Nghiên cứu cơ sở tính toasn thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

LÊ THỊ NGỌC OANH

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG NHIỆT MẶT TRỜI

DÙNG MÔI CHẤT NÓNG CHẢY

Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt Mã số: 60.52.80

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2011

Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Dương Hùng

Phản biện 1 : PGS. TS Nguyễn Bốn Phản biện 2 : PGS. TS Đào Ngọc Chân

Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Công nghệ nhiệt họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 tháng 11 năm 2011.

Có thể tìm hiểu luận văn tại :

- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn ñề tài

Nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng nên có nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu dự trữ. Sự suy thoái về môi trường nghiêm trọng. Vì vậy, cần phải có nguồn năng lượng mới ñáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai.

Năng lượng mặt trời (NLMT) - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - ñang ñược ñặc biệt quan tâm. Thiết bị sử dụng NLMT hiện nay ở Việt Nam chủ yếu là, hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT, hệ thống cung cấp ñiện dùng pin mặt trời, bếp NLMT.

Việc ứng dụng NLMT trong thực tế còn khiêm tốn. Nguyên nhân chính là các thiết bị sử dụng NLMT làm việc không ổn ñịnh, không liên tục. Vì thế, cần nghiên cứu công nghệ tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời ñể có thể chủ ñộng trong việc sử dụng.

Một trong những công nghệ ñể tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời là dùng môi chất nóng chảy. Hiện nay, công nghệ này chưa nghiên cứu cơ sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời một cách chính xác, cụ thể.

Xuất phát từ thực tế ñó, chúng tôi chọn và nghiên cứu ñề tài:

"Nghiên cứu cơ sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy".

2. Mục tiêu nghiên cứu

+ Nghiên cứu lập cơ sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy

+ Kiểm chứng các công thức tính toán ñược lập ra với một mô hình thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời thực tế.

3. Nội dung nghiên cứu

Trọng tâm chính là lập cơ sở tính toán các quá trình tích trữ

năng lượng nhiệt mặt trời.

4. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.

5. Tài liệu nghiên cứu

- Các tài liệu, tạp chí trong và ngoài nước.

- Nguồn tư liệu từ mạng Internet.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Tính chính xác lượng nhiệt tích trữ ñược trong những thiết bị cụ thể, giúp cho việc thiết kế thiết bị ñúng theo yêu cầu sử dụng, tận dụng hiệu quả NLMT, giúp cho việc ứng dụng NLMT vào thực tế ngày càng phổ biến hơn.

7. Bố cục luận văn MỞ ĐẦU

Chương 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chương 2: CÁC BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG GƯƠNG PHẢN XẠ

Chương 3: CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG NHIỆT MẶT TRỜI

Chương 4: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NHIỆT MẶT TRỜI DÙNG MÔI CHẤT NÓNG CHẢY

Chương 5 : LẬP MÔ HÌNH, THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NHIỆT KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời 1.1.1 Vị trí, cấu trúc và kích thước mặt trời

Mật ñộ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính ñối với 1m² bề mặt ñặt vuông góc với tia bức xạ:

2

4

2.3,14.32 360.60 5762

q .5,67.

4 100

 

   

 

=  

 

≈ 1353 W/m²

Cường ñộ bức xạ toàn phần là Eo = σo.To

4 = 6,25.10⁷ W/m² Công suất bức xạ toàn phần của Mặt trời là:

Qo = Eo.F = σo.To

4 .π.D²= 3,8.10²⁶W 1.2 Phương pháp tính toán cường ñộ bức xạ mặt trời 1.2.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ

1.2.2 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang 1.2.3 Tổng cường ñộ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái ñất

Trong tính toán kỹ thuật, xem cường ñộ bức xạ tới mặt ñất là hàm của thời gian τ:

E(τ) = En.sinϕ(τ) ϕ(τ) = ω.τ là góc nghiêng tia nắng so với mặt ñất,

5 n

2π 2π

ω 7,27.10 rad/s

τ 24.3600

= = = −

ñất.

En[W/m²] là cường ñộ bức xạ cực ñại trong ngày, lấy trị trung bình cả năm theo số liệu ño lường thực tế tại vĩ ñộ cần xét.

1.2.4 Bức xạ mặt trời truyền qua kính 1.2.4.1 Hiệu ứng lồng kính

1.2.4.2 Sự phản xạ của bức xạ mặt trời là tốc ñộ góc tự xoay của trái

1.2.4.3 Tổn thất do hấp thụ bức xạ của kính 1.2.4.4 Hệ số truyền qua và hệ số phản xạ của kính

Đối với các bộ thu NLMT thực tế có giá trị D_⊥≈ 1 (D//≈ 1).

1.2.4.5 Hệ số truyền qua ñối với bức xạ khuếch tán

1.2.4.6 Tích số của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ (DA) 1.2.4.7 Tổng bức xạ mặt trời hấp thụ ñược của bộ thu

1.2.5 Cân bằng nhiệt và nhiệt ñộ cân bằng của vật thu bức xạ mặt trời

Phương trình cân bằng nhiệt cho V có dạng:

Công suất do V hấp thụ = Công suất phát bức xạ từ V Hay A.Et.Ft = E.F→A.σo.To

4(D/2r)².Ft = ε.σo.To

4 F (1-29) Nếu vật V có thông số (ρ, C, ε, A, F, V) ñặt trong khí quyển nhiệt ñộ tf, toả nhiệt phức hợp hệ số α, thì phương trình cân bằng nhiệt trong thời gian dτ cho V là:

A.En.sin(ω.τ).Ft(τ).dτ = ρ.V.C.dt + α.F.(t - tf) .dτ

có dạng (1-30) Khi biết Ft(τ), có thể giải phương trình trên với ñiều kiện ñầu t(τ = 0) = tf ñể tìm hàm biến ñổi t(τ) của nhiệt ñộ vật theo thời gian.

1.2.6 Năng lượng bức xạ mặt trời ở Việt Nam

1.3 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 1.3.1 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời

1.3.2 Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời 1.3.3 Thiết bị nấu nước nóng bằng năng lượng mặt trời

1.3.4 Thiết bị làm lạnh và ñiều hoà không khí dùng năng lượng mặt trời

1.3.5 Pin mặt trời

m t

AE

dt t αF F ( )sin( )

ρVC ρVC

dτ+ = τ ωτ

1.3.6 Nhà máy nhiệt ñiện sử dụng năng lượng mặt trời 1.3.7 Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 2: BỘ THU TẬP TRUNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

2.1 Các loại gương phản xạ

2.1.1 Các ñặc trưng của bộ thu năng lượng mặt trời dùng gương phản xạ

2.1.2 Độ tập trung năng lượng bức xạ

2.1.3 Gương phẳng 2.1.4 Gương nón 2.1.4.1 Gương nón cụt 2.1.4.2 Gương nón 2.1.5 Gương Parabol

2.1.5.1 Gương Parabol tròn xoay 2.1.5.2 Gương Parabol trụ

Xét gương parabol trụ rộng 2r, dài L tập trung phản xạ vào mặt thu hình ống trụ ñường kính d ñặt tại tiêu ñiểm, thì ñộ tập trung:

k = 1+ R 2r d 1

 

 − 

π

  (2-17) 2.2 Hệ thống ñiều chỉnh gương theo hướng mặt trời

2.2.1 Quỹ ñạo trái ñất quay quanh mặt trời

2.2.2 Phương pháp ñiều chỉnh gương theo hướng mặt trời 2.2.2.1 Hệ thống ñiều chỉnh dùng ñộng cơ

2.2.2.2 Hệ thống ñiều chỉnh dùng panel cảm biến

R R

E

F

Hình 2.1 Hệ gương và mặt thu F

h

k = Et/E = 1 - R + R. Fh/ Ft

= 1 + R.( Fh/ Ft - 1).

Nếu coi R ≈ 1 thì k ≈ Fh/t.

C R P

Hình 3.2 Hệ tuần hoàn cưỡng bức A

h

B

T1 T2

Hình 3.1 Hiệu ứng siphon nhiệt CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG

NHIỆT MẶT TRỜI

3.1 Tổng quan về kỹ thuật tích trữ nhiệt năng lượng mặt trời 3.1.1 Trữ nhiệt bằng hệ thống tuần hoàn tự nhiên (hiệu ứng siphon nhiệt)

Độ chênh áp giữa hai nhánh

ñược mô tả bằng công thức:

∆p = h.ρ.(T1 – T2) Với ρ là khối lượng riêng của chất lỏng.

3.1.2 Trữ nhiệt bằng hệ thống tuần hoàn cưỡng bức Trong nhiều trường

hợp phải chuyển nước nóng ñi xa, tổn thất dọc ñường lớn, nên bắt buộc phải mắc thêm vào hệ một bơm ñiện P ñể tăng vận tốc tuần hoàn trong hệ thống.

3.1.3 Trữ nhiệt bằng hệ có hai chất lỏng và bình chứa có bộ trao ñổi nhiệt

Chất lỏng sơ cấp 1 ñi qua bộ trao ñổi nhiệt có dạng xoắn hoặc tấm phẳng ñặt bên trong bình chứa R, chất lỏng 2 nhận nhiệt từ chất lỏng 1 qua bộ trao ñổi nhiệt (hình 3.3).

1

2 2

Hình 3.3 Bình chứa có bộ trao ñổi nhiệt 1

3.1.4 Tích trữ nhiệt bằng chất cảm nhiệt Trường hợp ñơn

giản nhất là ñun nước nóng trong bình tích dùng trực tiếp cho gia ñình. Khi ñó hệ phải có chất tích nhiệt trung gian là chất lỏng hoặc chất rắn, với một khối lượng lớn.

Trong bình chứa có hai bộ trao ñổi nhiệt 1 và 2 (hình 3.4).

3.1.5 Trữ nhiệt bằng môi chất nóng chảy

Giả sử một chất ở nhiệt ñộ T1 nhận một nhiệt lượng nào ñó thì nhiệt ñộ tăng lên và nóng chảy ở nhiệt ñộ T2 = const. So sánh nhiệt lượng tích ñược trong một ñơn vị khối lượng của vật liệu trữ nhiệt có thay ñổi trạng thái do hiện tượng ẩn nhiệt với nhiệt lượng không thay ñổi trạng thái thì ta nhận ñược tỷ số:

( ) ( )

( )

p 2 1 2

p 2 1

C T T L T C T T

− +

− (3-2) Trong ñó L(T2): nhiệt ẩn thay ñổi trạng thái ở nhiệt ñộ T2.

Trong thực tế giá trị của L(T2) lớn hơn rất nhiều so với Cp(T2 – T1). Do ñó, nếu chọn môi chất nóng chảy có giá trị nhiệt ẩn

C

P

1 2

Hình 3.4 Hệ thu- tích nhiệt có bù nhiệt R

lớn thì thể tích của bình chứa giảm một cách ñáng kể.

3.2 Đặc tính của môi chất nóng chảy 3.2.1 Khái niệm về pha và sự chuyển pha 3.2.1.1 Sự thay ñổi của entropy khi chuyển pha

3.2.1.2 Sự phụ thuộc của nhiệt ñộ chuyển pha vào áp suất 3.2.2 Hiện tượng chuyển pha trong chất rắn

Với mỗi chất rắn, khi nung nóng tới một nhiệt ñộ nóng chảy sẽ bắt ñầu chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, ñó là hiện tượng nóng chảy. Để chất rắn nóng chảy hết thì phải cung cấp thêm một nhiệt lượng ñể chuyển hoàn toàn trạng thái từ rắn thành lỏng gọi là nhiệt ẩn nóng chảy. Khi làm lạnh các chất lỏng tới một nhiệt ñộ và áp suất xác ñịnh chất lỏng sẽ chuyển từ pha lỏng trở thành pha rắn, ñó là hiện tượng ñông ñặc. Trong quá trình này vật toả ra một nhiệt lượng ñúng bằng nhiệt lượng thu vào trong quá trình nóng chảy.

3.3. Một số môi chất nóng chảy thường dùng 3.3.1 Các yêu cầu ñối với môi chất nóng chảy 3.3.1.1 Các ñặc tính nhiệt ñộng

3.3.1.2 Các ñặc tính ñộng học 3.3.1.3 Đặc tính hoá học 3.3.1.4 Các ñặc tính kinh tế

3.3.2 Đặc tính của một số môi chất nóng chảy thường dùng 3.3.2.1 Vật liệu hữu cơ

a. Paraffin

Sáp paraffin có màu trắng, không mùi, không vị với nhiệt ñộ nóng chảy trong khoảng từ 47^oC ñến 64^oC (116,6^oF ñến 147,2^oF), có khối lượng riêng khoảng 0,9 g/cm³.

Bảng 3.1 Các thông số của một số Paraffin Số lượng nguyên

tử Cacbon

Nhiệt ñộ nóng chảy (^oC)

Nhiệt ẩn nóng chảy (kJ/kg)

24 50,6 255

25 49,4 238

26 56,3 256

27 58,8 236

28 60 220

29 63,4 240

30 65,4 251

b. Chất phi paraffin 3.3.2.2 Vật liệu vô cơ a. Muối hydrat b. Kim loại 3.3.2.3 Eutectics

3.3.3 Lựa chọn môi chất nóng chảy sử dụng cho bộ thu

Ở luận văn này, chọn Paraffin làm môi chất nóng chảy vì:

- Khả năng ứng dụng ở phạm vi nhiệt ñộ lớn - Khả năng nóng chảy tương ñẳng

- Khả năng tương thích với vật liệu xây dựng thông thường - Không phân tầng

- Tính chất hoá học ổn ñịnh - Nhiệt ẩn nóng chảy cao - An toàn và không phản ứng - Khả năng tái sử dụng

6

7

1

2 3 4

5 8

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ CẤP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG

MÔI CHẤT NÓNG CHẢY

4.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt ñộng và các quá trình tích trữ cấp nhiệt của thiết bị

4.1.1 Cấu tạo mô hình thiết bị

4.1.2 Nguyên lý hoạt ñộng

4.1.3 Các quá trình tích trữ cấp nhiệt của thiết bị

1) Quá trình τ∈ (0 ÷ τc1) gia nhiệt môi chất lên ñến nhiệt ñộ tc. 2) Quá trình τ ∈ (τc1÷ τc2) môi chất nóng chảy ñẳng nhiệt tc= const, chuyển từ pha rắn sang pha lỏng hoàn toàn.

1. Gương phản xạ Parabol trụ 2. Ống lồng kính và cách nhiệt 3. Ống vỏ chứa môi chất nóng chảy 4. Ống dẫn nước cần làm nóng 5. Cơ cấu ñiều chỉnh gương quay tự ñộng theo hướng mặt trời

6. Môi chất nóng chảy 7. Van dẫn nước vào 8. Van dẫn nước ra Hình 4.1 Mô hình thiết bị thu

trữ cấp nhiệt bức xạ mặt trời

3) Quá trình τ ∈ (τc2÷ τm) gia nhiệt bổ sung ñể lỏng môi chất tăng nhiệt ñộ từ nhiệt ñộ nóng chảy tc lên nhiệt ñộ tm > tc.

4) Quá trình τ∈ (τm÷ τ2) là quá trình trữ nhiệt và cấp nhiệt cho nước.

4.2 Tính toán quá trình cấp nhiệt cho môi chất nóng chảy 4.2.1 Phát biểu bài toán tính thông số các quá trình

Cho 1 thiết bị có kết cấu như hình 4.3.

Cần tìm hàm nhiệt ñộ t(τ) của môi chất và tính các thời gian ñặc trưng cho các quá trình theo tất cả các thông số ñã cho.

4.2.2 Các giả thiết khi tính toán 1) Gương Parabol ñược quay sao cho tia nắng luôn vuông góc với mặt thu F = 2rL.

2) Thiết bị ñược khởi ñộng lúc τ= 0, là lúc mặt trời mọc.

3) Trời luôn quang mây, có nắng trong khoảng τ∈(0 ÷ τn/2=12h) với cường ñộ bức xạ tới mặt Ft là E(τ) = Ensinωτ.

4) Tại mỗi thời ñiểm τ, coi nhiệt ñộ của hệ là ñồng nhất

5) Các thông số cho trước là không ñổi trong thời gian ∆τ khảo sát.

4.2.3 Tính toán quá trình gia nhiệt môi chất rắn

4.2.3.1 Xác ñịnh hàm nhiệt ñộ t(τ) khi gia nhiệt môi chất rắn Lập phương trình cân bằng nhiệt cho hệ:

δQ1 = dU + dU1 + dU2 +δQ2 (4-1) với: δQ1 = εDFEnsinωτdτ (4-2)

- Gia nhiệt cho môi chất: dU = mC_rdt (4-4) với: m là khối lượng của môi chất, [kg]

- Đun nóng ống dẫn nước: dU1=m1C1dt (4-5) với: m1 là khối lượng của ống dẫn nước, [kg]

- Đun nóng ống vỏ chứa môi chất: dU2=m2C2dt (4-6) với: m2 là khối lượng của ống vỏ chứa môi chất, [kg]

- Nhiệt truyền ra môi trường: δQ2 = ^f

l

t - t

R Ldτ (4-7) với: Rl là nhiệt trở dẫn nhiệt của một 1m chiều dài trụ,

3 3

l

k 2 K 3 3 3

1 d 1 d 1

R ln ln

2 d 2 d 2 d

= + +

πλ πλ − δ π α (4-8) với αlà hệ số tỏa nhiệt từ kính ra không khí,

Do ñó, phương trình cân bằng nhiệt trở thành:

⇔ εDFEn sinωτdτ = mCpdt + (4-9)

với:

Đặt T(τ) = t(τ) – tf gọi là ñộ gia nhiệt và ñưa về dạng chính tắc, phương trình (4-9) có dạng:

l n

p i i p i i

L

dT R DFE

T sin

d mC m C mC m C

+ = ε ωτ

τ +∑ +∑

(4-10)

Đặt n

p i i

DFE P K

a ,

mC m C C s

ε  

= +∑ =   

(4-11)

và l

p i i

L

W 1

b R ,

mC m C C s

= +∑ =    

(4-12)

i i

m C dt+

∑ ^f

l

t - t

R Ldτ

mK W

 

 

 

2

W m K

 

 

 

i i 1 1 2 2

m C m C m C , J K

= +    

∑

Phương trình cân bằng nhiệt sẽ thành:

T^’(τ) + bT(τ) = asinωτ (4-13) T(0) = 0 (4-14) Giải hệ trên, tìm ñược hàm phân bố nhiệt ñộ của môi chất trong hộp thu gương parabol trụ khi gia nhiệt là:

( )

f 2 2 ^b 2

a e

t t sin arctg ,

b b b

1

− τ

 

 

ω

 

 

τ = + + ω  ωτ − + +    ω

   

 

(4-16)

Vì số hạng cuối của tổng có thể bỏ qua khi τ > 2h.

Do ñó có thể viết lại hàm phân bố nhiệt ñộ của môi chất trong hộp thu gương parabol trụ khi gia nhiệt là:

( )

f 2 2

t t a sin arctg

b b

ω

 

τ = + ωτ − 

 

+ ω

(4-17)

4.2.3.2 Tính thời ñiểm môi chất bắt ñầu nóng chảy τc1

Giải phương trình T(τ) = tc – tf = Tc (4-18) hay:

2 2 c

a sin arctg T

b b

ω

 

ωτ − =

 

 

+ ω

Tìm ñược thời ñiểm môi chất bắt ñầu nóng chảy:

^{2 2}

n c

c1

T b

arcsin arctg

2 a b

   

τ   + ω  ω

τ = π  + 

(4-19)

4.2.4 Tính toán quá trình nóng chảy môi chất Lập phương trình cân bằng nhiệt:

δQ1 = rc dm + δQ2 Xác ñịnh ñược τc2 như là nghiệm của phương trình:

b

2

e 1 b

− τ

 

+ω

( ) ( ) (

c f

)

c

(

c f

)

c2

c2 c1 c1

l l

t t L m r t t L

cos cos

R P P R P

− ω − ωτ

 ω 

ωτ = ωτ + τ − −

 

(4-23) Có thể xác ñịnh τc2 ∈ (τc2 ÷ τn/2) bằng phương pháp lặp.

4.3 Tính toán quá trình trữ nhiệt

4.3.1 Thiết kế cách nhiệt cho ống chứa môi chất nóng chảy Phương pháp cách nhiệt ống chứa môi

chất là dùng 2 lớp không khí tĩnh bọc ngoài ống môi chất, ñược ngăn cách bởi ống kính gắn cố ñịnh và một ống lồng có các thông số d4L, ρ4δ4λ4C4, hệ sốhấp thụ ε4 bọc ngoài.

4.3.2 Tính toán cách nhiệt cho ống chứa môi chất nóng chảy Khi tính cách nhiệt cho ống, ta sẽ tính trong ñiều kiện chưa sử dụng nhiệt, tức là không cho nước vào ống dẫn nước ñể cấp nhiệt.

4.3.2.1 Tính tổn thất nhiệt từ ống lồng ra môi trường bên ngoài Lượng nhiệt tổn thất từ ống ra ngoài môi trường là:

c f

tt l

ltt

t t

Q q L L

R

= = − (4-24)

Với 4

ltt

k 2 4 tt

1 d 1

R ln ,

2 d d

= +

πλ π α mK

W

 

 

 

(4-25)

4.3.2.2 Xác ñịnh thời gian bảo quản τo

Từ phương trình cân bằng nhiệt: Qttτo = mrc (4-26) Do ñó, thời gian bảo quản τo là: ^c

o tt

mr

τ = Q (4-27) 4.4 Tính toán quá trình cấp nhiệt cho nước

4.4.1 Tính cấp nước nóng

Giả thiết rằng hộ tiêu thụ cần nước nóng có nhiệt ñộ tn

với nhiệt ñộ nước vào bằng nhiệt ñộ môi trường tf.

4.4.1.1 Xác ñịnh lưu lượng Gn của nước

Từ phương trình cân bằng nhiệt cho nước:

( ) ( )

n

t

c

t

n f₋

d L

1

G C

n pn

t

n

t

f

α − π = −

(4-28)

Tìm ñược lưu lượng Gn của nước qua ống d1 là:

( )

( ) ( )

n f

n c 1

n c n f 1

n

pn n f pn n f

t t

t d L

t t d L 2

G C t t C t t

−

+

 

α  − π

α − π  

= =

− − ,[kg/s] (4-29)

4.4.1.2 Xác ñịnh lượng nước nóng thu ñược và thời gian cấp nước nóng

Từ phương trình cân bằng nhiệt:

mrc = MnCpn (tn – tf) (4-30) Tìm ñược:

(

^c

)

n

pn n f

M mr

C t t

= − , [kg] (4-31)

ⁿ

n n

M

∆τ = G , [s] (4-32) 4.4.2 Tính cấp nước sôi

4.4.3 Tính cấp hơi bão hòa khô

4.4.3.1 Xác ñịnh lưu lượng Gh qua ống d1

Từ phương trình truyền nhiệt:

( ) ( )

n tc ts d L2 GhCpn ts tf rh

αη − π =  − +  (4-36)

với rh là nhiệt ẩn hóa hơi của nước, rh = 2257kJ/kg

suy ra:

( )

( )

hn c s 2

h

pn s f h

t t d L

G C t t r

α − π

= − + ,[kg] (4-37) 4.4.3.2 Xác ñịnh lượng hơi bão hòa thu ñược và thời gian cấp hơi bão hòa

(

^c

)

h

p s f h

M mr

C t t r

= − + ,[kg] (4-39)

h h

h

M

∆τ = G ,[s] (4-40)

4.5 Tính toán các thông số của thiết bị mẫu tích trữ cấp nhiệt năng lượng mặt trời

4.5.1 Mô tả thiết bị và các thông số chọn trước

Bảng 4.1 Các thông số chọn trước của thiết bị mẫu

Tên chi tiết Vật liệu Tên thông số Ký hiệu Giá trị

Parabol Inox Rộng

Dài

Hệ số phản xạ

r L R

0,4m 1,25m 0,9 Ống dẫn nước Đồng Đường kính trong

Dày

Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Hệ số dẫn nhiệt

d₁ δ1

ρ1

C1

λ1

0,02m 0,001m 8920kg/m³ 380J/kgK 390W/mK Ống chứa môi

chất

Đồng Đường kính trong Dày

Độ ñen

d2

δ2

ε

0,2m 0,001m 0,9 Ống lồng kính Thủy tinh Đường kính ngoài

Dày

Hệ số dẫn nhiệt Độ trong Độ ñen ống kính

d3

δ3

λ3

D εK = 1 – D

0,222m 0,001m 0,74W/mK 0,9 0,1 Môi chất

nóng chảy

Paraffin Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Nhiệt ñộ nóng chảy Nhiệt ẩn nóng chảy Hệ số dẫn nhiệt

ρ C_p

tc

r_c λ

900kg/m³ 2150J/kgK;

60^oC 220000J/kg 0,17W/mK Môi trường

xung quanh

Không khí

Nhiệt ñộ Hệ số dẫn nhiệt Tốc ñộ gió trung bình

tf

λk

ω

30^oC 0,03W/mK 4m/s Cường ñộ BXMT

trung bình

En 940W/m²

4.5.2 Tính hệ số tỏa nhiệt phức hợp từ ống kính d3 ra môi trường không khí

α = 17,02 W/m²K.

4.5.3 Tính các thông số kỹ thuật của thiết bị mẫu

(Các thông số kỹ thuật của thiết bị mẫu ñược thể hiện ở bảng 4.2 trang 64 trong luận văn)

4.5.4 Tính các thông số ñặc trưng của thiết bị mẫu 4.5.4.1 Tính quá trình gia nhiệt môi chất

4.5.4.2 Tính quá trình trữ nhiệt môi chất

Giả sử dùng chính ống kính d3 tìm ñược thời gian bảo quản là τo= 1,42 ngày nên không cần bố trí ống lồng cách nhiệt bên ngoài.

4.5.4.3 Tính quá trình cấp nhiệt cho nước

Chọn nhiệt ñộ nước yêu cầu tn = 50^oC với nhiệt ñộ nước ñầu vào ống d1 xem như bằng nhiệt ñộ môi trường tf = 30^oC.

Bảng 4.3. Các thông số ñặc trưng của thiết bị mẫu khi gia nhiệt môi chất

T T

Thông số Công thức tính Tính toán Giá trị

1 Độ gia nhiệt max ảo

max 2 2

T a b

= + ω

(

⁵

) (

^{2 5}

)

²

0, 0081

3,34.10⁻ +7, 272.10⁻ 101^oC 2 Nhiệt ñộ

max khi gia nhiệt ảo

tmax = Tmax + tf 101 + 30 131^oC

3 Thời ñiểm môi chất bắt ñầu nóng chảy τc1

Công thức (4-19)

(

⁵

) (

^{2 5}

)

²

5 5

30 3,34.10 7, 272.10 24[ arcsin

0,0081 7, 272.10

arctg ]

3,34.10

− −

−

−

+ 2π

+ 5,51h

4 Thời ñiểm môi chất nóng chảy hoàn toàn τc2

τc2 là nghiệm của phương trình (4-23)

cos X = -0,5781 – 0,1236X

với _{c2 c2}

n X= ωτ =2πτ

τ 10,43h

5 Hiệu suất tích nhiệt của thiết bị

( )

p c f c

T

n h n

m C t t r

E 2F 2

 − + 

 

η = τ

π

( )

T

34,9 2150 60 30 220000 2 24

940. .1. .3600 2

 − + 

 

η =

π

38,4%

a. Tính hệ số tỏa nhiệt từ mặt ống d₁ ñến nước

( )¹⁴

0,6535

0,54. 4594484 817

α = 0,02 =

b. Các thông số ñặc trưng của thiết bị khi cấp nhiệt cho nước Bảng 4.4 Các thông số ñặc trưng của thiết bị mẫu khi cấp nhiệt cho nước T

T Thông số Công thức tính Tính toán Giá trị

1 Lưu lượng nước Gn

( )

t t

t d L

2

G C t t

n f

n c 1

n pn n f

 + 

α  − π

 

= − ( )

50 30 817 60

2 4180 50 30

 − + π.0,02.1, 25

 

 

−

0,0153kg/s

=0,92kg/phút

= 55,3kg/h 2 Lượng

nước nóng

Mn ⁿ pn(n^c f)

M mr

C t t

= − 34,9.220000( )

4180 50−30

91,8kg

3 Khoảng thời gian

∆τn

n n n M

∆τ =G 91,8

0, 0153

6003s

= 1,67h 4 Hiệu suất

của thiết bị

( )

TB

M C t t

E 2F 2 n pn n f

n h n

η = τ−

π

( )

TB

91,8.4180 50 30 940.1.2 24. .3600

2 η = −

π

29,7%

CHƯƠNG 5 : LẬP MÔ HÌNH, KIỂM NGHIỆM, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ TRỮ NHIỆT 5.1 Mục ñích thực nghiệm và nguyên lý thực nghiệm

5.1.1 Mục ñích thực nghiệm

Đo các thông số thực của mô hình thực nghiệm ñể so sánh với thông số tính toán ñược thiết lập ở chương 4.

5.1.2 Nguyên lý thực nghiệm

5.2 Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm 5.2.1 Thiết kế mô hình thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm ñược thiết kế có kết cấu ñồng dạng với mô hình thiết bị mẫu ở mục 4.5.

W/m²K

Bảng 5.1 Các thông số kết cấu của mô hình thực nghiệm

Tên chi tiết Vật liệu Tên thông số Ký hiệu Giá trị

Parabol Inox Rộng

Dài

Hệ số phản xạ

r L R

0,16m 0,5m 0,9 Ống dẫn nước Đồng Đường kính trong

Dày

Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Hệ số dẫn nhiệt

d1

δ1

ρ1

C₁ λ1

0,01m 0,0005m 8920kg/m³ 380J/kgK 390W/mK Ống chứa môi

chất

Đồng Đường kính trong Dày

Độ ñen = Hệ số hấp thụ d₂ δ2

ε

0,052m 0,0005mm 0,9 Ống lồng kính Thủy

tinh

Đường kính ngoài Dày

Hệ số dẫn nhiệt Độ trong Độ ñen ống kính

d3

δ3

λ3

D εK = 1 –

D

0,064m 0,001m 0,74W/mK 0,9 0,1 Môi chất

nóng chảy

Paraffin Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Nhiệt ñộ nóng chảy Nhiệt ẩn nóng chảy Hệ số dẫn nhiệt

ρ Cp

tc

r_c λ

900kg/m³ 2150 J/kgK 60^oC 220000J/kg 0,17W/mK

Cường ñộ bức xạ mặt trời lấy theo trị số trung bình ở Đà Nẵng là 940W/m².

Thông số của không khí ñược ño vào mùa hè, lấy trung bình tf = 30^oC, có hệ số dẫn nhiệt λk = 0,03W/mK, trời không mây, gió Đông Nam có tốc ñộ trung bình ω = 4,0 m/s.

5.2.2 Chế tạo mô hình thực nghiệm

Hình 5.4 Đồ thị biểu diễn quá trình gia nhiệt Paraffin

0 10 20 30 40 50 55 60 65 70 80 90 100 110 116 132

10 20 30 40 50 60 70

Thoi gian (phut)

Nhiet do (do C) Nhiet do tinh toan

Nhiet do thuc te

5.3 Tính toán các thông số kỹ thuật ñặc trưng của mô hình thực nghiệm

(Các thông số kỹ thuật của mô hình thực nghiệm ñược thể hiện ở bảng 5.2 trang 73 trong luận văn)

Bảng 5.3 Các thông số ñặc trưng của mô hình thực nghiệm

TT Tên thông số Tính toán Giá trị

1 Thời ñiểm paraffin bắt ñầu nóng chảy τc1

(Tính ở bên dưới) 0,92h 2 Thời ñiểm paraffin

nóng chảy hoàn toàn τc2 (Tính tương tự mục 4.5.4.1)

1,93h

3 Thời gian bảo quản τo

o

0, 91.220000 21,86

τ = 9156 giây =

2,54 giờ 4 Lưu lượng nước Gn

( )

n

50 30 1143 60 G 2

4180 50 30 +

 

− π.0,01.0,5

 

 

= −

4,3.10^-3 kg/s

= 0,26kg/phút

= 15,47kg/h 5 Lượng nước nóng Mn

( )

n

0, 91.220000 M =4180 50 30

−

2,39kg 6 Khoảng thời gian ∆τn

n 3

2, 39 4, 3.10⁻

∆τ = 556s = 9,3

phút

5.4 Thực nghiệm trên mô hình 5.4.1 Cài ñặt thí nghiệm

5.4.2 Thực nghiệm quá trình gia nhiệt cho Paraffin, so sánh với tính toán

* Nhận xét: Các số liệu thực nghiệm so với tính toán lý thuyết thì sai số khá nhỏ, trung bình sai số trong giai ñoạn này là 12,3%.

5.4.3 Thực nghiệm quá trình trữ nhiệt cho Paraffin, so sánh với tính toán

Sau khi Paraffin vừa nóng chảy xong, không cho nước vào, bắt ñầu ño khoảng thời gian mà nhiệt ñộ của Paraffin ở nhiệt ñộ nóng chảy của nó là 60^oC ñến khi nhiệt ñộ Paraffin vừa giảm xuống dưới 60^oC. Khoảng thời gian này chính là thời gian trữ nhiệt của Paraffin.

* Nhận xét: Theo quan sát, khoảng thời gian trữ nhiệt thực tế của Paraffin ít hơn so với tính toán là 11,4 phút, sai số là 8,1%.

5.4.4 Thực nghiệm quá trình Paraffin cấp nhiệt cho nước, so sánh với tính toán

Hình 5.7 Đồ thị biểu diễn quá trình Paraffin cấp nhiệt cho nước

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9.3

30 50 60

Thoi gian (phut)

Nhiet do (do C)

Nhiet do tinh toan paraffin Nhiet do thuc te paraffin nhiet do tinh toan nuoc nhiet do thuc te nuoc 3

GnTT=4,3.10 kg / s⁻

3

GnTN=4,15.10 kg / s⁻

Hình 5.5 Đồ thị biểu diễn quá trình trữ nhiệt Paraffin

0 0.5 1 1.5 2 2.35 2.54

10 20 30 40 50 60 70

Thoi gian (gio)

Nhiet do (do C) Nhiet do thuc te

Nhiet do tinh toan

Lượng nước nóng 50^oC thực tế thu ñược là:

3

ntt nTN nTN

M =G .∆τ =4,15.10 .540⁻ =2, 24kg

Vậy so với lượng nước nóng thu ñược theo tính toán lý thuyết là 2,39kg, lượng nước nóng thực tế thu ñược ít hơn là 0,15 kg, sai số là 6,3%.

5.4.5 Hiệu suất của mô hình thực nghiệm

ttru TB

cc

Q ,%

η = Q

- Theo tính toán:

TBTT

199804 665254 30%

η = =

- Theo thực nghiệm:

TBTN

187264 666468 28%

η = =

Suy ra sai số giữa tính toán và thực nghiệm là 6,7%.

5.4.6 Tổng kết các sai số giữa tính toán và thực nghiệm

Bảng 5.5 Bảng so sánh số liệu kỹ thuật theo tính toán và thực nghiệm

TT Thông số Theo tính

toán

Theo thực nghiệm

Sai số (%)

1 Thời ñiểm Paraffin bắt ñầu nóng chảy

0,92h 1,08h 15,4

2 Thời ñiểm Paraffin nóng chảy hoàn toàn

1,93h 2,2h 12,3

3 Thời gian trữ nhiệt cho Paraffin

2,54h 2,35h 8,1

4 Lượng nước nóng thu ñược 2,39kg 2,24kg 6,3 5 Hiệu suất của mô hình thực

nghiệm

30% 28% 6,7

Nhận xét chung: Sai số chủ yếu xảy ra ở quá trình gia nhiệt Paraffin vì ở quá trình này bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố bên ngoài.

Như vậy, có thể kết luận rằng các công thức tính toán ñược thiết lập là khá chính xác, có thể tạo cơ sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy.

5.5 Tính hiệu quả kinh tế, môi trường của thiết bị tích trữ cấp năng lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy 5.5.1 Tính kinh tế

Việc tính toán hiệu quả kinh tế ở thiết bị tích trữ nhiệt mặt trời ở luận văn này tính cho thiết bị mẫu ñược thiết lập ở mục 4.5.

- Thời gian trữ nhiệt 1,42 ngày

- Lượng nước nóng ở 50^oC thu ñược: 91,8 kg - Hiệu suất của thiết bị là 29,7%

Số tiền do thiết bị tạo ra sau 1 năm là: 16.753.500vnñ

Điều ñó mở ra khả năng có thể sản xuất hàng loạt mô ñun như vậy ñể dùng trong sản xuất.

5.5.2 Tính môi trường

Việc ứng dụng năng lượng sạch, sẵn có, ñặc biệt là năng lượng mặt trời ñang là một yêu cầu hết sức cần thiết hiện nay.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận

Xuất phát từ ñịnh luật bảo toàn năng lượng, dựa trên các giả thiết ban ñầu và ñặc tính của môi chất nóng chảy ñã xác lập ñược hàm nhiệt ñộ tức thời t(τ) của môi chất khi gia nhiệt và chuyển pha ñể suy ra công thức tính thời ñiểm nóng chảy τc1, thời ñiểm nóng chảy hoàn toàn τc2, thời gian bảo quản nhiệt τo, các thông số G, M, ∆τ của chất tải nhiệt ra và các thông số khác của thiết bị.

Đã chế tạo và thực nghiệm trên thiết bị với kết quả ño lường phù hợp với tính toán lý thuyết. Như vậy ñộ chính xác và tin cậy của các công thức ñã ñược chứng minh.

Với một thiết bị tích trữ cấp nhiệt bức xạ mặt trời có diện tích hứng nắng 1m² dùng gương Parabol trụ với môi chất nóng chảy Paraffin có thể cung cấp một sản lượng nước nóng là 91,8 kg/ngày (ở 50^oC), thời gian tích trữ trên một ngày ñêm. Do ñó, nếu lắp ghép nhiều mô ñun với môi chất nóng chảy hợp lý thì có thể tạo thành một hệ thống lớn sử dụng tốt trong sản xuất với nhiều nhu cầu sử dụng khác nhau như nước nóng, nước sôi, hơi bão hòa, hơi quá nhiệt…

2. Kiến nghị

Việc sử dụng môi chất nóng chảy làm chất tích trữ nhiệt trong các hệ thống tích trữ năng lượng mặt trời là một trong những lựa chọn hợp lý do sự không ổn ñịnh của thời tiết và thời gian ngày ñêm. Vì vậy, cần ñầu tư nghiên cứu sâu hơn nữa các loại môi chất nóng chảy ñể thiết kế thiết bị phù hợp, tạo hiệu quả cao. Ngoài ra, cần nghiên cứu thêm quá trình quá nhiệt lỏng môi chất ñể tận dụng hết năng lượng bức xạ mặt trời ñến cuối ngày, nâng cao hiệu suất của thiết bị.