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

: Cơng nghệ Nhiệt

Mã số

: 60.52.80

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2014


Cơng trình hồn 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
mơ 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 mơ hình thực nghiệm và mô
phỏng số.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Áp dụng lý thuyết tính tốn vào các mơ hình thực tế.
- Áp dụng các phần mềm tính tốn và mơ phỏng để giải các

bài tốn 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 mơi trường xung quanh.
Ø Sự truyền nhiệt từ bình chứa trữ nhiệt ra mơi trường xung
quanh thơng 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 ln 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 cơng nghệ, đặc biệt là máy
tính cá nhân. Mơ hình đầu tiên được đưa ra dựa trên ngun lý của
định luật nhiệt động 1 và kết hợp với định luật nhiệt động 2 về

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

Ein = Elt = min .c p ( T - T0 )
ỉT ư
xlt = min .c p ( T - T0 ) - min .c p .T0 .ln ỗ ữ
ố 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 MƠ PHỎNG Q 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 TỐN ĐỘNG
LỰC HỌC LƯU CHẤT (CFD)
2.3.1. CFD là gì?
2.3.2. Vai trị 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 tồn như sau.
=

+

⃗. ∇

(2.12)


5
c. Phương trình năng lượng
Đây là dạng khơng bảo tồn của phương trình năng lượng ở

dạng năng lượng tồn phần (e + V2/2).

(

)

+

+

=

+
(

)

+

+

+

(

)

⃗. ⃗

+

̇+

+

+∇

2
−

+

(

+
)

+

+

(

⃗

2
)

+

(

+

(

d. Phương trình lớp biên
+

=

2.4.PHẦN MỀM MƠ 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 mơ
hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mơ hình dịng
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 lị hơi, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dịng

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 mơ hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mơ hình hóa
buồng cháy động cơ, giản nở của dịng hơi trong turbine, ngưng tụ
của mơi 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 tốn
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 ngồi bọc lớp cách nhiệt
bằng bơng 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 Mơ 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
khơng 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
khơng 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
ỉ
ư
- Ts,i-1 ) - ỗ - Aq
(Ts,i+1 - Ts,i ) ữ

z
ố
ứ

- 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 ử
r = 1000. ỗ1 ữ
(508929, 2(T + 68,12963)) ø
è

(3.3)

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

8
Khi hệ phương trình ở dạng vi phân:
ì*
l
dt1
+ F1. eff ( t1 - t2 ) + ( knap .F + k xq .Fxq ) . ( t1 - t f )
ïm1 .c p . ( tin - t1 ) = ( m1c p )1
t
d1
d
ï
ï*
dti
leff
- Fi .
( ti -1 - 2ti + ti +1 ) + k xq .Fxq . ( ti - t f )
ími .c p . ( ti -1 - ti ) = ( mi c p )i
di
dt
ï
ï*
l
dt
ïm 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 phương pháp số:
ì
ü
leff
ù
Dt é *
m1 .c p ( tin - t1,t ) - F
( t1,t - t2,t ) - ( knap .F + kxq .Fxq )(t1,t - t f )ú
ït1,t +Dt = t1,t +
ï
d
m1,t cp ,t êë
û
ï
ï
ï
ï
*
l
é

ù
D
t
ï
ï
eff
íti,t +Dt = ti,t +
êmi ,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 ) ú ý
mi ,t cp ,t ë
ûï
ï
ï
ï
*
l
ïtn,t +Dt = tn,t + Dt émn .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)

Với i = 2 đến n-1
d. Lời giải
Cho bình trữ nhiệt hình trụ đặt thẳng đứng 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
o

C, bình có đường kính D=500 mm và chiều cao H=1250 mm, 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=16 mm, bên
ngồi bọc bảo ơn cách nhiệt dày 50 mm có hệ số dẫn nhiệt λcn= 0,04
W/m.K. Dọc theo chiều cao của bình ta chia bình thành n lớp ( như hình
vẽ), mỗi lớp có độ dày δ= H/n=1250/20= 62,5mm. Bình đặt trong mơi
trường khơng khí với nhiệt độ mơi trường là tf= 30 o


9
Bảng 3.1: Thơng số hình học của bồn hình trụ đứng
Thơng 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/khơng khí( Bên)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang,
nước/khơng khí (Đáy)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang,
nước/khơng khí (Nắp)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang khơng
khí/khơng khí (Nắp)
Hệ số truyền nhiệt vách đứng, khơng
khí/khơng khí (Bên)
Hệ số dẫn nhiệt của nước
Số lớp
Bước thời gian tính tốn, 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 tốn 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 ngồi bọc bảo ơn 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 mơi trường khơng khí
với nhiệt độ mơi trường là tf= 30 oC


11
Bảng 3.3: Thơng số hình học của bồn nằm ngang
Thơng 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/khơng khí( Bên)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang,
nước/khơng khí (Đáy)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang,
nước/khơng khí (Nắp)
Hệ số truyền nhiệt vách ngang khơng
khí/khơng khí (Nắp)
Hệ số truyền nhiệt vách đứng, khơng
khí/khơng 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 tốn, 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 MƠ PHỎNG
3.2.1. Mơ hình hóa của bài tốn
a. Mơ hình hóa bài tốn cho bình đặt đứng
b. Mơ hình hóa bài tốn cho bình nằm ngang

Hình 3.9 Mơ hình hóa bài tốn

Hình 3.10 Mơ 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 mơ phỏng quá trình phân
tầng nhiệt của nước trong bồn chứa.
- Phương trình liên tục: [14]

r
¶r
+Đ rv = 0
¶t

( )

(3.23)

- Phương trình động lượng :[14]

r
r r
r
ur
¶v

r + r v.Đ v = -Đp + m.Đ 2 v + r g (3.24)
¶t

(

)

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

(3.25)

Ta có hệ phương trình vi phân:

r
ì¶r
ü
+Đ
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.ĐT = rc Đ T
ù
p
ợ
ỵ

( )

(

)

(3.26)

Cỏc phng trỡnh ng lc hc cht lu 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 ¶p
¶ur
¶ u r uq ¶ u r uq2
¶ur
+ ur
+
+ ur
=r ¶q
r
r ¶r
¶t
¶r
¶z
é 1 ¶ ỉ ¶ur ư ur
1 ¶ 2u r
2 ả uq ả 2 u r ự

+u ờ
+
+
r
ỗ
ữ
ỳ
2
r 2 ¶q 2 r 2 ¶q
¶z 2 û
ë r ¶r è ¶r ø r
(3.28)
¶uq
¶u u ¶u u u
¶u
1 ¶p
+ 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 ¶r è ¶r

2
2
ư uq 1 ¶ uq 2 ¶ur ¶ uq ù

+
+
ú
÷ 2
r 2 ¶q 2 r 2 ¶q ¶z 2 û
ø r
(3.29)

¶u z
¶ u z uq ¶ u z
¶u z
1 ¶p
+ ur
+
+ uZ
=+ rg
¶t
¶r
r ¶q
¶z
r ¶z
é 1 ¶ ỉ ¶u z ư 1 ¶ 2 u z ¶ 2 u z ự
+u ờ
+
ỗr
ữ+ 2
ỳ
2
ảz 2 ỷ
ở r ảr è ¶r ø r ¶q

(3.30)

é 1 ¶ ỉ ¶T ư 1 ¶ 2T ¶ 2T ù
¶T
¶T uq ¶T
¶T
+ ur
+
+ uZ
=kê
+ 2ỳ
ỗr
ữ+ 2
2
ảt
ảr
r ảq
ảz
ảz ỷ
ở r ảr ố ảr ứ r ¶q
(3.31)

- Phương trình lớp biên
Phương trình đối lưu cho mơ hình tiêu chuẩn K-epsilon.
+ Động năng chảy rối k
(

(

)+

(

)=

+ Tiêu tán rối ϵ

)+

(

)=

+

+

+

+

+

(

−

+

−

+

)−

Các hệ số trong mơ hình chảy rối 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

- Khối lượng riêng của nước phụ thuộc nhiệt độ [13]:

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

( 3.34)


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

æ T ử
m = 0, 0007. ỗ
ữ

ố 315 ứ

-5,5

(3.35)

- H s 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. Mơ phỏng bài tốn phân tầng nhiệt bằng phần
mềm ANSYS FLUENT
Bước 1: Xây dựng các kích thước hình học của bài tốn
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 tốn phân tầng nhiệt của bồn đứ
a . Kết quả mô phỏng của mơ hình Dong_3D-1

Hình 3.14: Các đường nét nhiệt độ của mơ 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 mơ hình Dong_3D-1 theo
thời gian
b. Kết quả mơ phỏng của mơ hình Dong_3D-2
c. Kết quả mơ phỏng của mơ hình Dong_3D-3
d. Kết quả mơ phỏng của mơ hình Dong_3D-4
e. Kết quả mơ phỏng của mơ hình Dong_3D-5
f. Kết quả mơ phỏng của mơ hình Dong_3D-6
g. Kết quả mơ phỏng của mơ hình Dong_3D-7
3.3.2. Kết quả tính tốn phân tầng nhiệt của bồn nằm ngang

Hình 3.25 Hình ảnh mơ phỏng của mơ 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 MƠ 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 mơ hình thực nghiệm là
kiểm tra, so sánh kết quả đo thực tế với kết quả của tính tốn lý

thuyết và mơ phỏng.
4.1.2. Thiết kế mơ hình
Mơ hình được đề xuất ra đây giống mơ hình Dong_3D-1.
Mơ 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 mơ hình
4.1.3. Các thiết bị chính trong mơ hình
4.1.4. Thuyết minh mơ hình

Hình 4.5 Mơ 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 mơ 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 mơ 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 mơ 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 TỐN LÝ THUYẾT VÀ MƠ PHỎNG
Quan sát trên đồ thị, trong cả ba trường hợp thì sự sai lệch
nhiệt độ giữa q trình đo thực nghiệm và mơ phỏng khơng đáng kể,
do trong q trình đo đạt thí nghiệm chưa được chính xác tuyệt đối.
Điều này cho thấy quá trình mơ 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 đốn q 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 khơng cần thiết
phải xây dựng mơ hình thực nghiệm nhằm tiết kiệm chi phí và thời
gian nghiên cứu. Ngồi 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 dịng 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 tốn 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 khơng 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
khơng thích hợp khi lắp đặt với khơng gian nhà ở hiện đại ngày nay.
Ngồi 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 hịa 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 mơ phỏng để giải bài toán phân tầng
nhiệt.
- Đưa ra một số thơng 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 tốn ý thuyết so với thực nghiệm vì:
+ Tính tốn lý thuyết đưa ra khá nhiều giả thiết

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