Tóm tắt: Luận văn trình bày tổng quan về năng lượng mặt trời, bộ gia nhiệt không khí sử dụng năng lượng mặt trời với tấm hấp thụ sử dụng nhám nhân tạo. Thực hiện mô phỏng động lực học lưu chất tính toán CFD nhằm xác định đặc tính của dòng không khí chuyển động trong ống có nhám dạng “3w”. Số liệu mô phỏng được thực hiện theo 3 biến số độc lập lần lượt là chiều cao nhám tương đối (eD h ) từ 0.026 đến 0.043, bước nhám tương đối (Pe) từ 5 đến 20 và số Reynolds (Re) từ 4000 đến 20000. Kết quả cho thấy tại eD h = 0.043, Pe = 10 và Re = 20000, dòng không khí chuyển động trong ống có biên dạng tối ưu nhất cho trao đổi nhiệt với số điểm tái đính kèm tối đa. Luận văn thực hiện lấy số liệu thực nghiệm kiểm chứng bằng cách chế tạo bộ sấy không khí theo chuẩn ASHREA 9397, thay thế bức xạ mặt trời bằng một nguồn nhiệt nhân tạo không đổi q = 1000 Wm 2 . Các biến số độc lập được lấy giá trị tương tự như phần CFD. Kết quả cho thấy: Khả năng truyền nhiệt và hệ số ma sát tối đa đạt được tại eD h = 0.043, Pe = 10 và Re = 20000, tương tự như phần CFD. Tham số hiệu quả nhiệt – thủy lực đạt giá trị tối đa là 1.66. Từ số liệu có được bằng cách thay đổi các thông số trong quá trình thực nghiệm, luận văn đề xuất phương trình Nusselt và phương trình hệ số ma sát đối với ống có nhám dạng “3w” với các biến số eD h , Pe và Re. Cuối cùng, luận văn đã đưa ra những đánh giá về hiệu quả của nhám nhân tạo, sai số giữa hàm lập và số liệu tính toán
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA 0O0 HOÀNG NAM HƯNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT VÀ MA SÁT TRONG ỐNG COLLECTOR KHƠNG KHÍ CĨ NHÁM NHÂN TẠO EXPERIMENTAL STUDY ON AUGMENTED HEAT TRANSFER AND FRICTION IN SOLAR AIR HEATER DUCT WITH ARTIFICIAL ROUGHNESS Chuyên ngành: Kỹ thuật Nhiệt Mã số học viên: 1570316 LUẬN VĂN THẠC SỸ TP HỊ CHÍ MINH, tháng năm 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH PHÚ Chữ ký: Cán chấm nhận xét 1: TS VÕ KIẾN QUỐC Chữ ký Cán chấm nhận xét 2: PGS TS BÙI TRUNG THÀNH Chữ ký Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày tháng năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch: GS.TS Lê Chí Hiệp Thư ký: TS Hà Anh Tùng ủy viên: TS Nguyễn Văn Hạp CBPB1: TS Võ Kiến Quốc CBPB2: PGS.TS Bùi Trung Thành Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỊNG TRƯỞNG KHOA KHÍ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ •••• Họ tháng, tên họcnăm viên:sinh: 28/12/1988 HỒNG NAM HƯNG Phái:Nơi sinh: Ngày, Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT MSHV: Nam An Nghệ 1570316 TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT VÀ MA SÁT TRONG ĨNG COLLECTOR KHƠNG KHÍ CĨ NHÁM NHÂN TẠO” II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: I ❖ Phân tích đặc tính dòng chảy ống có nhám nhân tạo sử dụng phần mềm ANSỸS Fluent 19.2 ❖ Chế tạo mô hình thực nghiệm mơ hình gia nhiệt khơng khí có nhám nhân tạo ❖ Viết chương trình tính tốn số liệu thực nghiệm EES ❖ Xây dựng phương trình thực nghiệm để tính tốn truyền nhiệt tổn thất áp suất collector có nhám nhân tạo ❖ Đánh giá hiệu truyền nhiệt so với collector dạng ống trơn khơng có nhám nhân tạo thơng qua tham số hiệu nhiệt thủy lực III NGẬY GIAO NHIÊM VỤ: IV NGÀY HỒN THẨNH NHIÊM VU: •• V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: - 11/02/2019 11/6/2019 TS NGUYỄN MINH PHÚ Tp HCM, ngày 11 tháng năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa, Khoa Cơ Khí, Bộ mơn Cơng nghệ Nhiệt lạnh toàn thể giảng viên bạn học viên tạo điều kiện cho tơi hồn thành khóa học cao học Xin gửi lời tri ân đến giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Minh Phú Thầy tận tình dẫn, định hướng, giải thích, đơn đốc giúp giải các vấn đề trọng yếu, qua hiểu hồn thành nội dung nghiên cứu luận văn Trong trình làm luận văn, cố gắng dành nhiều tâm huyết, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận góp ý nhận xét quý thầy cô bạn nhằm luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn Hoàng Nam Hưng Trang i TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày tổng quan lượng mặt trời, gia nhiệt khơng khí sử dụng lượng mặt trời vói hấp thụ sử dụng nhám nhân tạo Thực mơ động lực học lưu chất tính tốn - CFD nhằm xác định đặc tính dòng khơng khí chuyển động ống có nhám dạng “3w” số liệu mô thực theo biến số độc lập chiều cao nhám tưcmg đối (e/Dh) từ 0.026 đến 0.043, bước nhám tưcmg đối (P/e) từ đến 20 số Reynolds (Re) từ 4000 đến 20000 Kết cho thấy e/Dh = 0.043, p/e = 10 Re = 20000, dòng khơng khí chuyển động ống có biên dạng tối ưu cho trao đổi nhiệt vói số điểm tái đính kèm tối đa Luận văn thực lấy số liệu thực nghiệm kiểm chứng cách chế tạo sấy khơng khí theo chuẩn ASHREA 93-97, thay xạ mặt trời nguồn nhiệt nhân tạo không đổi q = 1000 w/m2 Các biến số độc lập lấy giá trị tưcmg tự phần CFD Ket cho thấy: Khả truyền nhiệt hệ số ma sát tối đa đạt e/Dh = 0.043, p/e = 10 Re = 20000, tưcmg tự phần CFD Tham số hiệu nhiệt - thủy lực đạt giá trị tối đa 1.66 Từ số liệu có cách thay đổi thơng số q trình thực nghiệm, luận văn đề xuất phưcmg trình Nusselt phưcmg trình hệ số ma sát đối vói ống có nhám dạng “3w” vói biến số e/Dh, p/e Re Cuối cùng, luận văn đưa đánh giá hiệu nhám nhân tạo, sai số hàm lập số liệu tính tốn Trang ii ABSTRACT The thesis presents an overview of solar energy, solar air heater with absorber plate using artificial roughness Nest, computational fluid dynamics (CFD) is used to clarify the flow pattern of air movement in the SAH duct thereby determining the characteristics of air flow moving in the tube with “3w” style roughness The simulated data are carried out by adopting independent variables: relative roughness height (|e/Dh) from 0.026 to 0.043, relative roughness pitch (P/e) from to 20 and Reynolds number (Re) from 4000 to 20000, respectively The results showed that the air flow in the tube has the best profile for heat transfer with maximum reattachment points at e/Dh = 0.043, p/e = 10 and Re = 20000 Thesis performed empirical data by manufacturing a collector according ASHREA 93-97 standard, replacing solar energy with a constant artificial heat source q = 1000 w/m2 Independent variables gets the same value as the CFD chapter The results showed that the maximum heat transfer capacity and friction factor achieved at e/Dh = 0.043, p/e = 10 and Re = 20000, are similar to CFD chapter Maximum thermo hydraulic parameter is 1.66 Based on the data collected from the test runs for “3w” roughness duct for various combinations of the roughness parameters, correlations are also developed for heat transfer and friction factor in terms of e/Dh, p/e and Re Finally, thesis provided assessments of the effect of artificial roughness, the error between the developed correlations and the experimental data Trang iii LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn nghiên cứu thực hướng dẫn khoa học giảng viên T.s Nguyễn Minh Phú Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu ghi mục Tài liệu tham khảo, ngồi khơng sử dụng tài liệu tham khảo khác mà không ghi Tôi xin cam đoan không chép kết nghiên cứu, cơng trình khoa học ngưòi khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng năm 2019 Hoàng Nam Hưng Trang iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii ABSTRACT .iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC V DANH MỤC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIÊU ix DANH MỤC KÝ HIỆU X CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Đối tượng nghiên cứu 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Các phương trình sở 1.6 Phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN 2.1 Tình hình nghiên cứu 2.1.1 Tình hình nghiên cứu giới 2.1.2 2.2 Tình hình nghiên cứu nước 18 Kết luận 21 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG số 25 3.1 Giới thiệu 25 3.2 Mơ tà tốn mô số 26 3.2.1 Thiết kế hình học 26 3.3 3.2.2 Tạo lưới kiểm tra độc lập lưới 27 3.2.3 Điều kiện biên phương trình tính tốn 32 3.2.4 Lựa chọn mơ hình rối 35 Ket mô số 35 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng thông số e/Dh, p/e, Re 36 3.3.2 So sánh với nhám tròn 40 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH THựC NGHỆM 44 4.1 Mô tả thực nghiệm 44 4.1.1 Ống thí nghiệm 44 4.2 4.1.2 Nguồn nhiệt 45 4.1.3 Tấm hấp thụ 46 Phương tiện đo sai số 47 Trang V 4.2.1 Đo nhiệt độ 47 4.3 4.2.2 Đo lưu lượng 48 4.2.3 Đo áp suất 50 4.2.4 Đo dòng điện điện áp 51 Ket quà thào luận 52 4.3.1 Sai số thực nghiệm 52 4.3.2 Ảnh hưởng bước nhám tương đối p/e 54 4.3.3 Ảnh hưởng chiều cao nhám tương đối e/Dh 59 CHƯƠNG 5: PHÁT TRIỂN PHƯƠNG TRÌNH NUSSELT VÀ HỆ số MA SÁT 63 5.1 Phương trình Nusselt 63 5.2 Phương trình hệ số ma sát 67 5.3 Nhận xét thực nghiệm 71 CHƯƠNG 6: KỂT LUẬN VÀ KEN NGHỊ 72 6.1 Kết luận 72 6.2 Kiến nghị 73 PHỤ LỤC 75 Phụ lục Code EES tính lưu lượng gió từ tổn thất áp suất [28] 75 Phụ lục Code tính tốn số Nusselt, hệ số ma sát, tham số hiệu quà nhiệt- thủy lực [28] 76 Phụ lục Code lập hàm Nusselt, hàm hệ số ma sát từ số liệu thực nghiệm [28] 78 Phụ lục Mơ hình tính tốn SAH [32] 79 Phụ lục Bàng số liệu thực nghiệm 83 TÀI LÊU THAM KHẢO 84 LÝ LỊCH HỌC VIÊN 88 Trang vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Biểu đồ số nắng trung bình thành phố Hồ Chí Minh (Baulch cộng sự, 2017) Hình 1.2 Biểu đồ xạ mặt trời miền Bắc, Trung, Nam (Trịnh Quang Dũng, 2009) Hình 1.3 Dạng mơ hình thí nghiệm (Kumar cộng sự, 2016) Hình 2.1 Cấu tạo thu lượng mặt tròi Hình 2.2 Bộ gia nhiệt khơng khí đối lưu cưỡng có trữ nhiệt (Kumarvà cộng sự, 2016) Hình 2.3 Mặt cắt hấp thụ có gân hình hyperbol (Thakur cộng sự,2017) Hình 2.4 Tấm hấp thụ có gân hình chữ s (Kumar cộng sự, 2016) 10 Hình 2.5 Tấm hấp thụ có cung xẻ rãnh (Hans cộng sự, 2017) 10 Hình 2.6 Be mặt hấp thụ Karmare Tikebar 11 Hình 2.7 Be mặt hấp thụ có gân hình w (Lanjewar cộng sự, 2011) 12 Hình 2.8 Phân tích dòng ống tam giác có gân ellip với Re = 4000 có bước nhám tương đối p/e (a) 10 (b) (Kumar cộng sự, 2017) 13 Hình 2.9 Ống hình tam giác có gân nhám (Kumar cộng sự, 2017) 14 Hình 2.10 Vùng truyền nhiệt gân ngang dạng sóng hình vng (I Singh s.Singh, 2018)15 Hình 2.11 Các dây hình vòng cung bề mặt hấp thụ (Kumar Saini, 2009) 15 Hình 2.12 Ảnh hưởng độ cao nhám e = mm (a), mm (b), mm (c) (I Singh s Singh, 2018) 16 Hình 2.13 Ảnh hưởng bước nhám tương đối p/e = 4(a), (b), 10 (c), 12 (c) (I Singh s Singh, 2018) 17 Hình 2.14 Anh hưởng số Re = 3000 (a), 9000 (b), 15000 (c) (I Singh s Singh, 2018) 18 Hình 2.15 Bộ thu lượng mặt trời kiểu ống nhiệt thủy tinh chân không (SAV, 2012) 19 Hình 2.16 Cấu tạo thu lượng mặt trời (Mai Thanh Phong cộng sự, 2012) 20 Hình 2.17 Sợi nhơm sử dụng làm nhám nhân tạo 22 Hình 2.18 Xốy trước sau nhám (I Singh, and s Singh, 2018) 22 Hình 2.19 Nhám có dạng Hyperbolic (Thakur cộng sự, 2018) 23 Hình 2.20 Nhám có dạng 3w nghiên cứu 23 Hình 3.1 Hình dạng mơ ống tốn 26 Hình 3.2 Hình dạng kích thước mơ nhám nhân tạo 26 Hình 3.3 Mơ hình chia lưới ống trơn 27 Hình 3.4 Mơ hình chia lưới ống có nhám nhân tạo 28 Hình 3.5 Lựa chọn refinement tăng cường lưới phần sát bề mặt hấp thụ 28 Hình 3.6 Điều chỉnh y+ đến giá trị xấp xỉ 29 Hình 3.7 Lưới trước sau điều chỉnh y + =: 29 Hình 3.8 Ket kiểm tra độc lập lưới ống trơn với chiều cao H thay đổi 30 Hình 3.9 Ket kiểm tra độc lập lưới ống nhám với chiều cao H thay đổi 31 Hình 3.10 Ket kiểm tra độc lập lưói ống nhám với bước nhám tương đối thay đổi 32 Hình 3.11 Thơng số tính chất mơ dòng khơng khí 33 Hình 3.12 Khai báo tiêu chí sai số phương trình 34 Hình 3.13 Biểu đồ sai số theo số lần lặp tính tốn tiêu biểu 34 Hình 3.14 Thiết lập mơ hình rối 35 Hình 3.15 Ket mơ dòng khơng khí ống nhám ứng với trường họp thay đổi chiều cao nhám tương đối e/Dh 37 Hình 3.16 Ket mơ dòng khơng khí ống với bước nhám tương đối thay đổi 38 Hình 3.17 Ket mơ dòng khơng khí ống với số Reynolds thay đổi 40 Hình 3.18 So sánh dòng chảy khơng khí ống có nhám dạng 3w nhám tròn 41 Hình 3.19 Đồ thị hệ số trao đổi nhiệt hấp thụ với nhám dạng 3w nhám tròn (trên tồn chiều dài hấp thụ) 42 7 Trang vii nhỏ so với nhám lớn Qua thêm tham số d/D - đường kính nhám tương đối (với d đường kính sợi nhơm nhỏ D đường kính sọi nhơm lớn) q trình tính tốn số Nusselt hệ số ma sát - Nghiên cứu chưa xác định rõ điểm tối ưu thông số e/Dh việc lựa chọn thông số ban đầu Dự kiến thay đổi tham số ban đầu tăng số điểm khảo sát Đơn cử sau: Bước nhám tương đối thay đổi p/e = 7, 10, 13 16 (Chia nhỏ khoảng thay đổi); Chiều cao nhám tương đối thay đổi e/Dh = 0.037, 0.043, 0.053, 0.070 (Thêm giá trị khảo sát) tương ứng với H = 30, 25, 20 15 mm số Reynolds thay đổi Re = 4000, 8000, 12000 16000 (Chia nhỏ khoảng thay đổi thêm giá trị khảo sát) - phương tiện đo lường, cần sử dụng chênh áp kế có dải đo thấp với độ xác giá trị độ chia tốt để xác định hệ số ma sát qua nhám nhân tạo Đề xuất sử dụng chênh áp kế kiểu cột chất lỏng - phần ứng dụng thực tiễn, đề xuất sử dụng ánh sáng trực tiếp mặt trời vào sấy số nơng sản thủy sản Sơ đồ tính toán s AH với số Nusselt hệ số ma sát đề xuất xem Phụ lục 74 PHỤ LỤC Phụ lục Code EES tính lưu lượng gió từ tổn thất áp suất [28] function m_dot(DELTAP_orifice,T_o,orifice,D) T_amb=T_o "nhiet khong qua orifice" p_atm= 100000 [Pa] "ap suat quyen" beta=orifice/D F_l=0.4333 F_2=0.47 mu=Viscosity(Air,T=T_amb) rho=Density(Air,T=T_amb,P=P_atm) nu=mu/rho f_beta=0.5959+0.0312*betaA2.1 -0.184*betaA8 Velocity=0 A_orifice=pi*orificeA2/4 repeat V elocity=V elocity+0.001 Q=Velocity*pi*DA2/4 Re=V elocity *D/nu C_d=f_beta+91.71 *betaA2.5*ReA(-0.75)+0.09 *betaA4*F_l/( -betaA4)0.0337*betaA3*F_2 Q_new=c_d* A_orifice*sqrt(2*DELTAP_orifice/(( -betaA4)*rho)) until Q>Q_new m_dot=Q*rho end 75 Phụ lục Code tính tốn số Nusselt, hệ số ma sát, tham số hiệu nhiệt - thủy lực [28] function m_dot(DELT AP_orifice,T_o,orifice,D) T_amb=T_o "nhiet khong qua orifice" p_atm= 100000 [Pa] "ap suat quyen" beta=orifice/D F_l=0.4333 F_2=0.47 mu=Viscosity(Air,T=T_amb) rho=Density(Air,T=T_amb,P=P_atm) nu=mu/rho f_beta=0.5959+0.0312*betaA2.1 -0.184*betaA8 Velocity=0 A_orifice=pi*orificeA2/4 repeat V elocity=V elocity+0.001 Q=Velocity*pi*DA2/4 Re=V elocity *D/nu c_d=f_beta+91 71*betaA2.5*ReA(-0.75)+0.09*betaA4*F_l/(l-betaA4)0.0337*betaA3*F_2 Q_new=c_d* A_orifice*sqrt(2*DELTAP_orifice/(( -betaA4)*rho)) until Q>Q_new m_dot=Q*rho end SUnitSystem c Pa J {! input] w=0.3 [m] L=1 [m] e=2 [mm] *convert(mm,m) orifice =0.039 [m] "duong kinh orifice" D=0.082 [m] "duong kinh ong" run=T ableRUN# {!tra cuu cac thong so thuc nghiem] H=lookup('lookup 2',TableRUN#,'H') P=lookup('lookup 2',TableRUN#, P') DELTAP=lookup('lookup 2',TableRUN#,'DELTAP') DELTAP_orifice=lookup('lookup 2',TableRUN#,'DELTAP_orifice') T_p=lookup('lookup 2',TableRUN#, T_p') T_i=lookup( lookup 2',TableRUN#, T_i') 76 T_o=lookup('lookup 2',TableRUN#,'T_o') "tinh sai so tuong doi" RU_Nusselt=100*UNCERTAINTYOF(Nusselt)/Nusselt RU_Re= 100*UNCERTAINTYOF(Re)/Re RU_f = 100 *UNCERT AINT Y OF(f)/f {!tra cac thong so khong khi} cp=Cp( Air,T=T_f) mu=viscosity( Air,T=T_f) rho=Density(Air,T=T_f,p= 100000 [Pa]) k=Conductivity( Air,T=T_f) Prdt=Prandtl( Air,T=T_f) Nusselt_s=0.024*ReA0.8*PrdtA0.4 f_s=0.085*ReA(-0.25) {!tinh} echiaDh=e/D_h Pchiae=P/e D_h=4*W*H/(2*(W+H)) T_f=0.5 *(T_o+T_i) A_P=W*L Q_u=m*cp*(T_o-T_i) Q_u=HTC*A_p*(T_p-T_f) [HTC: heat transfer coefficient} Nusselt=HTC*D_h/k f=2*D_h*DELTAP/(rho*L*VA2) m=m_dot(DELTAP_orifice,T_o,orifice,D) m=rho*V*A_c A_C=W*H Re=rho * V *D_h/mu Eta=(Nusselt/Nusselt_s)/((f/f_s)A(l/3)) 77 Phụ lục Code lập hàm Nusselt, hàm hệ số ma sát từ số liệu thực nghiệm [28] Nusselt=lookup('lookup l',row,l) Re=lookup('lookup l',row,3) Pchiae=lookup('lookup l',row,4) eChiaDh=lookup( 'lookup r ,row, 2) f=lookup('lookup l',row,5) dothi2=Nusselt/ReA(0.832828238) dothi3=Nusselư(ReA(0.832828238)*eChiaDhA(-0.0262748859)) Nusselt_lap=0.0169157244*ReA(0.832828238)*eChiaDhA(0.0262748859)*PchiaeA(0.120372059) dothi2f=f/ReA(-0.371877668) dothi3f=f/(ReA(-0.371877668)*eChiaDhA(0.107099)) f_lap=1.24784434*ReA(-0.371877668)*eChiaDhA(0.107099)*PchiaeA(0.0918731482) saiso=100*abs(Nusselt-Nusselt_lap)/Nusselt saisof=100*abs(f-f_lap)/f 78 Phụ lục Mơ hình tính tốn SAH [32] - Bảng tham số tính tốn SAH Table Different parameters used in numerical study s No Parameter Transmittance- absorptance ( Emittance of glass (£g) Emittance of plate (£p) Thickness of glass cover (tg) Number of glass covers (N) Thickness of insulation (ti) Thermal conductivity of insulation (K) 0.05 m 0.037 Wm^K1 Relative roughness pitch (p/e) Ambient temperature (TJ 10 10 Wind velocity (V„j Insulation CD Temperature rise parameter (AT/I) 1ms-1 1000 Wm-2 11 12 Value/Range TO ) 0.8 0.88 0.9 0.04 300 K 0.001-0.016 - Các bước tính tốn [27] Thermal, effective and exergetic performance of roughened solar air heater Step 1: A set of geometrical parameters like relative roughness pitch (p/e) and relative roughness height (e/D) is selected A set of values of other variable parameters such as temperature rise parameter (AT/I), wind velocity (V w), ambient temperature (Ta), and insolation (I) is selected Step 2: Since air is sucked in solar air heater duct from atmosphere, so the inlet air temperature is taken as ambient temperature Ti = Ta (6) Step 3: Calculating the outlet temperature of air (To) by using AT, where AT is the rise in temperature of air across the solar air heater duct To = Ti + AT (7) The temperature rise parameter (AT/I) of air is calculated as: AT = AT T X/ (8) Step 4: An initial guess of mean plate temperature (Tp) is made 10 °c more than the mean bulk air temperature as given below: Tp = (9) 79 Step 5: Calculating the overall heat loss coefficient (Uj) by using the commonly used correlation for top loss coefficient (Ut) suggested by Malhotra et al [54] as follows: -1 fl [ v JlN+t) N1 w \0.252 + h o(Tp + TỈ)(Tp + Ta) 2N + f-l N t'p+0.0425N(1 -Ep) Eg (10) where f = i — if—Ĩ5—)ci + 0.091N) [ K 316.9 / (11) 204.429 (cos P)0-552 LỊ024 (12) hw = 20.8 + 3VW (13) The bottom loss coefficient (Ub) is defined as: (14) where ki and respectively 5i are the thermal conductivity and thickness of insulation, The edge loss coefficient (ue) is given as: = (L + Witch ' LWSj (15) Finally, the overall heat loss coefficient (Ui) is calculated as: u, = ub + Ue + Ut (16) Step 6: Calculating the useful heat gain (Qui) as: Qui = {I(Ta)-U,(Tp-TJ} Ap (17) Step 7: The mass flow rate is calculated by using the following equation: * = -9HL_ CpAT (18) where Cp is the specific heat of air at constant pressure Step 8: The Reynolds number (Re) of air flow through the duct is estimated as: (19) where G is the mass velocity of air through the collector G=— WH (20) Step 9: Heat transfer coefficient is calculated from the correlations of Nusselt number (Nu) proposed for different geometries: h = Nu X — D„ (21) where ka is the thermal conductivity of air Step 10: The collector efficiency factor (F) is calculated as: h + Ui (22) 80 Step 11: The collector heat removal factor (FR) is given as: Step 12: The useful heat gain of collector fluid (Qu2) is recalculated as: QU2 = FRAp{I(xa) - Ui(To - Tj)} (24) Step 13: The values of useful heat gain (Qui) and (Qu2) are compared If the difference between (Qui) and (Qu2) is more than 0.1% of (Qui), then a new value of mean temperature of plate is calculated as: „ „ (I(TOI) - QU2/Ap} Tp - Ta + Ư1 (25) Using the new value of (Tp), reiterations are carried out from step to step 13 till the difference between (Qui) and (Qu2) comes less than equals to 0.1% of (Qui) Step 14: Using the value of friction factor (f) determined by using the proposed correlations for different roughness geometries, the pressure drop across the duct (AP)d is calculated as: (AP)d = 4fLpaV2 2Dh (26) Step 15: The mechanical power requừed to drive the air through collector is now calculated as: _ rh(AP)d Step 16: Thermal efficiency (rinj) of solar air heater is calculated as: Step 17: The effective efficiency (rjeff) the solar air heater is then calculated as: Qu - ^ leff = , 'A>\ (29) Step 18: The exergetic efficiency (r|ex) is the estimated by the ratio of net exergy flow (En) to exergy inflow (Es) due to solar radiations falling on the absorber surface as given below: n = IApT||hI|„-I'm(l - nc) E (30) where r|c is the Carnot efficiency where Tsun is the temperature of the Sun _ En 'U:‘ “ F," (32) 81 Sơ đồ tính toán [32]: Fig 37 Flowchart of mathematical model 82 Phụ lục Bảng số liệu thực nghiệm Iter H Ap p (m) (m) (Pa) 0.025 0.025 0.025 0.035 0.035 0.035 0.01 0.01 0.045 0.045 0.01 0.01 0.045 0.01 0.01 1.4 4.3 0.01 11.1 0.5 0.01 0.01 Ap Orifice To (Pa) (°C) Tp Ti (°C) (°C) 186 780 46.86 39.29 73.31 57.55 30 30.3 3003 34.09 44.34 29.93 204 47.85 89.87 30.79 1.5 768 38.22 64.66 29.92 4.1 3005 34.49 51.82 29.75 0.3 0.7 210 770 44.97 36.82 100.2 70.23 28.86 28.95 1.9 3012 34.99 57.12 30.72 10 11 0.025 0.025 0.02 0.02 1.6 4.5 208 783 43.51 37.66 64.23 52.89 29.44 29.29 12 13 0.025 0.02 12.4 3005 35.35 45.55 30.71 0.035 0.02 0.6 203 43.84 77.79 29.46 14 0.035 37.25 58.5 29.78 15 0.035 1.6 4.5 787 2998 33.59 48.9 29.11 16 17 0.045 0.045 0.02 0.02 0.3 206 774 44.51 38.58 88.79 65.21 31.42 31.73 18 19 0.045 0.025 0.02 0.03 2.1 34.98 43.93 55.93 63.42 30.51 31.26 0.025 0.03 1.6 4.3 3015 205 761 37.49 51.69 29.89 0.025 0.03 11.9 3000 33.43 44.37 28.69 0.035 0.03 0.6 207 44.97 76.65 31.4 0.035 0.03 35.68 55.05 28.91 24 0.035 0.03 1.6 4.3 786 3001 33.7 47.99 29.52 25 0.045 0.03 0.3 205 41.93 82.54 29.25 26 27 0.045 0.03 0.8 788 35.68 62.31 28.75 0.045 0.03 3006 34.38 54.06 30.1 28 29 0.025 0.025 0.04 0.04 1.6 4.3 208 789 42.44 37.98 62.23 52.08 29.88 30.96 30 0.025 0.04 33.4 45.18 28.54 0.035 0.04 11 0.5 3005 31 191 43.05 72.4 30.34 32 0.035 0.04 768 36.47 56.09 30.05 33 0.035 0.04 1.6 2997 33.99 48.57 30.09 34 0.045 0.04 0.3 207 42.1 80.76 30.13 35 0.045 0.04 0.7 764 36.21 60.72 30.37 36 0.045 0.04 1.9 2998 35.18 54.29 31.38 20 21 22 23 0.02 0.02 0.8 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trinh Quang Dung, “Photovoltaic technology and solar energy development in Viet Nam”, Tech Monitor, Pages 29-36, 2009 [2] B Baulch, T Duong Do and T Le, "Constraints to the uptake of solar home systems in Ho Chi Minh City and some proposals for improvement", Renewable Energy, vol 118, pp 245-256, 2018 Available: 10.1016/j.renene.2017.10.106 [3] Kumar, Khushmeet, et al “Determination of Effective Efficiency of Artificially Roughened Solar Air Heater Duct Using Ribs.” Distributed Generation & Alternative Energy Journal, vol 30, no 2, 2015, pp 57-77., doi: 10.1080/21563306.2015.11432421 [4] D Thakur, M Khan and M Pathak, "Performance evaluation of solar air heater with novel hyperbolic rib geometry", Renewable Energy, vol 105, pp 786- 797, 2017 Available: 10.1016/j.renene.2016.12.092 [5] K Kumar, D Prajapati and s Samir, "Heat transfer and friction factor correlations development for solar air heater duct artificially roughened with ‘S’ shape ribs", Experimental Thermal and Fluid Science, vol 82, pp 249-261, 2017 Available: 10.1016/j expthermflusci.2016.11.012 [6] s Farjana, N Huda, M Mahmud and R Saidur, "Solar process heat in industrial systems - A global review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol 82, pp 2270-2286, 2018 Available: 10.1016/j.rser.2017.08.065 [7] S Karmare and A Tikekar, "Heat transfer and friction factor correlation for artificially roughened duct with metal grit ribs", International Journal of Heat and Mass Transfer, vol 50, no 21-22, pp 4342-4351, 2007 Available: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.01.065 [8] S Sharma and V Kalamkar, "Thermo-hydraulic performance analysis of solar air heaters having artificial roughness-A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol 41, pp 413-435, 2015 Available: 10.1016/j.rser.2014.08.051 84 [9] R Aral Kumar, B Ganesh Babu and M Mohanraj, "Thermodynamic performance of forced convection solar air heaters using pin-fin absorber plate packed with latent heat storage materials", Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol 126, no 3, pp 1657-1678, 2016 Available: 10.1007/sl0973-016- 5665-6 [10] V Hans, R Gill and s Singh, "Heat transfer and friction factor correlations for a solar air heater duct roughened artificially with broken arc ribs", Experimental Thermal and Fluid Science, vol 80, pp 77-89, 2017 Available: 10.1016/j expther mflu sci.2016.07.022 [11] A Lanjewar, J Bhagoria and R Sarviya, "Experimental study of augmented heat transfer and friction in solar air heater with different orientations of W-Rib roughness", Experimental Thermal and Fluid Science, vol 35, no 6, pp 986-995, 2011 Available: 10.1016/j.expthermflusci.2011.01.019 [12] R Kumar, V Geol and A Kumar, "A parametric study of the 2D model of solar air heater with elliptical rib roughness using CFD", Journal of Mechanical Science and Technology, vol 31, no 2, pp 959-964, 2017 Available: 10.1007/S12206-0170148-7 [13] I Singh and s Singh, "CFD analysis of solar air heater duct having square wave profiled transverse ribs as roughness elements", Solar Energy, vol 162, pp 442-453, 2018 Available: 10.1016/j.solener.2018.01.019 [14] s Kumar and R Saini, "CFD based performance analysis of a solar air heater duct provided with artificial roughness", Renewable Energy, vol 34, no 5, pp 12851291, 2009 Available: 10.1016/j.renene.2008.09.015 [15] Công ty TNHH Phát triển ứng dụng Kỹ nghệ - SAV, Chế tạo máy sấy nông sản/ lúa lượng mặt tròi sử dụng ống nhiệt thủy tinh chân khơng, Hội thảo báo cáo kết nghiên cứu giới thiệu sản phẩm Tiểu dự án “Nghiên cửu chế tạo máy sẩy nông sản/lúa lượng mặt trời hiệu suất cao ”, Bộ Khoa học Công nghệ, Hà Nội, 2013 85 [16] Mai Thanh Phong, Phan Đình Tuấn, Chế tạo ứng dụng hệ thống thiết bị sấy cà phê sử dụng kết hợp lượng mặt tròi sinh khối Khoa học Cơng nghệ, 2012, 50 (2):247-252 [17] Nguyễn Văn Hạp, Thiết kế xác định thông số công nghệ sấy số nông sản dược liệu lượng mặt trời, Đại học Bách Khoa TPHCM, TP Hồ Chí Minh, 2006 [18] Ngô Thiên Tứ, Đánh giá khả ứng dụng Collector dạng máng để cung cấp nước nóng cho mơ hình khử muối phương pháp phun - tách ẩm, Đại học Bách Khoa TPHCM, TP Hồ Chí Minh, 2014 [19] Nguyen, Minh Phu, et al “Experimental and Numerical Investigation of Transport Phenomena and Kinetics for Convective Shrimp Drying.” Case Studies in Thermal Engineering, vol 14, 2019, p 100465., doi:10.1016/j.csite.2019.100465 [20] I Singh and s Singh, "A review of artificial roughness geometries employed in solar air heaters", Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol 92, pp 405- 425, 2018 Available: 10.1016/j.rser.2018.04.108 [21] A s Yadav and J Bhagoria, “Heat transfer and fluid flow analysis of solar air heater: A review of CFD approach,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol 23, pp 60-79,2013 [22] A s Yadav and J L Bhagoria, “A Numerical Investigation of Turbulent Flows through an Artificially Roughened Solar Air HeaterNumerical Heat Transfer, Part A: Applications, vol 65, no 7, pp 679-698, 2014 [23] ASHRAE Standard 93-97 Method of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collector, 1977 [24] Frank M White, Fluid Mechanics - 7th edition, Fluid meter, University of Rhode Island, 2011, pp 423-424 [25] s Singh, “Performance evaluation of a novel solar air heater with arched absorber plate,” Renewable Energy, vol 114, pp 879-886, 2017 86 [26] D Gupta, s Solanki, and J Saini, “Thermohydraulic performance of solar air heaters with roughened absorber plates,” Solar Energy, vol 61, no 1, pp 33-42, 1997 [27] V s Bisht, A K Patil, and A Gupta, “Review and performance evaluation of roughened solar air heaters,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol 81, pp 954-977, 2018 [28] Nguyen Minh Phú, Tính tốn nhiệt động lực & truyền nhiệt dùng phần mềm EES TP HCM: Đại học Quốc gia TP HCM, 2018 [29] s Kline and F Mcclintock, “Describing Uncertainties in Single-Sample Experiments,” Mechanical Engineering, Vol 75, pp 3-8, 1953 [30] p J Bezbaruah, R s Das, and B K Sarkar, “Thermo-hydraulic performance augmentation of solar air duct using modified forms of conical vortex generators,” Heat and Mass Transfer, vol 55, no 5, pp 1387-1403, 2018 [31] Phu, N.M., Tuyen, V & Ngo, T.T., “Augmented heat transfer and friction investigations in solar air heater artificially roughened with metal shavings”, Journal of Mechanical Science and Technology, vol 33, no 7, pp 1-9, 2019 [32] Ahn, s w., “The effects of roughness types on friction factors and heat transfer in roughened rectangular duct”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 28(7), 933-942, 2001 87 LÝ LỊCH HỌC VIÊN Họ tên : HOÀNG NAM HƯNG Ngày sinh : 28/12/1988 Nơi sinh : Nghệ An Địa liên lạc : Số 26, Huỳnh Văn Nghệ, p Phú Lợi, Thủ Dầu Một, Bình Dương Nơi công tác : Trung tâm Kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng Bình Dương Điện thoại : 0933 520 731 / 0933 717 336 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2006 - 2010 : Học Đại học ĐH Nông Lâm TP HCM - Khoa Cơ Khí 2015 - : Học Cao học ĐH Bách Khoa TP HCM - Ngành Kỹ Thuật Nhiệt Q TRÌNH CƠNG TÁC 2011 - : Trung tâm Kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng Bình Dương - Số 26, Huỳnh Văn Nghệ, p Phú Lợi, TP Thủ Dầu Một, Bình Dương 88 ... Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT MSHV: Nam An Nghệ 1570316 TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ TĂNG CƯỜNG TRUYỀN NHIỆT VÀ MA SÁT TRONG ĨNG COLLECTOR KHƠNG KHÍ CĨ NHÁM NHÂN TẠO” II NHIỆM VỤ LUẬN... trình thực nghiệm để tính tốn truyền nhiệt tổn thất áp suất collector có nhám nhân tạo ❖ Đánh giá hiệu truyền nhiệt so với collector dạng ống trơn khơng có nhám nhân tạo thơng qua tham số hiệu nhiệt. .. dòng chảy ống có nhám nhân tạo sử dụng phần mềm ANSỸS Fluent 19.2 ❖ Chế tạo mơ hình thực nghiệm mơ hình gia nhiệt khơng khí có nhám nhân tạo ❖ Viết chương trình tính toán số liệu thực nghiệm EES