Luận văn Nghiên cứu về sự phân tầng nhiệt của nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN LƯƠNG THIỆN NGHIÊN CỨU VỀ SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA NƯỚC Chuyên ngành : Công nghệ Nhiệt Mã số : 60.52.80 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2014 Công trình hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. THÁI NGỌC SƠN Phản biện 1: PGS.TS. Hoàng Ngọc Đồng Phản biện 2: PGS.TS. Hoàng Dương Hùng Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Công nghệ nhiệt họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 20 tháng 12 năm 2014 Có thể tìm hiểu tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Thông tin – Tư liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, tiết kiệm năng lượng và đối phó với biến đổi khí hậu là ưu tiên hàng đầu của mỗi quốc gia. Trong hệ thống đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời, sự phân tầng nhiệt độ trong các bồn chứa nước nóng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nhiệt của hệ thống và là một vấn đề quan trọng trong việc thiết kế các bồn chứa trữ nhiệt. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu sự phân tầng nhiệt độ của nước bên trong bình chứa. 3. Giả thuyết nghiên cứu Đưa ra một số giả thuyết để giải các phương trình vi phân mô tả sự phân tầng nhiệt và kiểm chứng qua thực nghiệm 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu sự phân tầng nhiệt độ của nước bên trong bình chứa đặt đứng và ngang. 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô hình thực nghiệm và mô phỏng số. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Áp dụng lý thuyết tính toán vào các mô hình thực tế. - Áp dụng các phần mềm tính toán và mô phỏng để giải các bài toán phân tầng nhiệt. - Nâng cao hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời, góp phần tích trữ nước nóng lâu dài và giảm tiêu thụ điện năng trong giờ cao điểm. 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT CHẤT LỎNG 1.1. TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT VÀ LƯU TRỮ NHIỆT 1.1.1. Giới thiệu về bồn trữ nhiệt a. Phân loại các dạng bồn chứa nước nóng b. Ứng dụng của bồn chứa nước nóng 1.1.2. Các phương pháp thu thập và tích trữ nhiệt năng lượng mặt trời 1.1.3.Tổng quan về sự phân tầng nhiệt của bồn lưu trữ Phân tầng nhiệt của nước trong bồn lưu trữ nhiệt là sự phân bố nhiệt độ của phần tử nước theo chiều cao của bồn chứa lưu trữ. Nó được tạo ra bởi sự chênh lệch mật độ của nước theo nhiệt độ. Sự phân tầng nhiệt của nước trong bình chứa có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất nhiệt của hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời. 1.1.4.Phân loại các dạng phân tầng nhiệt của chất lỏng a. Phần tầng động b. Phân tầng tĩnh 1.1.5.Ứng dụng của phân tầng nhiệt · Ứng dựng phân tầng nhiệt để nâng cao hiệu suất của bộ thu năng lượng măt trời. · Ứng dụng trong năng lượng hạt nhân · Ứng dụng trong bồn lưu trữ lạnh 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ SỰ PHÂN TẦNG CỦA CHẤT LỎNG 1.2.1.Các vấn đề ảnh hưởng đến sự phân tầng nhiệt của nước trong bồn chứa Sự phân tầng nhiệt trong bình chứa nước nóng bị ảnh hưởng bởi các nhân tố: 3 Ø Dòng chảy đối lưu tự nhiên bên trong thành bình sinh ra bởi tổn thất nhiệt của nước ra môi trường xung quanh. Ø Sự truyền nhiệt từ bình chứa trữ nhiệt ra môi trường xung quanh thông qua vách bình. Ø Sự khuếch tán nhiệt giữa nước lạnh và nước nóng tại bề mặt phân cách do sự khác biệt về nhiệt độ. Ø Sự truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức do dòng chảy xuyên suốt bình chứa ở chế độ động. 1.2.2. Các nghiên cứu về phân tầng trong và ngoài nước a. Nghiên cứu về sự phân tầng nhiệt trong nước b. Những nghiên cứu ngoài nước 1.3. CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA BỒN CHỨA Những phương pháp tính và thiết kế mới được áp dụng cho các bình lưu trữ nhiệt luôn thay đổi và cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất của bồn trữ nhiệt. Đặc biệt các phương pháp đánh giá mức độ phân tầng nhiệt trong bể chứa cũng đã được đưa ra gân đây. Sau khi có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, đặc biệt là máy tính cá nhân. Mô hình đầu tiên được đưa ra dựa trên nguyên lý của định luật nhiệt động 1 và kết hợp với định luật nhiệt động 2 về exergy lưu trữ. Phương trình mô tả năng lượng lưu trữ Elt và exergy ξlt lưu trữ. ( )0.in lt in pE E m c T T= = - ( )0 0 0 . . . .lnlt in p in p Tm c T T m c T T x æ ö = - - ç ÷ è ø (1.1) Exergy không thứ nguyên : * ix ix 1 m st m x x x x x - = - - (1.6) 4 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA CHẤT LỎNG 2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH Sử dụng các phương pháp chuẩn hóa, định lý hợp nghiệm, phương pháp tách biến Fourier, phương pháp nghiệm riêng không ổn định và phương pháp biến thiên hằng số để giải các phương trình vi phân dẫn nhiệt 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP SỐ 2.2.1. Phương pháp sai phan hữu hạn 2.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn 2.3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC LƯU CHẤT (CFD) 2.3.1. CFD là gì? 2.3.2. Vai trò và ứng dụng của CFD.. 2.3.3. Những phương trình chủ đạo của CFD a. Phương trình liên tục Phương trình liên tục + ∇. ⃗ = 0 (2.4) b. Phương trình động lượng Phương trình Navier-Stokes có thể nhận được trong dạng bảo toàn như sau. = + ⃗ .∇ (2.12) 5 c. Phương trình năng lượng Đây là dạng không bảo toàn của phương trình năng lượng ở dạng năng lượng toàn phần (e + V2/2). + 2 + ∇ + 2 ⃗ = ̇ + + + − ( ) + ( ) + ( ) + ( ) + + ( ) + + + + ( ) + + ( ) + ⃗. ⃗ (2.15) d. Phương trình lớp biên + = (2.19) 2.4. PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CFD – ANSYS FLUENT Giới thiệu về phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT ANSYS FLUENT là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng được áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay đến quá trình cháy nhiên liệu trong lò hơi, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng chảy của các mạch máu cho đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các thiết bị xử lí nước thải. Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa buồng cháy động cơ, giản nở của dòng hơi trong turbine, ngưng tụ của môi chất R22 trong bình ngưng và các hệ thống đa pha nhằm phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm. 6 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG VÀ GIẢI BÀI TOÁN PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA NƯỚC 3.1. BÀI TOÁN PHÂN TẦNG NHIỆT THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 3.1.1. Xây dựng và giải bài toán phân tầng động cho bình đứng a. Bài toán Cho bình trữ nhiệt hình trụ đặt thẳng đứng chứa đầy nước ở nhiệt độ ban đầu là to oC, bình có đường kính D và chiều cao H, với một đầu nước vào có đường kính d1 ở nhiệt độ tin oC và một đầu nước ra đường kính d2 ở nhiệt độ tout oC, bên ngoài bọc lớp cách nhiệt bằng bông thủy tinh có độ dày δcn và hệ số dẫn nhiệt λcn . Tìm phân bố nhiệt độ trong bình theo thời gian. Hình 3.1 Mô hình phân tầng động cho bình đứng 7 b. Giả thiết nghiên cứu Phương trình cân bằng năng lượng được thể hiện bởi sự tăng nhiệt độ của nước, tổn thất nhiệt ra xung quanh thành bình, dẫn nhiệt không ổn định qua các lớp Quá trình dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt từ lớp có nhiệt độ cao phía trên xuống lớp có nhiệt độ thấp phía dưới là không ổn định và rất phức tạp, để đơn giản ta xác định dòng nhiệt vào và ra khỏi lớp thứ i theo một hệ số dẫn nhiệt tương đương λeff dưới dạng phương trình Fourier. [10] Dòng nhiệt giữa layer i-1 và i hoặc layer i to i+1 được tính bởi phương trình Fourier: ( ) ( ) ( ) , 1 , 1 1 , , 1 , 1 , , 1 , , 12 eff eff free free i i free i i q s i s i q s i s i eff q s i s i s i Q Q Q A T T A T T z z A T T T z l l l - ® ® + - + + - æ ö = - = - - - - -ç ÷ è ø = - + (3.1) Các thông số vật lý của nước phụ thộc vào nhiệt độ được xác định theo: - Phương trình nhiệt dung riêng của nước phụ thuộc nhiệt độ: [14] 2 4 24,20511 0,136578.10 . 0,152341.10 .pc T T - -= - + (3.2) -Phương trình khối lượng riêng của nước phụ thuộc vào nhiệt độ: 2( 288,9414)(T 3,9863)1000. 1 (508929, 2( 68,12963)) T T r æ ö+ - = -ç ÷+è ø (3.3) c. Mô hình toán Vậy để tìm được phân bố nhiệt độ của nước trong bình chứa cần giải hệ phương trình sau: 8 Khi hệ phương trình ở dạng vi phân: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) * eff1 1 1 1 1 1 2 xq 11 1 * eff 1 1 1 * eff 1 1 xq 1 . . . . .F . . . . 2 . . . . . . .F . p in p nap xq f i i p i i i p i i i i xq xq i fi i n n p n n n p n n n d xq n f dtm c t t m c F t t k F k t t d dtm c t t m c F t t t k F t t d dtm c t t m c F t t k F k t t d l t d l t d l t d - - + - - ì ü - = + - + + -ï ï ï ï ï ï - = - - + + -í ý ï ï ï ï - = + - + + -ï ï î þ(3.10) Với i = 2 đến n-1 Khi sử dụng phương pháp số: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) * 11, 1, 1, 1, 2, xq 1, 1, , * ,i, i, , 1, i, i 1, i, i 1, xq i, , , n, n, , , . . .F . 2 .F eff p in nap xq f p eff i p i xq f i p n p t t m c t t F t t k F k t t m c t t m c t t F t t t k t t m c t t m c t t t t t t t t t tt t t t t t t t t t t t t t t t t t lt d lt d t +D +D - +D - +D + +D é ùD = + - - - - + -ê ú ë û é ùD = + - + - + - -ê ú ë û D = + ( ) ( ) ( )( ) * 1, n, n 1, n, xq n,. . .F eff n p n d xq fm c t t F t t k F k t tt t t t t t t l d- +D - ì ü ï ï ï ï ï ï ï ï í ý ï ï ï ïé ùï ï- - - - + -ê úï ïë ûî þ(3.11) Với i = 2 đến n-1 d. Lời giải Cho bình trữ nhiệt hình trụ đặt thẳng đứng chứa đầy nước với thể tích V= 250 lít có hệ số dẫn nhiệt tương đương λeff =0,644 W/m.K ( Bình chứa với thể tích chuẩn của Rinnai) ở nhiệt độ ban đầu là to = 29 oC, bình có đường kính D=500 mm và chiều cao H=1250 mm, với một đầu nước vào có đường kính d1=16mm, ở nhiệt độ tin =60 oC, lưu lượng vào là 0,05 kg/s và một đầu nước ra đường kính d2=d1=16 mm, bên ngoài bọc bảo ôn cách nhiệt dày 50 mm có hệ số dẫn nhiệt λcn= 0,04 W/m.K. Dọc theo chiều cao của bình ta chia bình thành n lớp ( như hình vẽ), mỗi lớp có độ dày δ= H/n=1250/20= 62,5mm. Bình đặt trong môi trường không khí với nhiệt độ môi trường là tf= 30 o 9 Bảng 3.1: Thông số hình học của bồn hình trụ đứng Thông số hình học của bồn hình trụ đứng Nội dung Ký hiệu Giá trị Đơn vị Chiều cao bồn H 1.25 m Đường kính bồn D 0.5 m Thành bồn dày δb 0.003 m Hệ số dẫn nhiệt của thành bồn λb 50 W/mK Chiều dày lớp cách nhiệt δcn 0.05 m Hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt λcn 0.04 W/mK Lưu lượng nước vào G 0.05 kg/s Nhiệt độ nước vào tin 60 oC Nhiệt độ ban đầu của bồn to 29 oC Nhiệt độ môi trường tf 30 oC Hệ số truyền nhiệt vách đứng, nước/không khí( Bên) K1 0.601 W/m2K Hệ số truyền nhiệt vách ngang, nước/không khí (Đáy) K2 0.421 W/m2K Hệ số truyền nhiệt vách ngang, nước/không khí (Nắp) K3 0.782 W/m2K Hệ số truyền nhiệt vách ngang không khí/không khí (Nắp) K4 0.613 W/m2K Hệ số truyền nhiệt vách đứng, không khí/không khí (Bên) K5 0.472 W/m2K Hệ số dẫn nhiệt của nước λeff 0.644 W/mK Số lớp n 20 Bước thời gian tính toán, s Δτ 5 s Bước thời gian hiển thị, s 60 s Khoảng thời gian khảo sát, s 12500 s 10 Ta có đồ thị nhiệt độ và chiều cao của bình theo thời gian: Hình 3.4 Đồ thị thể hiện nhiệt độ theo thời gian. 3.1.2. Xây dựng và giải bài toán phân tầng động cho bình nằm ngang Xây dựng và giải tương tụ như bài toán phân tầng động của bình đứng Cho bình trữ nhiệt hình trụ đặt nằm ngang chứa đầy nước với thể tích V= 250 lít có hệ số dẫn nhiệt tương đương λeff =0,644 W/m.K ( Bình chứa với thể tích chuẩn của Rinnai) ở nhiệt độ ban đầu là to = 29 oC, bình có đường kính D=500 mm, chiều cao bằng với đường kính H= 500 mm và chiều dài là 1250mm, với một đầu nước vào có đường kính d1=16mm, ở nhiệt độ tin = 60 oC, lưu lượng vào là 0,05 kg/s và một đầu nước ra đường kính d2=d1=16mm ở nhiệt độ tout = 29 oC, bên ngoài bọc bảo ôn cách nhiệt dày 50mm. Dọc theo chiều cao của bình ta chia bình thành n= 20 lớp (như hình vẽ), mỗi lớp có độ dày δ= H/n=500/20= 25mm. Bình đặt trong môi trường không khí với nhiệt độ môi trường là tf= 30 oC 11 Bảng 3.3: Thông số hình học của bồn nằm ngang Thông số hình học của bồn nằm ngang Nội dung Ký hiệu Giá trị Đơn vị Chiều dài bồn L 1.25 m Đường kính bồn D 0.5 m Thành bồn dày δb 0.003 m Hệ số dẫn nhiệt của thành bồn λb 50 W/mK Chiều dày lớp cách nhiệt δcn 0.05 m Hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt λcn 0.04 W/mK Lưu lượng nước vào G 0.05 kg/s Nhiệt độ nước vào tin 60 oC Nhiệt độ ban đầu của bồn to 29 oC Nhiệt độ môi trường tf 30 oC Hệ số truyền nhiệt vách đứng, nước/không khí( Bên) k1 0.601 W/m2K Hệ số truyền nhiệt vách ngang, nước/không khí (Đáy) k2 0.421 W/m2K Hệ số truyền nhiệt vách ngang, nước/không khí (Nắp) k3 0.782 W/m2K Hệ số truyền nhiệt vách ngang không khí/không khí (Nắp) k4 0.613 W/m2K Hệ số truyền nhiệt vách đứng, không khí/không khí (Bên) k5 0.472 W/m2K Hệ số dẫn nhiệt của nước λeff 0.644 W/mK Số lớp n 20 Bước thời gian tính toán, s Δτ 5 s Bước thời gian hiển thị, s 60 s Khoảng thời gian khảo sát, s 12500 s Lập trình xác định phân bố nhiệt độ trong phần mềm microsoft excel bằng công cụ VBA với các thông số của nước ρ, Cp phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số truyền nhiệt k từ vách ra môi trường. [Phụ lục A] 12 Ta có đồ thị nhiệt độ và chiều cao của bình theo thời gian: Hình 3.8 Đồ thị thể hiện nhiệt độ theo thời gian của bồn nằm ngang 3.2. GIẢI BÀI TOÁN PHÂN TẦNG NHIỆT ÁP DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 3.2.1. Mô hình hóa của bài toán a. Mô hình hóa bài toán cho bình đặt đứng b. Mô hình hóa bài toán cho bình nằm ngang Hình 3.9 Mô hình hóa bài toán đặt đứng Hình 3.10 Mô hình hóa cho bình nằm ngang c. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến sự phân tầng nhiệt i. Ảnh hưởng của hình dạng, tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính (H/D) ii. Ảnh hưởng của lưu lượng đầu vào và ra 13 iii. Ảnh hưởng của vị trí đầu nước nóng vào và nước lạnh ra 3.2.2. Hệ phương trình vi phân mô phỏng quá trình phân tầng nhiệt của nước trong bồn chứa. - Phương trình liên tục: [14] ( ) 0vt r r ¶ +Ñ = ¶ r (3.23) - Phương trình động lượng :[14] ( ) 2. .v v v p v gtr r m r ¶ + Ñ = -Ñ + Ñ + ¶ r r r r ur (3.24) - Phương trình năng lượng: [14] 2. p T v T T t c l r ¶ + Ñ = Ñ ¶ r (3.25) Ta có hệ phương trình vi phân: ( ) ( ) 2 2 0 . . . p v t v v v p v g t T v T T t c r r r r m r l r ¶ì ü+Ñ =ï ï¶ï ï ï ï¶ + Ñ = -Ñ + Ñ +í ý¶ï ï ¶ï ï+ Ñ = Ñï ï¶î þ r r r r r ur r (3.26) Các phương trình động lực học chất lưu trong bồn phân tầng nhiệt theo giả định của Boussinesq: ( )( ) ( )1 1 0r zur u u r r r z qrr r q ¶¶ ¶ + + = ¶ ¶ ¶ (3.27) 14 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 2 r r r r r r r r r r u uu u u u pu u t r r r z r uu u u ur r r r r r r z q q q q r u q q ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ + + - + = - ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ é ù¶¶ ¶ ¶¶ æ ö+ - + - +ç ÷ê ú¶ ¶ ¶ ¶ ¶è øë û (3.28) 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 2 r r Z r u u u u u u u pu u t r r r z r u u u uur r r r r r r z q q q q q q q q q q q r q u q q ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ + + - + = - ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ é ù¶ ¶ ¶¶¶ æ ö+ - + - +ê úç ÷¶ ¶ ¶ ¶ ¶è øë û (3.29) 2 2 2 2 2 1 1 1 z z z z r Z z z z uu u u u pu u g t r r z z u u ur r r r r z q r q r u q ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ + + + = - + ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ é ù¶ ¶ ¶¶ æ ö+ + +ç ÷ê ú¶ ¶ ¶ ¶è øë û (3.30) 2 2 2 2 2 1 1 r Z uT T T T T T Tu u k r t r r z r r r r z q q q é ù¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶æ ö+ + + = + +ç ÷ê ú¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶è øë û (3.31) - Phương trình lớp biên Phương trình đối lưu cho mô hình tiêu chuẩn K-epsilon. + Động năng chảy rối k ( ) + ( ) = + + + − − + (3.32) + Tiêu tán rối ϵ ( ) + ( ) = + + ( + ) − + (3.33) Các hệ số trong mô hình chảy rối K-epsilon. 44.11 =eC 92.12 =eC 09.0=mC 0.1=ks 3.1=es - Khối lượng riêng của nước phụ thuộc nhiệt độ [13]: 2863 1,21. 0,00257.T Tr = + - ( 3.34) 15 - Độ nhớt của nước phụ thuộc nhiệt độ [13]: 5,5 0,0007. 315 T m - æ ö= ç ÷ è ø (3.35) - Hệ số dẫn nhiệt của nước phụ thuộc nhiệt độ [13]: 40,375 8,84.10 .Tl -= + (3.36) Trong đó: T: nhiệt độ của nước, oK 3.2.3. Mô phỏng bài toán phân tầng nhiệt bằng phần mềm ANSYS FLUENT Bước 1: Xây dựng các kích thước hình học của bài toán Bước 2: Chia lưới cho phần thể tích nước trong bồn. Bước 3:Các bước thiết lập và giải trong ANSYS FLUENT như sau: Bước 4: Xử lý kết quả 3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 3.3.1. Kết quả tính toán phân tầng nhiệt của bồn đứ a . Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-1 Hình 3.14: Các đường nét nhiệt độ của mô hình Dong_3D-1 từ 500s đến 3000s với mỡi bước là 500s (hình phía trên là 3D, hình dưới là 2D) 16 Hình 3.15 Đồ thị biểu thị nhiệt độ của mô hình Dong_3D-1 theo thời gian b. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-2 c. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-3 d. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-4 e. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-5 f. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-6 g. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-7 3.3.2. Kết quả tính toán phân tầng nhiệt của bồn nằm ngang Hình 3.25 Hình ảnh mô phỏng của mô hình Dong_3D_ngang theo thời gian, từ 500s đến 3000s với mỗi bước là 500s 17 Hình 3.26 Đồ thị thể hiện phân tầng nhiệt độ của bồn nằm ngang theo thời gian 3.4 SO SÁNH VÀ NHẬN XÉT 3.4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ chiều cao và đường kính 3.4.2. Ảnh hưởng của lưu lượng 3.4.3.Ảnh hưởng của vị trí đầu vào và ra CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ KIỂM TRA SỰ PHÂN TẦNG CỦA NƯỚC 4.1. THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHÂN TẦNG NHIỆT 4.1.1. Mục đích Mục đích chính của việc thiết kế mô hình thực nghiệm là kiểm tra, so sánh kết quả đo thực tế với kết quả của tính toán lý thuyết và mô phỏng. 4.1.2. Thiết kế mô hình Mô hình được đề xuất ra đây giống mô hình Dong_3D-1. Mô hình này là bình trữ nhiệt hình trụ đặt thẳng đứng được chế tạo 18 bằng thép tấm CT3, với thể tích V= 250 lít có đường kính D=500 mm và chiều cao H=1250mm, với đầu nước vào và ra có đường kính d2/d1=21/16, thân bồn được bọc lớp cách nhiệt 50mm và tôn thẩm mĩ 0,4mm. Trên thân bồn phân tầng nhiệt được bố trí 5 đồng hồ đo nhiệt độ dọc theo chều cao, mỗi đồng hồ với thang đo đồng nhất 0- 150 oC. Hình 4.1. Thiết kế mô hình 4.1.3. Các thiết bị chính trong mô hình 4.1.4. Thuyết minh mô hình Hình 4.5 Mô hình thực nghiệm 19 4.2. THỰC NGHIỆM KIỂM TRA SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA NƯỚC TRONG BỒN CHỨA 4.2.1. Thực nghiệm đo nhiệt độ của từng vi trí theo thời gian 4.2.2. Lập bảng biểu và đồ thị cho từng vị trí theo thời gian a. Trường hợp 1: ( tương ứng mô hình Dong_3D-1) Bảng 4.2 Bảng kết quả đo thực nghiệm theo thời gian Hình 4.6: Đồ thi so sánh kết quả đo thực nghiệm với mô phỏng b.Trường hợp 2: ( tương ứng mô hình Dong_3D-4) Hình 4.7: Đồ thi so sánh kết quả đo thực nghiệm với mô phỏng 20 Hình 4.8: Đồ thi so sánh kết quả đo thực nghiệm với mô phỏng 4.3. NHẬN XÉT, SO SÁNH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VỚI TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG Quan sát trên đồ thị, trong cả ba trường hợp thì sự sai lệch nhiệt độ giữa quá trình đo thực nghiệm và mô phỏng không đáng kể, do trong quá trình đo đạt thí nghiệm chưa được chính xác tuyệt đối. Điều này cho thấy quá trình mô phỏng tương đối chính xác. Do đó, có thể áp dụng các thông số cài đặt của phần mềm mô phỏng FLUENT trong chương 3 để dự đoán quá trình phân tầng nhiệt của nước trong bồn chứa như thay đổi tỷ lệ lưu lượng, tỷ lệ chiều cao và đường kính, vị trí đầu vào và ra mà không cần thiết phải xây dựng mô hình thực nghiệm nhằm tiết kiệm chi phí và thời gian nghiên cứu. Ngoài ra có thể áp dụng mô phỏng để nghiên cứu ảnh hưởng của sự phân tầng nhiệt độ trong bồn lưu trữ dưới điều kiện thời tiết thực tế cùng với sự ảnh hưởng của năng lượng mặt trời và những thay đổi của dòng nước nóng. c.Trường hợp 3: ( tương ứng mô hình Dong_3D-5) 21 4.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ VỀ NĂNG LƯỢNG KHI ÁP DỤNG NGHIÊN CỨU PHÂN NHIỆT VÀO HỆ THỐNG SỬ DỤNG NƯỚC NÓNG TRONG THỰC TẾ Dựa vào các kết quả tính toán lý thuyết , mô phỏng kết hợp với thực nghiệm kiểm tra các yếu tố ảnh hưởng sự phân tầng của bình chứa trữ nhiệt ta có thể nhận xét và đưa ra các đánh giá về hiệu quả lưu trữ nhiệt của bình chứa. - Tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính tăng sẽ làm tăng mức độ phân tầng nhiệt, tăng exergy lưu trữ dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của bình chứa. Như khi ta tăng tỷ lệ chiều cao và đường kính từ 2,5 lên 3 thì mức độ phân tầng tăng lên 20% và khi tỷ lệ này được tăng lên từ 2, 5 đến 4 thì mức độ phân tầng nhiệt tăng 25%. Mặc dù có thể đạt được mức tăng đáng kể hiệu quả phân tầng khi tăng tỷ lệ chiều cao và đường kính, tuy nhiên kích thước của bình chứa với tỷ lệ cao như vậy là không thực tế. Một bình chứa trữ nhiệt thể tích là 250 lít có chiều cao là 1,75m và đường kính là 0,45m sẽ không thích hợp khi lắp đặt với không gian nhà ở hiện đại ngày nay. Ngoài ra, tỷ lệ của bình chứa tăng sẽ làm tăng diện tích bề mặt sẽ làm tiêu tốn vật liệu chế tạo, vật liệu bảo ôn và tôn thẩm mĩ, giá thành thiết bị sẽ đắc hơn và như ta đã biết tổn thất nhiệt sẽ tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt của bình. Như vậy, cần đưa ra một tỷ lệ chiều cao và đường kính của bình chứa tối ưu nhất. Ở trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất tỷ lệ tối ưu là H/D =3. - Lưu lượng nước đầu vào và ra có ảnh hưởng lớn đến mức độ phân tầng nhiệt của bình lưu trữ. Với lưu lượng nước vào lớn, tạo thành vòi phun va đạp vào thành bình và khuếch tán ra một diện tích lớn của bình làm phá hủy các lớp nhiệt và giảm mức độ phân tầng nhiệt làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng của bình lưu trữ. Khi 22 tăng lưu lượng nước vào từ 0,05 kg/s lên 0,1 kg/s thì mức độ phân tầng giảm đi 30% và đáng kể hơn khi tăng tỷ lệ này từ 0,05 lên 0,15 kg/s thì giảm 50% về mức độ phân tầng. Do vậy, tốc độ dòng chảy vào cần phải giữ ở mức thấp có thể để giảm sự hòa trộn. Trong hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời, lưu lượng dòng chảy thường ở vùng lân cận 0,05 kg/s. - Cũng giống như tốc độ lưu lương vào và ra, vị trí của đầu vào và ra có sự ảnh hưởng tiêu cực đến sự phân tầng nhiệt của bình chứa. Khi vị trí đầu vào và ra chuyễn đến 150mm so với đỉnh và đáy bình thì mức độ phân tầng giảm đi 25% và khi vi trí đầu vào và ra tiếp tục di chuyển đến 300mm so với đỉnh và đáy bình thì mức độ phân tầng giảm đi 50%. Vị trí tối ưu cho vị trí đầu vào và ra là càng gần đỉnh và đáy bình chứa càng tốt, càng cải thiện mức độ phân tầng nhiệt của bình chứa. 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ * Kết luận a. Kết quả đạt được - Nghiên cứu lý thuyết về quá trình phân tầng nhiệt của nước trong bình chứa. - Áp dụng phần mềm mô phỏng để giải bài toán phân tầng nhiệt. - Đưa ra một số thông số tối ưu cho bình chứa trữ nhiệt phục vụ cho nghiên cứu thiết kê chế tạo bình lưu trữ trong hệ thống đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời sau này. Như lưu lượng nước tuần hoàn tối ưu là 0,05 kg/s, tỷ lệ chiều cao và đường kính H/D là 3 và vị trí đầu vào và ra càng gần đỉnh và đáy bồn càng tốt. b. Các mặt tồn tại - Sai số đáng kể của tính toán ý thuyết so với thực nghiệm vì: + Tính toán lý thuyết đưa ra khá nhiều giả thiết + Nhiệt độ đầu vào không khống chế ổn định + Dụng cụ đo có độ dao động lớn - Chưa áp dụng bộ thu năng lượng mặt trời vào mô hình thực tế vì tại thời điểm thí nghiệm thì thời tiết không đáp ứng được yêu cầu thí nghiệm. * Kiến nghị - Tiếp tục đo thực nghiệm hai mô hình về tỷ lệ chiều cao với đường kính và mô hình vị trí đầu vào và ra. 24 - Cần nghiên cứu sâu hơn để tăng cường mức độ phân tầng nhiệt của bình chứa như vách ngăn cho bình đứng và ngang, hình dáng đầu vào và ra. - Lĩnh vực mô phỏng hiện đang rất cần trong thực tế, nó đang được áp dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành nhiệt điện lạnh. Vì vậy, nên đưa phần mềm mô phỏng vào chương trình dạy ở nhà trường.