Nghiên cứu đặc tính làm việc và các quá trình truyền nhiệt trong ống thủy tinh chân không của thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời (tt)

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Năng lượng mặt trời (NLMT) ngày càng được xem là nguồn năng
lượng (NL) tái tạo quan trọng và thiết yếu đối với con người. Với tiềm
năng có thể được coi là vô tận, NLMT được sử dụng để sản xuất điện
năng trực tiếp bằng pin mặt trời hoặc gián tiếp nhờ chu trình Rankine.
NLMT cũng có thể được chuyển hóa thành năng lượng hóa học, năng
lượng cơ học, nhưng phổ biến, đơn giản và hiệu quả hơn cả là chuyển
hóa thành nhiệt năng và được dùng để đun nước nóng cung cấp cho các
nhu cầu sinh hoạt cũng như các quá trình có sử dụng nhiệt trong công
nghiệp. Trong lĩnh vực ứng dụng NLMT để đun nước nóng, các bộ thu
kiểu tấm phẳng và kiểu ống thủy tinh chân không (TTCK) thường được
sử dụng do có cấu tạo đơn giản, hoạt động ổn định và chi phí chế tạo
thấp. Ngày nay, các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK được sử dụng phổ
biến hơn vì chúng có nhiều ưu điểm nổi trội đã được kiểm chứng qua
thực tiễn như có hiệu suất nhiệt cao trong phạm vi làm việc rộng, được
mô-đun hóa đến từng ống nên dễ dàng thiết kế, lắp đặt hệ thống theo các
mức độ công suất khác nhau, và có chi phí chế tạo rất thấp.
Nhiều nghiên cứu khoa học ở trong và ngoài nước đã tiến hành đối
với bộ thu kiểu ống TTCK. Các nghiên cứu chia thành nhiều hướng khác
nhau, tập trung vào nhiều mục tiêu như: nghiên cứu ảnh hưởng của góc
nghiêng bộ thu, của tỉ lệ diện tích bộ thu so với thể tích bình chứa, của
lưu lượng nước tuần hoàn qua bộ thu đến hiệu suất nhiệt, chi phí đầu tư
và khả năng thu hồi vốn, ... Các nghiên cứu có thể được thực hiện bằng
lý thuyết hoặc bằng thực nghiệm, song chủ yếu vẫn là nghiên cứu kết
hợp thông qua xây dựng MHT (MHT) hoặc mô phỏng số rồi lấy thực
nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình lý thuyết. Mặc dù số lượng
nghiên cứu khá nhiều, phong phú về nội dung, đa dạng về hướng, nhưng
các kết quả công bố thiếu tính hệ thống, chưa rõ ràng, không thuận tiện
cho người sử dụng trong việc tính toán thiết kế, lựa chọn lắp đặt hoặc
đánh giá hiệu quả và các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống bộ thu NLMT.

Nhằm mục đích xây dựng cơ sở khoa học giúp hỗ trợ việc định hướng
hợp lý khi tính toán, phân tích, đánh giá chất lượng và hiệu quả làm việc
của các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK, luận án này tập trung vào nghiên
cứu các QTTN diễn ra trong ống TTCK để từ đó xác định các thông số
đặc trưng (đặc tính) của bộ thu, đặc biệt khi làm việc trong điều kiện thời
tiết ở Việt Nam.
2. Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính của luận án là đặc tính làm việc và các
QTTN (QTTN) trong ống TTCK của thiết bị đun nước nóng bằng
1


NLMT. Ngoài ra, bức xạ mặt trời (BXMT) và phương pháp tính toán
BXMT cũng là đối tượng mà luận án quan tâm nghiên cứu cùng với đối
tượng chính, nhằm hỗ trợ cho việc nghiên cứu đối tượng chính.
Phương pháp nghiên cứu là xây dựng các MHT, MHMP (MHMP),
kết hợp với xây dựng mô hình vật lý (MHVL) để nghiên cứu, thí nghiệm
nhằm kiểm chứng và hiệu chỉnh các MHMP. Sau đó sử dụng các mô
hình đã được kiểm chứng, đủ độ tin cậy để nghiên cứu ứng dụng vào
thực tiễn tính toán bộ thu NLMT.
3. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan tình hình nghiên cứu về bộ thu NLMT kiểu ống TTCK;
- Nghiên cứu về BXMT, phương pháp xác định các thành phần BX, xác
định tổng lượng BX hấp thụ trên bề mặt bộ thu;
- Xây dựng MHMP ống TTCK, mô phỏng bộ thu NLMT;
- Nghiên cứu QTTN trong bộ thu, xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
trong ống, xác định công suất nhiệt, phân bố nhiệt độ nước trong ống
góp, nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu;
- Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm bao gồm các thiết bị đo đạc dữ
liệu thời tiết như nhiệt độ không khí, cường độ BXMT, nhiệt độ

nước, lưu lượng nước tuần hoàn, phục vụ nghiên cứu thực nghiệm
cũng như kiểm chứng MHMP;
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành đến công suất và
hiệu suất bộ thu.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
- Kết quả nghiên cứu, xây dựng và giải MHT xác định BX hấp thụ của
bộ thu NLMT kiểu ống TTCK bằng việc chia bề mặt ống trụ thành
các phân tố dọc theo chu vi ống giúp cho việc thiết lập điều kiện biên
của vùng nhận BX trong các MHMP CFD chính xác hơn;
- Làm sáng tỏ QTTN trong ống TTCK của bộ thu NLMT (quá trình hấp
thụ BX trên bề mặt bộ thu và truyền nhiệt cho nước trong ống, quá
trình tổn thất nhiệt ra môi trường);
- Phương trình tiêu chuẩn được xây dựng trong luận án thiết lập mối
quan hệ giữa tiêu chuẩn Reynolds với các thông số vật lý và đường
kính ống giúp tính toán, xác định lưu lượng khối lượng nước tuần
hoàn trong ống TTCK. Đây là thông số quan trọng, ảnh hưởng trực
tiếp đến công suất nhiệt hữu ích của từng ống cũng như của cả bộ thu.
Các hệ số trong phương trình tìm được bằng việc hồi quy các số liệu
đo và tính toán mô phỏng cho ống có đường kính trong/ngoài 47/58
mm theo các điều kiện làm việc khác nhau. Phương pháp này có thể
suy rộng cho các loại ống có kích thước bất kỳ;
2


- Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong ống dựa trên nghiên
cứu mô phỏng CFD giúp mở rộng khả năng phân tích, đánh giá mức độ và
các yếu tố ảnh hưởng tới QTTN trong bộ thu;
- Phương pháp tính toán công suất nhiệt hữu ích dựa theo mô phỏng và
kiểm chứng bằng thực nghiệm có thể áp dụng cho các loại bộ thu

NLMT ở mọi điều kiện làm việc khác nhau;
- Hàm đặc tính hiệu suất bộ thu NLMT kiểu ống TTCK được xây dựng
trong luận án có thể sử dụng làm cơ sở khoa học quan trọng trong
một số nghiên cứu về NLMT ở Việt Nam.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Đã xây dựng được hệ thống thiết bị thí nghiệm để nghiên cứu, kiểm
chứng mô hình xác định BX đập tới bề mặt hấp thụ và hệ thống thiết
bị thí nghiệm để nghiên cứu, kiểm chứng các quá trình trao đổi nhiệt
bên trong bộ thu NLMT kiểu ống TTCK;
- Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần tạo nên cơ sở khoa học
tin cậy trong việc tính toán, phân tích, đánh giá, tối ưu hóa các
phương án thiết kế, lắp đặt và vận hành các hệ thống đun nước nóng
bằng NLMT kiểu ống TTCK sử dụng phổ biến trong dân dụng và
công nghiệp.
5. Điểm mới của luận án
- Đã xây dựng và giải mô hình xác định BX hấp thụ trên bề mặt hấp thụ
của bộ thu NLMT kiểu TTCK bằng việc chia bề mặt ống trụ thành
các phân tố dọc theo chu vi ống;
- Bằng việc sử dụng nghiên cứu mô phỏng CFD và thực nghiệm đã tính
được các tiêu chuẩn Re và Ra*, từ đó xây dựng được phương trình

( )

tiêu chuẩn Re = 0,012  Ra*

0,709

và tính được lưu lượng nước tuần

hoàn trong ống TTCK;

- Xây dựng được phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
trong ống dựa trên kết quả nghiên cứu mô phỏng CFD;
- Bằng nghiên cứu mô phỏng đã xác định được nhiệt độ trung bình trên
bề mặt hấp thụ và từ đó xây dựng được phương pháp tính công suất
nhiệt hữu ích của các loại bộ thu NLMT sử dụng ống TTCK theo các
điều kiện làm việc khác nhau;
- Xây dựng được phương pháp và hệ thống thí nghiệm để xác định các
thành phần BXMT sử dụng 02 BX kế (pyranometer);
- Xác định được hiệu suất của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK bằng cả lý
thuyết và thực nghiệm. Đây là thông số quan trọng để tính toán công
suất nhiệt hữu ích của bộ thu NLMT.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Năng lượng mặt trời và ứng dụng
1.1.1. Thực trạng tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính
Xã hội càng phát triển, các hoạt động công nghiệp và đời sống con
người ngày càng tăng cao, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng ngày càng
lớn. Nếu so sánh giữa hai mốc thời gian là năm 1973 và 2015 thì mức
tiêu thụ năng lượng của thế giới đã tăng lên rất nhiều. Các số liệu thống
kê của IEA minh họa rõ về điều này [84].
1.1.2. Vai trò của năng lượng mặt trời
Trong số các ứng dụng nhiệt của NLMT thì ứng dụng để đun nước
nóng là đơn giản, hiệu quả và phổ biến nhất.

Hình 1.1. Dự
báo sử dụng
NLMT cho

một số ứng
dụng đến
năm 2050
(Nguồn: IEA)

1.2. Vai trò của việc nghiên cứu đặc tính làm việc và các QTTN
trong ống TTCK của bộ thu NLMT
Khi tính toán các bộ thu NLMT kiểu ống TTCK người ta vẫn
thường phải sử dụng khái niệm “tấm phẳng tương đương” tức là coi bộ
thu kiểu ống tương đương với bộ thu kiểu tấm phẳng là mặt phẳng qua
trục và bao tất cả các ống, bỏ qua độ cong và khe hở giữa các ống. Với
cách tính này, sai số nhiều khi là không nhỏ và không thể hiện đúng bản
chất của bộ thu. QTTN trong bộ thu ống TTCK cũng không giống với
trong bộ thu tấm phẳng. Vì thế việc nghiên cứu đặc tính làm việc và các
QTTN trong ống TTCK là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn, giúp xây
dựng cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế cũng như vận hành tối ưu
các hệ thống đun nước nóng bằng NLMT.
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3.1. Các nghiên cứu ở trong nước
Ở nước ta, đã có nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu về NLMT
và các ứng dụng của nó, đặc biệt là ứng dụng nhiệt. Các nghiên cứu có
thể chia thành 3 lĩnh vực lớn là: (1) nghiên cứu đánh giá tiềm năng và
phân bố NLBXMT của Việt Nam [39, 8]; (2) nghiên cứu cải tiến, phát
triển khoa học và công nghệ khai thác, sử dụng NLMT [1, 2, ...]; và (3)

4


nghiên cứu đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của các hệ thống NLMT
[10, 11, ...]. Tuy số lượng nghiên cứu khá nhiều nhưng việc ứng dụng

các kết quả nghiên cứu vào thực tế còn khá hạn chế, chưa giải quyết
được các vấn đề thường gặp trong việc ứng dụng NLMT để cấp nhiệt nói
chung và đun nước nóng nói riêng.
Trong số các nghiên cứu trong nước, QTTN của tia BX khi đập tới bề
mặt hấp thụ của bộ thu, truyền vào cho nước trong ống, cũng như quá
trình thoát nhiệt từ bộ thu ra môi trường chưa được quan tâm nghiên cứu
đúng mức. Đặc biệt là, với kiểu bộ thu NLMT ống TTCK là loại được
thương mại hóa rất phổ biến trên thị trường thì hầu như chưa có nghiên
cứu nào đề cập đến QTTN trong ống.
1.3.2. Các nghiên cứu ở ngoài nước
Trên thế giới, có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng NLMT vào thực tế.
NLMT có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhưng đơn giản và hiệu quả
nhất là để cấp nhiệt, đun nước nóng. Các nghiên cứu trong lĩnh vực này
rất đa dạng và thường hướng đến mục tiêu nâng cao hiệu suất, khả năng
làm việc ổn định và lâu dài của thiết bị và giảm giá thành sản phẩm. Các
nghiên cứu liên quan đến việc đun nước nóng bằng NLMT có thể chia
thành 3 hướng gồm: nghiên cứu về các loại vật liệu chế tạo bộ thu;
nghiên cứu về các cấu trúc, kết cấu bộ thu; nghiên cứu về các QTTN và
đặc tính làm việc của bộ thu. Trong các nghiên cứu kể trên thì nghiên
cứu về các QTTN và đặc tính làm việc của bộ thu là khó khăn nhất bởi
QTTN trong bộ thụ cũng như đặc tính làm việc của nó rất phức tạp, phụ
thuộc nhiều thông số hoạt động. Tuy phức tạp nhưng hướng nghiên cứu
này lại được đầu tư nghiên cứu nhiều nhất bởi chúng quyết định đến hiệu
quả làm việc của bộ thu. Các nghiên cứu về hướng này lại có thể chia
thành 4 nhóm: (a) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bố thu dùng
ống chữ U [50, 123, ...]; (b) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ
thu sử dụng ống nhiệt [75, 76, ...]; (c) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc
tính bộ thu sử dụng chất lỏng nano làm môi chất truyền nhiệt [103, 104,
...]; (d) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ thu kiểu nước trong
ống TTCK [68, 69, ...].

1.3.3. Một số vấn đề tồn tại và sự cần thiết nghiên cứu
- Các nghiên cứu trong nước chưa đáp ứng được yêu cầu về tính toán,
nghiên cứu QTTN cũng như các thông số hoạt động của ống TTCK
trong bộ thu NLMT;
- Có nhiều nghiên cứu ở nước ngoài về NLMT và các ứng dụng nhiệt
của nó, nhưng chưa có công trình nào tập trung nghiên cứu một cách có
hệ thống từ quá trình của tia BXMT đập tới bề mặt bộ thu đến quá trình

5


hấp thụ bức xạ, truyền nhiệt cho chất lỏng của bộ thu và thoát nhiệt từ bộ
thu ra ngoài khi kể đến sự che khuất giữa các ống cạnh nhau.
Vì thế, cần thiết phải nghiên cứu các quá trình của tia BX từ không
gian bên ngoài đập tới bề mặt ống hấp thụ và truyền nhiệt cho nước trong
ống thủy tinh, cũng như quá trình tổn thất nhiệt từ bộ thu ra môi trường
để từ đó xác định các đặc tính làm việc của bộ thu.
Kết luận chương 1
Đã tổng quan tình hình tiêu thụ NL và phát thải khí nhà kính, phân tích
vai trò của NLMT và việc nghiên cứu ứng dụng nhiệt của NLMT. Thông qua
việc xem xét, phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài
nước về lĩnh vực nhiệt MT, chủ yếu tập trung với kiểu bộ thu ống TTCK, đề
xuất hướng nghiên cứu mới. Đề tài luận án nhằm nghiên cứu làm rõ bản
chất QTTN bên trong ống, từ đó xác định các đặc tính làm việc quan trọng
của bộ thu (công suất, hiệu suất, nhiệt độ nước ra).
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO CÁC QUÁ
TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG
2.1. Nguyên lý làm việc của thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng
mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không

Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT là hệ thống thiết bị gồm các bộ
phận như bộ thu NLMT, bình chứa nước nóng, thiết bị trao đổi nhiệt,
thiết bị đun nóng bổ sung, .. Trong đó bộ thu NLMT là bộ phận quan
trọng nhất, có ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả làm việc của toàn hệ
thống. Bộ thu NLMT kiểu ống TTCK là loại được sử dụng phổ biến hiện
nay do có nhiều ưu điểm đã được kiểm chứng qua thực tiễn.
2.2. Cơ sở lý thuyết về bức xạ mặt trời
Lý thuyết về BXMT đã được xây dựng và công bố khá nhiều. Trong
luận án này sử dụng lý thuyết đã được công bố trong tài liệu “Solar
engineering of thermal processes” của các tác giả John A. Duffie và
William A. Beckman tái bản lần thứ 4 năm 2013 [91].
2.3. Quá trình truyền nhiệt trong ống thủy tinh chân không
2.3.1. Các dòng nhiệt truyền của ống thủy tinh chân không
Phương trình cân bằng năng lượng trên bề mặt ống hấp thụ:
(2.36)
Q ht1 = Q1đl + Q1bx
Trong đó: Qht1 là dòng nhiệt hấp thụ trên bề mặt hấp thụ, sẽ được tính
ở phần sau của luận án (chính là Qabs trong công thức 2.43); Q1bx là dòng
nhiệt tổn thất, chính là QL trong công thức (2.74); Q1đl là dòng nhiệt hữu
ích truyền cho nước trong bộ thu:
(2.37)
Q1đl = m c  C p  (t o − t i )

6


Hình 2.5. Các
dòng nhiệt xuất
hiện khi BXMT
đập tới bề mặt

ống TTCK

2.3.2. Sự che khuất giữa các ống cạnh nhau

Hình 2.6. Các góc
giới hạn của tia
trực xạ

2.3.3. Quá trình của tia bức xạ mặt trời trong ống TTCK và tích số truyền
- hấp thụ của ống

Hình 2.7. Quá trình
của tia bức xạ trong
ống thủy tinh chân
không

Tích số truyền - hấp thụ giữa hai bề mặt trụ đồng trục:


( ) =      (1 −  )  n
n =0

(2.38)

Giá trị của tích số truyền - hấp thụ được xác định cho từng thành phần
trực xạ, tán xạ và phản xạ như trong các công thức (2.44)  (2.48).
7


2.3.4. Mô hình toán xác định lượng bức xạ hấp thụ trên bề mặt hấp thụ

của bộ thu
Góc nghiêng,
góc phương
vị, vĩ độ đặt
bộ thu

Dữ liệu thời tiết

Cường độ
BXMT, nhiệt
độ, độ ẩm, tốc
độ không khí

Thông số nhiệt vật
lý của bộ thu

Thông số hình
học của bộ thu

Thông số lắp
đặt của bộ thu

Nhiệt dung
riêng, hệ số
dẫn nhiệt, hệ
số truyền qua,
hệ số hấp thụ

Đường kính,
chiều dài,

khoảng cách
giữa các ống

Các hệ số
góc bức xạ
giữa bộ thu
và bầu trời,
mặt đất

Các thành
phần bức xạ:
trực xạ, tán xạ
và phản xạ

Các giá trị
tích số truyền
- hấp thụ

Diện tích
nhận tán xạ,
phản xạ

Các góc giới
hạn che khuất

Hệ số TĐNĐL giữa mặt
trong ống và nước

Góc giờ

Dữ liệu thời gian

Để tính hệ số tổn thất
nhiệt của bộ thu

Góc tới của
tia trực xạ

Ngày, giờ làm
việc của bộ thu

Góc chắn tia
trực xạ

Diện tích
nhận trực xạ

Tổng
lượng các
thành
phần:
- Trực xạ;
- Tán xạ;
- Phản xạ.

Góc lệch

Tổng BXMT hấp thụ
trên bề mặt bộ thu

Hình 2.8. Sơ đồ khối mô hình xác định bức xạ hấp thụ trên bề mặt bộ thu

Tổng BX đưa tới 1 đơn vị diện tích bề mặt bộ thu và trên toàn bộ bề
mặt bộ thu được xác định theo công thức (2.39) và (2.40) [91]:
(2.39)
G t = G b  R b + G d  Fc−s +   G  Fc−r
Q i = A ap  G t = A ap  (G b  R b + G d  Fc−s +   G  Fc−r ) (2.40)
Bức xạ hấp thụ trên 1 đơn vị diện tích bề mặt hấp thụ của bộ thu:
(2.41)
q abs = ()b  G b  R b + ()d  G d  Fc−s + ()r    G  Fc−r
Tổng bức xạ được hấp thụ bởi cả bộ thu:
(2.42)
Q abs = q abs  A abs
Từ đó đề xuất công thức tính tổng bức xạ hấp thụ trên toàn bộ bề
mặt của bộ thu gổm z ống TTCK:
Q abs = ( )b  G b 

2
cos 
cos 
 L  ri   + (z − 1)   ( )b  G b 
 L  ri  d
cos  z
cos  z
1

2
(2.4



+ z    ( )dt   G d  Fc −s  L  ri  d +  ( )db  G d  Fc −s  L  ri  d

0


2



+ z    ( )rt   t  G  Fc− r  L  ri  d +  ( )br   b  G  Fc − r  L  ri  d

0


3)
Các tích số truyền - hấp thụ được xác định như sau [42]:

()b = 1 − b 0  

1

− 1  ()bn
cos









1
− 1  ( )bn
 cos  ed



( )dt  = k dt  1 − b 0  


8

(2.44)
(2.45)








 cos  ed

( )db = k db  1 − b 0  

1




− 1  ( )bn


(2.46)


1
− 1  ( )bn

 cos  eg






1
= k br  1 − b 0  
− 1  ( )bn


cos
 eg





()rt = k rt  1 − b 0  

()br

(2.47)
(2.48)

Trong hệ tọa độ mặt đất phẳng, véc tơ đơn vị từ trái đất đến mặt trời
được mô tả n s = n x , n y , n z , cụ thể như sau

(

)

n x = cos   cos   cos  + sin   sin 

(2.49)
(2.50)

n y = − cos   sin 

n z = − cos   sin   cos  + sin   cos 

(2.51)
Trong hệ tọa độ mới (hình 2.9), véc tơ đơn vị từ trái đất đến mặt trời
được biểu diễn n 's = (n ' x , n ' y , n ' z ) , cụ thể là:

(

)

n ' x = n x cos  − n y  sin  + n z  cos   sin 
n ' y = n y  cos  − n z  sin 

(

(2.52)
(2.53)

)

n ' z = n x  sin  + n y  sin  + n z  cos   cos 

(2.54)

 là góc phương vị của bộ thu (đã trình bày ở mục 2.2.2).

Hình 2.9. Hệ trục tọa độ và các thông số hình học sử dụng trong mô hình

Véc tơ đơn vị tại một điểm bất kỳ trên bề mặt ống trong hệ tọa độ mới:
(2.55)
n c = (sin ξ , cosξ , 0)
Góc chắn tia trực xạ:
tan  ex =

(

)

n ' x n x  cos  − n y  sin  + n z  cos   sin 

=
n' y
n y  cos  − n z  sin 

(2.56)

Góc tới xác định theo véc tơ đơn vị tại điểm bất kỳ trên bề mặt trụ:
(2.57)
cos  = n ' x  sin  ex + n ' y  cos  ex
9


Các góc giới hạn của tia BX thể hiện trên hình 2.6:
 d + di 
X1 = arcsin o

 2C 

(2.58)

 d − di 
X 2 = arcsin o

 2C 

(2.59)

6 điều kiện cho biên tích phân 1 và 2:
 ex  X 2 : che khuất hoàn toàn
 d − 2C sin  ex

X 2   ex  X1 : 1 =  ex + arcsin  o
di

 ex  X1 : 1 =  ex −  / 2;  2 =  ex +  / 2
 −  ex  X1 :

(2.60)

;  2 =  ex +  / 2

(2.61)
(2.62)

1 =  ex −  / 2;  2 =  ex +  / 2

(2.63)

X 2   −  ex  X1 :
 d − 2C sin  ex
1 =  ex −  / 2;  2 =  ex − arcsin  o
di

 −  ex  X 2 : che khuất hoàn toàn





(2.64)

(2.65)
Tất cả các tham số liên quan đến công thức (2.43) được mô tả trong
các biểu thức từ (2.44) đến (2.65). Để xác định BXMT hấp thụ trên các
ống của bộ thu, lý thuyết trên sẽ được thực hiện trên cơ sở áp dụng một
chương trình số xây dựng trên phần mềm EES.
2.3.5. Tổn thất nhiệt của bộ thu kiểu ống thủy tinh chân không

Hình 2.10. Sơ
đồ biểu diễn
các nhiệt trở
của ống TTCK

- Hệ số tổn thất nhiệt toàn phần của ống:
 1

1
UL = 
+ 
 1bx   2 bx +  2đl

10





−1

(2.66)

-

Hệ số truyền nhiệt bức xạ từ bề mặt ống bao đến môi trường:
T 4 − Ts4
 2bx =  2   0  2
(2.67)
T2 − Ta

- Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ bề mặt ống bao đến môi trường [48]:
A
 2đl = 0,6  2  (5,7 + 3,8 )
(2.68)
A1
- Hệ số truyền nhiệt bức xạ từ ống hấp thụ đến ống bao:
T 4 − T24
1bx = 1−2   0  1
(2.69)
T1 − T2
- Độ đen quy dẫn giữa hai bề mặt ống:
−1



1 A  1

1− 2 =  + 1  
− 1
(2.70)


A
A

2  2

 1

- Nhiệt độ bề mặt ống bao:
U  (T − Ta )
T2 = T1 − L 1
,K
(2.71)
1bx
Từ đây sẽ xây dựng thuật toán để xác định hệ số tổn thất nhiệt toàn
phần của ống như sau: Chọn trước một giá trị nhiệt độ bề mặt ngoài ống
bao T2, tính các hệ số truyền nhiệt theo các công thức (2.67), (2.68),
(2.69), (2.70) và thay vào công thức (2.66) để tính hệ số tổn thất nhiệt
toàn phần, cuối cùng kiểm tra lại bằng công thức (2.71). Nếu kết quả
kiểm tra xấp xỉ bằng giá trị giả thiết (lấy sai số cho phép là 3%) thì chấp
nhận giá trị nhiệt độ và các hệ số truyền nhiệt đã tính được, nếu không
thì giả thiết một giá trị nhiệt độ khác và lặp lại các bước tính.
Mật độ dòng nhiệt và dòng nhiệt tổn thất từ 1 ống TTCK và trên cả
bộ thu gồm z ống được tính theo công thức (2.72), (2.73) và (2.74):
(2.72)
q L = U L  (T1 − Ta ) , W/m2
Q L1 = A L1  U L  (T1 − Ta ) , W

Q L = z  A L1  U L  (T1 − Ta ) , W

(2.73)

(2.74)

Kết luận chương 2
Trong chương này, đã trình bày tóm tắt về nguyên lý cấu tạo và hoạt
động của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK, lý thuyết về BXMT, lý thuyết về
truyền nhiệt. Từ đó đã xây dựng được MHT giúp xác định lượng bức xạ
hấp thụ trên bề mặt hấp thụ của bộ thu cũng như xác định tổn thất nhiệt
từ 1 ống TTCK và tổn thất nhiệt của cả bộ thu ra môi trường.

11


CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BỘ THU NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG
3.1. Xây dựng chương trình tính lượng bức xạ hấp thụ và chương
trình tính tổn thất nhiệt của bộ thu
EES - Engineering Equation Solver là phần mềm giải các phương
trình kỹ thuật bao gồm các phương trình đại số, các phương trình vi
phân, các phương trình với biến phức tạp sẽ được sử dụng để xây dựng
các chương trình tính này. Lưu đồ thuật toán và giao diện chương trình
tính được thể hiện trên hình 3.1, 3.2, 3.3, 3.4.

Hình 3.2. Chương trình tính bức xạ hấp thụ trên bề mặt bộ thu

Hình 3.4. Chương trình tính tổn thất nhiệt

12


Bắt đầu

Bắt đầu

Nhập dữ liệu mô tả bộ thu:
- Thông số hình học;
- Thông số lắp đặt;
- Thông số vật lý.

Nhập các đặc tính kỹ thuật
của ống, nhiệt độ môi
trường, tốc độ gió

Xác định các góc giới hạn của tia
trực xạ

Chọn trước nhiệt độ bề mặt ống bao

Nhập thông số hoạt động
của bộ thu:
- Dữ liệu thời gian;
- Dữ liệu thời tiết.

Tính các hệ số truyền nhiệt

Tính hệ số tổn thất nhiệt toàn phần
Xác định các đặc tính hình học của
tia bức xạ: góc tới, góc phơi nắng
(góc chắn tia trực xạ), ...

Tính nhiệt độ bề mặt ống bao

Xác định các tính chất vật lý của tia
bức xạ: tích số truyền qua - hấp thụ,
hệ số phản xạ, ...

So sánh với giá trị chọn
(Kiểm tra sai lệch yêu cầu)

Tính các thành phần trực xạ, tán xạ,
phản xạ và tổng xạ hấp thụ

Sai

Đúng
Có tiếp tục không?

Tính tổn thất nhiệt của 1 ống TTCK

Có

Tính tổn thất nhiệt của cả bộ thu

Không
Xuất kết quả

Xuất kết quả

Kết thúc

Kết thúc

Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán xác định bức
xạ hấp thụ trên bề mặt bộ thu

Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán xác định tổn thất
nhiệt của 1 ống và của cả bộ thu

3.2. Mô phỏng ống thủy tinh chân không của bộ thu
13


Hình 3.6. Xây dựng mô hình

Hình 3.7. Chia lưới mô hình

Hình 3.8. Thiết lập các thông số

Hình 3.9. Các điều kiện biên

Hình 3.10. Cường độ bức xạ mặt trời trong thời gian mô phỏng

Kết quả mô phỏng được
hiển thị và xử lý bằng
phần mềm CFD-Post. Kết
quả cho ta những trường
phân bố nhiệt độ, áp suất,
vận tốc,… trong vùng mô
phỏng. Tùy theo từng
trường hợp, các kết quả
trên sẽ được lựa chọn và
xử lý giúp giải quyết vấn

đề cần nghiên cứu.

Hình 3.11. Kết quả mô phỏng

14


Bắt đầu

Bắt đầu

- Nhập mô hình ống TTCK
với kích thước thực
- Nhập các thông số vật lý
của thủy tinh làm ống

Xây dựng mô hình bộ thu với kích thước
thực tế và chia lưới cho mô hình

Nhập các thông số hoạt
động: nhiệt độ nước, nhiệt
độ không khí, cường độ
bức xạ, ...

Chia lưới cho mô hình

Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban
đầu cho mô hình mô phỏng

Chạy chương trình tính bức xạ hấp thụ

Thiết lập chế độ mô phỏng

Chạy chương trình tính tổn thất nhiệt

Chạy mô phỏng

Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban
đầu cho mô hình mô phỏng
Thiết lập chế độ mô phỏng

So sánh kết quả mô phỏng
với số liệu thực nghiệm

Không
phù hợp

Chạy mô phỏng

Phù hợp
Tính phân bố nhiệt độ, vận tốc, lưu lượng
tuần hoàn, hệ số TĐN, công suất nhiệt

So sánh kết quả mô phỏng
với số liệu thực nghiệm
Phù hợp

Xuất kết quả

Không

phù
hợp

Tính phân bố nhiệt độ, vận tốc, lưu lượng,
công suất, hiệu suất bộ thu

Kết thúc

Xuất kết quả

Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán mô phỏng ống
TTCK

Kết thúc

Hình 3.12. Lưu đồ thuật toán mô phỏng bộ thu
NLMT kiểu ống TTCK

3.3. Mô phỏng bộ thu NLMT kiểu ống TTCK gắn với ống góp
Cũng giống như mô phỏng 1 ống TTCK, việc mô phỏng bộ thu
NLMT kiểu ống TTCK gắn với ống góp cũng được thực hiện theo các
bước tương tự.
15


Hình 3.14. Chia lưới mô hình

Hình 3.13. Xây dựng mô hình

MHMP bộ thu NLMT kiểu ống TTCK gắn với ống góp được xây

dựng với kích thước thực của hệ thống thí nghiệm, gồm 25 ống TTCK có
đường kính ngoài ống hấp thụ/ống bao 47/58 mm, dày 1,6 mm và dài
1794 mm. Nước trong ống góp chảy cưỡng bức nhờ việc dùng bơm tuần
hoàn. Việc xây dựng và chia lưới mô hình được thực hiện bằng mô-đun
ICEM-CFD trên nền phần mềm mô phỏng ANSYS. Mô hình được chia
lưới gồm 662918 nút với tổng số 2438764 phần tử.

Hình 3.15. Thiết lập thông số

Hình 3.16. Kết quả mô phỏng

Mô đun CFX-Post được sử dụng để xử lý kết quả mô phỏng. Kết quả mô
phỏng xác định được nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu, nhiệt độ nước trong ống
góp, công suất nhiệt hữu ích của bộ thu ở từng thời điểm mô phỏng. Các giá
trị nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu, phân bố nhiệt độ nước trong ống góp sẽ
được so sánh kiểm chứng với các giá trị đo thực nghiệm.
3.4. Nghiên cứu đặc tính làm việc của ống TTCK và của bộ thu
3.4.1. Công suất nhiệt hữu ích của ống TTCK
Công suất nhiệt hữu ích mà 1 ống nhận được:
(3.6)
Q u1 = Q G1 − Q L1
Công suất nhiệt hấp thụ trên bề mặt ống:
(3.7)
Q G1 = A  G
Nhiệt tổn thất QL được xác định theo (2.73).
Nhiệt độ trung bình trên bề
mặt ống hấp thụ là đại lượng khó
xác định bằng lý thuyết cũng
như thực nghiệm. Giá trị này
được xác định thông qua nghiên

cứu mô phỏng (hình 3.17).
Hình 3.17. Phân bố nhiệt độ trên bề mặt của ống
3.4.2. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước trong ống TTCK
Q u1
=
(3.8)
A  (t w − t i )
16


Mô phỏng CFD cho ta kết quả nghiên cứu
chi tiết về phân bố nhiệt độ, vận tốc, … của
đối tượng mô phỏng. Xử lý kết quả mô
phỏng xác định được các giá trị nhiệt độ tw
tương tự như trên và ti như hình 3.18. Sử
dụng các kết quả vừa tìm được này, kết hợp
nhiệt hữu ích của ống đã xác định ở trên,
Hình 3.18. Phân bố nhiệt độ
công thức (3.8) sẽ giúp ta tính được hệ số
của nước tại miệng ống.
trao đổi nhiệt đối lưu trung bình theo chiều
dài của nước trong ống TTCK.
3.4.3. Lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn trong ống TTCK
Lưu lượng nước tuần hoàn
trong ống được xác định thông
qua lượng nhiệt hữu ích:
.

m=

Q u1
C p  (t f ,o − t f ,i )

(3.9)
Hình 3.19. Phân bố vận tốc tại mặt cắt dọc mô hình

Để xác định tf,o và tf,i một cách chính xác,
tiến hành phân tích quá trình lưu động của nước
qua miệng ống TTCK. Phân bố véc tơ vận tốc
của nước tại miệng ống (hình 3.20). Trên hình
này, có thể thấy rõ các véc tơ ra và vào ống
cũng như diện tích tương ứng mà nó đi qua.
Dòng nước ra khỏi ống có tốc độ lớn hơn dòng

Hình 3.20. Véc tơ vận tốc của
nước tại miệng ống

vào và phân bố ở phía trên của ống. Dòng vào phân bố phía dưới, tốc độ
của nó nhỏ hơn so với dòng ra nhưng diện tích mà nó đi qua lại lớn hơn để
đảm bảo lưu lượng được cân bằng.
Dựa vào kết quả mô phỏng, có thể xác định chính xác phần diện tích mà
các dòng đi qua. Kết hợp với phân bố nhiệt độ của nước tại miệng ống
được thể hiện trên hình 3.18, tính được nhiệt độ trung bình của nước vào
ống, tf,i, và ra khỏi ống, tf,o, ứng với các phần diện tích đã được xác định.
Các tiêu chuẩn đồng dạng được xác định như sau:
.

Re =

Pr =

4m
d 


a

g    d 3  t
2

(3.10)

Gr =

(3.12)

Ra = Gr  Pr =

17

g    d 3  t
a

(3.11)

(3.13)


Nu =

d


(3.14)

Vì việc xác định Δt = tw - tf gặp nhiều khó khăn nên đưa ra tiêu chuẩn
Rayleigh sửa đổi:
g    qu  d4
(3.15)
Ra * = Nu  Ra =
 Pr
  2
Như vậy, mặc dù các tiêu chuẩn Gr, Ra và Nu chưa xác định được do
chưa biết Δt và , nhưng Ra* thì lại hoàn toàn xác định do đã biết mật độ
dòng nhiệt hữu ích qu.Với mục đích khái quát hóa, xây dựng phương pháp
xác định lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn tự nhiên trong ống TTCK:

( )

Re = a  Ra *

b

(3.16)
a, b là các hệ số phụ thuộc vào loại ống TTCK và các điều kiện làm
việc, được xác định bằng thực nghiệm. Bằng việc sử dụng nghiên cứu
mô phỏng, các giá trị Re và Ra* trong nhiều chế độ hoạt động sẽ được
tính toán, qua đó xác định được các hệ số a, b trong phương trình.
3.4.4. Hiệu suất bộ thu
Ở trạng thái ổn định, hiệu suất tức thời của bộ thu được xác định:

Q
(3.17)
= u
Qi

Qu là công suất nhiệt hữu ích lấy ra từ bộ thu, chính là Q1đl xác định theo
công thức (2.37), còn Qi là dòng nhiệt cung cấp cho bộ thu bởi BXMT:
Qi = A C  G t
(3.18)
Hiệu suất bộ thu là hàm của nhiều biến. Đường biểu diễn hiệu suất bộ
thu tức thời theo các điều kiện vận hành và có thể xác định:
(3.19)
 = 0 − a1  Tm*
0 là hiệu suất cực đại của bộ thu, đạt được khi bộ thu không có tổn thất
*

nhiệt, Tm được gọi là chênh lệch nhiệt độ đơn vị. Đây là tổ hợp của cả ba
thông số vận hành là nhiệt độ môi trường, nhiệt độ nước vào và CĐBX mặt
trời trên mặt phẳng bộ thu:
t −t
(3.20)
Tm* = i a
Gt

Nhờ việc tính toán được công suất nhiệt hữu ích của bộ thu trong
nhiều chế độ hoạt động trong các mục trên, hàm hiệu suất bộ thu NLMT
có dạng (3.19) sẽ được xây dựng trong luận án.
Kết luận chương 3
Đã xây dựng được các chương trình tính lượng BX hấp thụ, lượng nhiệt
tổn thất của 1 ống và của cả bộ thu, từ đó xây dựng MHMP CFD cho 1 ống

TTCK, cho bộ thu gắn với ống góp trên nền phần mềm ANSYS. Các MHMP
18


này sẽ được kiểm chứng và hiệu chỉnh bằng các kết quả nghiên cứu thực
nghiệm ở chương 4. Từ kết quả nghiên cứu mô phỏng, xác định được các
đại lượng đặc trưng (đặc tính) của bộ thu.
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
4.1. Hệ thống thực nghiệm nghiên cứu bức xạ mặt trời
- Qua phân tích sự cần thiết phải sử dụng các số liệu về tổng xạ trên mặt
phẳng ngang, mặt phẳng nghiêng và các thành phần trực xạ, tán xạ, phản xạ,
tác giả đã chọn được phương án thiết kế chế tạo thiết bị đo BX phù hợp.
- Trên cơ sở lý thuyết về BXMT, thiết kế chế tạo hệ thống đo xác định
được cả 3 thành phần tổng xạ, trực xạ và tán xạ mà chỉ cần sử dụng 2 BX kế.
4.2. Hệ thống thực nghiệm nghiên cứu đặc tính bộ thu NLMT

1. Bộ thu NLMT ống TTCK
B1, B2: Các bơm nước
2. Bình chứa nước nóng
T1  T6: Các đầu đo nhiệt độ
3. Dàn giải nhiệt nước nóng
V1  V7: Van cửa (gate valve)
4. Đo BXMT
V8, V9: Van xả khí
5. Đo nhiệt độ không khí
W1, W2: Lưu lượng kế
6. Bình giãn nở
Hình 4.9. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị thí nghiệm

- Thiết kế, chế tạo hệ thống khung giá đỡ bộ thu và hệ thống: Trên cơ sở

tính toán sức bền vật liệu, đã thiết kế, chế tạo được hệ thống khung sắt
đỡ hệ thống thiết bị thí nghiệm bộ thu NLMT.
- Thiết kế, chế tạo bình chứa nước nóng: Trên cơ sở tính toán nhiệt, đã
thiết kế, chế tạo được bình chứa nước nóng cho hệ thống.
- Thiết kế hệ thống điều khiển, đo lường và tự động ghi số liệu:
Trên cơ sở tính toán đo lường, điều khiển,
đã thiết kế, lựa chọn và lắp đặt hệ thống
thiết bị đo và tự động ghi số liệu.
Hình 4.14. Hình ảnh thiết bị thực nghiệm được chế tạo
và lắp đặt

4.3. Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm
19


- Nghiên cứu đo bức xạ: (1) Xác định được chu kỳ điều chỉnh, góc lệch
trung bình và vị trí lỗ điều chỉnh, kết quả được lập thành bảng (bảng 4.2);
(2) Xây dựng bảng xác định khoảng cách từ tâm bóng che đến thanh U
ngang và chiều rộng của bóng che (bảng 4.3); (3) Xây dựng bảng xác
định hệ số hiệu chỉnh tán xạ đo theo ngày trong tháng (bảng 4.4).
- Nghiên cứu về đặc tính bộ thu:

Hình 4.21.
Nhiệt độ
nước ra khỏi
bộ thu NLMT

Hình 4.22.
Nhiệt độ
nước trong

ống góp của
bộ thu NLMT

Trong chương 4, trình bày các bước và kết quả xây dựng hai hệ
thống thiết bị thí nghiệm: 01 để nghiên cứu về BXMT và 01 để nghiên
cứu về các đặc tính làm việc của bộ thu.Các hệ thống thí nghiệm này
được sử dụng cho nghiên cứu thực nghiệm nhưng đồng thời cũng giúp
kiểm chứng và hiệu chỉnh các MHMP đã xây dựng ở chương 3. Trên cơ
sở MHMP đã được hiệu chỉnh, đủ độ tin cậy, có thể nghiên cứu xác định
đặc tính bộ thu ở các điều kiện làm việc bất kỳ.
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

20


5.1. Các kết quả nghiên cứu
5.1.1. Công suất nhiệt hữu ích của ống TTCK

Hình 5.1. Công suất nhiệt hữu ích phụ thuộc
Hình 5.2. Công suất nhiệt hữu ích phụ thuộc
CĐBX hấp thụ trên ống khi nhiệt độ nước là 30 oC CĐBX hấp thụ trên ống khi nhiệt độ nước là 40 oC

Hình 5.3. Công suất nhiệt hữu ích phụ thuộc
Hình 5.4. Công suất nhiệt hữu ích phụ thuộc
CĐBX hấp thụ trên ống khi nhiệt độ nước là 50 oC CĐBX hấp thụ trên ống khi nhiệt độ nước là 60 oC

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, với các hệ thống đun nước nóng
bằng NLMT khi vận hành ở nhiệt độ càng cao thì công suất càng giảm
(nhiệt hữu ích giảm, nhiệt tổn thất tăng). Do vậy khi cần nâng cao công
suất của hệ thống mà không cần dùng nước ở nhiệt độ quá cao thì nên bố

trí bình chứa có thể tích lớn (đối với các bộ thu gắn với bình chứa) hoặc
nên vận hành với lưu lượng lớn (các bộ thu gắn với ống góp). Tuy nhiên
việc tăng thể tích bình chứa hoặc lưu lượng dòng còn tùy thuộc vào nhu
cầu sử dụng và liên quan đến bài toán chi phí đầu tư.
5.1.2. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong ống TTCK

Hình 5.5. Hệ số TĐNĐL
trong ống phụ thuộc nhiệt
độ nước và CĐBX mà ống
nhận được

21


Kết quả tính toán hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong ống phụ thuộc nhiệt
độ ban đầu của nước và CĐBX được thể hiện trên hình 5.5. Từ các kết
quả, ta thấy hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tăng mạnh khi CĐBX tăng. Sở dĩ
vậy là vì nhiệt tổn thất ít thay đổi nên mật độ dòng nhiệt truyền cho nước
sẽ tăng khi CĐBX lớn. Nhiệt độ nước cũng ảnh hưởng đến hệ số trao đổi
nhiệt đối lưu. Khi nhiệt độ nước tăng, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cũng
tăng lên. Điều này có thể được giải thích là khi nhiệt độ nước tăng, độ
nhớt của nước giảm làm cho quá trình tuần hoàn tự nhiên của nước diễn
ra mạnh hơn, dẫn đến hệ số trao đổi nhiệt tăng. Trong phạm vi nghiên
cứu, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu nhỏ nhất là 107 W/(m2K) tại chế độ (tf,0
= 20 oC, G = 200 W/m2,  = 90 o) và lớn nhất là 145 W/(m2K) tại chế độ
(tf,0 = 60 oC, G = 800 W/m2,  = 45 o).
Hình 5.6. Hệ số
TĐNĐL trong
ống phụ thuộc
nhiệt độ nước

và góc chắn tia
trực xạ

Sự phụ thuộc của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu vào nhiệt độ nước và
góc chắn tia trực xạ được thể hiện trên hình 5.6. Theo kết quả này, nếu
cùng giá trị nhiệt độ nước và CĐBX thì hệ số trao đổi nhiệt khi tia bức
xạ chiếu thẳng đứng ( = 90 o) sẽ nhỏ hơn khi tia bức xạ chiếu xiên. Tại
cùng nhiệt độ 60 oC và CĐBX 800 W/m2 thì hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
khi góc chắn tia trực xạ là 90 o và 45 o lần lượt là 134,1 W/(m2K) và
136,9 W/(m2K). Sự tăng hệ số trao đổi nhiệt có thể được giải thích là ứng
với góc chắn của tia trực xạ khác 90 o, diện tích nhận bức xạ dịch chuyển
sang mặt bên, nước trong ống được đốt nóng ở phần diện tích này có xu
hướng đi lên phía trên tạo đối lưu tự nhiên dễ dàng, kết quả làm tăng hệ
số trao đổi nhiệt đối lưu.
Các kết quả nghiên cứu này cho thấy rằng ống TTCK sẽ làm việc với
độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt trong của ống hấp thụ với nước chỉ
khoảng không quá 10 oC. Với chiều dày 1,6 mm và hệ số dẫn nhiệt của
thủy tinh Borosilicate 1,2 W/(m.K) thì nhiệt độ bề mặt ngoài ống hấp thụ
cũng chỉ chênh khoảng 12 oC so với nước trong ống. Như thế, lớp phủ
hấp thụ chọn lọc sẽ đảm bảo không chịu nhiệt độ quá cao và ống TTCK

22


có thể làm việc lâu dài mà không sợ bị quá nhiệt. Đây chính là ưu điểm
rất lớn của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK.
5.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế
5.2.1. Nghiên cứu xác định hiệu suất bộ thu
Trên cơ sở kết quả
này, ứng với mỗi

trường hợp bộ thu có
sẵn, ở một điều kiện
vận hành nhất định
ứng với nhiệt độ môi
trường ta , nhiệt độ
nước vào bộ thu tfi và
cường độ bức xạ toàn
phần Gt đã biết (tổ
Hình 5.7. Hàm đặc tính hiệu suất bộ thu NLMT
hợp 3 thông số này xác định chế độ hoạt động của bộ thu), ta dễ dàng xác

t fi − t a
*
định được độ chênh nhiệt độ đơn vị Tm =
và do vậy xác định
Gt

được hiệu suất bộ thu . Đây là đặc tính hết sức quan trọng của bộ thu,
nó giúp cho người thiết kế tính ra được quy mô diện tích bộ thu cần trang
bị, hoặc nó giúp đánh giá được hiệu quả kinh tế kỹ thuật của các hệ
thống đun nước nóng bằng NLMT đang hoạt động.
5.2.2. Xác định lưu lượng nước tuần hoàn trong ống TTCK
Bằng việc sử dụng
các kết quả thu được
từ nghiên cứu mô
phỏng ống TTCK,
xác định được lưu
lượng khối lượng
nước tuần hoàn trong
ống theo công thức

(3.9). Từ giá trị lưu
Hình 5.8. Phương trình tiêu chuẩn xác định lưu lượng nước
lượng đã biết, tính
tuần hoàn trong ống TTCK đường kính ngoài 58 mm
được các giá trị Re
*
theo (3.10) và Ra theo (3.15) trong nhiều chế độ hoạt động của ống
TTCK, qua đó xác định được các hệ số a, b trong phương trình (3.16)
bằng việc hồi quy các số liệu. Kết quả thu được phương trình tiêu chuẩn
để xác định mối quan hệ giữa tiêu chuẩn Reynolds với tiêu chuẩn
Rayleigh sửa đổi.

23


KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Kết luận:
Luận án đã giải quyết được mục tiêu đặt ra thể hiện qua các kết quả sau:
- Xây dựng và giải MHT xác định lượng BX hấp thụ trên bề mặt hấp thụ
của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK bằng việc chia bề mặt ống trụ
thành các phân tố dọc theo chu vi ống. Các kết quả nghiên cứu này
giúp việc thiết lập điều kiện biên của vùng nhận BX trong các MHMP
CFD chính xác hơn;
- Xây dựng được phương trình tiêu chuẩn giúp tính toán, xác định lưu
lượng khối lượng nước tuần hoàn trong ống TTCK. Đây là thông số
quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất nhiệt hữu ích của ống.
Các hệ số thu được trong phương trình là kết quả hồi quy các số liệu
đo thực nghiệm và tính toán mô phỏng cho ống TTCK có đường kính
ngoài của ống bao 58 mm, dài 1800 mm theo các điều kiện làm việc
khác nhau. Phương pháp này có thể suy rộng cho các loại ống có kích

thước bất kỳ;
- Xây dựng được phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong
ống TTCK dựa trên kết quả nghiên cứu mô phỏng CFD;
- Xây dựng được 01 hệ thống thí nghiệm để nghiên cứu và kiểm chứng mô
hình xác định BX đập tới bề mặt hấp thụ của bộ thu NLMT; và 01 hệ
thống thí nghiệm để nghiên cứu và kiểm chứng các quá trình trao đổi
nhiệt bên trong bộ thu NLMT kiểu ống TTCK;
- Tính toán, xác định được công suất nhiệt hữu ích của ống TTCK và hiệu
suất của bộ thu NLMT sử dụng ống TTCK theo các điều kiện làm việc
khác nhau dựa trên nghiên cứu mô phỏng. Các kết quả nghiên cứu này
có thể được sử dụng trong việc tính toán, thiết kế lắp đặt hoặc phân tích,
đánh giá hiệu quả làm việc của các hệ thống thu NLMT ở Việt Nam.
Một số đề xuất:
- Sử dụng các MHMP đã được xây dựng để nghiên cứu sự ảnh hưởng
của các thông số làm việc đến quá trình trao đổi nhiệt trong ống
TTCK cũng như đến hiệu suất của bộ thu NLMT. Từ đó nghiên cứu
tối ưu hóa góc nghiêng của bộ thu, tối ưu hóa thể tích bình chứa hoặc
tối ưu hóa lưu lượng nước tuần hoàn qua bộ thu;
- Nghiên cứu, phát triển phương pháp kết nối trực tiếp giữa mô hình xác
định BX hấp thụ trên bề mặt hấp thụ của bộ thu NLMT kiểu ống
TTCK với các phần mềm mô phỏng CFD;
- Nghiên cứu xây dựng phương trình tiêu chuẩn cho quá trình trao đổi
nhiệt đối lưu tự nhiên của nước trong ống TTCK trên cơ sở phân tích
quá trình lưu động của nước trong ống.

24