Phát triển phương trình tương quan hệ số trao đổi nhiệt khi sôi bên trong ống micro fin của một số môi chất lạnh dựa trên mô hình dòng sử dụng phương pháp số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Phát triển phương trình tương quan hệ số trao đổi nhiệt sôi bên ống micro-fin số mơi chất lạnh dựa mơ hình dịng sử dụng phương pháp số TẠ VĂN TÙNG Tung.TVCB190141@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật nhiệt Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Bá Chiến PGS TS Nguyễn Việt Dũng Trường: Cơ Khí HÀ NỘI, 5/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Phát triển phương trình tương quan hệ số trao đổi nhiệt sôi bên ống micro-fin số mơi chất lạnh dựa mơ hình dịng sử dụng phương pháp số TẠ VĂN TÙNG Tung.TVCB190141@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật nhiệt Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Bá Chiến PGS TS Nguyễn Việt Dũng Trường: Cơ Khí HÀ NỘI, 5/2022 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành toàn nội dung luận văn này, em nhận bảo giúp đỡ thầy, cô Khoa Năng Lượng Nhiệt, Trường Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội Lời đầu tiền, em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Bá Chiến PGS TS Nguyễn Việt Dũng giảng viên trực tiếp hướng dẫn em thực nội dung luận văn tốt nghiệp, thầy dành nhiều thời gian, công sức giúp đỡ em suốt q trình học tập hồn thành nội dung luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô Khoa giảng dạy em q trình học tập mơn học để góp phần hoàn thiện nội dung luận văn Do hạn chế kiến thức thời gian nên nội dung luận vănkhơng tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận dẫn đóng góp thầy, để luận văn hồn thiện tốt Tác giả Tạ Văn Tùng MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt ứng dụng ngành công nghiệp 1.2 Phân loại TBTĐN Phân loại theo kiểu thu hồi nhiệt/ hoàn nhiệt Phân loại theo phương thức truyền nhiệt Phân loại theo chế truyền nhiệt Phân loại theo bố trí dịng chảy Phân loại theo cấu trúc hình học 1.3 Tổng quan nghiên cứu ống micro-fin 1.4 Mơ hình dịng chảy mơi chất ống vi kênh (micro-channel) 20 Tổng quan mơ hình dịng chảy môi chất sôi ống 20 Phân loại ống có kích thước thơng thường ống vi kênh 22 Mơ hình dịng chảy ống thơng thường ống vi kênh 25 1.5 Mục tiêu luận văn 28 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 29 2.1 Mô CFD 29 2.2 Mô hình VOF 30 2.3 Phương trình tỷ lượng thể tích (Volume Fraction) 31 2.4 Tính chất chất lưu 31 2.5 Phương trình động lượng 32 2.6 Phương trình lượng 32 2.7 Ứng suất bề mặt 33 2.8 Mơ hình dịng rối 34 CHƯƠNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 35 3.1 Mơ hình nghiên cứu thực nghiệm 35 Mơ tả mơ hình thực nghiệm 35 Phương pháp tính 37 i 3.2 Bài tốn mơ 39 3.3 Xây dựng mơ hình dịng chảy 41 Xây dựng mô hình dịng chảy dịng mơi chất R410A 41 Xây dựng mơ hình dịng chảy dịng môi chất R32 47 3.4 Xây dựng mơ hình tương quan cho hệ số truyền nhiệt hai pha môi chất R410A 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 4.1 Kết luận 56 4.2 Kiến nghị 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ngun lý TBTĐN kiểu thu hồi nhiệt, hồn nhiệt Hình 1.2 Nguyên lý phương thức truyền nhiệt trực tiếp gián tiếp Hình 1.3 Nguyên lý phân loại TBTĐN theo chế truyền nhiệt Hình 1.4 Nguyên lý TBTĐN phân bố dịng chảy mơi chất Hình 1.5 Nguyên lý TBTĐN phân loại theo cấu trúc hình học Hình 1.6 Các phương pháp tăng cường diện tích trao đổi nhiệt ống Hình 1.7 Một số hình ảnh thực tế ống có cánh (fin) bên Hình 1.8 Mơ hình thí nghiệm sử dụng nghiên cứu Hình 1.9 Cấu tạo ống nghiên cứu: (a) mơ hình xương cá; (b) mặt cắt cánh Hình 1.10 Sơ đồ mơ hình nghiên cứu Hình 1.11 Tổn thất áp lực theo chiều dài ống 10 Hình 1.12 Hệ số truyền nhiệt với độ khô thay đổi lưu lượng môi chất 11 Hình 1.13 Sơ đồ mơ hình nghiên cứu 12 Hình 1.14 Hệ số truyền nhiệt hỗn hợp dầu/ R410A tỷ lệ hòa trộn dầu khác tương ứng với lưu lượng khối, mật độ dòng nhiệt khác 13 Hình 1.15 Hệ số tăng cường (EF) tỷ lệ hòa trộn dầu khác tương ứng với lưu lượng khối, mật độ dòng nhiệt khác 14 Hình 1.16 Mơ hình thử nghiệm nghiên cứu 15 Hình 1.17 Hình ảnh phóng to ống micro-fin 16 Hình 1.18 So sánh ảnh hưởng (a) lưu lượng khối G, (b) mật độ dòng nhiệt q (c) nhiệt độ bão hòa Tsat đến hệ số truyền nhiệt môi chất bay ống micro-fin ống kích thước nhỏ (mini-channel) 17 Hình 1.19 Ảnh hưởng (a) lưu lượng khối, (b) mật độ dòng nhiệt (c) nhiệt độ bão hịa đến tổn thất áp lực mơi chất bay ống micro-fin so sánh với ống trơn 18 Hình 1.20 Sơ đồ mơ hình dịng chảy, chế truyền nhiệt thay đổi hệ số truyền nhiệt dịng mơi chất sôi ống nằm ngang 20 Hình 1.21 Sơ đồ mơ hình dịng chảy, chế truyền nhiệt dịng mơi chất sơi hướng lên ống thẳng đứng hướng lên [12] 21 Hình 1.22 Phân loại ống thơng thường ống vi kênh theo đường kính thủy lực 22 iii Hình 1.23 Phân loại ống theo số không thứ nguyên 24 Hình 1.24 Mơ hình dịng chảy hai pha thường gặp ống thẳng đứng 25 Hình 1.25 Mơ hình dịng chảy hai pha thường gặp ống nằm ngang 26 Hình 2.1 Quá trình xử lý phần mềm CFD 30 Hình 3.1 Dạng hình học ống micro-fin sử dụng nghiên cứu 35 Hình 3.2 Sơ đồ mơ hình thực nghiệm nghiên cứu 36 Hình 3.3 Chi tiết mơ hình thí nghiệm 36 Hình 3.4 Mơ hình dịng mơi chất ống chia lưới 39 Hình 3.5 Mơ hình dịng chảy hai pha R410A với lưu lượng khối 200 kg/m2s tỷ lượng thể tích α hình (a) ÷ (c) 0,2; 0,4; 0,6 41 Hình 3.6 Mơ hình dịng chảy hai pha R410A với lưu lượng khối 200 kg/m2s tỷ lượng thể tích α hình (a) ÷ (c) 0,7; 0,8; 0,85 42 Hình 3.7 Mơ hình dịng chảy hai pha R410A với lưu lượng khối 260 kg/m2s tỷ lượng thể tích α hình (a) ÷ (c) 0,2; 0,4; 0,6 43 Hình 3.8 Mơ hình dịng chảy hai pha R410A với lưu lượng khối 260 kg/m2s tỷ lượng thể tích α hình (a) ÷ (c) 0,7; 0,8; 0,85 44 Hình 3.9 Mơ hình dịng chảy hai pha R410A với lưu lượng khối 320 kg/m2s tỷ lượng thể tích α hình (a) ÷ (c) 0,2; 0,4; 0,6 45 Hình 3.10 Mơ hình dòng chảy hai pha R410A với lưu lượng khối 320 kg/m2s tỷ lượng thể tích α từ hình (a) ÷ (c) 0,7; 0,8; 0,85 46 Hình 3.11 Bản đồ mơ hình dòng chảy R410A 46 Hình 3.12 Mơ hình dịng chảy hai pha R32 với lưu lượng khối 200 kg/m2s tỷ lượng thể tích α hình (a) ÷ (f) 0,2; 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,85 48 Hình 3.13 Mơ hình dịng chảy hai pha R32 với lưu lượng khối 260 kg/m2s tỷ lượng thể tích α hình (a) ÷ (f) 0,2; 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,85 49 Hình 3.14 Mơ hình dịng chảy hai pha R32 với lưu lượng khối 320 kg/m2s tỷ lượng thể tích α từ hình (a) ÷ (f) 0,2; 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,85 50 Hình 3.15 Bản đồ mơ hình dịng chảy R32 51 Hình 3.16 Phân bố kết thực nghiệm đồ mơ hình dịng chảy môi chất R410A 52 Hình 3.17 So sánh sai số số liệu hệ số trao đổi nhiệt thực nghiệm 55 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật ống nghiên cứu Bảng 1.2 Thông số ống micro-fin/ ống trơn nghiên cứu 16 Bảng 2.1 So sánh phương pháp CFD với phương pháp thí nghiệm 29 Bảng 3.1 Thơng số hình học ống micro-fin nghiên cứu 35 Bảng 3.2 Tóm tắt sai số thông số 38 Bảng 3.3 Thông số vật lý R410A [REFPROP ] 39 Bảng 3.4 Thông số đầu vào mô 40 Bảng 3.5 Thông số vật lý R32 [REFPROP ] 47 Bảng 3.6 Giá trị số phương trình tính hệ số tăng cường trao đổi nhiệt F mơ hình dòng chảy tương ứng 54 v DANH MỤC KÝ HIỆU Ý nghĩa C Nhiệt dung riêng Đơn vị J/kg.K G Dh g Lưu lượng khối Đường thủy lực ống Gia tốc trọng trường kg/m2.s mm m/s2 Đường kính tương đương mm e Chiều cao cánh ống micro-fin mm γ Góc đỉnh cánh o β Góc xoắn ốc o ns Số lượng cánh - 10 Twi Nhiệt độ bên thành ống K 11 Tsat 12 α K - 13 u μl μv ρl Nhiệt độ bão hịa Tỉ lượng thể tích (tỷ lệ thể tích pha hơi/pha lỏng mơi chất ống) Vận tốc dịng mơi chất Độ nhớt động học pha lỏng Độ nhớt động học pha Khối lượng riêng pha lỏng m/s Pa.s Pa.s kg/m3 ρv ρm Khối lượng riêng pha Khối lượng riêng hỗn hợp pha lỏng kg/m3 kg/m3 22 σl σv hnb htp 23 htp-pre Sức căng mặt pha lỏng Sức căng mặt pha Hệ số trao đổi nhiệt q trình sơi mầm Hệ số trao đổi nhiệt hai pha sôi Hệ số trao đổi nhiệt hai pha sơi dự đốn TT Ký hiệu 14 15 16 17 18 19 20 21 24 25 26 27 28 29 30 htp-exp hf kf S F il iv N/m N/m W/m2.K W/m2.K W/m2.K Hệ số trao đổi nhiệt hai pha sôi thực W/m2.K nghiệm Hệ số trao đổi nhiệt cưỡng W/m2.K Hệ số dẫn nhiệt pha lỏng W/m.K Hệ số ức chế q trình sơi mầm Hệ số tăng cường trình trao đổi nhiệt cưỡng Entanpi pha lỏng kJ/kg Entanpi pha kJ/kg vi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt ứng dụng ngành công nghiệp Thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) thiết bị thực trình trao đổi nhiệt chất mang nhiệt nhiệt độ khác Thiết bị trao đổi nhiệt có ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp truyền thống, công nghiệp đại như: ứng dụng hệ thống lạnh công nghiệp (hệ thống khí hóa lỏng); hệ thống HVAC (Hệ thống điều hòa cho tòa nhà cao tầng, khu trung tâm thương mại, máy điều hòa dân dụng…); ứng dụng công nghệ tàu thủy (thiết bị làm lạnh dầu trục cam, hệ thống làm lạnh trung tâm nước biển, làm mát dầu…); ứng dụng ngành cơng nghệ hóa chất; cơng nghệ sản xuất giấy; ngành công nghiệp thực phẩm, đồ uống (các thiết bị sử dụng để trùng, tiệt trùng, bảo quản thực phẩm, đồ uống); ứng dụng công nghệ dệt; nghành Khí đốt than đá; ứng dụng Cơng nghiệp điện (thiết bị làm mát dầu tuabin sử dụng nước hồ, nước suối…); ứng dụng hệ thống lượng mặt trời.…có thể nói khả ứng dụng TBTĐN vô lớn 1.2 Phân loại TBTĐN TBTĐN phân loại dựa nhiều tiêu chí khác nhau, phân loại sau: Thiết bị thu hồi nhiệt/ hoàn nhiệt Phương thức truyền nhiệt: truyền nhiệt trực tiếp, gián tiếp Theo chế truyền nhiệt: pha hai pha Theo cách bố trí dịng chảy: song song, ngược cắt Cấu trúc hình học thiết bị: ống, tăng cường bề mặt Phân loại theo kiểu thu hồi nhiệt/ hồn nhiệt Hình 1.1 Nguyên lý TBTĐN kiểu thu hồi nhiệt, hoàn nhiệt [1] TBTĐN kiểu thu hồi nhiệt hai môi chất có ngun lý trình bày Hình 1.1(a), dịng mơi chất A thu hồi phần nhiệt từ dịng B hai dịng mơi chất chuyển động qua 0,4; 0,6 Các kết phân tích nhận định tương tự trường hợp Hình 3.5 Hình 3.7 sau, Hình 3.9(a) tỷ lượng thể tích α = 0,2 dịng mơi chất ống dịng chảy có mơ hình phần tầng (Stratified Flow); Hình 3.9(b) tỷ lượng thể tích α = 0,4 mơ hình dịng chảy phân tầng có gợn sóng (Stratified- Wavy Flow); Hình 3.9(c) tỷ lượng thể tích α = 0,6 mơ hình hồn tồn dịng chảy gợn sóng (Wavy Flow) Và tiến hành biểu diễn kết mơ hình dịng chảy trường hợp đồ mơ hình dịng chảy R410A Hình 3.11 (a) R410A, G= 320 kg/m2s; α = 0,2 (b) R410A, G= 320 kg/m2s; α = 0,4 (c) R410A, G= 320 kg/m2s; α = 0,6 Hình 3.9 Mơ hình dịng chảy hai pha R410A với lưu lượng khối 320 kg/m2s tỷ lượng thể tích α hình (a) ÷ (c) 0,2; 0,4; 0,6 Hình 3.10 kết mơ mơ hình dịng chảy hai pha R410A với lưu lượng khối G = 320 kg/m2s tỷ lượng thể tích α = 0,7; 0,8; 0,85 Và kết phân loại mơ hình dịng chảy tương tự Hình 3.8 trường hợp có lưu lượng khối G = 260 kg/m2s 45 (a) R410A, G= 320 kg/m2s; α = 0,7 (b) R410A, G= 320 kg/m2s; α = 0,8 (c) R410A, G= 320 kg/m2s; α = 0,85 Hình 3.10 Mơ hình dịng chảy hai pha R410A với lưu lượng khối 320 kg/m2s tỷ lượng thể tích α từ hình (a) ÷ (c) 0,7; 0,8; 0,85 Từ kết mơ từ Hình 3.5 đến Hình 3.10 ta ta dựng đồ mơ hình dịng chảy (flow pattern map) môi chất R410A cho trường hợp lưu lượng khối G = 200; 260; 320 kg/m2s tỷ lượng thể tích α 0,2 ÷ 0,85 Hình 3.11 Lưu lượng khối G (kg/m²s) Bản đồ mơ hình dịng chảy 300 250 200 Stratify 150 100 0.1 Wavy Stratify-Wavy 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Churn 0.7 0.8 Annular 0.9 Hệ số tỷ lượng thể tích α Hình 3.11 Bản đồ mơ hình dịng chảy R410A 46 Xây dựng mơ hình dịng chảy dịng mơi chất R32 Tương tự thực mô môi chất R410A, nội dung mơ với R32 có thơng số vật lý trình bày Bảng 3.5, trường hợp mơ thực lưu lượng khối G =200; 260; 320 kg/m2s tỷ lượng thể tích α thay đổi từ 0,2 ÷ 0,85 Ta thu kết mơ thể hình từ Hình 3.12 đến Hình 3.14 Bảng 3.5 Thơng số vật lý R32 [REFPROP ] Khối lượng riêng Nhiệt độ Pha lỏng Pha ρl ρv (oC) (kg/m3) (kg/m3) 1034,2 26,714 Độ nhớt động học Pha lỏng μl (Pa.s) Pha μv (Pa.s) 0,00014077 0,0000118 Sức căng mặt Pha lỏng σl (N/m) Pha σv (N/m) 0,0099392 0,0099392 Hình 3.12 kết mơ mơ hình dịng chảy hai pha môi chất R32 ống với lưu lượng khối 200 kg/m2s, tỷ lượng thể tích α = 0,2; 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,85 Từ kết mơ ta thấy, Hình 3.12(a), (b) α = 0,2; 0,4 dịng chảy có dạng dịng chảy tầng (Stratified Flow) trường hợp với lưu lượng khối thấp, tỉ lệ lỏng vào lớn (α nhỏ) nên vận tốc mơi chất vào nhỏ, dịng chảy ổn định Ở Hình 3.12(c), α = 0,6 tỉ lệ vào tăng lên, khối lượng riêng hỗn hợp hơi/ lỏng thấp nên vận tốc dòng chảy lớn; mơ hình dịng chảy có dạng kết hợp phân tầng có gợn sóng (Stratified- Wavy Flow); Ở Hình 3.12(d), (e), α tiếp tục tăng lên đến giá trị 0,7; 0,8 mơ hình dịng chảy lúc mơ hình dịng chảy hỗn loạn (Churn Flow); Hình 3.12(f), α = 0,85 lượng mơi chất hỗn hợp chiếm tỉ lệ lớn, mơ hình dịng chảy ống lúc có dạng hình khun (Annular Flow) Tương tự, Hình 3.13 kết trường hợp mơ dịng hai pha mơi chất R32 với lưu lượng khối G= 260 kg/m2s Từ kết mô ta thấy, Hình 3.13(a), (b) α = 0,2; 0,4 dịng chảy có dạng dịng chảy tầng (Stratified Flow); Hình 3.13(c), α = 0,6 mơ hình dịng chảy có dạng kết hợp phân tầng có gợn sóng (Stratified–Wavy Flow); Hình 3.13(d), (e), α tiếp tục tăng lên đến giá trị 0,7; 0,8 mơ hình dịng chảy lúc mơ hình dịng chảy hỗn loạn (Churn Flow); Hình 3.13(f), α = 0,85 mơ hình dịng chảy ống lúc có dạng hình khun (Annular Flow) Từ kết ta biểu diễn mơ hình dịng chảy dịng mơi chất hai pha R32 tương ứng với lưu lượng khối 260 kg/m2s; tỷ lượng thể tích α từ 0,2 ÷ 0,85 đồ mơ hình dịng chảy Hình 3.15 47 (a) R32, G= 200 kg/m2s; α = 0,2 (b) R32, G= 200 kg/m2s; α = 0,4 (c) R32, G= 200 kg/m2s; α = 0,6 (d) R32, G= 200 kg/m2s; α = 0,7 (e) R32, G= 200 kg/m2s; α = 0,8 (f) R32, G= 200 kg/m2s; α = 0,85 Hình 3.12 Mơ hình dịng chảy hai pha R32 với lưu lượng khối 200 kg/m2s tỷ lượng thể tích α hình (a) ÷ (f) 0,2; 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,85 48 (a) R32, G= 260 kg/m2s; α = 0,2 (b) R32, G= 260 kg/m2s; α = 0,4 (c) R32, G= 260 kg/m2s; α = 0,6 (d) R32, G= 260 kg/m2s; α = 0,7 (e) R32, G= 260 kg/m2s; α = 0,8 (f) R32, G= 260 kg/m2s; α = 0,85 Hình 3.13 Mơ hình dịng chảy hai pha R32 với lưu lượng khối 260 kg/m2s tỷ lượng thể tích α hình (a) ÷ (f) 0,2; 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,85 49 (a) R32, G= 320 kg/m2s; α = 0,2 (b) R32, G= 320 kg/m2s; α = 0,4 (c) R32, G= 320 kg/m2s; α = 0,6 (d) R32, G= 320 kg/m2s; α = 0,7 (e) R32, G= 320 kg/m2s; α = 0,8 (f) R32, G= 320 kg/m2s; α = 0,85 Hình 3.14 Mơ hình dịng chảy hai pha R32 với lưu lượng khối 320 kg/m2s tỷ lượng thể tích α từ hình (a) ÷ (f) 0,2; 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,85 50 Hình 3.14 kết mơ dịng hai pha mơi chất R32 với lưu lượng khối G= 320 kg/m2s giá trị α từ 0,2 ÷ 0,85 Ta thấy, α = 0,2; 0,4 dịng chảy có mơ hình chảy tầng; α = 0,6 dịng chảy có mơ hình chảy tầng có gợn sóng; α = 0,7; 0,8 dịng chảy có mơ hình chảy hỗn loạn; α = 0,85 dịng chảy có mơ hình chảy hình khun Và biểu diễn mơ hình dịng chảy dịng mơi chất có lưu lượng khối G=320 kg/m2s đồ dịng chảy Hình 3.15 Bản đồ mơ hình dịng chảy R32 Lưu lượng khối G (kg/m²s) 300 250 200 Stratify-Wavy Stratify Churn Annular 150 100 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Tỷ lượng thể tích α Hình 3.15 Bản đồ mơ hình dịng chảy R32 Phân tích đồ mơ hình dịng chảy cảu mơi chất R32 điều kiện mô ta thấy, với tỷ lượng thể tích α < 0,4 mơ hình dịng chảy ống dòng chảy phân tầng (Stratified Flow); với 0,4 < α < 0,6 dịng chảy ống có mơ hình dịng chảy phân tầng – gợn sóng (Stratified-Wavy Flow); 0,6 < α < 0,85 lưu lượng khối G < 260 kg/m2s dịng chảy ống có mơ hình dịng chảy hỗn loạn (Churn Flow), với G = 320 kg/m²s 0,6 < α < 0,8 dịng chảy có mơ hình dịng chảy hỗn loạn; với α > 0,85, G < 260 kg/m²s α > 0,8, G = 320 kg/m²s dịng chảy ống có mơ hình dịng chảy hình khun (Annular Flow) 51 3.4 Xây dựng mơ hình tương quan cho hệ số truyền nhiệt hai pha môi chất R410A Để xác định liệu thực nghiệm theo phân bố đồ mơ hình dịng chảy trên, alpha xác định dựa nghiên cứu D A Yashar cộng [23] Trong nghiên cứu tác giả đánh giá thực nghiệm tỷ lượng thể tích α (hệ số α) với R410A trình sơi hai pha ống micro-fin với đường kính 7,3 mm 8,9 mm Dải thí nghiệm thực với lưu lượng khối từ 75 ÷ 700 kg/m2s với độ khơ x từ 0,05 ÷ 0,8 Nghiên cứu đề xuất hệ số tỷ lượng thể tích α xác định sau: −0.321 α = �1 + + 𝑋𝑋𝑡𝑡𝑡𝑡 � 𝐹𝐹𝐹𝐹 (3.4) Trong Xtt thơng số phụ thuộc vào độ khơ môi chất, thông số đặc trưng khối lượng riêng, độ nhớt động học lượng lỏng (ρl, μl ) (ρv, μv ) môi chất, Xtt xác định sau: − 𝑥𝑥 0.9 𝜌𝜌𝑣𝑣 0.5 𝜇𝜇𝑙𝑙 0.1 𝑋𝑋𝑡𝑡𝑡𝑡 = � � � � � � 𝑥𝑥 𝜌𝜌𝑙𝑙 𝜇𝜇𝑣𝑣 (3.5) Và hệ số Ft xác định sau: 𝐺𝐺 𝑥𝑥 𝐹𝐹𝐹𝐹 = � � (1 − 𝑥𝑥)𝜌𝜌𝑔𝑔 𝑔𝑔𝑔𝑔 0.5 (3.6) Bản đồ mơ hình dịng chảy R410A Lưu lượng khố G (kg/m²s) 300 250 200 Stratify 150 100 0.1 Wavy StratifyStratify-Wavy 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Churn 0.7 0.8 Annular 0.9 Tỷ lượng thể tích α Hình 3.16 Phân bố kết thực nghiệm đồ mơ hình dịng chảy mơi chất R410A 52 Theo kết thực nghiệm phân bố đồ dịng chảy Hình 3.16 Ta thấy, hệ số tỷ lượng thể tích α thực nghiệm nằm khoảng từ 0,7 ÷ 1, vùng có mơ hình dịng chảy hỗn loạn (Churn Flow) dịng chảy hình khun (Annular Flow) Ở vùng chế trao đổi nhiệt cưỡng chiếm ưu thế, chế sơi mầm gần khơng cịn Với hệ số truyền nhiệt hai pha sơi, mơ hình đề xuất Chen (1966) [24] chấp nhận rộng rãi Theo hệ số trao đổi nhiệt hai pha sôi htp bao gồm hai thành phần chế truyền nhiệt q trình sơi mầm (được đặc trưng hệ số trao đổi nhiệt trình sôi mầm hnb) chế trao đổi nhiệt cưỡng (được đặc trưng hệ số trao đổi nhiệt cưỡng hf) Ở vùng có độ khơ x thấp, hệ số truyền nhiệt hai pha chiếm ứu chế sôi mầm; ngược lại độ khô x tăng lên hệ số truyền nhiệt dần chiếm ưu chế trao đổi nhiệt cưỡng Phương trình tổng quát hệ số trao đổi nhiệt htp xác định sau: ℎ𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑆𝑆 ℎ𝑛𝑛𝑛𝑛 + 𝐹𝐹 ℎ𝑓𝑓 (3.7) Trong S hệ số ức chế q trình sơi mầm F hệ số tăng cường trình trao đổi nhiệt cưỡng Như trình bày đồ Hình 3.6, phân bố kết thí nghiệm giá trị tỷ lượng thể tích α khoảng từ 0,7÷1 ống micro-fin chế trao đổi nhiệt cưỡng có vai trị chủ đạo hệ số trao đổi nhiệt ống tăng cường dòng chảy rối mà fin tạo Ở đây, chế sôi mầm (Nucleate Boiling) gần khơng cịn Do luận văn đề xuất phương trình tính tốn hệ số trao đổi nhiệt hai pha sôi ống dựa chế trao đổi nhiệt cưỡng bức, bỏ qua chế trao đổi nhiệt sôi mầm rút gọn thành: ℎ𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝐹𝐹 ℎ𝑓𝑓 (3.8) Hệ số trao đổi nhiệt cưỡng hf có giá trị phụ thuộc vào trạng thái dòng chảy pha lỏng Với dòng chảy tầng, Ref < 2300, hệ số trao đổi nhiệt cưỡng xác định công thức: ℎ𝑓𝑓 = 4,36 𝑘𝑘𝑓𝑓 𝐷𝐷 (3.9) Với kf (W/m.K) - hệ số dẫn nhiệt pha lỏng Khi hệ số 3000 < Ref < 10000 hệ số trao đổi nhiệt cưỡng xác định công thức Gnielinski [25]: 53 ℎ𝑓𝑓 = 𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑘𝑘𝑓𝑓 (𝑅𝑅𝑅𝑅𝑓𝑓 − 1000)𝑃𝑃𝑃𝑃𝑓𝑓 � � � � 𝐷𝐷 𝑓𝑓𝑓𝑓 + 12,7(𝑃𝑃𝑃𝑃 2/3 − 1) � � (3.10) Khi Ref> 10000 hệ số trao đổi nhiệt cưỡng xác định công thức Petukhov and Popov [26], sau: ℎ𝑓𝑓 = 1+ 𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑘𝑘𝑓𝑓 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑓𝑓 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑓𝑓 � � � � 12,7(𝑃𝑃𝑃𝑃 2/3 𝐷𝐷 Trong hệ số f xác định sau: 𝑓𝑓 = 16𝑅𝑅𝑅𝑅 −1 𝑓𝑓 = 0,079𝑅𝑅𝑅𝑅 −0,25 (3.11) 𝑓𝑓𝑓𝑓 − 1) � � với Re < 2300 (3.12) với Re > 3000 (3.13) Hệ số tăng cường trao đổi nhiệt F xác định hàm số thông số hệ số sôi Bo, hàm F(Bo) Bođược xác định theo công thức: 𝐹𝐹 = 10𝑎𝑎 × 𝐵𝐵𝑜𝑜𝑏𝑏 𝐵𝐵𝑜𝑜 = (3.14) 𝑞𝑞 G(𝑖𝑖𝑣𝑣 − 𝑖𝑖𝑙𝑙 ) (3.15) Với q (kW/m2) mật độ dòng nhiệt; G (kg/m²s) lưu lượng khối môi chất; iv; il (kJ/kg) entanpy hơi/ lỏng môi chất Dựa phân loại mơ hình dịng chảy sử dụng thống kê xác định hệ số Bảng 3.6 Bảng 3.6 Giá trị số phương trình tính hệ số tăng cường trao đổi nhiệt F mơ hình dịng chảy tương ứng Mơ hình a b Churn flow 3,866 0,820 Annular flow 3,743 0,790 Từ kết tính tốn thành phần (3.8) hệ số trao đổi nhiệt tăng cường F, hệ số số trao đổi nhiệt cưỡng hf ta tính hệ số trao đổi nhiệt môi chất hai pha ống htp-pre so sánh để đánh giá sai số với kệt thực nghiệm htp-exp Từ kết tính tốn htp-exp htp-pre ta tính tốn sai số trung bình (Mean Deviation) sai số tuyệt đối (Absolute Deviation) kết mô với kết tính tốn thực nghiệm: 54 Hình 3.17 So sánh sai số số liệu hệ số trao đổi nhiệt thực nghiệm dự đốn mơi chất R410A Hình 3.17 so sánh kết hệ số trao đổi nhiệt hai pha sôi thực nghiệm htp-exp hệ số trao đổi nhiệt hai pha sôi qua tính tốn mơ htp-pre Ta thấy, mơ hình dự đoán tốt hệ số trao đổi nhiệt hai pha sơi R410A với sai số trung bình (MD) tính theo phương trình (3.16) sai số tuyệt đối (AD) tính theo phương trình (3.17) 3,34 % 10,16% Trong đó, sai số trung bình sai số tuyệt đối xác định sau: 𝑀𝑀𝑀𝑀 = 𝐴𝐴𝐴𝐴 = ∑𝑁𝑁 � ℎ𝑡𝑡𝑡𝑡−𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒− ℎ𝑡𝑡𝑡𝑡−𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 ℎ𝑡𝑡𝑡𝑡−𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑁𝑁 × 100%� �ℎ𝑡𝑡𝑡𝑡−𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 − ℎ𝑡𝑡𝑡𝑡−𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 � ∑𝑁𝑁 � ℎ𝑡𝑡𝑡𝑡−𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑁𝑁 × 100%� (3.16) (3.17) 55 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Với công việc thực hiện, luận văn đạt kết sau: - Luận văn giới thiệu tổng quan TBTĐN giải pháp tầm quan trọng tăng cường truyền nhiệt - Giới thiệu mơ hình dịng chảy mơi chất sơi hai pha ống: Trình bày chế hình thành mơ hình dịng chảy mơi chất sôi hai pha theo chiều dài ống, chế truyền nhiệt thay đổi hệ số truyền nhiệt dịng mơi chất sơi ống nằm ngang, ống thẳng đứng - Đã trình bày số nghiên cứu thực nghiệm hệ số truyền nhiệt, tổn thất áp suất ống micro-channel ống micro-fin để thấy ứng dụng tương lại phát triển TBTĐN sử dụng loại ống có kích thước nhỏ (micro) siêu nhỏ (nano) - Đã xây dựng mô hình dịng chảy hai pha mơi chất R410A bên ống micro-fin mô CFD lưu lượng khối G = 200 kg/m2s; G= 260 kg/m2s G = 320 kg/m2s với tỉ lượng thể tích α = 0,2; 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,85 Từ kết mơ ta vẽ dạng mơ hình dịng chảy ống phân bố theo tỷ lượng thể tích α Hình 3.11 cụ thể là: với α < 0,2 mơ hình có dạng dịng chảy phân tầng (Stratified Flow); với 0,2 < α < 0,4 mơ hình có dạng dịng chảy phân tầng gợn sóng (Stratified- Wavy Flow); với 0,4 < α < 0,7 mơ hình có dạng dịng chảy sóng (Wavy); với 0,7 < α < 0,85 mơ hình dịng chảy có dạng hỗn loạn (Churn Flow); với α > 0,85 mô hình dịng chảy có dạng hình khun (Annular Flow) - Phân vùng số liệu thực nghiệm với α < 0,85 nằm vùng có mơ hình dịng chảy hỗn loạn (Churn Flow) có hệ số trao đổi nhiệt sơi hai pha có phương trình tương (3.8) Tương tự α > 0,85 vùng có mơ hình dịng chảy hình khun (Annular Flow) - Tìm phương trình tương quan hệ số trao đổi nhiệt hai pha sôi môi chất R410A, kết thu mơ hình dự đốn tốt hệ số trao đổi nhiệt hai pha sôi môi chất R410A với sai số trung bình MD = 3,34% sai số tuyệt đối AD = 10,16% - Xây dựng đồ mơ hình dịng chảy dịng môi chất R32 bên ống với điều kiện mô tương tự R410A 56 4.2 Kiến nghị Sau hoàn thiện nội dung luận văn, em thấy số nội dung luận văn mong muốn tiếp tục thực phát triển là: - Mơ dịng mơi chất hai pha ống micro-fin với nhiều môi chất điều kiện biên khác để so sánh, tối ưu trường hợp, đưa thiết bị vào thực nghiệm thực tế - Xây dựng đồ mơ hình dịng chảy dựa kết mô chi tiết mơi chất có ứng dụng rộng rãi thực tế - Thực mô tưởng tự ống siêu nhỏ (nano-channel) 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hongtan Liu, Anchasa Pramuanjaroenkij Kakac Sadik, Heat Exchangers Selection Rating And Thermal Design- 3rd., 2012 [2] Kookjeong Seo, Jin Taek Chung Yongchan Kim, "Evaporation heat transfer characteristics of R-410A in and 9.52 mm smooth/micro-fin tubes," 2002 [3] S Wellsandt and L Vamling, "Evaporation of R407C and R410A in a horizontal herringbone microfin tube: heat transfer and pressure drop," Sep 2005 [4] Guo-Liang Ding, Xiang-Chao Huang, Bin Deng & Yi-Feng Gao Hai-Tao Hu, "Experimental investigation and correlation of two-phase heat transfer of R410A/oil mixture flow boiling in a 5-mm microfin tube," 2011 [5] Nae-Hyun Kim, "Evaporation Heat Transfer and Pressure Drop of R-410A in a 5.0 mm O.D Smooth and Microfin Tube ," 2015 [6] J M Saiz Jabardo and P E Lopez Barbieri E P Bandarra Filho, Convective boiling pressure drop of refrigerant R-134A in horizontal smooth and microfin tubes., 2004, pp 895-903 [7] H Hu, X Huang, B Deng and Y Gao G Ding, Experimental investigation and correlation of two phase friction pressure drop of R410A-oil mixture flow boiling in a mm microfin tube., 2009, pp 150-161 [8] H W Byun and J W Lee N H Kim, Condensation heat transfer and pressure drop of R-410A in three 7.0 mm outer diameter microfin tubes having dierent inside geometries., 2013, pp 235-250 [9] Y Wu, B Sunden and W Li Z Wu, Convective vaporization in microfin tubes of dierent geometries., 2013, pp 398-408 [10] Pega Hrnjak Cheng-Min Yang, "A new flow pattern map for flow boiling of R410A in horizontal micro-fin tubes considering the effect of the helix angle," 2019 [11] Michal Jan Kowalczyk , Artur Romaniak, Bartosz Warwas , Damian Obidowski Piotr Bogusław Jasinski, "Investigation of Thermal-Flow Characteristics of Pipes with Helical Micro-Fins of Variable Height," 2021 [12] Lixin Cheng, "Flow Patterns and Bubble Growth in Microchannels," in Microchannel Phase Change Transport Phenomen., 2016 [13] R.K Shah, "Thermal Hydraulic Fundamentals Classification of heat exchangers., 1986, pp 9-46 and Design," in 58 [14] A.M Jacobi, R.K Shah S.S Mehendale, Fluid flow and heat transfer at micro- and meso-scales with application to heat exchanger design., 2000, pp 175-193 [15] S.G Kandlikar, Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and microchannels., 2002, pp 389-407 [16] S.M Ghiaasiaan, S.I Abdel-Khalik, D.L Sadowski K.A Triplett, "Part I: two-phase flow patterns," in Gas-liquid two-phase flow in microchannels., 1999, pp 377-394 [17] P., & Cornwell, K Kew, "Applied Thermal," in Correlations for the prediction of boiling heat transfer in small-diameter channels., 1997, pp 705-715 [18] D Moalem-Maron N Brauner, "Identification of the range of small diameter conduits regarding two-phase flow pattern transitions," in Heat Mass Transfer., 1992, pp 29-39 [19] S.V Garimella T Harirchian, "Garimella, A comprehensive flow regime map for microchannel," in Heat Mass Transfer., 2010, pp 2694 - 2702 [20] A M., & Thome, J R Jacobi, "Model for Evaporation of Elongated Bubble Flows in Microchannels," in Heat Transfer., 2002 [21] J.R Thome, "Engineering data book III," 2010 [22] Chen, C.J Jaw S.Y, "Present Status of Second-Order Closure Turbulence Models I: Overview," Journal Engineering Mechanic, pp 485-487, 1998 [23] M J Wilson , H R Kopke , D M Graham , J C Chato & T A Newel D A Yashar, "An Investigation of Refrigerant Void Fraction in Horizontal, Microfin Tubes," in HVAC&R Research Vol 7., 2001, pp 67-82 [24] John C Chen, Correlation for boiling heat transfer to saturated fluids in convective flow., 1966 [25] V Gnielinski, International Chemical Engineering Vol 16., 1976, pp 359368 [26] B S and Popov, V N Petukhov, "Theoretical calculation of heat exchanger in turbulent flow in tubes of an incompressible fluid with variable physical properties," in High Temperature., 1963, pp 69-83 59 ... vậy, mục tiêu luận văn ? ?Phát triển phương trình tương quan hệ số trao đổi nhiệt sôi bên ống micro- fin số mơi chất lạnh dựa mơ hình dịng chảy sử dụng phương pháp số? ?? nhằm đưa phương án khắc phục khó... KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Phát triển phương trình tương quan hệ số trao đổi nhiệt sôi bên ống micro- fin số mơi chất lạnh dựa mơ hình dịng sử dụng phương pháp số TẠ VĂN TÙNG Tung.TVCB190141@sis.hust.edu.vn... W/m2.K Hệ số trao đổi nhiệt hai pha sôi thực W/m2.K nghiệm Hệ số trao đổi nhiệt cưỡng W/m2.K Hệ số dẫn nhiệt pha lỏng W/m.K Hệ số ức chế q trình sơi mầm Hệ số tăng cường q trình trao đổi nhiệt