Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho thiết bị gia nhiệt bằng điện

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẶNG THỊ XUYÊN GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ GIA NHIỆT BẰNG ĐIỆN 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. NGUYỄN BỐN Phản biện 1: TS.Phan Quí Trà Phản biện 2: TS. Lê Quang Nam Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật 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 Các thiết bị điện khi hoạt động đều sinh ra nhiệt, lượng nhiệt này thải ra mơi trường lượng khí CO2 gây nên hiệu ứng nhà kính, làm tăng nhiệt độ trái đất.. Hiện nay lượng khí thải từ các thiết bị dùng điện ngày càng tăng do đĩ muốn giảm hiệu ứng nhà kính phải tính tốn chọn các vật liệu cách nhiệt sao cho lượng khí thải CO2 ra mơi trường bên ngồi là thấp nhất từ đĩ sẽ làm chậm sự tác động nĩng lên của tồn cầu. Để tiết kiệm điện năng tiêu thụ, giảm tổn thất nhiệt, giảm ơ nhiễm mơi trường người ta sử dụng các loại vật liệu cách nhiệt khác nhau như vật liệu cách nhiệt dạng bột, rắn, sợi, xốp, khe khơng khí hay chân khơng… Nhằm giảm tổn thất nhiệt, ngồi với việc sử dụng các loại vật liệu cách nhiệt cịn cĩ các biện pháp tiết kiệm năng lượng khác cho thiết bị gia nhiệt bằng điện gồm chọn thiết kế bộ gia nhiệt hợp lý, dùng các rơle nhiệt điều chỉnh nhiệt độ đĩng và nhiệt độ cát điện, tăng cường nhiệt trở cho vỏ các thiết bị, giảm diện tích vỏ hay điều chỉnh cơng suất thiết bị hợp lý… Gĩp phần vào vấn đề tiết kiệm năng lượng điện đồng thời giảm lượng khí thải CO2 là yếu tố chính gây nên hiệu ứng nhà kính cho các thiết bị dùng điện, chúng tơi chọn và nghiên cứu đề tài: “Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho thiết bị gia nhiệt bằng điện”. 2. Mục tiêu nghiên cứu: Trong đề tài này chúng tơi muốn nghiên cứu những giải pháp tiết kiệm điện cho các thiết bị gia nhiệt dùng điện trở đồng thời đánh giá hiệu quả khi sử dụng phương pháp này so với khi chưa dùng phương pháp mới. 4 3. Nội dung nghiên cứu : + Phân tích tổn thất năng lượng trong thiết bị gia nhiệt bằng điện. + Nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm điện cho thiết bị. + Nghiên cứu lập cơ sở tính tốn kết cấu cách nhiệt cho các loại thiết bị gia nhiệt dùng điện trở với các vỏ cách nhiệt khác nhau. + Phân tích lựa chọn cơng suất nung và chế độ điều chỉnh tối ưu cho rơle nhiệt. 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: Nghiên cứu cơ sở tính tốn chọn kết cấu cách nhiệt nhằm gĩp phần tiết kiệm điện năng giảm chi phí, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính, tăng cường khả năng bảo vệ mơi trường. 7. Bố cục luận văn: Chương 1 . Phân tích tổn thất nhiệt cho thiết bị điện hiên nay Chương 2 . Các giải pháp tiết kiệm điện Chương 3. Tính tốn kết cấu cách nhiệt cho các thiết bị gia nhiệt dùng điện trở Chương 4. Lựa chọn cơng suất nung và chế độ tối ưu cho Rơle nhiệt Chương 5. Tính kiểm tra bình đun nước với vỏ cách nhiệt bằng đệm khí Chương 6. Hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, mơi trường của giải pháp 5 Chương 1. PHÂN TÍCH TỔN THẤT NHIỆT CHO THIẾT BỊ ĐIỆN HIỆN NAY 1.1. Định nghĩa, phân loại các thiết bị gia nhiệt bằng điện Thiết bị gia nhiệt bằng điện là thiết bị trong đĩ cĩ quá trình chuyển hĩa năng lượng điện thành năng lượng nhiệt. 1.2. Các tổn thất năng lượng trong thiết bị gia nhiệt bằng điện trở 1.2.1. Thiết bị cĩ điện trở trong Qtt = Qmc → mt 1.2.2. Thiết bị cĩ điện trở ngồi Qtt = ∆I + Qmc → mt + QR → mt Chương 2. CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN 2.1. Giảm tổn thất nhiệt qua vỏ ra mơi trường 2.1.1. Giải pháp chung Từ phương trình truyền nhiệt: ( )fmctt ttkFQ −= (2.1)     ↓ ↓↓↔⇒ F kQtt 2.1.2. Giảm diện tích vỏ F↓ Khi thiết kế chọn diện tích vỏ sao cho diện tích tiếp xúc với chất lỏng là bé nhất. 2.1.3. Tăng nhiệt trở R↑ Nhiệt trở dẫn nhiệt qua các vách được xác định theo cơng thức: ∑ α+λ δ + α == n 1 2i i 1 11 k 1R (2.4) Nhiệt trở dẫn nhiệt của chân khơng được xác định theo cơng thức: ( )32221221310 21ck TTTTTT 111 R +++ −− = σ εε (2.5) 6          ↑ ↓λ ↑δ ↓ ↓α↓α ↑↔⇒ n T , R c c 1 21 2.2. Các giải pháp tăng nhiệt trở 2.2.1. Dùng vật liệu cách nhiệt ∑ λ δ = n 1 i i cR (2.6)      ↑ ↓λ ↑δ ↑↔⇒ n R i i c 2.2.2. Dùng khe khơng khí 2 2 k k 1 1 kR λ δ + λ δ + λ δ = (2.7)     ↓λ↓λ↓λ ↑δ↑δ↑δ↑↔⇒ k21 k21 k ,, ,, R 2.2.3 Dùng vách chân khơng ( )32221221310 21 TTTTTT 111 R −−−−σ − ε + ε =ε (2.8)      ↓ ↑      − ε + ε↑↔⇒ ε 1 21 T 111 R (2.9) 7 2.3. Điều chỉnh cơng suất hợp lý ( )→η==η P E Q t tt mcn t Tìm P = ? để tη = max 2.4. Dùng rơle nhiệt độ điều chỉnh nhiệt độ đĩng và nhiệt độ cắt điện ηt(P/tmc)↑ → tìm tmc tối ưu → chọn rơle làm việc ở ttối ưu + độ dao động Chương 3. TÍNH TỐN KẾT CẤU CÁCH NHIỆT CHO CÁC THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÙNG ĐIỆN TRỞ * Yêu cầu khi thiết kế tính tốn cách nhiệt: - Để tạo nhiệt độ mặt ngồi lớp cách nhiệt: [ ]ttc ≤ , C0 - Để tổn thất nhiệt ra mơi trường qua 1m2 thuộc vỏ thiết bị: [ ]qq ≤ , 2mW - Để mơi chất bên trong bình giảm theo thời gian thì tốc độ: ( ) [ ]vtttv đmct ≤ τ∆ τ∆− = τ∆ ∆ = , hK - Tính thiết kế vỏ cách nhiệt của thiết bị, sao cho nhiệt độ của mơi chất sau thời gian ∆τ khơng nhỏ hơn nhiệt độ yêu cầu: tmc(∆τ, kết cấu cách nhiệt) ≤ tyêu cầu. 3.1. Giới thiệu, phân loại các kết cấu cách nhiệt 3.1.1 Vật liệu cách nhiệt 3.1.1.1. Định nghĩa: Vật liệu cách nhiệt là vật liệu cĩ hệ số dẫn nhiệt λ ≤ 0,157 mK/W và được dùng để bảo vệ cho nhà, các thiết bị cơng nghệ, ống dẫn và máy lạnh cơng nghiệp. 8 3.1.1.2. Phân loại: 3.1.1.3. Tính chất 3.1.1.4. Kết cấu cách nhiệt 3.1.2. Vách khe khơng khí 3.1.2.1. Đặc điểm Khơng khí là vật liệu cĩ hệ số dẫn nhiệt thấp,λ = [0,02 ÷0,08] W/mK 3.1.2.2. Kết cấu cách nhiệt 3.1.3. Vách chân khơng 3.1.3.1. Đặc điểm Chân khơng là vật liệu cĩ hệ số dẫn nhiệt rất thấp,λ = 0,0005- 0,01W/mK. 3.1.4. Vách hỗn hợp 3.2. Tính vách phẳng một lớp 3.2.1. Vật liệu cách nhiệt Áp dụng định luật fourier, ta cĩ: 2 cn m/W;dx dtq λ−= dxqdt cnλ −=⇒ Với cnλ = const, tích phân 2 vế và giải phương trình ta xác định được mật độ dịng nhiệt như sau: cn cn cn 2ww1 R tttq ∆= λ δ − = , 2m/W (3.3) Với cn cn cnR λ δ = gọi là nhiệt trở dẫn nhiệt (m2K/W) 9 3.2.2. Vách khe khơng khí Sử dụng cơng thức tính mật độ qua vách phẳng một lớp đối với từng lớp, ta cĩ: )tt(q 2ww1 1 1 − δ λ = (3.4) )tt(q 3ww2 k k − δ λ = (3.5) )tt(q 4ww3 2 2 − δ λ = (3.6) Giải hệ phương trình trên ta được : kk 4ww1 R ttq −= (3.7) Với 2 2 k k 1 1 kkR λ δ + λ δ + λ δ = 3.2.3. Vách chân khơng Xét hai mặt phẳng đặt song song với nhau và cách nhau một khoảng thì tất cả các tia năng lượng phát đi từ bề mặt này đều đập tới bề mặt kia và ngược lại. Lượng nhiệt trao đổi giữa bề mặt 1 và bề mặt 2 được tính bằng: q12 = Ehd1 - Ehd2 (3.8) Với: Ehd1 = E1 + (1-A1)Ehd2 (3.9) Ehd2 = E2 + (1-A2)Ehd1 (3.10) Trong đĩ: 10 E1 = 4 1 01 100 TC       ε E2 = 4 2 02 100 TC       ε C0 = 108σ0 = 5,67 (W/m2.K4) σ0 = 5,67.10-8 (W/m2K4) ε = A Giải hệ phương trình này ta được: ( ) 2 21 4 2 4 10 12 m/W, 111 TTq − ε + ε −σ = (3.12) Và: ( ) W,F 111 TTFqQ 21 4 2 4 10 12 − ε + ε −σ == (3.13) 3.2.4. So sánh nhiệt trở các vách 1 lớp trên 3.3. Tính vách hỗn hợp Mật độ dịng nhiệt được tính như sau: q = α1(tf1 - tw1) q = k(tf1 – tf2); W/m2 (3.17) Với 2 n 1i i i 1 hh 11 k 1R α + λ δ + α == ∑ = 3.4. Vách trụ một lớp Mật độ dịng nhiệt ứng với một đơn vị chiều dài vách trụ bằng: ( )1w1f11l ttdq −piα= 11 ( )2w1w 1 2 l tt d dln 2 1 1q − piλ = ( )2f2w22l ttdq −piα= ( )2f1f 221 2 11 l tt d 1 d dln 2 1 d 1 1q − piα + piλ + piα = , W/mK (3.18) Khi đĩ: ( ) m/W,ttkq 2f1fl −= (3.19) Nhiệt trở truyền nhiệt của vách trụ: mK/W, d 1 d dln 2 1 d 1 k 1R 221 2 11 l piα + piλ + piα == Chương 4. LỰA CHỌN CƠNG SUẤT NUNG VÀ CHẾ ĐỘ TỐI ƯU CHO RƠLE NHIỆT 4.1. Lựa chọn cơng suất nung Hình 4.1. Mơ hình bài tốn Cho bình gia nhiệt bằng điện trở, dạng hình trụ cĩ nắp, đựng chất lỏng là nước cĩ thể tích V, khối lượng riêng ρ, nhiệt dung riêng Cp, nhiệt độ nước sơi ts, đun sơi bằng điện trở cĩ cơng suất P. Vỏ bình bằng kim loại cĩ diện tích F, hệ số dẫn nhiệt λ, chiều dày δ. Tỏa nhiệt ra mơi trường khơng khí cĩ nhiệt độ tf và hệ số tỏa nhiệt α. Giả thiết trong trường hợp bình khơng cách nhiệt và kim loại là inox. 12 Bảng 4.1 Thơng số của bài tốn Thơng số Giá trị Thơng số Giá trị Thơng số Giá trị V 3 lít λ 18W/mK ts 1000C ρ 1000kg/m3 α 18W/m2K tf 270C Cp 4180 J/kgK δ 0,001m 4.1.1. Xác định kích thước d, h sao cho tổn thất nhiệt ra mơi trường là nhỏ nhất Theo phương trình truyền nhiệt, tổn thất nhiệt ra mơi trường: Qtt = kF(tmc- tf), W Khi diện tích F nhỏ nhất thì tổn thất ra mơi trường Qtt là nhỏ nhất. Chọn kích thước bình là: Sau khi tính tốn xác định được: ( ) 23 2 33 2 0 m13,010.3.2,1.4 2 31.21V.4 2 F =       pi pi =+      pi pi =⇒ − k ≈ 18 [W/m2K] ⇒ Qtt = kF(tmc- tf) = 18.0,13.(373-300) = 170,82 W Vậy khi d = h thì Qtt = 170,82 W là bé nhất. 4.1.2. Tìm cơng suất P sao cho hiệu suất đun sơi của bình ηs là lớn nhất ( ) s fsp s P ttC.V. τ −ρ =η (4.1) 3 1 0V.4dh       pi == 13 Với sτ được xác định theo phương trình cân bằng nhiệt cho mơi chất là nước trong thời gian vơ cùng bé [ ]ττττ dd +÷∈ , khi mơi chất cĩ t [ ]dttt +÷↑∈ . ( )fs p s ttF.kP Pln F.k C.V. −− ρ =τ⇒ (4.8) Do đĩ: ( ) ( )fs fs s ttF.kP PlnP ttF.k −− − =η (4.9) * Xác định ηsmax theo dP d sη ( ) ( ) ' Pfs fss ttF.kP PlnP ttF.k dP d             −− − = η ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 fs fs fs fs fs s ttF.kP PlnP ttF.kP ttF.k ttF.kP PlnttF.k dP d       −−       −− − − −− −− = η ⇒ * Tìm P để 0 dP d s = η ( ) ( ) ( ) 0ttF.kP ttF.k ttF.kP Pln fs fs fs = −− − − −− ⇔ Hay ( )fs ttF.kP Pln −− = ( ) ( )fs fs ttF.kP ttF.k −− − (4.10) 14 Đặt ( )( ) ( )     −− − = −− = fs fs fs ttF.kP ttF.k)P(g ttF.kP Pln)P(f với điều kiện ( ) ( ) %1Pg Pf1 ≤−=ε Giải hệ phương trình trên bằng phương pháp lặp ta được các giá trị của P theo bảng 4.2. Vậy với giá trị ε ≤ 1% hay P ≥ 8600W. Thay các thơng số đã cho ở bảng 4.1 và giá trị của P đã chọn vào cơng thức (4.8) và (4.9) ta được các giá trị của sτ và sη theo bảng 4.3. Dựa vào đồ thị trên hình 4.2 ta nhận thấy khi P tăng thì sη cũng tăng. Vậy chọn P = 9000W. Chọn điện trở của bình gia nhiệt cĩ cơng suất 3000W, do đĩ ta nên đặt thiết bị cĩ 3 điện trở mắc theo kiểu song song với tổng cơng suất là 9000W. 4.2. Chế độ tối ưu cho rơle nhiệt 4.2.1. Rơle nhiệt 4.2.1.1 Định nghĩa rơle nhiệt 4.2.1.2. Nguyên lý làm việc của rơle nhiệt 4.2.1.3 Phân loại rơle 4.2.2. Đặc tính của rơle nhiệt Cho bình gia nhiệt bằng điện trở, dạng hình trụ cĩ nắp, cĩ đường kính d, chiều cao h, đựng chất lỏng là nước cĩ khối lượng ρ, dung tích V, nhiệt dung riêng Cp, đun sơi bằng điện trở cĩ cơng suất P hoạt động nhờ rơle nhiệt đĩng cắt điện theo nhiệt độ mơi chất tại t1 (đĩng), và t0 (cắt). Vỏ bình bằng Inox cĩ lớp cách nhiệt dày δc, hệ số dẫn nhiệt λc, tiếp xúc và tỏa nhiệt ra khơng khí với nhiệt độ tf, hệ số dẫn nhiệt λ, hệ số tỏa nhiệt α. 15 Bảng 4.4 Thơng số bài tốn Thơng số Giá trị Thơng số Giá trị Thơng số Giá trị V 3 lít λv 17W/mK δc 0,01m ρ 1000kg/m3 α 18W/m2K λc 0,022W/mK Cp 4180 J/kgK tf 270C h 290mm δv 0,0021m d 220mm p 700W 4.2.2.1. Lập quan hệ ( )10tt t,tfQ = ( ) J,ttVCEQ fnptt −ρ−= (4.11) Với 2 tt t 10n + = , nhiệt độ trung bình của nước Hình 4.3. Mơ hình bài tốn 16 ( )      τ τ+τ τ−τ∆ +τΡ=Ε 1 01 f f . (4.12) ( ) ( )f10p101 f ftt t2ttVC2 1 .Q −+ρ−      τ τ+τ τ−τ∆ +τΡ=⇒ (4.13) Theo phương trình cân bằng nhiệt: Pdτ = mCpdt + kF(t-tf)dτ, (4.14) fp kFtPkFtd dt mC +=+ τ ⇒ ( )0f p f ttkFP Pln kF mC −+ =τ (4.17) f1 f0p 0 tt ttln kF mC − − =τ (4.18) ( ) ( )0f 1fp 1 ttkFP ttkFPln kF mC −+ −+ =τ (4.19) Thay các giá trị của τf, τ1, τ0 vào cơng thức (4.13) ta được: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )               −+ −+       − − + −+ −+ −+ −τ∆ + −+ Ρ=⇒ 0f 1f f1 f0 0f 1f 0f p 0f p tt ttkFP ttkFPln. tt ttln ttkFP ttkFPln ttkFP Pln kF mC ttkFP Pln kF mCQ ( )f10p t2ttVC2 1 −+ρ− (4.20) 4.2.2.2. Xác định 10 , tt để Qtt = min Tổn thất nhiệt nhỏ nhất chính là lượng tiêu thụ điện năng ít nhất. Do đĩ việc xác định 10 t,t để minQ tt = nghĩa là ta chỉ cần xác định 10 t,t sao cho E nhỏ nhất. 17 Đặt    ∆−= ∆+= ttt ttt n1 n0 Cho tn, xác định ∆t sao cho E cĩ giá trị nhỏ nhất. Giả thiết: nước được đun sơi ở 1000C và giữ ấm ở 650C. Thay các thơng số đã cho từ bảng 4.1 vào cơng thức (4.22) và chọn tn ta được các giá trị của ∆t và E theo bảng 4.5 Dựa vào đồ thị trên hình 4.4 và theo giả thiết. Chọn ∆t = 170C và E = 291675633,7J là hợp lý nhất.     =−=∆−= =+=∆+= C661783ttt C1001783ttt 0 n1 0 n0 96,1k = W/m2K 28,0F = [m2] Thay số vào cơng thức (4.17) ta được: ( ) s7,1346ttkFP Pln kF mC 0f p f = −+ =τ Thay số vào cơng thức (4.18) ta được: s5,14324 tt ttln kF mC f1 f0p 0 = − − =τ Thay số vào cơng thức (4.19) ta được: ( ) ( ) s637ttkFP ttkFPln kF mC 0f 1fp 1 = −+ −+ =τ Thay các giá trị P, τf, τ0, τ1 vào cơng thức (4.12) ta được: ( ) 0,966kWhJ67,3477902. 101 f f ==      τ τ+τ τ−τ∆ +τΡ=Ε Từ cơng thức (4.11): 18 ( ) kWh771,0J67.277562JttVCEQ fnptt ==−ρ−= Vậy khi     = = C66t C100t 0 1 0 0 thì kWh771,0Q tt = là nhỏ nhất. Chương 5. TÍNH KIỂM TRA BÌNH ĐUN NƯỚC VỚI VỎ CÁCH NHIỆT BẰNG ĐỆM KHÍ 5.1. Mơ tả cấu tạo và các thơng số đặc trưng 5.1.1. Phát biểu bài tốn Xét một bình nước nĩng gián tiếp vỏ bình bằng thép hình trụ bên trong lõi bình tráng lớp men bằng tatium, cĩ đường kính d, chiều cao h, chiều dày δ, hệ số dẫn nhiệt λ, 2 đáy là bán cầu dày δ, đựng mơi chất là chất lỏng là nước cĩ nhiệt dung Cp, nhiệt độ đầu tđ, khối lượng mơi chất m kg. Trong bình đặt điện trở cơng suất P, hoạt động nhờ rơle nhiệt đĩng cắt điện theo nhiệt độ mơi chất tại t1 (đĩng), và t0 (cắt). Ngồi vỏ bình cĩ lớp cách nhiệt dày δc, hệ số dẫn nhiệt λc, tiếp xúc và tỏa nhiệt ra khơng khí với nhiệt độ tf, hệ số tỏa nhiệt α. 5.1.2. Mơ tả cấu tạo Hình 5.1 Cấu tạo bình nước nĩng 19 5.1.3. Thơng số của bài tốn Bảng 5.1 Thơng số bài tốn Thơng số Giá trị Thơng số Giá trị P 2500W α 18W/m2K V 15 lít λv 17W/mK ρ 1000kg/m3 λc 0,025 W/mK Cp 4180 J/kgK δc 0,01m δv 0,0021m m 15kg h 340mm d 350mm 5.2. Giả thiết khi khảo sát Tại mỗi thời điểm, coi nhiệt độ t(τ) của mơi chất là đồng nhất trong bình và bằng nhiệt độ vỏ bình. Các thơng số đã cho khơng đổi trong quá trình khảo sát. 5.3. Tìm hàm tăng nhiệt độ mơi chất và đồ thị t(τ) quá trình đun nấu 5.3.1. Tìm hàm t(τ) mơi chất khi rơle chưa hoạt động Phương trình cân bằng nhiệt cho mơi chất trong thời gian dτ, khi nhiệt độ thay đổi dt là: Pdτ = mCpdt + kF(t-tf)dτ, (5.1) p f p mC kFtP mC kF t d dt + =+ τ (5.2) Đặt ( )s1,amCkFp = ( ) s K ,b mC kFtP p f = + 20 τ      −−=⇒ d a b tadt (5.3) Đặt ( )C, kF P t a b t 0f1m +== τ−= − ⇒ ad tt dt 1m (5.4) Tích phân 2 vế, ta cĩ: τ−= − − ⇒ a tt ttln 1mđ 1m (5.5) Hay phân bố t(τ) của mơi chất là: t(τ, tđ,P) = tm1 – (tm1 – tđ)e-aτ (5.6) 5.3.2. Khi rơle cắt điện: fff1m t0tkF P tt =+=+= Do đĩ hàm t(τ) khi cắt điện là: t(τ, t0,P = 0) = tf + (t0 - tf)e-aτ Hình 5.2 Đồ thị t(τ) của quá trình làm nguội và gia nhiệt 5.3.3. Khi rơle nhiệt hoạt động: đĩng (t1), cắt (t0) tuần hồn thì đồ thị t(τ) của quá trình gia nhiệt (P > 0) và làm nguội (P = 0) sẽ xảy ra tuần hồn, cĩ dạng như sau: 21 5.4. Tính các khoảng thời gian đĩng cắt điện 5.4.1 Thời gian gia nhiệt lần đầu tf : Khi rơle chưa hoạt động, thì điện trở P gia nhiệt cho mơi chất tăng t ∈ [tf → t0] Với 2,2k = (W/m2K) 57,0F = m2 ( ) 16ph53s s1013ttkFP Pln kF mC f0 p f == −− =τ 5.4.2. Thời gian làm nguội τ0: Sau khi gia nhiệt đạt đến nhiệt độ cài đặt ở mức 700C thì Rơle nhiệt tự động ngắt điện khơng cấp điện, nhiệt độ giảm từ t0→t1=620C. s57ph5h3s11157 tt ttln kF mC tt ttln a 1 f1 f0p 11m 01m 0 == − − = − − =τ 5.4.3. Tính τ1 khi gia nhiệt lần sau: Khi nhiệt độ giảm xuống cịn 620C thì Rơle nhiệt điện và nhiệt độ tăng đến t0 = 700C. s20ph3s200 kF P tt kF P tt ln kF mC tt ttln a 1 f0 f1p 1m0 1m1 1 == −− −− = − − =τ 5.5. Tính lượng điện năng tiêu thụ sau thời gian ∆τ khi cĩ và khơng cĩ rơle. 5.5.1. Khi khơng cĩ rơle Giả sử thiết bị điện cắm điện trong thời gian ∆τ = 24h/ngày E0 = P. ∆τ =60000Wh = 60kWh 5.5.2. Khi cĩ rơle hoạt động tuần hồn theo chu kỳ (đĩng, cắt) τđc = (τ1+ τ0) 22 Khi đĩ, điện năng tiêu thụ sau ∆τ = 24h tính gần đúng theo cơng thức: ( )       τ∆+τ       τ+τ τ−τ∆ +τΡ=Ε c1 01 f f1 . (5.10) ( ) 701 f =       τ+τ τ−τ∆ ⇒ 51845,0751845,7 01 f 01 f =−=       τ−τ τ−τ∆ − τ−τ τ−τ∆ =ε 10 c τ+τ τ =ε ( )10c . τ+τε=τ⇒ thời gian gia nhiệt cuối cùng ( ) ( )  τ>τ−τ+τε=τ−τ τ≤τ+τε=τ⇔ =τ∆ 00100c 010c c . .0 ( ) 0c 11157588811157200.51845,0 τ=<=+=τ⇒ Vậy chọn 0c =τ∆ ( ) kWh68,1J6032500. 101 f f1 ==         τ       τ+τ τ−τ∆ +τΡ=Ε⇒ 5.6. Tìm cơng suất P để điện năng tiêu thụ là bé nhất Từ cơng thức (5.11): ( )       τ       τ+τ τ−τ∆ +τΡ=Ε 1 01 f f . 23 Cho P xác định Emin P được xác định theo bảng 5.3 và dựa vào hình 5.4 ta chọn P = 2500W và Emin = 1,68kWh Chương 6. HIỆU QUẢ KỸ THUẬT, KINH TẾ, MƠI TRƯỜNG CỦA CÁC GIẢI PHÁP 6.1. Hiệu quả kỹ thuật 0 c 0 c0 cn Q Q1Q QQ −= − =η (6.1) Bảng 6.1 Thơng số tính tốn của bình đun nước Thơng số Giá trị Thơng số Giá trị V 15 lít F 0,57m2 δ 0,01m α2 18W/m2K ρ 1000kg/m3 t1 300C Cp 4180 J/kgK t2 700C Khơng cách nhiệt: Q0 = k0.F.∆t( W) 21 0 11 1k α + λ δ + α = , (W/m2K) (6.2) Khi cách nhiệt: Qc = kc.F.∆t( W) (6.3) K)(W/m89,0 11 1k 2 2 n 1 i i 1 c = α + λ δ + α = ∑ ⇒ Qc = kc.F.∆t = 0,89.0,57.40 = 158,8( W) 24 Bảng 6.2 Tính giá trị hiệu quả kỹ thuật T T Vật liệu λ (W/mK) k (W/m2K) Q0 (W) ∆Q (W) 0 1 Q Qc cn −=η 1 Bơng thủy tinh 0,035 2,93 522,7 363,9 0,696 2 Bột xốp PVC 0,03 2,57 458,5 299,7 0,654 3 Khơng khí 0,025 2,19 390,7 231,9 0,594 Giá trị hiệu quả kỹ thuật được xác định theo bảng 6.2 6.2. Hiệu quả kinh tế Lượng nhiệt hữu ích được tính theo cơng thức: ( ) kJ2508ttVCQ 12phi =−ρ= Giá tiền điện: G.ET = (đồng) Do đĩ đơn giá tiền điện tính cho 1KJ được xác định như sau: 83,0 2508 1242.68,1 Q G.E KJ đ hi === Lượng nhiệt xác định cho 1J tính trong 24h được xác định như sau: ∆QJ = ∆QW . τn (6.5) Thay số vào ta xác định được các giá trị theo bảng 6.3 Bảng 6.3 Bảng tính hiệu quả kinh tế TT Vật liệu ∆Q, (kJ) T (đồng/ngày) 1 Bơng thủy tinh 31441 26.096 2 Bột xốp PVC 25894,1 21.492 3 Khơng khí 20036,2 16.630 6.3. Hiệu quả mơi trường Lượng điện tiêu thụ tính cho 1kWh ứng với các vật liệu cách nhiệt được xác định như sau: 25 kWh, 3600 QE ∆= Theo tính tốn của trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM thì cứ giảm 1KWh điện tương ứng 0,5674 kg CO2 thải ra mơi trường. Bảng 6.4 Bảng tính hiệu quả mơi trường TT Vật liệu E (kWh) Kg CO2/ngày Kg CO2/năm 1 Bơng thủy tinh 8,74 4,956 1808,94 2 Bột xốp PVC 7,2 4,082 1489,93 3 Khơng khí 5,57 3,158 1152,67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận Từ những kết quả nghiên cứu của luận văn thì luận văn cĩ những đĩng gĩp chính như sau: - Xác định tổng hợp các giải pháp tiết kiệm điện năng nhằm giảm lượng khí thải ra mơi trường hạn chế sự nĩng lên của trái đất. - Tổng hợp đưa ra được các cơng thức xác định lượng điện tiêu thụ từ đĩ xác định tổn thất nhiệt. - Xây dựng được hàm tăng nhiệt độ cho mơi chất và đồ thị trong quá trình đun nấu. Dựa vào hàm nhiệt độ chúng ta cĩ thể xác định nhanh các khoảng thời gian đĩng cắt điện đồng thời chọn được cơng suất để điện năng tiêu thụ bé nhất. - Xác định được lượng khí thải ảnh hưởng đến mơi trường. qua đĩ giúp chúng ta tốt hơn trong việc thiết kế, tính tốn, kiểm tra và lựa chọn được loại vật liệu phù hợp nhằm giảm lượng khí thải gây nên hiệu ứng nhà kính. Dựa trên kết quả trên đề tài này giúp ích cho nhà thiết kế, chế tạo: - Chọn hình dạng, kết cấu thiết bị hợp lý. 26 - Khống chế nhiệt độ và áp suất làm việc của thiết bị sao cho đảm bảo kinh tế và an tồn. - Chọn giá trị đĩng cắt của Rơle. - Chọn kết cấu vỏ cách nhiệt giúp giảm tiêu hao điện năng, giảm khí thải CO2. - Xác định cơng suất gia nhiệt. 2. Kiến nghị - Tổng hợp xây dựng hồn chỉnh các giải pháp tiết kiệm điện năng. - Lập trình phần mềm tính tốn thiết kế thiết bị gia nhiệt bằng điện trở theo thời điểm đĩng, cắt điện. - Lập trình phần mềm tính tốn tìm hàm tăng nhiệt độ cho mơi chất và đồ thị trong quá trình đun nấu. - Triển khai thiết kế một số thiết bị điện chuyên dùng để bảo quản nhiệt và giảm tiêu hao điện năng, ít ảnh hưởng đến mơi trường. - Thiết kế lại một số dụng cụ gia dụng trong đun nước, nồi nấu cho gia đình, trong bệnh viện, khách sạn...