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

1 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ THỊ NGỌC OANH NGHIÊN CỨU CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG NHIỆT MẶT TRỜI DÙNG MƠI CHẤT NĨNG CHẢY Chuyên ngành: Cơng nghệ Nhiệt Mã số: 60.52.80 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2011 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hồng Dương Hùng Phản biện 1 : PGS. TS Nguyễn Bốn Phản biện 2 : PGS. TS Đào Ngọc Chân Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Cơng nghệ nhiệt họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 tháng 11 năm 2011. Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại : - Trung tâm Thơng tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng nên cĩ nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu dự trữ. Sự suy thối về mơi trường nghiêm trọng. Vì vậy, cần phải cĩ nguồn năng lượng mới đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai. Năng lượng mặt trời (NLMT) - nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất - đang được đặc biệt quan tâm. Thiết bị sử dụng NLMT hiện nay ở Việt Nam chủ yếu là, hệ thống cung cấp nước nĩng bằng NLMT, hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, bếp NLMT. Việc ứng dụng NLMT trong thực tế cịn khiêm tốn. Nguyên nhân chính là các thiết bị sử dụng NLMT làm việc khơng ổn định, khơng liên tục. Vì thế, cần nghiên cứu cơng nghệ tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời để cĩ thể chủ động trong việc sử dụng. Một trong những cơng nghệ để tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời là dùng mơi chất nĩng chảy. Hiện nay, cơng nghệ này chưa nghiên cứu cơ sở tính tốn thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời một cách chính xác, cụ thể. Xuất phát từ thực tế đĩ, chúng tơi chọn và nghiên cứu đề tài: "Nghiên cứu cơ sở tính tốn thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời dùng mơi chất nĩng chảy". 2. Mục tiêu nghiên cứu + Nghiên cứu lập cơ sở tính tốn thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời dùng mơi chất nĩng chảy + Kiểm chứng các cơng thức tính tốn được lập ra với một mơ 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 tốn các quá trình tích trữ 4 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 ngồi nước. - Nguồn tư liệu từ mạng Internet. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Tính chính xác lượng nhiệt tích trữ được trong những thiết bị cụ thể, giúp cho việc thiết kế thiết bị đúng 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: CƠNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG NHIỆT MẶT TRỜI Chương 4: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NHIỆT MẶT TRỜI DÙNG MƠI CHẤT NĨNG CHẢY Chương 5 : LẬP MƠ HÌNH, THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NHIỆT KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5 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 độ dịng bức xạ trực xạ ở ngồi lớp khí quyển, tính đối với 1m2 bề mặt đặt vuơng gĩc với tia bức xạ: 2 4 2.3,14.32 5762360.60q .5,67. 4 100        =     ≈ 1353 W/m2 Cường độ bức xạ tồn phần là Eo = σo.To4 = 6,25.107 W/m2 Cơng suất bức xạ tồn phần của Mặt trời là: Qo = Eo.F = σo.To4 .pi.D2= 3,8.1026W 1.2 Phương pháp tính tốn cường độ bức xạ mặt trời 1.2.1 Tính tốn gĩc tới của bức xạ trực xạ 1.2.2 Bức xạ mặt trời ngồi khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang 1.2.3 Tổng cường độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái đất Trong tính tốn kỹ thuật, xem cường độ bức xạ tới mặt đất là hàm của thời gian τ: E(τ) = En.sinϕ(τ) ϕ(τ) = ω.τ là gĩc nghiêng tia nắng so với mặt đất, 5 n 2π 2π ω 7,27.10 rad/s τ 24.3600 − = = = đất. En[W/m2] là cường độ bức xạ cực đại trong ngày, lấy trị trung bình cả năm theo số liệu đo lường thực tế tại vĩ độ 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 độ gĩc tự xoay của trái 6 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 cĩ giá trị D⊥ ≈ 1 (D// ≈ 1). 1.2.4.5 Hệ số truyền qua đối 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 được của bộ thu 1.2.5 Cân bằng nhiệt và nhiệt độ cân bằng của vật thu bức xạ mặt trời Phương trình cân bằng nhiệt cho V cĩ dạng: Cơng suất do V hấp thụ = Cơng suất phát bức xạ từ V Hay A.Et.Ft = E.F→A.σo.To4(D/2r)2.Ft = ε.σo.To4 F (1-29) Nếu vật V cĩ thơng số (ρ, C, ε, A, F, V) đặt trong khí quyển nhiệt độ 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 cĩ dạng (1-30) Khi biết Ft(τ), cĩ thể giải phương trình trên với điều kiện đầu t(τ = 0) = tf để tìm hàm biến đổi t(τ) của nhiệt độ 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 nĩng bằng năng lượng mặt trời 1.3.4 Thiết bị làm lạnh và điều hồ khơng khí dùng năng lượng mặt trời 1.3.5 Pin mặt trời m t AEdt αFt F( )sin( ) ρVC ρVCdτ+ = τ ωτ 7 1.3.6 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời 1.3.7 Thiết bị sấy khơ 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 đặc 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 nĩn 2.1.4.1 Gương nĩn cụt 2.1.4.2 Gương nĩn 2.1.5 Gương Parabol 2.1.5.1 Gương Parabol trịn 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 đường kính d đặt tại tiêu điểm, thì độ tập trung: k = 1+ R 2r 1 d   −  pi  (2-17) 2.2 Hệ thống điều chỉnh gương theo hướng mặt trời 2.2.1 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời 2.2.2 Phương pháp điều chỉnh gương theo hướng mặt trời 2.2.2.1 Hệ thống điều chỉnh dùng động cơ 2.2.2.2 Hệ thống điều 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. 8 R C P Hình 3.2 Hệ tuần hồn cưỡng bức A h B T1 T2 Hình 3.1 Hiệu ứng siphon nhiệt CHƯƠNG 3: CƠNG 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 hồn tự nhiên (hiệu ứng siphon nhiệt) Độ chênh áp giữa hai nhánh được mơ tả bằng cơng thức: ∆p = h.ρ.(T1 – T2) Với ρ là khối lượng riêng của chất lỏng. 3.1.2 Trữ nhiệt bằng hệ thống tuần hồn cưỡng bức Trong nhiều trường hợp phải chuyển nước nĩng đi xa, tổn thất dọc đường lớn, nên bắt buộc phải mắc thêm vào hệ một bơm điện P để tăng vận tốc tuần hồn trong hệ thống. 3.1.3 Trữ nhiệt bằng hệ cĩ hai chất lỏng và bình chứa cĩ bộ trao đổi nhiệt Chất lỏng sơ cấp 1 đi qua bộ trao đổi nhiệt cĩ dạng xoắn hoặc tấm phẳng đặt bên trong bình chứa R, chất lỏng 2 nhận nhiệt từ chất lỏng 1 qua bộ trao đổi nhiệt (hình 3.3). 9 1 2 2 Hình 3.3 Bình chứa cĩ bộ trao đổi nhiệt 1 3.1.4 Tích trữ nhiệt bằng chất cảm nhiệt Trường hợp đơn giản nhất là đun nước nĩng trong bình tích dùng trực tiếp cho gia đình. Khi đĩ hệ phải cĩ chất tích nhiệt trung gian là chất lỏng hoặc chất rắn, với một khối lượng lớn. Trong bình chứa cĩ hai bộ trao đổi nhiệt 1 và 2 (hình 3.4). 3.1.5 Trữ nhiệt bằng mơi chất nĩng chảy Giả sử một chất ở nhiệt độ T1 nhận một nhiệt lượng nào đĩ thì nhiệt độ tăng lên và nĩng chảy ở nhiệt độ T2 = const. So sánh nhiệt lượng tích được trong một đơn vị khối lượng của vật liệu trữ nhiệt cĩ thay đổi trạng thái do hiện tượng ẩn nhiệt với nhiệt lượng khơng thay đổi trạng thái thì ta nhận được tỷ số: ( ) ( ) ( ) p 2 1 2 p 2 1 C T T L T C T T − + − (3-2) Trong đĩ L(T2): nhiệt ẩn thay đổi trạng thái ở nhiệt độ T2. Trong thực tế giá trị của L(T2) lớn hơn rất nhiều so với Cp(T2 – T1). Do đĩ, nếu chọn mơi chất nĩng chảy cĩ giá trị nhiệt ẩn C P 1 2 Hình 3.4 Hệ thu- tích nhiệt cĩ bù nhiệt R 10 lớn thì thể tích của bình chứa giảm một cách đáng kể. 3.2 Đặc tính của mơi chất nĩng chảy 3.2.1 Khái niệm về pha và sự chuyển pha 3.2.1.1 Sự thay đổi của entropy khi chuyển pha 3.2.1.2 Sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha vào áp suất 3.2.2 Hiện tượng chuyển pha trong chất rắn Với mỗi chất rắn, khi nung nĩng tới một nhiệt độ nĩng chảy sẽ bắt đầu chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, đĩ là hiện tượng nĩng chảy. Để chất rắn nĩng chảy hết thì phải cung cấp thêm một nhiệt lượng để chuyển hồn tồn trạng thái từ rắn thành lỏng gọi là nhiệt ẩn nĩng chảy. Khi làm lạnh các chất lỏng tới một nhiệt độ và áp suất xác định chất lỏng sẽ chuyển từ pha lỏng trở thành pha rắn, đĩ là hiện tượng đơng đặc. Trong quá trình này vật toả ra một nhiệt lượng đúng bằng nhiệt lượng thu vào trong quá trình nĩng chảy. 3.3. Một số mơi chất nĩng chảy thường dùng 3.3.1 Các yêu cầu đối với mơi chất nĩng chảy 3.3.1.1 Các đặc tính nhiệt động 3.3.1.2 Các đặc tính động học 3.3.1.3 Đặc tính hố học 3.3.1.4 Các đặc tính kinh tế 3.3.2 Đặc tính của một số mơi chất nĩng chảy thường dùng 3.3.2.1 Vật liệu hữu cơ a. Paraffin Sáp paraffin cĩ màu trắng, khơng mùi, khơng vị với nhiệt độ nĩng chảy trong khoảng từ 47oC đến 64oC (116,6oF đến 147,2oF), cĩ khối lượng riêng khoảng 0,9 g/cm3. 11 Bảng 3.1 Các thơng số của một số Paraffin Số lượng nguyên tử Cacbon Nhiệt độ nĩng chảy (oC) Nhiệt ẩn nĩng 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 vơ cơ a. Muối hydrat b. Kim loại 3.3.2.3 Eutectics 3.3.3 Lựa chọn mơi chất nĩng chảy sử dụng cho bộ thu Ở luận văn này, chọn Paraffin làm mơi chất nĩng chảy vì: - Khả năng ứng dụng ở phạm vi nhiệt độ lớn - Khả năng nĩng chảy tương đẳng - Khả năng tương thích với vật liệu xây dựng thơng thường - Khơng phân tầng - Tính chất hố học ổn định - Nhiệt ẩn nĩng chảy cao - An tồn và khơng phản ứng - Khả năng tái sử dụng 12 6 7 1 2 3 4 5 8 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TÍCH TRỮ CẤP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG MƠI CHẤT NĨNG CHẢY 4.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các quá trình tích trữ cấp nhiệt của thiết bị 4.1.1 Cấu tạo mơ hình thiết bị 4.1.2 Nguyên lý hoạt động 4.1.3 Các quá trình tích trữ cấp nhiệt của thiết bị 1) Quá trình τ ∈ (0 ÷ τc1) gia nhiệt mơi chất lên đến nhiệt độ tc. 2) Quá trình τ ∈ (τc1÷ τc2) mơi chất nĩng chảy đẳng nhiệt tc= const, chuyển từ pha rắn sang pha lỏng hồn tồn. 1. Gương phản xạ Parabol trụ 2. Ống lồng kính và cách nhiệt 3. Ống vỏ chứa mơi chất nĩng chảy 4. Ống dẫn nước cần làm nĩng 5. Cơ cấu điều chỉnh gương quay tự động theo hướng mặt trời 6. Mơi chất nĩng chảy 7. Van dẫn nước vào 8. Van dẫn nước ra Hình 4.1 Mơ hình thiết bị thu trữ cấp nhiệt bức xạ mặt trời 13 3) Quá trình τ ∈ (τc2÷ τm) gia nhiệt bổ sung để lỏng mơi chất tăng nhiệt độ từ nhiệt độ nĩng chảy tc lên nhiệt độ tm > tc. 4) Quá trình τ ∈ (τm÷ τ2) là quá trình trữ nhiệt và cấp nhiệt cho nước. 4.2 Tính tốn quá trình cấp nhiệt cho mơi chất nĩng chảy 4.2.1 Phát biểu bài tốn tính thơng số các quá trình Cho 1 thiết bị cĩ kết cấu như hình 4.3. Cần tìm hàm nhiệt độ t(τ) của mơi chất và tính các thời gian đặc trưng cho các quá trình theo tất cả các thơng số đã cho. 4.2.2 Các giả thiết khi tính tốn 1) Gương Parabol được quay sao cho tia nắng luơn vuơng gĩc với mặt thu F = 2rL. 2) Thiết bị được khởi động lúc τ= 0, là lúc mặt trời mọc. 3) Trời luơn quang mây, cĩ nắng trong khoảng τ∈(0 ÷ τn/2=12h) với cường độ bức xạ tới mặt Ft là E(τ) = Ensinωτ. 4) Tại mỗi thời điểm τ, coi nhiệt độ của hệ là đồng nhất 5) Các thơng số cho trước là khơng đổi trong thời gian ∆τ khảo sát. 4.2.3 Tính tốn quá trình gia nhiệt mơi chất rắn 4.2.3.1 Xác định hàm nhiệt độ t(τ) khi gia nhiệt mơi chất rắn Lập phương trình cân bằng nhiệt cho hệ: δQ1 = dU + dU1 + dU2 + δQ2 (4-1) với: δQ1 = εDFEnsinωτdτ (4-2) 14 - Gia nhiệt cho mơi chất: dU = mCrdt (4-4) với: m là khối lượng của mơi chất, [kg] - Đun nĩng ống dẫn nước: dU1=m1C1dt (4-5) với: m1 là khối lượng của ống dẫn nước, [kg] - Đun nĩng ống vỏ chứa mơi chất: dU2=m2C2dt (4-6) với: m2 là khối lượng của ống vỏ chứa mơi chất, [kg] - Nhiệt truyền ra mơi trường: δQ2 = f l t - t Ld R τ (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 1R ln ln 2 d 2 d 2 d = + + piλ piλ − δ pi α (4-8) với α là hệ số tỏa nhiệt từ kính ra khơng khí, Do đĩ, phương trình cân bằng nhiệt trở thành: ⇔ εDFEn sinωτdτ = mCpdt + (4-9) với: Đặt T(τ) = t(τ) – tf gọi là độ gia nhiệt và đưa về dạng chính tắc, phương trình (4-9) cĩ dạng: nl p i i p i i L dT DFERT sin d mC mC mC mC ε + = ωτ τ + +∑ ∑ (4-10) Đặt n p i i DFE P K a , mC mC C s ε   = =  +∑   (4-11) và l p i i L W 1Rb , mC mC C s   = =  +∑   (4-12) i imC dt +∑ f l t - t Ld R τ mK W       2 W m K       i i 1 1 2 2 J m C m C m C , K   = +    ∑ 15 Phương trình cân bằng nhiệt sẽ thành: T’(τ) + bT(τ) = asinωτ (4-13) T(0) = 0 (4-14) Giải hệ trên, tìm được hàm phân bố nhiệt độ của mơi chất trong hộp thu gương parabol trụ khi gia nhiệt là: ( ) b f 2 2 2 a e t t sin arctg , bb b1 − τ     ω  τ = + ωτ − +   + ω   +   ω    (4-16) Vì số hạng cuối của tổng cĩ thể bỏ qua khi τ > 2h. Do đĩ cĩ thể viết lại hàm phân bố nhiệt độ của mơi chất trong hộp thu gương parabol trụ khi gia nhiệt là: ( ) f 2 2at t sin arctg bb ω  τ = + ωτ −   +ω (4-17) 4.2.3.2 Tính thời điểm mơi chất bắt đầu nĩng chảy τc1 Giải phương trình T(τ) = tc – tf = Tc (4-18) hay: c2 2 a sin arctg T bb ω  ωτ − =   + ω Tìm được thời điểm mơi chất bắt đầu nĩng chảy: 2 2 n c c1 T b arcsin arctg 2 a b   τ + ω ω   τ = +  pi     (4-19) 4.2.4 Tính tốn quá trình nĩng chảy mơi chất Lập phương trình cân bằng nhiệt: δQ1 = rc dm + δQ2 Xác định được τc2 như là nghiệm của phương trình: b 2 e b1 − τ  +   ω  16 ( ) ( ) ( ) ( )c f c f c2cc2 c1 c1 l l t t L t t Lm r cos cos RP P RP − ω − ωτ ω ωτ = ωτ + τ − −    (4-23) Cĩ thể xác định τc2 ∈ (τc2 ÷ τn/2) bằng phương pháp lặp. 4.3 Tính tốn quá trình trữ nhiệt 4.3.1 Thiết kế cách nhiệt cho ống chứa mơi chất nĩng chảy Phương pháp cách nhiệt ống chứa mơi chất là dùng 2 lớp khơng khí tĩnh bọc ngồi ống mơi chất, được ngăn cách bởi ống kính gắn cố định và một ống lồng cĩ các thơng số d4L, ρ4δ4λ4C4, hệ số hấp thụ ε4 bọc ngồi. 4.3.2 Tính tốn cách nhiệt cho ống chứa mơi chất nĩng chảy Khi tính cách nhiệt cho ống, ta sẽ tính trong điều kiện chưa sử dụng nhiệt, tức là khơng cho nước vào ống dẫn nước để cấp nhiệt. 4.3.2.1 Tính tổn thất nhiệt từ ống lồng ra mơi trường bên ngồi Lượng nhiệt tổn thất từ ống ra ngồi mơi trường là: c f tt l ltt t tQ q L L R − = = (4-24) Với 4 ltt k 2 4 tt 1 d 1R ln , 2 d d = + piλ pi α mK W      (4-25) 4.3.2.2 Xác định thời gian bảo quản τo Từ phương trình cân bằng nhiệt: Qttτo = mrc (4-26) Do đĩ, thời gian bảo quản τo là: c o tt mr Qτ = (4-27) 4.4 Tính tốn quá trình cấp nhiệt cho nước 4.4.1 Tính cấp nước nĩng Giả thiết rằng hộ tiêu thụ cần nước nĩng cĩ nhiệt độ tn với nhiệt độ nước vào bằng nhiệt độ mơi trường tf. 17 4.4.1.1 Xác định lưu lượng Gn của nước Từ phương trình cân bằng nhiệt cho nước: ( ) ( )n c n f 1 n pn n ft t d L G C t t−α − pi = − (4-28) Tìm được 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 2G C t t C t t − +  α − pi α − pi   = = − − ,[kg/s] (4-29) 4.4.1.2 Xác định lượng nước nĩng thu được và thời gian cấp nước nĩng Từ phương trình cân bằng nhiệt: mrc = MnCpn (tn – tf) (4-30) Tìm được: ( ) c n pn n f mrM C t t = − , [kg] (4-31) n n n M G ∆τ = , [s] (4-32) 4.4.2 Tính cấp nước sơi 4.4.3 Tính cấp hơi bão hịa khơ 4.4.3.1 Xác định lưu lượng Gh qua ống d1 Từ phương trình truyền nhiệt: ( ) ( )n c s 2 h pn s f ht t d L G C t t r αη − pi = − +  (4-36) với rh là nhiệt ẩn hĩa 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 − pi = − + ,[kg] (4-37) 4.4.3.2 Xác định lượng hơi bão hịa thu được và thời gian cấp hơi bão hịa ( ) c h p s f h mrM C t t r = − + ,[kg] (4-39) h h h M G ∆τ = ,[s] (4-40) 18 4.5 Tính tốn các thơng số của thiết bị mẫu tích trữ cấp nhiệt năng lượng mặt trời 4.5.1 Mơ tả thiết bị và các thơng số chọn trước Bảng 4.1 Các thơng số chọn trước của thiết bị mẫu Tên chi tiết Vật liệu Tên thơng 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 mơi chất Đồng Đường kính trong Dày Độ đen d2 δ2 ε 0,2m 0,001m 0,9 Ống lồng kính Thủy tinh Đường kính ngồi Dày Hệ số dẫn nhiệt Độ trong Độ đen ống kính d3 δ3 λ3 D εK = 1 – D 0,222m 0,001m 0,74W/mK 0,9 0,1 Mơi chất nĩng chảy Paraffin Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Nhiệt độ nĩng chảy Nhiệt ẩn nĩng chảy Hệ số dẫn nhiệt ρ Cp tc rc λ 900kg/m3 2150J/kgK; 60oC 220000J/kg 0,17W/mK Mơi trường xung quanh Khơng khí Nhiệt độ Hệ số dẫn nhiệt Tốc độ giĩ trung bình tf λk ω 30oC 0,03W/mK 4m/s Cường độ BXMT trung bình En 940W/m2 4.5.2 Tính hệ số tỏa nhiệt phức hợp từ ống kính d3 ra mơi trường khơng khí α = 17,02 W/m2K. 4.5.3 Tính các thơng số kỹ thuật của thiết bị mẫu (Các thơng số kỹ thuật của thiết bị mẫu được thể hiện ở bảng 4.2 trang 64 trong luận văn) 19 4.5.4 Tính các thơng số đặc trưng của thiết bị mẫu 4.5.4.1 Tính quá trình gia nhiệt mơi chất 4.5.4.2 Tính quá trình trữ nhiệt mơi chất Giả sử dùng chính ống kính d3 tìm được thời gian bảo quản là τo= 1,42 ngày nên khơng cần bố trí ống lồng cách nhiệt bên ngồi. 4.5.4.3 Tính quá trình cấp nhiệt cho nước Chọn nhiệt độ nước yêu cầu tn = 50oC với nhiệt độ nước đầu vào ống d1 xem như bằng nhiệt độ mơi trường tf = 30oC. Bảng 4.3. Các thơng số đặc trưng của thiết bị mẫu khi gia nhiệt mơi chất T T Thơng số Cơng thức tính Tính tốn Giá trị 1 Độ gia nhiệt max ảo max 2 2 aT b = + ω ( ) ( )2 25 5 0,0081 3,34.10 7,272.10− −+ 101oC 2 Nhiệt độ max khi gia nhiệt ảo tmax = Tmax + tf 101 + 30 131oC 3 Thời điểm mơi chất bắt đầu nĩng chảy τc1 Cơng thức (4-19) ( ) ( )2 25 5 5 5 30 3,34.10 7,272.1024 [arcsin 0,0081 7,272.10 arctg ] 3,34.10 − − − − + 2pi + 5,51h 4 Thời điểm mơi chất nĩng chảy hồn tồn τc2 τc2 là nghiệm của phương trình (4-23) cos X = -0,5781 – 0,1236X với c2 c2 n 2X pi= ωτ = τ τ 10,43h 5 Hiệu suất tích nhiệt của thiết bị ( )p c f c T n n h m C t t r 2E F 2   − + η = τ pi ( ) T 34,9 2150 60 30 220000 2 24940. .1. .3600 2   − + η = pi 38,4% 20 a. Tính hệ số tỏa nhiệt từ mặt ống d1 đến nước ( )140,65350,54. 4594484 817 0,02 α = = b. Các thơng số đặc trưng của thiết bị khi cấp nhiệt cho nước Bảng 4.4 Các thơng số đặc trưng của thiết bị mẫu khi cấp nhiệt cho nước T T Thơng số Cơng thức tính Tính tốn 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 − pi    = − ( ) 50 30817 60 2 4180 50 30  + − pi.0,02.1, 25    − 0,0153kg/s =0,92kg/phút = 55,3kg/h 2 Lượng nước nĩng Mn ( ) c n pn n f mrM C t t = − ( ) 34,9.220000 4180 50 30− 91,8kg 3 Khoảng thời gian ∆τn n n n M G ∆τ = 91,8 0,0153 6003s = 1,67h 4 Hiệu suất của thiết bị ( ) TB M C t t 2E F 2 n pn n f n n h − η = τ pi ( ) TB 91,8.4180 50 30 2 24940.1. . .3600 2 − η = pi 29,7% CHƯƠNG 5 : LẬP MƠ HÌNH, KIỂM NGHIỆM, SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ TRỮ NHIỆT 5.1 Mục đích thực nghiệm và nguyên lý thực nghiệm 5.1.1 Mục đích thực nghiệm Đo các thơng số thực của mơ hình thực nghiệm để so sánh với thơng số tính tốn được thiết lập ở chương 4. 5.1.2 Nguyên lý thực nghiệm 5.2 Thiết kế, chế tạo mơ hình thực nghiệm 5.2.1 Thiết kế mơ hình thực nghiệm Mơ hình thực nghiệm được thiết kế cĩ kết cấu đồng dạng với mơ hình thiết bị mẫu ở mục 4.5. W/m2K 21 Bảng 5.1 Các thơng số kết cấu của mơ hình thực nghiệm Tên chi tiết Vật liệu Tên thơng 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 mơi chất Đồng Đường kính trong Dày Độ đen = Hệ số hấp thụ d2 δ2 ε 0,052m 0,0005mm 0,9 Ống lồng kính Thủy tinh Đường kính ngồi Dày Hệ số dẫn nhiệt Độ trong Độ đen ống kính d3 δ3 λ3 D εK = 1 – D 0,064m 0,001m 0,74W/mK 0,9 0,1 Mơi chất nĩng chảy Paraffin Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Nhiệt độ nĩng chảy Nhiệt ẩn nĩng chảy Hệ số dẫn nhiệt ρ Cp tc rc λ 900kg/m3 2150 J/kgK 60oC 220000J/kg 0,17W/mK Cường độ bức xạ mặt trời lấy theo trị số trung bình ở Đà Nẵng là 940W/m2. Thơng số của khơng khí được đo vào mùa hè, lấy trung bình tf = 30oC, cĩ hệ số dẫn nhiệt λk = 0,03W/mK, trời khơng mây, giĩ Đơng Nam cĩ tốc độ trung bình ω = 4,0 m/s. 5.2.2 Chế tạo mơ hình thực nghiệm 22 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) N h i e t d o ( d o C ) Nhiet do tinh toan Nhiet do thuc te 5.3 Tính tốn các thơng số kỹ thuật đặc trưng của mơ hình thực nghiệm (Các thơng số kỹ thuật của mơ hình thực nghiệm được thể hiện ở bảng 5.2 trang 73 trong luận văn) Bảng 5.3 Các thơng số đặc trưng của mơ hình thực nghiệm TT Tên thơng số Tính tốn Giá trị 1 Thời điểm paraffin bắt đầu nĩng chảy τc1 (Tính ở bên dưới) 0,92h 2 Thời điểm paraffin nĩng chảy hồn tồn 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 301143 60 2G 4180 50 30 +  − pi.0,01.0,5    = − 4,3.10-3 kg/s = 0,26kg/phút = 15,47kg/h 5 Lượng nước nĩng Mn ( )n 0,91.220000M 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 mơ hình 5.4.1 Cài đặt thí nghiệm 5.4.2 Thực nghiệm quá trình gia nhiệt cho Paraffin, so sánh với tính tốn 23 * Nhận xét: Các số liệu thực nghiệm so với tính tốn lý thuyết thì sai số khá nhỏ, trung bình sai số trong giai đoạn này là 12,3%. 5.4.3 Thực nghiệm quá trình trữ nhiệt cho Paraffin, so sánh với tính tốn Sau khi Paraffin vừa nĩng chảy xong, khơng cho nước vào, bắt đầu đo khoảng thời gian mà nhiệt độ của Paraffin ở nhiệt độ nĩng chảy của nĩ là 60oC đến khi nhiệt độ Paraffin vừa giảm xuống dưới 60oC. 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 tốn 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 tốn 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) N h i e t d o ( d o C ) Nhiet do tinh toan paraffin Nhiet do thuc te paraffin nhiet do tinh toan nuoc nhiet do thuc te nuoc 3 nTTG 4,3.10 kg / s − = 3 nTNG 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) N h i e t d o ( d o C ) Nhiet do thuc te Nhiet do tinh toan 24 Lượng nước nĩng 50oC thực tế thu được là: 3 ntt nTN nTNM G . 4,15.10 .540 2,24kg−= ∆τ = = Vậy so với lượng nước nĩng thu được theo tính tốn lý thuyết là 2,39kg, lượng nước nĩng thực tế thu được ít hơn là 0,15 kg, sai số là 6,3%. 5.4.5 Hiệu suất của mơ hình thực nghiệm ttru TB cc Q ,%Qη = - Theo tính tốn: TBTT 199804 30% 665254 η = = - Theo thực nghiệm: TBTN 187264 28% 666468 η = = Suy ra sai số giữa tính tốn và thực nghiệm là 6,7%. 5.4.6 Tổng kết các sai số giữa tính tốn và thực nghiệm Bảng 5.5 Bảng so sánh số liệu kỹ thuật theo tính tốn và thực nghiệm TT Thơng số Theo tính tốn Theo thực nghiệm Sai số (%) 1 Thời điểm Paraffin bắt đầu nĩng chảy 0,92h 1,08h 15,4 2 Thời điểm Paraffin nĩng chảy hồn tồn 1,93h 2,2h 12,3 3 Thời gian trữ nhiệt cho Paraffin 2,54h 2,35h 8,1 4 Lượng nước nĩng thu được 2,39kg 2,24kg 6,3 5 Hiệu suất của mơ 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 ngồi. 25 Như vậy, cĩ thể kết luận rằng các cơng thức tính tốn được thiết lập là khá chính xác, cĩ thể tạo cơ sở tính tốn thiết kế thiết bị tích trữ nhiệt mặt trời dùng mơi chất nĩng chảy. 5.5 Tính hiệu quả kinh tế, mơi trường của thiết bị tích trữ cấp năng lượng nhiệt mặt trời dùng mơi chất nĩng chảy 5.5.1 Tính kinh tế Việc tính tốn hiệu quả kinh tế ở thiết bị tích trữ nhiệt mặt trời ở luận văn này tính cho thiết bị mẫu được thiết lập ở mục 4.5. - Thời gian trữ nhiệt 1,42 ngày - Lượng nước nĩng ở 50oC thu được: 91,8 kg - Hiệu suất của thiết bị là 29,7% Số tiền do thiết bị tạo ra sau 1 năm là: 16.753.500vnđ Điều đĩ mở ra khả năng cĩ thể sản xuất hàng loạt mơ đun như vậy để dùng trong sản xuất. 5.5.2 Tính mơi trường Việc ứng dụng năng lượng sạch, sẵn cĩ, đặc biệt là năng lượng mặt trời đang là một yêu cầu hết sức cần thiết hiện nay. 26 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận Xuất phát từ định luật bảo tồn năng lượng, dựa trên các giả thiết ban đầu và đặc tính của mơi chất nĩng chảy đã xác lập được hàm nhiệt độ tức thời t(τ) của mơi chất khi gia nhiệt và chuyển pha để suy ra cơng thức tính thời điểm nĩng chảy τc1, thời điểm nĩng chảy hồn tồn τc2, thời gian bảo quản nhiệt τo, các thơng số G, M, ∆τ của chất tải nhiệt ra và các thơng số khác của thiết bị. Đã chế tạo và thực nghiệm trên thiết bị với kết quả đo lường phù hợp với tính tốn lý thuyết. Như vậy độ chính xác và tin cậy của các cơng thức đã được chứng minh. Với một thiết bị tích trữ cấp nhiệt bức xạ mặt trời cĩ diện tích hứng nắng 1m2 dùng gương Parabol trụ với mơi chất nĩng chảy Paraffin cĩ thể cung cấp một sản lượng nước nĩng là 91,8 kg/ngày (ở 50oC), thời gian tích trữ trên một ngày đêm. Do đĩ, nếu lắp ghép nhiều mơ đun với mơi chất nĩng chảy hợp lý thì cĩ thể tạo thành một hệ thống lớn sử dụng tốt trong sản xuất với nhiều nhu cầu sử dụng khác nhau như nước nĩng, nước sơi, hơi bão hịa, hơi quá nhiệt… 2. Kiến nghị Việc sử dụng mơi chất nĩng 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 khơng ổn định của thời tiết và thời gian ngày đêm. Vì vậy, cần đầu tư nghiên cứu sâu hơn nữa các loại mơi chất nĩng chảy để thiết kế thiết bị phù hợp, tạo hiệu quả cao. Ngồi ra, cần nghiên cứu thêm quá trình quá nhiệt lỏng mơi chất để tận dụng hết năng lượng bức xạ mặt trời đến cuối ngày, nâng cao hiệu suất của thiết bị.