Tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt của bộ thu năng lượng mặt trời gia nhiệt không khí

Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh

HNKH-14

TĂNG CƯỜNG HIỆU QUẢ TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA BỘ THU NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI GIA NHIỆT KHƠNG KHÍ
PHẠM BÁ THẢO 1, NGUYỄN MINH PHÚ 1
1

Khoa Công nghệ nhiệt lạnh, Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh;
,

Tóm tắt.
Trong bài báo này giới thiệu về một số biện pháp tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt của bộ thu
năng lượng mặt trời nung nóng khơng khí SAH như tạo gân nhám, tạo cánh, gắn các tấm bề mặt hấp thụ.
Đồng thời sơ lược các phương pháp nghiên cứu bao gồm từ giải tích, phương pháp số và phương pháp thực
nghiệm. Đặc biệt phân tích một số tiêu chí đánh giá phân tích thường được vận dụng trong nghiên cứu đó
là phân tích đăc tính nhiệt thủy lực, tối thiểu Entropy, hiệu suất nhiệt, hiệu suất Exergy, hiệu quả kinh tế.

Từ khóa. SAH, cải thiện hiệu quả trao đổi nhiệt.
EFFICIENCY ENHANCEMENT OF HEAT EXCHANGE OF THE SOLAR AIR COLLECTOR
Abstract. In this paper, a number of measures are introduced to improve the heat exchange efficiency of
the solar air heater (SAH) such as ribbing, creating fins, and attaching absorber plate. At the same time,
briefly summarize the research methods including analytical, numerical and experimental methods.
Especially analyzing a number of analytical evaluation criteria that are often applied in the research, such
as analysis of thermo-hydraulic characteristics, minimum entropy generation, thermal efficiency, exergy
efficiency, and economic effectiveness.
Keywords. SAH, heat exchange enhancement.

GIỚI THIỆU

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng xanh-sạch có sẵn khá dồi dào và là nguồn năng
lượng bền vững thay thế khi nhu cầu năng lượng ngày càng tăng cao. Việt Nam là nước cận xích đạo, cường
độ bức xạ cao nên có nhiều tiềm năng khai thác.
Collector mặt trời (Solar air heater, SAH) được biết đến là thiết bị chuyển đổi năng lượng mặt trời đơn
giản nhất [1]. Nó được cấu tạo bởi các vật liệu địa phương và khơng cần q trình gia cơng q phức tạp.
SAH thường dùng trong các hệ thống sấy nông sản và thực phẩm, sưởi ấm hay các q trình cơng nghiệp
khác ở các nước có lượng bức xạ lớn. SAH thay thế bộ phận chính yếu trong hệ thống sấy ở nhiệt độ thấp
và trung bình tiêu tốn nhiều năng lượng.
Khơng khí trong ống collector tấm phẳng truyền nhiệt kém do hệ số dẫn nhiệt của khơng khí truyền
nhiệt thấp và khối lượng riêng nhỏ nên nghiên cứu các giải pháp tăng cường hệ số truyền nhiệt đối lưu là
vấn đề thiết thực nhằm khai thác hiệu quả năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng xanh-sạch.
Có rất nhiều biện pháp phát triển của các SAH nhằm cải thiện hiệu quả trao đổi nhiệt như các phương
pháp tạo nhám, tạo cánh, gắn tấm hướng dòng, dạng xốp bề mặt hấp thu và tích trữ nhiệt, bố trí các các
kênh và phân phối các pass được giới thiệu như Hình 1.

-131-


Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh

2. TĂNG CƯỜNG TRAO ĐỔI NHIỆT
Các nguyên lí cơ bản tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt là tăng hệ trao đổi nhiệt giữa bề mặt hấp thu
bức xạ với dịng khơng khí, qua đó giám tiếp giảm tổn thất nhiệt. Tuy nhiên tổn thất áp suất và các chi phí
về điện năng cũng tăng theo. Do đó, tối ưu hiệu quả là vấn đề quan tâm hàng đầu trong thiết kế bộ thu SAH,
ngoại trừ các ứng dụng đăc biệt mà lợi ích cao hơn vấn đề kinh tế. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã chứng
minh kết quả khi kết hợp tăng cường khuếch tán cưỡng bức trong kênh khơng khí. Dưới đây giới thiệu các
giải pháp tăng cường trao đổi nhiệt của bộ thu SAH mà các nghiên cứu đang quan tâm.
a. Tăng cường trao đổi nhiệt theo hiệu ứng jet impingment.
Tăng cường trao đổi nhiệt theo hiệu ứng jet impingment sẽ cho kết quả trao đổi nhiệt cải thiện hơn

đáng kể so với thông thường. Chauhan và cộng sự đã ứng dụng phương pháp Jet impingement cho kết quả
số Nusselt tăng 2.6 lần, hệ số ma sát tăng 3.5 lần [3]. Matheswaran và cộng sự nghiên cứu bố trí thêm kênh
cho kết quả hiệu suất cải thiện 21.2% và exergy tăng 22.4% [4].
Solar Air Collector

Bố trí
dịng
Phía
trên
Phía
dưới
Cả trên, dưới

Thiết kế

Chia pass dòng

bề mặt hấp thụ

Vật liệu hấp
thụ

1 pass

Kim loại

2 passes

Phi kim

Có cánh [Fins]
Tạo gân nhám
[Ribs]
Tấm [Baffles]

Đa passes

Tấm chữ
V
Dạng xốp
Tích trữ
nhiệt

Hình 1. Các dạng thiết kế nhằm cải thiện hiệu quả SAH [2]

-132-

Ma trận


Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh

b. Ngun lí hiệu ứng Impinggement

Hình 2. a. Bố trí lớp của jet impingerment SAH [4]
Tương tác giữa dòng và bề mặt rắn của tấm hấp thụ quyết định đến hiệu quả trao đổi nhiệt. Do đó các
khảo sát cần đặc biệt quan tâm đến lí thuyết lớp biên đó là khảo sát điểm tách (separated point), tái kết dính
(reattachment) cũng như hình dáng và chiều dài của các xoáy cận lớp biên. Tăng cường trao đổi nhiệt trong
mơi trường dịng thơng qua sự khuếch tán và đặc biệt là sự hòa trộn giữa các dòng sơ cấp và thứ cấp.

b. Tăng cường trao đổi nhiệt bằng phương pháp nhám nhân tạo, gắn cánh (fins), tấm hướng dòng
(baffles).
Một số các nghiên cứu điển hình Prasad và cộng sự [5] khảo sát các dạng nhám chỉ ra điểm
reattachment phụ thuộc vào chiều cao và bước của các gân nhám (Hình 3). Nguyễn Minh Phú và cộng sự
[6] đã mô phỏng số chỉ ra tăng cường truyền nhiệt thơng qua điểm reattachmens và hịa trộn giữa các dịng
sơ cấp và thứ cấp (Hình 4). Momin và cộng sự [7] khảo sát gân chữ V của SAH đã chỉ ra rằng giá trị
maximun cải thiện hệ số Nusselt và hệ số nhám lần lượt là 2.30 và 2.30 so với SAH phẳng thơng thường
(Hình 6).

Hình 3. Khảo sát điểm reattachment của gân nhám [5]

-133-


Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh

Hình 4. Khảo sát điểm reattachments và và hòa trộn giữa các dòng sơ cấp và thứ cấp [6]

Hình 5. Khảo sát gân nhám chữ V [7]

Hình 6. Khảo sát gân nhám chữ V [8]

Elumalai Vengadesan và cộng sự [10] thống kê các nghiêm cứu về gân nhám gần đây. Rahmannezhad
và Mirbozorgi [9] dùng CFD và RSM-CCD để tối ưu bộ hòa trộn kích trước micro với kết cấu rãnh và vật
cản thí nghiệm số được phát từ 2 thông số đầu vào với 5 mức mỗi thông số. Kết quả xác định được kính
thước tối ưu để khả năng hịa trộn cao nhất và tổn thất áp suất thấp nhất.

-134-

Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh

Hình 8. Bảng thống kê các nghiên cứu [10]

3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• Phương pháp giải tích
- Các phương trình cân bằng năng lượng [11]
For glass cover:
For absorber plate:
For back board
For working medium (flowing air):
- Các thơng số nhiệt, truyền nhiệt [12]

•

Phương pháp số

❖ Các phương trình vi phân [12]
- Phương trình cân bằng năng lượng

-135-


Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh

- Phương trình bảo tồn khối lượng

- Phương trình thơng lượng nhiệt
- Phương trình biến đổi momentum và năng lượng

- Giải các phương trình vi phân bằng phương pháp gần đúng cho các phần tử nhỏ theo phương pháp sai phân

Hình 10. Chia lưới trong sai phân hữu hạn

- Giải thuật lập các phương trình vi phân, chia lưới, rời rạc các điểm nút và kết hợp các điều kiện biên,
lập các phương trình gần đúng và giải kết quả. Thơng thường lập trình trong mơi trường mềm Matlab.
Gần đây có một vài công cụ mạnh CFD (Computational Fluid Dynamics) sử dụng các phần mềm mơ phỏng
số ANSYS FLUENT cho kết quả chính xác và thuận tiện hơn rất nhiều.

-136-


Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh

Hình 9. Kết quả mơ phỏng CFD [6]

•

Kết hợp các phương pháp tối ưu hóa
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu tập trung các nhiệm vụ tối ưu hóa cho thiết kế và vận hành nhằm
mục đích nâng cao hiệu suất và giảm chi phí năng lượng cho các thiết bị. Một số nghiên cứu phương pháp
tối ưu hóa được sử dụng nhiều là phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM), phương pháp Pareto. Ngay từ đầu
có thể kết thuật tốn tối ưu như Taguchi để giảm khối lượng khảo sát và thực nghiệm rất nhiều.

Hình 10. Phương pháp tối ưu Pareto

•

Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm để kiểm chứng kết quả lí thuyết và mơ phỏng số đã khảo sát trước đó. Trên cơ sở
đó, các mơ hình thực nghiệm phải đồng nhất với khảo nghiệm lí thuyết. Ngồi chi phí cao xây dựng mơ hình và dụng
cụ thí nghiệm thì trong q trình thục nghiệm thời gian cơng sức nghiệm.
Trong các thí nghiệm về SAH có thể chia ra làm hai loại thí nghiệm cơ bản: các thực nghiêm trong nhà với
trang bị ánh sáng nhân tạo thay thế bức xạ mặt trời để chủ động về thời gian mà các nghiên cứu khảo nghiệm xác định
thông số tối ưu kết cấu và hoạt động của SAH. Với các nghiên cứu chuyên sâu hơn thường phải thực nghiệm ngoài
trời cho kết quả thực tế hơn để đánh giá hiệu quả khai thác của thiết bị.

-137-


Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh

Hình14. Sơ đồ các thiết bị thí nghiệm [13]

4. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ

• Tối thiểu Entropy hay hiệu suất Exergy theo định luật nhiệt động 2
- Sử dụng phương pháp tối thiểu phát sinh Entropy là công cụ hiệu quả thông số tối ưu của hệ
thống.

Hình15. So sánh kết quả thực nghiệm với lí thuyết [14]

-138-

Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
- Số Bejan:
Adrian Bejan đề xuất số Be (Bejan) để kháo sát đặc tính nhiệt thủy lực. Số Be là tỉ số phát sinh entropy
không thuận nghịch do nhiệt với phát sinh do ma sát.
Phát sinh entropy (Phá hủy exergy)

Số phát sinh entropy

• Phân tích exergy [14]
Để đánh giá tính khơng thuận nghịch thơng qua đánh giá entropy. Ngược lại Phân tích phát sinh exergy
là đánh giá hệ theo định luật nhiệt động 2, quá đó đánh giá tiềm năng khai thác của hệ. (phát sinh exergy là
phá hủy entropy)
- Phân tích phát sinh exergy

𝐸
𝑇𝑒
𝐸𝐷 = =
ln
𝑄 ∆𝑇
• Hiệu suất nhiệt thiết bị
- Hiệu suất nhiệt

𝑇𝑜
𝑇𝑖

+
1
𝑘−

𝑘
𝑃
( 𝑜)
( 𝑃𝑖
)

𝜂 𝑇ℎ =

1
𝑇𝑒
(1 − ) − 1
𝜂
𝑇𝑠

𝑚̇𝐶𝑝 (𝑇𝑜 − 𝑇𝑖 )
𝐺𝑇

Webb and Eckert (1972)

ηthermo= (Str/Sts)/(fr/fs)1/3
trong đó Str, Sts, fr, fs lần lượt các số Stanton và hệ số ma sát của SAH bề mặt nhám và phẳng.
- Đánh giá Hiệu suất Exergy theo định luật nhiệt động hai [15]
𝜂𝐼𝐼 =

𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑝ℎá𝑡 𝑠𝑖𝑛ℎ
𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑝ℎá ℎủ𝑦
=1−
𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑐ấ𝑝
𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑐ấ𝑝

- Hiệu quả kinh tế [14]
𝑃
𝑄𝑢 − ( 𝑚 )
𝐶
𝜂𝐼𝐼 =
𝐼𝐴𝑃

-139-


Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh

5. KẾT LUẬN

• Hiệu suất trao đổi nhiệt của bộ SAH thông thường khá thấp. Do đó cải thiện hiệu quả là yêu cầu
thiết thực của các nhà nghiên cứu cần hoàn thiện hơn.
• Một trong tiêu chí quan trọng để thiết kế bộ thu SAH đó là đánh giá tối thiểu entropy hay phát sinh
exergy.
• Trong các nghiên cứu thì phương pháp thực nghiệm tốn kém hơn nhất sai số là nhiều nhất chỉ để
kiểm chứng lại các các phương pháp giải tích hay mơ phỏng số. Nên sử dụng các phần mềm chuyên sâu
ANSYS FLUENT hay phần mền tương tự thì kết quả chính xác và khối lượng làm việc giảm đáng kể so
với lập trình trong mơi trường Matlab địi hỏi thành thục kĩ năng lập trình.
• Trong q trình nghiên cứu cần phải kết thuật toán tối ưu như Taguchi, DOE ngay từ đầu để giảm
khối lượng khảo sát. Sau đó vận dụng các phương pháp tối ưu như phương pháp Pareto để xác định tham
số tối ưu.
• Hầu như các khảo sát chỉ đưa ra tối ưu kết cấu và thông số hoạt động mà chưa đánh giá hiệu quả
kinh tế hay ứng dụng nào cả. Bên cạnh,đó, phân tích, đánh giá exergy mang tính học thuật cao (đánh giá
theo định luật nhiệt động 2), qua đó đánh giá tiềm năng khai thác thiết bị.
• Trong các biện pháp cải thiện thì biện pháp tạo gân nhám là không phù hợp với SAH (chỉ phù hợp

lưu chất là chất lỏng). Ngược lại phương pháp gắn tấm là đơn giản dễ thực hiện và hiệu quả rất phù hợp với
SAH.
• Qua khảo sát các biện pháp kết hợp tăng cường trao đem lại kết quả tốt hơn. Một đề xuất cá nhân
là nên kết hợp với các collector parabol thì chi phí sẽ giảm mà hiệu quả khai thác tăng lên đáng kể.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Yadav, S., & Saini, R. P. (2020). Numerical investigation on the performance of a solar air heater using jet
impingement with absorber plate. Solar Energy, 208, 236–248.
[2] Elumalai Vengadesan, Ramalingam Senthil (2020). A review on recent developments in thermal performance
inhancement methods of flat plate solar air collector. Renewable and Sustainable Energy Reviews 134,110315
[3] Chauhan, R., Thakur, N.S., (2017). Heat transfer and friction factor correlations for impinging jet solar air heater,
Therm Fluid Science. 44, 760–767. />[4] Matheswaran MM, Arjunan TV, Somasundaram D. (2018). Analytical investigation of solar air heater with jet
impingement using energy and exergy analysis. Solar Energy,161:25–37.
[5] Prasad, B.N., Saini, J.S., 1988. Effect of artificial roughness on heat transfer and friction factor in a solar air heater.
Solar Energy 41 (6), 555–560.
[6] Nguyen Minh Phu1,2,*, Pham Ba Thao2, Duong Cong Truyen, Heat and fluid flow characteristics of nanofluid in a
channel baffled opposite to the heated wall, CFD Letters.
[7] Momin, A.-M.E., Saini, J.S., Solanki, S.C., 2002. Heat transfer and friction in solar air heater duct with V-shaped
rib roughness on absorber plate. International Journal of Heat and Mass Transfer 45, 3383–3396
[8] Ortega-Casanova, J. Application of CFD on the optimization by response surface methodology of a micromixing
unit and its use as a chemical microreactor. Chemical Engineering and Processing, Process Intensification, 117(2017),
18-26.
[9] Gilani SE, Al-Kayiem HH, Woldemicheal DE, Gilani SI. Performance enhancement of free convective solar air
heater by pin protrusions on the absorber. Sol Energy 2017;151:173–85.
[10 ] Elumalai Vengadesan, Ramalingam Senthil (2020). A review on recent developments in thermal performance
enhancement methods of flat plate solar air collector, Renewable and Sustainable Energy Reviews 134, 110315
[11] Tata McGraw-Hill (2008). Storage, New Delhi p. 173–83

-140-

Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
[12] H K Versteeg and W Malalasekera (2007). An Introduction to Computational Fluid Dynamics, © Pearson
Education Limited 1995
[13] Ali Daliran, Yahya Ajabshirchi (2018) . Theoretical and experimental research on effect of fins attachment on
operating parameters and thermal efficiency of solar air collector, Information Processing In Agriculture 5, 411–421
[14] Irfan Kurtbas, Aydin Durmus(2004), Efficiency andexergy analysis of a new solar air heater, Renewable Energy
29, 1489–1501
[15] Yunus A. Çengel and Michael A. Boles. Thermodynamics, An Engineering Approach, 5

-141-