Nghiên cứu thực nghiệm về tăng cường truyền nhiệt và ma sát trong ống collector không khí có nhám nhân tạo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
.................. 0O0 .................

HOÀNG NAM HƯNG

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ TĂNG CƯỜNG TRUYỀN
NHIỆT VÀ MA SÁT TRONG ỐNG COLLECTOR KHÔNG
KHÍ CÓ NHÁM NHÂN TẠO
EXPERIMENTAL STUDY ON AUGMENTED HEAT
TRANSFER AND FRICTION IN SOLAR AIR HEATER DUCT
WITH ARTIFICIAL ROUGHNESS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Nhiệt
Mã số học viên: 1570316

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TP. HÒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2019


Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN MINH PHÚ
Chữ ký: .........................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1:

TS. VÕ KIẾN QUỐC
Chữ ký ...........................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2:

PGS. TS. BÙI TRUNG THÀNH
Chữ ký ...........................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM, ngày .......... tháng . . . . năm 2019
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: GS.TS Lê Chí Hiệp
2. Thư ký: TS Hà Anh Tùng
3. ủy viên: TS Nguyễn Văn Hạp
4. CBPB1: TS Võ Kiến Quốc
5. CBPB2: PGS.TS Bùi Trung Thành
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG

TRƯỞNG KHOA cơ KHÍ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
••••

Họ và tháng,

tên họcnăm
viên:sinh: 28/12/1988
HOÀNG NAM HƯNG Phái:Nơi sinh:
Ngày,
Chuyên ngành:

KỸ THUẬT NHIỆT

MSHV:

Nam An
Nghệ
1570316

TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ TĂNG CƯỜNG TRUYỀN
NHIỆT VÀ MA SÁT TRONG ÓNG COLLECTOR KHÔNG KHÍ CÓ NHÁM
NHÂN TẠO”
II. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
I.

❖ Phân tích đặc tính của dòng chảy trong ống có nhám nhân tạo sử dụng phần
mềm ANSỸS Fluent 19.2.
❖ Chế tạo mô hình thực nghiệm mô hình bộ gia nhiệt không khí có nhám nhân
tạo
❖ Viết chương trình tính toán các số liệu thực nghiệm bằng EES.
❖ Xây dựng phương trình thực nghiệm để tính toán truyền nhiệt và tổn thất áp
suất trong collector có nhám nhân tạo.
❖ Đánh giá hiệu quả truyền nhiệt so với collector dạng ống trơn không có
nhám nhân tạo thông qua tham số hiệu quả nhiệt thủy lực.
III. NGẬY GIAO NHIÊM VỤ:

IV. NGÀY HOÀN THẨNH NHIÊM VU:
••
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
-

11/02/2019
11/6/2019
TS. NGUYỄN MINH PHÚ
Tp. HCM, ngày 11 tháng 6 năm 2019

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu Trường Đại học
Bách Khoa, Khoa Cơ Khí, Bộ môn Công nghệ Nhiệt lạnh cùng toàn thể các giảng viên
cũng như các bạn học viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học cao học này.
Xin gửi lời tri ân đến giảng viên hướng dẫn TS. Nguyễn Minh Phú. Thầy đã tận
tình chỉ dẫn, định hướng, giải thích, đôn đốc giúp tôi giải quyết được các các vấn đề trọng
yếu, qua đó hiểu và hoàn thành các nội dung nghiên cứu trong luận văn.
Trong quá trình làm luận văn, mặc dù đã cố gắng và dành nhiều tâm huyết, tuy
nhiên không thể tránh khỏi thiếu sót, tôi mong nhận được sự góp ý và nhận xét của quý

thầy cô và các bạn nhằm luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
Hoàng Nam Hưng

Trang i


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn trình bày tổng quan về năng lượng mặt trời, bộ gia nhiệt không khí sử
dụng năng lượng mặt trời vói tấm hấp thụ sử dụng nhám nhân tạo. Thực hiện mô phỏng
động lực học lưu chất tính toán - CFD nhằm xác định đặc tính của dòng không khí chuyển
động trong ống có nhám dạng “3w”. số liệu mô phỏng được thực hiện theo 3 biến số độc
lập lần lượt là chiều cao nhám tưcmg đối (e/Dh) từ 0.026 đến 0.043, bước nhám tưcmg
đối (P/e) từ 5 đến 20 và số Reynolds (Re) từ 4000 đến 20000. Kết quả cho thấy tại e/Dh
= 0.043, p/e = 10 và Re = 20000, dòng không khí chuyển động trong ống có biên dạng tối
ưu nhất cho trao đổi nhiệt vói số điểm tái đính kèm tối đa.
Luận văn thực hiện lấy số liệu thực nghiệm kiểm chứng bằng cách chế tạo bộ sấy
không khí theo chuẩn ASHREA 93-97, thay thế bức xạ mặt trời bằng một nguồn nhiệt
nhân tạo không đổi q = 1000 w/m2. Các biến số độc lập được lấy giá trị tưcmg tự như
phần CFD. Ket quả cho thấy: Khả năng truyền nhiệt và hệ số ma sát tối đa đạt được tại
e/Dh = 0.043, p/e = 10 và Re = 20000, tưcmg tự như phần CFD. Tham số hiệu quả nhiệt
- thủy lực đạt giá trị tối đa là 1.66. Từ số liệu có được bằng cách thay đổi các thông số
trong quá trình thực nghiệm, luận văn đề xuất phưcmg trình Nusselt và phưcmg trình hệ
số ma sát đối vói ống có nhám dạng “3w” vói các biến số e/Dh, p/e và Re.
Cuối cùng, luận văn đã đưa ra những đánh giá về hiệu quả của nhám nhân tạo, sai
số giữa hàm lập và số liệu tính toán.

Trang ii

ABSTRACT

The thesis presents an overview of solar energy, solar air heater with absorber plate
using artificial roughness. Nest, computational fluid dynamics (CFD) is used to clarify the
flow pattern of air movement in the SAH duct thereby determining the characteristics of
air flow moving in the tube with “3w” style roughness. The simulated data are carried out
by adopting 3 independent variables: relative roughness height (|e/Dh) from 0.026 to
0.043, relative roughness pitch (P/e) from 5 to 20 and Reynolds number (Re) from 4000
to 20000, respectively. The results showed that the air flow in the tube has the best profile
for heat transfer with maximum reattachment points at e/Dh = 0.043, p/e = 10 and Re =
20000.
Thesis performed empirical data by manufacturing a collector according ASHREA
93-97 standard, replacing solar energy with a constant artificial heat source q = 1000

w/m2. Independent variables gets the same value as the CFD chapter. The results showed
that the maximum heat transfer capacity and friction factor achieved at e/Dh = 0.043, p/e
= 10 and Re = 20000, are similar to CFD chapter. Maximum thermo hydraulic parameter
is 1.66. Based on the data collected from the test runs for “3w” roughness duct for various
combinations of the roughness parameters, correlations are also developed for heat transfer
and friction factor in terms of e/Dh, p/e and Re.
Finally, thesis provided assessments of the effect of artificial roughness, the error
between the developed correlations and the experimental data.

Trang iii


LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của

giảng viên T.s. Nguyễn Minh Phú.
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã sử dụng những tài liệu được ghi trong mục Tài
liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất cứ tài liệu tham khảo nào khác mà không được
ghi. Tôi xin cam đoan không sao chép các kết quả nghiên cứu, các công trình khoa học
của ngưòi khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 6 năm 2019.

Hoàng Nam Hưng

Trang iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................................ i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................................................... ii
ABSTRACT.................................................................................................................................................iii
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................................ iv
MỤC LỤC ................................................................................................................................................... V
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG BIÊU ......................................................................................................................... ix
DANH MỤC KÝ HIỆU ................................................................................................................................ X
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 1
1.1

Đặt vấn đề..................................................................................................................................... 1

1.2

Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................................... 2

1.3

Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................................... 3

1.4

Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................................. 3

1.5

Các phương trình cơ sở ................................................................................................................ 4

1.6

Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................................................... 6

CHƯƠNG 2: TÔNG QUAN......................................................................................................................... 7
2.1

Tình hình nghiên cứu ................................................................................................................... 7
2.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................................................... 7
2.1.2

2.2

Tình hình nghiên cứu trong nước ...................................................................................... 18

Kết luận ...................................................................................................................................... 21

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG số .................................................................................................................... 25

3.1

Giới thiệu .................................................................................................................................... 25

3.2

Mô tà bài toán mô phỏng số ....................................................................................................... 26
3.2.1 Thiết kế hình học ............................................................................................................... 26

3.3

3.2.2

Tạo lưới và kiểm tra độc lập lưới ...................................................................................... 27

3.2.3

Điều kiện biên và phương trình tính toán .......................................................................... 32

3.2.4

Lựa chọn mô hình rối ........................................................................................................ 35

Ket quả mô phỏng số .................................................................................................................. 35
3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng các thông số e/Dh, p/e, Re ................................................................ 36
3.3.2

So sánh với nhám tròn ....................................................................................................... 40

CHƯƠNG 4:

MÔ HÌNH THựC NGHỆM ............................................................................................... 44

4.1

Mô tả thực nghiệm ..................................................................................................................... 44
4.1.1 Ống thí nghiệm .................................................................................................................. 44

4.2

4.1.2

Nguồn nhiệt....................................................................................................................... 45

4.1.3

Tấm hấp thụ ...................................................................................................................... 46

Phương tiện đo và sai số ............................................................................................................. 47

Trang V


4.2.1 Đo nhiệt độ ........................................................................................................................ 47

4.3

4.2.2

Đo lưu lượng ..................................................................................................................... 48

4.2.3

Đo áp suất ......................................................................................................................... 50

4.2.4

Đo dòng điện và điện áp ................................................................................................... 51

Ket quà và thào luận ................................................................................................................... 52
4.3.1 Sai số thực nghiệm ............................................................................................................ 52
4.3.2

Ảnh hưởng của bước nhám tương đối p/e ......................................................................... 54

4.3.3

Ảnh hưởng của chiều cao nhám tương đối e/Dh ............................................................... 59

CHƯƠNG 5: PHÁT TRIỂN PHƯƠNG TRÌNH NUSSELT VÀ HỆ số MA SÁT ................................... 63
5.1

Phương trình Nusselt .................................................................................................................. 63

5.2

Phương trình hệ số ma sát .......................................................................................................... 67

5.3

Nhận xét thực nghiệm ............................................................................................................... 71

CHƯƠNG 6: KỂT LUẬN VÀ KEN NGHỊ............................................................................................... 72
6.1

Kết luận ...................................................................................................................................... 72

6.2

Kiến nghị .................................................................................................................................... 73

PHỤ LỤC ................................................................................................................................................... 75
Phụ lục 1. Code EES tính lưu lượng gió từ tổn thất áp suất [28] .......................................................... 75
Phụ lục 2. Code tính toán số Nusselt, hệ số ma sát, tham số hiệu quà nhiệt- thủy lực [28] .................. 76
Phụ lục 3. Code lập hàm Nusselt, hàm hệ số ma sát từ số liệu thực nghiệm

[28] ........................... 78

Phụ lục 4. Mô hình tính toán SAH [32] ............................................................................................... 79
Phụ lục 5. Bàng số liệu thực nghiệm ..................................................................................................... 83
TÀI LÊU THAM KHẢO ............................................................................................................................ 84
LÝ LỊCH HỌC VIÊN ................................................................................................................................. 88

Trang vi


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Biểu đồ số giờ nắng trung bình tại thành phố Hồ Chí Minh. (Baulch và cộng sự, 2017) ............. 1
Hình 1.2 Biểu đồ bức xạ mặt trời tại 3 miền Bắc, Trung, Nam (Trịnh Quang Dũng, 2009) ........................ 2

Hình 1.3 Dạng mô hình thí nghiệm (Kumar và cộng sự, 2016) .................................................................. 4
Hình 2.1 Cấu tạo bộ thu năng lượng mặt tròi .............................................................................................. 8
Hình 2.2 Bộ gia nhiệt không khí đối lưu cưỡng bức có trữ nhiệt (Kumarvà cộng sự, 2016) ....................... 9
Hình 2.3 Mặt cắt tấm hấp thụ có các gân hình hyperbol (Thakur và cộng
sự,2017) .............................. 9
Hình 2.4 Tấm hấp thụ có các gân hình chữ s (Kumar và cộng sự, 2016) .................................................. 10
Hình 2.5 Tấm hấp thụ có các cung xẻ rãnh (Hans và cộng sự, 2017) ........................................................ 10
Hình 2.6 Be mặt hấp thụ của Karmare và Tikebar ..................................................................................... 11
Hình 2.7 Be mặt hấp thụ có gân hình w (Lanjewar và cộng sự, 2011) ...................................................... 12
Hình 2.8 Phân tích dòng trong ống tam giác có gân ellip với Re = 4000 có bước nhám tương đối p/e
lần lượt bằng 6 (a) và 10 (b) (Kumar và cộng sự, 2017) ............................................................................. 13
Hình 2.9 Ống hình tam giác có gân nhám (Kumar và cộng sự, 2017) ........................................................ 14
Hình 2.10 Vùng truyền nhiệt kém trên gân ngang dạng sóng hình vuông (I. Singh và s.Singh, 2018)15
Hình 2.11 Các dây hình vòng cung trên bề mặt hấp thụ (Kumar và Saini, 2009) ...................................... 15
Hình 2.12 Ảnh hưởng của độ cao nhám ở e = 1 mm (a), 2 mm (b), 4 mm (c) (I. Singh và s. Singh,
2018) ........ ........................... ............................. ... ....................... .. ............ ... .......... . ................... .....16
Hình 2.13 Ảnh hưởng của bước nhám tương đối ở p/e = 4(a), 8 (b), 10 (c), 12 (c) (I. Singh và s.
Singh, 2018) ................................................ . . ................... ....... . .... .......... .. ..... ... ............................... 17
Hình 2.14 Anh hưởng của số Re = 3000 (a), 9000 (b), 15000 (c) (I. Singh và s. Singh, 2018) ................. 18
Hình 2.15 Bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt thủy tinh chân không (SAV, 2012) ....................... 19
Hình 2.16 Cấu tạo bộ thu năng lượng mặt trời (Mai Thanh Phong và cộng sự, 2012) .............................. 20
Hình 2.17 Sợi nhôm sử dụng làm nhám nhân tạo ...................................................................................... 22
Hình 2.18 Xoáy trước và sau nhám (I. Singh, and s. Singh, 2018) ............................................................ 22
Hình 2.19 Nhám có dạng Hyperbolic (Thakur và cộng sự, 2018) ............................................................. 23
Hình 2.20 Nhám có dạng 3w trong nghiên cứu ......................................................................................... 23
Hình 3.1 Hình dạng mô phỏng ống trong bài toán ..................................................................................... 26
Hình 3.2 Hình dạng và kích thước mô phỏng của nhám nhân tạo ............................................................. 26
Hình 3.3 Mô hình chia lưới của ống trơn ................................................................................................... 27
Hình 3.4 Mô hình chia lưới của ống có nhám nhân tạo ............................................................................. 28
Hình 3.5 Lựa chọn refinement tăng cường lưới phần sát bề mặt tấm hấp thụ ........................................... 28

Hình 3.6 Điều chỉnh y+ đến giá trị xấp xỉ 1 ................................................................................................ 29
Hình 3.7 Lưới trước và sau khi điều chỉnh y + =: 1 ..................................................................................... 29
Hình 3.8 Ket quả kiểm tra độc lập lưới của ống trơn với
chiều cao H thay đổi ................................... 30
Hình 3.9 Ket quả kiểm tra độc lập lưới của ống nhám với chiều cao H thay đổi....................................... 31
Hình 3.10 Ket quả kiểm tra độc lập lưói của ống nhám với bước nhám tương đối thay đổi ..................... 32
Hình 3.11 Thông số tính chất mô phỏng của dòng không khí ................................................................... 33
Hình 3.12 Khai báo tiêu chí sai số của các phương trình ........................................................................... 34
Hình 3.13 Biểu đồ sai số theo số lần lặp của 1 tính toán tiêu biểu ............................................................. 34
Hình 3.14 Thiết lập mô hình rối ................................................................................................................. 35
Hình 3.15 Ket quả mô phỏng dòng không khí trong ống nhám ứng với các trường họp thay đổi chiều
cao nhám tương đối e/Dh ............................................................................................................................ 37
Hình 3.16 Ket quả mô phỏng dòng không khí trong ống
với bước nhám tương đối thay đổi .............. 38
Hình 3.17 Ket quả mô phỏng dòng không khí trong ống
với số Reynolds thay đổi ............................ 40
Hình 3.18 So sánh dòng chảy không khí trong ống có nhám dạng 3w và nhám tròn ................................ 41
Hình 3.19 Đồ thị hệ số trao đổi nhiệt của tấm hấp thụ với nhám dạng 3w và nhám tròn (trên toàn chiều dài
tấm hấp thụ) ............................................................................................................................................... 42

7

7

Trang vii


Hình 3.20 Đồ thị hệ số trao đổi nhiệt của tấm hấp thụ với nhám dạng 3w và nhám tròn (Phóng đại 1
đoạn hấp thụ) ............................................................................................................................................. 43
Hình 4.1 Sơ đồ tổng thể của thí nghiệm ..................................................................................................... 44

Hình 4.2 Sơ đồ mặt cắt của ống ................................................................................................................. 45
Hình 4.3 Sơ đồ cấu tạo nguồn cấp nhiệt ................................................................................................. 46
Hình 4.4 Nguồn tạo nhiệt cho tấm hấp thụ ................................................................................................ 46
Hình 4.5 Tấm hấp thụ có nhám nhân tạo bằng các sợi nhôm..................................................................... 47
Hình 4.6 Nhiệt kế điện tử datalogger HIOKILR8400-20........................................................................... 47
Hình 4.7 Sơ đồ vị trí gắn đầu dò nhiệt trên tấm hấp thụ ......................................................................... 48
Hình 4.8 Sơ đồ vị trí gắn đầu dò nhiệt trên ống để đonhiệt độ đầu vào - đầu ra .................................... 48
Hình 4.9 Hệ thống đo lưu lượng dạng lỗ và chênh áp kế ........................................................................... 49
Hình 4.10 Chênh ap kế DWYER model 2000-60Pa!................................................................................. 50
Hình 4.11 Ampe kìm BEHA CHB49 ......................................................................................................... 51
Hình 4.12 Quá trình EES tính toán giải phương trình ................................................................................ 53
Hình 4.13 Biểu đồ thể hiện giá trị Nu và f có kèm theo thanh sai số ......................................................... 53
Hình 4.14 Ảnh hưởng của số Reynolds và bước nhám tương đối đến số Nusselt ..................................... 56
Hình 4.15 Ảnh hưởng của số Reynolds và bước nhám tương đối đến hệ số ma sát .................................. 56
Hình 4.16 Ảnh hưởng của số Reynolds và bước nhám tương đối đến tham số hiệu quà nhiệt - thủy lực
........................................................................................................................................................
.....57
Hình 4.17 Dòng không khí đi qua nhám đối với một số cấu hình nhám khác nhau: a) Nhám W-rib
(Lanjewar và cộng sự, 2011); b) Nhám Cung xẻ rãnh (Hans và cộng sự, 2017); c) Nhám gân Hyperbol,
(Thakur và cộng sự, 2017); d) Nhám chữ s (Kumar và cộng sự, 2016) ..................................................... 58
Hình 4.18 Ảnh hưởng của số Reynolds và chiều cao nhám tương đối đến số Nusselt .............................. 60
Hình 4.19 Ảnh hưởng của chiều cao nhám tương đối và số Reynolds đến hệ số ma sát ........................... 61
Hình 4.20 Ảnh hưởng của số Reynolds và chiều cao nhám tương đối đến tham số hiệu quà nhiệt - thủy
lực .............................................................................................................................................................. 62
Hình 5.1 Đồ thị hàm số Nur theo Re .......................................................................................................... 64
Hình 5.2 Đồ thị hàm số Nur/Re°7526 theo e/Dh........................................................................................... 65
Hình 5.3 Đồ thị hàm số Nur/[ Re°'7526(e/Dh)0'1007] theo p/e........................................................................ 66
Hình 5.4 Sai số giữa hàm Nur lập được và số liệu Nur thực nghiệm .......................................................... 67
Hình 5.5 Đồ thị hàm fr theo Re .................................................................................................................. 68
Hình 5.6 Đồ thị hàm fr/Re'04540 theo e/Dh .................................................................................................. 69

Hình 5.7 ĐỒ thị hàm fr/[ Re’0-4540 (e/Dh)0-2209] theo p/e ........................................................................... 70
Hình 5.8 Đồ thị sai số giữa hàm f lập được và số liệu f thực
nghiệm ................................................... 71

Trang viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Phân loại một số bộ thu năng lượng mặt trời, s. H. Farjana và cộng sự (2018) ........................ 7
Bảng 3.1 Ưu và nhược điểm của các phưcmg pháp (Yadav, 2013) ......................................................... 25
Bảng 4.1 Tổng họp các phưcmg tiện đo và sai số được sử dụng trong nghiên cứu .................................. 51
Bảng 4.2 So sánh tham số hiệu quà nhiệt - thủy lực một số nghiên cứu .................................................. 59

Trang ix


DANH MỤC KÝ HIỆU
Ap Diện tích tấm hấp thụ, m2
Cp Nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí, J/(kg.K)
Dh Đường kính thủy lực của ống, m
e

Chiều cao nhám, m

e/Dh Chiều cao nhám tương đối
/

Hệ số ma sát

H

Chiều cao ống, m

h Hệ số trao đổi nhiệt, W/(m2.K)
k Hệ số dẫn nhiệt, W/(m.K)
L Chiều dài tấm hấp thụ, m
m

Lưu lượng khối lượng không khí qua ống, kg/s

Nu

Số Nusselt

p

Bước nhám, m

p/e

Bước nhám tương đối

Pr

Số Prandtl

Q Nhiệt lượng hữu ích, w
Re

Số Reynolds

Tf Nhiệt độ trung bình của không khí qua ống, °c
Ti Nhiệt độ không khí đầu vào, °c
To Nhiệt độ không khí đầu ra, °c
Tp Nhiệt độ tấm hấp thụ, °c
V Vận tốc không khí trong ống, m/s

w

Chiều rộng ống, m

Ap

Độ chênh áp, Pa

tị

Hiệu quả nhiệt - thủy lực

ỊI

Độ nhớt động lực học của không khí, kg/(m.s)

p Khối lượng riêng không khí, kg/m3

Trang X


CHƯƠNG 1

1.1

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng miễn phí và vô tận tồn tại dưới dạng

bức xạ mặt trời đến Trái đất. Tại Việt Nam, đặc biệt ở Miền Nam, cường độ bức xạ mặt
trời rơi vào khoảng 4 kWh/m2/ngày [1], cùng hơn 150 giờ nắng mỗi tháng [2], cho thấy
điều kiện ứng dụng rất thuận lợi. Hình 1.1 thể hiện biểu đồ số giờ nắng trung bình tại
thành phố Hồ Chí Minh theo tháng (Baulch và cộng sự, 2017), hình 1.2 thể hiện biểu
đồ bức xạ mặt trời tại 3 miền Bắc, Trung, Nam (Trịnh Quang Dũng, 2009).

Source: Data from Tan Nhat Son Metrological station

Hình 1.1 Biếu đổ số giờ nang trung bình tại thành phổ Hồ Chí Minh. (Baulch và
cộng sự, 2017)

1


Hình 1.2 Biểu đồ bức xạ mặt trời tại 3 miền Bẳc, Trung, Nam (Trịnh Quang Dũng,
2009)
Tuy nhiên, ứng dụng thực tế lại khá hạn chế, tại Việt Nam, nguồn năng lượng
tái tạo được ứng dụng có sản lượng cao chủ yếu là thủy điện, dù vậy, các dự án thủy
điện hiện cũng đã khai thác hết công suất, trong khi các nguồn năng lượng còn lại chưa
đáp ứng được nhu cầu cả về công suất lẫn giá thành. Việc đẩy mạnh nghiên cứu về ứng
dụng năng lượng mặt trời hiện nay là một hướng đi hợp lý, nhất là với điều kiện tự
nhiên có lợi như đã nêu. Nghiên cứu này tập trung về các ứng dụng sử dụng năng lượng
mặt trời, nhằm góp một phần công sức trong quá trình phát triển các ứng dụng sử dụng

năng lượng tái tạo nói chung, cũng như năng lượng mặt trời nói riêng ở Việt Nam, đây
cũng chính là lý do chọn đề tài này.
Bức xạ năng lượng mặt trời có thể sử dụng trực tiếp vào một số công việc như
sấy khô nông sản, vật liệu, tuy vậy hiệu quả của cách làm này không cao. Thay vào đó,
ta có thế chuyến đối năng lượng bức xạ mặt trời một cách gián tiếp thành năng lượng
nhiệt, từ đó sử dụng vào các quy trình công nghệ sẽ mang lại hiệu quả cao hơn.
1.2

Đối tượng nghiên cửu

Bộ gia nhiệt không khí sử dụng năng lượng mặt trời - SAH - Solar air heater có công
dụng gia nhiệt không khí bằng cách để cho không khí chạy qua bề mặt hấp

2


thụ đã được làm nóng bằng bức xạ mặt trời, không khí sẽ trao đổi nhiệt với tấm hấp thụ
và được gia nhiệt.
Thành phần có ý nghĩa quan trọng nhất trong SAH đó là bộ phận hấp thụ. Nó
quyết định trực tiếp đến khả năng gia nhiệt không khí, vấn đề thiết kế, chế tạo, giá thành
sản xuất cũng như khả năng ứng dụng thực tế của sản phẩm.
Kumar và cộng sự (2015) [3] đã chỉ ra lý do cho tính dẫn nhiệt kém của SAH là
do sự xuất hiện của lớp biên tầng ngầm gần bề mặt truyền nhiệt khiến cho dòng không
khí trao đổi nhiệt không tốt vói tấm hấp thụ. Giải pháp cho vấn đề này chính là thêm
các nhám nhân tạo lên tấm hấp thụ để tạo rối cho dòng không khí giúp cải thiện khả
năng trao đổi nhiệt.
1.3

Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài có các mục tiêu chính như sau:

- Phân tích đặc tính của dòng chảy trong ống có nhám nhân tạo bằng phương

pháp mô phỏng động lực học lưu chất tính toán.
- Xây dựng phương trĩnh thực nghiệm để tính toán số Nusselt và hệ số ma sát
trong bộ gia nhiệt không khí có nhám nhân tạo.
- Đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt so với bộ gia nhiệt không khí dạng ống trơn
thông qua thông số hiệu quả nhiệt thủy lực r| [4, 5]. Được xác định qua công thức:

(1.1)

Vói:

Nur là số Nussclt với ống có nhám

Nus là số Nusselt vói ống trơn fr là
hệ số ma sát với ống có nhám fs là
hệ số ma sát với ống trơn
1.4

Phương pháp nghiên cửu
Có hai phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

3


- Mô phỏng động lực học lưu chất tính toán để xác đỉnh đặc tính dòng chảy
trong ống có nhám.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm theo tiêu chuẩn ASHRAE 93-97 để khảo sát
ảnh hưởng của các thông số và phân tích hồi quy. Mô hình thí nghiệm cố dạng như
Hình 1.3 [5]:

3
4
5
6
7

Mixing Seetiian
10 CciunEugíil Bk>v*rCC
Exit Section
II
AC Motor
Transition section
12
Selector Switch
CỈI Pipe
13
Tempt Display
Orifice Meter
|4
Inner Seeikm of Duel
MM Micro-manometer

Hình 1.3 Dạng mô hình thí nghiệm (Kumar và cộng sự, 2016)
Việc lựa chọn mô hình thực nghiệm theo ASHREA 93-97, với nguồn nhiệt mô
phỏng nhiệt lượng mặt trời là nhằm chủ động trong việc khổng chế nguồn nhiệt do
nghiên cứu chỉ tập trung so sánh hiệu quả truyền nhiệt giữa nhám hấp thụ dạng “3w”
với các loại nhám khác.
1,5

Các phưomg trình cơ sở
Phương trình cân bằng năng lượng được sử dụng trong nghiên cứu:
Qu=mcp(T0-Ti) = hAp(Tp-Tf)
Với m là lưu lượng khối lượng không khí, kg/s.
Cp

là nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí, J/(kg.K).

To và Ti lần lượt là nhiệt độ đầu ra và đầu vào của không khí, °c.
Ap là diện tích tấm hấp thụ, m2.

4

(12)


Tp là nhiệt độ tấm hấp thụ, °c.
Tf là nhiệt độ trung bình của dòng không khí, °c.
Công thức tính số Nusselt:
Nu =

hDh
k
(1.3)

Với Dh là đường kính thủy lực của ống, m.
h là hệ số trao đổi nhiệt của tấm hấp thụ với không khí, W/(m2.K). k là
hệ số dẫn nhiệt của không khí, W/(mK).
Trong đó, Dh được tính theo công thức:
4 m)

D
h %W + H)

(li4)

Vói w là chiều rộng của ống, m.
H là chiều cao của ống, m.
Hệ số ma sát được tính theo công thức:

f _ 2D„AP
1

(1.5)

pLV2

Vói AP là tổn thất áp suất của không khí qua ống, Pa. p là khối lượng riêng của
không khí, kg/m3.
L là chiều dài ống, m.
V là vận tốc của dòng không khí trong ống, m/s. Công thức tính số
Reynolds:
Re = ^
V
Với: p là khối lượng riêng không khí, kg/m3.
ụ là độ nhớt động lực học của không khí, kg/(m.s).

5

(1.6)

Tính toán đối với ống trcm (không thêm nhám nhân tạo) được thực hiện theo 2
phương trình:
Tính toán số Nusselt đối vói ống trơn sử dụng phương trình Dittus-Boelter:
Nu,J = 0.024Re°‘8 Pr0'4

n
(1.7)

Với Pr là số Prandtl
Tính toán hệ số ma sát đối vói ống trơn sử dụng phương trình Blasius cải
tiến:
f s = 0.085R6-0'25
1.6

(18)

Phạm vi nghiên cứu
Trong nghiên cứu này hàm số Nusselt và hệ số ma sát / [5] được thành lập theo

ba biến gồm số Reynolds, chiều cao nhám tương đối và bước nhám tương đối. Cụ thể
như sau:
Nur = /i(Re, e!Dh, p / e )

(2.8)

fr= f2(Re,e/Dh,P/e)

(2.9)

Các thông số độc lập trong nghiên cứu thay đổi trong phạm vi như sau:
Re thay đổi trong phạm vi (5000 ~ 20000) vói 3 giá trị, Re = 5000, 10000 và
20000.

Chiều cao nhám tương đối e/Dh thay đổi trong phạm vi (0.026 ~ 0.043) với 3
giá trị lần lượt là e/Dh = 0.026, 0.032 và 0.043, trong đó lựa chọn e = 2 mm.
Bước nhám tương đối p/e thay đối trong phạm vi (5 ~ 20) với 4 giá trị lần lượt
là p/e = 5, 10, 15 và 20.

6


CHƯƠNG 2
2.1

TỔNG QUAN

Tình hình nghiên cứu

2.1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trong số các ứng dụng bộ thu - collector sử dụng năng lượng mặt trời [7] (Bảng
1.1), bộ gia nhiệt không khí bằng năng lượng mặt trời - solar air heater (S AH) là ứng
dụng đơn giản nhất, dù vậy hiệu quả mang lại là tương đối ổn định, s AH cũng là một
trong những ứng dụng được nghiên cứu khá rộng rãi.
Bảng 2.1 Phân loại một số bộ thu năng lượng mặt trời, s. H. Farjana và cộng sự
(2018).
Tên
Hồ năng lượng mặt trời

Dạng collector

Tỷ sổ hội tụ

Nhiệt độ (°C)

Cố định

c<

1

27-87

Tấm hấp thụ phang

Cố định

c<

1

27-77

Ống nhiệt

Cố định

c<

1

47 - 187

1 15

67 - 237 67 287

Bộ thu parabol kép

Cố định/ Di chuyển đơn trục/ Hướng
mặt tròi

Tấm phàn xạ parabol

Di chuyển đơn trục/ Hướng mặt trời

15 < c < 40

67 - 287

Tấm phàn xạ Fresnel

Di chuyển đơn trục/ Hướng mặt trời

10 < c < 40

67 - 267

Ống phàn xạ

Di chuyển đơn trục/ Hướng mặt trời

10 < c < 50

67 - 267

Đĩa Parabol

Di chuyển đa trục/ Hướng mặt trời

100 < c < 1000

67 - 927

Gương cầu phản xạ

Di chuyển đa trục/ Hướng mặt trời

100 < c < 300

67 - 727

Đa tấm phản xạ

Di chuyển đa trục/ Hướng mặt trời

100 < c < 1500

127 - 2727

Hình 2.1 thể hiện nguyên lý hoạt động của một SAH, trong đó, nhiệt lượng từ
ánh sáng mặt trời được giữ lại bởi một (các) tấm hấp thụ, sau đó được dùng để gia nhiệt
cho dòng không khí, khí nóng này sẽ được sử dụng tùy mục đích, thường là sấy nông
sản, vật liệu... Hiệu quả gia nhiệt không khí của SAH phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo
của tấm hấp thụ. Việc nghiên cứu, chế tạo tấm hấp thụ của SAH đã được thực hiện bởi
nhiều cá nhân, tổ chức với nhiều kết quả quan trọng.

7


\/

Hình 2.1 Cẩu tạo bộ thu năng lượng mặt trời.
Ở phạm vi thế giới, nghiên cứu về SAH đã được đề xuất nhiều cấu hình khác
nhau để tăng hiệu quả. Sharma và Kalamkar (2015) [8] đã báo cáo tỏng kết các nghiên
cứu Vũd nhiều bề mặt cố cấu hình nhám khác nhau trong hàng chục năm qua. Kumar
và cộng sự (2016) nghiên cứu bộ SAH có các ống nhỏ chứa sáp đèn cầy để trữ nhiệt ẩn
như Hình 2.2. Kết quả cho tháy hiệu suất nhiệt cao hơn từ 3 đến 35% so với tấm phẳng
[9].

8


Hình 2.2 Bộ gia nhiệt không khỉ đối ỉưu cưỡng bức có trữ nhiệt (Kumar và cộng
sự,
2016)
Thakur và cộng sự (2017) nghiên cứu SAH với các gân dạng hyperbol như Hình
2.3. Kết quả cho thấy gân dạng này đạt được hiệu quả nhiệt - thủy lực cao hơn các dạng
chữ nhật, tam giác và nửa hình tròn. Kết quả tốt hơn này đến từ việc các gân dạng

hyperbol giúp khử các xoáy ở phía trước và sau nhám.
Absorber plate

“^7“ "V
Hình 2,3 Mặt cắt tấm hấp thụ có các gân hình hyperbol (Thákur và cộng sự, 2017),

9


Kumar và cộng sự (2016) nghiên cứu gân hình chữ s trong bộ thu năng lượng
mặt trời (Hình 2.4), các phương trình tính toán truyền nhiệt và tổn thất áp suất được
phát triển trong nghiên cứu này. Kết quả cho thấy tham số hiệu quả nhiệt - thủy lực đạt
3.34 [5].

Hình 2.4 Tẩm hấp thụ có các gân hình chữ s (Kumar và cộng sự, 2016).
Hans và cộng sự (2017) nghiên cứu tấm hấm thụ cố các cung xẻ rãnh như Hình
2.5. Cấu hình này làm tăng số Nusselt và hệ số ma sát làn lượt là 13,8% và 8% [10].
Nhiều phương trình tính số Nusselt và hệ số ma sát được đề xuất trong nghiên cứu này.

e/Dh = Ũ.Ũ43

Hình 2.5 Tắm hấp thụ cổ cấc cung xẻ rãnh (Hans và cộng sự,
2017).

10


Karmare và Tỉkebar (2007) đã thực hiện các thí nghiệm trên tấm hấp thụ cố các
gân kim loại như Hình 2.6. Kết quả cho thấy sổ Nusselt tăng 187% và hệ số ma sát tăng
213% so với tấm nhẵn [7].

1500 mra

'>>' ' ' ' ' ' ' ' ' ' V ' N
kxi /
/ /
/
Ả /
/

V V x V
/
/ /
/
/
/
/
/
A

\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\Z

/

/

A

0

=

6 0 °
Plaĩe No 04

Hình 2.6 Bề mặt hấp thụ của Karmare và Tỉkebar Thực hiện phân
tích hồi quy với các dữ liệu thực nghiệm, Karmare và Tikebar (2007) đã tìm ra
phương trình tính số Nusselt và hệ số ma sát là hàm của 4 biến làn lượt như sau:

Nu = 2.4-3ReL3(e/Z>A)0-42(^)j0146(iye)-027

/=15.55Re-°-26(^)0-91(^)-°-27(P/e)-0-51 Với: Re là số

Reynolds
e/Dh là chiều cao nhám tương đối
ưs là kích thước tương đối của mắt lưới gân
p/e bước nhám tương đối
11


Gân nhám hình w (Hình 2.7) đã được khảo sát bởi Lanjewar và cộng sự (2011).
Trong nghiên cứu này, gân w hướng xuống cho kết quả tốt hơn w hướng lên và gân
V. Thông số nhiệt thủy lực lớn nhất đạt 1.98 [11],

Fig. 2d. W-down roughness geometry.

Fig. 2b. W-up roughness geometry.

Hình 2.7 Be mặt hấp thụ có gân hình w (Lanjewar và cộng sự, 2011)
Các nghiên cứu động lực học lưu chất tính toán (CFD) về nhám nhân tạo cũng

được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu. Kumar và cộng sự (2017) đã thực hiện một
mô hình CFD 2-D đề phân tích dòng chảy không khí bằng cách sử dụng phần mềm
ANSYS Fluent cho các gân nhám hình elip (Hình 2.8) và ống hình tam giác có gân
[12] (Hình 2.9). Inderjeet Singh và Sukhmeet Singh (2018) đã dùng CFD để chỉ ra
vùng truyền nhiệt kém cho gân ngang dạng sống hình vuông [13] (Hình 2.10). Các dây
hình vòng cung trên bề mặt hấp thụ (Hình 2.11) đã được Kumar và Saini (2009) nghiên
cứu, cho thấy thông số hiệu quả nhiệt thủy lực lớn nhất là 1.7 [14].

12