Thử nghiệm hệ thống gia nhiệt dầu bằng collector dạng parabol trụ

Nội dung text: Thử nghiệm hệ thống gia nhiệt dầu bằng collector dạng parabol trụ

1. THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG GIA NHIỆT DẦU BẰNG COLLECTOR DẠNG PARABOL TRỤ EXPERIMENT OF OIL HEATER USING CYLINDER PARABOLCOLLECTOR TS. Hoàng An Quốc (1), KS.Nguyễn Việt Phong (2) (1) ĐH SPKT TPHCM (2) CĐKT Cao Thắng TÓM TẮT Trong các hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để gia nhiệt hiện nay trên thị trường hầu như sử dụng ở nhiệt độ thấp (60-800C) như các hệ thống máy nước nóng, với các thiết bị này nhiệt lượng nhận được không đủ để sử dụng trong các hệ thống cần nguồn nhiệt cao, lớn hơn 1000C như trong hệ thống lò hơi, chạy tuốc-bin, trong hệ thống sấy, hệ thống đun sôi nước .Bài báo này đi vào giới thiệu mô hình hoạt động của bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol trụ, đồng thời trình bày thử nghiệm hệ thống gia nhiệt dầu bằng collector dạng parabol trụ sử dụng năng lượng mặt trời để gia nhiệt dầu với nhiệt độ thu được lớn hơn 1000C.Thử nghiệm sử dụng môi chất lỏng là dầu truyền nhiệt Shell S2, kết quả thử nghiệm được thể hiện dưới dạng đồ thị trong mối quan hệ giữa nhiệt độ thu được và lượng bức xạ nhận được theo thời gian ( từ 8h-16h) nhằm đánh giá nhiệt độ thu được của bộ thu tại khu vực khảo sát. Các thí nghiệm này được thực hiện tại khu vực TPHCM. Từ khóa: Năng lượng mặt trời, gia nhiệt, dầu, collector dạng parabol trụ, nhiệt độ cao. ABSTRACT Nowadays, almost solar systems in trade have low temperature(60-800C) at outlet such as a lot of water heater, temperarure outlet of these machines isn’t enough to use in some systems which need higher temperature outlet than 1000C, such as running steam ovens, rotating turbine,boiling water This aricle presents system of cylinder parabol shape solar energry collector and experient of heating oil using collector cylinder parabol shape to heat oil with temperature at outlet higher than 1000C.These experiments used heat tranfer oil Shell S2. Result of these experiment were presented at graph in relation between gained temperature and radiation solar energy with times in a day ( from 8h- 16h).These experiments were done to appreciate gained temperature in serveyedarea. These experiment were done in HCM city. Keywords: Solar enegry,heating,oil, cylinder parabol collector, high temperature. I. ĐẶT VẤN ĐỀ dụng như lò hơi,chạy tuốc-bin Để gia nhiệt Hiện nay nhu cầu gia nhiệt môi chất lỏng nào dầu ta có nhiều phương pháp, đơn giản nhất là đó, chẳng hạn như dầu để đạt nhiệt độ cao nung nóng dầu bằng nguồn năng lượng của trên 1000C trong các ngành công nghiệp (công những nhiên liệu phổ biến như điện,xăng nghệ sấy,lò hơi ) là rất phổ biến. Tuy nhiên dầu Sử dụng các nhiên liệu này gây nhiều hiện nay trên thị trường hầu như chỉ có những tốn kém tiền bạc và ô nhiễm môi trường. Ứng bộ thu năng lượng mặt trời với nhiệt độ thu dụng năng lượng mặt trời để gia nhiệt dầu là được thấp hơn 1000C trong các hệ thống máy một phương pháp để giải quyết tình trạng ô nước nóng , không đủ để triển khai các ứng nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí.
2. Bài báo này đi vào trình bày một cách sử dụng năng lượng mặt trời để gia nhiệt môi 0 Máng được uốn theo biên dạng parabol, trên chất với nhiệt độ thu được lớn hơn 100 C, đó đường thẳng tiêu điểm có một ống đồng là thử nghiệm hệ thống gia nhiệt dầu bằng hấpthụ năng lượng,ống đồng được ngăn cách collector dạng parabol trụ. với môi trường bằng ống thủy tinh. Bên trong II. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ống đồng là dầu truyền nhiệt.Ngoài ra máng còn có hệ thống xoay theo hướng mặt trời. 1. Cấu tạo tổng quan tia tíi tia tíi parabol trô Tấm pin năng lượng èng c¸ch ly mặt trời Ắc quy èng hÊp Mạch thô nhiÖt điềukhiển m«i chÊt láng Bộ Bộ Động cơ bÞ nung nãng truyền giảmtốc bước đai Hình 1: Cấu tạo bộ thu năng lượng mặt trời dùng collector dạng parabol trụ 2.Nguyên lý hoạt động : DÇu truyÒn nhiÖt t1 2.1.Hội tụ năng lượng của máng: Tia tới chiếu vào máng phản xạ parabol trụ và t2 t4 tập trung năng lượng tại một ống hấp thụ đặt t3 tại tiêu điểm. èng ®ång t5 Năng lượng tập trung này sẽ gia nhiệt cho dầu trong ống hấp thụ. Điều kiện để chùm tia hội tụ tại ống hấp thụ là góc tới phải nằm trong độ lệch cho phép. Nếu dßng chÊt láng di vượt ra ngoài biên độ đó thì ống hấp thụ chuyÓn không nhận được năng lượng từ tia sáng hội Hình 2: Nguyên lý gia nhiệt dầu của bộ thu tụ 3. Đặc điểm cấu tạo của thiết bị thí nghiệm 2.2 Nguyên lý gia nhiệt dầu 3.1. Ống thu nhiệt: Nguyên lý hoạt động của bộ thu dựa theo hiện tượng đối lưu tự do, ống đồng được đặt ở vị Trong thí nghiệm, ống thu nhiệt có cấu tạo trí thấp hơn đáy của bể chứa chất lỏng. Năng như hình vẽ bên dưới. Ống cách ly sử dụng lượng bức xạ mặt trời nung nóng ống đồng, vật liệu thủy tinh và có độ dày nhỏ nhằm nâng ống đồng này truyền nhiệt cho dầu.Dầu nóng cao hệ số truyền sáng. Ống hấp thụ nhiệt làm sẽ nổi lên phía trên bể dầu, lượng dầu nhiệt từ vật liệu đồng có bề dày nhỏ để nâng cao độthấp hơn nằm ở đáy bình, dầu ở đáy bình di hiệu suất truyền nhiệt tới môi chất dầu. Khe chuyển vào ống đồng để được nung nóng hở giữa ống cách ly và ống hấp thụ nhiệt lý vàlại nổi lên trên. Cứ thế chu trình tiếp tục. tưởng nhất là được hút chân không để hạn chế
3. tối đa thất thoát nhiệt. Tuy nhiên trong điều Shell S2. kiện cón nhiều hạn chề, ở thí nghiệm khe hở này là không khí tĩnh. Về môi chất lỏng trong thí nghiệm sử dụng dầu truyền nhiệt Shell S2 èng c¸ch ly ch©n kh«ng hoÆc kh«ng khÝ èng hÊp thô m«i chÊt láng t1 t2 t3 Hình 3: Nguyên lý gia nhiệt dầu của bộ thu 3.2. Thùng chứa dầu Dầutruyền nhiệt bên trong ống thu nhiệt thu nhiệt,nhận nhiệt lượng từ ống thu nhiệt truyền qua. Dầu nhận nhiệt lượng từ ống hấp thụ, do đó đặc tính quan trọng cần phải có của dầu trong ống là phải có là hệ số truyền nhiệt cao nhằm nhận được nhiệt nhanh chóng từ ống thu nhiệt, có nhiệt độ sôi cao để chất lượng Hình 2: Nguyên lý gia nhiệt dầu của bộ thu truyền nhiệt ổn định với nhiệt độ cao nhận Các thông số kỹ thuật của dầu truyền nhiệt: được. Thông thường với hệ thống bộ thu parabol trụ nhiệt độ gia nhiệt cho chất lỏng Bảng 1: Các tính chất lý học điển hình khoảng nhỏ hơn 300 0C, do đó môi chất dầu cũng phải có tính chất ổn định trong khoảng Tỷ trọng tại 15 0C kg/ m3 ISO 12185 868 nhiệt độ này. Ngoài ra môi chất dầu còn phải có tỷ trọng thấp và độ nhớt thấp nhằm dễ dàng Điểm chớp cháy PMCC 0 C ISO 2719 210 di chuyển trong đường ống, nâng cao hiệu quả Điểm chớp cháy COC 0 C ISO 2592 220 truyền nhiệt. 0 Vật liệu dầu trong thí nghiệm này sử dụng dầu Điểm cháy COC C ISO 2592 255 truyền nhiệt Shell S2, nó có đầy đủ các đặc Điểm rót chảy 0C ISO 3016 -12 điểm trên. 120 Thông số Độ nhớt động học ISO 3104 kích thước thùng Tại 00C mm2/giây 151 dầu: 170 Tại 00C mm2/giây 25 500 - Kích thước: dài Tại 00C mm2/giây 47 500mm, rộng 0 2 170 200 mm Tại 0 C mm /giây 1.1 - Dung ASTM Điểm sôi ban đầu 0 C 355 tích 20 lít D2887 - Chất lỏng thí Điểm sôi tự bốc cháy 0 C DIN794 360 200 nghiệm: dầu truyền nhiệt 200
4. Trị số trung hòa mgKOH/g ASTM D 974 <0,05 Cặn carbon %m/m ISO 10370 0,02 Tro (oxit) %m/m ISO 6245 <0,01 Bảng 2:Số liệu thiết kế đặc thù Nhiệt độ 0 20 40 100 150 200 250 300 340 (0C) Tỉ trọng (kg/m3) 876 863 850 811 778 746 713 681 655 Nhiệt dung 1,809 1,882 1,954 2,173 2,355 2,538 2,72 2,902 3,048 riêng (kJ/kgHệ s0ốK) dẫn nhiệt 0,136 0,134 0,133 0,128 0,125 0,121 0,118 0,114 0,111 (W/m0K) Số prandtl 3375 919 375 69 32 20 14 11 9 4. Mô hình máy: Hệ số truyền 4 350 [W/(m.0K)] 4.1. Thông số thiết kế: nhiệt Bảng 3: Máng parabol Thứ tự Thông số Đặc tính 1 Vật liệu Inox bóng Bảng 5: Ống cách ly 2 Chiều dài 1700 mm Thứ tự Thông số Đặc tính 3 Độ mở 800 mm 1 Vật liệu Thủy tinh Đường kính 4 Tiêu cự f 150 mm 2 68 mm ngoài Đường kính 5 Hệ số phản xạ 0,85 3 66 mm trong Hệ số truyền 4 0,88 Bảng 4: Ống hấp thụ nhiệt sáng Thứ tự Thông số Đặc tính 4.2. Chế tạo mô hình thực nghiệm: Vật liệu ống thu 1 Đồng nhiệt Chiều dài phần 2 1700 mm ống thu nhiệt Đường kính ống 3 Ø 41,25 mm thu nhiệt
5. III. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN Hình5: Tủ đựng bản mạch điều khiển xoay LUẬN: máng Tác giả đã thực hiện một số thí nghiệm trong khoảng tháng 7 và tháng 8 năm 2013, khu vực thí nghiệm tại TPHCM. Nhiệt độ thu được khá khả quan, nhiệt độ tăng lên 1000C trong thời gian khá ngắn, trung bình khoảng 2 giờ (từ 8h đến 10h). Sau đây là kết quả thí nghiệm tiêu biểu, do trong ngày thường có mây mù một số thời điểm nên các sốliệu về năng lượng bức xạ thay đổi liên tục, các số liệu về năng lượng bức xạ này được đo 10 phút một lần và lấy giá trị Hình 4: Kết cấu tổng thể trung bình tại thời điểm khảo sát. Nhìn vào đồ thị ta thấy rằng:  Nhiệt độ t1 : Có thể phân chia tốc độ gia nhiệt thành 3 giai đoạn: Ở giai đoạn đầu nhiệt độ t1 tăng rất nhanh, trung bình khoảng gần hai giờ để gianhiệt từ Hình 5: Bộ truyền xoay máng
6. t1 t2 t3 E(w/m2) 160 1000 900 140 800 120 700 100 Nh 600 E( iệt 80 500 W/ độ m2 400 60 ) 300 40 200 20 100 0 0 8h 8h30 9h 9h30 10h 10h30 11h 11h30 12h 12h30 13h 13h30 14h 14h30 15h 15h30 16h Thời gian Hình 7: Đồ thị nhiệt độ gia nhiệt dầu theo năng lượng bức xạ và thời gian 300 C lên trên 1000 C, đây cũng là khoảng Giai đoạn cuối thì nhiệt độ sau khi đạt tối nhiệt độ cần thiết trong đa số các ứng dụng đa thì không tăng được nữa, và có xu hướng nhiệt như tạo hơi nước trong các hệ thống lò giảm dần vào cuối buổi chiều. hơi, hệ thống sấy, hệ thống máy nước  Nhiệt độ t : nóng Như vậy đối với điều kiện cường 2 độbức xạ tại khu vực khảo sát HCM thì nhiệt Có thể phân chia tốc độ gia nhiệt thành 2 giai độ t1 tăng rất nhanh, có thể triển khai đa số đoạn: các ứng dụng một cách nhanh chóng khi sử Giai đoạn đầu: Khi nhiệt độ t1 nhỏ hơn dụng nhiệt lượng t1 này . 0 100 C thì tốc độ gia tăng nhiệt t2 rất chậm do Giai đoạn giữa nhiệt độ tăng chậm hơn. nhiệt kế đo t2 nằm ở giữa bình dầu, nhiệt Sau khi nhiệt độ đạt trên 100 0C , theo quan lượng nhận được chưa đủ nung nóng dầu ở sát ở các thí nghiệm thì khoảng từ 120 0C thì khu vực này. tốc độ gia tăng nhiệt chậm lại không còn Giai đoạn cuối: Khi nhiệt độ t1 cao hơn nhanh nữa do ở nhiệt độ cao này tốc độ thất 0 100 C thì tốc độ gia tăng nhiệt t2 rất nhanh, thoát nhiệt xảy ra lớn hơn nhiều so với 0 do khoảng dầu nửa trên thùng dầu đã được khoảng nhiệt độ dưới 120 C.Do đó để tránh nung nóng, do hiện tượng đối lưu nên dầu ở thất thoát, nâng cao hiệu suất thu nhiệt của bộ khu vực giữa bình, tức nhiệt độ t2 tăng liên tục thu ta nên tận dụng tối đa thu nhiệt từ xung 0 và đạt giá trị gần bằng giá trị t1 vào cuối buổi quanh khoảng 120 C, khi đạt được khoảng thí nghiệm. nhiệt độ này nên chuyển nhiệt lượng thu được ra ngoài các ứng dụng như tạo hơi mà  Nhiệt độ t3 : không đợi nhiệt lượng t1 tăng lên nữa để nâng Cũng giống như đồ thị t2 nhưng tốc độ cao hiệu suất, tránh thất thoát nhiệt,tận dụng tăng nhiệt chậm hơn. tối đa nhiệt lượng thu được.  Đánh giá chung để nâng cao hiệu suất thu nhiệt:
7. Để tận dụng tối đa nhiệt lượng thu được ta dụng vào các ngành công nghiệp cần nhiệt độ 0 nên tận dụng khoảng nhiệt độ t1 nhỏ hơn 120 lớn hơn 100 C như sử dụng trong thiết bị lò 0C trong việc triển khai các ứng dụng như hóa hơi, hệ thống sấy, chạy tuốc-bin hơi, sấy,quay tuốc-bin Với vị trí địa lý thuận lợi của miền IV. KẾT LUẬN nam,với số giờ nắng quanh năm cao, việc Bộ thu năng lượng mặt trời kiểu parabol triển khai ứng dụng bộ thu năng lượng mặt trụnhằm sử dụng nguồn năng lượng mặt trời trời kiểu parabol trụ vào thực tế cuộc sống là khả thi cho các thiết bị cần nhiệt độ vận hành gia nhiệt cho dầu truyền nhiệt Shell S2 với 0 nhiệt độ thu được cao hơn 1000 C, có thể ứng cao hơn 100 C. TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Hoàng Đình Tín, Cơ sở truyền nhiệt và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, nhà xuất bản đại học quốc gia HCM, 2013 [2] Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trờilý thuyết và ứng dụng, nhà xuất bản khoa học kỹ thuật,2010 [3] Lê Chí Hiệp, máy lạnh hấp thụ trong kỹ thuật điều hòa không khí,nhà xuất bản đại học quốc gia HCM,2013 [4] Dương Minh Trí, Cảm biến và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2000. [5].G.D.Rai, Energy Sources,2010
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.