Nghiên cứu cơ sở tính toasn thiết kế thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy

Header Page 1 of 126.

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

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.

Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt
Mã số: 60.52.80

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2011

Footer Page 1 of 126.

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


Header Page 2 of 126.

3
MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn ñề tài
Nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng nên có nguy cơ cạn
kiệt nguồn nhiên liệu dự trữ. Sự suy thoái về môi trường nghiêm

4
năng lượng nhiệt mặt trời.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
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.

nhân chính là các thiết bị sử dụng NLMT làm việc không ổn ñịnh,

7. Bố cục luận văn

không liên tục. Vì thế, cần nghiên cứu công nghệ tích trữ năng

MỞ ĐẦU

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.

Chương 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG

Xuất phát từ thực tế ñó, chúng tôi chọn và 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 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
lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy
+ Kiểm chứng các công thức tính toán ñược lập ra với một mô
hình thiết bị tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời thực tế.
3. Nội dung nghiên cứu

Trọng tâm chính là lập cơ sở tính toán các quá trình tích trữ

Footer Page 2 of 126.

Chương 5 : 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 3 of 126.

5

6

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG
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 (D// ≈ 1).

1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

1.2.4.5 Hệ số truyền qua ñối với bức xạ khuếch tán

1.1.1 Vị trí, cấu trúc và kích thước mặt trời
Mật ñộ dòng bức xạ trực xạ ở ngoài lớp khí quyển, tính ñối
2

với 1m bề mặt ñặt vuông góc với tia bức xạ:
 2.3,14.32 
4


360.60 
 5762  ≈ 1353 W/m2
q=
.5,67. 

4
 100 

σo.To4

1.2.4.6 Tích số của hệ số truyền qua và hệ số hấp thụ (DA)
1.2.4.7 Tổng bức xạ mặt trời hấp thụ ñược của bộ thu

2

Cường ñộ bức xạ toàn phần là Eo =

1.2.4.3 Tổn thất do hấp thụ bức xạ của kính

7

1.2.5 Cân bằng nhiệt và nhiệt ñộ cân bằng của vật thu bức xạ
mặt trời
Phương trình cân bằng nhiệt cho V có dạng:
2

= 6,25.10 W/m

Công suất bức xạ toàn phần của Mặt trời là:
Qo = Eo.F = σo.To4 .π.D2= 3,8.1026W
1.2 Phương pháp tính toán cường ñộ bức xạ mặt trời
1.2.1 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
1.2.2 Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang

Công suất do V hấp thụ = Công suất phát bức 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 trong khí quyển
nhiệt ñộ tf, toả nhiệt phức hợp hệ số α, thì phương trình cân bằng
nhiệt trong 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 bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái ñất
Trong tính toán kỹ thuật, xem cường ñộ bức xạ tới mặt ñất là
hàm của thời gian τ:
E(τ) = En.sinϕ(τ)
ϕ(τ) = ω.τ là góc nghiêng tia nắng so với mặt ñất,
ω=

2π
2π

=
= 7,27.10−5rad/s là tốc ñộ góc tự xoay của trái
τ n 24.3600

ñất.
En[W/m2] là cường ñộ bức xạ cực ñại trong ngày, lấy trị

có dạng dt + t αF = AEm Ft (τ)sin(ωτ)
(1-30)
dτ ρVC ρVC
Khi biết Ft(τ), có thể giải phương trình trên với ñiều kiện ñầu
t(τ = 0) = tf ñể tìm hàm biến ñổi t(τ) của nhiệt ñộ vật theo thời gian.
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
1.3.1 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời
1.3.2 Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời

trung bình cả năm theo số liệu ño lường thực tế tại vĩ ñộ cần xét.

1.3.3 Thiết bị nấu nước nóng bằng năng lượng mặt trời

1.2.4 Bức xạ mặt trời truyền qua kính

1.3.4 Thiết bị làm lạnh và ñiều hoà không khí dùng năng lượng

1.2.4.1 Hiệu ứng lồng kính

mặt trời

1.2.4.2 Sự phản xạ của bức xạ mặt trời

1.3.5 Pin mặt trời

Footer Page 3 of 126.


Header Page 4 of 126.

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

2.1.1 Các ñặc trưng của bộ thu năng lượng mặt trời dùng gương
phản xạ

ñược mô tả bằng công thức:

2.1.2 Độ tập trung năng lượng bức xạ

∆p = h.ρ.(T1 – T2)

k = Et/E = 1 - R + R. Fh/ Ft

F

R

B
Hình 3.1 Hiệu ứng siphon nhiệt

R

3.1.2 Trữ nhiệt bằng hệ thống tuần hoàn cưỡng bức

2.1.3 Gương phẳng

F
Hình 2.1 Hệ gương và 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 tại tiêu ñiểm, thì 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 cơ
2.2.2.2 Hệ thống ñiều chỉnh dùng panel cảm biến

Footer Page 4 of 126.

h

của chất lỏng.

h

2.1.4 Gương nón

T2

T1

Với ρ là khối lượng riêng

E

= 1 + R.( Fh/ Ft - 1).
Nếu coi R ≈ 1 thì k ≈ Fh/t.

A

Độ chênh áp giữa 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 một bơm ñiện
P ñể tăng vận tốc tuần hoàn

R
P

trong hệ thống.
Hình 3.2 Hệ tuần hoàn cưỡng bức
3.1.3 Trữ nhiệt bằng hệ có hai chất lỏng và bình chứa có
bộ trao ñổi nhiệt
Chất lỏng sơ cấp 1 ñi qua bộ trao ñổi nhiệt có dạng xoắn
hoặc tấm phẳng ñặt bên trong bình chứa R, chất lỏng 2 nhận nhiệt
từ chất lỏng 1 qua bộ trao ñổi nhiệt (hình 3.3).

Header Page 5 of 126.

9

10
lớn thì thể tích của bình chứa giảm một cách ñáng kể.
3.2 Đặc tính của môi chất nóng chảy

2
1

3.2.1 Khái niệm về pha và sự chuyển pha

R

1

3.2.1.1 Sự thay ñổi của entropy khi chuyển pha

2

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

ñơn

sẽ bắt ñầu chuyển từ pha rắn sang pha lỏng, ñó là hiện tượng nóng

giản nhất là ñun nước nóng

chảy. Để chất rắn nóng chảy hết thì phải cung cấp thêm một nhiệt

trong bình tích dùng trực

lượng ñể chuyển hoàn toàn trạng thái từ rắn thành lỏng gọi là nhiệt ẩn

tiếp cho gia ñình. Khi ñó hệ

nóng chảy. Khi làm lạnh các chất lỏng tới một nhiệt ñộ và áp suất xác

Trường

hợp

phải có chất tích nhiệt trung

ñịnh chất lỏng sẽ chuyển từ pha lỏng trở thành pha rắn, ñó là hiện

C
1

gian là chất lỏng hoặc chất

2

bằng nhiệt lượng thu vào trong quá trình nóng chảy.

rắn, với một khối lượng lớn.
Trong bình chứa có hai bộ
trao ñổi nhiệt 1 và 2

tượng ñông ñặc. Trong quá trình này vật toả ra một 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 bằng môi chất nóng chảy

3.3.1.2 Các ñặc tính ñộng học

Giả sử một chất ở nhiệt ñộ T1 nhận một nhiệt lượng nào ñó

3.3.1.3 Đặc tính hoá học

thì nhiệt ñộ tăng lên và nóng chảy ở nhiệt ñộ T2 = const. So sánh

3.3.1.4 Các ñặc tính kinh tế

nhiệt lượng tích ñược trong một ñơn vị khối lượng của vật liệu

3.3.2 Đặc tính của một số môi chất nóng chảy thường dùng

trữ nhiệt có thay ñổi trạng thái do hiện tượng ẩn nhiệt với nhiệt lượng

3.3.2.1 Vật liệu hữu cơ

không thay ñổi trạng thái thì 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 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

Footer Page 5 of 126.

Sáp paraffin có màu trắng, không mùi, không vị với nhiệt ñộ
nóng chảy trong khoảng từ 47oC ñến 64oC (116,6oF ñến 147,2oF),
có khối lượng riêng khoảng 0,9 g/cm3.

Header Page 6 of 126.

11

12

Bảng 3.1 Các thông số của một 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 và các quá trình tích trữ

25

49,4

238

nhiệt của 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

1. Gương phản xạ Parabol trụ

7

2. Ống lồng kính và cách nhiệt
1
2
3

8

4
5

b. Kim loại
3.3.2.3 Eutectics
3.3.3 Lựa chọn môi chất nóng chảy sử dụng cho bộ thu

3. Ống vỏ chứa môi chất nóng chảy

6

3.3.2.2 Vật liệu vô cơ
a. Muối hydrat

cấp

Hình 4.1 Mô hình thiết bị thu
trữ cấp nhiệt bức xạ mặt trời

4. Ống dẫn nước cần làm nóng
5. Cơ cấu ñiều chỉnh gương quay tự
ñộng theo hướng mặt trời
6. Môi chất nóng chảy
7. Van dẫn nước vào
8. Van dẫn nước ra

4.1.2 Nguyên lý hoạt ñộng
4.1.3 Các quá trình tích trữ cấp nhiệt của thiết bị

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
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 6 of 126.


Header Page 7 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 là khối lượng của môi chất, [kg]

4) Quá trình τ ∈ (τm÷ τ2) là quá trình trữ nhiệt và cấp nhiệt cho nước.

- Đun nóng ống dẫn nước: dU1=m1C1dt

4.2 Tính toán quá trình cấp nhiệt cho môi chất nóng chảy

với: m1 là khối lượng của ống dẫn nước, [kg]

4.2.1 Phát biểu bài toán tính thông số các quá trình

- Đun nóng ống vỏ chứa môi chất: dU2=m2C2dt

như hình 4.3.
Cần tìm hàm nhiệt ñộ t(τ)



ñặc trưng cho các quá trình theo

1
d
1
d3
1
Rl =
ln 3 +
ln
+
2πλ k d 2 2πλ K d 3 − 2δ3 πd 3α

tất cả các thông số ñã cho.

 W 
2


m K

1) Gương Parabol ñược quay

Do ñó, phương trình cân bằng nhiệt trở thành:
t - tf
Ldτ
⇔ εDFEn sinωτdτ = mCpdt + ∑ mi Ci dt +
Rl

sao cho tia nắng luôn 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, là lúc mặt trời mọc.
3) Trời luôn quang mây, có nắng

Đặt T(τ) = t(τ) – tf gọi là ñộ gia nhiệt và ñưa về dạng

trong khoảng τ∈(0 ÷ τn/2=12h)

chính tắc, phương trình (4-9) có dạng:

với cường ñộ bức xạ tới mặt Ft là
E(τ) = Ensinωτ.
4) Tại mỗi thời ñiểm τ, coi nhiệt ñộ của hệ là ñồng nhất
5) Các thông số cho trước là không ñổi trong thời gian ∆τ khảo sát.
4.2.3 Tính toán quá trình gia nhiệt môi chất rắn
4.2.3.1 Xác ñịnh hàm nhiệt ñộ t(τ) khi gia nhiệt môi chất rắn
Lập phương trình cân bằng nhiệt cho hệ:

Footer Page 7 of 126.



(4-8)

với α là hệ số tỏa nhiệt từ kính ra không khí, 

4.2.2 Các giả thiết khi tính toán

δQ1 = εDFEnsinωτdτ

(4-6)


với: Rl là nhiệt trở dẫn nhiệt của một 1m chiều dài trụ,  mK
W

của môi chất và tính các thời gian

với:

(4-5)

với: m2 là khối lượng của ống vỏ chứa môi chất, [kg]
- Nhiệt truyền ra môi trường: δQ2 = t - t f Ldτ
(4-7)
Rl

Cho 1 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
và b =
l
= , 
mCp + ∑ mi Ci C  s 

(4-12)


Header Page 8 of 126.

15

16

Phương trình cân bằng nhiệt sẽ thành:
T’(τ) + bT(τ) = asinωτ
T(0) = 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) bằng phương pháp lặp.
4.3 Tính toán quá trình trữ nhiệt

Giải hệ trên, tìm ñược hàm phân bố nhiệt ñộ của môi chất
trong hộp thu gương parabol trụ khi gia nhiệt là:




− bτ
a
ω
e


,
t ( τ) = t f + 2

sin  ωτ − arctg  +
2 
2 
b


b +ω 
b
1+   

 ω  

Vì số hạng cuối của tổng

e

− bτ

 b 
1+  
ω

2

4.3.1 Thiết kế cách nhiệt cho ống chứa môi chất nóng chảy
Phương pháp cách nhiệt ống chứa môi

(4-16)

chất là dùng 2 lớp không khí tĩnh bọc ngoài

ống môi chất, ñược ngăn cách bởi ống kính
gắn cố ñịnh và một ống lồng có các thông số

có thể bỏ qua khi τ > 2h.

d4L, ρ4δ4λ4C4, hệ số hấp thụ ε4 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
trong hộp thu gương parabol trụ khi gia nhiệt là:
a
ω

t ( τ) = tf + 2
sin  ωτ − arctg 
2
b

b +ω

sử dụng nhiệt, tức là không cho nước vào ống dẫn nước ñể cấp nhiệt.
4.3.2.1 Tính tổn thất nhiệt từ ống lồng ra môi trường bên ngoài

(4-17)

Lượng nhiệt tổn thất từ ống ra ngoài 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

2





b

(4-18)

c

 T b 2 + ω2
τn 
arcsin  c

2π 
a




ω
 + arctg 

b



4.2.4 Tính toán quá trình nóng chảy môi chất
Lập phương trình cân bằng nhiệt:
δQ1 = rc dm + δQ2
Xác ñịnh ñược τc2 như là nghiệm của phương trình:

Footer Page 8 of 126.

Với R = 1 ln d 4 +
ltt
2πλ k

d2

(4-24)

 mK 
1
, 
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 bằng nhiệt: Qttτo = mrc

(4-26)

Do ñó, thời gian bảo quản τo là: τ o = mrc

(4-27)

Q tt

4.4 Tính toán quá trình cấp nhiệt cho nước
4.4.1 Tính cấp nước nóng
Giả thiết rằng hộ tiêu thụ cần nước nóng có nhiệt ñộ tn
với nhiệt ñộ nước vào bằng nhiệt ñộ môi trường tf.


Header Page 9 of 126.

17

18

4.4.1.1 Xác ñịnh lưu lượng Gn của nước

4.5 Tính toán các thông số của thiết bị mẫu tích trữ cấp nhiệt

Từ phương trình cân bằng nhiệt cho nước:

α n ( t c − t n −f ) πd1L = G n C pn ( t n − t f )

Tìm ñược lưu lượng Gn của nước qua ống d1 là:
t +t 

α n  t c − n f  πd1L
α ( t − t ) πd1L
2 
,[kg/s]
= 
G n = n c n −f
Cpn ( t n − t f )
Cpn ( t n − t f )

năng lượng mặt trời
(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

(4-29)

4.4.1.2 Xác ñịnh lượng nước nóng thu ñược và 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 bằng 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 hơi 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 2 L = G h C pn ( t s − t f ) + rh 

(4-36)

với rh là nhiệt ẩn hóa hơi của nước, rh = 2257kJ/kg

suy ra: G h = α hn ( t c − t s ) πd 2 L ,[kg]
C pn ( t s − t f ) + rh

(4-37)

4.4.3.2 Xác ñịnh lượng hơi bão hòa thu ñược và thời gian cấp
hơi bão hòa
mrc
,[kg]
Mh =
C p ( t s − t f ) + rh

∆τh =

Footer Page 9 of 126.

M h ,[s]
Gh

(4-39)
(4-40)

Tên thông số
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
Đường kính ngoài
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 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 = 1 – 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 ra môi trường
không khí
α = 17,02 W/m2K.
4.5.3 Tính các thông số kỹ thuật của thiết bị mẫu
(Các thông số kỹ thuật của thiết bị mẫu ñược thể hiện ở bảng
4.2 trang 64 trong 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 các thông số ñặc trưng của thiết bị mẫu

α=

4.5.4.1 Tính quá trình gia nhiệt môi chất
Bảng 4.3. Các thông số ñặc trưng của thiết bị mẫu khi gia nhiệt môi chất
Thông số

Công thức tính

Tính toán

Giá trị

T
Độ gia nhiệt

a

Tmax =

0, 0081

b +ω
2

2

max ảo
2

b. Các thông số ñặc trưng của thiết bị khi cấp nhiệt cho nước
Bảng 4.4 Các thông số ñặc trưng của thiết bị mẫu khi cấp nhiệt cho nước

T

1

Nhiệt ñộ

tmax = Tmax + tf

( 3,34.10 ) + ( 7, 272.10 )
−5

2

−5

2

T
T
1

101oC
131oC

101 + 30

2

max khi gia
nhiệt ảo
3

1
0,6535
2
0,54.( 4594484 ) 4 = 817 W/m K
0,02

Thời ñiểm

3
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

2

−5

2

4

0,0081
]

5,51h

Công thức tính

Thông số
Lưu lượng
nước Gn

Lượng
nước nóng
Mn
Khoảng

thời gian
∆τn
Hiệu suất
của thiết
bị

Gn =

Tính toán


t +t 
α n  t c − n f  πd1L
2


Cpn ( t n − t f )

Giá trị


50 + 30 
817  60 −
 π.0, 02.1, 25
2 

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
2
Fh n
π
2

η

TB

=

91,8.4180 ( 50 − 30 )
940.1.

29,7%

2 24
. .3600
π 2

chảy τc1
4

τc2 là nghiệm của

cos X = -0,5781 – 0,1236X

môi chất

phương trình

2π
τc2
với X = ωτc2 =
τn

nóng chảy

(4-23)

Thời ñiểm

CHƯƠNG 5 : LẬP MÔ HÌNH, KIỂM NGHIỆM, SO SÁNH
10,43h

5.1 Mục ñích thực nghiệm và nguyên lý thực nghiệm
5.1.1 Mục ñích thực nghiệm

hoàn toàn τc2
5

Hiệu suất

VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ TRỮ NHIỆT

ηT =

m Cp ( t c − t f ) + rc 
En

tích nhiệt của

2 τn
Fh
π
2

ηT =

34,9  2150 ( 60 − 30 ) + 220000 
2 24
940. .1. .3600
π
2

38,4%

thiết bị

4.5.4.2 Tính quá trình trữ nhiệt môi chất
Giả sử dùng chính ống kính d3 tìm ñược thời gian bảo quản
là τo= 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.

Footer Page 10 of 126.

Đo các thông số thực của mô hình thực nghiệm ñể so sánh
với thông số tính toán ñược thiết lập ở chương 4.
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 ở mục 4.5.


Header Page 11 of 126.

21

22

Bảng 5.1 Các thông số kết cấu của 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 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
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 = 1 –
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 bức xạ mặt trời lấy theo trị số trung bình ở Đà

5.3 Tính toán các thông số kỹ thuật ñặc trưng của mô hình
thực nghiệm
(Các thông số kỹ thuật của mô hình thực nghiệm ñược thể hiện ở

bảng 5.2 trang 73 trong luận văn)
Bảng 5.3 Các thông số ñặc trưng của mô hình thực nghiệm
TT
1
2

Tên thông số
Thời ñiểm paraffin bắt
ñầu nóng chảy τc1
Thời ñiểm paraffin
nóng chảy hoàn toàn τc2

Giá trị
0,92h

(Tính ở bên dưới)

1,93h

(Tính tương tự mục
4.5.4.1)

3

Thời gian bảo quản τo

4

Lưu lượng nước Gn

5

Lượng nước nóng Mn

6

Khoảng thời gian ∆τn

τo =

9156 giây =
2,54 giờ

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
2 

Gn =
4180 ( 50 − 30 )

2

Nẵng là 940W/m .
Thông số của 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 trên 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 quá trình gia nhiệt cho Paraffin, so sánh với

5.2.2 Chế tạo mô hình thực nghiệm

tính toán

o

70
60

Nhiet do (do C)

50

Nhiet do tinh toan
Nhiet do thuc te

40
30
20
10

0

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 quá 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 thì sai

M ntt = G nTN .∆τ nTN = 4,15.10−3.540 = 2,24kg

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
Sau khi Paraffin vừa nóng chảy xong, không cho nước vào,
bắt ñầu ño khoảng thời gian mà nhiệt ñộ của Paraffin ở nhiệt ñộ nóng

sai số là 6,3%.
5.4.5 Hiệu suất của mô hình thực nghiệm

o

chảy của nó là 60 C ñến khi nhiệt ñộ Paraffin vừa giảm xuống dưới

ηTB =

60oC. Khoảng thời gian này chính là thời gian trữ nhiệt của Paraffin.

- Theo tính toán: η = 199804 = 30%
TBTT

70
60

665254
187264

- Theo thực nghiệm: η
=
= 28%
TBTN
666468

50
Nhiet do (do C)

Q ttru
,%
Qcc

Nhiet do thuc te
Nhiet do tinh toan

40
30

Suy ra sai số giữa tính toán và thực nghiệm là 6,7%.

20

5.4.6 Tổng kết các sai số giữa tính toán và thực nghiệm

10

0

0.5

1

1.5
Thoi gian (gio)

2

2.35

2.54

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

Bảng 5.5 Bảng so sánh số liệu kỹ thuật theo tính toán và thực nghiệm
Theo tính
toán

Theo thực
nghiệm

Sai số
(%)

Thời ñiểm Paraffin bắt ñầu
nóng chảy

0,92h

1,08h

15,4

2

Thời ñiểm Paraffin nóng
chảy hoàn toàn

1,93h

2,2h

12,3

3

Thời gian trữ nhiệt cho
Paraffin

2,54h

2,35h

8,1

4

Lượng nước nóng thu ñược

2,39kg

2,24kg

6,3

5

Hiệu suất của mô hình thực
nghiệm

30%

28%

6,7

TT

Thông số

1

Paraffin ít hơn so với tính toán là 11,4 phút, sai số là 8,1%.
5.4.4 Thực nghiệm quá trình Paraffin cấp nhiệt cho nước, so sánh
với tính toán

60

G nTT = 4,3.10−3 kg / s

Nhiet do (do C)

50

G nTN = 4,15.10−3 kg / s Nhiet do tinh toan paraffin
Nhiet do thuc te paraffin
nhiet do tinh toan nuoc
nhiet do thuc te nuoc

30

0

1

2

3

4

5
6
Thoi gian (phut)

7

8

9 9.3

Hình 5.7 Đồ thị biểu diễn quá trình Paraffin cấp nhiệt cho nước

Footer Page 12 of 126.

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.


Header Page 13 of 126.

25

26

Như vậy, có thể kết luận rằng các công thức tính toán
ñược thiết lập là khá chính xác, có thể tạo cơ sở tính toán thiết kế

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Xuất phát từ ñịnh luật bảo toàn năng lượng, dựa trên các giả

thiết bị tích trữ nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy.
5.5 Tính hiệu quả kinh tế, môi trường của thiết bị tích trữ cấp

thiết ban ñầu và ñặc tính của môi chất nóng chảy ñã xác lập ñược

năng lượng nhiệt mặt trời dùng môi chất nóng chảy

hàm nhiệt ñộ tức thời t(τ) của môi chất khi gia nhiệt và chuyển pha

5.5.1 Tính kinh tế

ñể suy ra công thức tính thời ñiểm nóng chảy τc1, thời ñiểm nóng

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.

chảy hoàn toàn τc2, thời gian bảo quản nhiệt τo, các thông số G, M, ∆τ
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

- Thời gian trữ nhiệt 1,42 ngày
o

- Lượng nước nóng ở 50 C thu ñược: 91,8 kg

phù hợp với tính toán lý thuyết. Như vậy ñộ chính xác và tin cậy của

- 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

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

như vậy ñể dùng trong sản xuất.

Paraffin có thể cung cấp một sản lượng nước nóng là 91,8 kg/ngày

5.5.2 Tính môi trường

(ở 50oC), thời gian tích trữ trên một ngày ñêm. Do ñó, nếu lắp ghép

Việc ứng dụng năng lượng sạch, sẵn có, ñặc biệt là
năng lượng mặt trời ñang là một yêu cầu hết sức cần thiết hiện nay.

nhiều mô ñun với môi chất nóng chảy hợp lý thì có thể tạo thành một
hệ thống lớn sử dụng tốt trong sản xuất với nhiều nhu cầu sử dụng
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.

Footer Page 13 of 126.