Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không

 có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng NLMT vào thực tế. 
NLMT có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhưng đơn giản và hiệu quả 
nhất là để cấp nhiệt, đun nước nóng. Các nghiên cứu trong lĩnh vực này 
rất đa dạng và thường hướng đến mục tiêu nâng cao hiệu suất, khả năng 
làm việc ổn định và lâu dài của thiết bị và giảm giá thành sản phẩm. Các 
nghiên cứu liên quan đến việc đun nước nóng bằng NLMT có thể chia 
thành 3 hướng gồm: nghiên cứu về các loại vật liệu chế tạo bộ thu; 
nghiên cứu về các cấu trúc, kết cấu bộ thu; nghiên cứu về các QTTN và 
đặc tính làm việc của bộ thu. Trong các nghiên cứu kể trên thì nghiên 
cứu về các QTTN và đặc tính làm việc của bộ thu là khó khăn nhất bởi 
QTTN trong bộ thụ cũng như đặc tính làm việc của nó rất phức tạp, phụ 
thuộc nhiều thông số hoạt động. Tuy phức tạp nhưng hướng nghiên cứu 
này lại được đầu tư nghiên cứu nhiều nhất bởi chúng quyết định đến hiệu 
quả làm việc của bộ thu. Các nghiên cứu về hướng này lại có thể chia 
thành 4 nhóm: (a) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bố thu dùng 
ống chữ U [50, 123, ...]; (b) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ 
thu sử dụng ống nhiệt [75, 76, ...]; (c) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc 
tính bộ thu sử dụng chất lỏng nano làm môi chất truyền nhiệt [103, 104, 
...]; (d) nghiên cứu về truyền nhiệt và đặc tính bộ thu kiểu nước trong 
ống TTCK [68, 69, ...]. 
1.3.3. Một số vấn đề tồn tại và sự cần thiết nghiên cứu 
- Các nghiên cứu trong nước chưa đáp ứng được yêu cầu về tính toán, 
nghiên cứu QTTN cũng như các thông số hoạt động của ống TTCK 
trong bộ thu NLMT; 
- Có nhiều nghiên cứu ở nước ngoài về NLMT và các ứng dụng nhiệt 
của nó, nhưng chưa có công trình nào tập trung nghiên cứu một cách có 
hệ thống từ quá trình của tia BXMT đập tới bề mặt bộ thu đến quá trình 
 5 
hấp thụ bức xạ, truyền nhiệt cho chất lỏng của bộ thu và thoát nhiệt từ bộ 
thu ra ngoài khi kể đến sự che khuất giữa các ống cạnh nhau. 
 Vì thế, cần thiết phải nghiên cứu các quá trình của tia BX từ không 
gian bên ngoài đập tới bề mặt ống hấp thụ và truyền nhiệt cho nước trong 
ống thủy tinh, cũng như quá trình tổn thất nhiệt từ bộ thu ra môi trường 
để từ đó xác định các đặc tính làm việc của bộ thu. 
Kết luận chương 1 
 Đã tổng quan tình hình tiêu thụ NL và phát thải khí nhà kính, phân tích 
vai trò của NLMT và việc nghiên cứu ứng dụng nhiệt của NLMT. Thông qua 
việc xem xét, phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài 
nước về lĩnh vực nhiệt MT, chủ yếu tập trung với kiểu bộ thu ống TTCK, đề 
xuất hướng nghiên cứu mới. Đề tài luận án nhằm nghiên cứu làm rõ bản 
chất QTTN bên trong ống, từ đó xác định các đặc tính làm việc quan trọng 
của bộ thu (công suất, hiệu suất, nhiệt độ nước ra). 
 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO CÁC QUÁ 
TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT 
 TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG 
2.1. Nguyên lý làm việc của thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng 
mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không 
 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT là hệ thống thiết bị gồm các bộ 
phận như bộ thu NLMT, bình chứa nước nóng, thiết bị trao đổi nhiệt, 
thiết bị đun nóng bổ sung, .. Trong đó bộ thu NLMT là bộ phận quan 
trọng nhất, có ảnh hưởng quyết định đến hiệu quả làm việc của toàn hệ 
thống. Bộ thu NLMT kiểu ống TTCK là loại được sử dụng phổ biến hiện 
nay do có nhiều ưu điểm đã được kiểm chứng qua thực tiễn. 
2.2. Cơ sở lý thuyết về bức xạ mặt trời 
 Lý thuyết về BXMT đã được xây dựng và công bố khá nhiều. Trong 
luận án này sử dụng lý thuyết đã được công bố trong tài liệu “Solar 
engineering of thermal processes” của các tác giả John A. Duffie và 
William A. Beckman tái bản lần thứ 4 năm 2013 [91]. 
2.3. Quá trình truyền nhiệt trong ống thủy tinh chân không 
2.3.1. Các dòng nhiệt truyền của ống thủy tinh chân không 
 Phương trình cân bằng năng lượng trên bề mặt ống hấp thụ: 
 Qht1 = Q1đl + Q1bx (2.36) 
 Trong đó: Qht1 là dòng nhiệt hấp thụ trên bề mặt hấp thụ, sẽ được tính 
ở phần sau của luận án (chính là Qabs trong công thức 2.43); Q1bx là dòng 
nhiệt tổn thất, chính là QL trong công thức (2.74); Q1đl là dòng nhiệt hữu 
ích truyền cho nước trong bộ thu: 
 Q1đl = mc Cp (to − ti ) (2.37) 
 6 
 Hình 2.5. Các 
 dòng nhiệt xuất 
 hiện khi BXMT 
 đập tới bề mặt 
 ống TTCK 
2.3.2. Sự che khuất giữa các ống cạnh nhau 
 Hình 2.6. Các góc 
 giới hạn của tia 
 trực xạ 
2.3.3. Quá trình của tia bức xạ mặt trời trong ống TTCK và tích số truyền 
- hấp thụ của ống 
Hình 2.7. Quá trình 
của tia bức xạ trong 
 ống thủy tinh chân 
 không 
 Tích số truyền - hấp thụ giữa hai bề mặt trụ đồng trục: 
 ( ) =   (1− ) n (2.38) 
 n=0 
 Giá trị của tích số truyền - hấp thụ được xác định cho từng thành phần 
trực xạ, tán xạ và phản xạ như trong các công thức (2.44)  (2.48). 
 7 
2.3.4. Mô hình toán xác định lượng bức xạ hấp thụ trên bề mặt hấp thụ 
của bộ thu 
 Thông số lắp Thông số hình Thông số nhiệt vật 
 đặt của bộ thu học của bộ thu lý của bộ thu
 Góc nghiêng, Đường kính, Nhiệt dung 
 Các hệ số riêng, hệ số 
 góc phương chiều dài, Để tính hệ số tổn thất 
 góc bức xạ dẫn nhiệt, hệ 
 vị, vĩ độ đặt khoảng cách số truyền qua, nhiệt của bộ thu
 giữa bộ thu 
 bộ thu giữa các ống hệ số hấp thụ
 và bầu trời, 
 mặt đất
 Các giá trị 
 Cường độ Các thành Diện tích 
 Các góc giới tích số truyền 
 Dữ liệu thời tiết BXMT, nhiệt phần bức xạ: nhận tán xạ, 
 hạn che khuất - hấp thụ
 độ, độ ẩm, tốc trực xạ, tán xạ phản xạ
 độ không khí và phản xạ Hệ số TĐNĐL giữa mặt 
 trong ống và nước
 Góc giờ Tổng 
 lượng các 
 Dữ liệu thời gian Ngày, giờ làm Góc tới của Góc chắn tia Diện tích thành 
 việc của bộ thu tia trực xạ trực xạ nhận trực xạ phần: Tổng BXMT hấp thụ 
 - Trực xạ; trên bề mặt bộ thu
 Góc lệch - Tán xạ;
 - Phản xạ.
 Hình 2.8. Sơ đồ khối mô hình xác định bức xạ hấp thụ trên bề mặt bộ thu 
 Tổng BX đưa tới 1 đơn vị diện tích bề mặt bộ thu và trên toàn bộ bề 
mặt bộ thu được xác định theo công thức (2.39) và (2.40) [91]: 
 Gt = Gb  R b + Gd  Fc−s + G  Fc−r (2.39) 
 Qi = Aap  G t = Aap  (Gb  R b + Gd  Fc−s +  G  Fc−r ) (2.40) 
 Bức xạ hấp thụ trên 1 đơn vị diện tích bề mặt hấp thụ của bộ thu: 
 qabs = ( )b  Gb  R b + ( )d  Gd  Fc−s + ( )r   G  Fc−r (2.41) 
 Tổng bức xạ được hấp thụ bởi cả bộ thu: 
 Qabs = qabs  Aabs (2.42) 
 Từ đó đề xuất công thức tính tổng bức xạ hấp thụ trên toàn bộ bề 
mặt của bộ thu gổm z ống TTCK: 
 
 cos  2 cos 
 Q = ( )  G   L  r  + (z −1)  ( )  G   L  r  d
 abs b b cos  i b b cos  i
 z 1 z
 2 
 t b 
 + z  ( )d  G d  Fc−s  L  ri  d + ( )d  G d  Fc−s  L  ri  d 
 0 
 2 
 t t b b 
 + z  ( )r   G  Fc−r  L  ri  d + ( )r   G  Fc−r  L  ri  d 
 0 
 (2.43) 
 Các tích số truyền - hấp thụ được xác định như sau [42]: 
 1 
 (2.44) 
 ( )b = 1− b0  −1 ( )bn
 cos 
 1 
 t t (2.45) 
 ( )d = k d  1− b0  −1  ( )bn
 cos ed 
 8 
 1 
 b b (2.46) 
 ( )d = k d  1− b0  −1  ( )bn
 cos ed 
 1 
 ( )t = k t  1− b  −1  ( ) (2.47) 
 r r 0 cos  bn
 eg 
 1 
 ( )b = k b  1− b  −1  ( ) (2.48) 
 r r 0 cos  bn
 eg 
 Trong hệ tọa độ mặt đất phẳng, véc tơ đơn vị từ trái đất đến mặt trời 
được mô tả ns = (nx ,ny,nz ), cụ thể như sau 
 nx = cos cos cos + sin sin (2.49) 
 n y = −cos  sin  (2.50) 
 n z = −cos sin cos + sin cos (2.51) 
 Trong hệ tọa độ mới (hình 2.9), véc tơ đơn vị từ trái đất đến mặt trời 
được biểu diễn n's = (n'x ,n'y ,n'z ), cụ thể là: 
 n'x = n x cos − (n y sin  + n z  cos )sin  (2.52) 
 n'y = n y  cos  − n z sin  (2.53) 
 n'z = n x sin  + (n y sin  + n z  cos ) cos (2.54) 
  là góc phương vị của bộ thu (đã trình bày ở mục 2.2.2). 
 Hình 2.9. Hệ trục tọa độ và các thông số hình học sử dụng trong mô hình 
 Véc tơ đơn vị tại một điểm bất kỳ trên bề mặt ống trong hệ tọa độ mới: 
 nc = (sinξ , cosξ , 0) (2.55) 
 Góc chắn tia trực xạ: 
 n'x n x  cos − (n y sin  + n z  cos )sin 
 tan ex = = (2.56) 
 n'y n y  cos  − n z sin 
 Góc tới xác định theo véc tơ đơn vị tại điểm bất kỳ trên bề mặt trụ: 
 cos = n'x sin ex + n'y cosex (2.57) 
 9 
 Các góc giới hạn của tia BX thể hiện trên hình 2.6: 
 do + di (2.58) 
 X1 = arcsin 
 2C 
 d − d 
 o i (2.59) 
 X2 = arcsin 
 2C 
6 điều kiện cho biên tích phân 1 và 2: 
 ex X2 : che khuất hoàn toàn (2.60) 
 d − 2Csin  
 o ex 
 X2 ex X1: 1 = ex + arcsin ; 2 = ex + / 2 
 di 
 (2.61) 
 ex X1 : 1 = ex − / 2; 2 = ex + / 2 (2.62) 
 − ex X1 : 1 = ex − / 2; 2 = ex + / 2 (2.63) 
 X2 − ex X1 : 
 d − 2Csin  
 o ex (2.64) 
 1 = ex − / 2; 2 = ex − arcsin 
 di 
 − ex X2 : che khuất hoàn toàn (2.65) 
 Tất cả các tham số liên quan đến công thức (2.43) được mô tả trong 
các biểu thức từ (2.44) đến (2.65). Để xác định BXMT hấp thụ trên các 
ống của bộ thu, lý thuyết trên sẽ được thực hiện trên cơ sở áp dụng một 
chương trình số xây dựng trên phần mềm EES. 
2.3.5. Tổn thất nhiệt của bộ thu kiểu ống thủy tinh chân không 
 Hình 2.10. Sơ 
 đồ biểu diễn 
 các nhiệt trở 
của ống TTCK 
 - Hệ số tổn thất nhiệt toàn phần của ống: 
 −1
 1 1 
 U = + 
 L  (2.66) 
 1bx 2bx + 2đl  
 10 
 - Hệ số truyền nhiệt bức xạ từ bề mặt ống bao đến môi trường: 
 4 4
 T2 − Ts
 2bx = 2 0  
 (2.67) 
 T2 − Ta
 - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ bề mặt ống bao đến môi trường [48]: 
 A2
 2đl = 0,6  (5,7 + 3,8 ) (2.68) 
 A1
 - Hệ số truyền nhiệt bức xạ từ ống hấp thụ đến ống bao: 
 4 4
 T1 − T2
 1bx = 1−2 0  (2.69) 
 T1 − T2
 - Độ đen quy dẫn giữa hai bề mặt ống: 
 −1
 1 A 1 
 1 
 1−2 = +  −1  (2.70) 
 1 A 2 A 2  
 - Nhiệt độ bề mặt ống bao: 
 UL  (T1 − Ta )
 T2 = T1 − , K (2.71) 
 1bx
 Từ đây sẽ xây dựng thuật toán để xác định hệ số tổn thất nhiệt toàn 
phần của ống như sau: Chọn trước một giá trị nhiệt độ bề mặt ngoài ống 
bao T2, tính các hệ số truyền nhiệt theo các công thức (2.67), (2.68), 
(2.69), (2.70) và thay vào công thức (2.66) để tính hệ số tổn thất nhiệt 
toàn phần, cuối cùng kiểm tra lại bằng công thức (2.71). Nếu kết quả 
kiểm tra xấp xỉ bằng giá trị giả thiết (lấy sai số cho phép là 3%) thì chấp 
nhận giá trị nhiệt độ và các hệ số truyền nhiệt đã tính được, nếu không 
thì giả thiết một giá trị nhiệt độ khác và lặp lại các bước tính. 
 Mật độ dòng nhiệt và dòng nhiệt tổn thất từ 1 ống TTCK và trên cả 
bộ thu gồm z ống được tính theo công thức (2.72), (2.73) và (2.74): 
 2
 qL = UL (T1 − Ta ) , W/m (2.72) 
 QL1 = AL1  UL (T1 − Ta ) , W (2.73) 
 QL = z AL1  UL (T1 − Ta ) , W (2.74) 
Kết luận chương 2 
 Trong chương này, đã trình bày tóm tắt về nguyên lý cấu tạo và hoạt 
động của bộ thu NLMT kiểu ống TTCK, lý thuyết về BXMT, lý thuyết về 
truyền nhiệt. Từ đó đã xây dựng được MHT giúp xác định lượng bức xạ 
hấp thụ trên bề mặt hấp thụ của bộ thu cũng như xác định tổn thất nhiệt 
từ 1 ống TTCK và tổn thất nhiệt của cả bộ thu ra môi trường. 
 11 
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BỘ THU NĂNG 
 LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG 
3.1. Xây dựng chương trình tính lượng bức xạ hấp thụ và chương 
trình tính tổn thất nhiệt của bộ thu 
 EES - Engineering Equation Solver là phần mềm giải các phương 
trình kỹ thuật bao gồm các phương trình đại số, các phương trình vi 
phân, các phương trình với biến phức tạp sẽ được sử dụng để xây dựng 
các chương trình tính này. Lưu đồ thuật toán và giao diện chương trình 
tính được thể hiện trên hình 3.1, 3.2, 3.3, 3.4. 
 Hình 3.2. Chương trình tính bức xạ hấp thụ trên bề mặt bộ thu 
 Hình 3.4. Chương trình tính tổn thất nhiệt 
 12 
 Bắt đầu Bắt đầu
 Nhập dữ liệu mô tả bộ thu:
 - Thông số hình học; Nhập các đặc tính kỹ thuật 
 - Thông số lắp đặt; của ống, nhiệt độ môi 
 - Thông số vật lý. trường, tốc độ gió
 Xác định các góc giới hạn của tia 
 trực xạ Chọn trước nhiệt độ bề mặt ống bao
 Nhập thông số hoạt động Tính các hệ số truyền nhiệt
 của bộ thu:
 - Dữ liệu thời gian;
 - Dữ liệu thời tiết.
 Tính hệ số tổn thất nhiệt toàn phần
 Xác định các đặc tính hình học của 
 tia bức xạ: góc tới, góc phơi nắng 
 (góc chắn tia trực xạ), ...
 Tính nhiệt độ bề mặt ống bao
 Xác định các tính chất vật lý của tia 
 bức xạ: tích số truyền qua - hấp thụ, 
 hệ số phản xạ, ...
 So sánh với giá trị chọn Sai
 Tính các thành phần trực xạ, tán xạ, (Kiểm tra sai lệch yêu cầu)
 phản xạ và tổng xạ hấp thụ
 Đúng
 Tính tổn thất nhiệt của 1 ống TTCK
 Có
 Có tiếp tục không?
 Không Tính tổn thất nhiệt của cả bộ thu
 Xuất kết quả
 Xuất kết quả
 Kết thúc
 Kết thúc
 Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán xác định bức 
 xạ hấp thụ trên bề mặt bộ thu 
 Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán xác định tổn thất 
 nhiệt của 1 ống và của cả bộ thu 
3.2. Mô phỏng ống thủy tinh chân không của bộ thu 
 13 
 Hình 3.6. Xây dựng mô hình Hình 3.7. Chia lưới mô hình 
 Hình 3.8. Thiết lập các thông số Hình 3.9. Các điều kiện biên 
 Hình 3.10. Cường độ bức xạ mặt trời trong thời gian mô phỏng 
Kết quả mô phỏng được 
hiển thị và xử lý bằng 
phần mềm CFD-Post. Kết 
quả cho ta những trường 
phân bố nhiệt độ, áp suất, 
vận tốc, trong vùng mô 
phỏng. Tùy theo từng 
trường hợp, các kết quả 
trên sẽ được lựa chọn và 
xử lý giúp giải quyết vấn 
đề cần nghiên cứu. Hình 3.11. Kết quả mô phỏng 
 14 
 Bắt đầu Bắt đầu
 - Nhập mô hình ống TTCK Xây dựng mô hình bộ thu với kích thước 
 với kích thước thực thực tế và chia lưới cho mô hình
 - Nhập các thông số vật lý 
 của thủy tinh làm ống
 Nhập các thông số hoạt 
 động: nhiệt độ nước, nhiệt 
 độ không khí, cường độ 
 Chia lưới cho mô hình bức xạ, ...
 Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban Chạy chương trình tính bức xạ hấp thụ
 đầu cho mô hình mô phỏng
 Thiết lập chế độ mô phỏng Chạy chương trình tính tổn thất nhiệt
 Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban 
 Chạy mô phỏng đầu cho mô hình mô phỏng
 Thiết lập chế độ mô phỏng
 So sánh kết quả mô phỏng
 với số liệu thực nghiệm Không 
 phù hợp Chạy mô phỏng
 Phù hợp
 Tính phân bố nhiệt độ, vận tốc, lưu lượng 
 So sánh kết quả mô phỏng
 tuần hoàn, hệ số TĐN, công suất nhiệt
 với số liệu thực nghiệm Không 
 phù 
 Phù hợp hợp
 Xuất kết quả
 Tính phân bố nhiệt độ, vận tốc, lưu lượng, 
 công suất, hiệu suất bộ thu
 Kết thúc Xuất kết quả
 Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán mô phỏng ống 
 TTCK Kết thúc
 Hình 3.12. Lưu đồ thuật toán mô phỏng bộ thu 
 NLMT kiểu ống TTCK 
3.3. Mô phỏng bộ thu NLMT kiểu ống TTCK gắn với ống góp 
 Cũng giống như mô phỏng 1 ống TTCK, việc mô phỏng bộ thu 
NLMT kiểu ống TTCK gắn với ống góp cũng được thực hiện theo các 
bước tương tự. 
 15 
 Hình 3.13. Xây dựng mô hình Hình 3.14. Chia lưới mô hình 
 MHMP bộ thu NLMT kiểu ống TTCK gắn với ống góp được xây 
dựng với kích thước thực của hệ thống thí nghiệm, gồm 25 ống TTCK có 
đường kính ngoài ống hấp thụ/ống bao 47/58 mm, dày 1,6 mm và dài 
1794 mm. Nước trong ống góp chảy cưỡng bức nhờ việc dùng bơm tuần 
hoàn. Việc xây dựng và chia lưới mô hình được thực hiện bằng mô-đun 
ICEM-CFD trên nền phần mềm mô phỏng ANSYS. Mô hình được chia 
lưới gồm 662918 nút với tổng số 2438764 phần tử. 
 Hình 3.15. Thiết lập thông số Hình 3.16. Kết quả mô phỏng 
 Mô đun CFX-Post được sử dụng để xử lý kết quả mô phỏng. Kết quả mô 
phỏng xác định được nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu, nhiệt độ nước trong ống 
góp, công suất nhiệt hữu ích của bộ thu ở từng thời điểm mô phỏng. Các giá 
trị nhiệt độ nước ra khỏi bộ thu, phân bố nhiệt độ nước trong ống góp sẽ 
được so sánh kiểm chứng với các giá trị đo thực nghiệm. 
3.4. Nghiên cứu đặc tính làm việc của ống TTCK và của bộ thu 
3.4.1. Công suất nhiệt hữu ích của ống TTCK 
Công suất nhiệt hữu ích mà 1 ống nhận được: 
 Qu1 = QG1 − QL1 (3.6) 
Công suất nhiệt hấp thụ trên bề mặt ống: 
 QG1 = AG (3.7) 
Nhiệt tổn thất QL được xác định theo (2.73). 
 Nhiệt độ trung bình trên bề 
mặt ống hấp thụ là đại lượng khó 
xác định bằng lý thuyết cũng 
như thực nghiệm. Giá trị này 
được xác định thông qua nghiên 
cứu mô phỏng (hình 3.17). Hình 3.17. Phân bố nhiệt độ trên bề mặt của ống 
3.4.2. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của nước trong ống TTCK 
 Qu1
 = (3.8) 
 A  (t w − t i )
 16 
 Mô phỏng CFD cho ta kết quả nghiên cứu 
chi tiết về phân bố nhiệt độ, vận tốc,  của 
đối tượng mô phỏng. Xử lý kết quả mô 
phỏng xác định được các giá trị nhiệt độ tw 
tương tự như trên và ti như hình 3.18. Sử 
dụng các kết quả vừa tìm được này, kết hợp 
nhiệt hữu ích của ống đã xác định ở trên, 
công thức (3.8) sẽ giúp ta tính được hệ số Hình 3.18. Phân bố nhiệt độ 
 của nước tại miệng ống. 
trao đổi nhiệt đối lưu trung bình theo chiều 
dài của nước trong ống TTCK. 
3.4.3. Lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn trong ống TTCK 
 Lưu lượng nước tuần hoàn 
trong ống được xác định thông 
qua lượng nhiệt hữu ích: 
 . Q
 m = u1
 (3.9) 
 Cp  (t f ,o − t f ,i ) 
 Hình 3.19. Phân bố vận tốc tại mặt cắt dọc mô hình 
 Để xác định tf,o và tf,i một cách chính xác, 
tiến hành phân tích quá trình lưu động của nước 
qua miệng ống TTCK. Phân bố véc tơ vận tốc 
của nước tại miệng ống (hình 3.20). Trên hình 
này, có thể thấy rõ các véc tơ ra và vào ống 
cũng như diện tích tương ứng mà nó đi qua. 
Dòng nước ra khỏi ống có tốc độ lớn hơn dòng Hình 3.20. Véc tơ vận tốc của 
 nước tại miệng ống 
vào và phân bố ở phía trên của ống. Dòng vào phân bố phía dưới, tốc độ 
của nó nhỏ hơn so với dòng ra nhưng diện tích mà nó đi qua lại lớn hơn để 
đảm bảo lưu lượng được cân bằng. 
Dựa vào kết quả mô phỏng, có thể xác định chính xác phần diện tích mà 
các dòng đi qua. Kết hợp với phân bố nhiệt độ của nước tại miệng ống 
được thể hiện trên hình 3.18, tính được nhiệt độ trung bình của nước vào 
ống, tf,i, và ra khỏi ống, tf,o, ứng với các phần diện tích đã được xác định. 
 Các tiêu chuẩn đồng dạng được xác định như sau: 
 . 
 4m g   d3  t
 Re = (3.10) Gr = (3.11) 
 d  2
  3
 Pr = (3.12) g   d  t
 a Ra = Gr  Pr = (3.13) 
   a 
 17 
 d
 Nu = (3.14) 
 
 Vì việc xác định Δt = tw - tf gặp nhiều khó khăn nên đưa ra tiêu chuẩn 
Rayleigh sửa đổi: 
 g   q  d4
 Ra * = Nu  Ra = u  Pr (3.15) 
   2
 Như vậy, mặc dù các tiêu chuẩn Gr, Ra và Nu chưa xác định được do 
chưa biết Δt và , nhưng Ra* thì lại hoàn toàn xác định do đã biết mật độ 
dòng nhiệt hữu ích qu.Với mục đích khái quát hóa, xây dựng phương pháp 
xác định lưu lượng khối lượng nước tuần hoàn tự nhiên trong ống TTCK: 
 b
 Re = a  (Ra* ) (3.16) 
 a, b là các hệ số phụ thuộc vào loại ống TTCK và các điều kiện làm 
việc, được xác định bằng thực nghiệm. Bằng việc sử dụng nghiên cứu 
mô phỏng, các giá trị Re và Ra* trong nhiều chế độ hoạt động sẽ được 
tính toán, qua đó xác định được các hệ số a, b trong phương trình. 
3.4.4. Hiệu suất bộ thu 
 Ở trạng thái ổn định, hiệu suất tức thời của bộ thu được xác định: 
 Q
  = u (3.17) 
 Qi
 Qu là công suất nhiệt hữu ích lấy ra từ bộ thu, chính là Q1đl xác định theo 
công thức (2.37), còn Q là dòng nhiệt cung cấp cho bộ thu bởi BXMT: 
 i 
 Q = A  G (3.18) 
 i C t 
 Hiệu suất bộ thu là hàm của nhiều biến. Đường biểu diễn hiệu suất bộ 
thu tức thời theo các điều kiện vận hành và có thể xác định: 
 *
  = 0 − a1 Tm (3.19) 
 0 là hiệu suất cực đại của bộ thu, đạt được khi bộ thu không có tổn thất 
 *
nhiệt, Tm được gọi là chênh lệch nhiệt độ đơn vị. Đây là tổ hợp của cả ba 
thông số vận hành là nhiệt độ môi trường, nhiệt độ nước vào và CĐBX mặt 
trời trên mặt phẳng bộ thu: 
 t − t
 * i a (3.20) 
 Tm =
 G t
 Nhờ việc tính toán được công suất nhiệt hữu ích của bộ thu trong 
nhiều chế độ hoạt động trong các mục trên, hàm hiệu suất bộ thu NLMT 
có dạng (3.19) sẽ được xây dựng trong luận án. 
Kết luận chương 3 
 Đã xây dựng được các chương trình tính lượng BX hấp thụ, lượng nhiệt 
tổn thất của 1 ống và của cả bộ thu, từ đó xây dựng MHMP CFD cho 1 ống 
TTCK, cho bộ thu gắn với ống góp trên nền phần mềm ANSYS. Các MHMP 
 18 
này sẽ được kiểm chứng và hiệu chỉnh bằng các kết quả nghiên cứu thực 
nghiệm ở ch