ống xuống I Ta Bình chứa năng l-ợng mặt trời Bơm nhiệt chứa n-ớc nóng T1 T5 Tin
Hỡnh 3.12. Sơ đồ kết nối cỏc bộ phận mụ hỡnh BN kết hợp với NLMT
Như đó phõn tớch, nhiệm vụ của cỏc mụ hỡnh mụ phỏng được đặt ra trong quỏ trỡnh thực hiện đề tài là kiểm tra lại khả năng làm việc của hệ thống trong điều kiện làm việc thực, khi cỏc giả thiết đó thiết lập khụng c n đỳng nữa. Cụ thể ở đõy, cần kiểm tra lại khả năng đỏp ứng của bơm nhiệt trong mọi hoàn cảnh cú thể xảy ra trong thực tế. Để làm được điều đú, mụ-đun tớnh toỏn mức nhu cầu sử dụng nước núng của đối tượng trong cỏc điều kiện thời tiết khỏc nhau, Type load_T14h. Với mụ-đun tớnh toỏn mức nhu cầu sử dụng nước núng này, phần mềm mụ phỏng hệ thống giỳp xỏc định lượng nước núng và lượng nhiệt tương ứng cần bự bởi bơm nhiệt đó được xõy dựng trong TRNSYS như trỡnh bày trờn hỡnh 3.13. Và với phần mềm đó xõy dựng, dễ dàng xỏc định lượng nước núng và lượng nhiệt lớn nhất cần bự trong mọi điều kiện thời tiết. So sỏnh lượng cần bự lớn nhất tớnh toỏn được này
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 63
với khả năng đỏp ứng của bơm nhiệt khi làm việc trong điều kiện tương ứng cú thể giỳp người thiết kế tiến thờm một bước trong việc trả lời cõu hỏi “hệ thống đó thiết kế cú hoàn toàn đỏp ứng được nhu cầu của đối tượng sử dụng nước núng hay khụng?”. Việc tiếp theo cần làm là xõy dựng mụ hỡnh thật để kiểm chứng cỏc kết quả tớnh toỏn, thiết kế và mụ phỏng.
Hỡnh 3.13. Sơ đồ kết nối cỏc mụ-đun mụ phỏng xỏc định lượng nhiệt cần bự cho hệ thống trong TRNSYS
Chương trỡnh tớnh toỏn đọc tệp dữ liệu một cỏch dễ dàng (cường độ bức xạ, nhiệt độ) từ nguồn, chuỗi số liệu cú thể là giờ, phỳt, giõy, thậm chớ theo ngày. Đầu ra của quỏ trỡnh mụ phỏng là tổng năng lượng mặt trời hữu ớch, năng lượng nhiệt mà bơm nhiệt cần cung cấp theo thời gian.
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 64
CHƢƠNG 4 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Mục đớch của chương này là đỏnh giỏ cỏc kết quả đạt được, kiểm chứng độ chớnh xỏc của mụ hỡnh mụ phỏng và đỏnh giỏ khả năng đỏp ứng nhu cầu sử dụng nước núng đối với một hệ thống cụ thể.
4.1. Mụ tả t ớ ng iệm kiểm c ứng 4.1.1. Hệ t ống năng lƣợng mặt trời
Sơ đồ hệ thống thiết bị thớ nghiệm đó được xõy dựng tại Viện Khoa học và Cụng nghệ Nhiệt - Lạnh, Trường Đại học Bỏch Khoa Hà Nội [1]. Cỏc thiết bị bao gồm:
- Bộ thu phẳng: Kớch thước tấm hấp thụ 720 x 1170 mm, tổng diện tớch là 0.842 m2. Bộ tấm phẳng được đặt nghiờng một gúc 20 oC so với mặt phẳng nằm ngang và cú mặt quay về hướng nam.
- Bỡnh tớch nhiệt: bỡnh chứa hỡnh trụ đứng cú dung tớch 46 lớt, bảo ụn bằng bụng thuỷ tinh dày 50 mm. Bỡnh chứa được đặt ở vị trớ đỏy bỡnh cao hơn đầu ra tấm hấp thụ 150 mm.
- Cỏc sensor nhiệt độ điện tử: sensor bỏn dẫn do hóng National (Nhật Bản) chế tạo. Sensor ra tớn hiệu điện ỏp cao gấp 250 lần so với cặp nhiệt XA (hay cặp nhiệt loại K theo tiờu chuẩn Tõy Âu và Mỹ), do hạn chế được hiện tượng nhiễu khi cần đưa tớn hiệu đi xa và cú thể mang lại độ chớnh xỏc cao trong đo lường. Để trỏnh tỏc hại đến mụi trường, khi đo nhiệt độ chất lỏng chất khớ thụng thường. cỏc sensor được đỳc trong vỏ bảo vệ bằng đồng 6mm, dài 30 mm. Đặc biệt khi đo nhiệt độ chất lỏng trong đường ống, để tăng tớnh ổn định hệ thống, giảm trở khỏng thuỷ lực, sensor và vỏ bảo vệ phải được gắn liền với một đoạn đường ống. Sensor nhiệt độ được đặt ở cỏc vị trớ sau: đầu ra bộ thu phẳng (2 cỏi), bỡnh chứa (4 cỏi), nhiệt độ búng rõm xung quanh bộ thu (1 cỏi).
- Nhiệt kế hiện số: loại ch thị cú độ chớnh xỏc 0,1 oC, được thiết kế phự hợp với sensor bỏn dẫn National và cho phộp lấy tớn hiệu cỏch xa tới 200 m.
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 65
- Sensor đo bức xạ mặt trời và bức xạ kế: đồng bộ hóng Haenni (Đức) chế tạo. Thiết bị cú thể ch thị cường độ bức xạ toàn phần với chớnh xỏc 1 W/m2. Ngoài ra, thiết bị cũn cú khả năng tớnh toỏn tổng năng lượng bức xạ trong suốt thời gian đo với độ chớnh xỏc hiển thị 0,01 kWh/m2. Sensor đo bức xạ mặt trời được đặt trờn núc bỡnh chứa.
Số liệu thớ nghiệm được ghi liờn tục với mật độ cỏch nhau 5 phỳt. Mỗi ca thớ nghiệm được tiến hành trong khoảng thời gian từ 1 đến 8 giờ, tựy thuộc vào mục đớch thớ nghiệm và điều kiện thời tiết.
Bảng 4.1. Bảng thụng số cấu tạo của bộ thu tấm phẳng
Thụng số Kớ hiệu Giỏ trị Đơn vị
Hệ sỗ dẫn nhiệt của tấm Kp 35 W/mK
Khối lượng riờng của tấm 7860 kg/m3
Chiều dày tấm hấp thụ 1.3 mm Chiều dài tấm hấp thụ L1 1500 mm Chiều rộng tấm hấp thụ L2 1000 mm Đường kớnh trong ống dẫn Di 14 mm Đường kớnh ngoài ống dẫn Do 18 mm Hệ số tổn thất toàn phần Ul 4.605 W/m2K
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu hf 205 W/m2K
ước ống W 100 mm
4.1.2. Hệ t ống bơm n iệt sản xuất nƣớc núng
Mụ hỡnh thớ nghiệm là một thiết bị đun nước núng dựng bơm nhiệt. Thiết bị được thiết kế và chế tạo tại Viện Khoa học và Cụng nghệ Nhiệt Lạnh – Trường Đại
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 66
học Bỏch khoa Hà Nội [1]. Điều kiện thiết kế và thụng số kỹ thuật của thiết bị như sau: nhiệt độ mụi trường 23oC, mụi chất lạnh được sử dụng R134a, nhiệt độ bay hơi 5oC, nhiệt độ ngưng tụ cú thể đạt tới 80oC, độ qua nhiệt hơi hỳt 5oC, bỡnh chứa nước núng cú thể tớch 50 lớt.
Thiết bị ngưng tụ là hệ thống ống đồng dạng ống xoắn ruột gà, đường kớnh ngoài là 6 mm, đường kớnh trong là 5 mm, gồm 30 vũng ống được quấn trũn trong đường kớnh 75 mm. Hệ thống ống xoắn ruột gà được đặt trong bỡnh chứa hỡnh trụ, chiều cao bỡnh chứa là 600 mm, đường kớnh 318 mm. Bờn trong bỡnh chứa, hệ thống ống xoắn ruột gà được đặt bờn trong một ống tăng cường bằng tụn mỏng đường kớnh 90 mm, tạo điều kiện cho nước trong ống tăng cường nhận nhiệt thải của thiết bị ngưng tụ được tốt hơn. Mặt khỏc, tạo ra sự chờnh lệch nhiệt độ tương đối cao giữa cỏc phõn tố nước trong ống tăng cường và ngoài ống tăng cường. giỳp khả năng trao đổi nhiệt đối lưu trong khụng gian bỡnh chứa được mạnh hơn khi khụng làm ống tăng cường. Hệ thống ống xoắn ruột gà được bố trớ theo vũng trũn dọc theo chiều cao bỡnh chứa, cũn hơi mụi chất lạnh từ đầu đẩy của mỏy nộn đi vào đường ống xoắn phớa trờn xuống dưới, sau khi ngưng tụ đi từ dưới lờn trờn qua hệ thống van tiết lưu để giảm ỏp suất rồi vào giàn bay hơi. Nước lạnh ở điều kiện mụi trường được cấp từ phớa đỏy bỡnh chứa và lấy ra ở phớa trờn bỡnh chứa nhằm giỳp mụi chất trong thiết bị ngưng tụ được tốt nhất và đảm bảo nước lấy ra ở phớa trờn là nước cú nhiệt độ cao. Vỏ bỡnh chứa được bọc cỏch nhiệt bằng bụng thuỷ tinh dày 15mm để giảm thiểu tổn thất nhiệt ra mụi trường xung quanh.
Bộ phận tiết lưu là một đoạn ống đồng. đường kớnh 2 m, dài 32 cm, được căn ch nh chớnh xỏc, đảm bảo cho mụi chất lỏng ở ỏp suất cao sau khi qua van tiết lưu sẽ giảm ỏp suất xuống bằng ỏp suất bay hơi theo yờu cầu, đảm bảo an toàn cho thiết bị bay hơi.
Thiết bị bay hơi là dàn bay hơi kiểu ống đồng cú cỏnh và cú hệ thống quạt giú thổi cưỡng bức qua giàn lạnh, cấp nhiệt cho mụi chất thực hiện quỏ trỡnh bay hơi được dễ dàng. Mụi chất lạnh R134a được nộn bởi mỏy nộn pittong SC10GH, 220/60Hz của Danfos, cụng suất tiờu thụ điện năng là 395 W.
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 67
Bảng 4.2. Thống kờ cỏc đặc tớnh kỹ thuật của thiết bị thớ nghiệm
Tờn thiết bị Kiểu. kớc t ƣớc Cụng suất (W)
Dàn lạnh
Kiểu ống đồng cú cỏnh, cú quạt giú thổi cưỡng bức. 511,7
Dàn ngưng tụ
Dạng ống đồng xoắn ruột gà, đường kớnh ngoài là 6 mm, đường kớnh trong là 5 mm, dài 11,37 m, quấn tr n quanh đường kớnh 75 mm.
771,5
Mỏy nộn
pittong Model: SC10GH, 220V/60HZ, Danfoss 395
Tiết lưu Đoạn cỏp bằng ống đồng, đường kớnh 2 mm, dài 32 cm.
Bỡnh chứa nước núng
Đường kớnh trong là 318 mm, cao 600 mm, thể tớch bỡnh chứa là 0,05 m3.
Bảng 4.3. Thụng số mụ tả của mụ n bơm n iệt với bỡnh tớch nhiệt
Thụng số Giỏ trị Đơn vị
Chiều dài ống dàn ngưng, lc 11,4 m Đường kớnh ống dàn ngưng, dc 6 mm Số xilanh trong mỏy nộn 1
Thể tớch quột, Vdisp 10,29 m3/vũng Tốc độ quay của mỏy nộn, n 2900 vũng/phỳt
4.2. Đỏn giỏ kết quả thu đƣợc
4.2.1. So sỏn với kết quả t ực ng iệm của ệ t ống bơm n iệt sản xuất nƣớc núng
a) Kết quả mụ phỏng bơm n iệt đun núng nƣớc
Từ cỏc số liệu mụ phỏng, ta cú đồ thị mụ tả cỏc đại lượng đặc trưng cho hệ thống theo nhiệt độ nước trong bỡnh và thời gian như sau:
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 68
Hỡnh 4.1. Phõn tầng nhiệt độ trong ống tăng cường theo thời gian
Từ sự phõn bố nhiệt độ nước trong ống tăng cường, ta thấy, ở thời gian đầu chạy mỏy nhiệt độ của cỏc phõn tố nước đều tăng lờn nhưng nhiệt độ nước ở phớa đ nh tăng lờn rất nhanh và độ tăng nhiệt độ đú giảm dần theo chiều cao. Nguyờn nhõn của hiện tượng đú là do phớa đ nh bỡnh chứa xảy ra hiện tượng quỏ nhiệt mụi chất, theo chiều từ trờn xuống dưới mụi chất chuyển từ trạng thỏi hơi sang trạng thỏi lỏng trong thiết bị ngưng tụ. Do vậy, nhiệt thải của thiết bị ngưng tụ giảm theo chiều cao bỡnh chứa, nờn cỏc phõn tố dưới bỡnh chứa nhận được ớt nhiệt hơn. Ngoài ra, do phõn tố nước núng cú khối lượng riờng nhẹ hơn nờn cú xu hướng đi lờn do đú xảy ra sự tuần hoàn tự nhiờn của mụi chất trong bỡnh chứa. Sự tuần hoàn này giỳp khả năng đỏp ứng tới tải nhanh hơn và giảm sự đồng đều nhiệt độ trong bỡnh chứa qua đú giảm tổn thất nhiệt.
Sau khoảng thời gian 20 phỳt, tốc độ tăng nhiệt độ của cỏc phõn tố nước ở đầu bỡnh và đỏy bỡnh gần như nhau, do đú hệ thống chạy gần như ổn định. Hỡnh 4.1 cho thấy hỡnh dỏng của đường phõn bố nhiệt độ của cỏc phõn tố nước theo chiều cao gần như tuyến tớnh, chờnh lệch nhiệt độ giữa phõn tố nước ở đầu và cuối bỡnh chứa lỳc cao nhất vào khoảng 10oC.
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 69
Hỡnh 4.2. Phõn tầng nhiệt độ cỏc điểm ngoài ống tăng cường theo thời gian Nhỡn vào phõn bố nhiệt độ của cỏc phõn tố ngoài ống tăng cường, ta thấy, ở thời gian đầu nhiệt độ của cỏc phõn tố nước phớa trờn của bỡnh chứa tăng lờn nhanh hơn nhiều so với nhiệt độ của cỏc phõn tố nước phớa đỏy bỡnh chứa. Cú hiện tượng này là do trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiờn, cỏc phõn tố nước phớa trờn được nhận nhiệt do tiếp xỳc với cỏc phõn tố nước trong ống tăng cường đi ra. Cũn cỏc phõn tố nước bờn dưới thỡ ch nhận được ớt nhiệt do tiếp xỳc với cỏc phõn tố nước phớa trờn và một phần do tổn thất nhiệt ra mụi trường.
Sau khoảng 20 phỳt, tốc độ tăng nhiệt độ của phõn tố nước ở cả phớa trờn và phớa dưới đỏy bỡnh chứa là như nhau do hệ thống chạy đó dần ổn định. Và chờnh lệch nhiệt độ lớn nhất giữa 2 phõn tố nước đ nh và đỏy bỡnh chứa vào khoảng 5oC. Cứ tiếp tục chạy mỏy cho đến khi nhiệt thải thiết bị ngưng tụ cõn bằng với tổn thất nhiệt ra mụi trường bờn ngoài thỡ cỏc phõn tố nước trong bỡnh chứa khụng được nhận nhiệt nữa. Khi đú trong bỡnh chứa ch cú hiện tượng trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiờn do cú sự chờnh lệch nhiệt độ giữa cỏc phõn tố nước phõn bố theo chiều cao bỡnh chứa. Dần dần cỏc phõn tố nước cú nhiệt độ thấp tiếp xỳc với cỏc phõn tố nước cú nhiệt độ cao và tăng dần nhiệt độ lờn. Đến một thời điểm nào đú thỡ tất cả cỏc phõn tố nước ở mọi vị trớ trong bỡnh chứa sẽ cú nhiệt độ bằng nhau.
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 70
Hỡnh 4.3. Sự thay đổi ỏp suất ngưng tụ, bay hơi theo thời gian
Ở trạng thỏi ban đầu khi chưa chạy mỏy thỡ cú sự cõn bằng ỏp suất trong cả hệ thống. Sau khi khởi động mỏy thỡ ỏp suất ngưng tụ tăng lờn tương đối nhanh và gần như tuyến tớnh theo thời gian, ỏp suất bay hơi ban đầu giảm và sau đú tăng lờn rất ớt trong suốt quỏ trỡnh tớch nhiệt cho nước núng trong bỡnh chứa. Tương ứng, nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi ở trạng thỏi ban đầu khi chưa chạy mỏy bơm nhiệt là bằng nhau. Sau khi chạy bơm nhiệt thỡ ngay lập tức nhiệt độ ngưng tụ tăng lờn rất nhanh, và tiếp tục tăng lờn theo thời gian, cũn nhiệt độ bay hơi thỡ giảm và sau đú cũng tăng rất ớt theo thời gian.
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 71
Năng suất nhiệt của hệ thống lạnh lỳc ban đầu đều bằng khụng, sau khi chạy mỏy thỡ năng suất nhiệt tăng lờn rất cao và giảm dần theo thời gian. Sở dĩ năng suất nhiệt lỳc đầu tăng lờn nhanh và sau đú lại giảm dần theo thời gian là do chờnh lệch nhiệt độ của nước trong bỡnh chứa và nhiệt độ ngưng tụ. an đầu chờnh lệch nhiệt độ này rất cao, sau đú giảm dần vỡ nhiệt độ nước trong bỡnh chứa tăng lờn do nhiệt thải của dàn ngưng tụ. Do vậy, năng suất nhiệt của dàn ngưng tụ giảm dần theo thời gian. Trong quỏ trỡnh này, nhiệt độ của nước trong bỡnh chứa cũng tăng lờn cho đến khi nhiệt thải của dàn ngưng tụ cõn bằng với tổn thất nhiệt ra ngoài mụi trường xung quanh thỡ nhiệt độ của nước khụng tăng lờn được nữa.
Hỡnh 4.5. Sự thay đổi COP theo thời gian
Hệ số COP của bơm nhiệt giảm dần theo thời gian, sự thay đổi COP ở thời gian đầu thay đổi rất nhanh, khi mới chạy mỏy COP là 5,785 nhưng sau một giờ COP ch cũn 3,335. Từ 1 giờ chạy mỏy đến 1,57 giờ chạy COP giảm xuống ch cũn 2,885. Thời gian đầu nhiệt độ nước trong bỡnh chứa cũn thấp nhưng sau khi nhận nhiệt từ dàn ngưng thỡ phõn tố nước trong bỡnh tăng cao, do đú ảnh hưởng tới nhiệt độ dàn bay hơi và COP của hệ thống bơm nhiệt.
b) So sỏnh kết quả mụ phỏng với kết quả thực nghiệm của bơm n iệt sản xuất nƣớc núng
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 72
Sự khỏc nhau lớn nhất giữa kết quả mụ phỏng và kết quả thực nghiệm đối với phõn tố cao nhất ngoài ống tăng cường là 6,71 %, c n đối với phõn tố trong ống tăng cường là 9,4 %. Nguyờn nhõn là do trong bài toỏn mụ phỏng đó bỏ qua sự trao đổi nhiệt theo phương ngang qua ống tăng cường (bài toỏn một chiều), coi tổn thất nhiệt của từng phõn tố là bằng nhau và coi nhiệt dung riờng của nước là khụng đổi.
Hỡnh 4.6. Sai số nhiệt độ của phõn tố cao nhất ngoài ống tăng cường T2
Hỡnh 4.7. Sai số nhiệt độ của phõn tố cao nhất trong ống tăng cường T10
4.2.2. So sỏn với kết quả t ực ng iệm năng lƣợng mặt trời sản xuất nƣớc núng
Học viờn: Trịnh Viết Thiệu 73
Từ số liệu thực nghiệm kiểu bỡnh chứa thẳng đứng, ta thấy chờnh lệch nhiệt