X©y dùng phÇn mÒm TÝNH TO¸N Bé THU kiÓu èng nhiÖt

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Ống nhiệt đã được ứng dụng rộng rãi trong các công trình công nghệ nhiệt, trong đó có việc sử dụng ống nhiệt trong các bộ thu năng lượng mặt trời để cung cấp nước nóng cho các nhu cầu nhiệt độ cao như sử dụng nước nóng để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ...

Ưu điểm của bộ thu năng mặt trời dạng ống nhiệt là thời gian khởi động nhanh, tổn thất nhiệt thấp (đối với những loại ống nhiệt chân không), hiệu suất của bộ thu cao. Mặt khác, môi chất sử dụng trong ống nhiệt là tinh khiết nên không có sự đóng cáu ở bên trong ống nhiệt, do đó tuổi thọ ống nhiệt rất dài và khả năng trao đổi nhiệt rất tốt. Một trong những tính chất quan trọng của ống nhiệt làm cho nó được chọn dùng trong bộ thu năng lượng mặt trời đó là ống nhiệt có thể hoạt động như một loại di-ốt nhiệt. Trong ống nhiệt dòng nhiệt chỉ đi theo một hướng. Trong trường hợp nhiệt độ của nước đi vào bộ thu cao hơn nhiệt độ phần ngưng của ống nhiệt thì ống nhiệt dừng hoạt động. Bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt gồm hai loại chính, đó là (i) bộ thu kiểu ống nhiệt tấm phẳng và (ii) bộ thu ống nhiệt ống chân không. Để tính toán thiết kế một bộ thu làm việc với hiệu suất cao là khá phức tạp và tính toán mất rất nhiều thời gian, vì vậy việc nghiên cứu xây dựng phần mềm tính toán thiết kế bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống nhiệt là vấn đề hết sức cần thiết.

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt tấm phẳng

Hình 1: Bộ thu kiểu ống nhiệt tấm phẳng

2.1.1 Phương trình cân bằng năng lượng

Gọi , là chiều rộng và chiều dày của tấm hấp thụ, là đường đường kính của ống nhiệt, là nhiệt độ của cánh hấp thụ như hình 2.

Hình 2: Nguyên lý và cấu tạo

Hình 3. Cân bằng năng lượng trên cánh

Viết phương trình cân bằng năng lượng cho một phần tử cánh có chiều rộng và chiều dài 1 đơn vị theo hướng chuyển động của dòng hơi môi chất trong ống nhiệt (hình 3.b) ta có:

Ngoài lượng nhiệt dẫn từ tấm vào ống còn phải tính đến lượng nhiệt truyền qua chính bề mặt vùng ống có nhiệt độ không đổi

q_ống= (1)

Vậy lượng nhiệt hữu ích tổng cộng sẽ là:

(2)

2.1.2 Hiệu suất của bộ thu kiểu ống nhiệt tấm phẳng

Hiệu suất của bộ thu được tính theo công thức sau:

(3)

2.2 Bộ thu kiểu ống nhiệt chân không

2.2.1 Cấu tạo của bộ thu

Hình 4 : Bộ thu kiểu ống nhiệt chân không có gương phản xạ

2.2.2 Phương trình cân bằng năng lượng

Phương trình cân bằng năng lượng của ống nhiệt ống chân không cụ thể được viết dưới dạng sau. [1].

2.2.3 Hiệu suất của bộ thu ống nhiệt ống chân không

Hiệu suất tức thời của bộ thu ống nhiệt ống chân không được tính theo công thức sau:

(6)

III. LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN

3.1 Xây dựng lưu đồ thuật toán

Hình 5. Lưu đồ thuật toán chương trình chính

Năng lượng hữu ích của một ống nhiệt được tính

theo công thức. [1]

(4)

(5)

3.2 Các thông số của phần mềm

Bảng 1: Thông số của bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt

STT	Thông số	Đơn vị	Ghi chú
1	Chiều rộng của bộ thu	m
2	Chiều dài bộ thu	m
3	Chiều rộng cánh	m
4	Chiều dày cánh	m
5	Hệ số dẫn nhiệt của cánh	W/mK
6	Đường kính phần sôi của ống nhiệt	m
7	Đường kính phần ngưng của ống nhiệt	m
8	Chiều dài phần sôi của ông nhiệt	m
9	Chiều dài phần ngưng của ống nhiệt	m
10	Số ống nhiệt	-
11	Chiều dày lớp cánh nhiệt	m	Tấm phẳng
12	Hệ số dẫn nhiệt của lớp cánh nhiệt	W/mK	Tấm phẳng
13	Số lớp kính	-	Tấm phẳng
14	Độ đen của kính	-
15	Hệ số xuyên qua của kính	-
16	Độ dày của kính	m
17	Hệ số dẫn nhiệt của kính	W/mK
18	Đường kính ống thủy tinh	m	Chân không

Bảng 2: Thông số làm việc của bộ thu NLMT kiểu ống nhiệt

STT	Thông số	Đơn vị	Ghi chú
1	Cường độ bức xạ mặt trời	W/m²	Đo ở Tp.HCM
2	Nhiệt độ môi trường
3	Vận tốc gió	m/s
4	Nhiệt độ nước vào bộ thu
5	Lưu lượng nước qua bộ thu	kg/s

Các thông số cần tính toán bằng phần mềm được trình bày trong bảng 3.

Bảng 3: Các thông số cần tính toán

STT	Thông số	Đơn vị	Ghi chú
1	Hiệu suất	%
2	Nhiệt độ nước ra
3	Hiệu suất tức thời	%

3.2 Xây dựng chương trình

Hình 6: Ống nhiệt tấm phẳng

Hình 7: Ống nhiệt chân không

3.3 Kết quả tính toán bằng phần mềm

Hình 8: So sánh bằng phần mềm.

Hình 9. So sánh với KIER

IV. KẾT LUẬN

- Từ đồ thị (hình 8) ta thấy, khi sử dụng ở vùng có nhiệt độ làm việc càng cao, tức là ở vùng có giá trị càng lớn, thì bộ thu kiểu ống nhiệt ống chân không càng có hiệu suất cao hơn so với hiệu suất của bộ thu kiểu ống nhiệt tấm phẳng, điều này hoàn toàn phù hợp với phân tích lý thuyết ở trên

- Trong bộ thu kiểu ống nhiệt ống chân không, do tác động của vùng chân không cho nên tổn thất nhiệt do đối lưu ở phần sôi của ống nhiệt giảm đáng kể. Tổn thất nhiệt toàn phần của loại bộ thu ống nhiệt ống chân không là còn tổn thất nhiệt toàn phần của bộ thu ống nhiệt tấm phẳng có giá trị là .

- So sánh hiệu suất của bộ thu ống nhiệt ống chân không từ phần mềm tính toán với hiệu suất của bộ thu ống nhiệt chân không của Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc (hình9) cho thấy, hai đường này có độ chênh lệch là . Do công nghệ chế tạo loại bộ thu của Viện nghiên cứu năng lượng Hàn Quốc hiện đại, duy trì độ chân không tốt, hàn bằng laser tạo khả năng truyền nhiệt tốt, vì vậy sai lệch so với lý thuyết là khá nhỏ. Kết quả so sánh này, chứng tỏ kết quả tính toán các thông số đặc trưng của bộ thu kiểu ống nhiệt bằng phần mềm HQ-1 là có thể tin cậy được.

ABSTRACT

In the article, the program describing the heat transfer processes in heat pipe solar collector has been written in Matlab 7.0 environment, it has been designed to do the fast calculation the specific parameters of heat pipe solar collector. Compared with the data presented in other literatures, it is show that the reliability of the mentioned program is good enough to do studies on heat pipe solar collector.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Hoàng An Quốc – Nghiên cứu nâng cao hiệu quả cấp nhiệt bằng ống nhiệt mặt trời cho máy lạnh hấp thụ H₂O-LiBr loại Single Effect ở miền nam Việt Nam – Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, 2009, 125 trang.

2. Hee-Youl Kwak, Chang-Yong Choi; Long term thermal performance of evacuated tubular solar collector system for industrial process heat in Korea; Korea Institute of Energy Research, Korea.