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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN QUỐC UY NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG ỐNG THỦY TINH CHÂN KHƠNG CỦA THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NĨNG BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT Hà Nội – 01/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN QUỐC UY NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ CÁC Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG ỐNG THỦY TINH CHÂN KHƠNG CỦA THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NÓNG BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 9520115 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN NGUYÊN AN PGS TS LẠI NGỌC ANH Hà Nội – 01/2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Luận án thực nhờ hướng dẫn khoa học tập thể hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Nguyên An PGS TS Lại Ngọc Anh Các số liệu kết trình bày luận án hồn tồn trung thực, trích dẫn rõ ràng chưa tác giả công bố Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tập thể hướng dẫn PGS TS Nguyễn Nguyên An Nghiên cứu sinh PGS TS Lại Ngọc Anh i Nguyễn Quốc Uy LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt - Lạnh Bộ môn Kỹ thuật nhiệt tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Điện lực, nơi công tác, tạo điều kiện động viên tơi q trình học tập, nghiên cứu Nhân đây, xin trân trọng cảm ơn thầy cô đồng nghiệp, đặc biệt TS Tạ Văn Chương, người giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận án Hơn tất cả, xin bày tỏ lòng tri ân chân thành sâu sắc tới tập thể hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Nguyên An PGS TS Lại Ngọc Anh, người tận tình giúp đỡ, định hướng cho tơi suốt trình nghiên cứu thực luận án Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình người thân sát cánh bên tôi, động viên tạo điều kiện thuận lợi để tơi tồn tâm với cơng việc nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Quốc Uy ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG xi DANH MỤC CÁC ẢNH, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Đối tượng nghiên cứu phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Điểm luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Năng lượng mặt trời ứng dụng 1.1.1 Thực trạng tiêu thụ lượng phát thải khí nhà kính 1.1.1.1 Tình hình tiêu thụ lượng giới 1.1.1.2 Phát thải khí nhà kính ảnh hưởng đến mơi trường 1.1.2 Vai trò lượng mặt trời 1.2 Vai trị việc nghiên cứu đặc tính làm việc trình truyền nhiệt ống thủy tinh chân không thu lượng mặt trời 1.3 Tình hình nghiên cứu nước 1.3.1 Các nghiên cứu nước 1.3.1.1 Nghiên cứu đánh giá tiềm năng, phân bố xạ mặt trời 1.3.1.2 Nghiên cứu cải tiến, phát triển khoa học công nghệ khai thác, sử dụng lượng mặt trời 10 1.3.1.3 Nghiên cứu đánh giá hiệu kinh tế - kỹ thuật hệ thống nhiệt mặt trời 12 1.3.2 Các nghiên cứu nước 14 iii 1.3.2.1 Nghiên cứu truyền nhiệt đặc tính thu dùng ống chữ U 15 1.3.2.2 Nghiên cứu truyền nhiệt đặc tính thu sử dụng ống nhiệt 19 1.3.2.3 Nghiên cứu truyền nhiệt đặc tính thu sử dụng chất lỏng nano làm môi chất truyền nhiệt 22 1.3.2.4 Nghiên cứu truyền nhiệt đặc tính thu kiểu nước ống thủy tinh chân không 25 1.3.3 Một số vấn đề tồn cần thiết nghiên cứu 32 Kết luận chương 33 CHƢƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN CHO CÁC Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG BỘ THU NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG 34 2.1 Nguyên lý làm việc thiết bị đun nước nóng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không 34 2.2 Cơ sở lý thuyết xạ mặt trời 36 2.2.1 Mặt trời xạ mặt trời 36 2.2.2 Các thơng số hình học tia xạ mặt trời 37 2.2.3 Phương pháp tính tốn xác định thành phần xạ mặt trời mặt phẳng nghiêng 42 2.3 Quá trình truyền nhiệt ống thủy tinh chân không 46 2.3.1 Các dòng nhiệt truyền ống thủy tinh chân không 46 2.3.2 Sự che khuất ống cạnh 48 2.3.3 Quá trình tia xạ mặt trời ống thủy tinh chân khơng tích số truyền - hấp thụ ống 49 2.3.4 Mô hình tốn xác định lượng xạ hấp thụ bề mặt hấp thụ thu 51 2.3.5 Tổn thất nhiệt thu kiểu ống thủy tinh chân không 57 Kết luận chương 59 CHƢƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG BỘ THU NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG 60 iv 3.1 Xây dựng chương trình tính lượng xạ hấp thụ chương trình tính tổn thất nhiệt thu 60 3.1.1 Chương trình tính lượng xạ hấp thụ bề mặt hấp thụ thu 60 3.1.2 Chương trình tính tổn thất nhiệt thu 63 3.2 Mô ống thủy tinh chân không thu 64 3.2.1 Xây dựng chia lưới mơ hình mơ 67 3.2.2 Thiết lập thơng số cho mơ hình mô 68 3.2.3 Xử lý kết mô 71 3.3 Mô thu lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không gắn với ống góp 71 3.3.1 Xây dựng chia lưới mơ hình mơ 73 3.3.2 Thiết lập thông số cho mơ hình mơ 74 3.3.3 Xử lý kết mô 74 3.4 Nghiên cứu đặc tính làm việc ống thủy tinh chân không thu lượng mặt trời 75 3.4.1 Cơng suất nhiệt hữu ích ống thủy tinh chân không 75 3.4.2 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu nước ống thủy tinh chân không 75 3.4.3 Lưu lượng khối lượng nước tuần hồn ống thủy tinh chân khơng 76 3.4.4 Hiệu suất thu 79 Kết luận chương 80 CHƢƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 81 4.1 Hệ thống thực nghiệm nghiên cứu xạ mặt trời 81 4.1.1 Cơ sở tính toán xây dựng thiết bị đo xạ 81 4.1.2 Thiết kế chế tạo hệ thống đo xạ 84 4.2 Hệ thống thực nghiệm nghiên cứu đặc tính thu lượng mặt trời 88 4.2.1 Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ thống 88 4.2.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống khung giá đỡ thu hệ thống 90 4.2.3 Thiết kế, chế tạo bình chứa nước nóng 92 v 4.2.4 Thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển, đo tự động ghi số liệu 94 4.3 Một số kết nghiên cứu thực nghiệm 101 4.3.1 Nghiên cứu đo xạ 101 4.3.2 Nghiên cứu đặc tính thu 106 4.3.2.1 Các bước thí nghiệm số liệu thu 106 4.3.2.2 Nhiệt độ nước khỏi thu 109 4.3.2.3 Nhiệt độ nước ống góp 111 Kết luận chương 113 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 114 5.1 Các kết nghiên cứu 114 5.1.1 Công suất nhiệt hữu ích ống thủy tinh chân khơng 114 5.1.2 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ống thủy tinh chân không 118 5.2 Ứng dụng kết nghiên cứu vào thực tế 120 5.2.1 Nghiên cứu xác định hiệu suất thu 120 5.2.2 Xác định lưu lượng nước tuần hồn ống thủy tinh chân khơng 122 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 124 Kết luận: 124 Đề xuất: 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 139 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu theo chữ Latinh Ký hiệu Tên gọi đại lượng (ý nghĩa) Đơn vị m2/s a Hệ số dẫn nhiệt độ A Diện tích m2 Aabs Diện tích bề mặt hấp thụ m2 Ac Diện tích thu m2 C Khoảng cách trục ống m Cp Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp di Đường kính (ngoài) ống (ống hấp thụ) m Đường kính (ngồi) ống ngồi (ống bao) m F’ Hệ số hiệu suất thu - FR Hệ số lấy nhiệt thu - G Cường độ xạ mặt trời W/m2 Gb Cường độ xạ tới trực tiếp (trực xạ) W/m2 Gd Cường độ xạ khuếch tán (tán xạ) W/m2 Gr Cường độ xạ phản xạ W/m2 Gt Cường độ xạ toàn phần mặt phẳng nghiêng W/m2 H Tổng lượng xạ ngày m2 mặt phẳng ngang J/(m2.ngày) Hb Tổng lượng trực xạ ngày m2 mặt phẳng ngang J/(m2.ngày) Hd Tổng lượng tán xạ ngày m2 mặt phẳng ngang Hr Tổng lượng phản xạ ngày m2 mặt phẳng J/(m2.ngày) ngang Ht Tổng lượng xạ ngày m2 mặt phẳng J/(m2.ngày) nghiêng I Tổng lượng xạ m2 mặt phẳng ngang J/(m2.giờ) Ib Tổng lượng trực xạ m2 mặt phẳng ngang J/(m2.giờ) vii J/(kg.K) J/(m2.ngày) Ký hiệu Tên gọi đại lượng (ý nghĩa) Đơn vị Id Tổng lượng tán xạ m2 mặt phẳng ngang J/(m2.giờ) Ir Tổng lượng phản xạ m2 mặt phẳng ngang J/(m2.giờ) It Tổng lượng xạ m2 mặt phẳng nghiêng J/(m2.giờ) k Hệ số truyền nhiệt W/(m2.K) Chiều dài ống thủy tinh chân không m Kích thước xác định m M Tổng khối lượng nước hệ thống kg mc Lưu lượng khối lượng nước tuần hồn qua ống góp thu kg/s Lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn tự nhiên ống kg/s L m n Số thứ tự ngày năm - Q Dịng nhiệt (Cơng suất nhiệt) W q Mật độ dòng nhiệt W/m2 T Nhiệt độ tuyệt đối K t Nhiệt độ bách phân o UL z C Hệ số tổn thất nhiệt toàn phần ống thu Số ống thủy tinh chân không thu W/(m2.K) - Các ký hiệu theo chữ Hy Lạp Ký hiệu  Tên gọi đại lượng (ý nghĩa) Đơn vị W/(m2.K) Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Hệ số hấp thụ bề mặt ống hấp thụ -  Góc nghiêng thu (so với phương ngang) độ  Góc phương vị thu (so với phương nam) độ  Góc lệch (tạo mặt phẳng hồng đạo mặt phẳng xích đạo trái đất) độ  Độ đen bề mặt ống hấp thụ viii - ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN QUỐC UY NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG ỐNG THỦY TINH CHÂN KHƠNG CỦA THIẾT BỊ ĐUN NƯỚC NĨNG BẰNG NĂNG LƯỢNG... lượng mặt trời 1.2 Vai trò việc nghiên cứu đặc tính làm việc q trình truyền nhiệt ống thủy tinh chân không thu lượng mặt trời 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3.1 Các nghiên. .. Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG BỘ THU NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG 34 2.1 Nguyên lý làm việc thiết bị đun nước nóng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không