Giáo trình hình thành nguyên lý ứng dụng hệ số góc phân bố năng lượng phóng xạ p5 pdf

Hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng NLMT là một đề tài hấp dẫn có tính thời sự đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu, nhưng vấn đề sử dụng bộ thu NLMT nào cho hiệu

Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng như trên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt, với nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp

Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT

Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứng dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn nhất, đặc biệt là ở những vùng

xa xôi héo lánh thuộc các nước

đang phát triển không có lưới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt

so với thu nhập trung bình của người dân Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành

điện năng nhờ pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất, nhưng trong giai

đoạn hiện nay giá thành pin mặt trời còn quá cao Ngoài ra các hệ thống lạnh còn được sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại Hình 3.10 Tủ lạnh dùng pin mặt trời

thiết bị này ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực

tế, tuy nhiên hiện nay các

hệ thống này vẫn chưa được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dưới 45%) nên diện tích lắp đặt

bộ thu cần rất lớn chưa phù hợp với yêu cầu thực tế ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ưu hoá bộ thu năng lượng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gương phản xạ để ứng dụng trong kỹ thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo được nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ, nhưng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng

3.2 Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với những nước phát triển mà ngay cả với những nước đang phát triển

Năng lượng mặt trời (NLMT)- nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất

- đang được loài người thực sự đặc biệt quan tâm Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự

Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị Hình 3.11 Hệ thống lạnh hấp thụ dùng NLMT

số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2 -7,3GJ/m2.năm) do đó việc sử dụng NLMT ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ và đặc biệt là hệ thống cung cấp nước nóng kiểu tấm phẳng hay kiểu ống có cánh nhận nhiệt Nhưng nhìn chung các thiết bị này giá thành còn cao, hiệu suất còn thấp nên chưa được người dân

sử dụng rộng rãi Hơn nữa, do đặc điểm phân tán và sự phụ thuộc vào các mùa trong năm của NLMT, ví dụ: mùa đông thì cần nước nóng nhưng NLMT ít, còn mùa hè không cần nước nóng thì nhiều NLMT do đó các thiết bị sử dụng NLMT chưa có tính thuyết phục Sự mâu thuẫn đó đòi hỏi chúng ta cần chuyển hướng nghiên cứu dùng NLMT vào các mục đích khác thiết thực hơn như: chưng cất nước dùng NLMT, dùng NLMT chạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling), nghiên cứu hệ thống điều hòa không khí dùng NLMT Hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng NLMT là một đề tài hấp dẫn có tính thời sự đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu, nhưng vấn đề sử dụng bộ thu NLMT nào cho hiệu quả và thực tế nhất thì vẫn còn là một đề tài cần phải nghiên cứu, vì với các bộ thu kiểu tấm phẳng hiện nay nếu sử dụng ở nhiệt độ cao 80 ữ 100oC thì hiệu suất rất thấp (<45%) do đó cần có một mặt bằng rất lớn

để lắp đặt bộ thu cho một hệ thống điều hòa không khí bình thường

Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn, nhưng tỷ trọng năng lượng được sản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn Nguyên nhân chính chưa thể thương mại hóa các thiết bị và công nghệ sử dụng NLMT là do còn tồn tại một số hạn chế lớn chưa được giải quyết :

- Giá thành thiết bị còn cao: vì hầu hết các nước đang phát triển và kém phát

triển là những nước có tiềm năng rất lớn về NLMT nhưng để nghiên cứu và ứng dụng NLMT lại đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, nhất là để nghiên cứu các thiết

bị làm lạnh và điều hòa không khí bằng NLMT cần chi phí quá cao so với thu nhập của người dân ở các nước nghèo

- Hiệu suất thiết bị còn thấp: nhất là các bộ thu năng lượng mặt trời dùng để

cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thu cần nhiệt độ cao trên 850C thì các bộ thu

phẳng đặt cố định bình thường có hiệu suất rất thấp, do đó thiết bị lắp đặt còn cồng kềnh chưa phù hợp với nhu cầu lắp đặt và về mặt thẩm mỹ Các bộ thu có gương parabolic hay máng parabolic trụ phản xạ bình thường thì thu được nhiệt độ cao nhưng vấn đề định vị hướng hứng nắng theo phương mặt trời rất phức tạp nên không thuận lợi cho việc vận hành

- Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế: về mặt lý thuyết, NLMT là một

nguồn năng lượng sạch, rẻ tiền và tiềm tàng, nếu sử dụng nó hợp lý sẽ mang lại lợi ích kinh tế và môi trường rất lớn Việc nghiên cứu về lý thuyết đã tương

đối hoàn chỉnh Song trong điều kiện thực tiễn, các thiết bị sử dụng NLMT lại

có quá trình làm việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết, vì vậy rất khó ứng dụng ở quy mô công nghiệp Đặc biệt là trong

kỹ thuật lạnh và điều tiết không khí, vấn đề nghiên cứu đưa ra bộ thu năng lượng mặt trời để cấp nhiệt cho chu trình máy lạnh hấp thụ đã và đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nhằm đưa ra bộ thu hoàn thiện và phù hợp nhất

để có thể triển khai ứng dụng rộng rãi vào thực tế

Chương 4 định luật nhiệt động II

Định luật nhiệt động I chính là định luật bảo toàn và biến hoá năng lượng viết cho các quá trình nhiệt động, nó cho phép tính toán cân bằng năng lượng trong các quá trình nhiệt động, xác định lượng nhiệt có thể chuyển hoá thành công hoặc công chuyển hoá thành nhiệt Tuy nhiên nó không cho ta biết trong điều kiện nào thì nhiệt có thể biến đổi thành công và liệu toàn bộ nhiệt có thể biến đổi hoàn toàn thành công không

Định luật nhiệt động II cho phép ta xác định trong điều kiện nào thì quá trình sẽ xẩy ra, chiều hướng xẩy ra và mức độ chuyển hoá năng lượng của quá trình Định luật nhiệt động II là tiền đề để xây dựng lý thuyết động cơ nhiệt và thiết bị nhiệt

Theo định luật nhiệt động II thì mọi quá trình tự phát trong tự nhiên đều xẩy ra theo một hướng nhất định Ví dụ nhiệt năng chỉ có thể truyền từ vật có nhiệt

độ cao đến vật có nhiệt độ thấp hơn nếu muốn quá trình xẩy ra ngược lại thì phải tiêu tốn năng lượng, vi dụ muốn tăng áp suất thì phải tiêu tốn công nén hoặc phái cấp nhiệt vào; muốn lấy nhiệt từ vật có nhiệt độ thấp hơn thải ra môi trường xung quanh có nhiệt độ cao hơn (như ở máy lạnh) thì phải tiêu tốn một năng lượng nhất

định (tiêu tốn một điện năng chạy động cơ kéo máy nén)

4.1 Các loại chu trình nhiệt động và hiệu quả của nó

4.1.1 Khái niệm chung

Trong các chu trình nhiệt, muốn biến nhiệt thành công thì cần có môi chất

để làm chất tải nhiệt và cho môi chất dãn nở để sinh công Môi chất dãn nở mãi

được vì kích thước thiết bị có hạn Vì vậy, cho môi chất dãn nở đến một trạng thái nào đó, người ta lại nén môi chất để nó trở lại trạng thái ban đầu rồi tiếp tục cho dãn nở và nén lặp lại như lần đầu, quá trình được lặp đi lặp lại như vậy Khi môi chất thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi lại trở về trạng thái ban đầu, ta nói môi chất thực hiện một chu trình hay một quá trình kín

Trên đồ thị trạng thái, nếu chu trình tiến hành theo chiều kim đồng hồ thì gọi là chu trình thuận chiều (hình 4.1)

ở chu trình này môi chất nhận nhiệt sinh công, nên công có dấu dương (1 > 0) Các thiết bị nhiệt làm việc theo chu trình này được gọi là động cơ nhiệt

Nếu chu trình tiến hành theo chiều ngược chiều kim đồng hồ thì gọi là chu trình ngược chiều (hình 4.2) ở chu trình này môi chất tiêu hao công hoặc nhận năng lượng khác, do đó công có dấu âm (1 < 0) Các thiết bị nhiệt làm việc theo chu trình này được gọi là máy lạnh hoặc bơm nhiệt

4.1.1.1 Chu trình thuận nghịch và không thuận nghịch

Công của chu trình là công mà môi chất sinh ra hoặc nhận vào khi thực hiện một chu trình

Công của chu trình được ký hiệu là L khi tính cho Gkg môi chất hoặc l khi tính cho 1kg môi chất

Nhiệt lượng và công của chu trình bằng tổng đại số nhiệt lượng và công của các quá trình trong chu trình đó

Lượng biến thiên ∆u, ∆i, ∆s của chu trình đều bằng không vì u, i, s là các thông số trạng thái, mà chu trình thì có trạng thái đầu và cuối trùng nhau

Theo định luật nhiệt động I thì q = ∆u + l, mà ở đây ∆u = 0, nên đối với chu trình ta luôn có:

CT

4.1.2 Chu trình thuận chiều

* Định nghĩa:

Chu trình thuận chiều là chu trình mà môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng nhả cho nguồn lạnh và biến một phần nhiệt thành công, còn được gọi là chu trình sinh công Qui ước: công của chu trình thuận chiều l > 0 Đây là các chu trình

được áp dụng để chế tạo các động cơ nhiệt

* Đồ thị:

Trên đồ thị hình 4.1, chu trình thuận chiều có chiều cùng chiều kim đồng

hồ

* Hiệu quả chu trình:

Để đánh giá hiệu quả biến đổi nhiệt thành công của chu trình thuận chiều, người ta dùng hệ số ηct, gọi là hiệu suất nhiệt của chu trình

Hiệu suất nhiệt của chu trình bằng tỷ số giữa công chu trình sinh ra với nhiệt lượng mà môi chất nhận được từ nguồn nóng

1

2 1

1 ct

q

q q q

=

=

ở đây: q1 là nhiệt lượng mà môi chất nhận được từ nguồn nóng,

q2 là nhiệt lượng mà môi chất nhả ra cho nguồn lạnh,

l là công chu trình sinh ra, hiệu nhiệt lượng mà môi chất trao đổi với nguồn nóng và nguồn lạnh Theo (4-3) ta có: l = q1 - |q2 |, vì ∆u = 0

4.1.3 Chu trình ngược chiều

* Định nghĩa:

Chu trình ngược chiều là chu trình mà môi chất nhận công từ bên ngoài để lấy nhiệt từ nguồn lạnh nhả cho nguồn nóng, công tiêu tốn được qui ước là công

âm, l < 0

* Đồ thị:

Trên đồ thị hình 4.2, chu trình ngược chiều có chiều ngược chiều kim đồng

hồ

* Hệ số làm lạnh:

Để đánh giá hiệu quả biến đổi năng lượng của chu trình ngược chiều, người

ta dùng hệ số ε, gọi là hệ số làm lạnh của chu trình

Hệ số làm lạnh của chu trình là tỷ số giữa nhiệt lượng mà môi chất nhận

được từ nguồn lạnh với công tiêu tốn cho chu trình

2 1

2 2

q q

q l

q

ư

=

=

trong đó: q1 là nhiệt lượng mà môi chất nhả cho nguồn nóng,

q2 là nhiệt lượng mà môi chất nhận được từ nguồn lạnh,

l là công chu trình tiêu tốn, l = |q1|- q2 , vì ∆u = 0

4.2 Chu trình carno thuận nghịch

Chu trình carno thuận nghịch là Chu trình ly tưởng, có khả năng biển đổi nhiệt lượng với hiệu quả cao nhất Tuy nhiên, nếu áp dụng vào thực tế thì nó có

những nhược điểm khác về giá thành và hiệu suất thiết bị, do đó xét về tổng thể thì hiệu quả kinh tế không cao Chính vì vậy nó không được áp dụng trong thực tế mà

nó chỉ làm mục tiêu để hoàn thiện các chu trình khác về mặt hiệu quả nhiệt, nghĩa

là người ta phấn đấu thực hiện các chu trình càng gần với chu trình Carno thì hiệu quả chuyển hoá nhiệt năng càng cao

Chu trình carno thuận nghịch làm việc với hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau T1 và T2, nhiệt độ các nguồn nhiệt không thay đổi trong suốt quá trình trao

đổi nhiệt Môi chất thực hiện 4 quá trình thuận nghịch liên tiếp nhau: hai quá trình

đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt tiến hành xen kẽ nhau Sau đây ta xét hai chu trình Carno thuận nghịch gọi tắt là chu trình Carno thuận chiều và chu trình carno ngược chiều

4.2.1 Chu trình carno thuận nghịch thuận chiều

Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno thuận chiều được biểu diễn trên hình 4.3 ab là quá trình nén đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất tăng từ T2 đến T1; bc là quá trình dãn nở đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn nóng có nhiệt độ T1 không

đổi và nhận từ nguồn nóng một nhiệt lượng là q1 = T1(sc - sb); cd là quá trình dãn

nở đoạn nhiệt, sinh công l, nhiệt độ môi chất giảm từ T1 đến T2; da là quá trình nén

đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn lạnh có nhiệt độ T1 không đổi và nhả cho nguồn lạnh một nhiệt lượng là q2 = T2(sa - sd)

Hình 4.3 Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno thuận chiều

Hiệu suất nhiệt của chu trình thuận chiều được tính theo công thức (4-4) Khi thay các giá trị q1 và |q2| vào ta có hiệu suất nhiệt của chu trình Carno thuận nghịch thuận chiều là:

2

b c 1

a d 2 b c 1

1

2 1

1 ct

T

T 1 s

s T

s s T s s T q

q q q

ư

ư

ư

ư

=

ư

=

=

* Nhận xét:

Từ biểu thức (4-6) ta thấy:

- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carno thuận chiều chỉ phụ thuộc vào nhiệt

độ nguồn nóng T1 và nhiệt độ nguồn lạnh T2 mà không phụ thuộc vào bản chất của môi chất

- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carno càng lớn khi nhiệt độ nguồn nóng càng cao và nhiệt độ nguồn lạnh càng thấp

- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carno luôn nhỏ hơn một vì nhiệt độ nguồn nóng không thể đạt vô cùng và nhiệt độ nguồn lạnh không thể đạt đến không

- Hiệu suất nhiệt của chu trình Carno thuận nghịch lớn hơn hiệu suất nhiệt của chu trình khác khi có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nhiệt độ nguồn lạnh

4.2.1 Chu trình carno thuận nghịch ng−ợc chiều

Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno ng−ợc chiều đ−ợc biểu diễn trên hình 4.4 ab là quá trình dãn nở đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn lạnh có nhiệt

độ T2 không đổi và nhận từ nguồn lạnh một nhiệt l−ợng là q2 = T2(sb - sa); bc là quá trình nén đoạn nhiệt, tiêu tốn công nến là l, nhiệt độ môi chất tăng từ T2 đến T1; cd

là quá trình nén đẳng nhiệt, môi chất tiếp xúc với nguồn nóng có nhiệt độ T1 không đổi và nhả cho nguồn nóng một nhiệt l−ợng là q1 = T1(sd - sc); da là quá trình dãn nở đoạn nhiệt, nhiệt độ môi chất giảm từ T1 đến T2

Hình 4.3 Đồ thị p-v và T-s của chu trình Carno ng−ợc chiều

Hệ số làm lạnh của chu trình ng−ợc chiều đ−ợc tính theo công thức (4-5) Khi thay các giá trị |q1| và q2 vào ta có hệ số làm lạnh của chu trình Carno thuận ngịch ng−ợc chiều là:

( c d) 2( b a)

1

a b 2

2 1

2 2

s s T s s T

s s T q

q

q l

q

−

−

−

−

=

−

=

= ε

1 T T

1 T

T T

2

1 2 1

2

−

=

−

=

* Nhận xét:

Từ biểu thức (4-7) ta thấy:

- Hệ số làm lạnh của chu trình Carno ng−ợc chiều chỉ phụ thuộc vào nhiệt

độ nguồn nóng T1 và nhiệt độ nguồn lạnh T2 mà không phụ thuộc vào bản chất của môi chất

- Hệ số làm lạnh của chu trình Carno càng lớn khi nhiệt độ nguồn nóng càng thấp và nhiệt độ nguồn lạnh càng cao

- Hệ số làm lạnh của chu trình Carno có thể lớn hơn một

4.3 Một vài cách phát biểu của định luật nhiệt động II

- Nhiệt l−ợng không thể tự truyền từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao hơn Muốn thực hiện quá trình này thì phải tiêu tốn một phần năng l−ợng bên ngoài (chu trình ng−ợc chiều)

- Khi nhiệt độ T1 = T2 = T thì hiệu suất ηct = 0, nghĩa là không thể nhận công từ một nguồn nhiệt

Muốn biến nhiệt thành công thì động cơ nhiệt phải làm việc theo chu trình với hai nguồn nhiệt có nhiệt độ khác nhau Trong đó một nguồn cấp nhiệt cho môi chất và một nguồn nhận nhiệt môi chất nhả ra Điều đó có nghĩa là không thể biến

đổi toàn bộ nhiệt nhận đ−ợc từ nguồn nóng thành công hoàn toàn, mà luông phải mất đị một l−ợng nhiệt thải cho nguồn lạnh Có thể thấy đ−ợc điều đó vì: T1 < ∞ và

T2 > 0, do đó ηct < ηctCarno < 1, nghĩa là không thể biến hoàn toàn nhiệt thành công

- Chu trình Carno là chu trình có hiệu suất cao nhất,

max

1

2 ctCarno

ct

T

T

1−

= η

=

- Hiệu suất nhiệt của chu trình không thuận nghịch nhỏ hơn hiệu suất nhiệt của chu trình thuận nghịch

ηkTN < ηTN /