2.2.2.1. Nguyờn lý chung
Collector phẳng cú mặt hấp thụ ỏnh sỏng là mặt phẳng. Mặt phẳng này được bụi đen, đồng thời là mặt hấp thụ ỏnh sỏng và chuyển đổi năng lượng bức xạ. Cỏc lớp che trong suốt cho bức xạ mặt trời đi qua dễ dàng song lại cản bức xạ hồng ngoại phỏt ra từ mặt bụi đen, do đú cú tỏc dụng như một bẫy nhiệt. Nhờ bố trớ cỏc nắp trong suốt mà nhiệt độ cõn bằng cú thể lờn tới 90 ữ
100oC. Nhỡn chung collector phẳng cú nhiệt độ khụng cao nhưng rất dễ chế
tạo và giỏ thành rẻ, sử dụng dễ dàng, làm việc được cả trong điều kiện bức xạ trực tiếp hay khuếch tỏn.
2.2.2.2. Cỏc quỏ trỡnh chuyển hoỏ quang nhiệt
Cỏc quỏ trỡnh chuyển hoỏ quang nhiệt dựa trờn một trong hai nguyờn lý là: Nguyờn lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kớnh và nguyờn lý hội tụ bức xạ. Trong hệ thụng sấy năng lượng mặt trời dựa trờn nguyờn lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kớnh. Quỏ trỡnh xảy ra như sau:
Bộ phận thu nhiệt cú cấu tạo như một chiếc hộp (hỡnh 2.16) gồm tấm che làm bằng vật liệu trong suốt như kớnh hoặc vật liệu tổng hợp PVC (màng
búng. Khi cú bức xạ mặt trời chiếu qua tấm che trong suốt thỡ phần lớn quang phổ bức xạ sẽ đi qua tấm che vỡ cỏc tia bức xạ mặt trời đi đến bề mặt collector hầu hết cú bước súng ngắn với λ < 3 μm và được hấp thụ bởi bề mặt bụi đen nằm dưới đỏy. Sau khi bị đốt núng tấm hấp thụ phỏt ra cỏc tia bức xạ cú bước súng dài hơn, những tia bức xạ này sẽ bị giữ lại trong bộ thu nhiệt bởi tấm che theo hiệu ứng lồng kớnh. Nếu khụng cú tấm che thỡ bức xạ nhiệt sẽ tản ra mụi trường và nhiệt độ của mặt hấp thụ sẽ ổn định ở giỏ trị khụng cao. Nhờ cú tấm che trong suốt ngăn bức xạ cú bước súng dài nờn nhiệt độ trong bộ thu nhiệt tăng dần. Nếu tăng số tấm che trong suốt lờn 2 đến 3 lần thỡ nhiệt độ trong bộ thu nhiệt càng cao.
Cỏc tia bức xạ
Lớp cỏch nhiệt
Tấm che
Hỡnh 2.13. Sơ đồ nguyờn lý bẫy nhiệt.
THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THễNG SỐ CỦA COLLECTOR MẶT TRỜI KIỂU TẤM
PHẲNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY
Trong những thụng số cơ bản của collector, cú những thụng số chớnh ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống sấy như: hiệu suất, độ chờnh lệch nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra của collector, lưu lượng dũng khớ đi trong collector, cường độ bức xạ mặt trời,... Giữa cỏc thụng số đú sẽ cú một mối quan hệ nhất định. Sự thay đổi của một thụng số nào đú cũng sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.
Hiệu suất là một thụng số đặc trưng cơ bản của bộ thu nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời. Sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm của khụng khớ bờn ngoài, lưu lượng dũng khớ, cường độ bức xạ mặt trời đều làm cho hiệu suất của bộ thu nhiệt thay đổi. Do đú sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.
Như vậy, để xem xột sự thay đổi của cỏc thụng số trờn, chỳng tụi tiến hành khảo nghiệm xỏc định nhiệt độ vào và nhiệt độ ra của thiết bị thu nhiệt nhằm xem xột sự ảnh hưởng của chỳng đến quỏ trỡnh sấy.
Với thiết bị thu nhiệt được lắp trờn mỏi nhà xưởng của khoa Cơ - Điện và được đặt dọc theo hướng đụng tõy, mặt hấp thụ hướng về phớa Nam với
gúc nghiờng 15o. Thiết bị được liờn kết với hệ thống sấy phớa dưới bởi hệ
thống ống dẫn khớ.
Mục đớch thớ nghiệm
Từ hệ thống sấy hạt bằng năng lượng mặt trời của bộ mụn Động Lực, khoa Cơ Điện, Trường Đại học Nụng Nghiệp Hà Nội, chỳng tụi đó tiến hành
khảo nghiệm một số thụng số của hệ thống núi chung và của thiết bị thu nhiệt trong hệ thống sấy hạt nụng sản bằng năng lượng mặt trời núi riờng.
Đối với thiết bị thu nhiệt trong hệ thống này thỡ nhiệt độ đầu ra của thiết bị là thụng số quan trọng để đỏnh giỏ hiệu suất làm việc của thiết bị. Hiệu suất bộ thu nhiệt là tỷ số giữa nhiệt lượng cú ớch thu được và nhiệt bức xạ của mặt trời trờn bề mặt bộ thu nhiệt được tớnh theo cụng thức:
ε ρ η . . . ) .( . . D S E T T C q r − v = (3 - 1) Trong đú:
q là lưu lượng khụng khớ đi qua bộ thu nhiệt, m3/s
C là nhiệt dung riờng của khụng khớ, Jun/kg.K, C = 1100 Jun/kg.K
ρ là khối lượng riờng của khụng khớ, kg/m3, ρ = 1,141 kg/m3
Tv, Tr là nhiệt độ ở đầu vào và ra của bộ thu nhiệt, oC
E là cường độ bức xạ mặt trời, W/m2
S là diện tớch của tấm hấp thụ, S = 20 m2
D là hệ số xuyờn qua của tấm che,
ε là độ đen của tấm hấp thụ
Chỳng tụi đó khảo sỏt nhiệt độ đầu vào Tv và nhiệt độ đầu ra Tr của
thiết bị khi cho tốc độ của dũng khớ (lưu lượng khụng khớ) đi trong collector thay đổi để tỡm ra mối quan hệ giữa nhiệt độ vào và ra khỏi collector, độ chờnh lệch nhiệt độ và tốc độ dũng khớ, những ảnh hưởng của chỳng đến hiệu suất bộ thu nhiệt. Từ đú khảo sỏt khả năng làm việc của thiết bị thu nhiệt
3.1. BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 3.1.1. Cỏc thụng số cần khảo sỏt
Như đó phõn tớch ở trờn ta thấy cỏc thụng số trong cụng thức trờn cú thể thay đổi một cỏch chủ động là lưu lượng khụng khớ đi qua bộ thu nhiệt cũn cỏc thụng số khỏc ta khụng thay đổi trực tiếp được, mặt khỏc yếu tố cường độ bức xạ mặt trời E lại thay đổi theo thời gian trong ngày. Vỡ vậy, vận tốc khụng khớ v được chọn là thụng số điều khiển để khảo sỏt sự thay đổi của nhiệt độ đầu ra theo sự thay đổi cường độ bức xạ mặt trời trong ngày. Từ đú đưa ra cỏc chế độ làm việc phự hợp cho thiết bị thu nhiệt.
Cỏc thụng số cần khảo sỏt ở đõy là: Nhiệt độ đầu ra Tr, nhiệt độ đầu vào
Tv của khụng khớ theo thời gian trong ngày và khi thay đổi lưu lượng dũng khớ
đi trong collector. Để đo nhiệt độ chỳng tụi sử dụng nhiệt kế thuỷ ngõn loại
thụng thường với thang đo là 100oC. Dựng nhiệt kế này cú thể đo nhiệt độ
mụi trường và nhiệt độ dũng khớ tại nơi cần đo, nhiệt độ được đo trực tiếp tại đầu vào của buồng sấy.
Để thay đổi lưu lượng dũng khớ đi trong collector thỡ tốc độ quạt được điều khiển thụng qua một biến tần. Biến tần của hóng SEEN cú giải tần số f = 3,5 ữ 65 Hz và dựng cho quạt cú cụng suất từ 0,75kW ữ 1kW.
3.1.2. Sơ đồ bố trớ thớ nghiệm
Hệ thống sấy dựng năng lượng mặt trời cú sử dụng collector kiểu tấm phẳng trong thớ nghiệm được bố trớ như trờn hỡnh 3.1.
Collector 1 được gắn trờn mỏi nhà, nú cú tỏc dụng làm núng khụng khớ trước khi đưa vào buồng sấy nhờ bức xạ mặt trời. Khụng khớ qua collector sẽ được đốt núng và được quạt giú 6 hỳt và đẩy vào buồng sấy. Nhiệt kế 4 được đặt trờn đường ống trước quạt giú để đo nhiệt độ dũng khớ núng vào bộ phận sấy. Nhiệt độ đầu vào collector sẽ được xỏc định theo nhiệt độ của khụng khớ
ngoài trời. Lưu lượng dũng khớ vào trong buồng sấy cú thể thay đổi nhờ điều chỉnh cỏc van giú 6 hoặc tăng giảm tốc độ của quạt giú nhờ bộ biến tần. Lưu lượng này được xỏc định nhờ vào đồng hồ đo lưu lượng đặt trờn đường ống như hỡnh vẽ. 2 0 3 (m /s) 1 4 3 5 8 6 1 2 7 Hỡnh 3.1. Sơ đồ bố trớ hệ thống thớ nghiệm.
1. Collector 2. Cỏc tia bức xạ mặt trời 3. Ống dẫn khớ 4. Đồng hồ đo vận tốc dũng khớ 5. Nhiệt kế 6. Van giú 7. Quạt giú gắn với động cơ điện 8. Thiết bị chứa hạt sấy ( buồng sấy )
3.2. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Chỳng tụi tiến hành thớ nghiệm vào cỏc ngày khỏc nhau, đõy là những ngày nắng tương đối đều, trời ớt mõy, độ ẩm trong khụng khớ từ 75 ữ 90%.
Trong cỏc thớ nghiệm chỳng tụi xỏc định nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ
Khớ núng ra Khớ lạnh vào
Với hệ thống trong thớ nghiệm cú thể thay đổi ở 3 chế độ vận tốc dũng
khớ là V1 = 0,15 m/s, V2 = 0,20 m/s, V3 = 0,25 m/s.
Lưu lượng khụng khớ đi trong collector sẽ được xỏc định theo cụng thức:
q = b.h.γ.V (kg/s)
= b.h.V (m3/s) (3-2)
Trong đú: b là bề rộng của collector, b = 2 m h là chiều cao lớp khớ, h = 0,2 m
γ là khối lượng riờng của khụng khớ tại nhiệt độ trung bỡnh
(γ =1,141 kg/m3).
V là vận tốc dũng khớ đi trong collector
Cú 3 chế độ thớ nghiệm khỏc nhau tương ứng với 3 giỏ trị lưu lượng là:
q1 = 0,06 m3/s ứng với tốc độ chuyển động của dũng khớ trong
collector v1 = 0,15 m/s.
q2 = 0,08 m3/s ứng với tốc độ chuyển động của dũng khớ trong
collector là v2 = 0,20 m/s.
q3 = 0,10 m3/s ứng với tốc độ chuyển động của dũng khớ trong collector
là v3 = 0,25 m/s.
Thớ nghiệm 1:
Thớ nghiệm được thực hiện vào ngày 24/04/2011. Nhiệt độ ngoài trời
đo được trong khoảng 23 ữ 32oC. Thớ nghiệm bắt đầu lỳc 6h30 và lấy kết quả
Ở thớ nghiệm này chỳng tụi đo nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ đầu ra của collector theo thời gian trong ngày ở một chế độ lưu lượng dũng khớ đi trong
collector q1 = 0,06 m3/s. Cứ sau một giờ lại lấy kết quả một lần. Kết quả thớ
nghiệm được ghi theo bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kết quả thớ nghiệm trong ngày 24/04/2011.
T.gian TvoC TroC ∆T T.gian TvoC TroC ∆T 7h 25 36.5 11.5 12h 32 58.5 26.5 8h 26.5 39.5 13 13h 33 60 28 9h 28 43 15 14h 31.5 54 22.5 10h 29.5 49 19.5 15h 30 42 12 11h 30.5 54.5 24 16h 29 37 8
Từ bảng 3.1 và phần mềm EXEL ta xõy dựng được đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ vào và ra khỏi collector theo thời gian trong ngày ở một chế
độ lưu lượng q1 = 0,06 m3/s.
Nhiệt độ oC
Tv
Thời gian
Hỡnh 3.2. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhệt độ theo thời gian trong ngày ở thớ thớ nghiệm 1.
Từ đồ thị trờn ta thấy nhiệt độ đầu ra Tr của collector tăng dần từ 7 ữ
13h và đạt giỏ trị lớn nhất Trmax= 60oC vào lỳc 13h. Sau đú giảm dần từ 13 ữ
16h. Độ chờnh lệch nhiệt độ ΔT cũng tăng giảm theo thời gian trong ngày từ
11,5 ữ 28oC và đạt giỏ trị lớn nhất ΔTmax= 28oC tại 13h trưa, rồi giảm nhanh
xuống cũn 8oC vào 16h chiều. Sự thay đổi (tăng giảm) của ΔT và nhiệt độ đầu
ra là do sự thay đổi của nhiệt độ đầu vào và cường độ bức xạ mặt trời theo thời gian trong ngày.
Thớ nghiệm 2:
Được tiến hành vào ngày 26/04/2011. Nhiệt độ đo được ngoài trời
trong khoảng 25 ữ 34oC. Quỏ trỡnh tiến hành thớ nghiệm cũng được thực hiện
như ở thớ nghiệm 1 nhưng là ở lưu lượng dũng khớ q2 = 0,08 m3/s. Kết quả thớ
Bảng 3.2. Kết quả thớ nghiệm đo được vào ngày 26/04/2011 T.gian TvoC TroC ∆T T.gian TvoC TroC ∆T 7h 26 35.5 9.5 12h 33.5 59 25.5 8h 27 40 13 13h 33 58 25 9h 30 45.5 15.5 14h 32 53 21 10h 30.5 41 10.5 15h 31 43.5 12.5 11h 32 56.5 24.5 16h 29.5 37 7.5
Từ bảng 3.2 ta vẽ được đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ vào và ra
khỏi collector khi q2 = 0,08 m3/s.
Thời gian
Hỡnh 3.3. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhệt độ theo thời gian trong ngày ở thớ thớ nghiệm 2.
Theo đồ thị ta thấy nhiệt độ đầu ra thay đổi theo thời gian trong ngày. Giai đoạn từ 7 ữ 11h thỡ nhiệt độ tăng rất nhanh và chậm dần từ 11 ữ12h. Trong giai đoạn từ 7 đến 12h ta thấy cú đoạn từ 9 đến 10h thỡ nhiệt đầu ra giảm xuống trong khi nhiệt độ đầu vào vẫn tăng. Sự tụt nhiệt độ này là do trong quỏ trỡnh thớ nghiệm vào thời điểm trờn xuất hiện đỏm mõy che khuất
mặt trời, nờn nhiệt độ giảm xuống như vậy. Giỏ trị nhiệt độ ra Tr lớn nhất đạt
được lỳc 12h trưa là 59oC, sau đú nhiệt độ giảm nhanh đến 16h chỉ cũn 37oC.
Độ chờnh lệch nhiệt độ thay đổi theo thời gian trong ngày và đạt giỏ trị lớn
nhất ∆Tmax= 25,5oC tại 12h. Sự thay đổi của ∆T sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất
hoạt động của thiết bị và do đú sẽ làm ảnh hưởng hoạt động của hệ thống sấy.
Thớ nghiệm 3: Tiến hành vào ngày 29/04/2011. Nhiệt độ đo được
ngoài trời khoảng 26 ữ 35oC. Thớ nghiệm được thực hiện ở chế độ lưu lượng
Tv
q3 = 0,1 m3/s và cũng làm giống hai thớ nghiệm trờn. Kết quả được ghi theo bảng 3.3.
Bảng 3.3. Kết quả thớ nghiệm đo được vào ngày 29/04/2011
T.gian TvoC TroC ∆T T.gian TvoC TroC ∆T 7h 26 35 9 12h 34.5 54.5 20 8h 27 39 12 13h 34 53.5 19.5 9h 29.5 44 14.5 14h 32 46 14 10h 30.5 48 17.5 15h 31 33 2 11h 32.5 51.5 19 16h 27 28.5 1.5
Từ bảng 3.3 ta cũng xõy dựng được đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt
độ đầu vào và ra của collector khi q = 0,1 m3/s.
Thời gian
Hỡnh 3.4. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhệt độ theo thời gian trong ngày ở thớ nghiệm 3.
Từ đồ thị trờn ta cú nhận xột: Nhiệt độ đầu ra thay đổi theo nhiệt độ đầu vào. Nhiệt độ đầu ra tăng đều theo thời gian từ 7 đến 12h và đạt được giỏ trị
lớn nhất Trmax=54,5oC vào lỳc 12h trưa, sau đú giảm nhẹ từ 12 đến 14h. Trong
khoảng thời gian từ 14 đến 16h thỡ nhiệt độ đầu ra giảm rất nhanh và gần bằng nhiệt độ đầu vào. Sự giảm nhiệt độ đột ngột đú là do vào thời điểm thớ nghiệm trờn thỡ trời cú giụng mưa, nhiều mõy khụng cú ỏnh sỏng mặt trời.
Trong ngày thớ nghiệm 29/04/2011 thỡ độ chờnh lệch nhiệt độ vào và ra
∆T đạt giỏ trị lớn nhất là 20oC vào lỳc 12h và cú giỏ trị nhỏ nhất là 1,5oC.
Qua ba thớ nghiệm trờn chỳng tụi đó nhận thấy được sự thay đổi của nhiệt độ đầu ra và sự chờnh lệch nhiệt độ vào và ra khỏi collector ∆T theo thời gian trong ngày, đồng thời cũng nhận thấy sự ảnh hương của thời tiết khớ hậu đến quỏ trỡnh làm việc của bộ thu nhiệt.
Tv
Thớ nghiệm 4:
Thớ nghiệm được thực hiện vào ngày 05/05/2011. Nhiệt độ ngoài trời
đo được khoảng 26 ữ 37oC. Thời gian bắt đầu khảo nghiệm là 7h30 và bắt đầu
lấy kết quả từ 8h.
Ở thớ nghiệm này chỳng tụi đo nhiệt độ vào và nhiệt độ ra khỏi collector theo thời gian trong ngày và khi thay đổi lưu lượng dũng khớ đi trong collector. Vỡ vậy cứ 20 phỳt lại lấy kết quả một lần và thay đổi lưu lượng dũng khớ đi trong collector bằng cỏch điều chỉnh biến tần để thay đổi tốc độ quạt giú, chỳng tụi khảo nghiệm với 3 chế độ của dũng khớ đi trong
collector là q1 = 0,06 m3/s; q2 = 0,08 m3/s; q3 = 0,10 m3/s.
Cỏch tiến hành thớ nghiệm: Cho thiết bị hoạt động rồi đo nhiệt độ tại cửa vào và cửa ra của bộ thu nhiệt theo thời gian trong ngày. Sau đú thay đổi lưu lượng khụng khớ qua collector bằng cỏch thay đổi tốc độ của quạt giú.
Đầu tiờn chỳng tụi cho thiết bị làm việc ở chế độ với vận tốc dũng khớ
qua collector V1 = 0,15 m/s ứng với lưu lượng dũng khớ qua collector q1 =
0,06 m3/s, cho thiết bị chạy ổn định trong 20 phỳt rồi đọc giỏ trị nhiệt độ tại
cửa vào Tv và cửa ra Tr. Sau đú thay đổi vận tốc dũng khớ đi trong collector ở