Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu về sự phân tầng nhiệt của nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN LƯƠNG THIỆN

NGHIÊN CỨU VỀ
SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA NƯỚC
Chuyên ngành

: Công nghệ Nhiệt

Mã số

: 60.52.80

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2014


Công trình hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. THÁI NGỌC SƠN

Phản biện 1: PGS.TS. Hoàng Ngọc Đồng
Phản biện 2: PGS.TS. Hoàng Dương Hùng

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận
văn tốt nghiệp thạc sĩ Công nghệ nhiệt họp tại Đại học Đà Nẵng
vào ngày 20 tháng 12 năm 2014

Có thể tìm hiểu tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Trung tâm Thông tin – Tư liệu, Đại học Đà Nẵng


1
MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, tiết kiệm năng lượng và đối phó với biến đổi khí
hậu là ưu tiên hàng đầu của mỗi quốc gia.
Trong hệ thống đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời,
sự phân tầng nhiệt độ trong các bồn chứa nước nóng có ảnh hưởng
lớn đến hiệu suất nhiệt của hệ thống và là một vấn đề quan trọng
trong việc thiết kế các bồn chứa trữ nhiệt.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu sự phân tầng nhiệt độ của nước bên trong bình
chứa.
3. Giả thuyết nghiên cứu
Đưa ra một số giả thuyết để giải các phương trình vi phân
mô tả sự phân tầng nhiệt và kiểm chứng qua thực nghiệm
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu sự phân tầng nhiệt độ của nước bên trong bình
chứa đặt đứng và ngang.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô hình thực nghiệm và mô
phỏng số.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Áp dụng lý thuyết tính toán vào các mô hình thực tế.
- Áp dụng các phần mềm tính toán và mô phỏng để giải các

bài toán phân tầng nhiệt.
- Nâng cao hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời, góp
phần tích trữ nước nóng lâu dài và giảm tiêu thụ điện năng trong giờ
cao điểm.


2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT CHẤT LỎNG
1.1. TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT VÀ LƯU TRỮ
NHIỆT
1.1.1. Giới thiệu về bồn trữ nhiệt
a. Phân loại các dạng bồn chứa nước nóng
b. Ứng dụng của bồn chứa nước nóng
1.1.2. Các phương pháp thu thập và tích trữ nhiệt năng lượng
mặt trời
1.1.3.Tổng quan về sự phân tầng nhiệt của bồn lưu trữ
Phân tầng nhiệt của nước trong bồn lưu trữ nhiệt là sự phân bố
nhiệt độ của phần tử nước theo chiều cao của bồn chứa lưu trữ. Nó được
tạo ra bởi sự chênh lệch mật độ của nước theo nhiệt độ. Sự phân tầng
nhiệt của nước trong bình chứa có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất
nhiệt của hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời.
1.1.4.Phân loại các dạng phân tầng nhiệt của chất lỏng
a. Phần tầng động
b. Phân tầng tĩnh
1.1.5.Ứng dụng của phân tầng nhiệt

· Ứng dựng phân tầng nhiệt để nâng cao hiệu suất của bộ
thu năng lượng măt trời.

· Ứng dụng trong năng lượng hạt nhân
· Ứng dụng trong bồn lưu trữ lạnh
1.2. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ SỰ PHÂN TẦNG CỦA CHẤT LỎNG
1.2.1.Các vấn đề ảnh hưởng đến sự phân tầng nhiệt của
nước trong bồn chứa
Sự phân tầng nhiệt trong bình chứa nước nóng bị ảnh hưởng
bởi các nhân tố:


3
Ø Dòng chảy đối lưu tự nhiên bên trong thành bình sinh ra
bởi tổn thất nhiệt của nước ra môi trường xung quanh.
Ø Sự truyền nhiệt từ bình chứa trữ nhiệt ra môi trường xung
quanh thông qua vách bình.
Ø Sự khuếch tán nhiệt giữa nước lạnh và nước nóng tại bề
mặt phân cách do sự khác biệt về nhiệt độ.
Ø Sự truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức do dòng chảy xuyên
suốt bình chứa ở chế độ động.
1.2.2. Các nghiên cứu về phân tầng trong và ngoài nước
a. Nghiên cứu về sự phân tầng nhiệt trong nước
b. Những nghiên cứu ngoài nước
1.3. CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÂN TẦNG NHIỆT
CỦA BỒN CHỨA
Những phương pháp tính và thiết kế mới được áp dụng cho
các bình lưu trữ nhiệt luôn thay đổi và cải tiến nhằm nâng cao hiệu
suất của bồn trữ nhiệt. Đặc biệt các phương pháp đánh giá mức độ
phân tầng nhiệt trong bể chứa cũng đã được đưa ra gân đây. Sau khi
có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, đặc biệt là máy
tính cá nhân. Mô hình đầu tiên được đưa ra dựa trên nguyên lý của
định luật nhiệt động 1 và kết hợp với định luật nhiệt động 2 về

exergy lưu trữ.
Phương trình mô tả năng lượng lưu trữ Elt và exergy ξlt lưu trữ.

Ein = Elt = min .c p ( T - T0 )
æT ö
xlt = min .c p ( T - T0 ) - min .c p .T0 .ln ç ÷
è T0 ø

x* =1Exergy không thứ nguyên :

x -xmix
xst -xmix

(1.1)

(1.6)


4
CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN
VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA
CHẤT LỎNG
2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH
Sử dụng các phương pháp chuẩn hóa, định lý hợp nghiệm,
phương pháp tách biến Fourier, phương pháp nghiệm riêng không ổn
định và phương pháp biến thiên hằng số… để giải các phương trình
vi phân dẫn nhiệt
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP SỐ
2.2.1. Phương pháp sai phan hữu hạn

2.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn
2.3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG TÍNH TOÁN ĐỘNG
LỰC HỌC LƯU CHẤT (CFD)
2.3.1. CFD là gì?
2.3.2. Vai trò và ứng dụng của CFD..
2.3.3. Những phương trình chủ đạo của CFD
a. Phương trình liên tục
Phương trình liên tục
+

∇. ⃗ = 0

b. Phương trình động lượng

(2.4)

Phương trình Navier-Stokes có thể nhận được trong dạng
bảo toàn như sau.
=

+

⃗. ∇

(2.12)


5
c. Phương trình năng lượng
Đây là dạng không bảo toàn của phương trình năng lượng ở

dạng năng lượng toàn phần (e + V2/2).

(

)

+

+

=

+
(

)

+

+

+

(

)

⃗. ⃗

+

̇+

+

+∇

2
−

+

(

+
)

+

+

(

⃗

2
)

+

(

+

(

d. Phương trình lớp biên
+

=

2.4.PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CFD – ANSYS FLUENT

)

+

)

+

(2.15)
(2.19)

Giới thiệu về phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT
ANSYS FLUENT là một phần mềm với những khả năng mô
hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng
chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng được áp dụng trong
công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay đến quá trình cháy
nhiên liệu trong lò hơi, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng

chảy của các mạch máu cho đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và
từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các thiết bị xử lí nước thải.
Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa
buồng cháy động cơ, giản nở của dòng hơi trong turbine, ngưng tụ
của môi chất R22 trong bình ngưng và các hệ thống đa pha nhằm
phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm.


6
CHƯƠNG 3
XÂY DỰNG VÀ GIẢI BÀI TOÁN
PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA NƯỚC

3.1. BÀI TOÁN PHÂN TẦNG NHIỆT THEO PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN
3.1.1. Xây dựng và giải bài toán phân tầng động cho bình
đứng
a. Bài toán
Cho bình trữ nhiệt hình trụ đặt thẳng đứng chứa đầy nước ở
nhiệt độ ban đầu là to oC, bình có đường kính D và chiều cao H, với
một đầu nước vào có đường kính d1 ở nhiệt độ tin oC và một đầu nước
ra đường kính d2 ở nhiệt độ tout oC, bên ngoài bọc lớp cách nhiệt
bằng bông thủy tinh có độ dày δcn và hệ số dẫn nhiệt λcn . Tìm phân
bố nhiệt độ trong bình theo thời gian.

Hình 3.1 Mô hình phân tầng động cho bình đứng


7
b. Giả thiết nghiên cứu

Phương trình cân bằng năng lượng được thể hiện bởi sự tăng
nhiệt độ của nước, tổn thất nhiệt ra xung quanh thành bình, dẫn nhiệt
không ổn định qua các lớp… Quá trình dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt từ
lớp có nhiệt độ cao phía trên xuống lớp có nhiệt độ thấp phía dưới là
không ổn định và rất phức tạp, để đơn giản ta xác định dòng nhiệt
vào và ra khỏi lớp thứ i theo một hệ số dẫn nhiệt tương đương λeff
dưới dạng phương trình Fourier. [10]
Dòng nhiệt giữa layer i-1 và i hoặc layer i to i+1 được tính
bởi phương trình Fourier:
Qfree = Qfree,i-1®i - Qfree,i1®i +1 = - Aq
= Aq

leff

(T

s,i +1

leff
z

(T

s,i

leff
æ
ö
- Ts,i-1 ) - ç - Aq
(Ts,i+1 - Ts,i ) ÷

z
è
ø

- 2Ts,i + Ts,i-1 )

(3.1)
Các thông số vật lý của nước phụ thộc vào nhiệt độ được xác
định theo:
- Phương trình nhiệt dung riêng của nước phụ thuộc nhiệt
độ: [14]
z

c p = 4, 20511 - 0,136578.10-2.T + 0,152341.10-4.T 2

(3.2)
-Phương trình khối lượng riêng của nước phụ thuộc vào nhiệt độ:

æ (T + 288,9414)(T - 3,9863) 2 ö
r = 1000. ç1 ÷
(508929, 2(T + 68,12963)) ø
è

(3.3)

c. Mô hình toán
Vậy để tìm được phân bố nhiệt độ của nước trong bình chứa
cần giải hệ phương trình sau:

8
Khi h phng trỡnh dng vi phõn:
ỡ*
l
dt1
+ F1. eff ( t1 - t2 ) + ( knap .F + k xq .Fxq ) . ( t1 - t f )
ùm1 .c p . ( tin - t1 ) = ( m1c p )1
t
d1
d
ù
ù*
dti
leff
- Fi .
( ti -1 - 2ti + ti +1 ) + k xq .Fxq . ( ti - t f )
ớmi .c p . ( ti -1 - ti ) = ( mi c p )i
di
dt
ù
ù*
l
dt
ùm n .c p . ( tn -1 - tn ) = ( mn c p ) n + Fn . eff ( tn -1 - tn ) + ( kd .F + k xq .Fxq ) . ( tn - t f
d
t
d1
ợ

ỹ

ù
ù
ù
ý
ù
ù
)ù
ỵ (3.10)

Vi i = 2 n n-1
Khi s dng phng phỏp s:
ỡ
ỹ
leff
ự
Dt ộ *
m1 .c p ( tin - t1,t ) - F
( t1,t - t2,t ) - ( knap .F + kxq .Fxq )(t1,t - t f )ỳ
ùt1,t +Dt = t1,t +
ù
d
m1,t cp ,t ờở
ỷ
ù
ù
ù
ù
*
l
ộ

ự
D
t
ù
ù
eff
ớti,t +Dt = ti,t +
ờmi ,t .cp ,t ( ti -1,t +Dt - ti,t ) + F d ( ti -1,t +Dt - 2ti,t + ti +1,t ) - kxq .Fxq ( ti,t - t f ) ỳ ý
mi ,t cp ,t ở
ỷù
ù
ù
ù
*
l
ùtn,t +Dt = tn,t + Dt ộmn .c p ( tn-1,t +Dt - tn,t ) - F eff ( tn -1,t - tn,t ) - ( kd .F + kxq .Fxq )( tn,t - t f )ự ù
ờ
ỳ
ùợ
d
mn,t cp ,t ở
ỷ ùỵ (3.11)

Vi i = 2 n n-1
d. Li gii
Cho bỡnh tr nhit hỡnh tr t thng ng cha y nc vi th
tớch V= 250 lớt cú h s dn nhit tng ng eff =0,644 W/m.K (
Bỡnh cha vi th tớch chun ca Rinnai) nhit ban u l to = 29
o

C, bỡnh cú ng kớnh D=500 mm v chiu cao H=1250 mm, vi mt

u nc vo cú ng kớnh d1=16mm, nhit tin =60 oC, lu lng
vo l 0,05 kg/s v mt u nc ra ng kớnh d2=d1=16 mm, bờn
ngoi bc bo ụn cỏch nhit dy 50 mm cú h s dn nhit cn= 0,04
W/m.K. Dc theo chiu cao ca bỡnh ta chia bỡnh thnh n lp ( nh hỡnh
v), mi lp cú dy = H/n=1250/20= 62,5mm. Bỡnh t trong mụi
trng khụng khớ vi nhit mụi trng l tf= 30 o


9
Bảng 3.1: Thông số hình học của bồn hình trụ đứng
Thông số hình học của bồn hình trụ đứng
Nội dung
Ký hiệu Giá trị
Chiều cao bồn
H
1.25
Đường kính bồn
D
0.5
Thành bồn dày
δb
0.003
Hệ số dẫn nhiệt của thành bồn
λb
50
Chiều dày lớp cách nhiệt
δcn
0.05

Đơn vị
m
m
m
W/mK
m

Hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt

λcn

0.04

W/mK

Lưu lượng nước vào

G

0.05

kg/s

Nhiệt độ nước vào

tin

60

o

to

29

o

tf

30

o

K1

0.601

W/m2K

K2

0.421

W/m2K

K3

0.782

W/m2K

K4

0.613

W/m2K

K5
λeff

0.472
0.644

W/m2K
W/mK

n
Δτ

20
5
60
12500

s
s
s

Nhiệt độ ban đầu của bồn

Nhiệt độ môi trường
Hệ số truyền nhiệt vách đứng,
nước/không khí( Bên)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang,
nước/không khí (Đáy)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang,
nước/không khí (Nắp)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang không
khí/không khí (Nắp)
Hệ số truyền nhiệt vách đứng, không
khí/không khí (Bên)
Hệ số dẫn nhiệt của nước
Số lớp
Bước thời gian tính toán, s
Bước thời gian hiển thị, s
Khoảng thời gian khảo sát, s

C
C
C


10
Ta có đồ thị nhiệt độ và chiều cao của bình theo thời gian:

Hình 3.4 Đồ thị thể hiện nhiệt độ theo thời gian.
3.1.2. Xây dựng và giải bài toán phân tầng động cho bình
nằm ngang
Xây dựng và giải tương tụ như bài toán phân tầng động của
bình đứng

Cho bình trữ nhiệt hình trụ đặt nằm ngang chứa đầy nước
với thể tích V= 250 lít có hệ số dẫn nhiệt tương đương λeff =0,644
W/m.K ( Bình chứa với thể tích chuẩn của Rinnai) ở nhiệt độ ban
đầu là to = 29 oC, bình có đường kính D=500 mm, chiều cao bằng với
đường kính H= 500 mm và chiều dài là 1250mm, với một đầu nước
vào có đường kính d1=16mm, ở nhiệt độ tin = 60 oC, lưu lượng vào là
0,05 kg/s và một đầu nước ra đường kính d2=d1=16mm ở nhiệt độ tout
= 29 oC, bên ngoài bọc bảo ôn cách nhiệt dày 50mm. Dọc theo chiều
cao của bình ta chia bình thành n= 20 lớp (như hình vẽ), mỗi lớp có
độ dày δ= H/n=500/20= 25mm. Bình đặt trong môi trường không khí
với nhiệt độ môi trường là tf= 30 oC


11
Bảng 3.3: Thông số hình học của bồn nằm ngang
Thông số hình học của bồn nằm ngang
Ký
Giá
Nội dung
hiệu
trị
Đơn vị
Chiều dài bồn
L
1.25
m
Đường kính bồn
D
0.5
m

Thành bồn dày
δb
0.003
m
Hệ số dẫn nhiệt của thành bồn
λb
50
W/mK
Chiều dày lớp cách nhiệt
δcn
0.05
m
Hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt
λcn
0.04
W/mK
Lưu lượng nước vào
Nhiệt độ nước vào
Nhiệt độ ban đầu của bồn
Nhiệt độ môi trường
Hệ số truyền nhiệt vách đứng,
nước/không khí( Bên)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang,
nước/không khí (Đáy)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang,
nước/không khí (Nắp)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang không
khí/không khí (Nắp)
Hệ số truyền nhiệt vách đứng, không
khí/không khí (Bên)

Hệ số dẫn nhiệt của nước

G
tin
to
tf

0.05
60
29
30

kg/s
o
C
o
C
o
C

k1

0.601

W/m2K

k2

0.421

W/m2K

k3

0.782

W/m2K

k4

0.613

W/m2K

k5
λeff

0.472
0.644

W/m2K
W/mK

Số lớp
n
20
Bước thời gian tính toán, s
Δτ
5
s

Bước thời gian hiển thị, s
60
s
Khoảng thời gian khảo sát, s
12500
s
Lập trình xác định phân bố nhiệt độ trong phần mềm
microsoft excel bằng công cụ VBA với các thông số của nước ρ, Cp
phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số truyền nhiệt k từ vách ra môi trường.
[Phụ lục A]


12
Ta có đồ thị nhiệt độ và chiều cao của bình theo thời gian:

Hình 3.8 Đồ thị thể hiện nhiệt độ theo thời gian của bồn
nằm ngang
3.2. GIẢI BÀI TOÁN PHÂN TẦNG NHIỆT ÁP DỤNG PHẦN
MỀM MÔ PHỎNG
3.2.1. Mô hình hóa của bài toán
a. Mô hình hóa bài toán cho bình đặt đứng
b. Mô hình hóa bài toán cho bình nằm ngang

Hình 3.9 Mô hình hóa bài toán

Hình 3.10 Mô hình hóa

đặt đứng

cho bình nằm ngang

c. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến sự phân tầng
nhiệt
i. Ảnh hưởng của hình dạng, tỷ lệ giữa chiều cao và
đường kính (H/D)
ii. Ảnh hưởng của lưu lượng đầu vào và ra


13
iii. Ảnh hưởng của vị trí đầu nước nóng vào và nước lạnh ra
3.2.2. Hệ phương trình vi phân mô phỏng quá trình phân
tầng nhiệt của nước trong bồn chứa.
- Phương trình liên tục: [14]

r
¶r
+Ñ rv = 0
¶t

( )

(3.23)

- Phương trình động lượng :[14]

r
r r
r
ur
¶v

r + r v.Ñ v = -Ñp + m.Ñ 2 v + r g (3.24)
¶t

(

)

- Phương trình năng lượng: [14]
¶T r
l
+ v.Ñ T =
Ñ 2T
¶t
rcp

(3.25)

Ta có hệ phương trình vi phân:

r
ì¶r
ü
+Ñ
r
v
=0
ï ¶t
ï
ï r
ï

r r
r
u
r
ï ¶v
ï
2
ír + rv.Ñ v = -Ñp + m.Ñ v + r g ý
ï ¶t
ï
l 2
ï¶T r
ï
ï ¶t + v.ÑT = rc Ñ T
ï
p
î
þ

( )

(

)

(3.26)

Các phương trình động lực học chất lưu trong bồn phân tầng
nhiệt theo giả định của Boussinesq:
1 ¶ (r r ur )

1 ¶ ( r uq )
¶(r uz )
+
+
= 0
r
¶r
r
¶q
¶z
(3.27)


14
1 ảp
ảur
ả u r uq ả u r uq2
ảur
+ ur
+
+ ur
=r ảq
r
r ảr
ảt
ảr
ảz
ộ 1 ả ổ ảur ử ur
1 ả 2u r
2 ả uq ả 2 u r ự

+u ờ
+
+
r
ỗ
ữ
ỳ
2
r 2 ảq 2 r 2 ảq
ảz 2 ỷ
ở r ảr ố ảr ứ r
(3.28)
ảuq
ảu u ảu u u
ảu
1 ảp
+ ur q + q q - r q + uZ q = ảt
ảr
ảz
r r ảq
r ảq
r
ộ 1 ả ổ ảuq
+u ờ
ỗr
ở r ảr ố ảr

2
2
ử uq 1 ả uq 2 ảur ả uq ự

+
+
ỳ
ữ 2
r 2 ảq 2 r 2 ảq ảz 2 ỷ
ứ r
(3.29)

ảu z
ả u z uq ả u z
ảu z
1 ảp
+ ur
+
+ uZ
=+ rg
ảt
ảr
r ảq
ảz
r ảz
ộ 1 ả ổ ảu z ử 1 ả 2 u z ả 2 u z ự
+u ờ
+
ỗr
ữ+ 2
ỳ
2
ảz 2 ỷ
ở r ảr ố ảr ứ r ảq

(3.30)

ộ 1 ả ổ ảT ử 1 ả 2T ả 2T ự
ảT
ảT uq ảT
ảT
+ ur
+
+ uZ
=kờ
+ 2ỳ
ỗr
ữ+ 2
2
ảt
ảr
r ảq
ảz
ảz ỷ
ở r ảr ố ảr ứ r ảq
(3.31)

- Phng trỡnh lp biờn
Phng trỡnh i lu cho mụ hỡnh tiờu chun K-epsilon.
+ ng nng chy ri k
(

(

)+

(

)=

+ Tiờu tỏn ri

)+

(

)=

+

+

+

+

+

(



+

+

)

Cỏc h s trong mụ hỡnh chy ri K-epsilon.

C1e = 1.44 C 2e = 1.92 C m = 0.09 s k = 1.0

(3.32)
+

(3.33)

s e = 1.3

- Khi lng riờng ca nc ph thuc nhit [13]:

r = 863 + 1, 21.T - 0,00257.T 2

( 3.34)


15
- Độ nhớt của nước phụ thuộc nhiệt độ [13]:

æ T ö
m = 0, 0007. ç
÷

è 315 ø

-5,5

(3.35)

- Hệ số dẫn nhiệt của nước phụ thuộc nhiệt độ [13]:

l = 0,375 + 8,84.10-4.T

(3.36)

Trong đó: T: nhiệt độ của nước, oK
3.2.3. Mô phỏng bài toán phân tầng nhiệt bằng phần
mềm ANSYS FLUENT
Bước 1: Xây dựng các kích thước hình học của bài toán
Bước 2: Chia lưới cho phần thể tích nước trong bồn.
Bước 3:Các bước thiết lập và giải trong ANSYS FLUENT
như sau:
Bước 4: Xử lý kết quả
3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT
3.3.1. Kết quả tính toán phân tầng nhiệt của bồn đứ
a . Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-1

Hình 3.14: Các đường nét nhiệt độ của mô hình Dong_3D-1 từ
500s đến 3000s với mỡi bước là 500s (hình phía trên là 3D, hình
dưới là 2D)


16

Hình 3.15 Đồ thị biểu thị nhiệt độ của mô hình Dong_3D-1 theo
thời gian
b. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-2
c. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-3
d. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-4
e. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-5
f. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-6
g. Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-7
3.3.2. Kết quả tính toán phân tầng nhiệt của bồn nằm ngang

Hình 3.25 Hình ảnh mô phỏng của mô hình Dong_3D_ngang theo
thời gian, từ 500s đến 3000s với mỗi bước là 500s


17

Hình 3.26 Đồ thị thể hiện phân tầng nhiệt độ của bồn nằm ngang theo
thời gian
3.4 SO SÁNH VÀ NHẬN XÉT
3.4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ chiều cao và đường kính
3.4.2. Ảnh hưởng của lưu lượng
3.4.3.Ảnh hưởng của vị trí đầu vào và ra
CHƯƠNG 4
THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ KIỂM TRA SỰ
PHÂN TẦNG CỦA NƯỚC
4.1. THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHÂN TẦNG NHIỆT
4.1.1. Mục đích
Mục đích chính của việc thiết kế mô hình thực nghiệm là
kiểm tra, so sánh kết quả đo thực tế với kết quả của tính toán lý

thuyết và mô phỏng.
4.1.2. Thiết kế mô hình
Mô hình được đề xuất ra đây giống mô hình Dong_3D-1.
Mô hình này là bình trữ nhiệt hình trụ đặt thẳng đứng được chế tạo


18
bằng thép tấm CT3, với thể tích V= 250 lít có đường kính D=500
mm và chiều cao H=1250mm, với đầu nước vào và ra có đường kính
d2/d1=21/16, thân bồn được bọc lớp cách nhiệt 50mm và tôn thẩm
mĩ 0,4mm. Trên thân bồn phân tầng nhiệt được bố trí 5 đồng hồ đo
nhiệt độ dọc theo chều cao, mỗi đồng hồ với thang đo đồng nhất 0150 oC.

Hình 4.1. Thiết kế mô hình
4.1.3. Các thiết bị chính trong mô hình
4.1.4. Thuyết minh mô hình

Hình 4.5 Mô hình thực nghiệm


19
4.2. THỰC NGHIỆM KIỂM TRA SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT
CỦA NƯỚC TRONG BỒN CHỨA
4.2.1. Thực nghiệm đo nhiệt độ của từng vi trí theo thời gian
4.2.2. Lập bảng biểu và đồ thị cho từng vị trí theo thời gian
a. Trường hợp 1: ( tương ứng mô hình Dong_3D-1)
Bảng 4.2 Bảng kết quả đo thực nghiệm theo thời gian

Hình 4.6: Đồ thi so sánh kết quả đo thực nghiệm với mô phỏng
b.Trường hợp 2: ( tương ứng mô hình Dong_3D-4)

Hình 4.7: Đồ thi so sánh kết quả đo thực nghiệm với mô phỏng


20
c.Trường hợp 3: ( tương ứng mô hình Dong_3D-5)

Hình 4.8: Đồ thi so sánh kết quả đo thực nghiệm với mô phỏng
4.3. NHẬN XÉT, SO SÁNH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VỚI
TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG
Quan sát trên đồ thị, trong cả ba trường hợp thì sự sai lệch
nhiệt độ giữa quá trình đo thực nghiệm và mô phỏng không đáng kể,
do trong quá trình đo đạt thí nghiệm chưa được chính xác tuyệt đối.
Điều này cho thấy quá trình mô phỏng tương đối chính xác.
Do đó, có thể áp dụng các thông số cài đặt của phần mềm
mô phỏng FLUENT trong chương 3 để dự đoán quá trình phân tầng
nhiệt của nước trong bồn chứa như thay đổi tỷ lệ lưu lượng, tỷ lệ
chiều cao và đường kính, vị trí đầu vào và ra… mà không cần thiết
phải xây dựng mô hình thực nghiệm nhằm tiết kiệm chi phí và thời
gian nghiên cứu. Ngoài ra có thể áp dụng mô phỏng để nghiên cứu
ảnh hưởng của sự phân tầng nhiệt độ trong bồn lưu trữ dưới điều
kiện thời tiết thực tế cùng với sự ảnh hưởng của năng lượng mặt trời
và những thay đổi của dòng nước nóng.


21
4.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ VỀ NĂNG LƯỢNG KHI ÁP
DỤNG NGHIÊN CỨU PHÂN NHIỆT VÀO HỆ THỐNG SỬ
DỤNG NƯỚC NÓNG TRONG THỰC TẾ
Dựa vào các kết quả tính toán lý thuyết , mô phỏng kết hợp

với thực nghiệm kiểm tra các yếu tố ảnh hưởng sự phân tầng của
bình chứa trữ nhiệt ta có thể nhận xét và đưa ra các đánh giá về hiệu
quả lưu trữ nhiệt của bình chứa.
- Tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính tăng sẽ làm tăng mức độ
phân tầng nhiệt, tăng exergy lưu trữ dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng
năng lượng của bình chứa. Như khi ta tăng tỷ lệ chiều cao và đường
kính từ 2,5 lên 3 thì mức độ phân tầng tăng lên 20% và khi tỷ lệ này
được tăng lên từ 2, 5 đến 4 thì mức độ phân tầng nhiệt tăng 25%.
Mặc dù có thể đạt được mức tăng đáng kể hiệu quả phân tầng khi
tăng tỷ lệ chiều cao và đường kính, tuy nhiên kích thước của bình
chứa với tỷ lệ cao như vậy là không thực tế. Một bình chứa trữ nhiệt
thể tích là 250 lít có chiều cao là 1,75m và đường kính là 0,45m sẽ
không thích hợp khi lắp đặt với không gian nhà ở hiện đại ngày nay.
Ngoài ra, tỷ lệ của bình chứa tăng sẽ làm tăng diện tích bề mặt sẽ
làm tiêu tốn vật liệu chế tạo, vật liệu bảo ôn và tôn thẩm mĩ, giá
thành thiết bị sẽ đắc hơn và như ta đã biết tổn thất nhiệt sẽ tỷ lệ thuận
với diện tích bề mặt của bình. Như vậy, cần đưa ra một tỷ lệ chiều
cao và đường kính của bình chứa tối ưu nhất. Ở trong nghiên cứu
này, tác giả đề xuất tỷ lệ tối ưu là H/D =3.
- Lưu lượng nước đầu vào và ra có ảnh hưởng lớn đến mức độ
phân tầng nhiệt của bình lưu trữ. Với lưu lượng nước vào lớn, tạo
thành vòi phun va đạp vào thành bình và khuếch tán ra một diện tích
lớn của bình làm phá hủy các lớp nhiệt và giảm mức độ phân tầng
nhiệt làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng của bình lưu trữ. Khi


22
tăng lưu lượng nước vào từ 0,05 kg/s lên 0,1 kg/s thì mức độ phân
tầng giảm đi 30% và đáng kể hơn khi tăng tỷ lệ này từ 0,05 lên 0,15
kg/s thì giảm 50% về mức độ phân tầng. Do vậy, tốc độ dòng chảy

vào cần phải giữ ở mức thấp có thể để giảm sự hòa trộn. Trong hệ
thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời, lưu lượng dòng chảy
thường ở vùng lân cận 0,05 kg/s.
- Cũng giống như tốc độ lưu lương vào và ra, vị trí của đầu
vào và ra có sự ảnh hưởng tiêu cực đến sự phân tầng nhiệt của bình
chứa. Khi vị trí đầu vào và ra chuyễn đến 150mm so với đỉnh và đáy
bình thì mức độ phân tầng giảm đi 25% và khi vi trí đầu vào và ra
tiếp tục di chuyển đến 300mm so với đỉnh và đáy bình thì mức độ
phân tầng giảm đi 50%. Vị trí tối ưu cho vị trí đầu vào và ra là càng
gần đỉnh và đáy bình chứa càng tốt, càng cải thiện mức độ phân tầng
nhiệt của bình chứa.


23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

* Kết luận
a. Kết quả đạt được
- Nghiên cứu lý thuyết về quá trình phân tầng nhiệt của
nước trong bình chứa.
- Áp dụng phần mềm mô phỏng để giải bài toán phân tầng
nhiệt.
- Đưa ra một số thông số tối ưu cho bình chứa trữ nhiệt phục
vụ cho nghiên cứu thiết kê chế tạo bình lưu trữ trong hệ thống đun
nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời sau này. Như lưu lượng
nước tuần hoàn tối ưu là 0,05 kg/s, tỷ lệ chiều cao và đường kính
H/D là 3 và vị trí đầu vào và ra càng gần đỉnh và đáy bồn càng tốt.
b. Các mặt tồn tại
- Sai số đáng kể của tính toán ý thuyết so với thực nghiệm vì:
+ Tính toán lý thuyết đưa ra khá nhiều giả thiết

+ Nhiệt độ đầu vào không khống chế ổn định
+ Dụng cụ đo có độ dao động lớn
- Chưa áp dụng bộ thu năng lượng mặt trời vào mô hình
thực tế vì tại thời điểm thí nghiệm thì thời tiết không đáp ứng được
yêu cầu thí nghiệm.
* Kiến nghị
- Tiếp tục đo thực nghiệm hai mô hình về tỷ lệ chiều cao
với đường kính và mô hình vị trí đầu vào và ra.