Nội dung

Hầu hết các dòng năng lượng có Ta thể được xác định theo các nguyên lý cơ bản, nhưng sự rò rỉ và các tổn thất q c,c-s q r,c-s qua các góc cạnh rất khó xác định và có thể gộp lại và được xác định bằng thực Tc qe q c,b-c G τα nghiệm bằng các thiết bị chưng cất thực tế. q r,b-c Sơ đồ mạng nhiệt của thiết bị chưng cất nước dạng bể tương tự như Tb sơ đồ nhiệt của collector tấm phẳng nhưng có 3 sự khác biệt sau (hình 4.21). q r,c-s Năng lượng truyền từ đáy đến tấm phủ xảy ra bởi quá trình bay hơi-ngưng tụ Tg cộng thêm đối lưu và bức xạ. Tổn thất phía đáy chủ yếu là quá trình truyền Hình 4.21. Sơ đồ mạng nhiệt nhiệt xuống nền đất. Chiều sâu của nước trong thiết bị hay dung lượng của bể phải được xác định trong tính toán... Lượng nước ra chưng cất tính được từ quá trình bay hơi ngưng tụ truyền từ đáy đến tấm phủ. Sơ đồ nhiệt được trình bày ở hình 4.21, trong đó các nhiệt trở tương ứng với các dòng năng lượng hình 4.20. (Các phần rò rỉ, tổn thất qua các cạnh, nước vào và ra không trình bày ở đây). H×nh 4.22. HÖ thèng ch−ng cÊt n−íc dïng n¨ng l−îng mÆt trêi 79 4.4. §éng c¬ Stirling §éng c¬ Stirling lµ mét thiÕt bÞ cã nhiÒu −u viÖt vµ cÊu t¹o ®¬n gi¶n. Mét ®Çu ®éng c¬ ®−îc ®èt nãng, phÇn cßn l¹i ®Ó nguéi vµ c«ng h÷u Ých ®−îc sinh ra. §©y lµ mét ®éng c¬ kÝn kh«ng cã ®−êng cÊp nhiªn liÖu còng nh− ®−êng th¶i khÝ. NhiÖt dïng ®−îc lÊy tõ bªn ngoµi, bÊt kÓ vËt g× nÕu ®èt ch¸y ®Òu cã thÓ dïng ®Ó ch¹y ®éng c¬ Stirling nh−: than, cñi, r¬m r¹, dÇu háa, dÇu löa, cån, khÝ ®èt tù nhiªn, gas mªtan,... nh−ng kh«ng ®ßi hái qu¸ tr×nh ch¸y mµ chØ cÇn cÊp nhiÖt ®ñ ®Ó lµm cho ®éng c¬ Stirling ho¹t ®éng. §Æc biÖt ®éng c¬ Stirling cã thÓ ho¹t ®éng víi n¨ng l−îng mÆt trêi, n¨ng l−îng ®Þa nhiÖt, hoÆc nhiÖt thõa tõ c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghiÖp. Nguyªn lý ho¹t ®éng: §−îc ph¸t minh tõ 1816 ®éng c¬ Stirling ®Çu tiªn ®· lµ nh÷ng thiÕt bÞ lín lµm viÖc trong m«i tr−êng c«ng nghiÖp. Sau ®ã c¸c kiÓu ®éng c¬ Stirling nhá h¬n vµ ªm nµy ®· trë thµnh ®å dïng gia ®×nh phæ biÕn nh−: qu¹t, m¸y may, b¬m n−íc... C¸c ®éng c¬ Stirling ban ®Çu chøa kh«ng khÝ vµ ®−îc chÕ t¹o tõ c¸c vËt liÖu b×nh th−êng rÊt phæ biÕn nh− ®éng c¬ “hot air”. Kh«ng khÝ ®−îc chøa trong ®ã vµ lµ ®èi t−îng ®Ó d·n në nhiÖt, lµm l¹nh vµ nÐn bëi sù chuyÓn ®éng cña c¸c phÇn kh¸c nhau cña ®éng c¬. §éng c¬ Stirling lµ mét ®éng c¬ nhiÖt. §Ó hiÓu mét c¸ch ®Çy ®ñ vÒ sù ho¹t ®éng vµ tiÒm n¨ng sö dông cña nã, ®iÒu chñ yÕu lµ biÕt vÞ trÝ vµ lÜnh vùc chung cña c¸c ®éng c¬ nhiÖt. §éng c¬ nhiÖt lµ mét thiÕt bÞ cã thÓ liªn tôc chuyÓn ®æi nhiÖt n¨ng thµnh c¬ n¨ng. Mét vÝ dô hiÖn thùc vÒ ®éng c¬ nhiÖt lµ ®Çu m¸y xe löa ch¹y b»ng h¬i n−íc trong nh÷ng n¨m tr−íc ®©y. N¨ng l−îng nhiÖt ®−îc cung cÊp b»ng c¸ch ®èt than hoÆc cñi, l−îng nhiÖt nµy nung nãng n−íc chøa trong lß h¬i vµ s¶n ra h¬i cã ¸p suÊt cao, h¬i nµy d·n në trong xi lanh vµ ®Èy piston chuyÓn ®éng kÐo theo b¸nh ®µ, vµ kÐo xe löa chuyÓn ®éng. Sau mçi hµnh tr×nh cña piston, h¬i ®· sö dông vÉn cßn mét Ýt nãng vµ ®−îc th¶i ra vµ nh−êng chç cho h¬i míi cã ¸p suÊt cao vµo xylanh. §éng c¬ diesel lµ mét d¹ng cña ®éng c¬ nhiÖt nh−ng ë d¹ng kh¸c vµ th−êng gäi lµ ®éng c¬ ®èt trong. Trong ®éng c¬ ®èt trong, nhiÖt ®−îc cung cÊp bëi sù ®èt ch¸y nhiªn liÖu ngay phÇn bªn trong cña ®éng c¬, c¸c nhiªn liÖu nµy th−êng lµ nhiªn liÖu láng nh− dÇu diesel, x¨ng. Mét phÇn nhiÖt biÕn thµnh c«ng do sù d·n në 80 khÝ nãng (s¶n phÈm ch¸y) t¸c ®éng vµo piston. PhÇn nhiÖt cßn l¹i bÞ th¶i ra vµ tho¸t ra ngoµi bëi bøc x¹ hay táa ra tõ c¸c c¸nh lµm m¸t cña ®éng c¬. §éng c¬ tiÕp tôc sinh c«ng h÷u Ých chõng nµo nhiªn liªu cßn cung cÊp ®Ó t¹o nhiÖt. Ba qu¸ tr×nh: cÊp nhiÖt, sinh c«ng vµ th¶i nhiÖt lµ ®Æc tÝnh chung cña c¸c ®éng c¬ nhiÖt. §éng c¬ Stirling th× c¬ chÕ cña c¸c qu¸ cÊp nhiÖt, th¶i nhiÖt vµ sinh c«ng cã h¬i kh¸c. §Ó nghiªn cøu kü vÒ sù ho¹t ®éng cña ®éng c¬ Stirling ta §Çu nãng §Çu l¹nh xÐt mét xi lanh kÝn mét ®Çu víi mét piston nh− h×nh 5.23 vµ H×nh 5.23. Kh«ng khÝ bªn trong vµ bªn ngoµi cã ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é b»ng nhau mét Ýt kh«ng khÝ chøa bªn trong. Piston chuyÓn ®éng qua l¹i tù do nh−ng hÇu nh− kÝn. Gi¶ sö lóc ®Çu toµn bé thiÕt bÞ cã nhiÖt ®é b»ng nhiÖt ®é ®Çu l¹nh, lóc nµy kh«ng khÝ bªn H×nh 5.24. CÊp nhiÖt mét ®Çu xylanh, nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt kh«ng khÝ t¨ng lªn trong cã ¸p suÊt b»ng ¸p suÊt cña kh«ng khÝ bªn ngoµi. Víi ®iÒu kiÖn ®ã, piston sÏ ®øng yªn ë vÞ trÝ ban ®Çu. NÕu ta ®èt nãng mét ®Çu xilanh (®Çu H×nh 5.25. Kh«ng khÝ ¸p suÊt cao ®Èy piston nãng) nguån nhiÖt ®−îc sö dông cã thÓ lµ chïm tia bøc x¹ mÆt trêi héi tô t¹i ®Çu xilanh hoÆc mét c¸ch ®¬n gi¶n lµ nhóng ®Çu xilanh vµo n−íc nãng, th× ¸p suÊt vµ nhiÖt ®é kh«ng khÝ bªn trong t¨ng lªn. ¸p suÊt cao sÏ ®Èy piston chuyÓn ®éng vµ sinh ra c«ng h÷u Ých (h×nh: 5.23, 5.24, 5.25). BÊt kú nguån nhiÖt nµo còng sinh ra c«ng, nh−ng víi nguån cã nhiÖt ®é cµng cao th× t¹o ra c«ng cµng lín. §éng c¬ kh«ng nh÷ng chØ chuyÓn nhiÖt thµnh c«ng mét lÇn ®¬n gi¶n nh− trªn mµ cÇn ph¶i cã kh¶ n¨ng tiÕp tôc sinh c«ng. 81 C«ng cã thÓ sinh ra tõ kh«ng khÝ nãng trong xilanh chõng nµo cßn cã qu¸ tr×nh d·n në cña kh«ng khÝ bªn trong. NÕu piston di chuyÓn ra ngoµi qu¸ xa nã sÏ vät ra H×nh 5.26. Qu¸ tr×nh d·n në cho ®Õn khi ¸p suÊt kh«ng khÝ bªn trong b»ng ¸p suÊt khÝ quyÓn khái xilanh vµ qu¸ tr×nh sinh c«ng sÏ kÕt thóc. Do vËy qu¸ tr×nh d·n në cÇn ph¶i kÕt thóc tr−íc khi ®iÒu ®ã x¶y ra. NÕu xilanh ®−îc chÕ t¹o thËt dµi th× qu¸ tr×nh d·n në cã thÓ H×nh 5.27. Nªó ngõng cÊp nhiÖt mµ th¶i nhiÖt th× ¸p suÊt kh«ng khÝ bªn trong gi¶m xuèng xa h¬n nh−ng còng cã giíi h¹n h¬n n÷a piston sÏ chØ ra ngoµi ®Õn khi ¸p suÊt bªn trong gi¶m xuèng b»ng ¸p suÊt khÝ quyÓn. NÕu khi piston chuyÓn ®éng ®Õn ®Çu bªn ph¶i cña xilanh, ta H×nh 5.28. Piston chuyÓn ®éng vµo bªn trong do ¸p suÊt kh«ng khÝ bªn ngoµi cao h¬n ngõng qu¸ tr×nh cÊp nhiÖt vµ t¨ng qu¸ tr×nh th¶i nhiÖt (lµm m¸t) th× nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cña kh«ng khÝ phÝa trong xilanh gi¶m xuèng ®Õn khi ¸p suÊt cña kh«ng khÝ bªn trong thÊp h¬n ¸p suÊt cña khÝ quyÓn bªn ngoµi th× piston sÏ chuyÓn ®éng ng−îc l¹i vµ trë l¹i vÞ trÝ ban ®Çu (h×nh 5.26, 5.27, 5.28). H×nh 5.29. Nguyªn lý ho¹t ®éng tù ®éng cña ®éng c¬ Stirling 82 VÊn ®Ò ®Æt ra ®èi víi ®éng c¬ Stirling lµ lµm thÕ nµo ®Ó chóng ho¹t ®éng mét c¸ch tù ®éng, tøc lµ xilanh nhËn, th¶i nhiÖt ®óng lóc vµ liªn hÖ chÆt chÏ víi sù chuyÓn ®éng cña piston. H×nh 5.29 biÓu thÞ nguyªn lý ho¹t ®éng ®¬n gi¶n cña ®éng c¬ Stirling. HiÖn nay vÒ thùc nhiÖm c¸c kiÓu ®éng c¬ Stirling ®· ®¹t ®−îc ®é tin cËy cho sù thùc thi. Víi hîp kim chÞu nhiÖt ®é cao, thiÕt bÞ c«ng nghÖ míi, thiÕt kÕ qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt cã sù trî gióp cña m¸y tÝnh vµ ®−îc n¹p khÝ Hªli hoÆc Hy®r« víi ¸p suÊt cao, c¸c kiÓu Stirling cã thÓ dÔ dµng vuît tréi c¸c ®éng diesel vÒ hiÖu suÊt còng nh− vÒ tû lÖ gi÷a n¨ng l−îng vµ träng l−îng. Víi ®Æc chuyÓn ®éng ªm vµ ®é « nhiÔm thÊp, ®éng c¬ Stirling sÏ kh«ng cßn cã ®èi thñ c¹nh tranh trong t−¬ng lai. /. H×nh 5.30. B¬m n−íc Stirling dïng NLMT 83 Ch−¬ng 5: C¸C lo¹i g−¬ng ph¶n x¹ Âãø táûp trung nàng læåüng bæïc xaû chiãúu tåïi màût thu Ft, nhàòm náng cao nhiãût âäü cuía Ft vaì mäi cháút tiãúp xuïc noï, ngæåìi ta duìng thãm caïc gæång phaín xaû. Gæång phaín xaû laì caïc bãö màût nhàôn boïng, coi laì váût âuûc D = 0, coï hãû säú háúp thuû A beï, vaì hãû säú phaín xaû R = (1-A) låïn. Gæång phaín xaû coï thãø coï daûng phàóng, cän, noïn, parabol truû hoàûc parabol troìn xoay. Gæång phaín xaû thæåìng âæåüc chãú taûo bàòng màût kim loaûi boïng nhæ inox, nhäm, tän âaïnh boïng, hoàûc kênh hay plastic coï traïng baûc. Âàûc træng cuía mäüt gæång phaín xaû bao gäöm: - Caïc thäng säú hçnh hoüc vaì kãút cáúu. - Âäü phaín xaû R, âiãöu kiãûn âãí màût thu coï thãø hæïng toaìn bäü phaín xaû tæì gæång. - Âäü táûp trung nàng læåüng bæïc xaû (kê hiãûu laì k). Âäü táûp trung nàng læåüng bæïc xaû k : -Âënh nghéa: Âäü táûp trung nàng læåüng bæïc xaû k cuía mäüt hãû gæång phaín xaû vaì màût thu, laì tè säú cuía cæåìng âäü bæïc xaû tåïi màût thu Ft trãn cæåìng âäü bæïc xaû tåïi màût hæïng nàõng: k = Et E Cæåìng âäü bæïc xaû tåïi màût hæïng nàõng E thæåìng laì cæåìng âäü bæïc xaû tåïi màût âáút nåi âàût thiãút bë, tæïc laì cæåìng âäü bæïc xaû luïc tråìi nàõng bçnh thæåìng, chæa coï gæång phaín xaû. -Láûp cäng thæïc tênh k: cho mäüt hãû E gäöm màût thu Ft âàût vuäng goïc våïi tia F h nàõng, xung quanh coï gæång phaín xaû våïi hãû säú phaín xaû R, D = 0 vaì màût hæïng nàõng R diãûn têch Fh, màût Fh thæåìng cuîng vuäng R goïc våïi tia nàõng (hçnh 5.1). Giaí thiãút caïc gæång âàût sao cho toaìn bäü caïc tia phaín xaû Ft tæì gæång âæåüc chiãúu hãút lãn màût thu Ft. Khi âoï, cäng suáút bæïc xaû chiãúu âãún Ft laì: Hçnh 5.1 Hãû gæång vaì màût thu Qt = E. Ft + E.( Fh - Ft).R =E.(1 - R). Ft + E.R.Fh Cæåìng âäü bæïc xaû âãún Ft laì: Et = Qt/Ft = E.(1 - R) + E.R. Fh/ Ft Do âoï, k = Et/E = 1 - R + R. Fh/ Ft = 1 + R.( Fh/ Ft - 1). Nãúu coi R ≈ 1 thç k ≈ Fh/Ft. 84 5.1. Gæång phàóng Xeït gæång phàóng BC coï hãû säú phaín xaû R, âàût nghiãng goïc γ so våïi màût thu AB. Dæûa vaìo âënh luáût phaín xaû aïnh saïng i1 = i2 , coï thãø tçm âæåüc âiãöu kiãûn âãø toaìn bäü phaín xaû tæì gæång BC chiãúu hãút lãn màût AB âàût vuäng goïc våïi tia nàõng laì: γ = arcsin a+b 2a Vç sinγ < 1 nãn phaíi coï b < a vaì π 4 i1 π <γ< . C i2 2 Khi âoï chiãöu räüng gæång bàòng: f= b 2a = b a −b cos γ R f Vaì âäü táûp trung nàng læåüng k = 1 + R.(b/a). Do âoï, nãúu duìng mäüt gæång phàóng thç 1 h tæïc laì γ > 450 thç H > h Âäü táûp trung nàng læåüng cuía gæång noïn laì: ⎛ Fh ⎞ ⎞ ⎛ 2r 2 ⎞ ⎛ r2 Cos 2γ −1⎟⎟ −1 ⎟⎟ =1 + R⎜⎜ −1⎟⎟ =1 + R⎜⎜ ⎠ ⎝ dh ⎝ dH ⎠ ⎝ Ft ⎠ k = 1+ R ⎜⎜ ⎡ 2r 2 h ⎤ ⇒ k =1+ R ⎢ 2 2 −1⎥ ⎣d r +h ⎦ ( Nãúu goüi t = tg γ = ) ⎡ r ⎛ 2t ⎞ ⎤ r ⎟ −1⎥ thç k =1+ R ⎢ ⎜⎜ 2 ⎟ h ⎣ d ⎝ 1+ t ⎠ ⎦ 87 ⎛r ⎞ − 1⎟ , âaût âæåüc khi choün r = h hay ⎝d ⎠ Suy ra kmax = k (t = 1) = k =1+ R⎜ r . Khi tàng r vaì giaím d, âäü táûp trung k seî khaï låïn. d γ = 450, khi R = 1 thç kmax = 5.4. Gæång Parabol 5.4.1. Gæång Paraol troìn xoay Xeït gæång parabol troìn xoay do âæåìng parabol y = x2 quay quanh 4f truûc y taûo ra. R F f p Hçnh 5.7. Aính cuía màût tråìi qua gæång parabol D d b r Khi quay truûc gæång theo hæåïng tia nàõng, thç taûi gáön tiãu âiãøm F ta thu âæåüc aính cuía màût tråìi, laì mäüt âéa saïng troìn coï âæåìng kênh d âæåüc xaïc âënh theo hãû phæång trçnh: p ⎧d ⎪⎪ D = b ⎨1 1 1 ⎪ + = ⎪⎩ b p f våïi D = 1,4.109m laì âæåìng kênh MT, b = 1,5.1011m khoaíng caïch gæång tåïi MT vaì f laì tiãu cæû gæång, p khoaíng caïch aính tåïi gæång. Giaíi hãû trãn tçm âæåüc d vaì p seî âæåüc: Df d d= = f = 0,0093 f =10 − 2 f . b− f b p= b f , tæïc aính MT âàût taûi tiãu âiãøm F, coï âæåìng kênh d = 10-2f. Do b− f âoï màût thu cáön âàût taûi tiãu âiãøm cuía gæång, coï âæåìng kênh d ≥ 10-2f. Nãúu màût thu hçnh cáöu âæåìng kênh d, gæång parabol coï baïn kênh r, thç hãû säú táûp trung laì: ⎡⎛ r ⎞ 2 ⎤ k =1+ R ⎢⎜ ⎟ −1⎥ ⇒ ⎢⎣⎝ d ⎠ ⎥⎦ 2 ⎛r⎞ kmax = k(R=1) = ⎜ ⎟ . ⎝d ⎠ 88