Báo cáo nghiên cứu khoa học cấp trường nghiên cứu ứng dụng hệ thống tự động đối lưu tuần hoàn của nước vào việc hấp thu nhiệt và làm mát mái tole kim loại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH HỘI ĐỒNG KHOA HỌC ISO 9001 : 2008 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐỐI LƯU TUẦN HOÀN CỦA NƯỚC VÀO VIỆC HẤP THU NHIỆT VÀ LÀM MÁT MÁI TOLE KIM LOẠI Chủ nhiệm đề tài : ThS NGUYỄN VĂN SÁU Chức vụ : Trưởng Khoa Đơn vị : - Bộ môn Vật lý - Khoa Khoa học Cơ Trà Vinh, ngày 12 tháng năm 2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH HỘI ĐỒNG KHOA HỌC ISO 9001 : 2008 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐỐI LƯU TUẦN HOÀN CỦA NƯỚC VÀO VIỆC HẤP THU NHIỆT VÀ LÀM MÁT MÁI TOLE KIM LOẠI Xác nhận quan chủ quản Chủ nhiệm đề tài (Ký, đóng dấu, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Văn Sáu Trà Vinh, ngày 12 tháng năm 2013 DANH MỤC HÌNH STT Hình Hình Ngun lý truyền nhiệt Trang Hình Hệ thống tự làm mát hấp thu nhiệt Hình Lắp đặt ống thu nhiệt mái tole Hình Khung sườn chịu lực Hình Đo nhiệt độ dùng vi mạch LM35 10 Hình Vị trí nhiệt kế 11 Hình Lắp khung chịu lực 13 Hình Sau lắp ống hấp thu nhiệt 13 Hình Sau hồn tất hệ thống 13 10 Hình 10 Ống thu nhiệt đặt tole α =5,7o, h = 14 11 Hình 11 Nhiệt độ trung bình bên A, bên B thơi điểm 15 12 Hình 12 Ống thu nhiệt đặt tole α = 5,7o , h = 0,1m 16 13 Hình 13 Nhiệt độ trung bình bên A, bên B thơi điểm 18 14 Hình 14 Ống thu nhiệt đặt tole α =6,8o, h = 18 15 Hình 15 Nhiệt độ trung bình bên A, bên B thơi điểm 20 16 Hình 16 Ống thu nhiệt đặt tole α = 6,8o – h =0,1m 20 17 Hình 17 Nhiệt độ trung bình bên A, bên B 22 18 Hình 18 Ống thu nhiệt đặt tole α =8o, h = 23 19 Hình 19 Nhiệt độ trung bình bên A, bên B ( α = 8O, h = ) 23 20 Hình 20 Ống thu nhiệt đặt nằm mái tole α =8o, h = 25 21 Hình 21 Nhiệt độ trung bình bên A, bên B hệ thống nằm mái tole 26 22 29 25 Hình 22 Nhiệt lượng trung bình nước hấp thu thời điểm ( α = 5,7O, h = ) Hình 23 Nhiệt lượng trung bình nước hấp thu thời điểm ( α = 5,7O, h = 0,1m ) Hình 24 Nhiệt lượng trung bình nước hấp thu thời điểm ( trường hợp α = 6,8O, h = ) Hình 25 Nhiệt lượng trung bình nước hấp thu thời điểm 26 Hình 26 Nhiệt lượng trung bình nước thụ từ 7h-15h (α = 8o, h = 0) 37 27 Nhiệt lượng trung bình nước hấp thu theo thời điểm Trường hợp ống hấp thu nhiệt nằm mái tole (α = 8o, h = 0) 39 23 24 31 33 35 DANH MỤC BẢNG STT BẢNG Bảng 1.1 Vị tí đặt nhiệt kế mái tole Trang 12 Bảng Nhiệt độ bên A, bên B – trường hợp α = 5,7o, h = 16 Bảng 2.2 Nhiệt độ bên A, bên B – trường hợp α = 5,7o – h = 0,1m 17 Bảng 2.3 Nhiệt độ bên A, bên B – trường hợp α = 5,7 , h = 0,1m 19 Bảng 2.4 Nhiệt độ bên A, bên B – trường hợp α = 6,8o – h = 0,1m 21 Bảng 2.5 Nhiệt độ bên A, bên B – trường hợp α = 8o, h = 24 Bảng 2.6 Hệ thống đối lưu nằm mái tole α = 8o, h = 26 Bảng 3.1 Nhiệt lượng hấp thu trung bình từ giờ-14 28 Bảng 3.2 Nhiệt lượng hấp thu trung bình từ giờ-14 30 10 Bảng 3.3 Nhiệt lượng nước hấp thu trung bình từ giờ-14 32 11 Bảng 3.4 Nhiệt lượng nước hấp thu trung bình từ giờ-14 34 12 Bảng 3.5 Nhiệt lượng nước hấp thu trung bình từ 7h-15h 36 13 Bảng 3.6 Nhiệt lượng nước hấp thu trung bình từ 7h-15h 38 Hệ thống nằm mái tole PHẦN I MỞ ĐẦU Tổng quan đối tượng nghiên cứu cần thiết đề tài Đồng sông Cửu Long nằm xung quanh vĩ độ 10 độ vĩ bắc nên lượng nắng năm lớn Điều mang lại nhiều nguồn lợi cho ngành nông nghiệp Tuy nhiên, với cường độ thời lượng nắng cao mang lại nhiều vấn đề nan giải nhiệt độ cho không gian sống Trong năm gần đây, đời sống ngày nâng cao, số lượng thiết bị điều hoà nhiệt độ bán thị trường tăng vọt Về mặt môi trường mà nói, điều mang lại nhiều vấn đề quan ngại Thứ nhất, nhu cầu sử dụng lượng điện ngày tăng vọt thiết bị thường có cơng suất lớn (khoảng vài kW) Thứ hai, việc sử dụng nhiều thiết bị điều hoà làm tăng ô nhiễm môi trường lên đáng kể việc sử dụng nhiều lượng điện làm tăng hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ cục môi trường xung quanh Một nguyên nhân gián tiếp có khả làm tăng mức độ lây lan mầm bệnh không gian sinh hoạt phịng có sử dụng thiết bị làm lạnh thường bị đóng kín cửa Cho đến nay, thiết bị cung cấp nước nóng sinh hoạt chủ yếu thiết bị sử dụng điện Việc sử dụng thiết bị nấu nước cho sinh hoạt tiêu tốn nhiều lượng làm tăng thiệt hại kinh tế cho phía cá nhân người dân cho xã hội nói chung Bên cạnh đó, nhu cầu sử dụng nước nóng người sinh hoạt tăng lên đáng kể Dung lượng hệ thống đun nước lượng mặt trời lắp đặt thực tế lớn số quốc gia vùng lãnh thổ Ví dụ Trung Quốc chiếm 70,5%, Cộng đồng chung Châu Âu chiếm 12,3%, Thổ Nhĩ Kỳ chiếm 5% hệ thống đun nước Thế Giới [1] Song song đó, nghiên cứu thiết bị ánh nắng mặt trời xuất nhiều [2-8] Tuy nhiên, hầu hết số nghiên cứu nhắm đến việc tăng hiệu đun nước với nhiệt độ cao Do đó, nghiên cứu thường sử dụng biện pháp kỹ thuật cao như: việc dùng hệ thống định vị mặt trời [2], dùng hệ thống điều khiển tự động [3], tối ưu hoá hệ thống chương trình giả lập máy tính [4]… Việc ứng dụng phương pháp hấp thu nhiệt mặt trời để đun nước đơn giản dễ ứng dụng rộng rãi cộng đồng thực thấy đề cập đến Tại Việt Nam, thị trường xuất số thiết bị đun nước lượng Mặt trời Nhưng nhìn chung thiết bị có giá thành cao so với thu nhập người dân Việc lắp đặt bảo quản nhiều khó khăn ứng dụng ống hấp thu lượng Mặt Trời dùng hiệu ứng nhà kính chế tạo kỹ thuật cao nên chưa sử dụng rộng rãi, vùng nông thôn Mái tole kim loại có độ bền cao, truyền nhiệt tốt giá thành hợp lý nên sử dụng cho hầu hết cơng trình nhà ở, nhà xưởng Khi phơi nắng, loại mái tole kim loại thường gia tăng nhiệt độ nhanh màu sơn thường có hệ số phản xạ khơng cao Điều làm cho nhiệt độ phần mái nhà thường cao Sự tản nhiệt cho mái nhà chủ yếu nhờ toả nhiệt vào khơng khí phía mái Tuy nhiên, phần khơng khí phía mái thường tích khơng lớn bị giới hạn la−phơng nhà, khó khơng đối lưu với bên nên nhiệt độ tăng lên cao Đây tiềm lớn lượng nhiệt Song song đó, theo nhiệt động lực học, vật liệu thông thường bị dãn nở bị nung nóng Điều làm cho tỷ trọng bị giảm xuống Nếu thể lỏng, chúng có xu hướng bị đẩy lên lực đẩy Archimede ln có xu hướng chuyển động lên Phần vật chất có nhiệt độ thấp thay chỗ chúng trình tự động tiếp tục nhiệt độ hệ cân Q trình gọi chuyển động đối lưu Lợi dụng tượng trên, ta cho phần nước phần thấp bồn chứa tiếp xúc với mái tole thông qua ống kim loại (ống hấp thu nhiệt), nhiệt độ mái tole làm cho chúng chảy đối lưu tuần hoàn cách tự động Phần mái tole bên làm lạnh tiếp xúc với ống thu nhiệt có nhiệt độ thấp nước bên phần có nhiệt độ thấp Tùy theo nhiệt độ nguồn nhiệt (mái tole nước bồn chứa), diện tích tiếp xúc mái tole ống thu nhiệt, thể tích nước bồn trữ nhiệt, diện tích mái tole độ dốc phần mái, độ dốc ống thu nhiệt (gây chênh lệch áp suất thuỷ tĩnh) mà nhiệt độ mái tole hạ xuống nhiều Phần nhiệt nước hấp thu vào bồn chứa dùng cung cấp nước nóng cho sinh hoạt góp phần làm giảm hao phí điện năng lượng nhiệt từ đốt cháy gas hay than Từ sở thực tiễn lý thuyết trên, chúng tơi có ý tưởng nghiên cứu ứng dụng hệ thống tự động đối lưu tuần hoàn nước nhằm để làm mát mái tole kim loại đồng thời thu nhiệt cung cấp cho hệ thống sử dụng nước nóng nhà mà khơng tiêu tốn điện Tình hình nghiên cứu ngồi nước Tình trạng đề tài: Đây đề tài mới, ngồi nước chưa tìm thấy nghiên cứu đề tài Mục tiêu đề tài Thiết kế hệ thống tự động đối lưu tuần hoàn nước vào việc hấp thu nhiệt làm mát mái tole kim loại mà không sử dụng điện Tìm điều kiện tối ưu cho việc hấp thu nhiệt làm mát mái tole kim loại Thiết kế hệ thống đơn giản cho người dân dễ lắp đặt sử dụng Nội dung nghiên cứu - Nguyên lý làm việc hệ thống tự làm mát hấp thu nhiệt mái tole kim loại trình truyền nhiệt - Thiết kế hệ thống tự làm mát hấp thu nhiệt mái tole kim loại - Tìm điều kiện tối ưu (góc nghiêng mái tole, ống hấp thu nhiệt so với mặt đất) cho hệ thống việc hấp thu nhiệt làm mát mái tole - Khảo sát tượng thực nghiệm Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng Cách tiếp cận: Do mái tole kim loại có độ dẫn nhiệt cao, nên nóng lên truyền nhiệt sang mơi trường lân cận cách dễ dàng Mặt khác, nóng lên, nước dãn nở có xu hướng chuyển động lên Lợi dụng hai tính chất trên, hệ thống lắp đặt cách hợp lý, mái tole làm mát phần nước nóng chuyển sang vị trí khác Nhiệt thu dùng cung cấp nước ấm cho sinh hoạt Như vậy, khảo sát tìm thiết kế tối ưu cho hệ thống tự động nét độc đáo nghiên cứu việc, thu hai lợi ích (làm mát thu nhiệt) Và lợi lớn tiết kiệm điện hệ thống làm mát khơng khí cung cấp nước nóng Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thực nghiệm - Đối chiếu so sánh - Quy trình làm thực nghiệm gồm bước sau: Bước 1: Nghiên cứu lý thuyết từ đưa mơ hình xây dựng phương pháp lấy mẫu Bước 2: Thiết kế hệ thống tự động (mơ hình) giấy Bước 3: Lắp ráp hệ thống Bước 4: Vận hành Bước 5: Đo đạt lấy số liệu Bước 6: Kiểm tra đối chiếu với lý thuyết Các thông số cần quan tâm: nhiệt độ, góc nghiêng máy tole, ống hấp thu nhiệt, độ cao đáy bồn chứa nước để trữ nhiệt giải nhiệt Phương pháp đo: Đối với đo nhiệt độ, đo trực tiếp nhiệt kế Đo góc nghiêng mái tole so với mặt phẳng nằm ngang, thông qua đo chiều dài đo chiều cao đầu trên, đầu mái tole PHẦN II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Chương 1: LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1.1 Nguyên lý làm việc hệ thống tự làm mát hấp thu nhiệt q trình truyền nhiệt Một có diện tích bề mặt S, độ dầy d, nhiệt độ mặt T1 T2 (Hình 1) Tốc độ truyền nhiệt H T1 T2 thời gian t xác định theo phương trình: H= d Hình T −T Q = kS d t (1) [9] Trong k gọi hệ độ dẫn nhiệt lớp phân cách hai miền nhiệt độ khác Bên cạnh đó, vật có khối lượng m nhiệt dung riêng c, hấp thu nhiệt làm cho nhiệt độ thay đổi từ T1 đến T2, thu nhiệt lượng Q tính theo cơng thức (2) Q = mc ( T2- T1 ) (2) [9] Khi nhiệt độ T1 = T2 Q = 0, dẫn đến trình cân nhiệt Tức trình hấp thu nhiệt bị dừng lại Tuy nhiên, nhiệt độ thay đổi, dẫn đến thể tích chất lưu thay đổi, khối lượng riêng chất lưu thay đổi theo Điều kéo theo trình đối lưu xảy xung quanh nguồn nhiệt Điều lý giải rõ ràng có chênh lệch nhiệt độ vùng xảy ra, nhiệt độ phần chất lưu tiếp xúc với vật nóng tăng lên, nên bị dãn nở, tỷ trọng bị giảm xuống, dâng lên lực đẩy Archimede Chất lưu lạnh xung quanh hạ xuống chiếm chỗ chất lưu nóng vừa dâng lên dịng đối lưu hình thành Xu hướng dịng đối lưu truyền tải nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp Ứng dụng tính chất để mang nhiệt lượng từ nơi sang nơi khác Do đó, ta thiết kế phần thu nhiệt hệ thống vào phần nóng mái tole kim loại, phần lạnh bồn chứa nước vị trí cao dùng ngun lý vừa trình bày bên ta chuyển phần nhiệt lượng từ mái tole lên bồn chứa Bằng cách ta làm cho mái tole lạnh phần Nhiệt thu làm nóng nước dùng cho sinh hoạt tắm giặt giúp tiết kiệm phần lượng cần đun nước phục vụ ăn uống nước đun từ nhiệt độ ban đầu cao nhiệt độ phòng 1.2 Thiết kế hệ thống tự làm mát hấp thu nhiệt mái tole kim loại 1.2.1 Sơ đồ nguyên lý Dựa sở lý thuyết trình bày phần 1.1, nguyên lý thiết kế hệ thống tự làm mát hấp thu nhiệt mơ tả hình Phần phận hấp thu nhiệt gồm nhiều ống kim loại đặt song song Để trình thu nhiệt dễ dàng, ống kim loại đặt nằm hệ thống chịu lực mái nhà nằm phía tiếp xúc với mái tole Để thiết kế hệ thống phù hợp với kiến trúc xây dựng thực tế, góc nghiêng mái tole ban đầu chọn 5,7 độ so với mặt đất Tức là, ứng với mét chiều dài mái tole, hai đầu chênh lệch 0,1m Trong trình nghiên cứu, góc nghiêng khảo sát thêm vài giá trị khác Mái kim loại Ánh nắng Bồn chứa nước 3dm m Hướng đối lưu Đòn tay Ống kim loại Ống đối lưu lạnh Hình Hệ thống tự làm mátthu vànhiệt hấp thu nhiệt Hệ thống làm mát hấp tự động Từ 11 đến 14 giờ, nhiệt lượng nước bồn tiếp tục tăng, tăng chậm so với từ 10 đến 11 Trường hợp này, độ cao đáy bồn nâng lên, nước có đối lưu tốt so với trường hợp 3.1, nên nước hấp thu nhiệt tốt Điều lý giải: Thứ nhất, sau 11 giờ, nhiệt độ mơi trường bên ngồi tiếp tục tăng ( Hình 13), nên nhiệt lượng mà hệ thống nước hấp thu nhiệt tăng không đáng kể Thứ hai, độ cao mực nước độ dốc ống hấp thụ nhiệt làm gia tốc thêm trình đối lưu nước, góp phần tăng nhiệt lượng hấp thu nước Tính từ đến 14 giờ, nước bồn trữ nhiệt hấp thu nhiệt lượng 6700 kcal Bảng 3.2 Nhiệt lượng nước hấp thu trung bình từ 7h-14h ( ống thu nhiệt đặt tole α = 5,7o , h = 0,1m ) Thời T2(oC) điểm (Nhiệt độ nước hấp thu ΔT = T2– T1 Q= mC ΔT (Kcal) theo thời gian) 7h 36,6 0,0 0,0 10h 39,6 3,0 3000 11h 41,5 4,9 4900 12h 42,3 5,7 5700 13h 42,8 6,2 6200 14h 43,3 6,7 6700 30 8000 7000 Nhiet luong (kCal) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 7h 10h 11h 12h 13h 14h Thời điểm đo Hình 23 Nhiệt lượng trung bình nước hấp thu thời điểm ( α = 5,7O, h = 0,1m ) 3.3 Ống thu nhiệt đặt nằm tole α = 6,8°, h = Nhiệt lượng nước bồn hấp thu trường hợp đo đồng thời với việc đo nhiệt độ bên A, bên B phần 2.3, mái tole ống hấp thu nhiệt hợp với mặt phẳng nằm ngang góc α = 6,8o, độ cao đáy bồn đầu mái tole Cách đo nhiệt độ nước bồn giống trường hợp 3.1, thời điểm đo thực thời điểm giờ, giờ, 10 giờ, 11 giờ, 12 giờ, 13 giờ, 14 Các kết đo nhiệt độ, nhiệt lượng nước hấp thu, trình bày bảng 3.3 Từ bảng 3.3, kết đo tính tốn vẽ đồ thị hình 24 Qua đồ thị hình 24 bảng 3.3, cho ta nhận thấy rằng: Từ đến giờ, nước bồn không hấp thụ lượng, nhiệt độ bên ngồi mơi trường nhiệt độ nước bồn, thời gian nhiệt độ nước không thay đổi, nên theo công thức (2), nước không hấp thu nhiệt, điều phù hợp vơi lý thuyết 31 Sau 14 giờ, nhiệt lượng nước hấp thụ tăng tương đối ổn định So sánh với 3.2, trung bình nước hấp thụ tăng thêm từ 1200kcal đến 2000kcal Đặc biệt, có nhảy vọt từ 13 đến 14 Điều lý giải sau: Thứ nhiệt độ môi trường tăng khoảng thời gian từ 11 đến 13 giờ, nhiệt độ bên mái tole bảo hòa thời điểm 13 giờ, sau 13 nhiệt độ bắt đầu giảm nhẹ (Hình 15), ống hấp thu nhiệt nhận nhiệt tăng khoảng thời gian Thứ hai, độ dốc ống hấp thụ nâng lên (α = 6,8 độ ) làm tăng trình đối lưu trình hấp thụ nước ống thu nhiệt Điều phù hợp với lý thuyết chênh lệch áp suất thủy tĩnh nâng lên Tính đến từ đến 14 giờ, nước bồn trữ nhiệt hấp thu nhiệt lượng 7.900 kcal Trung bình nước hấp thu thêm từ 1.200kcal đến 2.000kcal (tính từ 10 đến 14 giờ) Như vậy, trường hợp này, nước hấp thụ nhiệt lượng tăng khoảng 1.200kcal so với trường hợp 3.2 Bảng 3.3 Nhiệt lượng nước hấp thu trung bình từ -14 Thời điểm ΔT = T2 – T1 T2(oC) (Nhiệt độ nước hấp thu Q= mC ΔT (Kcal) theo thời gian) 7h 36,7 0,0 9h 36,7 0,0 10h 38,7 2,0 2000 11h 39,9 3,2 3200 12h 41,5 4,8 4800 13h 42,6 5,9 5900 14h 44,6 7,9 7900 32 B 8000 nhiet luong (kcal ) 6000 4000 2000 7h 9h 10h 11h 12h 13h 14h B Thời điểm đo Hình 24 Nhiệt lượng trung bình nước hấp thu thời điểm 3.4 Ống thu nhiệt đặt nằm mái tole α = 6,8o , h = 0,1m Trường hợp mái tole hợp với mặt phẳng ngang góc 6,8o, độ cao đáy bồn nước so với đầu mái tole h = 0,1m Thời điểm đo nhiệt độ nước bồn thực thời điểm đo bên A, bên B phần 2.4 So với trường hợp (phần 3.3) có đo thêm nhiệt độ thời điểm 15 Các kết đo nhiệt độ, nhiệt lượng nước hấp thu, trình bày bảng 3.4 Từ bảng 3.4, kết đo tính tốn vẽ đồ thị hình 25 Qua đồ thị hình 25, cho ta nhận thấy rằng: Từ đến giờ, nước có hấp thu nhiệt lượng ( so với trường hợp 3.3 khơng có khoảng thời gian ) Điều lý giải, nhiệt độ môi trường cao nhiệt độ nước ống thu nhiệt nên ống hấp thu nhiệt nhận nhiệt truyền cho nước nhiệt độ thấp Kết phù hợp với lý thuyết 33 Từ đến 14 giờ, nhiệt lượng nước hấp thu tăng dần, trung bình nhiệt lượng nước hấp thụ tăng thêm từ 1.300kcal đến 2.000kcal Tính đến 14 giờ, nhiệt lượng nước hấp thu 8.800kcal Trường so với trường hợp α = 6,8o, h = 0, nước hấp thu nhiệt lượng tăng thêm 900kcal Điều lý giải: Thứ nhất, nhiệt độ mơi trường có tăng lên ( Hình 15, Hình 17 ) Thứ hai, độ cao bồn nước nâng lên làm tăng khả đối lưu nước dẫn đến tăng khả hấp thu nước bên ống hấp thu Sau 14 giờ, nhiệt độ môi trường bắt đầu giảm cao nhiệt độ nước bên ống thu nhiệt, nên nước tiếp tục thu nhận nhiệt chuyển bồn chứa ( đối lưu ) nên nhiệt lượng nước tăng tăng chậm so với thời điểm trước 14 Tính đến từ đến 15 giờ, nước bồn trữ nhiệt hấp thu nhiệt lượng 9.600kcal Bảng 3.4 Nhiệt lượng nước hấp thu trung bình từ giờ-15 Thời điểm ΔT = Tt – Tt = 7h T2(oC) (Nhiệt độ nước hấp thu Q= mC ΔT (Kcal) theo thời gian) 7h 36,8 0 9h 37 0,2 200 10h 39 2,2 2200 11h 40,5 3,7 3700 12h 42,5 5,7 5700 13h 43,8 7000 14h 45,6 8,8 8800 15h 46,4 9,6 9600 34 B 10000 nhiet luong (kcal ) 8000 6000 4000 2000 7h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h B Thời điểm đo Hình 25 Nhiệt lượng trung bình nước hấp thu thời điểm 3.5.Ống thu nhiệt đặt nằm tole α = 8o , h = Nhiệt lượng nước bồn hấp thu trường hợp đo đồng thời với thí nghiệm phần 2.5, mái tole ống hấp thu nhiệt hợp với mặt phẳng nằm ngang góc α = 8o , đáy bồn cao đầu mái tole Cách đo nhiệt độ nước bồn thời điểm đo thực tương tự trường hợp 3.4 Các kết đo nhiệt độ, nhiệt lượng nước hấp thu, trình bày bảng 3.5 Nhiệt lượng nước bồn hấp thu trung bình theo thời điểm ngày trình bày đồ thị hình 26 Qua đồ thị hình 26, cho ta nhận thấy rằng: Từ đến giờ, nước có hấp thu nhiệt lượng gần giống trường hợp 3.4 điều lý giải 3.4 Từ sau đến 15 giờ, nhiệt lượng nước hấp thu tăng dần, trung bình nhiệt lượng nước hấp thụ tăng thêm khoảng 1.500kcal Điều giải thích sau: Thứ nhất, kể từ đến 14 giờ, nhiệt độ môi trường tăng làm tăng khả truyền nhiệt qua ống hấp thu, ống hấp thu nhiệt nhận nhiệt tăng lên làm cho nhiệt độ nước bên tăng theo, dẫn đến nhiệt độ nước bồn tăng lên, nước nhận nhiệt tăng lên; sau 14 giờ, nhiệt độ mơi trường bên 35 ngồi giảm, cao nhiệt độ nước bên ống hấp thu nhiệt, nên nước tiếp tục hấp thu nhiệt Thứ hai, độ dốc ống hấp thu nâng lên (α = 8o ) nên làm gia tốc thêm qua trình đối lưu nước bên ống hấp thu, trình hấp thu tăng theo Điều phù hợp với lý thuyết Tính từ sau đến 14 giờ, nhiệt lượng nước hấp thu 8710 kcal Từ đến 15 giờ, nước hấp thu nhiệt lượng 10.200kcal Đồ thị hình 25 đồ thị hình 26, cho thấy đường hấp thu nhiệt nước thời điểm giống Điều lý giải với hai lý do: Thứ thời điểm đo, rơi vào mùa hè (giữa tháng 3/2013 đầu tháng 4/2013), nhiệt độ môi trường bên hai trường hợp gần giống cao (hình 17, hình 19) Thứ hai, hai trường hợp này, độ cao đáy bồn ống thu nhiệt giống nhau, nên áp suất thủy tĩnh gây nên nước ống thu nhiệt giống nhau, dẫn đến đối lưu giống nên nhiệt lượng nước hấp thu trường hợp tương đối giống Bảng 3.5 Nhiệt lượng nước hấp thu trung bình từ giờ-15 Thời điểm ΔT = Tt – Tt = 7h T2(oC) (Nhiệt độ nước hấp thu Q= mC ΔT (Kcal) theo thời gian) 7h 37,5 0 9h 37,6 0,1 100 10h 40,1 2,6 2583 11h 41,4 3,9 3929 12h 43,1 5,6 5571 13h 44,6 7,1 7140 14h 46,2 8,7 8710 15h 47,7 10,2 10200 36 B 12000 10000 nhiet luong (kcal ) 8000 6000 4000 2000 7h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h B Thời điểm đo HìnhHình 26 Nhiệt lượng trung bình nước hấp thu từ 7giờ-15giờ (α = (8αo, =h 8=O,0) 23 Nhiệt lượng trung bình hệ thống hấpđược thu thời điểm h = 0m ) 3.6 Ống thu nhiệt đặt nằm mái tole α = 8o, h = Trường hợp ống hấp thu đưa lên mái tole hình 20, mái tole ống thu nhiệt hợp với mặt phẳng nằm ngang góc α = 8o, đầu mái tole cao đáy bồn trữ nhiệt Việc đo nhiệt độ nước bên bồn trữ nhiệt thời điểm đo thực tương tự trường hợp 3.5, ngày đo thực đồng thời với phần 2.6 Kết đo tính nhiệt lượng nước hấp thu thể bảng 3.6 Nhiệt lượng nước hấp thu trung bình thời điểm ngày thể qua đồ thị hình 27 Qua đồ thị hình 27, cho thấy: Sau nước bồn hấp thu nhiệt khả hấp thu tăng nhanh từ đến 10 giờ, sau 10 nhiệt lượng nước hấp thu có tăng khơng đáng kể, nhiệt lượng nước hấp thu cao ngày từ 12 đến 13 giờ, sau 13 khả hấp thụ nhiệt bồn giảm Tính bình quân thời điểm ngày ngày trường hợp này, khả hấp thu nhiệt nước bồn thấp so với trường hợp ống hấp thu nhiệt đặt mái tole 37 Điều giải thích sau: Từ đến 10 nhiệt độ nước bồn ống hấp thu thấp nhiều so với nhiệt độ mơi trường ( Hình 21) nên nhiệt truyền từ mơi trường sang ống hấp thu tăng, nhiên ống hấp thu đặt bên mái tole nên ống hấp thu nhiệt hấp thu nhiệt trực tiếp từ ánh nắng mặt trời chiếu đến, mà không hấp thu nhiệt môi trường xung quanh nhiệt phản xạ hay hấp thụ từ mái tole, phần nhiệt lượng đối lưu khơng khí bên mái tole, bay lên trên, ống hấp thu khơng hấp thu Bảng 3.6 Nhiệt lượng nước hấp thu trung bình từ 7giờ-15giờ (Hệ thống nằm mái tole α = 8o- Khảo sát từ ngày 28/4/2013- 03/5/2013) Thời điểm T2(oC) ΔT = T2 – T1 Q = mC ΔT (giờ) (Nhiệt độ nước hấp thu (oC) (Kcal) theo thời gian) 7h 37 0,0 9h 37,3 1,3 1300 10h 38,3 2,9 2900 11h 39,9 3,5 3500 12h 40,5 4,3 4300 13h 41,3 4,5 4500 14h 41,5 4000 15h 41,0 0,3 300 38 B 5000 nhiet luong (kcal ) 4000 3000 2000 1000 7h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h B Thời điểm đo Hình 27 Nhiệt lượng trung bình nước hấp thu theo thời điểm Trường hợp ống hấp thu nhiệt nằm mái tole (α = 8o, h = 0) Thời điểm đo 39 Chương 4: CÁCH LẮP ĐẶT VÀ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG 4.1 Cách lắp đặt 4.1.1 Đối với mái nhà có sẳn Trong trường hợp mái nhà có sẳn, tuỳ vào loại sóng tole mà chọn hình dạng ống cho dễ lắp đặt vào chỗ có khe hở mái tole địn tay Với tole sóng vng ta chọn ống trịn đường kính 22mm Độ dài ống thu nhiệt chọn cho dài đầu cao đảm bảo thấp đáy bồn nước Cách lắp đặt cụ thể sau: - Bước 1: Đặt ống thu nhiệt vào mái tole (chỗ sóng lồi) nằm đòn tay - Bước 2: Lắp ống nối vào đầu ống thu nhiệt để thơng với ống Ống nối chọn ống nhựa mềm dẫn nước, đường kính 22mm Trong trường hợp cần thiết dùng keo silicon để chất bơi trơn q trình lắp đặt - Bước 3: Nối ống nối hình chữ T nhựa 34mm đường 21mm nhánh rẽ Nối đầu đầu ống thu nhiệt với nhánh rẽ ống nhựa vừa lắp - Bước 4: Nối đường ống thơng với bồn nước hai đầu 4.1.2 Đối với máy nhà xây dựng - Bước 1: Đặt ống thu nhiệt nằm đòn tay, ống thu nhiệt cách với khoản cách khoảng cách sóng lõm tole - Bước 2: Nối ống nối hình chữ T nhựa 34mm đường 21mm nhánh rẽ Nối đầu đầu ống thu nhiệt với nhánh rẽ ống nhựa vừa lắp 40 - Bước 3: Lắp ống nối thông ống thu nhiệt ống hai đầu - Bước 4: Nối đầu trên, đầu ống thu nhiệt với đầu lại ống nhựa vừa lắp bước thông với bồn nước Bước 5: Lắp tole vào kiểm tra tiếp xúc ống thu nhiệt mái tole 4.2 Hiệu việc dùng hệ thống Qua kết khảo sát cho thấy, ta đặt ống thu nhiệt nằm dưới, sát mái tole, góc nghiêng mái tole so với mặt đất từ α = 5,7 o đến α = 8o , độ cao bồn nước cao đầu mái tole từ 0,1m trở lên hệ thống hấp thu nhiệt lượng từ 6.800kcal đến 10.200kacl, tương ứng với nhiệt độ nước hấp thụ nhiệt độ từ 43,3oC đến 47oC Đồng thời hệ thống làm giảm nhiệt độ phần khơng khí mái tole, cách tole 0,05m từ 6,5oC đến 9,6oC Với làm mát giúp không sử dụng quạt hay máy lạnh để làm mát nhiệt độ bên mái tole Nếu ta dùng nước nóng cho sinh hoạt ta tiết kiệm lượng điện đáng kể Ví dụ: Sử dụng nước nóng cho nhu cầu tắm, máy nước nóng có cơng suất 3kW, gia đình có người, người 10phút, ngày gia đình cần khoảng 2kWh, tháng cần 60kWh, năm cần 720kWh; Nếu sử dụng nước nóng cho nấu ăn, dùng bếp điện 1,5kWh để đun lít nước nhiệt độ phòng khoảng 28oC lên 100oC, lần đun khoảng 10 phút tốn điện 0,25kWh, ngày lần tốn 0,5kWh, tháng tốn15kWh điện Trong đó, ta có sử dụng hệ thống này, ta có nước nhiệt độ khoảng 45 oC đun đến 100oC, theo công thức (2), cần nhiệt lượng: Q = 2x1x(100-45) =110kcal = 110x4,18kJ = 459,8kJ Ta có 1kWh = 3600J, suy điện cần thiết cho trường hợp cần: N= 459,6 = 0,13kWh, 3600 41 Mỗi ngày dùng lần tốn 0,26kWh Như vậy, ta sử dụng hệ thống giúp ta tiết kiệm thêm gần phân nửa chi phí điện nấu nước nóng phục vụ ăn uốn Mặt khác thị trường, máy nước nóng dùng lượng mặt trời tích 250 lít – 300 lít, giá khoảng 8.200.000 đồng – 9.400.000 đồng (Hiệu Đại Thành), bảo hành năm Trong khí đó, ta sử dụng với mục đích thu nước nóng, ta dùng hệ thống tốn chi phí cho bồn chứa nước (bồn 300 lít, giá bán:1.800.000 đồng), ống đối lưu ( inox, dài 5-6m, giá bán: 1.900.000 đồng đến 2.000.000 đồng ) vài ống nối, tổng chi phí khoảng 3.500.000 đồng – 4.000.000 đồng Nếu vừa muốn có nước nóng để sử dụng đồng thời, làm giảm nhiệt độ mái tole, cho tăng số lượng ống đối lưu lên, phần khảo sát Như vậy, ta sử dụng hệ thống tiết kiệm nhiều chi phí điện đáng kể Đặc biệt, với mục đích làm mát hay mục đích sử dụng nước nóng đồng thời hai hệ thống sử dụng nguồn lượng xanh, góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kín cho mơi trường sống 42 PHẦN III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua kết nghiên cứu thực nghiệm, cho thấy rằng: Hệ thống tự làm mát hấp thu nhiệt lắp đặt đơn giản hiệu hấp thu giảm nhiệt độ mái tole đáng kể, tận dụng vật liệu có sẳn (mái tole, bồn nước) để giảm chi phí, hệ thống hồn tồn khơng sử dụng phần điện bên cạnh cịn giúp ta tiết kiệm chi phí cho việc làm mát nhiệt độ bên mái tole hay chi phí cho việc đun nước nóng Hệ thống sử dụng nguồn lượng xanh, góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kín cho môi trường sống chúng ta; giải pháp giúp người dân ứng phó với biến đổi khí hậu phương diện nhiệt độ Để hệ thống tự làm mát hấp thu nhiệt đạt hiệu cao khả làm mát hấp thu nhiệt tiết kiệm chi phí thì: Đối với nhà cũ xây dựng hoàn chỉnh (độ nghiêng mái tole khoảng 5,7o so với mặt phẳng nằm ngang), đặt ống thu nhiệt nằm tole tiếp xúc trực với mái tole, độ cao đáy bồn nước trữ nhiệt cao đầu mái tole từ 0,1m – 0,3m Đối với nhà xây dựng mới, nên thiết kế góc nghiêng mái tole (cũng góc nghiêng ống thu nhiệt) so với mặt phẳng nằm ngang α = 6,8o, ống thu nhiệt đặt nằm tole tiếp xúc trực tiếp với tole, độ cao đáy bồn chứa nước trữ nhiệt cao đầu mái tole 0,1m Nếu muốn trữ nước nóng lâu bồn, dùng vật liệu cách nhiệt tốt bao quanh bồn nước trữ nhiệt để tránh nhiệt thất mơi trường, sau nước nhận nhiệt từ ống hấp thu trữ bồn Tuy nhiên, thời gian nghiên cứu ngắn, năm, nên so sánh kết phần khác đơi độ xác chưa cao, nhiệt độ thay đổi theo mùa; điều kiện kinh phí hạn chế, nên hệ thống thực nghiệm chưa giống nhà thật sinh hoạt; thời gian có hạn (1 năm ) nên độ bền hệ thống đánh giá nguyên vật liệu chủ yếu 43 Tài liệu tham khảo: M RaisulIslam, K.Sumathy, S U Khan, Solar water heating systems and their market trends, Renewable and Sustainable Energy Reviews 17 (2013) 1–25 B J Huang, W Z Ton, C C Wu, H W Ko, H S Chang, R H Yen, J C Wang, Maximum-power-point tracking control of solar heating system, Solar Energy 86 (2012) 3278–3287 W Saman, F Bruno, E Halawa, Thermal performance of PCM thermal storage unit for a roof integrated solar heating system, Solar Energy 78 (2005) 341–349 A Hobbi, K Siddiqui, Optimal design of a forced circulation solar water heating system for a residential unit in cold climate using TRNSYS, Solar Energy 83, (2009), 700–714 H F Naspolini, R Rüther, The impacts of solar water heating in low-income households on the distribution utility’s active, reactive and apparent power demands, Solar Energy 85 (2011) 2023–2032 I R Pillai, R Banerjee, Methodology for estimation of potential for solar water heating in a target area, Solar Energy 81 (2007) 162–172 P Purohit, A Michaelowa, CDM potential of solar water heating systems in India, Solar Energy 82 (2008) 799–811 O G Valladares, I Pilatowsky, V Ruíz, Outdoor test method to determine the thermal behavior of solar domestic water heating systems, Solar Energy 82 (2008) 613–622 Fundamentals of Physics, D Halliday, R Resnick, J Walker, Nhà xuất Wiley, 2010 44 ... hệ thống tự động đối lưu tuần hoàn nước vào việc hấp thu nhiệt làm mát mái tole kim loại mà không sử dụng điện Tìm điều kiện tối ưu cho việc hấp thu nhiệt làm mát mái tole kim loại Thiết kế hệ. ..TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH HỘI ĐỒNG KHOA HỌC ISO 9001 : 2008 BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐỐI LƯU TUẦN HOÀN CỦA NƯỚC VÀO... trị khác Mái kim loại Ánh nắng Bồn chứa nước 3dm m Hướng đối lưu Đòn tay Ống kim loại Ống đối lưu lạnh Hình Hệ thống tự làm mátthu v? ?nhiệt hấp thu nhiệt Hệ thống làm mát hấp tự động Để thiết kế