Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không
![Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 1 Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 1](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/297/luan-an-nghien-cuu-mo-hinh-mo-phong-bo-thu-nang-luong-mat-tr-trang-1_G4c0kVABNk.jpg)
Trang 1
![Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 2 Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 2](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/297/luan-an-nghien-cuu-mo-hinh-mo-phong-bo-thu-nang-luong-mat-tr-trang-2_9CIY4T4T6P.jpg)
Trang 2
![Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 3 Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 3](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/297/luan-an-nghien-cuu-mo-hinh-mo-phong-bo-thu-nang-luong-mat-tr-trang-3_9fup3rGg58.jpg)
Trang 3
![Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 4 Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 4](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/297/luan-an-nghien-cuu-mo-hinh-mo-phong-bo-thu-nang-luong-mat-tr-trang-4_I8BqeH9Zhe.jpg)
Trang 4
![Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 5 Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 5](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/297/luan-an-nghien-cuu-mo-hinh-mo-phong-bo-thu-nang-luong-mat-tr-trang-5_1NwNuXI29e.jpg)
Trang 5
![Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 6 Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 6](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/297/luan-an-nghien-cuu-mo-hinh-mo-phong-bo-thu-nang-luong-mat-tr-trang-6_3ru9hL65S2.jpg)
Trang 6
![Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 7 Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 7](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/297/luan-an-nghien-cuu-mo-hinh-mo-phong-bo-thu-nang-luong-mat-tr-trang-7_dRTdteKRgR.jpg)
Trang 7
![Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 8 Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 8](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/297/luan-an-nghien-cuu-mo-hinh-mo-phong-bo-thu-nang-luong-mat-tr-trang-8_3EkcqezslF.jpg)
Trang 8
![Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 9 Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 9](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/297/luan-an-nghien-cuu-mo-hinh-mo-phong-bo-thu-nang-luong-mat-tr-trang-9_tznbzBO9wr.jpg)
Trang 9
![Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 10 Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không trang 10](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/297/luan-an-nghien-cuu-mo-hinh-mo-phong-bo-thu-nang-luong-mat-tr-trang-10_8WbS0EclZh.jpg)
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Bạn đang xem 10 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
Tóm tắt nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không
![Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không Luận án Nghiên cứu mô hình mô phỏng bộ thu năng lượng mặt trời kiểu ống thủy tinh chân không](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/thumb/2024/03/02/luan-an-nghien-cuu-mo-hinh-mo-phong-bo-thu-nang-luong-mat-tr_qYtRWJgUOB.jpg)
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 cosex (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 = AG (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
File đính kèm:
luan_an_nghien_cuu_mo_hinh_mo_phong_bo_thu_nang_luong_mat_tr.pdf