Ấp< 2ϭ/R0 : bọt hơi s ng ng t và bẹp đi K t qu tính toán cho th y: 0 2 ( ) s h v s T R r T T Trong đóμ
Ts: nhi t đ bão hòa trong bọt hơi Tv: Nhi t đ bề mặt vách
ρh: kh i l ng riêng c a hơi r: ẩn nhi t hóa hơi
Trong vô s ph n tử nhô nhám c a bề mặt đ t nóng, những ph n tử nào có kích th c l n hơn R0 m t ít s tr thành tâm hóa hơi. Nh vậy, những ch nhô nhám tr thành tâm hơi hay không s ph thu c vào đ quá nhi t c a vách ẤT=Tv-Ts, đ quá nhi t càng l n tâm sôi càng nhiều.
2.4.1.2. Tăng c ng nhi t khi sôi:
a. Tăngđ quá nhi t ẤT=Tv-Tsμ tăng ẤT s làm tăng h s tâm sôi dẫn đ n tăng đ xáo tr n l p ch t l ng sát bề mặt dẫn đ n tăng c ng đ t a nhi t
b. Sử d ng quá trình sôi thành màng m ng, làm sao cho ch t l ng hình thành trên bề mặt gia nhi t (gi m quá tính nhi t l p ch t l ng) d ng l p m ng vừa l u đ ng vừa sôi. Trong tr ng h p này, c ng đ t a nhi t có thểtăng từ 1 đ n 3 l n.
c. T o nên những bề mặt có đ nhô nhám nhân t o, ph ơng pháp này ngày nay đ c ng d ng nhiều trong thi t bị l nh (t o nên các ng có c ng đ t a nhi t cao). D i đây là m t s d ng bề mặt đ c sử d ng trong kĩ thuật.
2.4.2. T a nhi t khi ng ng t :
Mu n x y ra quá trình ng ng hơi trên bề mặt vật rắn c n ph i có hai điều ki n sau:
- Rút nhi t từ hơi ng ng (ẩn nhi t hóa hơi r) qua bề mặt vật rắn, mu n vậy nhi t đ bề mặt vật rắn ph i th p hơn nhi t đ bão hòa c a hơi n c có áp su t t ơng ng. - Trên bề mặt vật rắn ph i có các tâm ng ng t , ví d nh những h t b i, những bọt
khí hoặc chính đ nhô nhám c a bề mặt
Hình 2.7. Ng ng giọt và ng ng màng
a) Tính dính t bề mặt m nh; b) Tính dính t bề mặt y u c) Ng ng màng; d) Ng ng giọt
Ng ng thành màng ch t l ng, còn gọi là ng ng màng
Ch ngă3:
Tính toán và thi t k
3.1.1. M c tiêu c a thi t k
Thi t bị sau khi hoàn thành s có kh năng ch ng c t đ c kho ng 8 lít n c c t m i ngày thông qua b tập trung ch o parapol. Thi t bị ch ng c t có thể tự đ ng c p bù n c bổsung l ng n c bay hơivà có th i gian đun sôi th p.
3.1.2.ăKíchăth c n iăch ngăc t và b t p trung parapol
Ta chọn nồi đun sôi t o hơi n c hình tr có đ ng kính ngoài là Dr=0,210m, đ ng kính trong là dr=0,2m, có bề dày tx=1mm, chiều cao c a nồi l= 0,150 m.
Vậy thể tích trong c a b thu là: 2 2 3 3,14 0, 2 0,15 0,006( ) 4 4 r d V l m Vậy di n tích c a bề mặt h p th mặt tr i c a nồi đ c tính nh sauμ 2 2 2 0, 21 . 0, 21 0,15 0,133( ) 4 4 r r r D A D l m
B ng 3.1: Thông sốkích thước nồi chưng cất nước:
Đ ng kính ngoài 210 mm
Đ ng kính trong 200 mm
Chiều cao 150 mm
Thể tích trong 0,00471 m3
3.2. Tính toán b t pătrungănĕngăl ng m t tr i parapol
Để ch ng c t đ c 8 lít n c m i ngày trong vòng 9 gi nắng ban ngày từ lúc 7h sáng t i 16h00.
Ta kh o sát c ng đ b c x mặt tr i đ c phân b trong ngày nh b ng 3.2:
B ng 3.2: Cường độ b c x mặt trời trong ngày
Gi 7h 8h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h
B c x mặt tr i (W/m2) 520 540 620 650 740 800 820 620 500 430 Gi thi t v i kho ng b c x mặt tr i trung bình 800 (W/m2) thi t bị s ch ng c t đ c l ng n c là 1,2 lit. Vì vậy ta có:
L ng nhi t c n thi t để cung c p cho 1,2 lít n c t i nhi t đ sôi là:
( ) 1.2*4146*(100 25) 373140( ) 103.7( ) s p out in Q mc T T J W
V i cp là nhi t dung riêng c a n c. cp = 4146 (J.kg-1
.K-1)
L ng nhi t c n thi t để b c hơi h t 1,2(kg) n c nhi t đ sôi là: 6
. 1,2.2,3.10 766( )
bh
Q m r W
V i r là nhi t ẩn hóa hơi, r = 2,3.106 (J/kg)
Vậy nhi t l ng c n thi t để b c hơi h t 1.2kg n c là: 103,7 766 870( )
u s bh
Q Q Q W
u r l r u l
Q Q Q Q Q Q
V i Qrlà nhi t l ng tập trung t i nồi bay hơi
Ql: nhi t l ng th t thoát t i nồi bay hơi
Qu: Nhi t l ng c n thi t đểlàm bay hơi n c 3.2.2. Nhiêt l ng th t thoát.
Trong quá trình ho t đ ng, nhi t l ng c a thi t bị s bị nh h ng b i các y u t bên ngoài ch y u là sự th t thoát nhi t đ i l u và b c x .
a. Th t thoát nhi t đ i l u. Ta có công th c sau ( ) l DL r r a Q kA T T V i Ar là di n tích bề mặt h p th b c x k : h s đ i l u
k= 5,7 + 3,8V , v i V là vận t c gió (trong tr ng h p này ta xét t c đ gió
trung bình bằng 2 m/s) Tr :nhi t đ c a nồi Ta: Nhi t đ môi tr ng vậy ta có: ( ) 5,7.0,133.(100 30) 124( ) l DL r r a Q kA T T W b. Th t thoát nhi t b c x . Ta có công th c sau: 4 4 8 4 4 ( ) 0,133.0,91.5,6.10 (373 303 ) 74( ) l BX r r a Q A T T W V i: ξ: H s phát x toàn ph n c a vật thực(Phụ lục 2)
α: hằng s stefan-Boltzamn có giá trị bằng 5,67.10-8(Wm-2.K-4) Vậy ta có
74 124 198( )
l l BX l DL
Q Q Q W
3.3.Tính toán b t p trung parapol
Ta có:
870 198 1068( )
u r l r u l
Q Q Q Q Q Q W
V i Qrlà nhi t l ng tập trung t i nồi bay hơi
Đểcó đ c Qr=1068 (W) thì b c x mặt tr i ph i ph n x qua bề mặt parapol có h ph n x là = 0.88 và đ c p th bằng nồi sơn đen có h s h p th δ=0.8,
(Phụ lục 2) nên ta có: 1068 1517( ) . 0,88.0,8 r p Q Q W
V i Qp : Năng l ng đ n b tập trung parapol Ta có:
V i Aa: di n tích khẩu đ parapol
Ibμ C ng đ b c x mặt tr i trung bình (Ib=800 W/m2) Nên suy ra:
2 1517 1,9( ) p Q A m
Vậy nên ta chọn di n tích khẩu đ khi ch t o Sa=2 (m2) Đ ng kính c a parapol đ c xác định b i công th c: 2 . 4. 4.2 1,6( ) 4 3,14 a a a a D S S D m
Vậy v i đ ng kính parapol là 160 cm ta chọn parapol có chiều cao h =50cm Tiêu cự c a parapol là: 2 1602 32( ) 16. 16.50 a D f cm h Góc ph n x c a parapol là � �� = 1 +� � � 4 � � � 0,64 � � � = 1 +� � � =>� � = 1110 Ph ơng trình đ ng parapol: y2=4.f. x = 1,28.x
3.3. Thi t k và ch t o thi t b ch ng c tăn c b ngănĕngăl ng m t tr i dùng ch o parapol.
3.3.1. Ch t o ch o parapol
a. Ch o parapol đ c thi t k v i các thông s sau:
B ng 3.3: Thông sốkích thước c a bộ tập trung Parapol.
Đ ng kính khẩu đ 1,6 m
Di n tích khẩu đ 2 m2
Chiều cao Parapol 0,5 m
Tiêu cự Parapol 0,32 m
Góc gi i h n ѱrim 1110
Hình 3.1. Hình d ng c a ch o parapol sau khi ch t o b.. Vật li u ch o parapol
Giá đỡ c a ch o parapol đ c làm bằng thép, và đ c sơn ph . Vật li u thép có u điểm giá thành rẻ, d gia công. Khung đ c sơn ph để ch ng bị oxy hóa trong quá trình sử d ng.
Bề mặt ph n x c a parapol đ c làm từ những m nh ghép INOX 304, có đ ph n x cao và ch ng đ c oxy hóa trong quá trình sử d ng.
3.3.2. Ch t o n iăch ngăc tăn c và nguyên lý ho tăđ ng c a thi t b
a.Thi t bị ch ng c t n c cho hơi n c dẫn và ng ng bên trong ng đồng làm mát. (mô hình 1)
Hình 3.2: C u t o nồi ch ng c t hơi n c đ c ng ng bên trong ng đồng
- Nồi ch ng c t đ c làm từ vật li u INOX 304. Giữa nồi và nắp đ c gắn vòng roăn silicol để trong quá trình ch ng c t n c hơi n c không bị thoát ra ngoài - Trên thân nồi đ c gắn bình ch a ph có tác d ng bổ sung l ng n c bị bay
hơi trong quá trình ch ng c t
- Trên nắp c a nồi ch ng c t đ c thi t k ng ch a n c làm mát. ng này có thông hai đ ng, m t đ ng cho n c làm mát vào và m t đ ng cho n c làm mát ra để gi i nhi t trong quá trình ng ng.
- Phía trong ng làm mát có gắn m t ng đồng ch y zích zắc nh hình v 3.2. ng đồng đ c thông m t đ u vào nồi ch ng c t và đ u kia đ c đ a ra ngoài.
Nguyên lý ho t đ ng c a thi t bị.
Khi b c x mặt tr i tác đ ng song song v i tr c đ i x ng c a Parapol lên bề mặt ph n x . Các tia ph n x này s tập trung t i tiêu điểm parapol v i c ng đ b c x r t l n.
T i tiêu điểm ta lắp đặt b ch ng c t n c v i nồi đun sôi và h th ng làm mát. Khi nồi h p th các b c x mặt tr i này s làm cho nhi t đ n c tăng lên và quá trình b c hơi n c s di n ra nhanh chóng. Hơi n c s đ c dẫn qua ng đồng và lúc này hơi n c s nh ẩn nhi t t o thành n c tinh khi t đ a ra ngoài. N c làm mát đ c đ a vào ng làm mát qua đ u thông phía d i và đ c ch y ra ngoài theo đ ng thông phía trên. Sau khi n c làm mát ch y ra ngoài ng làm mát n c s đ c dẫn vào bình ph . Bình ph này có tác d ng bổsung l ng n c đ c bay hơi trong nồi ch ng c t theo nguyên lý bình thông nhau. Lúc này chiều cao c a l ng n c trong bình ph s cân bằng v i chiều cao c a n c trong nồi. L ng n c d trong bình ph s đ c ch y ra ngoài.
b. Thi t b ch ngăc tăchoăh iăn căđ căng ngăt ngoài ngăđ ng làm mát (mô hình 2)
C u t o c a nồi ch ng c t.
`Hình 3.4. C u t o nồi ch ng c t cho hơi n c ng ng phía ngoài ng đồng dẫn n c
Hình 3.5: Nồi ch ng c t cho hơi n c ng ng t phía ngoài ng đồng gi i nhi t sau khi ch t o
- Trên nắp nồi ch ng c t có thi t k m t ng bằng INOX r ng gọi là ng hơi và ng này đ c thông v i nồi m c đích để ch a hơi n c từ nồi bay lên
- Trong ng hơi có gắn thêm ng đồng ch y dích dắch phái trong, ng đồng này có tác d ng dẫn n c làm mát ch y qua.
- Phía d i ng hơi đ c thông ra ngoài v i m t đ ng ông bị g p khúc nh hình 3.4.
Nguyên lý làm vi c c a thi t bị.
Sau khi hơi n c đ c bay lên kh i n i và ch a trong ng hơi. Hơi n c s đ c ng ng t khi nh ẩn nhi t qua ng đồng có dẫn n c làm mát phía trong. Sau khi n c đ c ng ng s ch y xu ng và đ c đ a ra ngoài theo ng thông.
Để tránh cho hơi n c ch a đ c ng ng bay ra ngoài theo ng thông nên ng thông s đ c thi t k h p khúc nh hình 3.5. ch g p khúc có ch a sẵn m t l ng n c nh để ngăn hơi và chỉcho n c ng ng ch y ra ngoài.
Ch ơng 4μ
Thí nghi măvƠăđánhăgiá
4.1. Thí nghi mătrongăđi u ki n tự nhiên
Ti n hành thí nghi m trong kho ng th i gian từ ngày 01/06/2012 đ n ngày 30/08/2012 t i Định Quán, Đồng Nai vào những ngày nắng t t ơng tự nhau. K t qu d i đây là đ i di n trung bình cho 5 l n thí nghi m cho m i mô hình.(xem phụ lục 1a, 1b.)
Thí nghi m đ c ti n hành v i thi t bị parapol và hai b ch ng c t là mô hình cho hơi n c làm mát trong ng đồng và mô hìnhhơi n c đ c làm mát ngoài ng đồng. Ch o parapol đ c định h ng theo ph ơng mặt tr i sao cho các tia b c x mặt tr i luôn luôn song song v i tr c đ i x ng c a parapol bằng cách c 15 phút điều chỉnh ch o parapol m t l n. Nồi ch ng c t sơn đen đ c đặt t i tiêu điểm parapol để nhận b c x mặt tr i.
Thí nghi m bắt đ u ti n hành từlúc 6h30’ v i l ng n c trong nồi ch ng c t là 0,5 lít, l u l ng n c làm mát trung bình là 45 (lít/giờ). Sau khi n c trong nồi sôi, ta để cho thi t bị ch ng c t tựdo. Đ n 7h00’ ti n hành đo l ng n c c t thu đ c cho đ n 8h00’, ti p t c đo l ng n c ch ng c t thu đ c trong kho ng th i gian 8h00’→λh00’, λh00’→10h00’, 10h00’→11h00’, 11h00’→12h00’, 12h00’→13h00, 13h00’→14h00’, 14h00’→15h00’, 15h00’→16h00’.
L ng b c x đ c đo đ i di n trung bình trong các ngày thí nghi m:
Gi 7h00’ 8h00’ λh00’ 10h00’ 11h00’ 12h00’ 13h00’ 14h00’ 15h00’ 16h00’
B c x mặt tr i
Hình 4.1: B c x mặt tr i theo th i gian các gi trong ngày
Tuy nhiên trong m i gi b c x mặt tr i có thể thay đổi tùy thu c vào sự nh h ng c a mây, khói b i, th i ti t vvvv. Ta ti n hành thí nghi m đo l ng b c x thay đổi trong kho ng th i gian từ10h00’ đ n 11h00’ đ c đo c m i 10 phút 1 l n.
Th i gian 10h00' 10h10' 10h20' 10h30' 10h40' 10h50' 11h00' B c x mặt tr i từ 10h00’
Hình 4.2: B c x mặt tr i trong kho ng th i gian 10h00’ đ n 11h00’
Nhận xét: Các biểu đồ trên chỉ là đ i di n chung nh t cho di n bi n l ng b c x đo trong m t gi , trên thực t b c x mặt tr i lên xu ng còn tùy thu c vào r t nhiều y u t khác.
K t qu thí nghi m c a hai mô hình:
Mô hình 1μ Mô hình cho hơi n c làm mát trong ng đồng
B ng 4.1: Lượng nước tinh khiết thu được c a mô hình 1
Gi 7h-8h 8h-9h 9h-10h 10h-11h 11h- 12h 12h- 13h 13h- 14h 14h- 15h 15h- 16h L ng n c tinh khi t (ml) 540 700 760 900 980 1010 960 610 500
Hình 4.3μ L ng n c ch ng c t thu đ c trong từng gi c a mô hình 1
Môăhìnhă2:ăH iăn căđ c làm mát ngoài ngăđ ng.
B ng 4.2: Lượng nước tinh khiết thu được c a mô hình 2
Hình 4.5μ L ng n c ch ng c t thu đ c trong từng gi c a mô hình 2
Gi 7h-8h 8h-9h 9h-10h 10h- 11h 11h- 12h 12h- 13h 13h- 14h 14h- 15h 15h- 16h L ng n c tinh khi t mô hình 2(ml) 590 780 980 1010 1100 1150 985 800 610
Hình 4.6: Tổng l ng n c thu đ c c a mô hình 2 Nhận xét:
Theo k t qu thí nghi m thực t hai mô hình ta nhận th y rằng v i thi t k nh trên mô hình 2 có hi u su t l n hơn mô hình 1 kho ng 14%.
Gi sử hi u su t c a thi t bị khi b qua các y u t làm tổn th t nhi t thì ta có l ng n c đ c ch ng c t nh sau.