệ số tổn thất nhiệt toàn phần, cuối kiểm tra lại công thức (2.71) Nếu kết kiểm tra xấp xỉ giá trị giả thiết (lấy sai số cho phép 3%) chấp nhận giá trị nhiệt độ hệ số truyền nhiệt tính được, khơng giả thiết giá trị nhiệt độ khác lặp lại bước tính Mật độ dòng nhiệt dòng nhiệt tổn thất từ ống TTCK thu gồm z ống tính theo cơng thức (2.72), (2.73) (2.74): (2.72) q L = U L  (T1 − Ta ) , W/m2 Q L1 = A L1  U L  (T1 − Ta ) , W Q L = z  A L1  U L  (T1 − Ta ) , W (2.73) (2.74) Kết luận chương Trong chương này, trình bày tóm tắt ngun lý cấu tạo hoạt động thu NLMT kiểu ống TTCK, lý thuyết BXMT, lý thuyết truyền nhiệt Từ xây dựng MHT giúp xác định lượng xạ hấp thụ bề mặt hấp thụ thu xác định tổn thất nhiệt từ ống TTCK tổn thất nhiệt thu mơi trường 11 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÔ PHỎNG BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHƠNG 3.1 Xây dựng chương trình tính lượng xạ hấp thụ chương trình tính tổn thất nhiệt thu EES - Engineering Equation Solver phần mềm giải phương trình kỹ thuật bao gồm phương trình đại số, phương trình vi phân, phương trình với biến phức tạp sử dụng để xây dựng chương trình tính Lưu đồ thuật tốn giao diện chương trình tính thể hình 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 Hình 3.2 Chương trình tính xạ hấp thụ bề mặt thu Hình 3.4 Chương trình tính tổn thất nhiệt 12 Bắt đầu Bắt đầu Nhập liệu mô tả thu: - Thơng số hình học; - Thơng số lắp đặt; - Thông số vật lý Nhập đặc tính kỹ thuật ống, nhiệt độ mơi trường, tốc độ gió Xác định góc giới hạn tia trực xạ Chọn trước nhiệt độ bề mặt ống bao Nhập thông số hoạt động thu: - Dữ liệu thời gian; - Dữ liệu thời tiết Tính hệ số truyền nhiệt Tính hệ số tổn thất nhiệt tồn phần Xác định đặc tính hình học tia xạ: góc tới, góc phơi nắng (góc chắn tia trực xạ), Tính nhiệt độ bề mặt ống bao Xác định tính chất vật lý tia xạ: tích số truyền qua - hấp thụ, hệ số phản xạ, So sánh với giá trị chọn (Kiểm tra sai lệch yêu cầu) Tính thành phần trực xạ, tán xạ, phản xạ tổng xạ hấp thụ Sai Đúng Có tiếp tục khơng? Tính tổn thất nhiệt ống TTCK Có Tính tổn thất nhiệt thu Không Xuất kết Xuất kết Kết thúc Kết thúc Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán xác định xạ hấp thụ bề mặt thu Hình 3.3 Lưu đồ thuật tốn xác định tổn thất nhiệt ống thu 3.2 Mô ống thủy tinh chân không thu 13 Hình 3.6 Xây dựng mơ hình Hình 3.7 Chia lưới mơ hình Hình 3.8 Thiết lập thơng số Hình 3.9 Các điều kiện biên Hình 3.10 Cường độ xạ mặt trời thời gian mô Kết mô hiển thị xử lý phần mềm CFD-Post Kết cho ta trường phân bố nhiệt độ, áp suất, vận tốc,… vùng mô Tùy theo trường hợp, kết lựa chọn xử lý giúp giải vấn đề cần nghiên cứu Hình 3.11 Kết mô 14 Bắt đầu Bắt đầu - Nhập mơ hình ống TTCK với kích thước thực - Nhập thông số vật lý thủy tinh làm ống Xây dựng mơ hình thu với kích thước thực tế chia lưới cho mơ hình Nhập thông số hoạt động: nhiệt độ nước, nhiệt độ không khí, cường độ xạ, Chia lưới cho mơ hình Thiết lập điều kiện biên, điều kiện ban đầu cho mơ hình mơ Chạy chương trình tính xạ hấp thụ Thiết lập chế độ mô Chạy chương trình tính tổn thất nhiệt Chạy mơ Thiết lập điều kiện biên, điều kiện ban đầu cho mơ hình mơ Thiết lập chế độ mơ So sánh kết mô với số liệu thực nghiệm Không phù hợp Chạy mô Phù hợp Tính phân bố nhiệt độ, vận tốc, lưu lượng tuần hồn, hệ số TĐN, cơng suất nhiệt So sánh kết mô với số liệu thực nghiệm Phù hợp Xuất kết Khơng phù hợp Tính phân bố nhiệt độ, vận tốc, lưu lượng, công suất, hiệu suất thu Kết thúc Xuất kết Hình 3.5 Lưu đồ thuật tốn mơ ống TTCK Kết thúc Hình 3.12 Lưu đồ thuật tốn mơ thu NLMT kiểu ống TTCK 3.3 Mô thu NLMT kiểu ống TTCK gắn với ống góp Cũng giống mơ ống TTCK, việc mô thu NLMT kiểu ống TTCK gắn với ống góp thực theo bước tương tự 15 Hình 3.14 Chia lưới mơ hình Hình 3.13 Xây dựng mơ hình MHMP thu NLMT kiểu ống TTCK gắn với ống góp xây dựng với kích thước thực hệ thống thí nghiệm, gồm 25 ống TTCK có đường kính ngồi ống hấp thụ/ống bao 47/58 mm, dày 1,6 mm dài 1794 mm Nước ống góp chảy cưỡng nhờ việc dùng bơm tuần hoàn Việc xây dựng chia lưới mơ hình thực mơ-đun ICEM-CFD phần mềm mơ ANSYS Mơ hình chia lưới gồm 662918 nút với tổng số 2438764 phần tử Hình 3.15 Thiết lập thơng số Hình 3.16 Kết mô Mô đun CFX-Post sử dụng để xử lý kết mô Kết mô xác định nhiệt độ nước khỏi thu, nhiệt độ nước ống góp, cơng suất nhiệt hữu ích thu thời điểm mô Các giá trị nhiệt độ nước khỏi thu, phân bố nhiệt độ nước ống góp so sánh kiểm chứng với giá trị đo thực nghiệm 3.4 Nghiên cứu đặc tính làm việc ống TTCK thu 3.4.1 Cơng suất nhiệt hữu ích ống TTCK Cơng suất nhiệt hữu ích mà ống nhận được: (3.6) Q u1 = Q G1 − Q L1 Công suất nhiệt hấp thụ bề mặt ống: (3.7) Q G1 = A  G Nhiệt tổn thất QL xác định theo (2.73) Nhiệt độ trung bình bề mặt ống hấp thụ đại lượng khó xác định lý thuyết thực nghiệm Giá trị xác định thông qua nghiên cứu mơ (hình 3.17) Hình 3.17 Phân bố nhiệt độ bề mặt ống 3.4.2 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu nước ống TTCK Q u1 = (3.8) A  (t w − t i ) 16 Mô CFD cho ta kết nghiên cứu chi tiết phân bố nhiệt độ, vận tốc, … đối tượng mô Xử lý kết mô xác định giá trị nhiệt độ tw tương tự ti hình 3.18 Sử dụng kết vừa tìm này, kết hợp nhiệt hữu ích ống xác định trên, Hình 3.18 Phân bố nhiệt độ cơng thức (3.8) giúp ta tính hệ số nước miệng ống trao đổi nhiệt đối lưu trung bình theo chiều dài nước ống TTCK 3.4.3 Lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn ống TTCK Lưu lượng nước tuần hồn ống xác định thơng qua lượng nhiệt hữu ích: m= Q u1 C p  (t f ,o − t f ,i ) (3.9) Hình 3.19 Phân bố vận tốc mặt cắt dọc mô hình Để xác định tf,o tf,i cách xác, tiến hành phân tích q trình lưu động nước qua miệng ống TTCK Phân bố véc tơ vận tốc nước miệng ống (hình 3.20) Trên hình này, thấy rõ véc tơ vào ống diện tích tương ứng mà qua Dòng nước khỏi ống có tốc độ lớn dòng Hình 3.20 Véc tơ vận tốc nước miệng ống vào phân bố phía ống Dòng vào phân bố phía dưới, tốc độ nhỏ so với dòng diện tích mà qua lại lớn để đảm bảo lưu lượng cân Dựa vào kết mơ phỏng, xác định xác phần diện tích mà dòng qua Kết hợp với phân bố nhiệt độ nước miệng ống thể hình 3.18, tính nhiệt độ trung bình nước vào ống, tf,i, khỏi ống, tf,o, ứng với phần diện tích xác định Các tiêu chuẩn đồng dạng xác định sau: Re = Pr = 4m d   a g    d  t 2 (3.10) Gr = (3.12) Ra = Gr  Pr = 17 g    d  t a (3.11) (3.13) Nu = d  (3.14) Vì việc xác định Δt = tw - tf gặp nhiều khó khăn nên đưa tiêu chuẩn Rayleigh sửa đổi: g    qu  d4 (3.15) Ra * = Nu  Ra =  Pr   2 Như vậy, tiêu chuẩn Gr, Ra Nu chưa xác định chưa biết Δt , Ra* lại hồn tồn xác định biết mật độ dòng nhiệt hữu ích qu.Với mục đích khái quát hóa, xây dựng phương pháp xác định lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn tự nhiên ống TTCK: ( ) Re = a  Ra * b (3.16) a, b hệ số phụ thuộc vào loại ống TTCK điều kiện làm việc, xác định thực nghiệm Bằng việc sử dụng nghiên cứu mô phỏng, giá trị Re Ra* nhiều chế độ hoạt động tính tốn, qua xác định hệ số a, b phương trình 3.4.4 Hiệu suất thu Ở trạng thái ổn định, hiệu suất tức thời thu xác định: Q (3.17) = u Qi Qu công suất nhiệt hữu ích lấy từ thu, Q1đl xác định theo cơng thức (2.37), Qi dòng nhiệt cung cấp cho thu BXMT: Qi = A C  G t (3.18) Hiệu suất thu hàm nhiều biến Đường biểu diễn hiệu suất thu tức thời theo điều kiện vận hành xác định: (3.19)  = 0 − a1  Tm* 0 hiệu suất cực đại thu, đạt thu khơng có tổn thất * nhiệt, Tm gọi chênh lệch nhiệt độ đơn vị Đây tổ hợp ba thông số vận hành nhiệt độ môi trường, nhiệt độ nước vào CĐBX mặt trời mặt phẳng thu: t −t (3.20) Tm* = i a Gt Nhờ việc tính tốn cơng suất nhiệt hữu ích thu nhiều chế độ hoạt động mục trên, hàm hiệu suất thu NLMT có dạng (3.19) xây dựng luận án Kết luận chương Đã xây dựng chương trình tính lượng BX hấp thụ, lượng nhiệt tổn thất ống thu, từ xây dựng MHMP CFD cho ống TTCK, cho thu gắn với ống góp phần mềm ANSYS Các MHMP 18 kiểm chứng hiệu chỉnh kết nghiên cứu thực nghiệm chương Từ kết nghiên cứu mô phỏng, xác định đại lượng đặc trưng (đặc tính) thu CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 4.1 Hệ thống thực nghiệm nghiên cứu xạ mặt trời - Qua phân tích cần thiết phải sử dụng số liệu tổng xạ mặt phẳng ngang, mặt phẳng nghiêng thành phần trực xạ, tán xạ, phản xạ, tác giả chọn phương án thiết kế chế tạo thiết bị đo BX phù hợp - Trên sở lý thuyết BXMT, thiết kế chế tạo hệ thống đo xác định thành phần tổng xạ, trực xạ tán xạ mà cần sử dụng BX kế 4.2 Hệ thống thực nghiệm nghiên cứu đặc tính thu NLMT Bộ thu NLMT ống TTCK B1, B2: Các bơm nước Bình chứa nước nóng T1  T6: Các đầu đo nhiệt độ Dàn giải nhiệt nước nóng V1  V7: Van cửa (gate valve) Đo BXMT V8, V9: Van xả khí Đo nhiệt độ khơng khí W1, W2: Lưu lượng kế Bình giãn nở Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị thí nghiệm - Thiết kế, chế tạo hệ thống khung giá đỡ thu hệ thống: Trên sở tính tốn sức bền vật liệu, thiết kế, chế tạo hệ thống khung sắt đỡ hệ thống thiết bị thí nghiệm thu NLMT - Thiết kế, chế tạo bình chứa nước nóng: Trên sở tính tốn nhiệt, thiết kế, chế tạo bình chứa nước nóng cho hệ thống - Thiết kế hệ thống điều khiển, đo lường tự động ghi số liệu: Trên sở tính tốn đo lường, điều khiển, thiết kế, lựa chọn lắp đặt hệ thống thiết bị đo tự động ghi số liệu Hình 4.14 Hình ảnh thiết bị thực nghiệm chế tạo lắp đặt 19 4.3 Một số kết nghiên cứu thực nghiệm - Nghiên cứu đo xạ: (1) Xác định chu kỳ điều chỉnh, góc lệch trung bình vị trí lỗ điều chỉnh, kết lập thành bảng (bảng 4.2); (2) Xây dựng bảng xác định khoảng cách từ tâm bóng che đến U ngang chiều rộng bóng che (bảng 4.3); (3) Xây dựng bảng xác định hệ số hiệu chỉnh tán xạ đo theo ngày tháng (bảng 4.4) - Nghiên cứu đặc tính thu: Hình 4.21 Nhiệt độ nước khỏi thu NLMT Hình 4.22 Nhiệt độ nước ống góp thu NLMT Trong chương 4, trình bày bước kết xây dựng hai hệ thống thiết bị thí nghiệm: 01 để nghiên cứu BXMT 01 để nghiên cứu đặc tính làm việc thu.Các hệ thống thí nghiệm sử dụng cho nghiên cứu thực nghiệm đồng thời giúp kiểm chứng hiệu chỉnh MHMP xây dựng chương Trên sở MHMP hiệu chỉnh, đủ độ tin cậy, nghiên cứu xác định đặc tính thu điều kiện làm việc 20 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 5.1 Các kết nghiên cứu 5.1.1 Cơng suất nhiệt hữu ích ống TTCK Hình 5.1 Cơng suất nhiệt hữu ích phụ thuộc Hình 5.2 Cơng suất nhiệt hữu ích phụ thuộc CĐBX hấp thụ ống nhiệt độ nước 30 oC CĐBX hấp thụ ống nhiệt độ nước 40 oC Hình 5.3 Cơng suất nhiệt hữu ích phụ thuộc Hình 5.4 Cơng suất nhiệt hữu ích phụ thuộc CĐBX hấp thụ ống nhiệt độ nước 50 oC CĐBX hấp thụ ống nhiệt độ nước 60 oC Các kết nghiên cứu cho thấy, với hệ thống đun nước nóng NLMT vận hành nhiệt độ cao cơng suất giảm (nhiệt hữu ích giảm, nhiệt tổn thất tăng) Do cần nâng cao công suất hệ thống mà không cần dùng nước nhiệt độ cao nên bố trí bình chứa tích lớn (đối với thu gắn với bình chứa) nên vận hành với lưu lượng lớn (các thu gắn với ống góp) Tuy nhiên việc tăng thể tích bình chứa lưu lượng dòng tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng liên quan đến tốn chi phí đầu tư 5.1.2 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ống TTCK Hình 5.5 Hệ số TĐNĐL ống phụ thuộc nhiệt độ nước CĐBX mà ống nhận 21 Kết tính tốn hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ống phụ thuộc nhiệt độ ban đầu nước CĐBX thể hình 5.5 Từ kết quả, ta thấy hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tăng mạnh CĐBX tăng Sở dĩ nhiệt tổn thất thay đổi nên mật độ dòng nhiệt truyền cho nước tăng CĐBX lớn Nhiệt độ nước ảnh hưởng đến hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Khi nhiệt độ nước tăng, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tăng lên Điều giải thích nhiệt độ nước tăng, độ nhớt nước giảm làm cho q trình tuần hồn tự nhiên nước diễn mạnh hơn, dẫn đến hệ số trao đổi nhiệt tăng Trong phạm vi nghiên cứu, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu nhỏ 107 W/(m2K) chế độ (tf,0 = 20 oC, G = 200 W/m2,  = 90 o) lớn 145 W/(m2K) chế độ (tf,0 = 60 oC, G = 800 W/m2,  = 45 o) Hình 5.6 Hệ số TĐNĐL ống phụ thuộc nhiệt độ nước góc chắn tia trực xạ Sự phụ thuộc hệ số trao đổi nhiệt đối lưu vào nhiệt độ nước góc chắn tia trực xạ thể hình 5.6 Theo kết này, giá trị nhiệt độ nước CĐBX hệ số trao đổi nhiệt tia xạ chiếu thẳng đứng ( = 90 o) nhỏ tia xạ chiếu xiên Tại nhiệt độ 60 oC CĐBX 800 W/m2 hệ số trao đổi nhiệt đối lưu góc chắn tia trực xạ 90 o 45 o 134,1 W/(m2K) 136,9 W/(m2K) Sự tăng hệ số trao đổi nhiệt giải thích ứng với góc chắn tia trực xạ khác 90 o, diện tích nhận xạ dịch chuyển sang mặt bên, nước ống đốt nóng phần diện tích có xu hướng lên phía tạo đối lưu tự nhiên dễ dàng, kết làm tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Các kết nghiên cứu cho thấy ống TTCK làm việc với độ chênh nhiệt độ bề mặt ống hấp thụ với nước khoảng không 10 oC Với chiều dày 1,6 mm hệ số dẫn nhiệt thủy tinh Borosilicate 1,2 W/(m.K) nhiệt độ bề mặt ngồi ống hấp thụ chênh khoảng 12 oC so với nước ống Như thế, lớp phủ hấp thụ chọn lọc đảm bảo không chịu nhiệt độ cao ống TTCK 22 làm việc lâu dài mà khơng sợ bị nhiệt Đây ưu điểm lớn thu NLMT kiểu ống TTCK 5.2 Ứng dụng kết nghiên cứu vào thực tế 5.2.1 Nghiên cứu xác định hiệu suất thu Trên sở kết này, ứng với trường hợp thu có sẵn, điều kiện vận hành định ứng với nhiệt độ môi trường ta , nhiệt độ nước vào thu tfi cường độ xạ tồn phần Gt biết (tổ Hình 5.7 Hàm đặc tính hiệu suất thu NLMT hợp thơng số xác định chế độ hoạt động thu), ta dễ dàng xác t fi − t a * định độ chênh nhiệt độ đơn vị Tm = xác định Gt hiệu suất thu  Đây đặc tính quan trọng thu, giúp cho người thiết kế tính quy mơ diện tích thu cần trang bị, giúp đánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật hệ thống đun nước nóng NLMT hoạt động 5.2.2 Xác định lưu lượng nước tuần hoàn ống TTCK Bằng việc sử dụng kết thu từ nghiên cứu mô ống TTCK, xác định lưu lượng khối lượng nước tuần hồn ống theo cơng thức (3.9) Từ giá trị lưu Hình 5.8 Phương trình tiêu chuẩn xác định lưu lượng nước lượng biết, tính tuần hồn ống TTCK đường kính ngồi 58 mm giá trị Re * theo (3.10) Ra theo (3.15) nhiều chế độ hoạt động ống TTCK, qua xác định hệ số a, b phương trình (3.16) việc hồi quy số liệu Kết thu phương trình tiêu chuẩn để xác định mối quan hệ tiêu chuẩn Reynolds với tiêu chuẩn Rayleigh sửa đổi 23 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Kết luận: Luận án giải mục tiêu đặt thể qua kết sau: - Xây dựng giải MHT xác định lượng BX hấp thụ bề mặt hấp thụ thu NLMT kiểu ống TTCK việc chia bề mặt ống trụ thành phân tố dọc theo chu vi ống Các kết nghiên cứu giúp việc thiết lập điều kiện biên vùng nhận BX MHMP CFD xác hơn; - Xây dựng phương trình tiêu chuẩn giúp tính tốn, xác định lưu lượng khối lượng nước tuần hồn ống TTCK Đây thơng số quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất nhiệt hữu ích ống Các hệ số thu phương trình kết hồi quy số liệu đo thực nghiệm tính tốn mơ cho ống TTCK có đường kính ngồi ống bao 58 mm, dài 1800 mm theo điều kiện làm việc khác Phương pháp suy rộng cho loại ống có kích thước bất kỳ; - Xây dựng phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ống TTCK dựa kết nghiên cứu mô CFD; - Xây dựng 01 hệ thống thí nghiệm để nghiên cứu kiểm chứng mơ hình xác định BX đập tới bề mặt hấp thụ thu NLMT; 01 hệ thống thí nghiệm để nghiên cứu kiểm chứng trình trao đổi nhiệt bên thu NLMT kiểu ống TTCK; - Tính tốn, xác định cơng suất nhiệt hữu ích ống TTCK hiệu suất thu NLMT sử dụng ống TTCK theo điều kiện làm việc khác dựa nghiên cứu mô Các kết nghiên cứu sử dụng việc tính tốn, thiết kế lắp đặt phân tích, đánh giá hiệu làm việc hệ thống thu NLMT Việt Nam Một số đề xuất: - Sử dụng MHMP xây dựng để nghiên cứu ảnh hưởng thông số làm việc đến trình trao đổi nhiệt ống TTCK đến hiệu suất thu NLMT Từ nghiên cứu tối ưu hóa góc nghiêng thu, tối ưu hóa thể tích bình chứa tối ưu hóa lưu lượng nước tuần hồn qua thu; - Nghiên cứu, phát triển phương pháp kết nối trực tiếp mơ hình xác định BX hấp thụ bề mặt hấp thụ thu NLMT kiểu ống TTCK với phần mềm mô CFD; - Nghiên cứu xây dựng phương trình tiêu chuẩn cho trình trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên nước ống TTCK sở phân tích q trình lưu động nước ống 24 ... nhiệt độ nước ra) CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN CHO CÁC Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG 2.1 Nguyên lý làm việc thiết bị đun nước nóng lượng mặt. .. lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân khơng Thiết bị đun nước nóng NLMT hệ thống thiết bị gồm phận thu NLMT, bình chứa nước nóng, thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị đun nóng bổ sung, Trong thu... nghiên cứu truyền nhiệt đặc tính thu sử dụng ống nhiệt [75, 76, ]; (c) nghiên cứu truyền nhiệt đặc tính thu sử dụng chất lỏng nano làm môi chất truyền nhiệt [103, 104, ]; (d) nghiên cứu truyền nhiệt