THIẾT BỊ NHIỆT MẶT TRỜI
4.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TÓAN THIẾT BỊ
4.1.2. Lý thuyết về bộ thu kiểu lồng kính
4.1.2.3. Phương trình cân bằng năng lượng của bộ thu kiểu lồng kênh
Ở trạng thái ổn định, hoạt động của bộ thu NLMT được mô tả bằng phương trình cân bằng năng lượng gồm các thành phần: năng lượng hữu ích, tổn thất nhiệt, và tổn thất quang học. Bức xạ mặt trời do bộ thu hấp thụ trên một đơn vị diện tích bề mặt bộ thu phẳng bằng hiệu số giữa bức xạ mặt trời truyền tới và các tổn thất quang học.
( ) ( ) ( )( ) ⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝ + ⎛ −
⎟+
⎠
⎜ ⎞
⎝ + ⎛ +
= 2
cos 1 2
cos
1 β β
d g b d d
b d b
bB DA E DA R E E DA
E
S (4.11)
Tổn thất nhiệt từ bộ thu đến môi trường xung quanh do dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ có thể được biểu diễn như là tích số của hệ số tổn thất nhiệt K và độ chênh lệch nhiệt độ trung bình của tấm hấp thụ Ttb với nhiệt độ môi trường Ta. Ở trạng thái ổn định, năng lượng hữu ích của bộ thu có diện tích F là hiệu số giữa bức xạ mặt trời hấp thụ được và tổn thất nhiệt:
( )
[ tb a ]
hi F S K T T
Q = − − (4.12)
Đây là phương trình năng lượng cơ bản của bộ thu kiểu lồng kính. Để xác định năng lượng hữu ích, ngoài các đại lượng có thể xác định trực tiếp như F, ta cần phải xác định S, K và Ttb. Cường độ bức xạ mặt trời S có thể tính toán bằng lý thuyết theo phương trình trên hoặc đo thực nghiệm bằng bức xạ kế mặt trời. Hệ số tổn thất nhiệt K cũng có thể xác định bằng lý thuyết truyền nhiệt hay bằng thực nghiệm.
Còn nhiệt độ trung bình của tấm hấp thụ Ttb khó tính toán hoặc khó đo được, vì nó cũng là hàm số của các thông số kết cấu bộ thu, bức xạ truyền tới và thông số vật lý của chất lỏng đi vào bộ thu.
Để đánh giá khả năng hấp thụ NLMT của bộ thu người ta dựa vào hiệu suất của nó. Hiệu suất của bộ thu được định nghĩa là tỷ số
giữa năng lượng hữu ích truyền cho môi chất và NLMT tới bộ thu trong cùng một khoảng thời gian:
∫
= ∫
dt E F
dt Q
n
η hi (4.13)
Hệ số tổn thất nhiệt K của bộ thu
Việc phân tích tổn thất nhiệt đối với bộ thu kiểu lồng kính có ý nghĩa quan trọng trong việc tính toán thiết kế bộ thu. Có thể biểu diễn tổn thất nhiệt của bộ thu kiểu lồng kính có hai lớp kính như sơ đồ hình 4.5a.
Tại một vị trí nhất định trên tấm phẳng hấp thụ có nhiệt độ là
Tp, nguồn NLMT, S được bộ thu hấp thụ và phân bố thành các thành
Ta α1c2-a α1
c2-a bx
α1bx
α1c1-c2
Tc2
Tc1 c1-c2
α1bxp-c1 α1p-c1
S Qhi
Tp δλ
Tb bxb-a
α1 α1b-a
Ta
Ta
Ta
Tc2
Tc1
Tp
Tb
S Qhi
R2
R3
R4
R5
R1
a) b)
Hình 4.5. Sơ đồ mạng nhiệt của bộ thu kiểu lồng kính với 2 lớp kính.
62
phần sau: năng lượng hữu ích Qhi, tổn thất nhiệt qua các lớp kính ngăn vaỡ qua õạy bọỹ thu.
Ta có thể biểu diễn sơ đồ này một cách đơn giản hơn hình 4.5b hay sơ đồ tương đương hình 4.6.
Tổn thất nhiệt qua các lớp kính là tổng của trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ giữa các bề mặt song song. ở trạng thái ổn định thì năng lượng trao đổi giữa tấm hấp thụ của bộ thu có nhiệt độ Tp và lớp kính thứ nhất có nhiệt độ Tc1 đúng bằng lượng nhiệt trao đổi giữa các lớp kính kế tiếp và cũng bằng lượng nhiệt trao đổi giữa lớp kính ngoài cùng với môi trường xung quanh. Và như vậy tổn thất nhiệt qua kính (trên một đơn vị diện tích) đúng bằng lượng nhiệt truyền từ tấm hấp thụ đến bề mặt kính thứ nhất:
( ) ( )
1 1 1
1 4 1 4 1
1
. + −
+ −
−
= −
c p
c p c
p c p tr t
T T T
T q
ε ε
α σ (4.14)
Trong đó εp, εc1 là độ đen của tấm hấp thụ và của lớp kính thứ nhất, αp-c1 là hệ số truyền nhiệt đối lưu giữa 2 tấm phẳng nghiêng song song (tấm hấp thụ và kính), nếu gọi αbxp-c1 là hệ số trao đổi nhiệt bức xạ giữa tấm hấp thụ và kính thì ta sẽ có:
( 1 1)( 1)
. bxp c p c
c p tr
tt T T
q = α − +α − − (4.15) Víi
( ) ( )
1 1 1
1
2 1 2 1 1
− +
+
= +
−
c p
c p c p c
p
bx T T T T
ε ε α σ
Nhiệt trở R3 sẽ là:
1 Ta
Tp
S
Qhi
Ktt
Hình 4.6. Sơ đồ mạng nhiệt tổồng õổồng cuớa bọỹ thu
bx c p c p
R
1 1
3
1
−
− +
=α α (4.16)
R3 là nhiệt trở truyền nhiệt giữa tấm hấp thụ và kính. Cũng tương tự ta có biểu thức tính cho nhiệt trở gữa 2 tấm kính R2. Theo nguyên lý chung thì chúng ta có thể lắp càng nhiều tấm kính che thì nhiệt trở càng lớn, nhưng trong thực tế các bộ thu thường được giới hạn nhiều nhất là đến 2 lớp kính.
Nhiệt trở R1 giữa bề mặt kính với môi trường xung quanh có dạng tương tự như biểu thức trên nhưng hệ số truyền nhiệt đối lưu từ bề mặt kính đến môi trường xung quanh αw, lấy giá trị bằng 5 - 10 W/m2K (coi tốc độ gió trung bình khoảng 5m/s). Nhiệt trở bức xạ từ mặt kính được tính toán theo nhiệt độ bức xạ của bầu trời Ts,nhưng để tiện cho tính toán ta có thể tham khảo giá trị của nhiệt trở này theo nhiệt độ môi trường xung quanh là Ta, do đó αbxc2-a có thể viết là:
( ) ( ) ( )
a c
s c s c s c c a
c T T
T T T T T T
−
−
−
= −
−
2
2 2 2
2 2
2
2 σε
α (4.17)
Và nhiệt trở R1 sẽ là :
a c bx w
R
+ −
=
1 2
1 α
α (4.18)
Vậy hệ số tổn thất qua các lớp kính từ tấm hấp thụ của bộ thu ra môi trường xung quanh là :
3 2 1 .
1 R R Ktttr R
+
= + (4.19)
Để xác định giá trị của Ktt.tr đầu tiên ta cần giả định nhiệt độ của các lớp kính, ta tính được các hệ số truyền nhiệt bằng đối lưu và bức xạ giữa các bề mặt song song, theo công thức trên ta xác định được hệ số tổn thất Ktt.tr và từ đó ta xác định được dòng nhiệt tổn thất qua bề mặt bộ thu, đây cũng chính là dòng nhiệt trao đổi giữa các bề mặt. Từ 64
đó ta lần lượt tính lại được các giá trị nhiệt độ của các lớp kính Tj. So sánh các giá trị nhiệt độ tính được với các nhiệt độ giả định ban đầu, nếu chúng xấp xỉ nhau thì giá trị giả thiết là chấp nhận đựơc, còn nếu không xấp xỉ thì ta phải lấy các giá trị Tc mới tính được làm nhiệt độ tính toán của các bề mặt để xác định giá trị Ktt.tr mới và tính lặp cho đến khi nào các Tc tính được gần với giá trị các Tc giả thiết.
( )
bx j i j i
a p tr tt i j
T T T K
T
−
− +
− −
= α α
. (4.20)
Tổn thất nhiệt qua đáy bộ thu được biểu diễn bởi 2 nhiệt trở R4, R5 trong hình 4.1-5b. R4 là nhiệt trở của lớp cách nhiệt và R5 là nhiệt trở đối lưu và bức xạ của đáy bộ thu với môi trường xung quanh.
Thường độ lớn của R5 có thể giả thiết là xấp xỉ bằng 0 và tổng nhiệt trở sẽ xấp xỉ bằng R4, hay hệ số tổn thất nhiệt của đáy bộ thu:
cn day
tt R
K δ
= λ
=
4 .
1 (4.21)
với λ và δcn là hệ số dẫn nhiệt và chiều dày của lớp cỏch nhiệt.
Tổn thất nhiệt qua vách bên của bộ thu tính toán khá phức tạp.
Tuy nhiên trong một hệ thống bộ thu được thiết kế tốt thì tổn thất nhiệt này rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Cũng có thể tính tổn thất nhiệt này theo công thức của Tabor:
( )
bthu ben ben
tt F
K . = KF (4.22)
Với (KF)ben là tích số giữa hệ số truyền nhiệt qua vách bên của bộ thu K với tổng diện tích các vách bên bộ thu F, K = (λ/δ)ben, còn Fbthu là diện tích bộ thu. Trong tính toán nếu (KF)ben rất nhỏ so với Fbthu thì Ktt.ben có thể bỏ qua.
Vậy tổng tổn thất nhiệt của bộ thu:
Ktt = Ktt.tr + Ktt.day + Ktt.ben (4.23)