Trong bài viết này giới thiệu về một số biện pháp tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời nung nóng không khí SAH như tạo gân nhám, tạo cánh, gắn các tấm bề mặt hấp thụ. Đồng thời sơ lược các phương pháp nghiên cứu bao gồm từ giải tích, phương pháp số và phương pháp thực nghiệm.
Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh HNKH-14 TĂNG CƯỜNG HIỆU QUẢ TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI GIA NHIỆT KHƠNG KHÍ PHẠM BÁ THẢO 1, NGUYỄN MINH PHÚ 1 Khoa Công nghệ nhiệt lạnh, Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh; phambathao@iuh.edu.vn, nguyenminhphu@iuh.edu.vn Tóm tắt Trong báo giới thiệu số biện pháp tăng cường hiệu trao đổi nhiệt thu lượng mặt trời nung nóng khơng khí SAH tạo gân nhám, tạo cánh, gắn bề mặt hấp thụ Đồng thời sơ lược phương pháp nghiên cứu bao gồm từ giải tích, phương pháp số phương pháp thực nghiệm Đặc biệt phân tích số tiêu chí đánh giá phân tích thường vận dụng nghiên cứu phân tích đăc tính nhiệt thủy lực, tối thiểu Entropy, hiệu suất nhiệt, hiệu suất Exergy, hiệu kinh tế Từ khóa SAH, cải thiện hiệu trao đổi nhiệt EFFICIENCY ENHANCEMENT OF HEAT EXCHANGE OF THE SOLAR AIR COLLECTOR Abstract In this paper, a number of measures are introduced to improve the heat exchange efficiency of the solar air heater (SAH) such as ribbing, creating fins, and attaching absorber plate At the same time, briefly summarize the research methods including analytical, numerical and experimental methods Especially analyzing a number of analytical evaluation criteria that are often applied in the research, such as analysis of thermo-hydraulic characteristics, minimum entropy generation, thermal efficiency, exergy efficiency, and economic effectiveness Keywords SAH, heat exchange enhancement GIỚI THIỆU Năng lượng mặt trời (NLMT) nguồn lượng xanh-sạch có sẵn dồi nguồn lượng bền vững thay nhu cầu lượng ngày tăng cao Việt Nam nước cận xích đạo, cường độ xạ cao nên có nhiều tiềm khai thác Collector mặt trời (Solar air heater, SAH) biết đến thiết bị chuyển đổi lượng mặt trời đơn giản [1] Nó cấu tạo vật liệu địa phương khơng cần q trình gia cơng q phức tạp SAH thường dùng hệ thống sấy nông sản thực phẩm, sưởi ấm hay q trình cơng nghiệp khác nước có lượng xạ lớn SAH thay phận yếu hệ thống sấy nhiệt độ thấp trung bình tiêu tốn nhiều lượng Khơng khí ống collector phẳng truyền nhiệt hệ số dẫn nhiệt không khí truyền nhiệt thấp khối lượng riêng nhỏ nên nghiên cứu giải pháp tăng cường hệ số truyền nhiệt đối lưu vấn đề thiết thực nhằm khai thác hiệu lượng mặt trời, nguồn lượng xanh-sạch Có nhiều biện pháp phát triển SAH nhằm cải thiện hiệu trao đổi nhiệt phương pháp tạo nhám, tạo cánh, gắn hướng dịng, dạng xốp bề mặt hấp thu tích trữ nhiệt, bố trí các kênh phân phối pass giới thiệu Hình -131- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh TĂNG CƯỜNG TRAO ĐỔI NHIỆT Các nguyên lí tăng cường hiệu trao đổi nhiệt tăng hệ trao đổi nhiệt bề mặt hấp thu xạ với dòng khơng khí, qua giám tiếp giảm tổn thất nhiệt Tuy nhiên tổn thất áp suất chi phí điện tăng theo Do đó, tối ưu hiệu vấn đề quan tâm hàng đầu thiết kế thu SAH, ngoại trừ ứng dụng đăc biệt mà lợi ích cao vấn đề kinh tế Ngoài ra, nhà nghiên cứu chứng minh kết kết hợp tăng cường khuếch tán cưỡng kênh khơng khí Dưới giới thiệu giải pháp tăng cường trao đổi nhiệt thu SAH mà nghiên cứu quan tâm a Tăng cường trao đổi nhiệt theo hiệu ứng jet impingment Tăng cường trao đổi nhiệt theo hiệu ứng jet impingment cho kết trao đổi nhiệt cải thiện đáng kể so với thông thường Chauhan cộng ứng dụng phương pháp Jet impingement cho kết số Nusselt tăng 2.6 lần, hệ số ma sát tăng 3.5 lần [3] Matheswaran cộng nghiên cứu bố trí thêm kênh cho kết hiệu suất cải thiện 21.2% exergy tăng 22.4% [4] Solar Air Collector Bố trí dịng Phía Phía Cả trên, Thiết kế Chia pass dòng bề mặt hấp thụ Vật liệu hấp thụ pass Kim loại passes Phi kim Có cánh [Fins] Tạo gân nhám [Ribs] Tấm [Baffles] Đa passes Tấm chữ V Dạng xốp Tích trữ nhiệt Hình Các dạng thiết kế nhằm cải thiện hiệu SAH [2] -132- Ma trận Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh b Ngun lí hiệu ứng Impinggement Hình a Bố trí lớp jet impingerment SAH [4] Tương tác dòng bề mặt rắn hấp thụ định đến hiệu trao đổi nhiệt Do khảo sát cần đặc biệt quan tâm đến lí thuyết lớp biên khảo sát điểm tách (separated point), tái kết dính (reattachment) hình dáng chiều dài xoáy cận lớp biên Tăng cường trao đổi nhiệt mơi trường dịng thơng qua khuếch tán đặc biệt hòa trộn dòng sơ cấp thứ cấp b Tăng cường trao đổi nhiệt phương pháp nhám nhân tạo, gắn cánh (fins), hướng dòng (baffles) Một số nghiên cứu điển hình Prasad cộng [5] khảo sát dạng nhám điểm reattachment phụ thuộc vào chiều cao bước gân nhám (Hình 3) Nguyễn Minh Phú cộng [6] mô số tăng cường truyền nhiệt thông qua điểm reattachmens hòa trộn dòng sơ cấp thứ cấp (Hình 4) Momin cộng [7] khảo sát gân chữ V SAH giá trị maximun cải thiện hệ số Nusselt hệ số nhám 2.30 2.30 so với SAH phẳng thơng thường (Hình 6) Hình Khảo sát điểm reattachment gân nhám [5] -133- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh Hình Khảo sát điểm reattachments và hòa trộn dịng sơ cấp thứ cấp [6] Hình Khảo sát gân nhám chữ V [7] Hình Khảo sát gân nhám chữ V [8] Elumalai Vengadesan cộng [10] thống kê nghiêm cứu gân nhám gần Rahmannezhad Mirbozorgi [9] dùng CFD RSM-CCD để tối ưu hịa trộn kích trước micro với kết cấu rãnh vật cản thí nghiệm số phát từ thông số đầu vào với mức thơng số Kết xác định kính thước tối ưu để khả hòa trộn cao tổn thất áp suất thấp -134- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh Hình Bảng thống kê nghiên cứu [10] CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU • Phương pháp giải tích - Các phương trình cân lượng [11] For glass cover: For absorber plate: For back board For working medium (flowing air): - Các thơng số nhiệt, truyền nhiệt [12] • Phương pháp số ❖ Các phương trình vi phân [12] - Phương trình cân lượng -135- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh - Phương trình bảo tồn khối lượng - Phương trình thơng lượng nhiệt - Phương trình biến đổi momentum lượng - Giải phương trình vi phân phương pháp gần cho phần tử nhỏ theo phương pháp sai phân Hình 10 Chia lưới sai phân hữu hạn - Giải thuật lập phương trình vi phân, chia lưới, rời rạc điểm nút kết hợp điều kiện biên, lập phương trình gần giải kết Thơng thường lập trình mơi trường mềm Matlab Gần có vài cơng cụ mạnh CFD (Computational Fluid Dynamics) sử dụng phần mềm mô số ANSYS FLUENT cho kết xác thuận tiện nhiều -136- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Hình Kết mơ CFD [6] • Kết hợp phương pháp tối ưu hóa Hiện nay, có nhiều nghiên cứu tập trung nhiệm vụ tối ưu hóa cho thiết kế vận hành nhằm mục đích nâng cao hiệu suất giảm chi phí lượng cho thiết bị Một số nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa sử dụng nhiều phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM), phương pháp Pareto Ngay từ đầu kết thuật tốn tối ưu Taguchi để giảm khối lượng khảo sát thực nghiệm nhiều Hình 10 Phương pháp tối ưu Pareto • Phương pháp thực nghiệm Phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng kết lí thuyết mơ số khảo sát trước Trên sở đó, mơ hình thực nghiệm phải đồng với khảo nghiệm lí thuyết Ngồi chi phí cao xây dựng mơ hình dụng cụ thí nghiệm q trình thục nghiệm thời gian cơng sức nghiệm Trong thí nghiệm SAH chia làm hai loại thí nghiệm bản: thực nghiêm nhà với trang bị ánh sáng nhân tạo thay xạ mặt trời để chủ động thời gian mà nghiên cứu khảo nghiệm xác định thông số tối ưu kết cấu hoạt động SAH Với nghiên cứu chuyên sâu thường phải thực nghiệm trời cho kết thực tế để đánh giá hiệu khai thác thiết bị -137- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh Hình14 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm [13] PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ • Tối thiểu Entropy hay hiệu suất Exergy theo định luật nhiệt động - Sử dụng phương pháp tối thiểu phát sinh Entropy công cụ hiệu thông số tối ưu hệ thống Hình15 So sánh kết thực nghiệm với lí thuyết [14] -138- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh - Số Bejan: Adrian Bejan đề xuất số Be (Bejan) để kháo sát đặc tính nhiệt thủy lực Số Be tỉ số phát sinh entropy không thuận nghịch nhiệt với phát sinh ma sát Phát sinh entropy (Phá hủy exergy) Số phát sinh entropy • Phân tích exergy [14] Để đánh giá tính khơng thuận nghịch thơng qua đánh giá entropy Ngược lại Phân tích phát sinh exergy đánh giá hệ theo định luật nhiệt động 2, đánh giá tiềm khai thác hệ (phát sinh exergy phá hủy entropy) - Phân tích phát sinh exergy 𝐸 𝑇𝑒 𝐸𝐷 = = ln 𝑄 ∆𝑇 • Hiệu suất nhiệt thiết bị - Hiệu suất nhiệt 𝑇𝑜 𝑇𝑖 + 𝑘− 𝑘 𝑃 ( 𝑜) ( 𝑃𝑖 ) 𝜂 𝑇ℎ = 𝑇𝑒 (1 − ) − 𝜂 𝑇𝑠 𝑚̇𝐶𝑝 (𝑇𝑜 − 𝑇𝑖 ) 𝐺𝑇 Webb and Eckert (1972) ηthermo= (Str/Sts)/(fr/fs)1/3 Str, Sts, fr, fs số Stanton hệ số ma sát SAH bề mặt nhám phẳng - Đánh giá Hiệu suất Exergy theo định luật nhiệt động hai [15] 𝜂𝐼𝐼 = 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑝ℎá𝑡 𝑠𝑖𝑛ℎ 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑝ℎá ℎủ𝑦 =1− 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑐ấ𝑝 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑐ấ𝑝 - Hiệu kinh tế [14] 𝑃 𝑄𝑢 − ( 𝑚 ) 𝐶 𝜂𝐼𝐼 = 𝐼𝐴𝑃 -139- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh KẾT LUẬN • Hiệu suất trao đổi nhiệt SAH thơng thường thấp Do cải thiện hiệu yêu cầu thiết thực nhà nghiên cứu cần hồn thiện • Một tiêu chí quan trọng để thiết kế thu SAH đánh giá tối thiểu entropy hay phát sinh exergy • Trong nghiên cứu phương pháp thực nghiệm tốn sai số nhiều để kiểm chứng lại các phương pháp giải tích hay mô số Nên sử dụng phần mềm chuyên sâu ANSYS FLUENT hay phần mền tương tự kết xác khối lượng làm việc giảm đáng kể so với lập trình mơi trường Matlab địi hỏi thành thục kĩ lập trình • Trong q trình nghiên cứu cần phải kết thuật tốn tối ưu Taguchi, DOE từ đầu để giảm khối lượng khảo sát Sau vận dụng phương pháp tối ưu phương pháp Pareto để xác định tham số tối ưu • Hầu khảo sát đưa tối ưu kết cấu thông số hoạt động mà chưa đánh giá hiệu kinh tế hay ứng dụng Bên cạnh,đó, phân tích, đánh giá exergy mang tính học thuật cao (đánh giá theo định luật nhiệt động 2), qua đánh giá tiềm khai thác thiết bị • Trong biện pháp cải thiện biện pháp tạo gân nhám khơng phù hợp với SAH (chỉ phù hợp lưu chất chất lỏng) Ngược lại phương pháp gắn đơn giản dễ thực hiệu phù hợp với SAH • Qua khảo sát biện pháp kết hợp tăng cường trao đem lại kết tốt Một đề xuất cá nhân nên kết hợp với collector parabol chi phí giảm mà hiệu khai thác tăng lên đáng kể TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yadav, S., & Saini, R P (2020) Numerical investigation on the performance of a solar air heater using jet impingement with absorber plate Solar Energy, 208, 236–248 [2] Elumalai Vengadesan, Ramalingam Senthil (2020) A review on recent developments in thermal performance inhancement methods of flat plate solar air collector Renewable and Sustainable Energy Reviews 134,110315 [3] Chauhan, R., Thakur, N.S., (2017) Heat transfer and friction factor correlations for impinging jet solar air heater, Therm Fluid Science 44, 760–767 https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.12.036 [4] Matheswaran MM, Arjunan TV, Somasundaram D (2018) Analytical investigation of solar air heater with jet impingement using energy and exergy analysis Solar Energy,161:25–37 [5] Prasad, B.N., Saini, J.S., 1988 Effect of artificial roughness on heat transfer and friction factor in a solar air heater Solar Energy 41 (6), 555–560 [6] Nguyen Minh Phu1,2,*, Pham Ba Thao2, Duong Cong Truyen, Heat and fluid flow characteristics of nanofluid in a channel baffled opposite to the heated wall, CFD Letters [7] Momin, A.-M.E., Saini, J.S., Solanki, S.C., 2002 Heat transfer and friction in solar air heater duct with V-shaped rib roughness on absorber plate International Journal of Heat and Mass Transfer 45, 3383–3396 [8] Ortega-Casanova, J Application of CFD on the optimization by response surface methodology of a micromixing unit and its use as a chemical microreactor Chemical Engineering and Processing, Process Intensification, 117(2017), 18-26 [9] Gilani SE, Al-Kayiem HH, Woldemicheal DE, Gilani SI Performance enhancement of free convective solar air heater by pin protrusions on the absorber Sol Energy 2017;151:173–85 [10 ] Elumalai Vengadesan, Ramalingam Senthil (2020) A review on recent developments in thermal performance enhancement methods of flat plate solar air collector, Renewable and Sustainable Energy Reviews 134, 110315 [11] Tata McGraw-Hill (2008) Storage, New Delhi p 173–83 -140- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh [12] H K Versteeg and W Malalasekera (2007) An Introduction to Computational Fluid Dynamics, © Pearson Education Limited 1995 [13] Ali Daliran, Yahya Ajabshirchi (2018) Theoretical and experimental research on effect of fins attachment on operating parameters and thermal efficiency of solar air collector, Information Processing In Agriculture 5, 411–421 [14] Irfan Kurtbas, Aydin Durmus(2004), Efficiency andexergy analysis of a new solar air heater, Renewable Energy 29, 1489–1501 [15] Yunus A Çengel and Michael A Boles Thermodynamics, An Engineering Approach, -141- ... TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh TĂNG CƯỜNG TRAO ĐỔI NHIỆT Các nguyên lí tăng cường hiệu trao đổi nhiệt tăng hệ trao đổi nhiệt bề mặt hấp thu xạ với dịng khơng khí, qua giám... hợp tăng cường khuếch tán cưỡng kênh khơng khí Dưới giới thiệu giải pháp tăng cường trao đổi nhiệt thu SAH mà nghiên cứu quan tâm a Tăng cường trao đổi nhiệt theo hiệu ứng jet impingment Tăng cường. .. Tăng cường trao đổi nhiệt theo hiệu ứng jet impingment cho kết trao đổi nhiệt cải thiện đáng kể so với thông thường Chauhan cộng ứng dụng phương pháp Jet impingement cho kết số Nusselt tăng 2.6