1.5.1 Đối tượng nghiên cứu
Bộ thu không khí năng lượng mặt trời cánh sóng dọc bên trong phục vụ cho quá trình sấy
1.5.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá, phân tích các thông số hình học ảnh hưởng đến hiệu suất bộ thu không khí năng lượng mặt trời.
1.6 Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết.
Nghiên cứu tổng quan lý thuyết các bộ thu không khí năng lượng mặt trời Thiết kế, chế tạo bộ thu không khí năng lượng mặt trời cánh sóng dọc bên trong Thí nghiệm và thu thập dữ liệu
24
PHẦN 2: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
2.1.1 Nguyên lý cấu tạo và làm việc của bộ thu không khí năng lượng mặt trời
Bộ thu không khí năng lượng mặt trời có nguyên lý hoạt động như hình 2.1. Tia bức xạ mặt trời chiếu đến bề mặt tấm kính với bước sóng ngắn đi xuyên qua tấm kính đến tấm hấp thụ sơn màu đen đặt bên trong, tại đây tấm hấp thụ được gia nhiệt và nóng lên và nhả nhiệt cho không khí đi phía dưới, do tấm hấp thụ có độ đen nhỏ hơn 1 nên một phần năng lượng phản xạ trở lại tấm kính và thoát ra ngoài với bước sóng dài. Không khí có nhiệt độ môi trường đi vào bộ thu phía dưới tấm hấp thụ trao đổi nhiệt đối lưu nóng lên và đi ra ngoài bộ thu với nhiệt độ cao hơn. Để giảm tổn thất nhiệt ra môi trường, các bề mặt xung quanh và bề mặt dưới bộ thu được bọc cách nhiệt. Tấm kính bề mặt trên bộ thu thường làm bằng kính cường lực để chịu được va đập trong quá trình hoạt động của bộ thu.
25
2.1.2 Lý thuyết tính toán bộ thu không khí tấm phẳng
Tính toán bộ thu tấm phẳng dựa trên định luật bảo toàn năng lượng. Sơ đồ nhiệt của bộ thu tấm phẳng như hình 2.2.
Hình 2.2 Mạng lưới nhiệt trở trong bộ thu tấm phẳng[19]
Giả sử bộ thu có diện tích Ac, năng lượng bức xạ mặt trời tự mọi phương chiếu tới mặt phẳng bộ thu là ItRb, năng lượng hữu ích mà không khí nhận được là Qu, năng lượng để làm nóng vật liệu của bộ thu là Qs và phần năng lượng tổn thất ra môi trường xung quanh là QL, vậy phương trình cân bằng năng lượng của bộ thu không khí năng lượng mặt trời được viết như sau [18-20]:
ItRb Ac = QU + QL + QS (2.1) Trong đó:
It: năng lượng bức xạ đến bộ thu trên một đơn vị diện tích bề mặt nằm ngang (W/m2). Rb: hệ số chuyển đổi từ mặt phẳng nằm ngang sang mặt phẳng nằm nghiêng
Ac: diện tích của bộ thu tấm phẳng (m2)
QU, QL và QS tương ứng với năng lượng hữu ích, năng lượng tổn thất và năng lượng tích trữ loại vật liệu cấu tạo bộ thu, (W).
26
𝑄𝑢 = 𝐴𝐶𝐹𝑅((𝛼𝜏)𝐼𝑡 − 𝑈𝐿(𝑇𝑐𝑖− 𝑇𝑎)) = 𝑚𝑐𝑝(𝑇𝑐𝑜 − 𝑇𝑐𝑖) (2.2) Trong đó:
(τα) là hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ, Tco và Tci là nhiệt độ không khí ra và nhiệt độ không khí vào bộ thu (oC), Ta là nhiệt độ môi trường (oC), m(kg/s) và cp (kJ/kgK) là lưu lượng không khí qua bộ thu.
Hiệu suất thoát (hệ số dịch chuyển nhiệt) FR được tính như sau:
1 exp p c L R c L p mc A U F F A U mc (2.3)
Trong đó: F’ hiệu suất hiệu dụng của bộ thu được tính Hệ số tổn thất nhiệt tổng của bộ thu UL được tính theo:
L t b e
U U U U (2.4)
Tổn thất nhiệt ở bề mặt trên Ut được tính :
(2.5)
Tổn thất nhiệt qua mặt đáy bộ thu Ub :
𝑈𝑏 =𝐾
𝐿 (2.6)
Trong đó:
K- hệ số truyền nhiệt của lớp cánh nhiệt(W/m2K) L- chiều dày của lớp cách nhiệt(m)
Tổn thất nhiệt qua các thành bên Ue:
𝑈𝑒 =(𝑈𝐴)𝑒𝑑𝑔𝑒
𝐴𝑐 (2.7)
Để tính tổn thất nhiệt qua các thành bên của bộ thu rất phức tạp và khó khăn. Tuy nhiên, trong thực tế các tổn thất này rất nhỏ so với tổn thất nhiệt qua mặt trên nên thưởng bỏ
27
qua. Qua nghiên cứu thực nghiệm Tabor đã đề nghị rằng nếu chiều dày lớp cách nhiệt thành bao quanh bằng chiều dày lớp cách nhiệt đáy, thì có thể tính tổn thất nhiệt từ trong ra ngoài cho toàn bộ chu vi bộ thu giống như khi tính cho mặt đáy.
Hiệu suất bộ thu được tính như sau:
𝜂 = 𝑄𝑢
𝐴𝑐𝐼𝑡 (2.8)
2.1.3 Thiết kế hệ thống thí nghiệm: 2.1.3.1 Mô tả hệ thống thí nghiệm 2.1.3.1 Mô tả hệ thống thí nghiệm
Sơ đồ nguyên lý bộ thu không khí năng lượng mặt trời vớ các cánh sóng dọc bên trong như hình 2.3. Mặt cắt ngang của bộ thu như hình 2.4. Hệ thống được lắp đặt tại trường Trường Cao Đẳng Nghề Hòa Bình Xuân Lộc, Tỉnh Đồng Nai để thực hiện thí nghiệm.
Bộ thu không khí năng lượng mặt trời vách sóng dọc được thiết kế với kích thước tổng cộng 1000mm x 2000mm x 120mm [19]. Tấm hấp thụ nhiệt phía dưới được phủ một lớp sơn đen mờ hấp thụ nhiệt với tỷ lệ hấp thụ bức xạ mặt trời lên đến 0,97 (± 0,02). Bảo vệ lớp biên và đáy của bộ thu sử dụng tấm bông khoáng (Rockwool) dày 30mm để cách nhiệt hiệu quả. Tấm phủ trên cùng sử dụng kính đơn 5 mm. Bên trong gắn 7 cánh sóng dọc với chiều dài 1602mm, 9 gợn sóng, chiều dài cung sóng 210.40mm, bước sóng 178mm. Cánh được làm bằng tấm nhôm mỏng sơn đen nhằm hấp thụ nhiệt và tăng khả năng trao đổi nhiệt với không khí và phân phối không khí nhằm tận dụng tối đa diện tích trao đổi nhiệt giữa không khí và tấm hấp thụ. Thiết bị đo bao gồm: Điều chỉnh lưu lượng không khí bằng thiết bị dimer 220V-1000W. Đầu vào không khí sử dụng quạt hướng trục có thông số công suất 22W, lưu lượng không khí 161.41m3/h được điều chỉnh bằng dimer để thay đổi lưu lượng.
Nguyên lý hoạt động của bộ thu không khí năng lượng mặt trời với các cánh sóng dọc bên trọng: khi quạt hướng trục hoạt động, không khí được hút từ môi trường bên ngoài vào bộ gom không khí để phân bố lưu lượng không khí đồng đều đến các kênh dẫn không khí rồi thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, không khí nhận nhiệt có nhiệt độ tăng dần đến nhiệt độ yêu cầu trước khi ra khỏi bộ thu.
28
1-Kênh dẫn không khí; 2-Quạt cấp; 3-Không khí đầu vào; 4-Lớp cách nhiệt; 5-Bộ gom không khí; 6-Cánh sóng dọc;7-Không khí đầu ra.Tin,Tout-Nhiệt độ không khí đầu vào và đầu ra.T1,T2 ,T3,T4,T5-Vị trí đo nhiệt độ không khí tại các điểm trong mỗi kênh.
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý bộ thu không khí năng lượng mặt trời với các cánh sóng dọc bên trong.
Hình 2.4 Mặt cắt ngang của bộ thu không khí năng lượng mặt trời với các cánh sóng dọc bên trong.
29
Trong nghiên cứu này, tấm kính có các thông số: kích thước: 1000mmx2000mm, bề dày: 5 mm. Vật liệu: thủy tinh trong suốt, các thông số vật liệu: hệ số hấp thụ 𝛼k = 0,12, hệ số phản xạ 𝜌k = 0,08, hệ số xuyên qua 𝜏k = 0.8, hệ số phát xạ 𝜀k =0.96, chiết xuất thủy tinh: n = 1.526.
Tấm hấp thụ có kích thước: 900mm x 1900 mm x 0.3mm. Vật liệu: nhôm chất hấp thụ: sơn đen mờ kết hợp bột kim loại. Hệ số hấp thụ: 𝜀 = 0,97, hệ số phát xạ: 𝜀c= 0,1,hệ số dẫn nhiệt là 165 (W/m.K)
Cánh sóng dọc có kích thước: chiều dài 1602mm, chiều cao 43mm, chiều dày 0.3mm, vật liệu là nhôm. Chất hấp thụ: sơn đen mờ, hệ số hấp thụ: 𝜀 = 0,97, hệ số phát xạ: 𝜀c = 0,1, hệ số dẫn nhiệt 𝜆 =165 (W/ m.K).
Lớp cách nhiệtcó kích thước: 1000mmx2000mm.Bề dày: 50mm,vật liệu là bông khoáng,hệ số dẫn nhiệt 0.034 (W/m.K).
Hình 2.5Thông số kích thước lượn sóng
30
Hình 2.6 Gia công cánh sóng dọc
31
Hình 2.8 Bộ thu không khí sau khi chế tạo và lắp đặt
2.1.3.2 Thiết bị đo dùng cho thí nghiệm
Thiết bị đo bức xạ mặt trời: Máy đo bức xạ Mặt Trời Tenmars TM-750. Thông Số Kỹ Thuật:
-Thang đo: 4000W /m2, 634Btu / (ft2 * h) -Độ phân giải: 1W / m2, 1Btu / (ft2 * h) -Độ chính xác: ±5%.
32
Máy đo vận tốc gió: Máy đo vận tốc gió HT-81.Công dụng: đo nhiệt độ không khí trung bình, đo tốc độ gió, mô phỏng phản ứngcủa gió. Thông Số Kỹ Thuật:
-Dải đo gió: 196 - 4900 ft/min, 1.00 - 25.00 m/s, 3.6 - 90.0 km/h -Độ chính xác: ± (3% 40 ft/min), ± (3% 0,20 m/s), ± (3% 0,8 km/h) -Xuất xứ: Taiwan Total Meter
-Phương pháp đo: Đặt máy đo ngay trước đầu thổi của quạt, chong chóng của máy đo hướng về phía quạt thổi, song song với hướng gió.
Hình 2.10 Máy đo tốc độ gió
Thiết bị đo nhiệt độ: Máy đo nhiệt độ AmPe kìm VC3267
Công dụng: Đo dòng, trở, nhiệt độ, tần số, điện dung, đo nhiệt độ với dây K nhiệt tích hợp đi kèm.
-Xuất xứ: China
-Kích thước: 183mm x 66mm x 35mm
-Phương pháp đo: Sử dụng que đo cắm vào 2 chân đo của Ampe kìm theo đúng cực (-) và cực (+). Đặt đầu dò que đo vào vị trí cần đo đến khi số hiển thị trên màn hình ổn định. Đối với đo nhiệt độ kính thì dùng thêm keo tản nhiệt để độ tiếp xúc tốt hơn.
33
Hình 2.11 Máy đo nhiệt độ
Quạt hướng trục: Kích thước: 80mmx80mm, công suất 22W, lưu lượng không khí 161.41 m3/h.Điều chỉnh vận tốc, lưu lượng bằng Dimmer dimer 220V-1000W
Hình 2.12Quạt hướng trục lắp ở đầu vào bộ thu
2.1.3.3 Phương pháp thí nghiệm
Trong nghiên cứu này, thời gian thí nghiệm được thực hiện từ 7h00 đến 17h00. Lưu lượng không khí qua bộ thu cánh sóng dọc bên trong được điều chỉnh nằm trong phạm vi 0.01kg/s đến 0.04kg/s. Trong thí nghiệm này, bức xạ năng lượng mặt trời chiếu đến bộ thu được xác định bằng máy đo bức xạ TM-750 sai số ±5%. Lưu lượng không khí qua bộ
34
thu thay đổi nhờ bộ điều chỉnh 220V-1000W và quạt hướng trục có thông số công suất 22W, lưu lượng không khí 161.41 m3/h, tốc độ và lưu lượng không khí qua bộ thu được xác định bằng máy đo vận tốc gió HT-81 sai số ± (3% - 0,20 m/s), nhiệt độ không khí đầu vào và đầu ra, nhiệt độ các kênh dẫn không khí, nhiệt độ tấm hấp thụ và nhiệt độ môi trường xung quanh được xác định bằng AmPe kìm VC3267 sai số ±1.0%. Thông số đo được ghi nhận trong khoảng thời gian 5 phút/lần, được ghi lại và lưu bằng phần mềm Excel để phục vụ cho tính toán phân tích.
35
2.2. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN
Trong nghiên cứu này, các tính chất nhiệt động của bộ thu được sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics để đánh giá so sánh giữa kết quả lý thuyết và thực nghiệm.
Hình 2.13 Mô phỏngảnh hưởng của kích thước hình học sóng cánh đến phân bố dòng không khí
Hình 2.13 thể hiện kết quả mô phỏng sự ảnh hưởng của kích thước sóng đến phân bố dòng không khí bên trong bộ thu tấm phẳng năng lượng mặt trời. Các dạng dòng chảy trong bộ thu ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ đáng kể. Khi tăng kích thước chiều dài cung cánh thì dòng khí hình thành các xoáy khí được thể hiện ở hình 2.13.
36
Hình 2.14 thể hiện sự phân bố nhiệt độ dòng khí của bộ thu tấm phẳng khi có cánh sóng dọc bên trong. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng khi dòng khí ở đầu vào bộ thu có nhiệt độ thấp, càng đi lên phía trên nhiệt độ dòng khí tăng dần do dòng khí tiếp tục nhận nhiệt từ bộ thu cũng như từ chính các cánh sóng dọc.
Hình 2.15 Ảnh hưởng của cưởng độ bức xạ năng lượng mặt trời đến nhiệt độ đầu ra của bộ thu.
Hình 2.15 trình bày mối quan hệ giữa cường độ bức xạ và nhiệt độ đầu ra của bộ thu. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy rằng nhiệt độ của dòng không khí tăng dần từ khoảng 40 oC vào lúc bắt đầu thí nghiệm đến nhiệt độ cao nhất 80 oC lúc 12h30 sau đó giảm dần vào buổi chiều. Điều này là do buổi sáng cường độ bức xạ mặt trời tăng dần dẫn đến tăng nhiệt độ tấm hấp thụ trong khi buổi chiều nhiệt độ tấm hấp thụ giảm dần do cường độ bức xạ giảm. Sự sai số giưa thực nghiệm và mô phỏng dao động trong khoảng 1 oC ÷2 oC.
37
Hình 2.16Phân bố nhiệt độ không khí trong các kênh
Hình 2.16 thể hiện sự phân bố không khí qua các kênh. Bộ thu không khí năng lượng mặt trời cánh sóng dọc bố trí 7 cánh sóng dọc chia đều thành 8 kênh dẫn không khí. Không khí qua bộ gom không khí trước khi vào các kênh dẫn để phân bố lưu lượng không khí di chuyển đều trong các kênh nhằm mục đích tận dụng tối đa bề mặt trao đổi nhiệt với tấm hấp thụ để nâng cao hiệu quả thu hồi nhiệt bộ thu. Kết quả thực nghiệm được thể hiện trong hình 2.16 chỉ ra rằng nhiệt độ không khí trong các kênh dẫn tương đối đồng đều và nhiệt độ tăng dần từ đầu đến kênh đến cuối kênh trước khi không khí ra khỏi bộ thu. Điều này chứng tỏ rằng không khí vào bộ gom phân phối không khí đều trong các kênh, dẫn đến nhiệt độ đồng đều từ kênh dẫn 1 cho đến kênh dẫn 8.
38
Hình 2.17Quan hệ giữa tỉ lệ cung cánh và bước cánh đến hiệu suất bộ thu
Hình 2.17 thể hiện mối quan hệ giữa tỉ lệ cung cánh và bước cánh đến hiệu suất bộ thu. Từ đồ thị cho thấy khi tỉ lệ cung cánh và bước sóng cánh tăng dần từ 1 đến 1.182 thì hiệu suất cũn tăng dần và đạt giá trị lớn nhất là 67% tại tỉ lệ 1.182, khi tỉ lệ cung cánh và bước sóng tiếp tục tăng thì hiệu suất giảm. Điều này là do khi tỉ lệ cung cánh và bước sóng lớn hơn 1.182 thì thời gian lưu lại tại các cung lớn, tổn thất áp suất lớn và hiệu quả trao đổi nhiệt giảm. Với trường hợp kích thước bước sóng cánh là λ = 178mm, chiều dài cung cánh là L = 210.40 mm, bán kính cánh là R = 50mm tương ứng hiệu suất bộ thu không khí năng lượng mặt trời cánh sóng dọc bên trong đạt được giá trị lớn nhất so với các trường hợp còn lại.
39
Hình 2.18 Ảnh hưởng của chiều cao cánh đến hiệu suất thu hồi nhiệt bộ thu cánh sóng dọc
Hình 2.18 thể hiện mối quan hệ của chiều cao cánh đến hiệu suất thu hồi nhiệt bộ thu cánh sóng dọc. Từ kết quả thực nghiệm như hình 2.18 cho ta thấy rằng khi chiều cao cánh sóng dọc tăng lên từ 10mm đến 50mm thì hiệu suất của bộ thu tăng dần từ 40% đến gần 70% sau đó giảm dần khi chiều cao cánh tiếp tục tăng lớn hơn 50mm. Điều này có thể giải thích rằng khi chiều cao cánh sóng dọc bằng với độ dày khe không khí dẫn đến lớp không khí phía trên trong các kênh dẫn tiếp xúc với mặt kính bên dưới với cường độ đều hơn, đó nguyên nhân chính dẫn tổn thất nhiệt đối lưu giữa không khí và tấm kính ra môi trường bên ngoài. Nhưng nếu chiều cao cánh sóng dọc quá thấp thì các cánh không đủ kích thước để chia đều dòng không khí di chuyển trong bộ thu cũng như khả năng tạo chảy rối không khí dẫn đến trao đổi nhiệt đối lưu kém hiệu quả giữa không khí và bộ thu.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 10 20 30 40 50 60 70 H iệ u su ất % chiều cao cánh mm Hiệu suất %
40
Hình 2.19 Ảnh hưởng số lượng cánh và lưu lượng không khí đến hiệu suất thu hồi nhiệt