Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Công trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hoàng Dương Hùng LÊ THỊ NGỌC OANH Phản biện : PGS TS Nguyễn Bốn Phản biện : 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 Luận văn ñược bảo vệ Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Công nghệ nhiệt họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 tháng 11 năm 2011 Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt Mã số: 60.52.80 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2011 Footer Page of 126 Có thể tìm hiểu luận văn : - Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Header Page of 126 MỞ ĐẦU Lý chọn ñề tài Nhu cầu lượng ngày tăng nên có nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu dự trữ Sự suy thoái môi trường nghiêm lượng nhiệt mặt trời Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Tài liệu nghiên cứu trọng Vì vậy, cần phải có nguồn lượng ñáp ứng nhu cầu - Các tài liệu, tạp chí nước lượng tương lai - Nguồn tư liệu từ mạng Internet Năng lượng mặt trời (NLMT) - nguồn lượng tiềm Ý nghĩa khoa học thực tiễn tàng - ñang ñược ñặc biệt quan tâm Thiết bị sử dụng NLMT Tính xác lượng nhiệt tích trữ ñược thiết bị Việt Nam chủ yếu là, hệ thống cung cấp nước nóng 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 NLMT, giúp cho việc ứng dụng NLMT vào thực tế Việc ứng dụng NLMT thực tế khiêm tốn Nguyên ngày phổ biến nhân thiết bị sử dụng NLMT làm việc không ổn ñịnh, Bố cục luận văn không liên tục Vì thế, cần nghiên cứu công nghệ tích trữ MỞ ĐẦU lượng nhiệt mặt trời ñể chủ ñộng việc sử dụng Một công nghệ ñể tích trữ lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy Hiện nay, công nghệ chưa nghiên cứu sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ lượng nhiệt mặt trời cách xác, cụ thể Chương 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG Xuất phát từ thực tế ñó, chọn nghiên cứu ñề tài: MẶT TRỜI Chương 2: CÁC BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG GƯƠNG PHẢN XẠ Chương 3: CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG NHIỆT MẶT TRỜI "Nghiên cứu sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ 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 Mục tiêu nghiên cứu NÓNG CHẢY + Nghiên cứu lập sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy + Kiểm chứng công thức tính toán ñược lập với mô hình thiết bị tích trữ lượng nhiệt mặt trời thực tế Nội dung nghiên cứu Trọng tâm lập sở tính toán trình tích trữ Footer Page of 126 Chương : LẬP MÔ HÌNH, THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NHIỆT KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Header Page of 126 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.2.4.4 Hệ số truyền qua hệ số phản xạ kính Đối với thu NLMT thực tế có giá trị D⊥ ≈ (D// ≈ 1) 1.1 Tổng quan lượng mặt trời 1.2.4.5 Hệ số truyền qua ñối với xạ khuếch tán 1.1.1 Vị trí, cấu trúc kích thước mặt trời Mật ñộ dòng xạ trực xạ lớp khí quyển, tính ñối với 1m bề mặt ñặt vuông góc với tia xạ:  2.3,14.32    360.60   5762  ≈ 1353 W/m2 q= 5,67    100  σo.To4 1.2.4.6 Tích số hệ số truyền qua hệ số hấp thụ (DA) 1.2.4.7 Tổng xạ mặt trời hấp thụ ñược thu Cường ñộ xạ toàn phần Eo = 1.2.4.3 Tổn thất hấp thụ xạ kính 1.2.5 Cân nhiệt nhiệt ñộ cân vật thu xạ mặt trời Phương trình cân nhiệt cho V có dạng: = 6,25.10 W/m Công suất xạ toàn phần Mặt trời là: Qo = Eo.F = σo.To4 π.D2= 3,8.1026W 1.2 Phương pháp tính toán cường ñộ xạ mặt trời 1.2.1 Tính toán góc tới xạ trực xạ 1.2.2 Bức xạ mặt trời khí lên mặt phẳng nằm ngang Công suất V hấp thụ = Công suất phát 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 có thông số (ρ, C, ε, A, F, V) ñặt khí nhiệt ñộ tf, toả nhiệt phức hợp hệ số α, phương trình cân nhiệt thời gian dτ cho V là: A.En.sin(ω.τ).Ft(τ).dτ = ρ.V.C.dt + α.F.(t - tf) dτ 1.2.3 Tổng cường ñộ xạ mặt trời lên bề mặt trái ñất Trong tính toán kỹ thuật, xem cường ñộ xạ tới mặt ñất hàm thời gian τ: E(τ) = En.sinϕ(τ) ϕ(τ) = ω.τ góc nghiêng tia nắng so với mặt ñất, ω= 2π 2π = = 7,27.10−5rad/s tốc ñộ góc tự xoay trái τ n 24.3600 ñất En[W/m2] cường ñộ xạ cực ñại ngày, lấy trị có dạng dt + t αF = AEm Ft (τ)sin(ωτ) (1-30) dτ ρVC ρVC Khi biết Ft(τ), giải phương trình với ñiều kiện ñầu t(τ = 0) = tf ñể tìm hàm biến ñổi t(τ) nhiệt ñộ vật theo thời gian 1.2.6 Năng lượng xạ mặt trời Việt Nam 1.3 Tổng quan thiết bị sử dụng lượng mặt trời 1.3.1 Bếp nấu dùng lượng mặt trời 1.3.2 Thiết bị chưng cất nước dùng lượng mặt trời trung bình năm theo số liệu ño lường thực tế vĩ ñộ cần xét 1.3.3 Thiết bị nấu nước nóng lượng mặt trời 1.2.4 Bức xạ mặt trời truyền qua kính 1.3.4 Thiết bị làm lạnh ñiều hoà không khí dùng lượng 1.2.4.1 Hiệu ứng lồng kính mặt trời 1.2.4.2 Sự phản xạ xạ mặt trời 1.3.5 Pin mặt trời Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG 1.3.6 Nhà máy nhiệt ñiện sử dụng lượng mặt trời NHIỆT MẶT TRỜI 1.3.7 Thiết bị sấy khô dùng lượng mặt trời 3.1 Tổng quan kỹ thuật tích trữ nhiệt lượng mặt trời CHƯƠNG 2: BỘ THU TẬP TRUNG NĂNG LƯỢNG 3.1.1 Trữ nhiệt hệ thống tuần hoàn tự nhiên (hiệu ứng MẶT TRỜI siphon nhiệt) 2.1 Các loại gương phản xạ 2.1.1 Các ñặc trưng thu lượng mặt trời dùng gương phản xạ ñược mô tả công thức: 2.1.2 Độ tập trung lượng xạ ∆p = h.ρ.(T1 – T2) k = Et/E = - R + R Fh/ Ft F R B Hình 3.1 Hiệu ứng siphon nhiệt R 3.1.2 Trữ nhiệt hệ thống tuần hoàn cưỡng 2.1.3 Gương phẳng F Hình 2.1 Hệ gương mặt thu 2.1.4.1 Gương nón cụt 2.1.4.2 Gương nón 2.1.5 Gương Parabol 2.1.5.1 Gương Parabol tròn xoay 2.1.5.2 Gương Parabol trụ Xét gương parabol trụ rộng 2r, dài L tập trung phản xạ vào mặt thu hình ống trụ ñường kính d ñặt tiêu ñiểm, ñộ tập trung: k = 1+ R  2r − 1 (2-17)    πd  2.2 Hệ thống ñiều chỉnh gương theo hướng mặt trời 2.2.1 Quỹ ñạo trái ñất quay quanh mặt trời 2.2.2 Phương pháp ñiều chỉnh gương theo hướng mặt trời 2.2.2.1 Hệ thống ñiều chỉnh dùng ñộng 2.2.2.2 Hệ thống ñiều chỉnh dùng panel cảm biến Footer Page of 126 h chất lỏng h 2.1.4 Gương nón T2 T1 Với ρ khối lượng riêng E = + R.( Fh/ Ft - 1) Nếu coi R ≈ k ≈ Fh/t A Độ chênh áp hai nhánh Trong nhiều trường hợp phải chuyển nước nóng ñi xa, tổn thất dọc ñường lớn, nên bắt buộc phải mắc C thêm vào hệ bơm ñiện P ñể tăng vận tốc tuần hoàn R P hệ thống Hình 3.2 Hệ tuần hoàn cưỡng 3.1.3 Trữ nhiệt hệ có hai chất lỏng bình chứa có trao ñổi nhiệt Chất lỏng sơ cấp ñi qua trao ñổi nhiệt có dạng xoắn phẳng ñặt bên bình chứa R, chất lỏng nhận nhiệt từ chất lỏng qua trao ñổi nhiệt (hình 3.3) Header Page of 126 10 lớn thể tích bình chứa giảm cách ñáng kể 3.2 Đặc tính môi chất nóng chảy 3.2.1 Khái niệm pha chuyển pha R 3.2.1.1 Sự thay ñổi entropy chuyển pha 3.2.1.2 Sự phụ thuộc nhiệt ñộ chuyển pha vào áp suất Hình 3.3 Bình chứa có trao ñổi nhiệt 3.2.2 Hiện tượng chuyển pha chất rắn Với chất rắn, nung nóng tới nhiệt ñộ nóng chảy 3.1.4 Tích trữ nhiệt chất cảm nhiệt ñơn bắt ñầu chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, ñó tượng nóng giản ñun nước nóng chảy Để chất rắn nóng chảy hết phải cung cấp thêm nhiệt bình tích dùng trực lượng ñể chuyển hoàn toàn trạng thái từ rắn thành lỏng gọi nhiệt ẩn tiếp cho gia ñình Khi ñó hệ nóng chảy Khi làm lạnh chất lỏng tới nhiệt ñộ áp suất xác Trường hợp phải có chất tích nhiệt trung ñịnh chất lỏng chuyển từ pha lỏng trở thành pha rắn, ñó C gian chất lỏng chất nhiệt lượng thu vào trình nóng chảy rắn, với khối lượng lớn Trong bình chứa có hai trao ñổi nhiệt tượng ñông ñặc Trong trình vật toả nhiệt lượng ñúng 3.3 Một số môi chất nóng chảy thường dùng P Hình 3.4 Hệ thu- tích nhiệt có bù nhiệt 3.3.1 Các yêu cầu ñối với môi chất nóng chảy (hình 3.4) 3.3.1.1 Các ñặc tính nhiệt ñộng 3.1.5 Trữ nhiệt môi chất nóng chảy 3.3.1.2 Các ñặc tính ñộng học Giả sử chất nhiệt ñộ T1 nhận nhiệt lượng ñó 3.3.1.3 Đặc tính hoá học nhiệt ñộ tăng lên nóng chảy nhiệt ñộ T2 = const So sánh 3.3.1.4 Các ñặc tính kinh tế nhiệt lượng tích ñược ñơn vị khối lượng vật liệu 3.3.2 Đặc tính số môi chất nóng chảy thường dùng trữ nhiệt có thay ñổi trạng thái tượng ẩn nhiệt với nhiệt lượng 3.3.2.1 Vật liệu hữu không thay ñổi trạng thái ta nhận ñược tỷ số: a Paraffin Cp ( T2 − T1 ) + L ( T2 ) Cp ( T2 − T1 ) (3-2) Trong ñó L(T2): nhiệt ẩn thay ñổi trạng thái nhiệt ñộ T2 Trong thực tế giá trị L(T2) lớn nhiều so với Cp(T2 – T1) Do ñó, chọn môi chất nóng chảy có giá trị nhiệt ẩn Footer Page of 126 Sáp paraffin có màu trắng, không mùi, không vị với nhiệt ñộ nóng chảy khoảng từ 47oC ñến 64oC (116,6oF ñến 147,2oF), có khối lượng riêng khoảng 0,9 g/cm3 Header Page of 126 11 12 Bảng 3.1 Các thông số số Paraffin CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ Số lượng nguyên Nhiệt ñộ nóng o Nhiệt ẩn nóng TÍCH TRỮ CẤP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG MÔI CHẤT NÓNG CHẢY tử Cacbon chảy ( C) chảy (kJ/kg) 24 50,6 255 4.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt ñộng trình tích trữ 25 49,4 238 nhiệt thiết bị 26 56,3 256 4.1.1 Cấu tạo mô hình thiết bị 27 58,8 236 28 60 220 29 63,4 240 30 65,4 251 b Chất phi paraffin Gương phản xạ Parabol trụ Ống lồng kính cách nhiệt b Kim loại 3.3.2.3 Eutectics 3.3.3 Lựa chọn môi chất nóng chảy sử dụng cho thu Ống vỏ chứa môi chất nóng chảy 3.3.2.2 Vật liệu vô a Muối hydrat cấp Hình 4.1 Mô hình thiết bị thu trữ cấp nhiệt xạ mặt trời Ống dẫn nước cần làm nóng Cơ cấu ñiều chỉnh gương quay tự ñộng theo hướng mặt trời Môi chất nóng chảy Van dẫn nước vào Van dẫn nước 4.1.2 Nguyên lý hoạt ñộng 4.1.3 Các trình tích trữ cấp nhiệt thiết bị Ở luận văn này, chọn Paraffin làm môi chất nóng chảy vì: - Khả ứng dụng phạm vi nhiệt ñộ lớn - Khả nóng chảy tương ñẳng - Khả 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 không phản ứng - Khả tái sử dụng 1) Quá trình τ ∈ (0 ÷ τc1) gia nhiệt môi chất lên ñến nhiệt ñộ tc 2) Quá trình τ ∈ (τc1÷ τc2) môi chất nóng chảy ñẳng nhiệt tc= const, chuyển từ pha rắn sang pha lỏng hoàn toàn Footer Page of 126 Header Page of 126 13 14 3) Quá trình τ ∈ (τc2÷ τm) gia nhiệt bổ sung ñể lỏng môi chất tăng - Gia nhiệt cho môi chất: dU = mCrdt nhiệt ñộ từ nhiệt ñộ nóng chảy tc lên nhiệt ñộ tm > tc với: m khối lượng môi chất, [kg] 4) Quá trình τ ∈ (τm÷ τ2) trình trữ nhiệt cấp nhiệt cho nước - Đun nóng ống dẫn nước: dU1=m1C1dt 4.2 Tính toán trình cấp nhiệt cho môi chất nóng chảy với: m1 khối lượng ống dẫn nước, [kg] 4.2.1 Phát biểu toán tính thông số trình - Đun nóng ống vỏ chứa môi chất: dU2=m2C2dt hình 4.3 Cần tìm hàm nhiệt ñộ t(τ)  ñặc trưng cho trình theo d d3 Rl = ln + ln + 2πλ k d 2πλ K d − 2δ3 πd 3α tất thông số ñã cho  W   m K 1) Gương Parabol ñược quay Do ñó, phương trình cân nhiệt trở thành: t - tf Ldτ ⇔ εDFEn sinωτdτ = mCpdt + ∑ mi Ci dt + Rl cho tia nắng vuông góc với mặt thu F = 2rL 2) Thiết bị ñược khởi ñộng (4-9) J với: ∑ mi Ci = m1C1 + m 2C2 ,   K  lúc τ= 0, lúc mặt trời mọc 3) Trời quang mây, có nắng Đặt T(τ) = t(τ) – tf gọi ñộ gia nhiệt ñưa dạng khoảng τ∈(0 ÷ τn/2=12h) tắc, phương trình (4-9) có dạng: với cường ñộ xạ tới mặt Ft E(τ) = Ensinωτ 4) Tại thời ñiểm τ, coi nhiệt ñộ hệ ñồng 5) Các thông số cho trước không ñổi thời gian ∆τ khảo sát 4.2.3 Tính toán trình gia nhiệt môi chất rắn 4.2.3.1 Xác ñịnh hàm nhiệt ñộ t(τ) gia nhiệt môi chất rắn Lập phương trình cân nhiệt cho hệ: Footer Page of 126  (4-8) với α hệ số tỏa nhiệt từ kính không khí,  4.2.2 Các giả thiết tính toán δQ1 = εDFEnsinωτdτ (4-6)  với: Rl nhiệt trở dẫn nhiệt 1m chiều dài trụ,  mK W môi chất tính thời gian với: (4-5) với: m2 khối lượng ống vỏ chứa môi chất, [kg] - Nhiệt truyền môi trường: δQ2 = t - t f Ldτ (4-7) Rl Cho thiết bị có kết cấu δQ1 = dU + dU1 + dU2 + δQ2 (4-4) (4-1) (4-2) L dT Rl εDFE n +T = sin ωτ dτ mCp + ∑ m iCi mCp + ∑ m iCi (4-10) εDFE n P K  = , mCp + ∑ mi Ci C  s  (4-11) Đặt a = L W 1  R b = l = ,  mCp + ∑ mi Ci C  s  (4-12) Header Page of 126 15 16 Phương trình cân nhiệt thành: T’(τ) + bT(τ) = asinωτ T(0) = (4-13) (4-14)  ( t − t ) Lωτ − mωrc  − ( tc − tf ) Lωτc2 cos( ωτc2 ) = cos( ωτc1 ) + c f c1 RlP P  RlP  (4-23) Có thể xác ñịnh τc2 ∈ (τc2 ÷ τn/2) phương pháp lặp 4.3 Tính toán trình trữ nhiệt Giải hệ trên, tìm ñược hàm phân bố nhiệt ñộ môi chất hộp thu gương parabol trụ gia nhiệt là:     − bτ a ω e   , t ( τ) = t f + sin  ωτ − arctg  +   b   b +ω  b 1+      ω   Vì số hạng cuối tổng e − bτ  b  1+   ω 4.3.1 Thiết kế cách nhiệt cho ống chứa môi chất nóng chảy Phương pháp cách nhiệt ống chứa môi (4-16) chất dùng lớp không khí tĩnh bọc ống môi chất, ñược ngăn cách ống kính gắn cố ñịnh ống lồng có thông số bỏ qua τ > 2h d4L, ρ4δ4λ4C4, hệ số hấp thụ ε4 bọc 4.3.2 Tính toán cách nhiệt cho ống chứa môi chất nóng chảy Khi tính cách nhiệt cho ống, ta tính ñiều kiện chưa Do ñó viết lại hàm phân bố nhiệt ñộ môi chất hộp thu gương parabol trụ gia nhiệt là: a ω  t ( τ) = tf + sin  ωτ − arctg  b  b +ω sử dụng nhiệt, tức không cho nước vào ống dẫn nước ñể cấp nhiệt 4.3.2.1 Tính tổn thất nhiệt từ ống lồng môi trường bên (4-17) Lượng nhiệt tổn thất từ ống môi trường là: Q tt = q l L = 4.2.3.2 Tính thời ñiểm môi chất bắt ñầu nóng chảy τc1 Giải phương trình T(τ) = tc – tf = Tc a ω  hay: sin ωτ − arctg =T b +ω 2    b (4-18) c  T b + ω2 τn  arcsin  c  2π  a    ω  + arctg   b   4.2.4 Tính toán trình nóng chảy môi chất Lập phương trình cân nhiệt: δQ1 = rc dm + δQ2 Xác ñịnh ñược τc2 nghiệm phương trình: Footer Page of 126 Với R = ln d + ltt 2πλ k d2 (4-24)  mK  ,  πd 4α tt  W  (4-25) 4.3.2.2 Xác ñịnh thời gian bảo quản τo Tìm ñược thời ñiểm môi chất bắt ñầu nóng chảy: τc1 = tc − tf L R ltt (4-19) Từ phương trình cân nhiệt: Qttτo = mrc (4-26) Do ñó, thời gian bảo quản τo là: τ o = mrc (4-27) Q tt 4.4 Tính toán trình cấp nhiệt cho nước 4.4.1 Tính cấp nước nóng Giả thiết hộ tiêu thụ cần nước nóng có nhiệt ñộ tn với nhiệt ñộ nước vào nhiệt ñộ môi trường tf Header Page of 126 17 18 4.4.1.1 Xác ñịnh lưu lượng Gn nước 4.5 Tính toán thông số thiết bị mẫu tích trữ cấp nhiệt Từ phương trình cân nhiệt cho nước: α n ( t c − t n −f ) πd1L = G n C pn ( t n − t f ) Tìm ñược lưu lượng Gn nước qua ống d1 là: t +t   α n  t c − n f  πd1L α ( t − t ) πd1L  ,[kg/s] =  G n = n c n −f Cpn ( t n − t f ) Cpn ( t n − t f ) lượng mặt trời (4-28) 4.5.1 Mô tả thiết bị thông số chọn trước Bảng 4.1 Các thông số chọn trước thiết bị mẫu (4-29) 4.4.1.2 Xác ñịnh lượng nước nóng thu ñược thời gian cấp Tên chi tiết Parabol Vật liệu Inox Ống dẫn nước Đồng Ống chứa môi chất Đồng Ống lồng kính Thủy tinh Môi chất nóng chảy Paraffin Môi trường xung quanh Không khí nước nóng Từ phương trình cân nhiệt: mrc = MnCpn (tn – tf) mrc Tìm ñược: M = , [kg] n C pn ( t n − t f ) M ∆τ n = n , [s] Gn (4-30) (4-31) (4-32) 4.4.2 Tính cấp nước sôi 4.4.3 Tính cấp bão hòa khô 4.4.3.1 Xác ñịnh lưu lượng Gh qua ống d1 Từ phương trình truyền nhiệt: αηn ( t c − t s ) πd L = G h C pn ( t s − t f ) + rh  (4-36) với rh nhiệt ẩn hóa nước, rh = 2257kJ/kg suy ra: G h = α hn ( t c − t s ) πd L ,[kg] C pn ( t s − t f ) + rh (4-37) 4.4.3.2 Xác ñịnh lượng bão hòa thu ñược thời gian cấp bão hòa mrc ,[kg] Mh = C p ( t s − t f ) + rh ∆τh = Footer Page of 126 M h ,[s] Gh (4-39) (4-40) Tên thông số Rộng Dài Hệ số phản xạ Đường kính Dày Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Hệ số dẫn nhiệt Đường kính Dày Độ ñen Đường kính Dày Hệ số dẫn nhiệt Độ 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 trung bình Cường ñộ BXMT trung bình Ký hiệu r L R d1 δ1 ρ1 C1 λ1 d2 δ2 ε d3 δ3 λ3 D εK = – D ρ Cp tc rc λ tf λk ω En Giá trị 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 940W/m2 4.5.2 Tính hệ số tỏa nhiệt phức hợp từ ống kính d3 môi trường không khí α = 17,02 W/m2K 4.5.3 Tính thông số kỹ thuật thiết bị mẫu (Các thông số kỹ thuật thiết bị mẫu ñược thể bảng 4.2 trang 64 luận văn) Header Page 10 of 126 19 20 a Tính hệ số tỏa nhiệt từ mặt ống d1 ñến nước 4.5.4 Tính thông số ñặc trưng thiết bị mẫu α= 4.5.4.1 Tính trình gia nhiệt môi chất Bảng 4.3 Các thông số ñặc trưng thiết bị mẫu gia nhiệt môi chất Thông số Công thức tính Tính toán Giá trị T Độ gia nhiệt a Tmax = 0, 0081 b +ω 2 max ảo b Các thông số ñặc trưng thiết bị cấp nhiệt cho nước Bảng 4.4 Các thông số ñặc trưng thiết bị mẫu cấp nhiệt cho nước T Nhiệt ñộ tmax = Tmax + tf ( 3,34.10 ) + ( 7, 272.10 ) −5 −5 T T 101oC 131oC 101 + 30 max gia nhiệt ảo 0,6535 0,54.( 4594484 ) = 817 W/m K 0,02 Thời ñiểm Công thức (4-19) môi chất bắt 24 [arcsin 2π +arctg ñầu nóng 30 (3,34.10 ) + ( 7, 272.10 ) 7, 272.10−5 3,34.10−5 −5 −5 0,0081 ] 5,51h Công thức tính Thông số Lưu lượng nước Gn Lượng nước nóng Mn Khoảng thời gian ∆τn Hiệu suất thiết bị Gn = Tính toán  t +t  α n  t c − n f  πd1L   Cpn ( t n − t f ) Giá trị  50 + 30  817  60 −  π.0, 02.1, 25   4180 ( 50 − 30 ) 0,0153kg/s =0,92kg/phút = 55,3kg/h Mn = mrc Cpn ( t n − t f ) 34,9.220000 4180 ( 50 − 30 ) 91,8kg ∆τn = Mn Gn 91,8 0, 0153 6003s = 1,67h η TB = M n C pn ( t n − t f En ) τ Fh n π η TB = 91,8.4180 ( 50 − 30 ) 940.1 29,7% 24 3600 π chảy τc1 τc2 nghiệm cos X = -0,5781 – 0,1236X môi chất phương trình 2π τc2 với X = ωτc2 = τn nóng chảy (4-23) Thời ñiểm CHƯƠNG : LẬP MÔ HÌNH, KIỂM NGHIỆM, SO SÁNH 10,43h 5.1 Mục ñích thực nghiệm nguyên lý thực nghiệm 5.1.1 Mục ñích thực nghiệm hoàn toàn τc2 Hiệu suất VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ TRỮ NHIỆT ηT = m Cp ( t c − t f ) + rc  En tích nhiệt τn Fh π ηT = 34,9  2150 ( 60 − 30 ) + 220000  24 940 .1 .3600 π 38,4% thiết bị 4.5.4.2 Tính trình trữ nhiệt môi chất Giả sử dùng ống kính d3 tìm ñược thời gian bảo quản τo= 1,42 ngày nên không cần bố trí ống lồng cách nhiệt bên 4.5.4.3 Tính trình cấp nhiệt cho nước Chọn nhiệt ñộ nước yêu cầu tn = 50oC với nhiệt ñộ nước ñầu vào ống d1 xem nhiệt ñộ môi trường tf = 30oC Footer Page 10 of 126 Đo thông số thực mô hình thực nghiệm ñể so sánh với thông số tính toán ñược thiết lập chương 5.1.2 Nguyên lý thực nghiệm 5.2 Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm 5.2.1 Thiết kế mô hình thực nghiệm Mô hình thực nghiệm ñược thiết kế có kết cấu ñồng dạng với mô hình thiết bị mẫu mục 4.5 Header Page 11 of 126 21 22 Bảng 5.1 Các thông số kết cấu mô hình thực nghiệm Tên chi tiết Parabol Ống dẫn nước Vật liệu Inox Đồng Ống chứa môi chất Đồng Ống lồng kính Thủy tinh Môi chất nóng chảy Paraffin Tên thông số Rộng Dài Hệ số phản xạ Đường kính Dày Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Hệ số dẫn nhiệt Đường kính Dày Độ ñen = Hệ số hấp thụ Đường kính Dày Hệ số dẫn nhiệt Độ Độ ñen ống kính Khối lượng riêng Nhiệt dung riêng Nhiệt ñộ nóng chảy Nhiệt ẩn nóng chảy Hệ số dẫn nhiệt Ký hiệu r L R d1 δ1 ρ1 C1 λ1 d2 δ2 ε d3 δ3 λ3 D εK = – D ρ Cp tc rc λ Giá trị 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 900kg/m3 2150 J/kgK 60oC 220000J/kg 0,17W/mK Cường ñộ xạ mặt trời lấy theo trị số trung bình Đà 5.3 Tính toán thông số kỹ thuật ñặc trưng mô hình thực nghiệm (Các thông số kỹ thuật mô hình thực nghiệm ñược thể bảng 5.2 trang 73 luận văn) Bảng 5.3 Các thông số ñặc trưng mô hình thực nghiệm TT Tên thông số Thời ñiểm paraffin bắt ñầu nóng chảy τc1 Thời ñiểm paraffin nóng chảy hoàn toàn τc2 Giá trị 0,92h (Tính bên dưới) 1,93h (Tính tương tự mục 4.5.4.1) Thời gian bảo quản τo Lưu lượng nước Gn Lượng nước nóng Mn Khoảng thời gian ∆τn τo = 9156 giây = 2,54 0,91.220000 21,86 4,3.10-3 kg/s = 0,26kg/phút = 15,47kg/h 50 + 30   1143  60 − π.0, 01.0,5   Gn = 4180 ( 50 − 30 ) Nẵng 940W/m Thông số không khí ñược ño vào mùa hè, lấy trung bình Tính toán Mn = ∆τn = 2,39kg 0,91.220000 4180 ( 50 − 30 ) 556s = 9,3 phút 2,39 4,3.10−3 5.4 Thực nghiệm mô hình tf = 30 C, có hệ số dẫn nhiệt λk = 0,03W/mK, trời không mây, gió 5.4.1 Cài ñặt thí nghiệm Đông Nam có tốc ñộ trung bình ω = 4,0 m/s 5.4.2 Thực nghiệm trình gia nhiệt cho Paraffin, so sánh với 5.2.2 Chế tạo mô hình thực nghiệm tính toán o 70 60 Nhiet (do C) 50 Nhiet tinh toan Nhiet thuc te 40 30 20 10 10 20 30 40 50 55 60 65 70 80 Thoi gian (phut) 90 100 110 116 132 Hình 5.4 Đồ thị biểu diễn trình gia nhiệt Paraffin Footer Page 11 of 126 Header Page 12 of 126 23 24 Lượng nước nóng 50oC thực tế thu ñược là: * Nhận xét: Các số liệu thực nghiệm so với tính toán lý thuyết sai M ntt = G nTN ∆τ nTN = 4,15.10−3.540 = 2,24kg số nhỏ, trung bình sai số giai ñoạn 12,3% Vậy so với lượng nước nóng thu ñược theo tính toán lý 5.4.3 Thực nghiệm trình trữ nhiệt cho Paraffin, so sánh với thuyết 2,39kg, lượng nước nóng thực tế thu ñược 0,15 kg, tính toán Sau Paraffin vừa nóng chảy xong, không cho nước vào, bắt ñầu ño khoảng thời gian mà nhiệt ñộ Paraffin nhiệt ñộ nóng sai số 6,3% 5.4.5 Hiệu suất mô hình thực nghiệm o chảy 60 C ñến nhiệt ñộ Paraffin vừa giảm xuống ηTB = 60oC Khoảng thời gian thời gian trữ nhiệt Paraffin - Theo tính toán: η = 199804 = 30% TBTT 70 60 665254 187264 - Theo thực nghiệm: η = = 28% TBTN 666468 50 Nhiet (do C) Q ttru ,% Qcc Nhiet thuc te Nhiet tinh toan 40 30 Suy sai số tính toán thực nghiệm 6,7% 20 5.4.6 Tổng kết sai số tính toán thực nghiệm 10 0.5 1.5 Thoi gian (gio) 2.35 2.54 Hình 5.5 Đồ thị biểu diễn trình trữ nhiệt Paraffin * Nhận xét: Theo quan sát, khoảng thời gian trữ nhiệt thực tế Bảng 5.5 Bảng so sánh số liệu kỹ thuật theo tính toán thực nghiệm Theo tính toán Theo thực nghiệm Sai số (%) Thời ñiểm Paraffin bắt ñầu nóng chảy 0,92h 1,08h 15,4 Thời ñiểm Paraffin nóng chảy hoàn toàn 1,93h 2,2h 12,3 Thời gian trữ nhiệt cho Paraffin 2,54h 2,35h 8,1 Lượng nước nóng thu ñược 2,39kg 2,24kg 6,3 Hiệu suất mô hình thực nghiệm 30% 28% 6,7 TT Thông số Paraffin so với tính toán 11,4 phút, sai số 8,1% 5.4.4 Thực nghiệm trình Paraffin cấp nhiệt cho nước, so sánh với tính toán 60 G nTT = 4,3.10−3 kg / s Nhiet (do C) 50 G nTN = 4,15.10−3 kg / s Nhiet tinh toan paraffin Nhiet thuc te paraffin nhiet tinh toan nuoc nhiet thuc te nuoc 30 Thoi gian (phut) 9.3 Hình 5.7 Đồ thị biểu diễn trình Paraffin cấp nhiệt cho nước Footer Page 12 of 126 Nhận xét chung: Sai số chủ yếu xảy trình gia nhiệt Paraffin trình bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố bên Header Page 13 of 126 25 26 Như vậy, kết luận công thức tính toán ñược thiết lập xác, tạo sở tính toán thiết kế KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Xuất phát từ ñịnh luật bảo toàn lượng, dựa giả thiết bị tích trữ nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy 5.5 Tính hiệu kinh tế, môi trường thiết bị tích trữ cấp thiết ban ñầu ñặc tính môi chất nóng chảy ñã xác lập ñược lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy hàm nhiệt ñộ tức thời t(τ) môi chất gia nhiệt chuyển pha 5.5.1 Tính kinh tế ñể suy công thức tính thời ñiểm nóng chảy τc1, thời ñiểm nóng Việc tính toán hiệu kinh tế thiết bị tích trữ nhiệt mặt trời luận văn tính cho thiết bị mẫu ñược thiết lập mục 4.5 chảy hoàn toàn τc2, thời gian bảo quản nhiệt τo, thông số G, M, ∆τ chất tải nhiệt thông số khác thiết bị Đã chế tạo thực nghiệm thiết bị với kết ño lường - Thời gian trữ nhiệt 1,42 ngày o - Lượng nước nóng 50 C thu ñược: 91,8 kg phù hợp với tính toán lý thuyết Như ñộ xác tin cậy - Hiệu suất thiết bị 29,7% công thức ñã ñược chứng minh Số tiền thiết bị tạo sau năm là: 16.753.500vnñ Điều ñó mở khả sản xuất hàng loạt mô ñun Với thiết bị tích trữ cấp nhiệt xạ mặt trời có diện tích hứng nắng 1m2 dùng gương Parabol trụ với môi chất nóng chảy ñể dùng sản xuất Paraffin cung cấp sản lượng nước nóng 91,8 kg/ngày 5.5.2 Tính môi trường (ở 50oC), thời gian tích trữ ngày ñêm Do ñó, lắp ghép Việc ứng dụng lượng sạch, sẵn có, ñặc biệt lượng mặt trời ñang yêu cầu cần thiết nhiều mô ñun với môi chất nóng chảy hợp lý tạo thành hệ thống lớn sử dụng tốt sản xuất với nhiều nhu cầu sử dụng khác nước nóng, nước sôi, bão hòa, nhiệt… Kiến nghị Việc sử dụng môi chất nóng chảy làm chất tích trữ nhiệt hệ thống tích trữ lượng mặt trời lựa chọn hợp lý không ổn ñịnh thời tiết thời gian ngày ñêm Vì vậy, cần ñầu tư nghiên cứu sâu loại môi chất nóng chảy ñể thiết kế thiết bị phù hợp, tạo hiệu cao Ngoài ra, cần nghiên cứu thêm trình nhiệt lỏng môi chất ñể tận dụng hết lượng xạ mặt trời ñến cuối ngày, nâng cao hiệu suất thiết bị Footer Page 13 of 126  ... THIẾT KẾ nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy" THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NHIỆT MẶT TRỜI DÙNG MÔI CHẤT Mục tiêu nghiên cứu NÓNG CHẢY + Nghiên cứu lập sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ lượng nhiệt mặt. .. THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG GƯƠNG PHẢN XẠ Chương 3: CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG NHIỆT MẶT TRỜI "Nghiên cứu sở tính toán thiết kế thiết bị tích trữ lượng Chương 4: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT... 5.5 Tính hiệu kinh tế, môi trường thiết bị tích trữ cấp thiết ban ñầu ñặc tính môi chất nóng chảy ñã xác lập ñược lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy hàm nhiệt ñộ tức thời t(τ) môi chất