Luận văn:Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho thiết bị gia nhiệt bằng điện pot

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: Công nghệ Nhiệt
Mã số: 60.52.80







TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2011

2

Công trình ñược hoàn 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 ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn
tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật 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

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn ñề tài
Các thiết bị ñiện khi hoạt ñộng ñều sinh ra nhiệt, lượng nhiệt này
thải ra môi trường lượng khí CO
2
gây nên hiệu ứng nhà kính, làm
tăng nhiệt ñộ trái ñất
Hiện nay lượng khí thải từ các thiết bị dùng ñiện ngày càng tăng
do ñó muốn giảm hiệu ứng nhà kính phải tính toán chọn các vật liệu
cách nhiệt sao cho lượng khí thải CO
2
ra môi trường bên ngoài là
thấp nhất từ ñó sẽ làm chậm sự tác ñộng nóng lên của toàn cầu.
Để tiết kiệm ñiện năng tiêu thụ, giảm tổn thất nhiệt, giảm ô nhiễm
môi trường người ta sử dụng các loại vật liệu cách nhiệt khác nhau
như vật liệu cách nhiệt dạng bột, rắn, sợi, xốp, khe không khí hay
chân không…
Nhằm giảm tổn thất nhiệt, ngoài với việc sử dụng các loại vật liệu
cách nhiệt còn có các biện pháp tiết kiệm năng lượng khác cho thiết
bị gia nhiệt bằng ñiện gồm chọn thiết kế bộ gia nhiệt hợp lý, dùng

các rơle nhiệt ñiều chỉnh nhiệt ñộ ñóng và nhiệt ñộ cát ñiện, tăng
cường nhiệt trở cho vỏ các thiết bị, giảm diện tích vỏ hay ñiều chỉnh
công suất thiết bị hợp lý…
Góp phần vào vấn ñề tiết kiệm năng lượng ñiện ñồng thời giảm
lượng khí thải CO
2
là yếu tố chính gây nên hiệu ứng nhà kính cho các
thiết bị dùng ñiện, chúng tôi chọn và nghiên cứu ñề tài: “Giải pháp
tiết kiệm năng lượng cho thiết bị gia nhiệt bằng ñiện”.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Trong ñề tài này chúng tôi muốn nghiên cứu những giải pháp
tiết kiệm ñiện cho các thiết bị gia nhiệt dùng ñiện trở ñồng thời ñánh
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
ñiện.
+ Nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm ñiện cho thiết bị.
+ Nghiên cứu lập cơ sở tính toán kết cấu cách nhiệt cho các
loại thiết bị gia nhiệt dùng ñiện trở với các vỏ cách nhiệt khác nhau.
+ Phân tích lựa chọn công suất nung và chế ñộ ñiều 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 ngoài nước.
- Nguồn tư liệu từ mạng Internet.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Nghiên cứu cơ sở tính toán chọn kết cấu cách nhiệt nhằm góp
phần tiết kiệm ñiện năng giảm chi phí, giảm lượng khí thải gây hiệu
ứng nhà kính, tăng cường khả năng bảo vệ môi trường.
7. Bố cục luận văn:
Chương 1 . Phân tích tổn thất nhiệt cho thiết bị ñiện hiên nay
Chương 2 . Các giải pháp tiết kiệm ñiện
Chương 3. Tính toán kết cấu cách nhiệt cho các thiết bị gia nhiệt
dùng ñiện trở
Chương 4. Lựa chọn công suất nung và chế ñộ tối ưu cho Rơle
nhiệt
Chương 5. Tính kiểm tra bình ñun nước với vỏ cách nhiệt bằng ñệm
khí
Chương 6. Hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, môi 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 ñiện
Thiết bị gia nhiệt bằng ñiện là thiết bị trong ñó có quá trình
chuyển hóa năng lượng ñiện thành năng lượng nhiệt.
1.2. Các tổn thất năng lượng trong thiết bị gia nhiệt bằng ñiện trở
1.2.1. Thiết bị có ñiện trở trong
Q
tt
= Q
mc → mt
1.2.2. Thiết bị có ñiện trở ngoài
Q
tt

= ∆I + Q
mc → mt
+ Q
R → mt

Chương 2. CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN
2.1. Giảm tổn thất nhiệt qua vỏ ra môi trường
2.1.1. Giải pháp chung
Từ phương trình truyền nhiệt:
(
)
fmctt
ttkFQ −= (2.1)





↓
↓
↓↔⇒
F
k
Q
tt

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 ñược xác ñịnh theo công thức:
∑
α
+
λ
δ
+
α
==
n
1
2i
i
1
11
k
1
R
(2.4)
Nhiệt trở dẫn nhiệt của chân không ñược xác ñịnh theo công thức:
(
((

( )
))
)
3
2
2
212
2
1
3
10
21
ck
TTTTTT
11
1
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
c
R
(2.6)





↑
↓λ
↑δ
↑↔⇒
n
R
i
i
c

2.2.2. Dùng khe không khí

2
2
k
k
1
1
k
R
λ
δ
+
λ
δ
+
λ
δ
=
(2.7)





↓λ↓λ↓λ
↑δ↑δ↑δ
↑↔⇒
k21
k21
k
,,

,,
R

2.2.3 Dùng vách chân không
( )
3
2
2
212
2
1
3
10
21
TTTTTT
1
11
R
−−−−σ
−
ε
+
ε
=
ε
(2.8)






↓
↑








−
ε
+
ε
↑↔⇒
ε
1
21
T
1
11
R
(2.9)


7

2.3. Điều chỉnh công suất hợp lý

( )
→η==η P
E
Q
t
tt
mcn
t
Tìm P = ? ñể
t
η
= max
2.4. Dùng rơle nhiệt ñộ ñiều chỉnh nhiệt ñộ ñóng và nhiệt ñộ cắt
ñiện
η
t
(P/t
mc
)↑ → tìm t
mc
tối ưu → chọn rơle làm việc ở t
tối ưu
+ ñộ
dao ñộng
Chương 3. TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁCH NHIỆT CHO CÁC
THIẾT BỊ GIA NHIỆT DÙNG ĐIỆN TRỞ
* Yêu cầu khi thiết kế tính toán cách nhiệt:
- Để tạo nhiệt ñộ mặt ngoài lớp cách nhiệt:
[
]

tt
c
≤
,
C
0

- Để tổn thất nhiệt ra môi trường qua 1m
2
thuộc vỏ thiết bị:
[
]
qq ≤
,
2
mW

- Để môi chất bên trong bình giảm theo thời gian thì tốc ñộ:
(
)
[ ]
v
ttt
v
ñmc
t
≤
τ
∆
τ

∆
−
=
τ
∆
∆
=
,
hK

- Tính thiết kế vỏ cách nhiệt của thiết bị, sao cho nhiệt ñộ của môi
chất sau thời gian ∆τ không nhỏ hơn nhiệt ñộ yêu cầu:
t
mc
(∆τ, kết cấu cách nhiệt) ≤ t
yêu 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 có hệ số dẫn nhiệt λ ≤
0,157
mK/W
và ñược dùng ñể bảo vệ cho nhà, các thiết bị công nghệ,
ống dẫn và máy lạnh công 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 không khí

3.1.2.1. Đặc ñiểm
Không khí là vật liệu có 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 không
3.1.3.1. Đặc ñiểm
Chân không là vật liệu có 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 ñịnh luật fourier, ta có:

2
cn
m/W;
dx
dt
q λ−=


dx
q
dt
cn
λ

−=
⇒

Với
cn
λ
= const, tích phân 2 vế và giải phương trình ta xác ñịnh
ñược mật ñộ dòng nhiệt như sau:
cn
cn
cn
2ww1
R
t
tt
q
∆
=
λ
δ
−
=
,
2
m/W
(3.3)
Với
cn
cn
cn

R
λ
δ
=
gọi là nhiệt trở dẫn nhiệt (m
2
K/W)
9

3.2.2. Vách khe không khí
Sử dụng công thức tính mật ñộ qua vách phẳng một lớp ñối với
từng lớp, ta có:
)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 ñược :
kk
4ww1
R
tt
q
−
=
(3.7)
Với
2
2
k
k
1
1
kk
R
λ
δ
+

λ
δ
+
λ
δ
=

3.2.3. Vách chân không
Xét hai mặt phẳng ñặt song song với nhau và cách nhau một
khoảng thì tất cả các tia năng lượng phát ñi từ bề mặt này ñều ñập
tới bề mặt kia và ngược lại.
Lượng nhiệt trao ñổi giữa bề mặt 1 và bề mặt 2 ñược tính bằng:
q
12
= E
hd1
- E
hd2
(3.8)
Với:
E
hd1
= E
1
+ (1-A
1
)E
hd2
(3.9)
E

hd2
= E
2
+ (1-A
2
)E
hd1
(3.10)
Trong ñó:
10

E
1
=
4
1
01
100
T
C






ε
E
2
=

4
2
02
100
T
C






ε
C
0
= 10
8
σ
0
= 5,67 (W/m
2
.K
4
)
σ
0
= 5,67.10
-8
(W/m
2

K
4
)
ε = A
Giải hệ phương trình này ta ñược:
(
)
2
21
4
2
4
10
12
m/W,
1
11
TT
q
−
ε
+
ε
−σ
= (3.12)
Và:
(
)
W,F
1

11
TT
FqQ
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 ñộ dòng nhiệt ñược tính như sau:
q = α
1
(t
f1
- t
w1
)
q = k(t
f1
– t
f2
); W/m

2
(3.17)
Với
2
n
1i
i
i
1
hh
11
k
1
R
α
+
λ
δ
+
α
==
∑
=

3.4. Vách trụ một lớp
Mật ñộ dòng nhiệt ứng với một ñơn vị chiều dài vách trụ bằng:
(
)
1w1f11l
ttdq −πα=

11

( )
2w1w
1
2
l
tt
d
d
ln
2
1
1
q −
πλ
=


(
)
2f2w22l
ttdq −πα=

( )
2f1f
221
2
11
l

tt
d
1
d
d
ln
2
1
d
1
1
q −
πα
+
πλ
+
πα
=
, W/mK (3.18)
Khi ñó:
(
)
m/W,ttkq
2f1fl
−=
(3.19)
Nhiệt trở truyền nhiệt của vách trụ:

mK/W,
d

1
d
d
ln
2
1
d
1
k
1
R
221
2
11
l
πα
+
πλ
+
πα
==

Chương 4. LỰA CHỌN CÔNG SUẤT NUNG VÀ CHẾ ĐỘ
TỐI ƯU CHO RƠLE NHIỆT
4.1. Lựa chọn công suất nung

Hình 4.1
.
Mô hình bài toán
Cho bình gia nhiệt bằng

ñiện trở, dạng hình trụ có nắp,
ñựng chất lỏng là nước có thể
tích V, khối lượng riêng ρ,
nhiệt dung riêng C
p
, nhiệt ñộ
nước sôi t
s
, ñun sôi bằng ñiện
trở có công suất P. Vỏ bình
bằng kim loại có diện tích F,
hệ số dẫn nhiệt λ, chiều dày δ.
Tỏa nhiệt ra môi trường
không khí có nhiệt ñộ t
f
và hệ
số tỏa nhiệt α. Giả thiết trong
trường hợp bình không cách
nhiệt và kim loại là inox.

12

Bảng 4.1 Thông số của bài toán
Thông số Giá trị Thông số

Giá trị Thông số

Giá trị
V 3 lít λ

18W/mK t
s
100
0
C
ρ 1000kg/m
3
α 18W/m
2
K

t
f
27
0
C
C
p
4180 J/kgK

δ

0,001m
4.1.1. Xác ñịnh kích thước d, h sao cho tổn thất nhiệt ra môi
trường là nhỏ nhất
Theo phương trình truyền nhiệt, tổn thất nhiệt ra môi trường:
Q
tt
= kF(t
mc

- t
f
), W
Khi diện tích F nhỏ nhất thì tổn thất ra môi trường Q
tt
là nhỏ nhất.
Chọn kích thước bình là:



Sau khi tính toán xác ñịnh ñược:

( )
2
3
2
3
3
2
0
m13,0
10.3.2,1.4
2
3
1.21
V.4
2
F =









π
π
=+






π
π
=⇒
−

k ≈ 18 [W/m
2
K]
⇒ Q
tt
= kF(t
mc
- t
f
) = 18.0,13.(373-300) = 170,82 W

Vậy khi d = h thì Q
tt
= 170,82 W là bé nhất.
4.1.2. Tìm công suất P sao cho hiệu suất ñun sôi của bình
η
ηη
η
s
là lớn
nhất
(
)
s
fsp
s
P
ttC.V.
τ
−
ρ
=η
(4.1)
3
1
0
V.4
dh







π
==

13

Với
s
τ
ñược xác ñịnh theo phương trình cân bằng nhiệt cho môi
chất là nước trong thời gian vô cùng bé
[
]
ττττ
dd +÷∈
, khi môi
chất có t
[
]
dttt +÷↑∈
.
( )
fs
p
s
ttF.kP
P
ln

F.k
C.V.
−−
ρ
=τ⇒
(4.8)
Do ñó:
(
)
( )
fs
fs
s
ttF.kP
P
lnP
ttF.k
−−
−
=η
(4.9)
* Xác ñịnh η
smax
theo
dP
d
s
η

( )
( )
'
P
fs
fss
ttF.kP
P
lnP
ttF.k
dP
d












−−
−
=
η

( )
( )
(
)
( )
( )
2
fs
fs
fs
fs
fs
s
ttF.kP
P
lnP
ttF.kP
ttF.k
ttF.kP
P
lnttF.k
dP
d







−−






−−
−
−
−−
−−
=
η
⇒

* Tìm P ñể
0
dP
d
s
=
η



( )
(
)
( )

0
ttF.kP
ttF.k
ttF.kP
P
ln
fs
fs
fs
=
−−
−
−
−−
⇔

Hay
( )
fs
ttF.kP
P
ln
−−
=
(
)
( )
fs
fs
ttF.kP

ttF.k
−−
−
(4.10)
14

Đặt
( )
( )
( )







−−
−
=
−−
=
fs
fs
fs
ttF.kP
ttF.k
)P(g
ttF.kP
P

ln)P(f
với ñiều kiện
(
)
( )
%1
Pg
Pf
1 ≤−=ε

Giải hệ phương trình trên bằng phương pháp lặp ta ñược các giá trị
của P theo bảng 4.2. Vậy với giá trị
ε
≤ 1% hay P ≥ 8600W.
Thay các thông số ñã cho ở bảng 4.1 và giá trị của P ñã chọn vào
công thức (4.8) và (4.9) ta ñược các giá trị của
s
τ
và
s
η
theo bảng 4.3.
Dựa vào ñồ thị trên hình 4.2 ta nhận thấy khi P tăng thì
s
η
cũng
tăng. Vậy chọn P = 9000W.
Chọn ñiện trở của bình gia nhiệt có công suất 3000W, do ñó ta
nên ñặt thiết bị có 3 ñiện trở mắc theo kiểu song song với tổng công
suất là 9000W.

4.2. Chế ñộ 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 ñiện trở, dạng hình trụ có nắp, có ñường
kính d, chiều cao h, ñựng chất lỏng là nước có khối lượng ρ, dung
tích V, nhiệt dung riêng C
p
, ñun sôi bằng ñiện trở có công suất P
hoạt ñộng nhờ rơle nhiệt ñóng cắt ñiện theo nhiệt ñộ môi chất tại t
1
(ñóng), và t
0
(cắt).
Vỏ bình bằng Inox có lớp cách nhiệt dày δ
c
, hệ số dẫn nhiệt
λ
c
, tiếp xúc và tỏa nhiệt ra không khí với nhiệt ñộ t
f
, hệ số dẫn nhiệt
λ, hệ số tỏa nhiệt α.
15

Bảng 4.4 Thông số bài toán
Thông
số
Giá trị
Thông
số
Giá trị
Thông
số
Giá trị
V 3 lít λ
v
17W/mK δ
c
0,01m
ρ 1000kg/m
3
α 18W/m
2

K

λ
c
0,022W/mK
C
p
4180 J/kgK t
f
27
0
C h 290mm
δ
v
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
10
n
+
=
, nhiệt ñộ trung bình của nước
Hình 4.3
. Mô hình bài toán
16

( )






τ
τ+τ
τ−τ∆
+τΡ=Ε
1
01
f
f
.
(4.12)

( )
( )
f10p1
01
f
ftt
t2ttVC
2
1
.Q −+ρ−






τ
τ+τ
τ−τ∆
+τΡ=⇒
(4.13)
Theo phương trình cân bằng nhiệt:
Pdτ = mC
p
dt + kF(t-t
f
)dτ, (4.14)
fp
kFtPkFt
d

dt
mC +=+
τ
⇒

( )
0f
p
f
ttkFP
P
ln
kF
mC
−+
=τ
(4.17)
f1
f0
p
0
tt
tt
ln
kF
mC
−
−
=τ
(4.18)

(
)
( )
0f
1f
p
1
ttkFP
ttkFP
ln
kF
mC
−+
−+
=τ
(4.19)
Thay các giá trị của τ
f
, τ
1
, τ
0
vào công thức (4.13) ta ñược:
( )
( )
( )
( )
( )
( )















−+
−+








−
−
+
−+
−+
−+
−τ∆

+
−+
Ρ=⇒
0f
1f
f1
f0
0f
1f
0f
p
0f
p
tt
ttkFP
ttkFP
ln.
tt
tt
ln
ttkFP
ttkFP
ln
ttkFP
P
ln
kF
mC
ttkFP
P

ln
kF
mC
Q

( )
f10p
t2ttVC
2
1
−+ρ−
(4.20)
4.2.2.2. Xác ñịnh
10
,tt ñể Q
tt
= min
Tổn thất nhiệt nhỏ nhất chính là lượng tiêu thụ ñiện năng ít nhất. Do
ñó việc xác ñịnh
10
t,t
ñể
minQ
tt
=
nghĩa là ta chỉ cần xác ñịnh
10
t,t

sao cho E nhỏ nhất.

17

Đặt



∆−=
∆+=
ttt
ttt
n1
n0

Cho t
n
, xác ñịnh ∆t sao cho E có giá trị nhỏ nhất.
Giả thiết: nước ñược ñun sôi ở 100
0
C và giữ ấm ở 65
0
C.
Thay các thông số ñã cho từ bảng 4.1 vào công thức (4.22) và
chọn t
n
ta ñược các giá trị của ∆t và E theo bảng 4.5
Dựa vào ñồ thị trên hình 4.4 và theo giả thiết.
Chọn ∆t = 17
0
C và E = 291675633,7J là hợp lý nhất.






=−=∆−=
=+=∆+=
C661783ttt
C1001783ttt
0
n1
0
n0

96,1k
=
W/m
2
K
28,0F
=
[m
2
]
Thay số vào công thức (4.17) ta ñược:
( )
s7,1346
ttkFP
P
ln

kF
mC
0f
p
f
=
−+
=τ

Thay số vào công thức (4.18) ta ñược:
s5,14324
tt
tt
ln
kF
mC
f1
f0
p
0
=
−
−
=τ

Thay số vào công thức (4.19) ta ñược:
(
)
( )
s637

ttkFP
ttkFP
ln
kF
mC
0f
1f
p
1
=
−+
−+
=τ

Thay các giá trị P, τ
f
, τ
0
, τ
1
vào công thức (4.12) ta ñược:
( )
0,966kWhJ67,3477902.
1
01
f
f
==







τ
τ+τ
τ−τ∆
+τΡ=Ε

Từ công 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. Mô tả cấu tạo và các thông số ñặc trưng
5.1.1. Phát biểu bài toán
Xét một bình nước nóng gián tiếp vỏ bình bằng thép hình trụ
bên trong lõi bình tráng lớp men bằng tatium, có ñường kính d, chiều
cao h, chiều dày δ, hệ số dẫn nhiệt λ, 2 ñáy là bán cầu dày δ, ñựng
môi chất là chất lỏng là nước có nhiệt dung C
p
, nhiệt ñộ ñầu t
ñ
, khối
lượng môi chất m kg.
Trong bình ñặt ñiện trở công suất P, hoạt ñộng nhờ rơle nhiệt
ñóng cắt ñiện theo nhiệt ñộ môi chất tại t
1
(ñóng), và t
0

(cắt).
Ngoài vỏ bình có lớp cách nhiệt dày δ
c
, hệ số dẫn nhiệt λ
c
,
tiếp xúc và tỏa nhiệt ra không khí với nhiệt ñộ t
f
, hệ số tỏa nhiệt α.
5.1.2. Mô tả cấu tạo










Hình 5.1
Cấu tạo bình nước nóng
19

5.1.3. Thông số của bài toán
Bảng 5.1 Thông số bài toán
Thông số Giá trị Thông số Giá trị
P 2500W α 18W/m
2
K

V 15 lít λ
v
17W/mK
ρ 1000kg/m
3
λ
c
0,025 W/mK
C
p
4180 J/kgK δ
c
0,01m
δ
v
0,0021m m 15kg
h 340mm d 350mm

5.2. Giả thiết khi khảo sát
Tại mỗi thời ñiểm, coi nhiệt ñộ t(τ) của môi chất là ñồng nhất
trong bình và bằng nhiệt ñộ vỏ bình.
Các thông số ñã cho không ñổi trong quá trình khảo sát.
5.3. Tìm hàm tăng nhiệt ñộ môi chất và ñồ thị t(τ
ττ
τ) quá trình ñun
nấu
5.3.1. Tìm hàm t(
τ
ττ
τ

) môi chất khi rơle chưa hoạt ñộng
Phương trình cân bằng nhiệt cho môi chất trong thời gian dτ, khi
nhiệt ñộ thay ñổi dt là:
Pdτ = mC
p
dt + kF(t-t
f
)dτ, (5.1)

p
f
p
mC
kFtP
mC
kF
t
d
dt +
=+
τ


(5.2)
Đặt
(
)
s
1
,a

mC
kF
p
=

(
)
s
K
,b
mC
kFtP
p
f
=
+

20

τ






−−=⇒ d
a
b
tadt

(5.3)
Đặt
(
)
C,
kF
P
t
a
b
t
0
f1m
+==

τ−=
−
⇒ ad
tt
dt
1m
(5.4)
Tích phân 2 vế, ta có:
τ−=
−
−
⇒ a
tt
tt
ln

1mñ
1m
(5.5)
Hay phân bố t(τ) của môi chất là:
t(τ, t
ñ
,P) = t
m1
– (t
m1
– t
ñ
)e
-aτ
(5.6)
5.3.2. Khi rơle cắt ñiện:
fff1m
t0t
kF
P
tt =+=+=

Do ñó hàm t(τ) khi cắt ñiện là: t(τ, t
0
,P = 0) = t
f
+ (t
0
- t
f

)e
-aτ
Hình 5.2 Đồ thị t(
τ
) của quá trình làm nguội và gia nhiệt
5.3.3. Khi rơle
nhiệt hoạt ñộng:
ñóng (t
1
), cắt (t
0
)
tuần hoàn thì ñồ thị
t(τ) của quá trình
gia nhiệt (P > 0) và
làm nguội (P = 0)
sẽ xảy ra tuần hoàn,
có dạng như sau:
21

5.4. Tính các khoảng thời gian ñóng cắt ñiện
5.4.1 Thời gian gia nhiệt lần ñầu t
f
:
Khi rơle chưa hoạt ñộng, thì ñiện trở P gia nhiệt cho môi chất tăng
t ∈ [t
f
→ t
0
]

Với
2,2k
=
(W/m
2
K)
57,0F
=
m
2

( )
16ph53s s1013
ttkFP
P
ln
kF
mC
f0
p
f
==
−−
=τ

5.4.2. Thời gian làm nguội
τ
ττ
τ
0

:
Sau khi gia nhiệt ñạt ñến nhiệt ñộ cài ñặt ở mức 70
0
C thì Rơle
nhiệt tự ñộng ngắt ñiện không cấp ñiện, nhiệt ñộ giảm từ t
0
→t
1
=62
0
C.
s57ph5h3s11157
tt
tt
ln
kF
mC
tt
tt
ln
a
1
f1
f0
p
11m
01m
0
==
−

−
=
−
−
=τ

5.4.3. Tính
τ
ττ
τ
1
khi gia nhiệt lần sau:
Khi nhiệt ñộ giảm xuống còn 62
0
C thì Rơle nhiệt ñiện và nhiệt ñộ
tăng ñến t
0
=

70
0
C.
s20ph3s200
kF
P
tt
kF
P
tt
ln

kF
mC
tt
tt
ln
a
1
f0
f1
p
1m0
1m1
1
==
−−
−−
=
−
−
=τ

5.5. Tính lượng ñiện năng tiêu thụ sau thời gian ∆
∆∆
∆τ
ττ
τ khi có và
không có rơle.
5.5.1. Khi không có rơle
Giả sử thiết bị ñiện cắm ñiện trong thời gian ∆τ = 24h/ngày
E

0
= P. ∆τ =60000Wh = 60kWh
5.5.2. Khi có rơle hoạt ñộng tuần hoàn theo chu kỳ (ñóng, cắt)
τ
ñc
= (τ
1
+ τ
0
)
22

Khi ñó, ñiện năng tiêu thụ sau ∆τ = 24h tính gần ñúng theo công
thức:

( )








τ∆+τ







τ+τ
τ−τ∆
+τΡ=Ε
c1
01
f
f1
.
(5.10)

( )
7
01
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
+
τ

ε
=
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
0
c
=
τ
∆

( )
kWh68,1J6032500.
1
01
f
f1
==








τ







τ+τ
τ−τ∆
+τΡ=Ε⇒

5.6. Tìm công suất P ñể ñiện năng tiêu thụ là bé nhất
Từ công thức (5.11):
( )








τ






τ+τ
τ−τ∆
+τΡ=Ε
1

01
f
f
.


23

Cho P xác ñịnh E
min

P ñược xác ñịnh theo bảng 5.3 và dựa vào hình 5.4 ta chọn P =
2500W và E
min
= 1,68kWh
Chương 6. HIỆU QUẢ KỸ THUẬT, KINH TẾ, MÔI TRƯỜNG
CỦA CÁC GIẢI PHÁP
6.1. Hiệu quả kỹ thuật
0
c
0
c0
cn
Q
Q
1
Q
QQ
−=
−

=η
(6.1)
Bảng 6.1 Thông số tính toán của bình ñun nước
Thông số Giá trị Thông số Giá trị
V 15 lít F 0,57m
2

δ 0,01m α
2
18W/m
2
K
ρ 1000kg/m
3
t
1
30
0
C
C
p
4180 J/kgK t
2
70
0
C

Không cách nhiệt: Q
0
= k

0
.F.∆t( W)
21
0
11
1
k
α
+
λ
δ
+
α
=
, (W/m
2
K) (6.2)
Khi cách nhiệt: Q
c
= k
c
.F.∆t( W) (6.3)
K)(W/m89,0
11
1
k
2
2
n
1

i
i
1
c
=
α
+
λ
δ
+
α
=
∑


⇒ Q
c
= k
c
.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
λλ
λ

(W/mK)

k
(W/m
2
K)

Q
0

(W)
∆
∆∆
∆Q
(W)
0
1
Q
Q
c
cn
−=
η

1 Bông 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 Không khí 0,025 2,19 390,7

231,9 0,594
Giá trị hiệu quả kỹ thuật ñược xác ñịnh theo bảng 6.2
6.2. Hiệu quả kinh tế
Lượng nhiệt hữu ích ñược tính theo công thức:

(
)
kJ2508ttVCQ
12phi
=
−
ρ
=

Giá tiền ñiện:
G.ET
=
(ñồng)
Do ñó ñơn giá tiền ñiện tính cho 1KJ ñược xác ñịnh như sau:

83,0
2508
1242.68,1
Q
G.E
KJ

ñ
hi
===

Lượng nhiệt xác ñịnh cho 1J tính trong 24h ñược xác ñịnh như
sau:
∆Q
J
= ∆Q
W
. τ
n
(6.5)
Thay số vào ta xác ñịnh ñược các giá trị theo bảng 6.3
Bảng 6.3 Bảng tính hiệu quả kinh tế
TT Vật liệu ∆
∆∆
∆Q, (kJ) T (ñồng/ngày)
1 Bông thủy tinh 31441 26.096
2 Bột xốp PVC 25894,1 21.492
3 Không khí 20036,2 16.630
6.3. Hiệu quả môi trường
Lượng ñiện tiêu thụ tính cho 1kWh ứng với các vật liệu cách nhiệt
ñược xác ñịnh như sau:
25


kWh,
3600
Q

E
∆
=

Theo tính toán của trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM thì
cứ giảm 1KWh ñiện tương ứng 0,5674 kg CO
2
thải ra môi trường.
Bảng 6.4 Bảng tính hiệu quả môi trường
TT Vật liệu E (kWh) Kg CO
2
/ngày Kg CO
2
/năm
1 Bông thủy tinh 8,74 4,956 1808,94
2 Bột xốp PVC 7,2 4,082 1489,93
3 Không 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 có những
ñóng góp chính như sau:
- Xác ñịnh tổng hợp các giải pháp tiết kiệm ñiện năng nhằm giảm
lượng khí thải ra môi trường hạn chế sự nóng lên của trái ñất.
- Tổng hợp ñưa ra ñược các công thức xác ñịnh lượng ñiện tiêu
thụ từ ñó xác ñịnh tổn thất nhiệt.
- Xây dựng ñược hàm tăng nhiệt ñộ cho môi chất và ñồ thị trong
quá trình ñun nấu. Dựa vào hàm nhiệt ñộ chúng ta có thể xác ñịnh
nhanh các khoảng thời gian ñóng cắt ñiện ñồng thời chọn ñược
công suất ñể ñiện năng tiêu thụ bé nhất.
- Xác ñịnh ñược lượng khí thải ảnh hưởng ñến môi trường. qua ñó

giúp chúng ta tốt hơn trong việc thiết kế, tính toán, kiểm tra và lựa
chọn ñược loại vật liệu phù hợp nhằm giảm lượng khí thải gây nên
hiệu ứng nhà kính.
Dựa trên kết quả trên ñề tài này giúp ích cho nhà thiết kế, chế tạo:
- Chọn hình dạng, kết cấu thiết bị hợp lý.
26

- Khống chế nhiệt ñộ và áp suất làm việc của thiết bị sao cho ñảm
bảo kinh tế và an toàn.
- Chọn giá trị ñóng cắt của Rơle.
- Chọn kết cấu vỏ cách nhiệt giúp giảm tiêu hao ñiện năng, giảm
khí thải CO
2
.
- Xác ñịnh công suất gia nhiệt.
2. Kiến nghị
- Tổng hợp xây dựng hoàn chỉnh các giải pháp tiết kiệm ñiện
năng.
- Lập trình phần mềm tính toán thiết kế thiết bị gia nhiệt bằng ñiện
trở theo thời ñiểm ñóng, cắt ñiện.
- Lập trình phần mềm tính toán tìm hàm tăng nhiệt ñộ cho môi
chất và ñồ thị trong quá trình ñun nấu.
- Triển khai thiết kế một số thiết bị ñiện chuyên dùng ñể bảo quản
nhiệt và giảm tiêu hao ñiện năng, ít ảnh hưởng ñến môi trường.
- Thiết kế lại một số dụng cụ gia dụng trong ñun nước, nồi nấu
cho gia ñình, trong bệnh viện, khách sạn