Hiệu suất của bộ thu kiểu ống nhiệt tấm phẳng
Nhiệt lợng 1 ống nhiệt nhận đợc:
Với F a là diện tích hấp thụ của một ống nhiệt.
Giả sử rằng không có tổn thất nhiệt giữa phần ngng với môi trờng bên ngoài, thì nhiệt lợng truyền cho nớc sẽ là.
Nếu không tính đến nhiệt trở của dòng hơi và chất lỏng trong ống nhiệt, nhiệt độ của chất lỏng trong ống sẽ đồng nhất Do đó, năng lượng mà nước nhận được trên mỗi đơn vị chiều dài của phần ngưng trong ống nhiệt sẽ được xác định khi dòng nước đi qua.
Trong đó : F c là diện tích bên ngoài phần ngng; K c là hệ số truyền nhiệt từ bề mặt phần ngng đến nớc cần gia nhiệt.
Giải phơng trình trên ta tìm đợc nhiệt độ của nớc đi qua phần ng- ng của một ống nhiệt.
Trong đó nhiệt độ hơi trong ống nhiệt đợc tính theo công thức sau, [59].
Đối với bộ thu sử dụng n ống nhiệt, nhiệt độ ra của vòng tuần hoàn nước (θ o) có thể được tính toán thông qua việc giải các phương trình liên quan Kết quả thu được từ quá trình này là rất quan trọng cho việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Hiệu suất của bộ thu đợc tính theo công thức sau
Thế các công thức (2.18), (2.21a) và (2.22) vào công thức (2.24) ta có:
Xác định các đại lợng
Hệ số tổn thất toàn phần đợc tính nh sau:
- K b là hệ số tổn thất nhiệt ở bề mặt bên của bộ thu, W / m 2 K a Hệ số tổn thất nhiệt ở bề mặt trên của bộ thu K t
Hệ số tổn thất nhiệt qua bề mặt trên của bộ thu năng lợng mặt trời kiểu ống nhiệt tấm phẳng đợc tính theo công thức (2.27), [67].
Với: N là số lớp kính W / m
T p là nhiệt độ trung bình của tấm hấp thụ, K T a là nhiệt độ môi trờng xung quanh, K α w là hệ số toả nhiệt đối lu do gió,
A p và A g là độ đen của bề mặt hấp thụ và ống thuỷ tinh. b Hệ số tổn thất nhiệt ở bề mặt dới của bộ thu K d
Trong đó: - λ là hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt, W / m.K
- δ là chiều dày của lớn cách nhiệt, m c Hệ số tổn thất nhiệt ở các bề mặt bên của bộ thu K b
Hệ số này có giá trị nhỏ có thể bỏ qua.
Tính chọn kích thớc của bộ thu
Kích thước của bộ thu cần được chọn hoặc tính toán để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và khả năng hấp thụ, đồng thời đáp ứng yêu cầu về cấp nhiệt Việc xác định kích thước phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động của bộ thu.
- Đờng kính ống nhiệt, d hp
- Chiều rộng cánh nhận nhiệt, L P
- Chiều dài phần ngng tụ của ống nhiệt, L c
- Chiều dài phần sôi của ống nhiệt, L e
Đường kính ống nhiệt d hp ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời Nếu d hp lớn, diện tích hấp thụ và nhận nhiệt của môi chất sẽ tăng, từ đó nâng cao hiệu suất Tuy nhiên, khi d hp tăng quá mức, nhiệt dung C của hệ bộ thu cũng tăng, dẫn đến tốc độ gia nhiệt giảm và kết cấu bộ thu trở nên cồng kềnh, không kinh tế Việc lựa chọn đường kính ống nhiệt còn phụ thuộc vào các kích thước thông dụng có sẵn trên thị trường, và hầu hết các nhà chế tạo thường chọn d hp khoảng mm.
- Xác định chiều rộng của cánh L P
Theo công thức tính hiệu suất cánh
Hiệu suất cánh chọn η f = 98 % , tra đồ thị ta có mL P = 0,25
Cánh làm bằng đồng cóλ = 385 W / mK [43];δ = 0,001 m ; K tt = 10 W / m 2 K
Theo khuyến nghị của các tác giả Л.Л.Bacильев, Л.П.Гракоvич và Д.К.Хрусталев (1988), khi thiết kế bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt với đường kính phần ngng bằng đường kính phần sôi, cần chọn tỷ số chiều dài phần ngng trên chiều dài ống nhiệt một cách hợp lý.
Năng lợng Hàn Quốc (Korea Institute of Energy Research) đã chế tạo bộ thu
NLMT kiểu ống nhiệt với tỷ số F c = 0,2 [38] Trong luận án này chúng tôi
Bộ thu Năng lợng mặt trời kiểu ống nhiệt ống chân không
Cấu tạo của bộ thu
Bộ thu kiểu ống nhiệt chân không bao gồm ống thuỷ tinh hình trụ được hút chân không, bên trong có phần sôi của ống nhiệt và tấm hấp thụ Phần ngưng của ống nhiệt được bố trí để trao đổi nhiệt với nước Nước cần gia nhiệt được đưa vào ống góp, nơi nó nhận nhiệt từ phần ngưng tụ của ống nhiệt, sau đó nước nóng sẽ được đưa về bình chứa.
Hình2.6: Bộ thu NLMT dạng ống nhiệt ống chân không có gơng phản xạ
Phơng trình cân bằng năng lợng
Chúng ta sẽ phân tích cách tính hiệu suất của ống nhiệt được bao phủ bằng ống thủy tinh và có gương phản xạ Mặt hứng nắng của ống nhiệt có bề rộng W và chiều dài nhất định.
Tấm hấp thụ có chiều rộng 2L p được bao quanh bởi ống thủy tinh với đường kính trong d i và đường kính ngoài d o Luồng nước chảy qua ống góp G, với nhiệt dung riêng C p, nhiệt độ chất lỏng vào là T i và nhiệt độ chất lỏng ra là T o.
Giả định rằng ảnh phản xạ của tia trực xạ luôn hội tụ trên một đường thẳng dọc theo chiều dài của ống nhiệt, thực tế chiều dài của ống dài hơn gương phản xạ khoảng 10%, và cường độ ảnh phản xạ không đồng đều trên toàn bộ chiều dài tấm hấp thụ Để đơn giản hóa tính toán, chúng ta coi ảnh phản xạ hội tụ trên tấm hấp thụ bằng chiều dài của gương, đồng thời giả thiết rằng sự sai khác nhiệt độ giữa ống kính và tấm hấp thụ là không đáng kể và có thể bỏ qua.
Các bước tính toán trong trường hợp này tương tự như khi thực hiện với bộ thu phẳng Đầu tiên, cần tính toán nhiệt lượng hữu ích của ống nhiệt.
Năng lượng hấp thụ tại phần sôi của ống nhiệt được truyền cho nước chảy ở phần ngưng tụ, tuy nhiên, một phần năng lượng sẽ bị thất thoát ra ngoài ở khu vực sôi.
Phơng trình cân bằng năng lợng cho ống nhiệt ống chân không có dạng [34]:
Năng lợng hiệu ích của một ống nhiệt đợc tính theo công thức [34]
- F c là diện tích hấp thụ hiệu quả của ống nhiệt, m 2
- T v là nhiệt độ của hơi trong ống nhiệt, K
- T l là nhiệt độ trung bình của nớc cần gia nhiệt, K
R C là tổng nhiệt trở của phần ngng tụ trong ống nhiệt, bao gồm nhiệt trở của màng ngng, nhiệt trở của thành ống và nhiệt trở đối lưu giữa bề mặt ngoài của phần ngng và nước cần gia nhiệt, tính bằng K/W.
R E là tổng nhiệt trở giữa phần sôi của ống nhiệt và không khí bên ngoài, bao gồm các yếu tố như nhiệt trở tỏa nhiệt khi sôi, nhiệt trở của thành ống phần sôi, và nhiệt trở bức xạ giữa tấm hấp thụ và thành trong của ống thủy tinh Ngoài ra, nhiệt trở thành ống thủy tinh và nhiệt trở của ống thủy tinh với môi trường xung quanh cũng cần được tính đến, bao gồm cả nhiệt trở do đối lưu và bức xạ, với đơn vị tính là K/W.
Từ (2.29) và (2.30) ta có thể tính năng lợng hiệu ích của một ống nhiệt theo
Hiệu suất của bộ thu ống nhiệt ống chân không
Hệ số nhận nhiệt của bộ thu Γ R được xác định là tỷ lệ giữa năng lượng có ích thực tế nhận được và năng lượng có ích lý thuyết nhận được.
Trong đó F ct là diện tích của bộ thu; R et là tổng nhiệt trở của bộ thu với không khí xung quanh.
Giải các phơng trình trên ta đợc hệ số nhận nhiệt của bộ thu Γ = R G
Từ (2.33) ta có thể tính năng lợng hiệu ích của bộ thu theo công thức:
Hiệu suất tức thời của bộ thu đợc tính theo công thức
Xác định các đại lợng
a Nhiệt trở của bộ thu với không khí xung quanh
Trong các công thức trên R et là tổng nhiệt trở của ống nhiệt với không khí xung quanh, đợc tính theo công thức sau [34].
Với: - R t là nhiệt trở giữa nớc và diện tích bên ngoài, K / W
- R E là nhiệt trở phần sôi của ống nhiệt, K / W
- Γ' hệ số hiệu quả của ống nhiệt. b Hệ số tổn thất nhiệt toàn phần của 1 ống nhiệt.
Hệ số tổn thất toàn phần của một ống nhiệt đợc tính nh sau, [9], [43]:
- α w là hệ số toả nhiệt đối lu của ống trụ trơn với không khí bên ngoài,
Với hệ số Nu tính theo công thức
- α r ,c − a là hệ số tuyến tính xét đến ảnh hởng bức xạ giữa ống thuỷ tinh và môi trờng, W / m 2 K α r ,c−a = Aσ ( T c
Với nhiệt độ hiệu dụng của bầu trời T s = 0,0552.T a 1,5
- α r ,r − c là hệ số toả nhiệt bức xạ qui dẫn do bức xạ giữa bề mặt hấp thụ và ống thuỷ tinh, W / m 2 K
-α c,r −c là hệ số trao đổi nhiệt đối lu giữa tấm hấp thụ và ống thuỷ tinh,
Trong trờng hợp giữa ống thuỷ tinh và tấm hấp thụ là môi trờng chân không thì chúng ta có thể bỏ qua thành phần này.
Tính chọn kích thớc của bộ thu
Các kích thước của bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt ống chân không bao gồm đường kính ống nhiệt, chiều rộng cánh, chiều dài phần ngưng và chiều dài phần sôi, được tính toán tương tự như bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt tấm phẳng Đường kính ống thủy tinh và chiều rộng gương trụ phản xạ cũng được xác định theo cách tương tự.
Để xác định đường kính trong của ống thủy tinh d1, cần lưu ý rằng ống thủy tinh có vai trò tạo hiệu ứng nhà kính và cách nhiệt cho ống nhiệt Thông thường, cánh hấp thụ được chế tạo sao cho khít vào ống thủy tinh với đường kính d1, cụ thể là: d1 = d + 2.LP = 10 + 2 × 40 = 100 mm.
Ống thuỷ tinh được nhập khẩu từ Trung Quốc và cần đặt hàng theo sản phẩm có sẵn trên thị trường Trong thiết kế này, ống thuỷ tinh có đường kính trong là 96 mm và đường kính ngoài là 100 mm.
- Chiều rộng của gơng trụ phản xạ W Chiều rộng W đợc tính chọn theo công thức W ≤ ( d hp + 2.L P ) ( 1 + 2 ) , [12].
Lập chơng trình tính toán
Để giảm bớt khối lượng tính toán trong việc kiểm tra và thiết kế bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt tấm phẳng và ống chân không, chúng tôi đã phát triển phần mềm hỗ trợ tính toán bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt “HQ-1” Phần mềm này cho phép tính toán nhanh chóng các thông số đặc trưng của bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt.
2.3.1 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình
Dựa trên các công thức tính toán bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt tấm phẳng và ống nhiệt chân không, phần mềm “HQ-1” đã được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB R2006b MATLAB là một công cụ mô phỏng phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và đã trở thành phần mềm tính toán kỹ thuật hàng đầu.
Để phát triển chương trình tính toán, việc xây dựng các thuật toán và lu đồ thuật toán là rất quan trọng Dựa trên các nghiên cứu lý thuyết, chúng tôi đã thiết kế được lu đồ thuật toán, được trình bày chi tiết trong hình 2.8.
Dữ liệu thông số bộ thu chuÈn
NhËp hoặc thay đổi thông sè bé thu
Khởi động chơng trình Đọc dữ liệu
Tính toán các thông số đặc trng của bộ thu
Dữ liệu thông số làm việc của bộ thu §
H× nh 2.8 : L- u đồ thu Ët toán chơng tr×nh chÝnh
Các dữ liệu đầu vào của ch- ơng trình đợc trình bày trong bảng 2.1 và bảng 2.2.
Bảng 2.1: Thông số của bộ thu
Hệ số dẫn nhiệt của cánh 5 Đờng kính phần sôi của ống nhiệt 6 Đờng kính phần ngng của ống nhiệt 7
Chiều dài phần sôi của ống nhiệt 8
Chiều dài phần ngng của ống nhiệt 9
Chiều dày lớp cách nhiệt 11
Hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt 12
Sè líp kÝnh 13 Độ đen của kính 14
Hệ số xuyên qua của kính 15 Độ dày của kính 16
Hệ số dẫn nhiệt của kính 17 §êng kÝnh èng thuû tinh
Bảng 2.2: Thông số làm việc của bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt
1 Cờng độ bức xạ mặt trời
Nhiệt độ nớc vào bộ thu
5 Lu lợng nớc qua bộ thu
Các thông số cần tính toán bằng phần mềm đợc trình bày trong bảng 2.3 Bảng 2.3: Các thông số cần tính toán
STT Đơn vị Ghi chú
H×nh2.9: Giao diện chÝnh phÇn mÒm tÝnh toán bộ thu ống nhiệt
Hình2.10: Giao diện phần mềm tính toán bộ thu ống nhiệt tấm phẳng
Hình2.11: Giao diện phần mềm tính toán bộ thu ống nhiệt ống chân không
2.3.4 Kết quả tính toán bằng phần mềm
Hình2.12: So sánh hiệu suất của hai loại bộ thu bằng phần mềm tính toán
Hình2.13: So sánh kết quả tính toán từ phần mềm với hiệu suất của bộ thu của Viện nghiên cứu Năng lợng Hàn Quốc (KIER)
- Từ đồ thị hình ở 2.12 ta thấy, khi sử dụng ở vùng có nhiệt độ làm việc càng cao, tức là ở vùng có giá trị ( T i − T a
) càng lớn, thì bộ thu năng lợng mặt
Bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt ống chân không có hiệu suất cao hơn so với bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt tấm phẳng, điều này hoàn toàn phù hợp với các phân tích lý thuyết đã nêu.
Bộ thu kiểu ống nhiệt ống chân không giúp giảm đáng kể tổn thất nhiệt do đối lưu ở phần sôi, với giá trị tổn thất nhiệt toàn phần chỉ đạt K tt = 8 W/m².K Trong khi đó, tổng tổn thất nhiệt của bộ thu dạng tấm phẳng cao hơn, đạt K tt = 11,2 W/m².K.
So sánh hiệu suất của bộ thu ống nhiệt ống chân không giữa phần mềm tính toán và Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc cho thấy độ sai lệch chỉ từ 3 đến 5% Công nghệ chế tạo hiện đại của Viện giúp duy trì chân không tốt (10 − 2 Pa) và sử dụng hàn laser giữa cánh hấp thụ và ống nhiệt, tạo điều kiện cho khả năng truyền nhiệt hiệu quả Kết quả này chứng minh rằng các thông số tính toán của bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt bằng phần mềm HQ-1 là đáng tin cậy.
Nghiên cứu thực nghiệm bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt
Mục tiêu của nghiên cứu thực nghiệm là phát triển bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt có kích thước và lượng nạp hợp lý, đạt hiệu suất cao và thời gian khởi động nhanh, phù hợp với yêu cầu công nghệ và giá thành tại Việt Nam Để đảm bảo tính chính xác của kết quả, nhiều thí nghiệm đã được thực hiện với các phương án khác nhau.
3.1 ảnh hởng của lợng nạp đến chế độ khởi động của ống nhiệt.
Nhiều nghiên cứu về ống nhiệt đã chỉ ra rằng lượng chất lỏng nạp vào ống nhiệt ảnh hưởng đến chế độ làm việc và hiệu suất của nó Hầu hết các tác giả khuyến cáo tỷ lệ nạp chất lỏng nên đạt khoảng 30% Theo Trần Văn Vang (2004), tỷ lệ nạp tối ưu cho ống nhiệt trọng trường với bộ tách dòng kiểu giao thoa sử dụng nước làm môi chất là 40% ở nhiệt độ 60°C và 45% ở nhiệt độ 90°C.
Trong nghiên cứu này tác giả đã tiến hành thí nghiệm trên 4 ống nhiệt có 4 tỷ số nạp khác nhau là: 20%, 30%, 40% và 50%.
Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của lượng nạp đến chế độ làm việc của ống nhiệt được thực hiện trên 04 ống nhiệt HP1, HP2, HP3, HP4 với tỷ số nạp lần lượt là 20%, 30%, 40% và 50% Các ống nhiệt được đặt nghiêng 30 độ so với mặt đất, có kích thước đồng nhất: phần bay hơi có đường kính 10mm và chiều dài 1800mm, phần ngưng tụ có đường kính 22mm và chiều dài 100mm Phần sôi được đặt trong ống thủy tinh có đường kính 100mm và chiều dài 2000mm.
Để giảm tổn thất nhiệt do đối lưu, quá trình thí nghiệm sử dụng phương pháp hút chân không, duy trì độ chân không trong ống Môi chất sử dụng trong ống nhiệt là nước cất, được hút chân không trước khi nạp Tấm hấp thụ được phủ sơn đen chọn lọc Thurmaxlox.
250 của Đức có hệ số hấp thụ A ≥ 0,92
Mỗi ống nhiệt được trang bị 5 cặp nhiệt kiểu K, được đánh số từ TC1 đến TC5 Các cặp nhiệt này có đường kính 0,1mm và chiều dài 2000mm, trong đó phần đầu dài 5mm được gắn chắc chắn lên bề mặt cần đo và được cố định bằng băng keo bạc chịu nhiệt Dữ liệu từ các cặp nhiệt được kết nối với hệ thống thu thập dữ liệu Multi Data Acquisition System 20 kênh của KEITHLEY (Đức) để truyền tải vào máy tính Phần ngừng được làm mát tự nhiên bằng không khí xung quanh.
Sơ đồ thí nghiệm đợc bố trí nh hình 3.1.
Hình 3.1: – (a) Sơ đồ bố trí thiết bị đo; - (b) Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Để đảm bảo cường độ bức xạ đều và ổn định cho các ống nhiệt trong suốt quá trình thí nghiệm, chúng tôi đã sử dụng 16 đèn Halogen loại 64480 KL của hãng OSRAM (Đức), với cường độ bức xạ đạt 900 W/m².
3.1.2 Kết quả thí nghiệm và nhận xét
Nghiên cứu cho thấy lượng môi chất nạp trong ống nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến thời gian khởi động và sự thay đổi nhiệt độ của phần ngưng tụ Kết quả thực nghiệm về biến thiên nhiệt độ trong chế độ khởi động với các lượng nạp khác nhau, từ 20% đến 50%, được trình bày chi tiết trong các bảng 3.1 đến 3.5 và đồ thị 3.2 đến 3.6.
Hình 3.2: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 20%.
Trong 30 giây đầu tiên, nhiệt độ trung bình của 4 đầu đo tại phần ngng của ống nhiệt HP1 tăng nhanh chóng, sau đó ổn định trong khoảng từ 79 đến 82 độ C.
Bảng 3.1: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 20% τ
Hình 3.3: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 30%
Nhiệt độ trung bình của 4 đầu đo ở phần ng-ng của ống nhiệt tăng chậm hơn so với ống nhiệt HP1 Tuy nhiên, ống nhiệt này đạt chế độ ổn định sau 40 giây, với dải nhiệt độ từ 88 đến 91 độ C.
Bảng 3.2: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 30%. τ
Hình 3.4: Nhiệt độ ở chế độ khởi động khi tỷ số nạp bằng 40%