Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo, việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong các hệ thống sưởi ấm và sấy khô nông sản ngày càng được quan tâm. Solar Air Heater (SAH) là một thiết bị thu nhiệt năng mặt trời hiệu quả, có chi phí đầu tư và vận hành thấp, độ tin cậy cao. Theo một nghiên cứu thực nghiệm tại Baghdad, Iran, hệ thống SAH có thể cung cấp khoảng 84% nhu cầu nhiệt năng hàng ngày cho nhà kính, duy trì nhiệt độ bên trong ở mức 18°C trong mùa đông. Ứng dụng SAH trong sấy khô nông sản cũng giúp tiết kiệm ít nhất 50% năng lượng và rút ngắn 30% thời gian sấy so với phương pháp truyền thống.

Tuy nhiên, hiệu suất của SAH còn bị giới hạn bởi các tổn thất nhiệt và áp suất trong quá trình vận hành. Việc sử dụng nhám nhân tạo trên bề mặt tấm hấp thụ được xem là giải pháp nâng cao hiệu suất truyền nhiệt và giảm tổn thất áp suất. Luận văn tập trung phân tích và tối ưu hóa hiệu suất exergy-kinh tế của SAH có sử dụng nhám nhân tạo bằng phoi kim loại hình xoắn ốc, dựa trên nguyên lý định luật nhiệt động thứ hai và phân tích kinh tế. Phạm vi nghiên cứu khảo sát số Reynolds từ 1.200 đến 20.000, độ cao nhám tương đối từ 0.6 mm, bước nhám tương đối từ 4 đến 10 mm, với diện tích tấm hấp thụ 1.3 m².

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học tính toán hiệu suất nhiệt, hiệu suất hiệu dụng, hiệu suất exergy và tối ưu hóa hàm mục tiêu exergy-kinh tế nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm chi phí vận hành của SAH. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và vận hành các hệ thống thu nhiệt năng mặt trời hiệu quả, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo trong công nghiệp và nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: định luật nhiệt động thứ hai và phân tích kinh tế trong hệ thống thu nhiệt năng mặt trời. Định luật nhiệt động thứ hai được áp dụng để phân tích hiệu suất exergy, đánh giá mức độ tổn thất năng lượng do không thể chuyển hóa hoàn toàn nhiệt năng thành công cơ học. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Hiệu suất nhiệt (ηI): Tỷ lệ năng lượng nhiệt hữu ích thu được trên tổng năng lượng bức xạ mặt trời hấp thụ.
  • Hiệu suất hiệu dụng (F’): Tỷ lệ năng lượng có ích thực tế so với năng lượng hấp thụ trên tấm hấp thụ.
  • Hiệu suất exergy (ηII): Đánh giá hiệu quả chuyển hóa năng lượng theo định luật nhiệt động thứ hai, phản ánh tổn thất entropy trong quá trình truyền nhiệt.
  • Số Reynolds (Re): Thông số đặc trưng cho dòng chảy không khí qua collector, ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt và tổn thất áp suất.
  • Các thông số nhám nhân tạo: Độ cao nhám tương đối (e/Dh), bước nhám tương đối (p/e), hình dạng nhám xoắn ốc.

Mô hình toán học được xây dựng dựa trên cân bằng năng lượng và cân bằng exergy trong SAH, kết hợp các phương trình truyền nhiệt, tổn thất nhiệt qua các bề mặt và tổn thất áp suất do nhám nhân tạo. Phương pháp tổng trọng số được sử dụng để tối ưu hóa đa mục tiêu, bao gồm hiệu suất exergy và tổng chi phí hàng năm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả tính toán mô phỏng dựa trên mô hình toán học xây dựng trong luận văn, kết hợp với các số liệu thực nghiệm từ các nghiên cứu trước về hiệu suất nhiệt và thủy lực của SAH có nhám nhân tạo. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các biến số: số Reynolds từ 1.200 đến 20.000, độ cao nhám tương đối từ 0.6 mm, bước nhám tương đối từ 4 đến 10 mm, diện tích tấm hấp thụ 1.3 m².

Phương pháp phân tích sử dụng chương trình EES để tính toán hiệu suất nhiệt, hiệu suất exergy và hiệu suất hiệu dụng, đồng thời áp dụng phương pháp tổng trọng số để tối ưu hóa hàm mục tiêu exergy-kinh tế. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ đầu năm 2019 đến tháng 8 năm 2020, bao gồm xây dựng mô hình, tính toán, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp tối ưu.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên khảo sát các thông số kỹ thuật và điều kiện vận hành thực tế của SAH, nhằm đảm bảo tính khả thi và ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Việc sử dụng nhám nhân tạo từ phoi kim loại là giải pháp tiết kiệm chi phí và tận dụng vật liệu phế thải.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của số Reynolds đến hiệu suất: Khi số Reynolds tăng quá cao (gần 20.000), hiệu suất hiệu dụng và hiệu suất exergy của SAH giảm đáng kể. Cụ thể, hiệu suất exergy giảm khoảng 15-20% so với mức tối ưu ở số Reynolds trung bình (khoảng 5.000-10.000). Nguyên nhân là do tổn thất áp suất và sự không thuận lợi trong dòng chảy tăng lên.

  2. Tác động của độ cao nhám tương đối và bước nhám tương đối: Độ cao nhám nhỏ hơn và bước nhám lớn hơn giúp giảm tổn thất áp suất, từ đó cải thiện hiệu suất exergy. Kết quả tối ưu cho thấy độ cao nhám tương đối khoảng 0.6 mm và bước nhám tương đối từ 7 đến 10 mm đạt hiệu suất exergy cao nhất, tăng khoảng 12% so với các thông số không tối ưu.

  3. Diện tích tấm hấp thụ: Diện tích 1.3 m² được xác định là điểm cân bằng giữa hiệu suất exergy tối đa và chi phí hàng năm tối thiểu. Khi diện tích tăng vượt quá giá trị này, chi phí đầu tư và vận hành tăng nhanh hơn lợi ích về hiệu suất, làm giảm hiệu quả kinh tế.

  4. Tối ưu hóa exergy-kinh tế: Sử dụng phương pháp tổng trọng số, hàm mục tiêu kết hợp hiệu suất exergy và tổng chi phí hàng năm được tối ưu hóa thành công. Kết quả cho thấy có thể giảm tổng chi phí hàng năm khoảng 10-15% trong khi duy trì hiệu suất exergy ở mức cao nhất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm hiệu suất ở số Reynolds cao là do tổn thất áp suất tăng, làm tăng công suất quạt và giảm hiệu quả thủy lực. Việc sử dụng nhám nhân tạo với độ cao nhỏ và bước nhám lớn giúp giảm ma sát và tổn thất áp suất, đồng thời tạo dòng chảy thứ cấp tăng cường truyền nhiệt. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của nhám nhân tạo trên SAH.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa số Reynolds và hiệu suất exergy cho thấy đường cong có đỉnh tại khoảng Re = 7.000, minh họa rõ ràng điểm tối ưu vận hành. Bảng so sánh chi phí hàng năm và hiệu suất exergy giữa các cấu hình nhám khác nhau cũng làm nổi bật hiệu quả của thiết kế tối ưu.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học và công cụ thiết kế cho các nhà sản xuất và kỹ sư trong việc lựa chọn thông số nhám và điều kiện vận hành phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng và kinh tế của SAH. Điều này góp phần thúc đẩy ứng dụng rộng rãi năng lượng mặt trời trong các lĩnh vực công nghiệp và nông nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế nhám nhân tạo với độ cao nhám tương đối khoảng 0.6 mm và bước nhám tương đối từ 7 đến 10 mm: Giải pháp này giúp tối ưu hiệu suất exergy và giảm tổn thất áp suất, nên được áp dụng trong thiết kế SAH mới. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các nhà thiết kế và nhà sản xuất thiết bị.

  2. Kiểm soát vận tốc dòng không khí để duy trì số Reynolds trong khoảng 5.000 đến 10.000: Điều này giúp duy trì hiệu suất tối ưu và giảm chi phí vận hành. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình vận hành, chủ thể: kỹ thuật vận hành và bảo trì.

  3. Tăng cường sử dụng phoi kim loại làm nhám nhân tạo: Đây là nguồn vật liệu giá rẻ, dễ tìm, giúp giảm chi phí sản xuất và tận dụng phế liệu công nghiệp. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể: nhà sản xuất và các cơ sở gia công kim loại.

  4. Áp dụng phương pháp tối ưu hóa tổng trọng số trong thiết kế và vận hành SAH: Giúp cân bằng giữa hiệu suất năng lượng và chi phí kinh tế, nâng cao hiệu quả tổng thể. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: các viện nghiên cứu và trung tâm phát triển công nghệ.

  5. Đào tạo và hướng dẫn kỹ thuật cho người vận hành: Đảm bảo vận hành đúng các thông số kỹ thuật để duy trì hiệu suất tối ưu. Thời gian thực hiện: liên tục, chủ thể: các đơn vị đào tạo và nhà quản lý dự án.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà thiết kế và sản xuất thiết bị năng lượng mặt trời: Luận văn cung cấp mô hình toán học và phương pháp tối ưu hóa giúp thiết kế SAH hiệu quả hơn, giảm chi phí và nâng cao hiệu suất.

  2. Các kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống năng lượng tái tạo: Hiểu rõ ảnh hưởng của các thông số vận hành như số Reynolds và đặc tính nhám giúp duy trì hiệu suất tối ưu trong thực tế.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật nhiệt và năng lượng tái tạo: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp phân tích và kết quả thực nghiệm quý giá phục vụ nghiên cứu và học tập.

  4. Các doanh nghiệp và tổ chức ứng dụng năng lượng mặt trời trong nông nghiệp và công nghiệp: Tham khảo để lựa chọn và vận hành hệ thống SAH phù hợp, nâng cao hiệu quả kinh tế và môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nhám nhân tạo có tác động như thế nào đến hiệu suất của SAH?
    Nhám nhân tạo làm tăng cường truyền nhiệt bằng cách tạo dòng chảy thứ cấp và giảm lớp phụ nhiệt, đồng thời ảnh hưởng đến tổn thất áp suất. Khi thiết kế đúng, nhám giúp tăng hiệu suất exergy lên khoảng 12% so với bề mặt phẳng.

  2. Tại sao số Reynolds quá cao lại làm giảm hiệu suất?
    Số Reynolds cao làm tăng tổn thất áp suất và công suất quạt cần thiết, dẫn đến giảm hiệu suất hiệu dụng và exergy do tăng tổn thất năng lượng không mong muốn.

  3. Phương pháp tổng trọng số được áp dụng như thế nào trong tối ưu hóa?
    Phương pháp này kết hợp các mục tiêu đa chiều như hiệu suất exergy và chi phí hàng năm thành một hàm mục tiêu duy nhất, giúp tìm ra giải pháp cân bằng tối ưu cho thiết kế và vận hành.

  4. Diện tích tấm hấp thụ ảnh hưởng ra sao đến hiệu suất và chi phí?
    Diện tích lớn hơn giúp tăng thu nhiệt nhưng cũng làm tăng chi phí đầu tư và tổn thất nhiệt. Diện tích 1.3 m² được xác định là điểm cân bằng tối ưu giữa hiệu suất và chi phí.

  5. Nhám nhân tạo làm từ phoi kim loại có ưu điểm gì?
    Phôi kim loại là vật liệu phế thải dễ tìm, chi phí thấp, giúp tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, đồng thời tạo hình dạng nhám xoắn ốc hiệu quả cho truyền nhiệt và giảm chi phí sản xuất.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học phân tích hiệu suất nhiệt, hiệu suất hiệu dụng và hiệu suất exergy của SAH có sử dụng nhám nhân tạo bằng phoi kim loại hình xoắn ốc.
  • Kết quả cho thấy số Reynolds, độ cao nhám tương đối và bước nhám tương đối là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và tổn thất áp suất của SAH.
  • Phương pháp tổng trọng số được áp dụng hiệu quả trong tối ưu hóa đa mục tiêu exergy-kinh tế, giúp cân bằng giữa hiệu suất năng lượng và chi phí vận hành.
  • Diện tích tấm hấp thụ 1.3 m² được xác định là điểm tối ưu về mặt hiệu suất và kinh tế.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế và vận hành cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của SAH, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng mặt trời trong thực tế.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế các thiết kế nhám tối ưu, mở rộng nghiên cứu với các loại nhám và vật liệu khác, đồng thời phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa SAH.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng tái tạo nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và giảm chi phí cho các hệ thống thu nhiệt năng mặt trời.