Luận Văn Thạc Sỹ TS. Lê Minh Nhựt LỜI CAM ĐOAN Tôi cam luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm bộ thu không khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc” là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Xuân Lâm iii Luận Văn Thạc Sỹ TS.
Lê Minh Nhựt LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên em xin đƣợc gửi tới thầy TS. Lê Minh Nhựt lời cảm ơn chân thành nhất, thầy đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn và luân quan tâm, động viên trong suốt quá trình thực hiện đồ án để em hoàn thành tốt bài luận văn “Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm bộ thu không khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc”. Em cũng xin đƣợc chân thành cảm ơn đến tất cả qúy thầy cô bộ môn Công nghệ Kỹ Thuật Nhiệt, khoa Cơ Khí Động Lực, Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu thông qua các môn học trong chƣơng trình đào tạo làm nền tảng để em có thể nghiên cứu và hoàn thành tốt luận văn. Dù đã rất cố gắng để thực hiện luận văn nhƣng do kiến thức còn chƣa sâu sắc, thời gian còn hạn hẹp nên em không thể tránh khỏi những thiếu sót.
Em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến và đánh giá từ thầy cô để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Học viên thực hiện Nguyễn Xuân Lâm iv Luận Văn Thạc Sỹ TS. Lê Minh Nhựt TÓM TẮT Nghiên cứu này trình bày kết quả nghiên cứu bộ thu không khí mặt trời với các cánh sóng dọc bên trong. Cấu tạo của hệ thống gồm một bộ thu tấm phẳng với bảy cánh sóng dọc bên trong và có diện tích bề mặt là 2m2.
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc đƣa vào các cánh sóng dọc có thể tăng cƣờng quá trình truyền nhiệt đối lƣu và làm giảm sự mất nhiệt bức xạ, góp phần cải thiện hiệu suất thu hồi nhiệt bộ thu. Trƣờng hợp số cánh tối ƣu cho nghiên cứu này là bảy cánh, lƣu lƣợng qua bộ thu kiểm soát trong khoảng 0. Ảnh hƣởng của số lƣợng cánh, chiều cao cánh, tỉ lệ giữa độ dài cung và bán kính cánh, cũng nhƣ lƣu lƣợng không khí qua bộ thu tới hiệu suất bộ thu đƣợc trình bày trong nghiên cứu này. Các thông số hoạt động nhƣ nhiệt độ xung quanh, cƣờng độ bức xạ mặt trời có ảnh hƣởng đáng kể đến sự gia tăng nhiệt độ nhƣng ít ảnh hƣởng đến hiệu suất thu hồi nhiệt của bộ thu, điều này cho thấy rằng loại bộ thu không khí mặt trời này có thể đƣợc áp dụng ở nhiều khu vực.
v Luận Văn Thạc Sỹ TS. Lê Minh Nhựt ABSTRACT This paper presented the results of a solar air collector with internal crimped fins. It consists of a flat plate collectors with seven internal crimped fins and has the total collection surface area of 2m2. The investigation results indicate that the introduction of internal crimped fins can strengthen the convective heat transfer process and lessen the radiation heat loss, which contributes to efficiency improvement.
In case the optimum number of for this study was seven crimped fins, the volume flow rate should be controlled in a range of 0. The influence of internal crimped fins number, ratio between leght wing and fin pitch, as well as the air volume flow rate on the collector performance presented in this paper. The operating parameters such as the surrounding temperature, solar radiation intensity have significant influence on the temperature rise but have little influence on collector efficiency, which indicates that this kind of solar air collector could be applied in a wide range of geographical latitude. vi Luận Văn Thạc Sỹ TS.
Lê Minh Nhựt MỤC LỤC Trang tựa TRANG LÝ LỊCH KHOA HỌC……………………………………………………………….i LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………………….iii LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………….vi MỤC LỤC……………………………………………………….vii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU……………………………………………………….x DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ……………………………………………………….xi DANH SÁCH CÁC BẢNG………………………………………………………….xv Chƣơng 1 TỔNG QUAN .1Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan .1 Khái quát nhu cầu sử dụng năng lƣợng trên thế giới và ở nƣớc ta .2 Nhu cầu sử dụng bộ thu không khí dùng năng lƣợng mặt trời .3 Khả năng ứng dụng của đề tài nghiên cứu .2 Tính cấp thiết của đề tài .3 Mục đích của đề tài .4 Nhiệm vụ , đối tƣợng và giới hạn của đề tài .1 Nhiệm vụ của đề tài.2 Đối tƣợng nghiên cứu.3 Giới hạn của đề tài .5 Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu .1 Phƣơng pháp nghiên cứu.2 Phƣơng pháp tiếp cận. 22 vii Luận Văn Thạc Sỹ TS. Lê Minh Nhựt Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1Tổng quan chung về nguồn năng lƣợng mặt trời .2 Nguồn bức xạ mặt trời .2 Lý thuyết về năng lƣợng bức xạ mặt trời .1Tính toán năng lƣợng mặt trời .2 Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ .3 Lý thuyết tính toán bộ thu .1 Kết cấu bộ thu tấm phẳng gia nhiệt không khí .2 Tính toán nhiệt bộ thu tấm phẳng .3 Tính hiệu suất bộ thu. 41 Chƣơng 3 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT BỘ THU KHÔNG KHÍ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÁCH SÓNG DỌC.1 Giới thiệu về phần mềm Comsol multyphysics 5.2 Giải bài toán mô phỏng bằng phƣơng pháp số .1 Các bƣớc thực hiện bài toán mô phỏng số .2 Phƣơng pháp dùng để giải bài toán truyền nhiệt .3 Mô tả bài toán .4 Điều kiện biên .5 Mô tả hình học .1 Hộp thu bên ngoài .2 Cánh sóng dọc .3 Bộ gom không khí.5 Khối không khí .6 Các bƣớc mô phỏng bức xạ bộ thu không khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc .7 Các bƣớc mô phỏng đối lƣu bộ thu không khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc .8 Kết quả mô phỏng đối lƣu bộ thu không khí năng lƣợng mặt trời vách sóng dọc .1 Kết quả hình dạng dòng chảy.
63 viii Luận Văn Thạc Sỹ TS. Lê Minh Nhựt 3.2 Kết quả phân bố vận tốc .3 Kết quả nhiệt độ không khí trong bộ thu .4 Kết quả mô phỏng bức xạ .5 Kết quả mô phỏng truyền nhiệt bộ thu không khí dạng tấm phẳng. 75 Chƣơng 4 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM .1 Mô tả hệ thống thiết bị thực nghiệm .2 Cấu tạo bộ thu .3 Lắp đặt bộ thu .5 Phƣơng pháp thí nghiệm. 89 Chƣơng 5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .1 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng nhiệt độ không khí .2 Kết quả thực nghiệm phân bố nhiệt độ không khí trong các kênh dẫn .3 Đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất bộ thu vách sóng dọc .1 Cấu trúc hình học của cánh .2 Chiều cao cánh .3 Ảnh hƣởng số lƣợng cánh và lƣu lƣợng đến hiệu suất .4 Ảnh hƣởng nhiệt độ môi trƣờng đến hiệu suất bộ thu .5 Ảnh hƣởng cƣờng độ bức xạ đến hiệu suất bộ thu những ngày nắng.6 Ảnh hƣởng cƣờng độ bức xạ đến hiệu suất bộ thu những ngày có mây.
98 Chƣơng 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 104 ix Luận Văn Thạc Sỹ TS. Lê Minh Nhựt DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ac Diện tích bộ thu, m2.
Cp Nhiệt dung riêng của không khí, J/kg độ Eng Bức xạ ngoài khí quyển đƣợc đo trên mặt phẳng vuông góc,W/m2 h Hệ số tỏa nhiệt đối lƣu, W/m2.K H Năng lƣợng bức xạ trên một đơn vị diện tích, W/m2 k Hệ số dẫn nhiệt, W/m.K m Lƣu lƣợng khối lƣợng, Kg/s QL Năng lƣợng tổn thất, W Qu Năng lƣợng hữu ích của bộ thu, W Qs Năng lƣợng tích trữ, W Rb Hệ số dịch chuyển nhiệt bộ thu Ta Nhiệt độ môi trƣờng Tin Nhiệt độ không khí đầu vào bộ thu, Tout Nhiệt độ không khí đầu ra bộ thu, Tp Nhiệt độ tấm hấp thụ, Ub Hệ số tổn thất nhiệt qua mặt đáy của bộ thu,W/m2.K Ue Hệ số tổn thất nhiệt qua mặt bên của bộ thu,W/m2.K Ut Hệ số tổn thất qua nhiệt mặt trên của bộ thu,W/m2.K Góc vĩ độ, Góc nghiêng, Góc giờ mặt trời, Góc lệch, Góc tới, Góc phƣơng vị, x Luận Văn Thạc Sỹ TS. Lê Minh Nhựt DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mức tiêu thụ năng lƣợng của thế giới từ 1970-2025 .2 Tiêu thụ năng lƣợng phân theo khu vực từ 1970-2015 .3 So sánh diễn biến giá dầu thế giới năm 2003-2004 .4 Mức tiêu thụ các nguồn năng lƣợng của thế giới 1970-2025 .5 Lƣợng khí thải CO2 sinh ra do sử dụng năng lƣợng hóa thạch .6 Tiêu thụ năng lƣợng thế giới theo nguồn năng lƣợng .7 Biểu đồ tiêu thụ năng lƣợng thế giới của các nguồn năng lƣợng (%) .8 Bộ thu kiểu tấm chắn ngang .9 Bộ thu kiểu bề mặt tấm hấp thụ nhám .10 Bộ thu kiểu cánh ngang kết hợp tấm hấp thụ kiểu lƣới .11 Bộ thu kiểu nếp gấp .12 Bộ thu kiểu hai dòng .13 Bộ thu kiểu cánh xen kẽ .14 Bộ thu kiểu tấm hấp thụ gấp nếp .15 Bộ thu kiểu cánh gây rối dòng chảy.16 Bộ thu kiểu cánh song song .17 Bộ thu kiểu khối cầu .1 Mặt cắt ngang mặt trời .2 Góc nhìn mặt trời .3 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời .4 Cấu tạo bộ nung không khí có kênh dẫn .5 Trao đổi nhiệt bức xạ giữa tấm kính phủ và tấm hấp thụ .7 Mạng lƣới nhiệt trở trong bộ thu tấm phẳng. 37 xi Luận Văn Thạc Sỹ TS. Lê Minh Nhựt Hình 3.1 Các bƣớc thực hiện bài toán mô phỏng .2 Hộp thu của bộ thu .3 Cánh sóng dọc .4 Bộ chia không khí .6 Khối không khí .7 Chọn Module truyền nhiệt bức xạ .8 Lựa chọn lời giải .9 Thiết lập hàm bức xạ q(t) .10 Thiết lập mô hình mô phỏng .11 Thiết lập Module.12 Thiết lập điều kiện biên bề mặt khuếch tán .13 Chọn điều kiện biên nguồn nhiệt .15 Thiết lập module truyền nhiệt đối lƣu .16 Thiết lập điều kiện biên ban đầu .17 Thiết lập điều kiện biên vách.18 Thiết lập điều kiện biên biên đầu vào .19 Thiết lập điều kiện biên bề mặt hấp thụ .21 Hình dạng dòng chảy cánh bán kính cung R = 50mm, chiều dài cung L=210.22 Hình dạng dòng chảy cánh bán kính cung R = 90mm, chiều dài cung L=264.23 Phân bố nhiệt độ kiểu dòng có tồn tại xoáy khí .24 Phân bố nhiệt độ kiểu dòng có tồn tại xoáy khí.
65 xii Luận Văn Thạc Sỹ TS. Lê Minh Nhựt Hình 3.25 Hình dạng dòng chảy cánh bán kính cung kính R=20mm,chiều dài cung L=183.26 Vận tốc phân bố trong bộ thu.27 Nhiệt độ không khí tại thời điểm 7h .28 Nhiệt độ không khí tại thời điểm 9h .29 Nhiệt độ không khí tại thời điểm 11.30 Nhiệt độ tấm hấp thụ tƣơng ứng thời điểm ban đầu .31 Nhiệt độ tấm hấp thụ tƣơng ứng thời gian 9h .