1
2
BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Dương Hùng
LÊ THỊ NGỌC OANH
Phản biện 1 : PGS. TS Nguyễn Bốn Phản biện 2 : PGS. TS Đào Ngọc Chân
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
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
3
4
MỞ ĐẦU năng lượng nhiệt mặt trời.
1. Lý do chọn ñề tài 4. Phương pháp nghiên cứu
Nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng nên có nguy cơ cạn Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
kiệt nguồn nhiên liệu dự trữ. Sự suy thoái về môi trường nghiêm 5. Tài liệu nghiên cứu
trọng. Vì vậy, cần phải có nguồn năng lượng mới ñáp ứng nhu cầu - Các tài liệu, tạp chí trong và ngoài nước.
năng lượng trong tương lai. - Nguồn tư liệu từ mạng Internet.
Năng lượng mặt trời (NLMT) - nguồn năng lượng sạch và tiềm 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
tàng nhất - ñang ñược ñặc biệt quan tâm. Thiết bị sử dụng NLMT Tính chính xác lượng nhiệt tích trữ ñược trong những thiết bị
hiện nay ở Việt Nam chủ yếu là, hệ thống cung cấp nước nóng bằng cụ thể, giúp cho việc thiết kế thiết bị ñúng theo yêu cầu sử dụng, tận
NLMT, hệ thống cung cấp ñiện dùng pin mặt trời, bếp NLMT. dụng hiệu quả NLMT, giúp cho việc ứng dụng NLMT vào thực tế
Việc ứng dụng NLMT trong thực tế còn khiêm tốn. Nguyên 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 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: MẶT TRỜI
"Nghiên cứu cơ sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng Chương 4: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy". THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NHIỆT MẶT TRỜI DÙNG MÔI CHẤT
2. Mục tiêu nghiên cứu NÓNG CHẢY
+ Nghiên cứu lập cơ sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ năng Chương 5 : LẬP MÔ HÌNH, THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH,
lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NHIỆT
+ Kiểm chứng các công thức tính toán ñược lập ra với một mô KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
hình thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời thực tế.
Trọng tâm chính là lập cơ sở tính toán các quá trình tích trữ
3. Nội dung nghiên cứu
5
6
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG 1.2.4.3 Tổn thất do hấp thụ bức xạ của kính
MẶT TRỜI
1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời 1). 1 (D// »
1.1.1 Vị trí, cấu trúc và kích thước mặt trời 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^ » 1.2.4.5 Hệ số truyền qua ñối với bức xạ khuếch tán
Mật ñộ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính ñối 1.2.4.6 Tích số của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ (DA)
2
với 1m2 bề mặt ñặt vuông góc với tia bức xạ: 1.2.4.7 Tổng bức xạ mặt trời hấp thụ ñược của bộ thu
4
=
q
.5,67.
2.3,14.32 360.60 4
5762 100
1.2.5 Cân bằng nhiệt và nhiệt ñộ cân bằng của vật thu bức xạ » 1353 W/m2 mặt trời
Phương trình cân bằng nhiệt cho V có dạng:
4 = 6,25.107 W/m2
4 F (1-29)
4(D/2r)2.Ft = e .s o.To
Công suất do V hấp thụ = Công suất phát bức xạ từ V
Hay A.Et.Ft = E.Ffi A.s o.To Nếu vật V có thông số (r , C, e , A, F, V) ñặt trong khí quyển Cường ñộ bức xạ toàn phần là Eo = s o.To Công suất bức xạ toàn phần của Mặt trời là: 4 .p .D2= 3,8.1026W
AE
m
)
Qo = Eo.F = s o.To 1.2 Phương pháp tính toán cường ñộ bức xạ mặt trời , thì phương trình cân bằng nhiệt ñộ tf, toả nhiệt phức hợp hệ số a 1.2.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ nhiệt trong thời gian dt cho V là: 1.2.2 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang .F.(t - tf) .dt 1.2.3 Tổng cường ñộ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái ñất .V.C.dt + a t w t Trong tính toán kỹ thuật, xem cường ñộ bức xạ tới mặt ñất là .t ).Ft(t ).dt = r αFt = ρVC ρVC A.En.sin(w dt + dτ hàm của thời gian t : có dạng (1-30) F ( )sin( t Khi biết Ft(t ), có thể giải phương trình trên với ñiều kiện ñầu E(t ) = En.sinj (t ) t(t = 0) = tf ñể tìm hàm biến ñổi t(t ) của nhiệt ñộ vật theo thời gian.
5
=
=
=
ω
7,27.10 rad/s
2π 24.3600
n
.t là góc nghiêng tia nắng so với mặt ñất, - là tốc ñộ góc tự xoay của trái 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 j (t ) = w 2π τ
1.3.1 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
1.3.2 Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời ñất. En[W/m2] là cường ñộ bức xạ cực ñại trong ngày, lấy trị
1.3.3 Thiết bị nấu nước nóng bằng năng lượng mặt trời trung bình cả năm theo số liệu ño lường thực tế tại vĩ ñộ cần xét.
1.3.4 Thiết bị làm lạnh và ñiều hoà không khí dùng năng lượng 1.2.4 Bức xạ mặt trời truyền qua kính
mặt trời 1.2.4.1 Hiệu ứng lồng kính
1.3.5 Pin mặt trời 1.2.4.2 Sự phản xạ của bức xạ mặt trời
7
8
CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG 1.3.6 Nhà máy nhiệt ñiện sử dụng năng lượng mặt trời
NHIỆT MẶT TRỜI 1.3.7 Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời
3.1 Tổng quan về kỹ thuật tích trữ nhiệt năng lượng mặt trời CHƯƠNG 2: BỘ THU TẬP TRUNG NĂNG LƯỢNG
3.1.1 Trữ nhiệt bằng hệ thống tuần hoàn tự nhiên (hiệu ứng MẶT TRỜI
siphon nhiệt) 2.1 Các loại gương phản xạ A Độ chênh áp giữa hai nhánh 2.1.1 Các ñặc trưng của bộ thu năng lượng mặt trời dùng gương
ñược mô tả bằng công thức: phản xạ
E
h
= 1 + R.( Fh/ Ft - 1).
∆p = h.ρ.(T1 – T2) T2 T1 h Với ρ là khối lượng riêng 2.1.2 Độ tập trung năng lượng bức xạ F k = Et/E = 1 - R + R. Fh/ Ft của chất lỏng.
R
R
B Hình 3.1 Hiệu ứng siphon nhiệt Nếu coi R ≈ 1 thì k ≈ Fh/t.
F Hình 2.1 Hệ gương và mặt thu
C
R
P
3.1.2 Trữ nhiệt bằng hệ thống tuần hoàn cưỡng bức 2.1.3 Gương phẳng Trong nhiều trường 2.1.4 Gương nón hợp phải chuyển nước nóng 2.1.4.1 Gương nón cụt ñi xa, tổn thất dọc ñường 2.1.4.2 Gương nón lớn, nên bắt buộc phải mắc 2.1.5 Gương Parabol thêm vào hệ một bơm ñiện 2.1.5.1 Gương Parabol tròn xoay P ñể tăng vận tốc tuần hoàn 2.1.5.2 Gương Parabol trụ trong hệ thống. Xét gương parabol trụ rộng 2r, dài L tập trung phản xạ vào
Hình 3.2 Hệ tuần hoàn cưỡng bức
1
p
mặt thu hình ống trụ ñường kính d ñặt tại tiêu ñiểm, thì ñộ tập trung: 3.1.3 Trữ nhiệt bằng hệ có hai chất lỏng và bình chứa có (2-17) - bộ trao ñổi nhiệt k = 1+ R 2r d Chất lỏng sơ cấp 1 ñi qua bộ trao ñổi nhiệt có dạng xoắn 2.2 Hệ thống ñiều chỉnh gương theo hướng mặt trời hoặc tấm phẳng ñặt bên trong bình chứa R, chất lỏng 2 nhận nhiệt 2.2.1 Quỹ ñạo trái ñất quay quanh mặt trời từ chất lỏng 1 qua bộ trao ñổi nhiệt (hình 3.3). 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
9
10
2
1
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
R
1
2
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
Hình 3.3 Bình chứa có bộ trao ñổi nhiệt 3.2.2 Hiện tượng chuyển pha trong chất rắn
Với mỗi chất rắn, khi nung nóng tới một nhiệt ñộ nóng chảy 3.1.4 Tích trữ nhiệt bằng chất cảm nhiệt
sẽ bắt ñầu chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, ñó là hiện tượng nóng Trường hợp ñơn
chảy. Để chất rắn nóng chảy hết thì phải cung cấp thêm một nhiệt giản nhất là ñun nước nóng
lượng ñể chuyển hoàn toàn trạng thái từ rắn thành lỏng gọi là nhiệt ẩn trong bình tích dùng trực
nóng chảy. Khi làm lạnh các chất lỏng tới một nhiệt ñộ và áp suất xác tiếp cho gia ñình. Khi ñó hệ
ñịnh chất lỏng sẽ chuyển từ pha lỏng trở thành pha rắn, ñó là hiện
C
phải có chất tích nhiệt trung
2
1
tượng ñông ñặc. Trong quá trình này vật toả ra một nhiệt lượng ñúng gian là chất lỏng hoặc chất
bằng nhiệt lượng thu vào trong quá trình nóng chảy. rắn, với một khối lượng lớn.
P
3.3. Một số môi chất nóng chảy thường dùng Trong bình chứa có hai bộ
Hình 3.4 Hệ thu- tích nhiệt có bù nhiệt
3.3.1 Các yêu cầu ñối với môi chất nóng chảy trao ñổi nhiệt 1 và 2
3.3.1.1 Các ñặc tính nhiệt ñộng (hình 3.4).
3.3.1.2 Các ñặc tính ñộng học 3.1.5 Trữ nhiệt bằng môi chất nóng chảy
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 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
3.3.2.1 Vật liệu hữu cơ trữ nhiệt có thay ñổi trạng thái do hiện tượng ẩn nhiệt với nhiệt lượng
a. Paraffin không thay ñổi trạng thái thì ta nhận ñược tỷ số: -
(
) +
)
p
Sáp paraffin có màu trắng, không mùi, không vị với nhiệt ñộ (3-2) -
(
( L T 2 )
C T T 2 1 C T T 2 1
p
nóng chảy trong khoảng từ 47oC ñến 64oC (116,6oF ñến 147,2oF), có khối lượng riêng khoảng 0,9 g/cm3. 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
11
12
Bảng 3.1 Các thông số của một số Paraffin CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ
TÍCH TRỮ CẤP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG Số lượng nguyên Nhiệt ẩn nóng
MÔI CHẤT NÓNG CHẢY tử Cacbon Nhiệt ñộ nóng chảy (oC) chảy (kJ/kg)
4.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt ñộng và các quá trình tích trữ cấp 50,6 255 24
nhiệt của thiết bị 49,4 238 25
4.1.1 Cấu tạo mô hình thiết bị 56,3 256 26 1. Gương phản xạ Parabol trụ
7
58,8 236 27 2. Ống lồng kính và cách nhiệt 60 220 28
1
3. Ống vỏ chứa môi chất nóng chảy
6
63,4 240 29 4. Ống dẫn nước cần làm nóng
2
65,4 251 30
3
5. Cơ cấu ñiều chỉnh gương quay tự b. Chất phi paraffin
8
4
ñộng theo hướng mặt trời 3.3.2.2 Vật liệu vô cơ
5
6. Môi chất nóng chảy a. Muối hydrat
b. Kim loại 7. Van dẫn nước vào 8. Van dẫn nước ra 3.3.2.3 Eutectics
Hình 4.1 Mô hình thiết bị thu trữ cấp nhiệt bức xạ mặt trời 4.1.2 Nguyên lý hoạt ñộng 4.1.3 Các quá trình tích trữ cấp nhiệt của thiết bị
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
(0 ÷ t c1) gia nhiệt môi chất lên ñến nhiệt ñộ tc. (t c1÷ t c2) môi chất nóng chảy ñẳng nhiệt tc= const,
1) Quá trình t ˛ 2) Quá trình t ˛ chuyển từ pha rắn sang pha lỏng hoàn toàn.
13
14
(t c2÷ t m) gia nhiệt bổ sung ñể lỏng môi chất tăng
- Gia nhiệt cho môi chất: dU = mCrdt (4-4) với: m là khối lượng của môi chất, [kg]
(t m÷ t 2) là quá trình trữ nhiệt và cấp nhiệt cho nước.
3) Quá trình t ˛ nhiệt ñộ từ nhiệt ñộ nóng chảy tc lên nhiệt ñộ tm > tc. 4) Quá trình t ˛ 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
f
Cho 1 thiết bị có kết cấu
Ld
t - t R
l
như hình 4.3. (4-7) - 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: d Q2 = t
mK W
với: Rl là nhiệt trở dẫn nhiệt của một 1m chiều dài trụ,
Cần tìm hàm nhiệt ñộ t(t ) của môi chất và tính các thời gian
1
1
d
3
3
=
+
+
R
ln
ln
l
2
d d
2
d
2
1 d
k
2
K
3
3
3
ñặc trưng cho các quá trình theo (4-8) p l p l - d p a tất cả các thông số ñã cho.
2
W m K
là hệ số tỏa nhiệt từ kính ra không khí, Do ñó, phương trình cân bằng nhiệt trở thành:
4.2.2 Các giả thiết khi tính toán với a 1) Gương Parabol ñược quay
f
∑
Ld
im C dt +
i
t - t R
l
+
=
m C m C m C ,
2
2
1
1
i
i
∑ với:
J K
sao cho tia nắng luôn vuông góc t (cid:219) t e DFEn sinw dt = mCpdt + (4-9) với mặt thu F = 2rL.
Đặt T(t ) = t(t ) – tf gọi là ñộ gia nhiệt và ñưa về dạng ˛ chính tắc, phương trình (4-9) có dạng:
L R
+
T
sin
l ∑
dT d
mC
+ p
= m C mC i
i
DFE + ∑ p
n m C i
i
e (4-10) t w t . t
n
=
=
a
DFE + ∑
m C
P K , C s
mC
i
i
p
e t Đặt (4-11) khảo sát.
l
=
=
b
L R + ∑
mC
m C
W 1 , C s
p
i
i
2) Thiết bị ñược khởi ñộng lúc t = 0, là lúc mặt trời mọc. 3) Trời luôn quang mây, có nắng (0 ÷ t n/2=12h) trong khoảng t với cường ñộ bức xạ tới mặt Ft là E(t ) = Ensinw 4) Tại mỗi thời ñiểm t , coi nhiệt ñộ của hệ là ñồng nhất 5) Các thông số cho trước là không ñổi trong thời gian D 4.2.3 Tính toán quá trình gia nhiệt môi chất rắn 4.2.3.1 Xác ñịnh hàm nhiệt ñộ t(t) khi gia nhiệt môi chất rắn và (4-12)
Lập phương trình cân bằng nhiệt cho hệ: d Q1 = dU + dU1 + dU2 + d Q2 (4-1) t dt (4-2) với: d Q1 = e DFEnsinw
15
(
(
t
t
c
f
c
f
c2
c
( t =
)
)
cos
c2
c1
c1
16 ) t L R P
m r P
) t L R P
( t + cos
l
l
- w - w t w (4-23) w w t - - t Phương trình cân bằng nhiệt sẽ thành: T’(t ) + bT(t ) = asinw (4-13)
Có thể xác ñịnh t c2 ˛ (t c2 ‚ t n/2) bằng phương pháp lặp. T(0) = 0 (4-14)
4.3 Tính toán quá trình trữ nhiệt Giải hệ trên, tìm ñược hàm phân bố nhiệt ñộ của môi chất 4.3.1 Thiết kế cách nhiệt cho ống chứa môi chất nóng chảy trong hộp thu gương parabol trụ khi gia nhiệt là: Phương pháp cách nhiệt ống chứa môi
b
e
+
( ) t =
t
t
sin
+ arctg
,
f
2
2
2
b
a + w
b
b
1
chất là dùng 2 lớp không khí tĩnh bọc ngoài - t (4-16) w w t - ống môi chất, ñược ngăn cách bởi ống kính
+
b
2
w - t
1
e Vì số hạng cuối của tổng có thể bỏ qua khi t > 2h. b + w
gắn cố ñịnh và một ống lồng có các thông số d4L, r 4d 4l 4C4, hệ số hấp thụ e 4 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
Do ñó có thể viết lại hàm phân bố nhiệt ñộ của môi chất sử dụng nhiệt, tức là không cho nước vào ống dẫn nước ñể cấp nhiệt.
t = +
arctg
sin
t
f
2
2
t
t
-
b
c
f
b
=
= Q q L
L
tt
l
R
ltt
4.3.2.1 Tính tổn thất nhiệt từ ống lồng ra môi trường bên ngoài w Lượng nhiệt tổn thất từ ống ra ngoài môi trường là: (4-17) w t ( ) t - trong hộp thu gương parabol trụ khi gia nhiệt là: a + w (4-24)
1
4
=
+
R
ln
,
ltt
mK W
2
d d
1 d
k
2
4
tt
sin
T
c
2
2
a + w
b
4.2.3.2 Tính thời ñiểm môi chất bắt ñầu nóng chảy t c1 Với (4-25) p l p a w w t - Giải phương trình T(t ) = tc – tf = Tc (4-18) hay: = arctg b 4.3.2.2 Xác ñịnh thời gian bảo quản t o
2
2
c
Tìm ñược thời ñiểm môi chất bắt ñầu nóng chảy:
t =
+ w
n
c
o
t =
arcsin
arctg
c1
mr Q
tt
2
T b a
b
+
p
(4-19) (4-27) t w Từ phương trình cân bằng nhiệt: Qttt o = mrc (4-26) Do ñó, thời gian bảo quản t o là:
4.4 Tính toán quá trình cấp nhiệt cho nước 4.2.4 Tính toán quá trình nóng chảy môi chất 4.4.1 Tính cấp nước nóng Lập phương trình cân bằng nhiệt: Giả thiết rằng hộ tiêu thụ cần nước nóng có nhiệt ñộ tn
với nhiệt ñộ nước vào bằng nhiệt ñộ môi trường tf. d Q1 = rc dm + d Q2 Xác ñịnh ñược t c2 như là nghiệm của phương trình:
17
18
4.5 Tính toán các thông số của thiết bị mẫu tích trữ cấp nhiệt 4.4.1.1 Xác ñịnh lưu lượng Gn của nước
năng lượng mặt trời a - p -
(
Từ phương trình cân bằng nhiệt cho nước: )
)
t
t
t
n f
pn
n
1
n
n
c
f
(4-28) 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
( = d L G C t Tìm ñược lưu lượng Gn của nước qua ống d1 là:
+
t
t
n
f
Giá trị
Tên thông số
t
d L
n
c
1
n
c
n f
1
2
a - p a - p -
Tên chi tiết Parabol
Vật liệu Inox
=
=
G
n
d L )
)
( t t ( C t
) t
t
( C t
pn
n
f
f
pn
n
Ống dẫn nước Đồng
,[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:
Đồng
Ống chứa môi chất
c
mrc = MnCpn (tn – tf) (4-30)
=
M
n
Rộng Dài Hệ số phản xạ Đường kính trong Dày Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Hệ số dẫn nhiệt Đường kính trong Dày Độ ñen
)
t
f
n
pn
Ống lồng kính Thủy tinh Đường kính ngoài
n
Tìm ñược: , [kg] (4-31) -
t =
n
mr ( C t M G
n
, [s] (4-32) D
chất
Paraffin
Môi nóng chảy
4.4.2 Tính cấp nước sôi r 4.4.3 Tính cấp hơi bão hòa khô
trường
=
4.4.3.1 Xác ñịnh lưu lượng Gh qua ống d1 l
a h - p -
(
)
)
t
t
t
pn
2
n
c
s
f
r h
Môi xung quanh
Không khí
(4-36)
0,4m 1,25m 0,9 0,02m 0,001m 8920kg/m3 380J/kgK 390W/mK 0,2m 0,001m 0,9 0,222m 0,001m 0,74W/mK 0,9 0,1 900kg/m3 2150J/kgK; 60oC 220000J/kg 0,17W/mK 30oC 0,03W/mK 4m/s
trung
Từ phương trình truyền nhiệt: ( + d L G C t s h w
Ký hiệu r L R d1 d 1 r 1 C1 l 1 d2 d 2 e d3 d 3 l 3 D e K = 1 – D Cp tc rc tf l k
940W/m2
t
En
=
G
h
Dày Hệ số dẫn nhiệt Độ trong Độ ñen ống kính Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Nhiệt ñộ nóng chảy Nhiệt ẩn nóng chảy Hệ số dẫn nhiệt Nhiệt ñộ Hệ số dẫn nhiệt Tốc ñộ gió bình Cường ñộ BXMT trung bình
) ) +
s t
( t hn c ( C t pn
s
f
d L 2 r h
với rh là nhiệt ẩn hóa hơi của nước, rh = 2257kJ/kg a - p ,[kg] (4-37) suy ra: -
=
M
h
) +
mr c t
f
s
r h
4.4.3.2 Xác ñịnh lượng hơi bão hòa thu ñược và thời gian cấp 4.5.2 Tính hệ số tỏa nhiệt phức hợp từ ống kính d3 ra môi trường không khí hơi bão hòa a ,[kg] (4-39) - = 17,02 W/m2K. 4.5.3 Tính các thông số kỹ thuật của thiết bị mẫu
h
t =
h
( C t p M G
h
(Các thông số kỹ thuật của thiết bị mẫu ñược thể hiện ở bảng ,[s] (4-40) D 4.2 trang 64 trong luận văn)
19
20
4
a =
) 1 =
4.5.4 Tính các thông số ñặc trưng của thiết bị mẫu
0,54. 4594484
817
0,6535 0,02
4.5.4.1 Tính quá trình gia nhiệt môi chất a. Tính hệ số tỏa nhiệt từ mặt ống d1 ñến nước ( W/m2K
Bảng 4.3. Các thông số ñặc trưng của thiết bị mẫu khi gia nhiệt môi chất
b. Các thông số ñặc trưng của thiết bị khi cấp nhiệt cho nước
T
Bảng 4.4 Các thông số ñặc trưng của thiết bị mẫu khi cấp nhiệt cho nước
Thông số
Công thức tính
Tính toán
Giá trị
T
Thông số
Công thức tính
Tính toán
Giá trị
=
T
+
max
T T 1
t
t
1
Độ gia nhiệt
2
2
n
f
2
2
a + w
5
5
b
d L 1
+
2
101oC
(
0, 0081 ( )
)
Lưu lượng nước Gn
3,34.10
7, 272.10
817 60
p.0, 02.1, 25
t n c
=
G
n
max ảo
0,0153kg/s =0,92kg/phút = 55,3kg/h
)
)
+ 50 30 2 ( 4180 50 30
t
C
t
( pn n
f
2
Nhiệt ñộ
101 + 30
131oC
tmax = Tmax + tf
2
91,8kg
=
M
n
a - p - - - - -
)
34,9.220000 ( 4180 50 30
max khi gia
)
mr c ( t
C
t
n
pn
f
nhiệt ảo
n
- -
t = n
Lượng nước nóng Mn 3 Khoảng thời gian
6003s = 1,67h
2
2
5
5
M G
91,8 0, 0153
+
n
30
3,34.10
7, 272.10
(
)
3
Thời ñiểm
Công thức (4-19)
[arcsin
24 2p
( ) 0,0081
29,7%
(
)
)
M C
t
t
f
môi chất bắt
5
7, 272.10
= TB
= TB
n pn n 2
+
5,51h
arctg
]
940.1.
.3600
E
5
n 4 Hiệu suất của thiết bị
n
F h
3,34.10
n 2
( 91,8.4180 50 30 2 24 . 2
ñầu nóng
chảy t c1
D - - D t - - h h - t - p p
4
Thời ñiểm
cos X = -0,5781 – 0,1236X
t c2 là nghiệm của
2
= w
môi chất
phương trình
10,43h
X
với
= c2
c2
n
nóng chảy
(4-23)
CHƯƠNG 5 : LẬP MÔ HÌNH, KIỂM NGHIỆM, SO SÁNH p t t VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ TRỮ NHIỆT t 5.1 Mục ñích thực nghiệm và nguyên lý thực nghiệm
hoàn toàn t c2
) +
( m C t
t
p
f
r c
) +
220000
h = T
38,4%
5
Hiệu suất
c 2
h = T
E
( 2
n
F h
n 2
940.
.1.
.3600
34,9 2150 60 30 24 2
tích nhiệt của
5.1.1 Mục ñích thực nghiệm - - Đo các thông số thực của mô hình thực nghiệm ñể so sánh t p p với thông số tính toán ñược thiết lập ở chương 4.
thiết bị
5.1.2 Nguyên lý thực nghiệm
5.2 Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm 4.5.4.2 Tính quá trình trữ nhiệt môi chất 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. Giả sử dùng chính ống kính d3 tìm ñược thời gian bảo quản là t o= 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 = 50oC với nhiệt ñộ nước ñầu
vào ống d1 xem như bằng nhiệt ñộ môi trường tf = 30oC.
21
22
5.3 Tính toán các thông số kỹ thuật ñặc trưng của mô hình Bảng 5.1 Các thông số kết cấu của mô hình thực nghiệm Tên thông số
Giá trị
thực nghiệm
Tên chi tiết Parabol
Vật liệu Inox
(Các thông số kỹ thuật của mô hình thực nghiệm ñược thể hiện ở
Ống dẫn nước Đồng
bảng 5.2 trang 73 trong luận văn)
Bảng 5.3 Các thông số ñặc trưng của mô hình thực nghiệm
TT
Tính toán
Giá trị
0,92h
Đồng
(Tính ở bên dưới)
1
Ống chứa môi chất
2
1,93h
(Tính tương tự mục
Tên thông số Thời ñiểm paraffin bắt ñầu nóng chảy t c1 Thời ñiểm paraffin nóng chảy hoàn toàn t c2
Ống lồng kính Thủy
4.5.4.1)
tinh
3
Thời gian bảo quản t o
t = o
Rộng Dài Hệ số phản xạ Đường kính trong Dày Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Hệ số dẫn nhiệt Đường kính trong Dày Độ ñen = Hệ số hấp thụ Đường kính ngoài Dày Hệ số dẫn nhiệt Độ trong Độ ñen ống kính
0,16m 0,5m 0,9 0,01m 0,0005m 8920kg/m3 380J/kgK 390W/mK 0,052m 0,0005mm 0,9 0,064m 0,001m 0,74W/mK 0,9 0,1
9156 giây = 2,54 giờ
0,91.220000 21,86
4
Lưu lượng nước Gn
chất
Paraffin
1143 60
p.0, 01.0,5
=
G
n
)
+ 50 30 2 ( 4180 50 30
Môi nóng chảy
4,3.10-3 kg/s = 0,26kg/phút = 15,47kg/h
5
2,39kg
Lượng nước nóng Mn
=
M
- r -
Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Nhiệt ñộ nóng chảy Nhiệt ẩn nóng chảy Hệ số dẫn nhiệt
900kg/m3 2150 J/kgK 60oC 220000J/kg 0,17W/mK
n
l
Ký hiệu r L R d1 d 1 r 1 C1 l 1 d2 d 2 e d3 d 3 l 3 D e K = 1 – D Cp tc rc
)
0,91.220000 ( 4180 50 30
6
2,39
Khoảng thời gian D
n
t = n
3
556s = 9,3 phút
4,3.10
- t Cường ñộ bức xạ mặt trời lấy theo trị số trung bình ở Đà D -
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 = 4,0 m/s.
70
60
50
Nhiet do tinh toan Nhiet do thuc te
40
30
i
) C o d ( o d t e h N
20
10
0
20
10
50 55 60 65 70
110 116
100
132
30
40
80
90
Thoi gian (phut)
tính toán Nẵng là 940W/m2. Thông số của không khí ñược ño vào mùa hè, lấy trung bình tf = 30oC, có hệ số dẫn nhiệt l k = 0,03W/mK, trời không mây, gió Đông Nam có tốc ñộ trung bình w 5.2.2 Chế tạo mô hình thực nghiệm
Hình 5.4 Đồ thị biểu diễn quá trình gia nhiệt Paraffin
23
24
3
= 4,15.10 .540 2,24kg
= M G .
ntt
nTN
nTN
ttru
h =
,%
TB
cc
70
Q Q - Theo tính toán:
* Nhận xét: Các số liệu thực nghiệm so với tính toán lý thuyết thì sai - D t Lượng nước nóng 50oC thực tế thu ñược là: = số khá nhỏ, trung bình sai số trong giai ñoạn này là 12,3%. Vậy so với lượng nước nóng thu ñược theo tính toán lý 5.4.3 Thực nghiệm quá trình trữ nhiệt cho Paraffin, so sánh với thuyết là 2,39kg, lượng nước nóng thực tế thu ñược ít hơn là 0,15 kg, tính toán sai số là 6,3%. Sau khi Paraffin vừa nóng chảy xong, không cho nước vào, 5.4.5 Hiệu suất của mô hình thực nghiệm
=
30%
TBTT
60
199804 = 665254
50
bắt ñầu ño khoảng thời gian mà nhiệt ñộ của Paraffin ở nhiệt ñộ nóng chảy của nó là 60oC ñến khi nhiệt ñộ Paraffin vừa giảm xuống dưới 60oC. Khoảng thời gian này chính là thời gian trữ nhiệt của Paraffin. h
Nhiet do thuc te Nhiet do tinh toan
28%
40
= TBTN
187264 = 666468
30
i
) C o d ( o d t e h N
- Theo thực nghiệm: h
20
10
Suy ra sai số giữa tính toán và thực nghiệm là 6,7%.
0
0.5
1
1.5
2
2.35 2.54
Thoi gian (gio)
Bảng 5.5 Bảng so sánh số liệu kỹ thuật theo tính toán và thực nghiệm
5.4.6 Tổng kết các sai số giữa tính toán và thực nghiệm
Hình 5.5 Đồ thị biểu diễn quá trình trữ nhiệt Paraffin
* Nhận xét: Theo quan sát, khoảng thời gian trữ nhiệt thực tế của
TT
Thông số
Sai số (%)
Theo tính toán
Theo thực nghiệm
Paraffin ít hơn so với tính toán là 11,4 phút, sai số là 8,1%.
0,92h
1,08h
15,4
1
Thời ñiểm Paraffin bắt ñầu nóng chảy
5.4.4 Thực nghiệm quá trình Paraffin cấp nhiệt cho nước, so sánh
1,93h
2,2h
12,3
2
Thời ñiểm Paraffin nóng chảy hoàn toàn
60
với tính toán
3
=
4,3.10 kg / s
nTTG
50
trữ nhiệt cho
2,54h
2,35h
8,1
3
Thời gian Paraffin
-
3
=
4,15.10 kg / s
nTNG
) C o d ( o d t e
30
i
Lượng nước nóng thu ñược
2,39kg
2,24kg
6,3
4
Nhiet do tinh toan paraffin Nhiet do thuc te paraffin nhiet do tinh toan nuoc nhiet do thuc te nuoc
h N
30%
28%
6,7
5
Hiệu suất của mô hình thực nghiệm
0
1
2
3
4
6
7
8
9 9.3
-
5 Thoi gian (phut)
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. Hình 5.7 Đồ thị biểu diễn quá trình Paraffin cấp nhiệt cho nước
25
26
Như vậy, có thể kết luận rằng các công thức tính toán KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
ñược thiết lập là khá chính xác, có thể tạo cơ sở tính toán thiết kế 1. Kết luận
thiết bị tích trữ nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy. Xuất phát từ ñịnh luật bảo toàn năng lượng, dựa trên các giả
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 t 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. thiết ban ñầu và ñặc tính của môi chất nóng chảy ñã xác lập ñược hàm nhiệt ñộ tức thời t(t ) của môi chất khi gia nhiệt và chuyển pha ñể suy ra công thức tính thời ñiểm nóng chảy t c1, thời ñiểm nóng chảy hoàn toàn t c2, thời gian bảo quản nhiệt t o, các thông số G, M, D 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
- Thời gian trữ nhiệt 1,42 ngày - Lượng nước nóng ở 50oC thu ñược: 91,8 kg - Hiệu suất của thiết bị là 29,7% các công thức ñã ñược chứng minh.
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
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 50oC), 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 Việc ứng dụng năng lượng sạch, sẵn có, ñặc biệt là
hệ thống lớn sử dụng tốt trong sản xuất với nhiều nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời ñang là một yêu cầu hết sức cần thiết hiện nay.
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.
