Hiệu quả của bộ thu không khí được định nghĩa là tỷ số của sản lượng nhiệt trên một đơn vị thời gian với bức xạ Mặt Trời năng lượng của bộ thu ở trạng thái ổn định:
0
Q cm t
AI AI
[2.44]
Trong đó: η: Hiê ̣u suất của bô ̣ thu Qo: Nhiê ̣t lươ ̣ng có ı́ch A: Diê ̣n tı́ch bô ̣ thu I: cường đô ̣ bức xa ̣
Đối với bộ thu không khí Mặt Trời, điều quan trọng nhất là nâng cao hiệu quả của bộ thu. Hiệu quả thu gom có thể được cải thiện từ các khía cạnh sau:
+ Lớp kı́nh được cải thiện: một tấm kính giúp tăng cường hấp thu ̣ bức xa ̣ nhiê ̣t và giảm sự tổn thất nhiê ̣t qua bề mă ̣t
+ Cải thiện lớp cách nhiê ̣t: lớp cách nhiê ̣t bao gồm vật liệu cách nhiệt, mục đích là để ngăn ngừa sự mất nhiệt quá mức. Có thể chấp nhận vật liệu len đá, len khoáng sản, polyurethane bọt và polystyrene. Có những ưu điểm là bảo quản nhiệt tốt, hoạt động ổn định, không bay hơi, không có khí độc hại….
+ Cải thiện lớp vỏ: lối vào và đầu ra của bô ̣ thu là một tấm trao đổi nhiệt, không khí và nhiệt chuyển giao không đồng đều, dễ tạo ra vùng nhiệt độ chết. Mô hình cần đươ ̣c tı́nh toán kỹ càng đầu vào và đầu ra nhằm tăng số không khí, tăng diện tích trao đổi nhiệt của không khí và nhiệt hấp thụ tấm, làm cho không khí và tấm hấp thụ nhiệt trao đổi nhiệt hoàn toàn, và giảm nhiệt độ vùng chết.
+ Cải thiện tấm hấp thụ nhiệt và lớp vỏ trong: khoảng cách giữa luồng không khí giữa tấm phủ và tấm hấp thụ nhiệt, do sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí nóng và không khí, nhiệt đối lưu và lớp phủ, nhiệt độ khí thoát ra giảm, có thể làm cho lớp cách nhiệt và một tấm hấp thụ nhiệt được giữ vững để giảm nhiệt làm mát tấm hấp thụ tăng khoảng cách giữa tấm che và tấm hấp thụ nhiệt, tấm phủ và giảm nhiệt độ không khí, và làm giảm sự mất nhiệt;
+ Việc cải tiến tấm hấp thụ nhiệt: tấm hấp thụ nhiệt hấp thụ bức xạ Mặt Trời, chuyển đổi năng lượng ánh sang thành nhiệt năng. Và có thể bắt đầu các vật liệu phủ trong tấm hấp thụ, chất phủ bề mặt.
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 3.1. Giới thiệu mô hình thí nghiệm:
3.1.1. Giới thiệu mô hình thí nghiệm
Hı̀nh 3. 1 Mô hı̀nh thực tế bộ thu.
Bộ thu đặt ngoài trời, không gian thông thoáng, không bị che khuất bởi cây cối và nhà cao tầng. Có thể nhận ánh sáng cả ngày từ 8:00-16:00.
Hı̀nh 3. 3 Kênh dẫn của bộ thu.
Hı̀nh 3. 5 Vị trí đặt mô hình thực nghiệm.
Kích thước bộ thu tương đương với máy nước nóng năng lượng mặt trời, nhưng dễ chế tạo và có giá thành rẽ hơn.
Đối với bộ thu phẳng, thì có thể đặt trực tiếp trên máy nhà nếu không quan tâm tới góc nghiêng.
Hı̀nh 3. 6 Mặt trên và mặt bên của bộ thu.
Bộ thu không khí cánh sóng dọc sau đây được gọi tắt là bộ thu không khí. Nguyên lý cơ bản cấu tạo nên bộ thu không khí gồm tấm kính đậy, kênh dẫn khí dạng sóng dọc, tấm hấp thụ, đáy cách nhiệt, lớp vỏ bộ thu, khung đỡ và quạt đẩy như mô tả:
Hı̀nh 3. 7 Cấu tạo bộ thu.
1: Lớp kính 6: Lớp cách nhiệt
2: Lớp cánh sóng dọc 7: Lớp vỏ thiết bị
3: Cửa ra không khí 8: Khung đỡ
3.1.2. Cấu tạo thiết bị 3.1.2.1. Lớp kính phủ 3.1.2.1. Lớp kính phủ
- Kích thước: 1000x2000 mm - Bề dày: 5 mm
- Vật liệu: Thủy tinh trong suốt - Các thông số vật liệu:
Hệ số hấp thụ = 0,12
Hệ số phản xạ = 0,08
Hệ số xuyên qua = 0.8
Hệ số phát xạ = 0,96
Chiết xuất thủy tinh: n = 1,526
3.1.2.2. Lớp cánh sóng dọc Kích thước:
Chưa uốn sóng: 2150x80 mm Đã uốn: 1750x80 mm
Bề dày: 2 mm
Vật liệu: Nhôm 92%, magie 8%. Chất hấp thụ: Sơn đen mờ trộn bột sắt. Hệ số hấp thụ: = 0,97. Hệ số phát xạ: = 0,97 [1,Tr.40] Hệ số dẫn nhiệt 106 148 w / . o p m C 20 200 oC 3.1.2.3. Tấm hấp thụ Kích thước đáy: 900x1900 mm Bề dày: 2 mm
Vật liệu: Nhôm 92%, magie 8%. Chất hấp thụ: Sơn đen mờ trộn bột sắt. Hệ số hấp thụ: = 0,97
Hệ số phát xạ: = 0,97 Hệ số dẫn nhiệt 106 148 w / . o p m C 20 200 oC 3.1.2.4. Lớp cách nhiệt Kích thước đáy: 1000x2000 mm Kích thước mặt bên: 80x2000; 80x900 mm Bề dày: 50 mm
Vật liệu: Bông khoáng.
Hệ số dẫn nhiệt 0.034 w / . o p m C 3.1.2.5. Lớp vỏ kim loại Kích thước đáy: 1000x2000 mm Bề dày: 2 mm
Vật liệu: Nhôm 80%, sillic 20%.
Hệ số dẫn nhiệt 161 174 w / . o (20 200o )
d m C C
3.1.2.6. Cửa ra vào không khı́
- Kích thước: 80x80 mm
Quạt thổi:
- Kích thước 100x100 mm
- Điều chỉnh vận tốc bằng Dimmer.
Giá đỡ:
- Vật liệu: Kim loại chống ăn mòn.
3.1.3. Nguyên lý hoạt động mô hình thí nghiệm:
Sơ đồ nguyên lý bộ thu không khí cánh sóng dọc bằng năng lượng mặt trời trên hình. Bộ thu đặt ngoài trời, bức xạ mặt trời đi qua lớp kính phủ, truyền nhiệt cho tấm hấp thụ. Không khí từ môi trường được quạt hút đẩy cưỡng bức vào bộ thu, sau đó di chuyển giữa lớp kính và tấm hấp thụ, dọc theo các kênh dẫn, đồng thời nhận nhiệt từ tấm hấp thụ và các cánh chủ yếu
nhờ quá trình trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. Không khí di chuyển trong bộ thu có nhiệt độ tăng dần từ thấp lên cao và thoát ra ngoài tại cửa ra đặt phía trên bộ thu.
3.1.4. Lắp đặt bộ thu
Vị trí lắp đặt: Thành phố Biên Hòa, Đồng Nai - Kinh độ: 106,87o Đông
- Vĩ độ: 10,96o Bắc
- Hướng lắp đặt: Bắc-Nam - Góc nghiêng so với mặt đất: 30o
- Thông tin khí hâ ̣u tỉnh Đồng Nai:
Khí hậu Đồng Nai là khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, có hai mùa tương phản nhau (mùa khô và mùa mưa). Mùa khô từ tháng 12 đến tháng 3 hoặc tháng 4 năm sau (khoảng 5 – 6 tháng), mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11 (khoảng 6 – 7 tháng). Khoảng kết thúc mùa mưa dao động từ đầu tháng 10 đến tháng 12.
Nhiệt độ không khí trung bình hằng năm từ 25,7 – 26,7 oC. Mức độ chênh nhau giữa các năm không lớn. Chênh lệch nhiệt độ cao nhất giữa tháng nóng nhất và lạnh nhất là 4,2 oC.
Nhiệt độ trung bình mùa khô từ 25,4 – 26,7 oC, chênh lệch giữa tháng cao nhất và tháng thấp nhất là 4,8 oC. Nhiệt độ trung bình mùa mưa từ 26 – 26,8 oC. So với mùa khô, mức dao động không lớn, khoảng 0,8 oC.
3.2. Phương pháp thực nghiệm 3.2.1. Giới thiệu thiết bị đo 3.2.1. Giới thiệu thiết bị đo
3.2.1.1. Thiết bị đo bức xạ Mặt Trời
Máy đo bức xạ Mặt Trời Tenmars TM-750:
Hı̀nh 3. 9 Máy đo bức xạ.
Công dụng: đo năng lượng bức xạ từ Mặt Trời.
Thông Số Kỹ Thuật
Thang đo: 4000W / m2, 634Btu / (ft2 * h) Độ phân giải: 1W / m2, 1Btu / (ft2 * h)
Độ chính xác: thường trong vòng 10W / m2 [± 3 Btu / (ft2 * h)] hoặc ± 5%, giá trị lớn hơn trong ánh sáng Mặt Trời;
Độ chính xác góc: Cosine corrected ºC Thời gian lấy mẫu: Khoảng 0,25 giây Trọng lượng: Khoảng 80g
Kích thước: 108 (L) x 48 (W) x 23 (H) mm Nguồn: 2 pin AAA 1.5V.
Hãng sản xuất: Tenmars- Đài Loan.
Phương pháp đo:
Đặt máy đo vuông góc với mặt phẳng của bộ thu, đầu cảm biến của máy hướng lên bầu trời để thu nhận năng lượng bức xạ Mặt Trời.
3.2.1.2. 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 ứng của gió.
Hı̀nh 3. 11 Máy đo vận tốc gió.
Thông Số Kỹ Thuật
Dải đo gió: 196 - 4900 ft/min, 1.00 - 25.00 m/s, 3.6 - 90.0 km/h Dải đo nhiệt độ: 32oF - 122oF (0oC - 50oC)
Độ phân giải đo gió: 1 ft/min, 0.01 m/s, 0.1 km/s Độ phân giải đo nhiệt độ: 0.1oF (0.1oC)
Độ chính xác: ± (3% 40 ft/min), ± (3% 0,20 m/s), ± (3% 0,8 km/h) Độ chính xác đo nhiệt độ: ±4.0oF (2oC)
Phương pháp đo:
Hı̀nh 3. 12.Phương pháp đo vận tốc gió.
Đặt máy đo ngay trước đầu thổi của quạt, chong chóng của máy đo hướng về phía quạt thổi, song song với hướng gió.
3.2.1.3. Thiết bị đo nhiệt độ
Máy đo nhiệt độ AmPe kìm VC3267
Hình 3. 13. Máy đo vận tốc.
Công dụng: Đo dòng, trở, nhiệt độ, tần số, điện dung Đặc biệt: Đo nhiệt độ với dây can nhiệt tích hợp đi kèm. • Xuất xứ: China
• Kích thước: 183mm x 66mm x 35mm
Thông số kỹ thuật:
Bảng 3. 1. Thông số kỹ thuật thiết bị đo nhiệt đo
Tham số Dải đo Sai số % sai số
Điện áp DC 400mV~600V 100uV (1.0% + 3d)
Điện áp AC 4V~600V 1mV (1.5% + 3d)
Dòng điện xoay chiều 40A/400A 10mA (3.0% + 3d)
Điện trở 400[Omega~40mOhm 100m (1.0% + 3d)
Nhiệt độ Deg.]C – 10~ 400o.]C 1o C (1.0% + 3d)
Điện dung 40nF~100uF 10pF (4.0% + 3d)
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.
Hình 3. 14. Phương pháp đo nhiệt độ dòng khı́.
3.2.2. Phương pháp thực nghiệm
Phương pháp tiến hành thực nghiệm mô hình:
Trường hợp 1: Thực nghiệm mô hình với lưu lượng gió đầu vào: G1=0,005 m3/s. Trường hợp 2: Thực nghiệm mô hình với lưu lượng gió đầu vào: G2=0.0096 m3/s. Trường hợp 3: Thực nghiệm mô hình với lưu lượng gió đầu vào: G3=0.0101 m3/s. Trường hợp 4: Thực nghiệm mô hình với lưu lượng gió đầu vào: G4=0.0128 m3/s. Trường hợp 5: Thực nghiệm mô hình với lưu lượng gió đầu vào: G5=0.016 m3/s.
- Thông số lưu lượng từng trường hợp:
Đo vận tốc đầu vào của không khí, sau đó tính ra giá trị lưu lượng đầu vào.
Tiến hành đo và lấy thông số bộ thu 5 phút một lần từ 8:00 đến 16:00 - Thông số nhiệt độ:
Đo nhiệt độ đầu vào của không khí tại cửa vào bộ thu. Đo nhiệt độ đầu ra của không khí tại cửa ra bộ thu.
Đo nhiệt độ không khí trong bộ thu tại 8 điểm, sau đó lấy giá trị trung bình. Đo nhiệt độ tấm hấp thụ trong bộ thu tại 5 điểm, sau đó lấy giá trị trung bình. Đo nhiệt độ kính phủ tại 5 điểm, sau đó lấy giá trị trung bình.
Đo nhiệt độ mặt đáy bộ thu tại 5 điểm, sau đó lấy giá trị trung bình.
- Thông số bức xạ:
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Kết quả
Dựa vào cơ sở lý luận chương 2 và các thông số thực nghiệm đo được, quá trình tính toán các thông số của bộ thu được thể hiện sau đây, với các lưu lượng G1 = 0,005 m3/s, G2 = 0,0096 m3/s, G3 = 0,01 m3/s, G4 = 0,0128 m3/s, G5 = 0,016 m3/s. Các kết quả tı́nh toán được thiết lập trên phần mềm Excel 2013.
Những số liệu thu thập được trình bày ở phụ lục.
4.1.1.Trường hợp lưu lượng G1 = 0.005 m3/s
Đồ thi ̣ 4. 1 Quan hệ giữa cường độ bức xạ và hiệu suất tức thời của bộ thu ứng với lưu lượng 0.005 m3/s.
Nhận xét:
Ở đồ thi ̣ 4.1, cường bức xạ Mặt Trời tăng dần từ 8 giờ sáng đến 12 giờ 30 phút trưa, rồi giảm dần đến lúc kết thúc quá trình đo 4 giờ chiều. Giá trị cường độ bức xạ cao nhất từ khoảng 11 giờ 30 phút đến 13 giờ 30 phút và cao nhất lúc 12 giờ 30 phút là 1407 W/m2. Vì bộ thu đặt hướng Bắc - Nam, Mặt Trời di chuyển theo hướng Đông - Tây.
Với lưu lượng này thì hiệu suất của bộ thu thấp, vì tổn thất lớn. Hiệu suất có xu hướng tăng dần vào buổi sáng sau đó giảm vào buổi trưa-thời điểm có bức xạ cao nhất, buổi chiều hiệu suất tăng trở lại. Vì lưu lượng không khí không thay đổi, buổi trưa bức xạ cao nên dòng khí bên trong bộ thu không đủ để nhận lượng nhiệt cao gây ra quá trình tổn thất lớn làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt bộ thu.
Đồ thi ̣ 4. 2 Quan hệ giữa cường độ bức xạ và nhiệt độ đầu vào - ra của thiết bị ứng với lưu lượng 0.005 m3/s.
Nhận xét:
Ở đồ thi ̣ 4.2, giá trị nhiệt độ đầu vào và nhiệt độ đầu ra tỉ lệ thuận với giá trị cường độ bức xạ Mặt trời. Nhiệt độ thấp vào buổi sáng vı̀ cường đô ̣ bức xa ̣ vào thời điểm này bé và tăng dần đến trưa và đa ̣t giá tri ̣ cao nhất vào lúc 12 giờ 30 phút với giá tri ̣ nhiê ̣t đô ̣ là 106 0C do lúc này cường đô ̣ bức xa ̣ đa ̣t giá tri ̣ lớn nhất trong ngày và giảm dần vào buổi chiều do sự giảm dần của bức xa ̣ Mă ̣t Trời.
Nhận thấy, với lưu lượng này G1= 0.005 m3/s thì độ chênh nhiệt đạt giá trị cao nhất vào lúc 12 giờ 30 phút là 64 0C. Nhưng trong quá trı̀nh tı́nh toán vı̀ lưu lượng dòng khı́ quá nhỏ và tổn thất lớn nên nhóm nhâ ̣n thấy không nên sử du ̣ng với lưu lượng này.
Đồ thi ̣ 4. 3 Quan hệ nhiệt độ giữa tấm hấp thụ, dòng khí và bề mặt kính trong thiết bị ứng với lưu lượng 0.005 m3/s.
Nhận xét:
Ở đồ thi ̣ 4.3, giá trị nhiệt độ trung bı̀nh tấm hấp thu ̣, dòng khı́ và bề mă ̣t kı́nh tỉ lệ thuận với giá trị cường độ bức xạ Mặt trời. Nhiệt độ thấp vào buổi sáng vı̀ cường đô ̣ bức xa ̣ vào thời điểm này bé và tăng dần đến trưa và đa ̣t giá tri ̣ cao nhất vào lúc 12 giờ 30 phút với giá tri ̣ nhiê ̣t đô ̣ tấm hấp thu ̣ là 119 0C do lúc này tấm hấp thu ̣ nhâ ̣n lượng cao nhất từ bức xa ̣ mă ̣t trời lớn nhất, dòng khı́ là 102 0C và bề mă ̣t kı́nh 69 0C do nhiê ̣t lươ ̣ng từ tấm hấp thu ̣ truyền nhiê ̣t đối lưu và bức xa ̣. Nhiê ̣t đô ̣ tấm hấp thu ̣ và dòng khı́ cách nhau lớn vı̀ khả năng trao đổi nhiê ̣t của không khı́ kém. Nhiê ̣t đô ̣ sẽ giảm dần vào buổi chiều do sự giảm dần của bức xa ̣ Mă ̣t Trời.
Nhận thấy, với lưu lượng này G1= 0.005 m3/s thì nhiê ̣t đô ̣ tấm hấp thu ̣, dòng khı́ và kı́nh cao. Nhưng trong quá trı̀nh tı́nh toán vı̀ lưu lượng dòng khı́ quá nhỏ và tổn thất lớn nên nhóm nhâ ̣n thấy không nên sử du ̣ng với lưu lượng này.
Bảng 4. 1 Bảng nhiê ̣t lượng hấp thụ và nhiê ̣t lượng có ı́ch lưu lượng 0.005 m3/s.
Đồ thi ̣ 4. 4 Đồ thi ̣ biểu diễn cường độ bức xạ ứng với lưu lượng 0.005 m3/s.
Thời gian Nhiệt lượng hấp thụ
KJ Nhiệt lượng có ích KJ Hiệu suất % 08:00-09:00 2944 1096 37.24 09:00-10:00 4703 1761 37.44 10:00-11:00 6176 2230 36.11 11:00-12:00 7301 2524 34.58 12:00-13:00 7452 2577 34.58 13:00-14:00 6348 2299 36.21 14:00-15:00 4919 1886 38.35 15:00-16:00 3159 1280 40.51 Cả ngày: 08:00-16:00 43002 15653 36.40
Đồ thi ̣ 4. 5 Quan hệ giữa nhiệt lượng hấp thụ và nhiệt lượng có ích ứng với lưu lượng 0.005 m3/s.
Nhận xét:
Ở đồ thi ̣ 4.4 và 4.5 lượng nhiệt được hấp thụ trên tấm hấp thụ và lượng nhiệt có ı́ch truyền cho dòng khí tăng dần từ sáng đến trưa và giảm dần từ trưa đến chiều tı̉ lê ̣ thuâ ̣n với cường đô ̣ bức xa ̣. Tuy nhiên nhiệt lượng hấp thụ trên tấm tăng cao nhưng nhiệt lượng có ích