. ϕ(τ)τn
4.3.2.Tớnh toõn thiết bị chưng cất nước
3 cánh nhỊn nhiệt bức xạ
4.3.2.Tớnh toõn thiết bị chưng cất nước
Chỳng ta cú thể phđn tớch đơn giản qũ trỡnh chưng cất nước của thiết bị theo sơ đồ hỡnh vẽ 4.2. Thực chất nếu phđn tớch chi tiết thỡ đđy ra qũ trỡnh rất phức tạp cú liớn quan đến qũ trỡnh truyền chất. Tuy nhiớn chỳng ta cú thể phđn tớch qũ trỡnh
đơn giản như sau:
Chỳng ta giả thiết rằng nước tiếp xỳc với bề mặt hấp thụ vă chỳng cựng chung nhiệt độ lă T, như hỡnh 4.18, nhiệt độ của tấm phủ lă T1, thỡ ta cú dũng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tớch giữa 2 bề mặt được xõc định theo cụng thức:
q = k(T- T1), (4.24) Dũng đi lờn với nhiệt độ T Tấm phủ cú nhiệt độ T1 Dũng đi xuống với nhiệt độ T1
Nước tiếp xỳc với mặt hấp thụ cú nhiệt độ T
Trong đú k lă hệ số truyền nhiệt (W/m2 K)
Bđy giờ chỳng ta biểu diễn qũ trỡnh đối lưu năy như tạo bởi 2 dũng khụng khớ (hỡnh 4.18), mỗi dũng cú lưu lượng khối lượng tương đương lă m (kg/m2h), một dũng thỡ chuyển động lớn cũn một dũng thỡ chuyển động xuống dưới. Nội năng của mỗi đơn vị khối lượng khụng khớ cú nhiệt độ T lă cT, nếu xem đặc tớnh của khụng khớ ở đđy như lă khớ lý tưởng thỡ c lă nhiệt dung riớng của khụng khớ. Dũng khớ núng rời khỏi bề mặt phớa dưới mang nội năng ở mức mcT, cũn dũng khớ lạnh mang nội năng ở mức cmT1. Như vậy dũng nhiệt trao đổi giữa cõc bề mặt bởi
những dũng năy lă:
q = mc (T- T1). (4.25)
So sõnh cụng thức 4.24 vă 4.25 ta cú lưu lượng dũng khớ cú thể tớnh được lă: mc = k hay m = k/c. (4.26)
Vớ dụ: với nhiệt dung riớng của khụng khớ lă c = 0.28 Wh/kgK, vă với trường hợp hệ số truyền nhiệt k = 4W/m2K, thỡ m = 14.3 kg/m2h.
Bđy giờ chỳng ta giả sử rằng dũng khụng khớ đối lưu chuyển động tương tự vă cựng tốc độ khi chỳng chứa đầy hơi ẩm. Sự giả thiết năy rất phổ biến khi phđn tớch qũ trỡnh truyền chất nhưng chỉ cú thể đỳng khi qũ trỡnh truyền chất xảy ra với tốc độ nhỏ.
Hơn nữa chỳng ta cú thể cho rằng khi khụng khớ rời khỏi mỗi bề mặt mang tổng lượng hơi nước phự hợp để cđn bằng với nhiệt độ tương ứng của bề mặt, ở trạng thõi cđn bằng thỡ trong một đơn vị thời gian cú bao nhiớu phđn tử nước rời khỏi bề
mặt mặt thõng thỡ cũng cú bấy nhiớu phđn tử nước quay trở lại. Sau đú sự tập trung của cõc phđn tử lỏng hay hơi nước trong khụng khớ gần bề mặt mặt thõng cũng đạt đến giõ trị cđn bằng vă gọi lă độ ẩm tương đối, w. Độ ẩm tương đối lă khối lượng của hơi nước trong 1kg khụng khớ, w phụ thuộc nhiều văo nhiệt độ, xem hỡnh 4.19
Tiếp theo, nếu ta miớu tả qũ trỡnh đối lưu bởi sự chuyển động đồng thời của 2 dũng khụng khớ, mỗi một dũng cú lưu lượng m trớn một đơn vị diện tớch, lượng nước vận chuyển ra ngoăi sẽ lă mw vă lượng nước văo trong lă mw1. Vậy lượng nước đi ra m(w – w1), đđy cũng chớnh lă lượng nước được sản xuất ra bởi thiết bị
lọc nước trong một đơn vị diện tớch bề mặt, M.
Tương tự như qũ trỡnh trao đổi nhiệt giữa 2 tấm phẳng ta cú thể viết phương trỡnh cđn bằng năng lượng trong thiết bị chưng cất cú dạng:
P = k (T-T1) + εσ (T4-T41) + m r(w-w1), (4.27)
Trong đú: P(W/m2) lă năng lượng bức xạ mặt trời đến, ε lă độđen của tổ hợp bề
mặt hấp thụ vă nước, r (Wh/kg) lă nhiệt hõ hơi của nước.
Với r = 660 Wh/kg, ε = 1 vă độ chớnh nhiệt độ trung bỡnh của thiết bị khoảng 40K thỡ ta cú thể xõc định lượng nước sản xuất được của thiết bị cú thể xõc định theo cụng thức: M = (P-160)/660 (kg/m2h) (4.28) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 310 Nhiệt độ, K Đụ ỹ õ ứm tư ơng đụ ỳi, w 320 330 340 350 360 Hỡnh 4.19. Độẩm tương đối của khụng khớ ở õp suất khớ quyển.
ỞĐă Nẵng với cường độ bức xạ trung bỡnh P = 850 W/m2 thỡ từ cụng thức
(4.28) ta tớnh được M = 1.0 kg/m2h hay với 6giờ nắng trong ngăy thỡ mỗi ngăy
1m2 bề mặt hấp thụ thiết bị sản xuất được M = 6kg nước.
Đối với cõc hệ thống lớn thường đặt cố định với diện tớch lớn thỡ cõc dũng năng lượng chủ yếu trong một thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời khi nú hoạt động cú thể biểu diễn như hỡnh 4.20.
Mục đớch của việc thiết kế một thiết bị chưng cất nước lă lăm sao cho nhiệt lượng dựng cho nước bay hơi Qbh lă lớn nhất. Qũ trỡnh truyền năng lượng bức xạ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
mặt trời đờ được hấp thụđến bề mặt ngưng xảy ra bởi hơi nước, vă qũ trỡnh năy tỷ lệ thuận với nước ngưng thu được.Hơn nữa tất cả cõc phần năng lượng khõc truyền từđõy đến phần xung quanh phải hạn chế căng nhiều căng tốt.
G Qbx Qdl Qbx Qbh Qdl Qpxa Qhthu Qtrq Qhthu Qpxa Qra Qdat Qnuoc
Hầu hết cõc dũng năng lượng cú
thể được xõc định theo cõc nguyớn lý
cơ bản, nhưng sự rũ rỉ vă cõc tổn thất qua cõc gúc cạnh rất khú xõc định vă cú thể gộp lại vă được xõc định bằng thực nghiệm bằng cõc thiết bị chưng cất thực tế. Sơ đồ mạng nhiệt của thiết bị chưng cất nước dạng bể tương tự như sơ đồ nhiệt của collector tấm phẳng nhưng cú 3 sự khõc biệt sau (hỡnh 4.21). Năng lượng truyền từ đõy đến tấm phủ
xảy ra bởi qũ trỡnh bay hơi-ngưng tụ
cộng thớm đối lưu vă bức xạ. Tổn thất phớa đõy chủ yếu lă qũ trỡnh truyền nhiệt xuống nền đất. Chiều sđu của nước trong thiết bị hay dung lượng của bể phải được xõc định trong tớnh tõn... Lượng nước ra chưng cất tớnh được từ qũ trỡnh bay hơi ngưng tụ truyền từ đõy
đến tấm phủ.
Sơ đồ nhiệt được trỡnh băy ở hỡnh 4.21, trong đú cõc nhiệt trở tương ứng với cõc dũng năng lượng hỡnh 4.20. (Cõc phần rũ rỉ, tổn thất qua cõc cạnh, nước
văo vă ra khụng trỡnh băy ởđđy).
q Ta r,c-s qr,b-c qc,c-s c,b-c q r,c-s q qe Tc Tb Tg G τα Hỡnh 4.21. Sơđồ mạng nhiệt
4.4. Đĩng cơ Stirling
Đĩng cơ Stirling là mĩt thiết bị cờ nhiều −u việt và cÍu tạo đơn giản. Mĩt đèu đĩng cơ đ−ợc đỉt nờng, phèn cịn lại để nguĩi và cơng hữu ích đ−ợc sinh ra. Đây là mĩt đĩng cơ kín khơng cờ đ−ớng cÍp nhiên liệu cũng nh− đ−ớng thải khí. Nhiệt dùng đ−ợc lÍy từ bên ngồi, bÍt kể vỊt gì nếu đỉt cháy đều cờ thể dùng để chạy đĩng cơ Stirling nh−: than, củi, rơm rạ, dèu hõa, dèu lửa, cơn, khí đỉt tự nhiên, gas mêtan,... nh−ng khơng địi hõi quá trình cháy mà chỉ cèn cÍp nhiệt đủ để làm cho đĩng cơ Stirling hoạt đĩng. ĐƯc biệt đĩng cơ Stirling cờ thể hoạt đĩng với năng l−ợng mƯt trới, năng l−ợng địa nhiệt, hoƯc nhiệt thừa từ các quá trình cơng nghiệp.
Nguyên lý hoạt đĩng:
Đ−ợc phát minh từ 1816 đĩng cơ Stirling đèu tiên đã là những thiết bị lớn làm việc trong mơi tr−ớng cơng nghiệp. Sau đờ các kiểu đĩng cơ Stirling nhõ hơn và êm này đã trị thành đơ dùng gia đình phư biến nh−: quạt, máy may, bơm n−ớc... Các đĩng cơ Stirling ban đèu chứa khơng khí và đ−ợc chế tạo từ các vỊt liệu bình th−ớng rÍt phư biến nh− đĩng cơ “hot air”. Khơng khí đ−ợc chứa trong đờ và là đỉi t−ợng để dãn nị nhiệt, làm lạnh và nén bịi sự chuyển đĩng của các phèn khác nhau của đĩng cơ.
Đĩng cơ Stirling là mĩt đĩng cơ nhiệt. Để hiểu mĩt cách đèy đủ về sự hoạt đĩng và tiềm năng sử dụng của nờ, điều chủ yếu là biết vị trí và lĩnh vực chung của các đĩng cơ nhiệt. Đĩng cơ nhiệt là mĩt thiết bị cờ thể liên tục chuyển đưi nhiệt năng thành cơ năng.
Mĩt ví dụ hiện thực về đĩng cơ nhiệt là đèu máy xe lửa chạy bằng hơi n−ớc trong những năm tr−ớc đây. Năng l−ợng nhiệt đ−ợc cung cÍp bằng cách đỉt than hoƯc củi, l−ợng nhiệt này nung nờng n−ớc chứa trong lị hơi và sản ra hơi cờ áp suÍt cao, hơi này dãn nị trong xi lanh và đỈy piston chuyển đĩng kéo theo bánh đà, và kéo xe lửa chuyển đĩng. Sau mỡi hành trình của piston, hơi đã sử dụng vĨn cịn mĩt ít nờng và đ−ợc thải ra và nh−ớng chỡ cho hơi mới cờ áp suÍt cao vào xylanh. Đĩng cơ diesel là mĩt dạng của đĩng cơ nhiệt nh−ng ị dạng khác và th−ớng gụi là đĩng cơ đỉt trong. Trong đĩng cơ đỉt trong, nhiệt đ−ợc cung cÍp bịi sự đỉt cháy nhiên liệu ngay phèn bên trong của đĩng cơ, các nhiên liệu này th−ớng là nhiên liệu lõng nh− dèu diesel, xăng. Mĩt phèn nhiệt biến thành cơng do sự dãn nị
khí nờng (sản phỈm cháy) tác đĩng vào piston. Phèn nhiệt cịn lại bị thải ra và thốt ra ngồi bịi bức xạ hay tõa ra từ các cánh làm mát của đĩng cơ. Đĩng cơ tiếp tục sinh cơng hữu ích chừng nào nhiên liêu cịn cung cÍp để tạo nhiệt.Ba quá trình: cÍp nhiệt, sinh cơng và thải nhiệt là đƯc tính chung của các đĩng cơ nhiệt.
Đĩng cơ Stirling thì cơ chế của các quá cÍp nhiệt, thải nhiệt và sinh cơng cờ hơi khác. Để nghiên cứu kỹ về sự hoạt đĩng của đĩng cơ Stirling ta xét mĩt xi lanh kín mĩt đèu với mĩt piston nh− hình 5.23 và mĩt ít khơng khí chứa bên trong. Piston chuyển đĩng qua lại tự do nh−ng hèu nh− kín. Giả sử lúc đèu tồn bĩ thiết bị cờ nhiệt đĩ bằng nhiệt đĩ đèu lạnh, lúc này khơng khí bên trong cờ áp suÍt bằng áp suÍt của khơng khí bên ngồi. Với điều kiện đờ, piston sẽ đứng yên ị vị trí ban đèu.Nếu ta đỉt nờng mĩt đèu xilanh (đèu nờng) nguơn nhiệt đ−ợc sử
dụng cờ thể là chùm tia bức xạ mƯt trới hĩi tụ tại đèu xilanh hoƯc mĩt cách đơn giản là nhúng đèu xilanh vào n−ớc nờng, thì áp suÍt và nhiệt đĩ khơng khí bên trong tăng lên. áp suÍt cao sẽ đỈy piston chuyển đĩng và sinh ra cơng hữu ích (hình: 5.23, 5.24, 5.25). BÍt kỳ nguơn nhiệt nào cũng sinh ra cơng, nh−ng với nguơn cờ nhiệt đĩ càng cao thì tạo ra cơng càng lớn. Đĩng cơ khơng những chỉ chuyển nhiệt thành cơng mĩt lèn đơn giản nh− trên mà cèn phải cờ khả năng tiếp tục sinh cơng.
Hình 5.25. Khơng khí áp suÍt cao đỈy piston
Đèu nờng
Đèu lạnh
Hình 5.24. CÍp nhiệt mĩt đèu xylanh, nhiệt đĩ và áp suÍt khơng khí tăng lên
Hình 5.23. Khơng khí bên trong và bên ngồi cờ áp suÍt và nhiệt đĩ bằng nhau
Cơng cờ thể sinh ra từ khơng khí nờng trong xilanh chừng nào cịn cờ quá trình dãn nị của khơng khí bên trong. Nếu piston di chuyển ra ngồi quá xa nờ sẽ vụt ra khõi xilanh và quá trình sinh cơng sẽ kết thúc. Do vỊy quá trình dãn nị cèn phải kết thúc tr−ớc khi điều đờ xảy ra. Nếu xilanh đ−ợc chế tạo thỊt dài thì quá trình dãn nị cờ thể xa hơn nh−ng cũng cờ giới hạn hơn nữa piston sẽ chỉ ra ngồi đến khi áp suÍt bên trong giảm xuỉng bằng áp suÍt khí quyển. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nếu khi piston chuyển đĩng đến đèu bên phải của xilanh, ta
ngừng quá trình cÍp nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt (làm mát) thì nhiệt đĩ và áp suÍt của khơng khí phía trong xilanh giảm xuỉng đến khi áp suÍt của khơng khí bên trong thÍp hơn áp suÍt của khí quyển bên ngồi thì piston sẽ chuyển đĩng ng−ợc lại và trị lại vị trí ban đèu (hình 5.26, 5.27, 5.28).
Hình 5.26. Quá trình dãn nị cho đến khi áp suÍt khơng khí bên trong bằng áp suÍt khí quyển
Hình 5.27. Nêú ngừng cÍp nhiệt mà thải nhiệt thì áp suÍt khơng khí bên trong giảm xuỉng
Hình 5.28. Piston chuyển đĩng vào bên trong do áp suÍt khơng khí bên ngồi cao hơn
VÍn đề đƯt ra đỉi với đĩng cơ Stirling là làm thế nào để chúng hoạt đĩng mĩt cách tự đĩng, tức là xilanh nhỊn, thải nhiệt đúng lúc và liên hệ chƯt chẽ với sự chuyển đĩng của piston. Hình 5.29 biểu thị nguyên lý hoạt đĩng đơn giản của đĩng cơ Stirling.
Hiện nay về thực nhiệm các kiểu đĩng cơ Stirling đã đạt đ−ợc đĩ tin cỊy cho sự thực thi. Với hợp kim chịu nhiệt đĩ cao, thiết bị cơng nghệ mới, thiết kế quá trình trao đưi nhiệt cờ sự trợ giúp của
máy tính và đ−ợc nạp khí Hêli hoƯc Hyđrơ với áp suÍt cao, các kiểu Stirling cờ thể dễ dàng vũt trĩi các đĩng diesel về hiệu suÍt cũng nh− về tỷ lệ giữa năng l−ợng và trụng l−ợng. Với đƯc chuyển đĩng êm và đĩ ơ nhiễm thÍp, đĩng cơ Stirling sẽ khơng cịn cờ đỉi thủ cạnh tranh trong t−ơng lai. /.
Ch−ơng 5: CáC loại g−ơng phản xạ
Để tập trung năng lượng bức xạ chiếu tới mặt thu Ft, nhằm nõng cao nhiệt độ của Ft và mụi chất tiếp xỳc nú, người ta dựng thờm cỏc gương phản xạ. Gương phản xạ là cỏc bề mặt nhẵn búng, coi là vật đục D = 0, cú hệ số hấp thụ A bộ, và hệ số phản xạ R = (1-A) lớn. Gương phản xạ cú thể cú dạng phẳng, cụn, nún, parabol trụ hoặc parabol trũn xoay. Gương phản xạ thường được chế tạo bằng mặt kim loại búng như inox, nhụm, tụn đỏnh búng, hoặc kớnh hay plastic cú trỏng bạc.
Đặc trưng của một gương phản xạ bao gồm: - Cỏc thụng số hỡnh học và kết cấu.
- Độ phản xạ R, điều kiện đờớ mặt thu cú thể hứng tồn bộ phản xạ từ gương.
- Độ tập trung năng lượng bức xạ (kớ hiệu là k). Độ tập trung năng lượng bức xạ k :
-Định nghĩa: Độ tập trung năng lượng bức xạ k của một hệ gương phản xạ và mặt thu, là tỉ số của cường độ bức xạ tới mặt thu Ft trờn cường độ bức xạ tới mặt hứng nắng: k =
EEt Et
Cường độ bức xạ tới mặt hứng nắng E thường là cường độ bức xạ tới mặt đất nơi đặt thiết bị, tức là cường độ bức xạ lỳc trời nắng bỡnh thường, chưa cú gương phản xạ.
-Lập cụng thức tớnh k: cho một hệ gồm mặt thu Ft đặt vuụng gúc với tia nắng, xung quanh cú gương phản xạ với hệ số phản xạ R, D = 0 và mặt hứng nắng diện tớch Fh, mặt Fh thường cũng vuụng gúc với tia nắng (hỡnh 5.1). Giả thiết cỏc gương đặt sao cho tồn bộ cỏc tia phản xạ từ gương được chiếu hết lờn mặt thu Ft. Khi đú, cụng suất bức xạ chiếu đến Ft là: Qt = E. Ft + E.( Fh - Ft).R =E.(1 - R). Ft + E.R.Fh Cường độ bức xạ đến Ft là: Et = Qt/Ft = E.(1 - R) + E.R. Fh/ Ft Do đú, k = Et/E = 1 - R + R. Fh/ Ft = 1 + R.( Fh/ Ft - 1). Nếu coi R ≈ 1 thỡ k ≈ Fh/Ft. R Fh Ft E R Hỡnh 5.1 Hệ gương và mặt thu