3.1. Xõy dựng bổ sung cỏc mụ-đun mụ p ỏng trong ệ t ống sản xuất nƣớc núng
3.1.1. Mụ-đun mụ p ỏng bơm n iệt sản xuất nƣớc núng
Dựa vào cỏc mối quan hệ toỏn học trong mục 2.1, xõy dựng mụ hỡnh tớnh toỏn năng suất nhiệt dàn ngưng, năng suất lạnh và cụng suất điện…
a) Lựa chọn thụng số, tham số vào ra
Thụng số đầu vào:
- Nhiệt độ đầu vào của nước giải nhiệt bỡnh ngưng, tw,v
- Nhiệt độ khụng khớ, ta
- Lưu lượng khối lượng của nước qua dàn ngưng, mw
- Lưu lượng khối lượng của khụng khớ qua dàn bay hơi, ma
Thụng số mụ tả:
- Thể tớch quột lý thuyết của mỏy nộn, Vdisp
- Diện tớch trao đổi nhiệt Fc, Fe - Hệ số truyền nhiệt kc, ke
Thụng số đầu ra:
Áp suất dàn ngưng, pc Năng suất nhiệt, Qc
Lưu lượng khối lượng mụi chất tuần hoàn trong chu trỡnh, mr
Cụng suất điện mỏy nộn, Ne Hệ số COP Pc Qc Qe Ne mr tw,v ta ma Vdisp Mô hình bơm nhiệt sản xuất n-ớc nóng mw Fe, Fc ke, kc COP
Hỡnh 3.1. Mụ hỡnh bơm nhiệt sản xuất nước núng
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 50
b) Thuật toỏn mụ phỏng
Bắt đầu
Đọc thông số hình học: Fc, Fe,Vdisp, kc, ke
Đọc thông số đầu vào tw,v, ta,v, ma, mw
Theo ph-ơng trình 2.1 - 2.9 tính mr
Kết thúc
Khởi tạo giá trị ban đầu:te, tc
Theo 2.10 tính tcn abs(tcn-tc)c Sai abs(ten-te)e Sai Theo 2.11 tính ten tc = tcn éỳng te = ten éỳng
H n .2. Lưu đồ thuật toỏn mụ phỏng bơm nhiệt sản xuất nước núng
Từ lưu đồ thuật toỏn mụ phỏng bơm nhiệt, chương trỡnh đọc cỏc thụng số mụ tả (diện tớch dàn ngưng Fc, dàn bay hơi Fe, hệ số truyền nhiệt dàn ngưng và dàn bay hơi kc, ke và thể tớch quột của mỏy nộn Vdisp) và cỏc thụng số đầu vào như nhiệt độ đầu vào của nước giải nhiệt bỡnh ngưng tw,v, nhiệt độ khụng khớ ta, tốc độ khối lượng của nước qua dàn ngưng mw, tốc độ khối lượng của khụng khớ qua dàn bay hơi mkk. Dựa trờn cỏc thụng số đầu vào, theo hệ phương trỡnh từ 2.1 đến 2.9 chương trỡnh tớnh toỏn lưu lượng khối lượng mụi chất mr. Từ đú theo phương trỡnh 2.10 và 2.11 chương trỡnh tớnh lại tcn và ten, so sỏnh với giỏ trị khởi tạo ban đầu nếu sai số nhỏ hơn c, e tương ứng thỡ dừng mụ hỡnh, nếu lớn hơn thỡ tiếp tục vũng lặp. Kết quả của chương trỡnh là nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi, năng suất nhiệt Qc và năng suất lanh Qe tương ứng với bài toỏn mụ phỏng.
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 51
3.1.2. Mụ-đun mụ p ỏng bơm n iệt với bỡnh tớc n iệt
Dựa trờn cỏc mối quan hệ toỏn học ở mục 2.2, xõy dựng cỏc lưu đồ thuật toỏn thể hiện quy trỡnh tớnh toỏn sự phõn tầng nhiệt độ trong bỡnh dự trữ nước núng, xỏc định năng suất nhiệt dàn ngưng và cụng suất tiờu thụ của mỏy nộn.
Vỏ bỡnh chứa
Mỏy nộn Thiết bị tiết lưu
Dàn ngưng tụ Dàn bay hơi Vỏch ngăn Đường nước lạnh vào Đường nước núng ra
Hỡnh 3.3. Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt với bỡnh tớch nhiệt
a) Lựa chọn thụng số, tham số vào/ra
Thụng số đầu vào
- Số phõn tố theo chiều cao, n - Nhiệt độ khụng khớ, Ta
- Lưu lượng khối lượng của khụng khớ qua dàn bay hơi, ma
- Thời gian cần mụ phỏng,
Thụng số mụ tả
- Đường kớnh vỏch ngăn, bờn trong bỡnh chứa và chiều dày cỏch nhiệt, Di, Do, Dt
- Chiều cao bỡnh chứa, lt
Thụng số đầu ra - Phõn bố nhiệt độ T1…Tn tc, te COP Ta Mô hình bơm nhiệt bình tích T1...Tn Qe n Qc l t D o Di D t ma
Hỡnh 3.4 Mụ hỡnh bơm nhiệt với bỡnh tớch nhiệt - Hệ số bơm nhiệt COP
- Năng suất nhiệt Qc, năng suất lạnh Qe - Nhiệt độ ngưng tụ tc, nhiệt độ bay hơi te
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 52
b) Thuật toỏn mụ phỏng
Bắt đầu
Đọc các số liệu đầu vào: kích th-ớc hình học, thông số vật lý, nhiệt độ môi tr-ờng...(bảng...)
Theo (2.14) - (2.28) tính nhiệt độ cho các Tmi,i=1,2n
In kết quả
Sai
Tính toán các đại l-ợng đặc tr-ng cho quá trình mô phỏng Mo, Mi, kl
Nhập phân bố nhiệt độ cho các Tmi,i=1,2n
Ch-ơng trình con bơm nhiệt sản xuất n-ớc nóng tính Qc, mr
Theo (2.29) - (2.33), tính mw,call
abs(mw,cal-mw,)m mw,mw,cal
Tính Qc,cal abs(Qc,cal-Qc,)Q Sai Qc,Qc,cal Dừng mô phỏng Kết thúc
H n .5. Lưu đồ thuật toỏn mụ phỏng bơm nhiệt trong chế độ khụng ổn định Hỡnh 3.5 là lưu đồ thuật toỏn của chương trỡnh mụ phỏng bơm nhiệt trong chế độ khụng ổn định. Theo đú chương trỡnh sẽ đọc cỏc số liệu đầu vào như kớch thước hỡnh học của thiết bị (Do, Di, lt, Dt…) cỏc thụng số vật lý, nhiệt độ mụi trường
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 53
Ta, phõn bố nhiệt độ của nước bờn trong bỡnh chứa tại thời điểm ban đầu và cỏc thụng số mụ tả cỏc bộ phận của bơm nhiệt (mỏy nộn, tiết lưu, dàn bay hơi, dàn ngưng tụ …). Dựa trờn cỏc số liệu đầu vào, chương trỡnh sẽ tớnh cỏc cỏc đại lượng đặc trưng cho quỏ trỡnh mụ phỏng như khối lượng phõn tố nước bờn ngoài Mo và bờn trong Mi vỏch ngăn theo cụng thức 2.24 và 2.25, hệ số truyền nhiệt ứng với một đơn vị chiều dài (chiều cao) vỏch trụ của vỏ bỡnh chứa kl (cụng thức 2.18). Tất cả cỏc đại lượng được tớnh ở bước này sẽ được coi là hằng số cho quỏ trỡnh mụ phỏng tiếp theo.
Trước khi tiến hành vũng lặp kộp cho phộp xỏc định cỏc giỏ trị Tmi. phự hợp với Qc, và mw,, chương trỡnh sẽ gỏn phõn bố nhiệt độ ban đầu cho tất cả cỏc Tmi. với i=1, 2n và =0, tăng giỏ trị thời gian và tớnh toỏn sơ bộ cỏc giỏ trị Qc, và
w,
m cho bước thời gian tiếp theo. Vào vũng lặp chương trỡnh sẽ bắt đầu tớnh toỏn Tmi.cho từng thời điểm đang xột bằng cụng thức (2.14) – (2.28). Dựa vào cỏc giỏ trị Tmi.vừa tớnh được, chương trỡnh sẽ tớnh lại mw, theo (2.29) – (2.33) và ta gọi giỏ trị tớnh được này là mw,cal. Để kiểm tra giỏ trị vừa tớnh mw, đó sử dụng để tớnh cỏc Tmi. cú đỳng hay khụng, chương trỡnh sẽ so sỏnh với mw,calvừa tớnh được. Nếu sai lệch tuyệt đối lớn hơn một giỏ trị cho phộp m, đặt trước, chương trỡnh sẽ sử dụng chớnh giỏ trị mới này, mw,cal, để tớnh lại cỏc giỏ trị Tmi.và sẽ ch dừng quỏ trỡnh lặp vừa nờu khi nào sự sai khỏc đú nhỏ hơn giỏ trị đặt trước. Quỏ trỡnh lặp tương tự cũng được thực hiện để xỏc định giỏ trị đỳng của Qc,.
Trước khi tiến hành việc tớnh toỏn cho cỏc bước thời gian tiếp theo, chương trỡnh sẽ kiểm tra yờu cầu “dừng mụ phỏng” và nếu “cú”, chương trỡnh sẽ xuất cỏc kết quả tớnh toỏn và kết thỳc ở bước ở thời điểm hiện tại. Nếu khụng cú yờu cầu dừng quỏ trỡnh mụ phỏng. chương trỡnh sẽ lặp lại tăng giỏ trị thời gian lờn một khoảng và thực hiện vũng lặp kộp xỏc định Tmi., mw, và Qc, như hỡnh 3.5. Mụ hỡnh bơm nhiệt bỡnh tớch ở trạng thỏi khụng ổn định. Nhiệt độ đầu vào twv thay đổi dẫn đến chế độ động học, truyền nhiệt trong bỡnh ngưng thay đổi. Sự tương tỏc giữa cỏc bộ phận được liờn kết chặt chẽ với nhau.
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 54
3.1.3. Mụ-đun mụ p ỏng bộ t u năng lƣợng mặt trời tuần oàn tự n iờn
Dựa vào cỏc mụ hỡnh toỏn học trong mục 2.3, xõy dựng mụ hỡnh mụ phỏng năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiờn nhằm xỏc định nhiệt thu được từ bộ thu năng lượng mặt trời, phõn bố nhiệt độ trong bỡnh dự trữ và tốc độ tuần hoàn tự nhiờn.
a) Lựa chọn thụng số, tham số vào ra
Thụng số đầu vào:
Nhiệt độ mụi trường ta, oC
Gúc nghiờng bộ thu , o
Nhiệt độ nước vào bộ thu tfi, oC
Nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu tfo, oC
Thụng số mụ tả:
Diện tớch bộ thu Ac, m2
Đường kớnh ống hấp thụ dc, m
Số ống N
Chiều dài mỗi ống Lc, m
Đường kớnh bỡnh chứa Do, Di, m
Chiều cao bỡnh chứa lt, m
Thụng số đầu ra:
Nhiệt độ tại cỏc điểm theo chiều cao bỡnh chứa theo thời gian t1.… .tn
Lưu lượng nước tuần hoàn trong bộ thu m, kg/s tn ta Ac Mô hình năng l-ợng mặt trời tuần hoàn tự nhiên dc N Lc lt Do m Di tfo tfi Hỡnh 3.6. Mụ hỡnh năng lượng mặt trời tuần hoàn tự nhiờn
b) Thuật toỏn mụ phỏng
Hỡnh 3.7 là lưu đồ thuật toỏn mụ hỡnh tuần hoàn tự nhiờn năng lượng mặt trời, chương trỡnh đọc cỏc thụng số hỡnh học và thụng số đầu vào (nhiệt độ khụng khớ, gúc nghiờng của bộ thu, nhiệt độ nước vào và ra bộ thu). Theo phương trỡnh
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 55
toỏn học 2.44 chương trỡnh tớnh lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn trong bộ thu. Theo cỏc phương trỡnh từ 2.22 đến 2.27, chương trỡnh tớnh sự phõn tầng nhiệt độ trong bỡnh chứa. Ở đõy, Qn = 0.
Bắt đầu
Đọc thông số hình học: Ac, dc, N, Lc, Do, Di, lt
Đọc thông số đầu vào: ta,tfo, tfi,
Theo ph-ơng trình 2.44 tính m
Kết thúc
Theo ph-ơng trình 2.22 - 2.27 tính t1...tn
Hỡnh 3.7. Lưu đồ thuật toỏn mụ phỏng tuần hoàn tự nhiờn bộ thu năng lượng mặt trời
3.2. Lựa c ọn ngụn ngữ lập tr n 3.2.1. Giới t iệu về EES
EES là tờn viết tắt của Engineering Equation Solver [23]. Đõy là phần mềm được GS.A.S.Kelein và GS.F.L Alvarado xõy dựng từ năm 1996, Chức năng cơ bản của phần mềm này là giải một tập hợp cỏc phương trỡnh đại số, phương trỡnh vi phõn, phương trỡnh với cỏc chức năng về đồ hoạ khỏc. Sự khỏc biệt lớn giữa phần mềm EES và cỏc phần mềm giải phương trỡnh bằng đại số hiện cú: EES tự động nhận diện và nhúm cỏc phương trỡnh lại với nhau và lời giải luụn được tiến hành ở hiệu quả tối ưu. Bờn cạnh đú, EES cung cấp kốm theo nhiều hàm toỏn học và nhiều tớnh chất nhiệt động và nhiệt vật lý rất hữu ớch đối với cỏc tớnh toỏn kỹ thuật, đặc biệt là đối với cỏc bài toỏn trong lĩnh vực nhiệt – lạnh. Chẳng hạn như, khi muốn tớnh toỏn bất cứ một trong cỏc thụng số nào của hơi, ta ch việc nhập hai thụng số
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 56
của hơi nước như nhiệt độ t, ỏp suất p và một lệnh gọi thụng số cần tớnh, phần mềm sẽ tự động tớnh toỏn được bất cứ hàm nhiệt động nào. Khả năng này được ỏp dụng cho hơn 60 mụi chất khỏc nhau.
Một tớnh năng ưu việt khỏc của phần mềm EES là hỗ trợ người sử dụng viết cỏc hàm và chương trỡnh con giống như cỏc hàm và chương trỡnh con được viết ở trong ngụn ngữ Pascal và Fortran. EES cũng cho phộp người dựng viết cỏc mụ-đun của cỏc phương trỡnh EES. Cỏc hàm, cỏc chương trỡnh con và cỏc mụ-đun cú thể được lưu như cỏc tệp dữ liệu thư viện và sẽ được đọc một cỏch tự động khi EES khởi động. Phần mềm EES đặc biệt hữu ớch đối với cỏc bài toỏn thiết kế cú một hoặc nhiều biến cần xỏc định. Người sử dụng nhận dạng cỏc biến độc lập bằng việc nhập cỏc giỏ trị của chỳng vào cỏc ụ trong bảng…
Với những ưu điểm nổi bật trờn của phần mềm EES, nờn ở đõy ta sử dụng nú làm cụng cụ mụ phỏng hệ thống trờn.
3.2.2. Giới t iệu về TRNSYS
Để mụ phỏng cỏc bộ phận bỡnh chứa nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt ở chế độ khụng ổn định, người ta sử dụng phần mềm TRNSYS [33] (Transient system simulation program) ver. 15 (2000), phần mềm được phỏt triển bởi Solar Energy Laboratory ở trường Đại học Wisconsin. Chương trỡnh bao gồm cỏc link kết nối cỏc bộ phận với nhau theo cỏch thức mong muốn để mụ phỏng đặc tớnh khụng ổn định của hệ thống nhiệt. Mỗi bộ phận được xõy dựng như là một chương trỡnh, cú đầu vào đầu ra, (T.E.S.S., 2006), được coi như là một type trong phần mềm TRNSYS. Đõy là một chương trỡnh đồ hoạ rất hiệu quả dựa trờn mụi trường phần mềm dừng để mụ phỏng hệ thống khụng ổn định, ứng dụng phỏt triển dựa trờn cơ sở ngụn ngữ lập trỡnh Fortran, được dựng cho mục đớch mụ phỏng hệ thống như hệ thống điện, điều hoà khụng khớ, năng lượng mặt trời… TRNSYS được tạo thành từ hai phần. Đầu tiờn là một cụng cụ (đõy là phần chớnh) để đọc và xử lý cỏc tập tin đầu vào, lặp đi lặp lại xỏc định điểm hội tụ, và cỏc biến hệ thống. Phần này cũng cung cấp tiện ớch (trong số những thứ khỏc) xỏc định tớnh chất nhiệt động học, ma trận nghịch, thực hiện hồi quy tuyến tớnh, và nội suy dữ liệu bờn ngoài. Phần thứ hai của TRNSYS là một thư viện rộng lớn cỏc thành phần, mỗi mụ hỡnh thực hiện một phần
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 57
của hệ thống. Thư viện tiờu chuẩn bao gồm khoảng 150 mụ hỡnh khỏc nhau, từ mỏy bơm cho tới cỏc tũa nhà, tua-bin giú, mỏy điện, xử lý dữ liệu thời tiết và kinh tế, và cỏc thiết bị HVAC cơ bản với cụng nghệ tiờn tiến mới nhất. Mụ hỡnh được xõy dựng theo một cỏch mà người sử dụng cú thể sử dụng cỏc mụ-đun hiện cú hoặc viết riờng.
3.3. Xõy dựng c ƣơng tr n p ần mềm mụ p ỏng ệ t ống sản xuất nƣớc núng
Về cơ bản, việc mụ phỏng hệ thống sản xuất nước núng dựng bơm nhiệt kết hợp với năng lượng mặt trời sẽ được thực hiện bằng cỏch kết nối mụ hỡnh mụ phỏng bơm nhiệt với mụ hỡnh bộ thu năng lượng mặt trời và mụ hỡnh tớch nhiệt trong bỡnh chứa nước núng. Trong đú, mụ hỡnh tớch nhiệt trong bỡnh chứa nước núng sẽ được đề tài tiến hành xõy dựng cũn mụ hỡnh bộ thu năng lượng mặt trời sẽ do một mụ- đun mụ phỏng trong bộ phần mềm TRNSYS [33] đảm nhiệm. Để thực hiện việc kết nối giữa cỏc mụ-đun mụ phỏng này với nhau, phần mềm TRNSYS cũng sẽ được lựa chọn do đõy là một phần mềm mà ban đầu nú được xõy dựng để mụ phỏng hoạt động của cỏc hệ thống thu năng lượng mặt trời.
3.3.1 Xõy dựng p ần mềm mụ p ỏng bơm n iệt sản xuất nƣớc núng
Trờn cơ sở mụ hỡnh toỏn học trong mục 2.1 và lưu đồ thuật toỏn hỡnh 3.2 ta xõy dựng được phần mềm mụ phỏng bơm nhiệt sản xuất nước núng, phần mềm đó được lập trỡnh để giải tự động bằng phần mềm EES (Engineering Equation Solver) [23]. Đõy là một phần mềm giải hệ phương trỡnh kỹ thuật tự động, trong đú đó được tớch hợp đầy đủ cỏc hàm nhiệt động cần thiết cũng như số liệu thực nghiệm cho tất cả cỏc loại mụi chất đang được sử dụng hiện nay. Giao diện phần mềm chương trỡnh được thể hiện trờn hỡnh 3.8. Khi biết nhiệt độ khụng khớ vào dàn bay hơi ta và nhiệt độ nước núng vào dàn ngưng tụ tw,v chương trỡnh giỳp xỏc định cỏc thụng số hoạt động của bơm nhiệt như năng suất nhiệt nhận ở dàn bay hơi Qe, năng suất gia nhiệt của dàn ngưng tụ Qc, hệ số bơm nhiệt COP…Đõy là chương con trong phần mềm mụ phỏng bơm nhiệt với bỡnh chứa tớch nhiệt.
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 58
Hỡnh 3.8. Giao diện phần mềm mụ phỏng bơm nhiệt sản xuất nước núng
3.3.2 Xõy dựng p ần mềm mụ p ỏng bơm n iệt b n c ứa tớc n iệt
Trờn cơ sở mụ hỡnh toỏn học nờu trong phần 2.1 và 2.2, luận văn đó xõy dựng phần mềm tớnh toỏn phõn bố nhiệt độ trong bỡnh chứa nước núng ở chế độ tớch nhiệt, cũng như tớnh toỏn năng suất nhiệt, năng suất lạnh và hệ số bơm nhiệt thay đổi theo thời gian. Chương trỡnh được tớnh toỏn trờn phần mềm chuyờn nghành EES và giao diện của phần mềm được trỡnh bày dưới dạng bảng.