Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu về sự phân tầng nhiệt của nước

Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu sự phân tầng nhiệt độ của nước bên trong bình chứa. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung luận văn.

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN VĂN LƯƠNG THIỆN

NGHIÊN CỨU VỀ

SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA NƯỚC

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2014

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS THÁI NGỌC SƠN

Phản biện 1: PGS.TS Hoàng Ngọc Đồng

Phản biện 2: PGS.TS Hoàng Dương Hùng

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Công nghệ nhiệt họp tại Đại học Đà Nẵng

vào ngày 20 tháng 12 năm 2014

Có thể tìm hiểu tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Thông tin – Tư liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, tiết kiệm năng lượng và đối phó với biến đổi khí hậu là ưu tiên hàng đầu của mỗi quốc gia

Trong hệ thống đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời,

sự phân tầng nhiệt độ trong các bồn chứa nước nóng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nhiệt của hệ thống và là một vấn đề quan trọng trong việc thiết kế các bồn chứa trữ nhiệt

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu sự phân tầng nhiệt độ của nước bên trong bình chứa

3 Giả thuyết nghiên cứu

Đưa ra một số giả thuyết để giải các phương trình vi phân

mô tả sự phân tầng nhiệt và kiểm chứng qua thực nghiệm

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu sự phân tầng nhiệt độ của nước bên trong bình chứa đặt đứng và ngang

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô hình thực nghiệm và mô phỏng số

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Áp dụng lý thuyết tính toán vào các mô hình thực tế

- Áp dụng các phần mềm tính toán và mô phỏng để giải các bài toán phân tầng nhiệt

- Nâng cao hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời, góp phần tích trữ nước nóng lâu dài và giảm tiêu thụ điện năng trong giờ cao điểm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT CHẤT LỎNG

1.1 TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT VÀ LƯU TRỮ NHIỆT

1.1.1 Giới thiệu về bồn trữ nhiệt

a Phân loại các dạng bồn chứa nước nóng

b Ứng dụng của bồn chứa nước nóng

1.1.2 Các phương pháp thu thập và tích trữ nhiệt năng lượng mặt trời

1.1.3.Tổng quan về sự phân tầng nhiệt của bồn lưu trữ

Phân tầng nhiệt của nước trong bồn lưu trữ nhiệt là sự phân bố nhiệt độ của phần tử nước theo chiều cao của bồn chứa lưu trữ Nó được tạo ra bởi sự chênh lệch mật độ của nước theo nhiệt độ Sự phân tầng nhiệt của nước trong bình chứa có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất nhiệt của hệ thống nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời

1.1.4.Phân loại các dạng phân tầng nhiệt của chất lỏng

a Phần tầng động

b Phân tầng tĩnh

1.1.5.Ứng dụng của phân tầng nhiệt

· Ứng dựng phân tầng nhiệt để nâng cao hiệu suất của bộ thu năng lượng măt trời

· Ứng dụng trong năng lượng hạt nhân

· Ứng dụng trong bồn lưu trữ lạnh

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ SỰ PHÂN TẦNG CỦA CHẤT LỎNG 1.2.1.Các vấn đề ảnh hưởng đến sự phân tầng nhiệt của nước trong bồn chứa

Sự phân tầng nhiệt trong bình chứa nước nóng bị ảnh hưởng bởi các nhân tố:

Ø Dòng chảy đối lưu tự nhiên bên trong thành bình sinh ra bởi tổn thất nhiệt của nước ra môi trường xung quanh

Ø Sự truyền nhiệt từ bình chứa trữ nhiệt ra môi trường xung quanh thông qua vách bình

Ø Sự khuếch tán nhiệt giữa nước lạnh và nước nóng tại bề mặt phân cách do sự khác biệt về nhiệt độ

Ø Sự truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức do dòng chảy xuyên suốt bình chứa ở chế độ động

1.2.2 Các nghiên cứu về phân tầng trong và ngoài nước

a Nghiên cứu về sự phân tầng nhiệt trong nước

b Những nghiên cứu ngoài nước

1.3 CÔNG CỤ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA BỒN CHỨA

Những phương pháp tính và thiết kế mới được áp dụng cho các bình lưu trữ nhiệt luôn thay đổi và cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất của bồn trữ nhiệt Đặc biệt các phương pháp đánh giá mức độ phân tầng nhiệt trong bể chứa cũng đã được đưa ra gân đây Sau khi

có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, đặc biệt là máy tính cá nhân Mô hình đầu tiên được đưa ra dựa trên nguyên lý của định luật nhiệt động 1 và kết hợp với định luật nhiệt động 2 về exergy lưu trữ

Phương trình mô tả năng lượng lưu trữ Elt và exergy ξlt lưu trữ

( 0)

x x

=

(1.6)

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN

VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA

CHẤT LỎNG

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH

Sử dụng các phương pháp chuẩn hóa, định lý hợp nghiệm, phương pháp tách biến Fourier, phương pháp nghiệm riêng không ổn định và phương pháp biến thiên hằng số… để giải các phương trình

b Phương trình động lượng

Phương trình Navier-Stokes có thể nhận được trong dạng

bảo toàn như sau

=

+ ⃗ ∇ (2.12)

c Phương trình năng lượng

Đây là dạng không bảo toàn của phương trình năng lượng ở

dạng năng lượng toàn phần (e + V 2 /2)

+ 2 + ∇ + 2 ⃗

= ̇ + + + − ( ) + ( ) + ( ) +

2.4 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CFD – ANSYS FLUENT

Giới thiệu về phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT

ANSYS FLUENT là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng được áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay đến quá trình cháy nhiên liệu trong lò hơi, từ các cột bọt khí đến các đệm dầu, từ dòng chảy của các mạch máu cho đến việc chế tạo các vật liệu bán dẫn và

từ thiết kế các căn phòng sạch cho đến các thiết bị xử lí nước thải Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa buồng cháy động cơ, giản nở của dòng hơi trong turbine, ngưng tụ của môi chất R22 trong bình ngưng và các hệ thống đa pha nhằm phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG VÀ GIẢI BÀI TOÁN PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA NƯỚC

3.1 BÀI TOÁN PHÂN TẦNG NHIỆT THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

3.1.1 Xây dựng và giải bài toán phân tầng động cho bình đứng

a Bài toán

Cho bình trữ nhiệt hình trụ đặt thẳng đứng chứa đầy nước ở nhiệt độ ban đầu là tooC, bình có đường kính D và chiều cao H, với một đầu nước vào có đường kính d1 ở nhiệt độ tinoC và một đầu nước

ra đường kính d2 ở nhiệt độ tout oC, bên ngoài bọc lớp cách nhiệt bằng bông thủy tinh có độ dày δcnvà hệ số dẫn nhiệt λcn Tìm phân

bố nhiệt độ trong bình theo thời gian

Hình 3.1 Mô hình phân tầng động cho bình đứng

b Giả thiết nghiên cứu

Phương trình cân bằng năng lượng được thể hiện bởi sự tăng nhiệt độ của nước, tổn thất nhiệt ra xung quanh thành bình, dẫn nhiệt không ổn định qua các lớp… Quá trình dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt từ lớp có nhiệt độ cao phía trên xuống lớp có nhiệt độ thấp phía dưới là không ổn định và rất phức tạp, để đơn giản ta xác định dòng nhiệt vào và ra khỏi lớp thứ i theo một hệ số dẫn nhiệt tương đương λeffdưới dạng phương trình Fourier [10]

Dòng nhiệt giữa layer i-1 và i hoặc layer i to i+1 được tính bởi phương trình Fourier:

- Phương trình nhiệt dung riêng của nước phụ thuộc nhiệt độ: [14]

c p=4, 20511 0,136578.10 - -2T+0,152341.10 -4T2

(3.2) -Phương trình khối lượng riêng của nước phụ thuộc vào nhiệt độ:

2( 288,9414)(T 3,9863)

Khi hệ phương trình ở dạng vi phân:

n p n n n p n n n d xq n f

dt

d dt

d dt

1, ,

* ,

d l t

d t

oC, bình có đường kính D=500 mm và chiều cao H=1250 mm, với một đầu nước vào có đường kính d1=16mm, ở nhiệt độ tin =60 oC, lưu lượng vào là 0,05 kg/s và một đầu nước ra đường kính d2=d1=16 mm, bên ngoài bọc bảo ôn cách nhiệt dày 50 mm có hệ số dẫn nhiệt λcn= 0,04 W/m.K Dọc theo chiều cao của bình ta chia bình thành n lớp ( như hình vẽ), mỗi lớp có độ dày δ= H/n=1250/20= 62,5mm Bình đặt trong môi trường không khí với nhiệt độ môi trường là tf= 30 o

Hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt λcn 0.04 W/mK

Lưu lượng nước vào G 0.05 kg/s Nhiệt độ nước vào tin 60 oC Nhiệt độ ban đầu của bồn to 29 oC Nhiệt độ môi trường tf 30 oC

Ta có đồ thị nhiệt độ và chiều cao của bình theo thời gian:

Hình 3.4 Đồ thị thể hiện nhiệt độ theo thời gian

3.1.2 Xây dựng và giải bài toán phân tầng động cho bình nằm ngang

Xây dựng và giải tương tụ như bài toán phân tầng động của bình đứng

Cho bình trữ nhiệt hình trụ đặt nằm ngang chứa đầy nước với thể tích V= 250 lít có hệ số dẫn nhiệt tương đương λeff =0,644 W/m.K ( Bình chứa với thể tích chuẩn của Rinnai) ở nhiệt độ ban đầu là to = 29 oC, bình có đường kính D=500 mm, chiều cao bằng với đường kính H= 500 mm và chiều dài là 1250mm, với một đầu nước vào có đường kính d1=16mm, ở nhiệt độ tin = 60 oC, lưu lượng vào là 0,05 kg/s và một đầu nước ra đường kính d2=d1=16mm ở nhiệt độ tout

= 29 oC, bên ngoài bọc bảo ôn cách nhiệt dày 50mm Dọc theo chiều cao của bình ta chia bình thành n= 20 lớp (như hình vẽ), mỗi lớp có

độ dày δ= H/n=500/20= 25mm Bình đặt trong môi trường không khí với nhiệt độ môi trường là tf= 30 oC

Bảng 3.3: Thông số hình học của bồn nằm ngang

Thông số hình học của bồn nằm ngang Nội dung

Ký hiệu

Giá

Chiều dài bồn L 1.25 m Đường kính bồn D 0.5 m Thành bồn dày δb 0.003 m

Hệ số dẫn nhiệt của thành bồn λb 50 W/mK Chiều dày lớp cách nhiệt δcn 0.05 m

Hệ số dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt λcn 0.04 W/mK

Lưu lượng nước vào G 0.05 kg/s Nhiệt độ nước vào tin 60 oC Nhiệt độ ban đầu của bồn to 29 oC Nhiệt độ môi trường tf 30 oC

Ta có đồ thị nhiệt độ và chiều cao của bình theo thời gian:

Hình 3.8 Đồ thị thể hiện nhiệt độ theo thời gian của bồn

nằm ngang

3.2 GIẢI BÀI TOÁN PHÂN TẦNG NHIỆT ÁP DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG

3.2.1 Mô hình hóa của bài toán

a Mô hình hóa bài toán cho bình đặt đứng

b Mô hình hóa bài toán cho bình nằm ngang

Hình 3.9 Mô hình hóa bài toán

đặt đứng

Hình 3.10 Mô hình hóa cho bình nằm ngang

c Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến sự phân tầng nhiệt

i Ảnh hưởng của hình dạng, tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính (H/D)

ii Ảnh hưởng của lưu lượng đầu vào và ra

iii Ảnh hưởng của vị trí đầu nước nóng vào và nước lạnh ra 3.2.2 Hệ phương trình vi phân mô phỏng quá trình phân tầng nhiệt của nước trong bồn chứa

v

t T

Phương trình đối lưu cho mô hình tiêu chuẩn K-epsilon

+ Động năng chảy rối k

( ) + ( ) = + + + − − +

(3.32) + Tiêu tán rối ϵ

- Độ nhớt của nước phụ thuộc nhiệt độ [13]:

Trong đó: T: nhiệt độ của nước, oK

3.2.3 Mô phỏng bài toán phân tầng nhiệt bằng phần mềm ANSYS FLUENT

Bước 1: Xây dựng các kích thước hình học của bài toán Bước 2: Chia lưới cho phần thể tích nước trong bồn

Bước 3:Các bước thiết lập và giải trong ANSYS FLUENT như sau:

Bước 4: Xử lý kết quả

3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT

3.3.1 Kết quả tính toán phân tầng nhiệt của bồn đứ

a Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-1

Hình 3.14: Các đường nét nhiệt độ của mô hình Dong_3D-1 từ 500s đến 3000s với mỡi bước là 500s (hình phía trên là 3D, hình

dưới là 2D)

Hình 3.15 Đồ thị biểu thị nhiệt độ của mô hình Dong_3D-1 theo

thời gian

c Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-3

d Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-4

e Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-5

f Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-6

g Kết quả mô phỏng của mô hình Dong_3D-7

3.3.2 Kết quả tính toán phân tầng nhiệt của bồn nằm ngang

Hình 3.25 Hình ảnh mô phỏng của mô hình Dong_3D_ngang theo

thời gian, từ 500s đến 3000s với mỗi bước là 500s

Hình 3.26 Đồ thị thể hiện phân tầng nhiệt độ của bồn nằm ngang theo

thời gian

3.4 SO SÁNH VÀ NHẬN XÉT

3.4.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ chiều cao và đường kính

3.4.2 Ảnh hưởng của lưu lượng

3.4.3.Ảnh hưởng của vị trí đầu vào và ra

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ KIỂM TRA SỰ

PHÂN TẦNG CỦA NƯỚC

4.1 THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHÂN TẦNG NHIỆT

4.1.1 Mục đích

Mục đích chính của việc thiết kế mô hình thực nghiệm là kiểm tra, so sánh kết quả đo thực tế với kết quả của tính toán lý thuyết và mô phỏng

4.1.2 Thiết kế mô hình

Mô hình được đề xuất ra đây giống mô hình Dong_3D-1

Mô hình này là bình trữ nhiệt hình trụ đặt thẳng đứng được chế tạo

bằng thép tấm CT3, với thể tích V= 250 lít có đường kính D=500

mm và chiều cao H=1250mm, với đầu nước vào và ra có đường kính

d2/d1=21/16, thân bồn được bọc lớp cách nhiệt 50mm và tôn thẩm

mĩ 0,4mm Trên thân bồn phân tầng nhiệt được bố trí 5 đồng hồ đo nhiệt độ dọc theo chều cao, mỗi đồng hồ với thang đo đồng nhất 0-

150 oC

Hình 4.1 Thiết kế mô hình

4.1.3 Các thiết bị chính trong mô hình

4.1.4 Thuyết minh mô hình

Hình 4.5 Mô hình thực nghiệm

4.2 THỰC NGHIỆM KIỂM TRA SỰ PHÂN TẦNG NHIỆT CỦA NƯỚC TRONG BỒN CHỨA

4.2.1 Thực nghiệm đo nhiệt độ của từng vi trí theo thời gian 4.2.2 Lập bảng biểu và đồ thị cho từng vị trí theo thời gian

a Trường hợp 1: ( tương ứng mô hình Dong_3D-1)

Bảng 4.2 Bảng kết quả đo thực nghiệm theo thời gian

Hình 4.8: Đồ thi so sánh kết quả đo thực nghiệm với mô phỏng

4.3 NHẬN XÉT, SO SÁNH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VỚI TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG

Quan sát trên đồ thị, trong cả ba trường hợp thì sự sai lệch nhiệt độ giữa quá trình đo thực nghiệm và mô phỏng không đáng kể,

do trong quá trình đo đạt thí nghiệm chưa được chính xác tuyệt đối Điều này cho thấy quá trình mô phỏng tương đối chính xác

Do đó, có thể áp dụng các thông số cài đặt của phần mềm

mô phỏng FLUENT trong chương 3 để dự đoán quá trình phân tầng nhiệt của nước trong bồn chứa như thay đổi tỷ lệ lưu lượng, tỷ lệ chiều cao và đường kính, vị trí đầu vào và ra… mà không cần thiết phải xây dựng mô hình thực nghiệm nhằm tiết kiệm chi phí và thời gian nghiên cứu Ngoài ra có thể áp dụng mô phỏng để nghiên cứu ảnh hưởng của sự phân tầng nhiệt độ trong bồn lưu trữ dưới điều kiện thời tiết thực tế cùng với sự ảnh hưởng của năng lượng mặt trời

và những thay đổi của dòng nước nóng

c.Trường hợp 3: ( tương ứng mô hình Dong_3D-5)

4.4 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ VỀ NĂNG LƯỢNG KHI ÁP DỤNG NGHIÊN CỨU PHÂN NHIỆT VÀO HỆ THỐNG SỬ DỤNG NƯỚC NÓNG TRONG THỰC TẾ

Dựa vào các kết quả tính toán lý thuyết , mô phỏng kết hợp với thực nghiệm kiểm tra các yếu tố ảnh hưởng sự phân tầng của bình chứa trữ nhiệt ta có thể nhận xét và đưa ra các đánh giá về hiệu quả lưu trữ nhiệt của bình chứa

- Tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính tăng sẽ làm tăng mức độ phân tầng nhiệt, tăng exergy lưu trữ dẫn đến tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của bình chứa Như khi ta tăng tỷ lệ chiều cao và đường kính từ 2,5 lên 3 thì mức độ phân tầng tăng lên 20% và khi tỷ lệ này được tăng lên từ 2, 5 đến 4 thì mức độ phân tầng nhiệt tăng 25% Mặc dù có thể đạt được mức tăng đáng kể hiệu quả phân tầng khi tăng tỷ lệ chiều cao và đường kính, tuy nhiên kích thước của bình chứa với tỷ lệ cao như vậy là không thực tế Một bình chứa trữ nhiệt thể tích là 250 lít có chiều cao là 1,75m và đường kính là 0,45m sẽ không thích hợp khi lắp đặt với không gian nhà ở hiện đại ngày nay Ngoài ra, tỷ lệ của bình chứa tăng sẽ làm tăng diện tích bề mặt sẽ làm tiêu tốn vật liệu chế tạo, vật liệu bảo ôn và tôn thẩm mĩ, giá thành thiết bị sẽ đắc hơn và như ta đã biết tổn thất nhiệt sẽ tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt của bình Như vậy, cần đưa ra một tỷ lệ chiều cao và đường kính của bình chứa tối ưu nhất Ở trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất tỷ lệ tối ưu là H/D =3

- Lưu lượng nước đầu vào và ra có ảnh hưởng lớn đến mức độ phân tầng nhiệt của bình lưu trữ Với lưu lượng nước vào lớn, tạo thành vòi phun va đạp vào thành bình và khuếch tán ra một diện tích lớn của bình làm phá hủy các lớp nhiệt và giảm mức độ phân tầng nhiệt làm giảm hiệu quả sử dụng năng lượng của bình lưu trữ Khi