Mô hình hoá và mô phỏng quá trình năng lượng trong bộ thu nhiệt tấm phẳng dùng không khí làm chất tải nhiệt

M¤ H×NH HO¸ Vµ M¤ PHáNG QU¸ TR×NH N¡NG L¦îNG TRONG Bé THU NHIÖT TÊM PH¼NG DïNG KH¤NG KHÝ LµM CHÊT T¶I NHIÖT Modelling and simulation energy conversion process in solar energy air flat collector NguyÔn V¨n Hoµ, NguyÔn V¨n §−êng Summary Modelling and simulation are powerful tools to analyse timing processes especially in agricultural production. The energy conversion in solar energy air flat collector is complicated processes. Based on analytical model of the objects and assumption in the real situation, simulation results help designer to select optimal parameters. Key words: Modelling, simulation, air flat collector 1. §Æt vÊn ®Ò Bé thu n¨ng l−îng mÆt trêi tÊm ph¼ng sö dông kh«ng khÝ lµm chÊt t¶i nhiÖt (collector kh«ng khÝ) lµ hÖ thèng cã kÕt cÊu t−¬ng ®èi ®¬n gi¶n vµ rÎ tiÒn. Bé thu sö dông c¶ tia bøc x¹ trùc tiÕp vµ bøc x¹ khuÕch t¸n nªn rÊt phï hîp cho c¸c øng dông trong n«ng nghiÖp. ViÖc tÝnh to¸n thiÕt kÕ hÖ thèng thu n¨ng l−îng mÆt trêi phô thuéc vµo c«ng suÊt yªu cÇu, ®Þa ®iÓm l¾p ®Æt thiÕt bÞ, c−êng ®é bøc x¹ n¨ng l−îng mÆt trêi cña vïng kh¶o s¸t, cÊu tróc thiÕt bÞ vµ vËt liÖu chÕ t¹o tÊm thu. ViÖc kh¶o s¸t qu¸ tr×nh n¨ng l−îng vµ lÊy c¸c ®Æc tÝnh cña bé thu gÆp nhiÒu khã kh¨n do hÖ thèng thiÕt bÞ thÝ nghiÖm kh¸ phøc t¹p vµ ®¾t tiÒn. Ph−¬ng ph¸p m« pháng qu¸ tr×nh n¨ng l−îng trong collector kh«ng khÝ cho phÐp kh¶o s¸t chÕ ®é lµm viÖc cña bé thu ë mäi vÞ trÝ l¾p ®Æt víi kÝch th−íc vµ vËt liÖu tuú chän lµm c¬ së thiÕt kÕ tèi −u bé thu n¨ng l−îng mÆt trêi. 2. CÊu tróc collector kh«ng khÝ, m« h×nh n¨ng l−îng vµ qu¸ tr×nh truyÒn nhiÖt Collector kh«ng khÝ sö dông trong n«ng nghiÖp th−êng sö dông mét líp kÝnh ch¾n vµ cã cÊu tróc nh− h×nh 1. Gi¶ thiÕt S lµ nguån n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi nhËn ®−îc trªn bÒ mÆt tÊm hÊp thô, dßng khÝ chuyÓn ®éng däc theo khe gi÷a tÊm hÊp thô vµ kÝnh ch¾n. Theo Bala (1998), qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt diÔn ra bªn trong tÊm thu ®−îc biÓu diÔn bëi c¸c hÖ sè truyÒn nhiÖt ®èi l−u vµ bøc x¹ hc1I, hc2I, hr2S vµ hr21 gi÷a kÝnh ch¾n 1 vµ tÊm hÊp thô 2. Hao tæn mÆt trªn vµ mÆt d−íi ®−îc biÓu diÔn bëi c¸c hÖ sè Ut vµ UB. hr2S 1 2 TA Dßng khÝ S UB Ut hr21hc2Ihc1I TA H×nh 1. CÊu tróc cña collector kh«ng khÝ 1 M« h×nh n¨ng l−îng cña collector kh«ng khÝ ®−îc mét sè t¸c gi¶ sö dông trong viÖc m« h×nh ho¸ hÖ thèng sÊy b»ng n¨ng l−îng mÆt trêi (A. Esper, 1995; Bïi H¶i TriÒu, Tr−¬ng ThÞ Toµn, 2003). H×nh 2 m« t¶ m« h×nh n¨ng l−îng víi c¸c thµnh phÇn n¨ng l−îng bøc x¹ tæng göi ®Õn bÒ mÆt kÝnh ch¾n cña bé thu c¸c hao tæn n¨ng l−îng do ph¶n x¹, hÊp thô vµ truyÒn nhiÖt vµ dßng nhiÖt h÷u Ých. hr2S 1 2 TA Dßng khÝ S UB Ut hr21hc2Ihc1I TA H×nh 1. CÊu tróc cña collector kh«ng khÝ H TÊm hÊp thô DÉn nhiÖt §èi l−u Bøc x¹ Ph¶n x¹ KÝnh ch¾n C¸ch nhiÖt §èi l−u Dßng nhiÖt h÷u Ých Bøc x¹ tæng Bøc x¹ MÆt ®Êt H×nh 2. M« h×nh n¨ng l−îng cña collector kh«ng khÝ Qu¸ tr×nh truyÒn nhiÖt trong bé thu ®−îc m« h×nh ho¸ nh− h×nh 3 H×nh 3. M« h×nh truyÒn nhiÖt collector kh«ng khÝ Ach 1 Srh 1 21rh Srh 2 Ich 1 Ich 2 SA TT , GA TT , Bdh 2 cBAh rBGh II Tm , S 1T IT 2T BT 2 H×nh 3. M« h×nh truyÒn nhiÖt collector kh«ng khÝ C¸c chØ sè sö dông trong m« h×nh: T- NhiÖt ®é, A- m«i tr−êng xung quanh, I- dßng kh«ng khÝ trong bé thu, 1- tÊm ch¾n, 2- tÊm hÊp thô, B- tÊm ®¸y, S- bÇu trêi, G-mÆt ®Êt, h- hÖ sè truyÒn nhiÖt, c- ®èi l−u, d- dÉn nhiÖt vµ r - bøc x¹. §Ó tÝnh to¸n qu¸ tr×nh truyÒn nhiÖt trong bé thu, sö dông m« h×nh t−¬ng tù nhiÖt ®iÖn ®−îc m« t¶ trªn h×nh 4. Srh 1/1 21/1 rh Ach 1/1 Bdh 2/1 cBGh/1 rBGh/1 Ich 1/1 Ich 2/1 SA TT ; 2TS GA TT ; IT Srh 2/1 1T BT UQ S 2T UQ SA TT , GA TT , 1T BT 1R 2R 3R 4R 3R H×nh 4. M« h×nh t−¬ng tù vµ m¹ch t−¬ng ®−¬ng cña bé thu M« h×nh to¸n häc biÓu diÔn qu¸ tr×nh n¨ng l−îng ®−îc viÕt trªn c¸c phÇn tö cña bé thu cho mét phÇn tö chiÒu dµi dy cã bÒ réng b»ng bÒ réng tÊm thu W. M« h×nh ®−îc x©y dùng víi c¸c gi¶ thiÕt: dßng khÝ chuyÓn ®éng theo chiÒu däc cña bé thu, bá qua gradien nhiÖt ®é theo ph−¬ng vu«ng gãc víi dßng khÝ, bá qua qu¸ tr×nh dÉn nhiÖt cña kÝnh ch¾n vµ tÊm hÊp thô. Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n¨ng l−îng trªn kÝnh ch¾n ®−îc thiÕt lËp tõ qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt gi÷a kÝnh ch¾n víi m«i chÊt t¶i nhiÖt vµ m«i tr−êng bªn ngoµi: )()()()(.. 122111111111311 TThTThTThTTht TCL rSSrAAcIIc −+−−−−−=∂ ∂ρ (1) Trong ®ã ρ1,C1- khèi l−îng riªng vµ nhiÖt dung riªng cña kÝnh ch¾n. C©n b»ng n¨ng l−îng cña dßng khÝ trong bé thu ®−îc thiÕt lËp dùa trªn qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt gi÷a tÊm hÊp thô vµ kÝnh ch¾n: )()(..... 221133 IIcIIcIAAIIIIII TThTThy CLv t CL −+−−∂ TT ∂−=∂ ρρ ∂ (2) 3 N¨ng l−îng tÝch lòy trªn tÊm hÊp thô ®−îc x¸c ®Þnh dùa trªn n¨ng l−îng thu nhËn tõ bøc x¹ mÆt trêi vµ qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt víi chÊt t¶i nhiÖt víi chÊt c¸ch nhiÖt vµ m«i tr−êng: )()()()(... 222212212222322 BBdSSrrIIcT TThTThTThTThIt CL −−−−−−−−=∂ ταρ T∂ (3) Trong ®ã τα lµ tÝch sè truyÒn-hÊp thô tia bøc x¹ trong khe hë kh«ng khÝ ®−îc x¸c ®Þnh theo c¸c hÖ sè truyÒn qua cña kÝnh ch¾n τ1, hÖ sè hÊp thô cña tÊm thu α2, vµ hÖ sè ph¶n x¹ cña kÝnh ∗1ρ ∗−−= 12 21 )1(1 ρα αττα (4) C¸c hÖ sè truyÒn nhiÖt ®−îc x¸c ®Þnh dùa trªn tÝnh chÊt cña vËt liÖu vµ nhiÖt ®é cña c¸c bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt. 3. TÝnh to¸n m« pháng nhiÖt ®é trong collector kh«ng khÝ TÝnh to¸n m« pháng nhiÖt ®é trong collector kh«ng khÝ dùa trªn ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n¨ng l−îng cña mét ®¬n vÞ phÇn tö khe hë kh«ng khÝ trong bé thu [1],[5]: 0..|| =∆+− ∆+ uyyIAAyIAA qyWTCmTCm (5) qu – n¨ng l−îng h÷u Ých ®−îc x¸c ®Þnh bëi: [ ])(' AILu TTUSFq −−= (6) F’ lµ hÖ sè hiÖu suÊt cña bé thu: [ ]tbtBIcIcrtIcBIcIc IcIcrtIcIcIc UUUUhhhUhUhh hhhUhhhF .)()( )(.. 2121221 2121221' +++++++ +++= (7) UL lµ hÖ sè hao tæn toµn phÇn ®−îc x¸c ®Þnh bëi: [ ] )( )()( 2121221 2211212221 IcIcrtIcIcIc tIcBIctIcBIcrtBIctBtIcBIcIc L hhhUhhh UhUhUhUhhUUhUUUhUhhU +++ +++++++= (8) S - c−êng ®é n¨ng l−îng mÆt trêi trªn bÒ mÆt t©m hÊp thô lµ mét ®¹i l−îng vËt lý thay ®æi theo vÞ trÝ kh¶o s¸t vµ thêi gian trong ngµy ®−îc x¸c ®Þnh b»ng m« pháng theo ph−¬ng ph¸p khÝ t−îng häc bÒ mÆt (TrÇn Quang Kh¸nh, NguyÔn V¨n §−êng, 2004) W - bÒ réng khe hë kh«ng khÝ, mA vµ CA lµ l−u l−îng giã vµ nhiÖt dung riªng kh«ng khÝ trong tÊm thu. Trong ®ã c¸c hÖ sè truyÒn nhiÖt bøc x¹ vµ ®èi l−u ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau: kk kk IcIc L Nuhh λ== 21 (9) Trong ®ã: Sè Nusselt ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc (4.19): ( ) ++ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+= 1 5830 cos. cos. 1708..8,1sin1 cos. 1708144,11 3/1 3/1β β β β Ra RaRa Nu (10) Sè Rayleigh ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 4 αν ..m kk T Ra = .. 3LTg ∆ (11) HÖ sè truyÒn nhiÖt ®èi l−u gi÷a kÝnh ch¾n vµ m«i tr−êng xung quanh ®−îc tÝnh theo tèc ®é giã vA: hc1A= 2,8 + 3.vA (12) HÖ sè truyÒn nhiÖt bøc x¹ gi÷a tÊm hÊp thô vµ kÝnh ch¾n ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: 111 ))(()1( 21 12 2 1 2 22 12 −+ ++−= εε στ λ TTTThr (13) HÖ sè truyÒn nhiÖt bøc x¹ gi÷a tÊm thu vµ kh«ng gian bªn ngoµi ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: 12 22 22 TT h SSr −= ε λ 44 )(. TT −στ (14) HÖ sè truyÒn nhiÖt bøc x¹ tõ kÝnh ch¾n ra kh«ng gian ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: A S Sr TT TTh − −= 1 44 1 11 )(σε (15) Chia hai vÕ ph−¬ng tr×nh cho y∆ vµ lÊy giíi h¹n khi 0→∆y nhËn ®−îc d¹ng ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n¨ng l−îng: [ 0)('. =−−− AILIAA TTUSFWdyCm ] dT (16) Gi¶ thiÕt F’ vµ UL kh«ng phô thuéc vµo vÞ trÝ trªn bé thu. Gi¶i ph−¬ng tr×nh (9) víi ®iÒu kiÖn biªn TIy =TIi nhËn ®−îc nhiÖt ®é cña dßng khÝ däc theo chiÒu dµi cña tÊm thu: )/( ' AAL CmyWFU L AIi L e U STT −= −− AIy U STT −− (17) Dùa trªn c¸c c«ng thøc tÝnh to¸n c¸c hÖ sè hao tæn vµ c¸c biÓu thøc tõ (6) ®Õn (17) ®Ó lËp ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n m« pháng. Ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n viÕt b»ng phÇn mÒm MATLAB ®Þa ®iÓm kh¶o s¸t t¹i Tr−êng §¹i häc N«ng nghiÖp I víi c¸c th«ng sè vÒ n¨ng l−îng mÆt trêi, nhiÖt ®é trung b×nh mïa hÌ vµ mïa ®«ng, tèc ®é giã trung b×nh vµ c¸c th«ng sè vËt liÖu chÕ t¹o tÊm thu. KÕt qu¶ tÝnh to¸n cho collector kh«ng khÝ víi c¸c th«ng sè: chiÒu dµi tõ ®−êng khÝ vµo ®Õn ®−êng khÝ ra 1900mm, W = 950mm thêi gian tÝnh cho hai ngµy 21 th¸ng 1 vµ 21 th¸ng 7. KÕt qu¶ ®−îc m« t¶ trªn h×nh 5. 5 40 50 60 70 80 90 100 110 NHIET DO TRONG DAN THU 21-7 (ma=0.25kg/s) N hi et d o (D o C ) t=8h t=9h t=10h t=11h t=12h 30 40 50 60 70 80 90 100 NHIET DO TRONG DAN THU 21-1 (ma=0,25kg/s) N hi et d o (D o C ) t=8h t=9h t=10h t=11h t=12h H×nh 5 NhiÖt ®é dµn thu trong ngµy 21 th¸ng 1 vµ 21 th¸ng 7 Kh¶o s¸t nhiÖt ®é trong dµn thu khi thay ®æi l−u l−îng giã t¹i mét thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh trong H×nh 5. NhiÖt ®é dµn thu trong ngµy 21 th¸ng 1 vµ 21 th¸ng 7 H×nh 5. NhiÖt ®é dµn thu trong ngµy 21 th¸ng 1 vµ 21 th¸ng 7 H×nh 5. NhiÖt ®é dµn thu trong ngµy 21 th¸ng 1 vµ 21 th¸ng 7 4. KÕt luËn 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 15 20 25 30 35 40 45 NHIET DO TRONG DAN THU 21-1 (t=8h) Chieu dai dan thu (m) N hi et d o (D o C ) ma=0,25kg/s ma=0,05kg/s H×nh 6. NhiÖt ®é dµn thu khi thay ®æi l−u l−îng giã 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 30 35 40 45 50 55 60 65 NHIET DO TRONG DAN THU 21-7 (t=8h) Chieu dai dan thu (m) N hi et d o (D o C ) ma=0,05kg/s ma=0,25kg/s KÕt qu¶ tÝnh to¸n nhiÖt ®é theo thêi gian trong ngµy 21 th¸ng 1víi l−u l−îng giã 0.25kg/s nhiÖt ®é ®Çu ra bé thu ®¹t 44,11oC lóc 8 giê s¸ng, nhiÖt ®é cùc ®¹i 93,4oC lóc 12 h tr−a. TÝnh to¸n t−¬ng tù cho ngµy 21 th¸ng 7 nhiÖt ®é t−¬ng øng lµ 62,78oC vµ 104,47oC. Khi thay ®æi l−u khèi cña dßng khÝ tõ 0,05kg/s ®Õn 0,25kg/s nhiÖt ®é däc theo dµn thu thay ®æi nh− ®å thÞ trong c¸c h×nh 5 vµ 6. Dùa trªn kÕt qu¶ tÝnh to¸n m« pháng cã thÓ lùa chän c¸c th«ng sè h×nh häc cña bé thu mét c¸ch hîp lý theo c¸c lo¹i vËt liÖu ®· chän. Tµi liÖu tham kh¶o Bala, B. K, (1998). Solar Drying Systems: Simulations and Optimization. Agrotech Publishing Academy: Udaipur. Esper, A, 1995. Solarer Tuneltrockner mit photovotaischem Antriessystem. Dissertation. Institut fur agratechnik in den Tropen und Subtropen, Stuttgart. TrÇn Quang Kh¸nh, NguyÔn V¨n §−êng (2004). "Ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch ®¸nh gi¸ nguån n¨ng l−îng mÆt trêi trªn bÒ mÆt bé thu n¨ng l−îng tÊm ph¼ng". §iÖn lùc, tr 40 Bïi H¶i TriÒu, Tr−¬ng thÞ Toµn (2003). "M« h×nh m« pháng thiÕt bÞ vµ qu¸ tr×nh sÊy n«ng s¶n b»ng n¨ng l−îng mÆt trêi". Khoa häc C«ng nghÖ NhiÖt, 52, tr 13 6