Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng hình học đến quá trình bay hơi của kênh micro cho dòng chảy 2 pha

Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung TÓM TẮT Ảnh hưởng hình dáng hình học kênh micro trình chuyển pha lỏng cho dòng chảy hai pha nghiên cứu phương pháp mô số thực nghiệm Trong nghiên cứu này, kênh hình chữ nhật kênh hình chữ nhật bo tròn so sánh thời điểm chuyển pha, nhiệt độ đầu độ khô Bên cạnh đó, nhiệt độ nước đầu vào, nhiệt độ mơi trường lưu lượng nước cấp giữ không đổi Từ đó, tác giả đánh giá rút kết luận kết đạt Dựa sở tài liệu báo nghiên cứu khoa học đề tài nghiên cứu khác hình dáng, kích thước tính chất vật lí dịng chảy trao đổi nhiệt kênh micro, tác giả tiến hành mơ hình hóa thiết bị phù hợp với mục tiêu nghiên cứu Sau đó, mơ số tiến hành để thu kết số liệu từ số liệu cụ thể để gia công, chế tạo mẫu thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro Sau có mẫu, tác giả tiến hành thí nghiệm đo đạc số liệu thực nghiệm để từ so sánh, đối chiếu với kết mô đưa nhận xét, kết luận đại lượng có liên quan nhiệt độ, lưu lượng, ảnh hưởng đến trình bay Trong đề tài ứng dụng phiên phần mềm mô COMSOL 5.3 việc mơ dịng thay đổi pha, trình bày cụ thể bước mơ mơ hình kênh micro Kết so sánh mô thực nghiệm đạt kết có độ xác cao Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung ABSTRACT The effects of microchannel geometry on the phase transition between liquid and vapour for the two phase flow were investigated both numerically and experimentally In this study, the rectangular microchannel and rounded edge rectangular microchannel heat sink were compared with the phase transition, outlet temperature and vapour quality Beside, water flow rate, ambient temperature and inlet temperature were kept the same From that assessment, conclusions on the results were achieved Based on literature reviews and other research topics in shape, size and the physical properties of the flow in microchannel heat exchangers, author modeled equipments consistently with the research objectives Then, the numerical results were used to design themicrochannel heat exchangers After obtaining samples, author performed experiments to obtain the experimental data and compared them with simulation results, and provided comments and conclusions for each relevant quantities such as temperature and flow rate which influenced to the evaporation process The thesis was applied the latest version of simulation software - COMSOL 5.3- in changing phase flow simulation, presented specific steps microphone channel simulation model Comparison results between numerical simulation and experimental data are in good agreements Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung MỤC LỤC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO LÝ LỊCH KHOA HỌC LỜI CAM ĐOAN LỜI CÁM ƠN TÓM TẮT ABSTRACT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 10 DANH SÁCH HÌNH 12 DANH SÁCH CÁC BẢNG 15 Chương I: TỔNG QUAN 16 1.1 Tính cấp thiết đề tài 16 1.2 Tổng quan nghiên cứu liên quan 17 1.3 Mục đích đề tài 25 1.4 Giới hạn đề tài 25 1.5 Phương pháp nghiên cứu 26 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27 2.1 Lý thuyết truyền nhiệt 27 2.2 Dịng chảy lưu chất, mơ hình dòng chảy rối k – ε 29 2.2.1 Dòng chảy lưu chất 29 2.2.2 Mơ hình dịng chảy rối k – ε 31 2.3 2.3.1 Các đặc tính kênh micro 31 Hiệu ứng mao dẫn 31 Luận Văn Thạc Sĩ 2.3.2 GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Đặc tính mao dẫn kênh Micro 33 2.4 Đặc điểm trình bay 34 2.5 Nghiên cứu dịng mơi chất hai pha liên quan đến q trình bay 35 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH BAY HƠI TRONG KÊNH MICRO 40 3.1 Giới thiệu phần mềm mô COMSOL 40 3.2 Thiết kế mô hình trao đổi nhiệt micro 40 3.2.1 Kênh hình chữ nhật 42 a) Kênh 42 b) Khối lưu chất 42 3.2.2 Kênh hình chữ nhật bo trịn 43 a) Kênh 43 b) Khối lưu chất 44 3.2.3 PMMA 44 3.2.4 Khối điện trở 45 3.3 3.3.1 Các bước mơ mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro 45 Khởi động chọn thiết lập mơ hình, tính chất vật lý lời giải cho mơ hình: 45 3.3.2 Chọn mơ hình hình học – Geometry: 47 3.3.3 Thiết lập giá trị - Parameter: 48 3.3.4 Thiết lập khối: 48 3.3.5 Thiết lập vật liệu cho mơ hình – Materials : 50 3.3.6 Thiết lập module dòng chảy - Turbulent Flow, Low Re k-ε (spf): 50 3.3.7 Thiết lập module truyền nhiệt - Heat transfer (ht) 53 3.3.8 Chia lưới: 56 Luận Văn Thạc Sĩ 3.3.9 GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Kết xử lý kết 57 Lời giải – Study: 57 a) CHƯƠNG IV 58 THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH BAY HƠI TRONG THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KÊNH MICRO 58 4.1 Mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro 58 4.2 Hoàn thiện mẫu thí nghiệm 58 4.3 Mơ hình thực nghiệm 61 4.3.1 Dụng cụ thí nghiệm 62 a) Bơm li tâm 62 b) Bình điều áp 63 c) Điện trở 63 d) Dimmer 64 e) Bộ xử lí tín hiệu MX100 64 f) Cân điện tử 65 g) Bộ gia nhiệt nước 66 h) Các thiết bị phụ khác 66 4.3.2 Đo số liệu 68 a) Đo lưu lượng 68 b) Đo nhiệt độ 68 ChươngV 69 CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 69 5.1 tròn Các kết mơ kênh hình chữ nhật hình chữ nhật bo 69 5.1.1 Kênh hình chữ nhật 0,3x0,5 mm 69 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung 5.1.2 Kênh hình chữ nhật bo trịn 0,5x0,07mm 71 5.2 Các kết thực nghiệm so sánh kết thực nghiệm với mô kênh hình chữ nhật hình chữ nhật bo tròn 75 Chương VI 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ac : Diện tích mặt cắt, m2 BTĐN : Bộ trao đổi nhiệt Dh : Đường kính quy ước, m F : Hệ số ma sát Fanning H : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2K k : Hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K L : Chiều dài kênh mini, m m : Lưu lượng khối lượng, kg/s MCE : Microchannel Evaporator - Thiết bị bay kênh micro NTU : Chỉ số truyền nhiệt đơn vị (Number of Transfer Unit) Nu : Chỉ số Nusselt p : Áp suất, Pa P : Đường kính ướt, m Q : Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W q : Mật độ dòng nhiệt, W/m2 Re : Chỉ số Reynolds T : Nhiệt độ, K  : Độ nhớt động lực học, Ns/m2  : Khối lượng riêng, kg/m3  : Hệ số dẫn nhiệt, W/mK ω : Vận tốc, m/s η : Hiệu suất, %  : Chỉ số hoàn thiện, W/kPa 10 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung t : Nhiệt độ chênh lệch, oC p : Tổn thất áp suất, Pa T_in : Nhiệt độ nước vào, oC T_out : Nhiệt độ ra, oC G_0 : Lưu lượng khối lượng, g/s T_out avg : Nhiệt độ trung bình ra, oC 11 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1 Góc tiếp xúc giọt lỏng 33 Hình 2.2 Mặt lõm chất lỏng dính ướt kênh thẳng 33 Hình 2.3 Lực bề mặt 33 Hình 2.4 Sự phân bố nhiệt độ nước sôi điều kiện áp suất khí quyển 35 Hình 2.5 Các mầm hình thành tâm sơi 35 Hình 2.6 Bọt chất lỏng 36 Hình 2.7 Bọt bề mặt vật rắn 36 Hình 2.8 Các trạng thái điển hình sơi 38 Hình 3.1 Bộ trao đổi nhiệt micro 41 Hình 3.2 Kênh hình chữ nhật 42 Hình 3.3 Kích thước khới lưu chất 43 Hình 3.4 Kênh hình chữ nhật bo trịn 43 Hình 3.5 Kích thước khối lưu chất 44 Hình 3.6 Tấm PMMA 44 Hình 3.7 Khới điện trở 45 Hình 3.8 Chọn Model 46 Hình 3.9 Chọn module 46 Hình 3.10 Import mơ hình vào Comsol 47 Hình 3.11 Chỉnh đơn vị mm 47 Hình 3.12 Mơ hình graphics 48 Hình 3.13 Vào mục Explicit định dạng khới 49 Hình 3.14 Chọn thêm vật liệu 50 Hình 3.15 Thiết lập module dịng chảy 51 Hình 3.16 Thiết lập Inlet 51 Hình 3.17 Chọn biên cho Inlet 52 Hình 3.18 Thiết lập lưu lượng khối lượng 52 Hình 3.19 Thiết lập điều kiện biên Outlet 53 Hình 3.20 Chọn đặc tính biến đổi pha 54 12 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Hình 3.21 Nhập thông số biến đổi phase 54 Hình 3.22 Chọn lưu chất phase là nước 54 Hình 3.23 Nhập nhiệt lượng nguồn nhiệt 55 Hình 3.24 Chọn thiết lập nhiệt độ 55 Hình 3.25 Nhập T_in 55 Hình 3.26 Nhập giá trị cho mục Convective heat flux 56 Hình 3.27 Hình ảnh sau Build all 57 Hình 3.28 Nhập Relative Tolerance 57 Hình 3.29 Kết sau tính tốn 57 Hình 4.1 Mẫu thiết bị trao đổi nhiệt thực nghiệm 58 Hình 4.2 Hỗn hợp keo sau hịa trợn 59 Hình 4.3 Dùng cao su non để bảo vệ tránh tràn keo vào kênh 59 Hình 4.4 Quét keo cạnh xung quanh mơ hình 60 Hình 4.5 Đặt mica lên thiết bị kênh micro 60 Hình 4.6 Mẫu thiết bị sau siết bulong và đai ớc 60 Hình 4.7 Sơ đồ ngun lý hệ thớng thí nghiệm 61 Hình 4.8 Hệ thớng thí nghiệm thực tế 62 Hình 4.9 Bơm li tâm 62 Hình 4.10 Bình điều áp 63 Hình 4.11 Điện trở 63 Hình 4.12 Dimmer 64 Hình 4.13 Bợ xử lí MX100 65 Hình 4.14 Cân điện tử 65 Hình 4.15 Bợ gia nhiệt nước 66 Hình 4.16 Ampe kìm 66 Hình 4.17 VOM 67 Hình 4.18 Súng bắn nhiệt độ 67 Hình 4.19 Đồng hồ đo nhiệt đợ 68 Hình 5.1 Đợ khơ và biên dạng nhiệt đợ kênh hình chữ nhật giây thứ 150 69 Hình 5.2 Điểm bắt đầu trình chuyển pha kênh hình chữ nhật 70 13 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Modeling of Two-Phase Flow in Microchannels With Nearly Constant Heat Flux Boundary Conditions, Journal of Microelectromechanical Systtác giảs 11, 2002 [12] Henstroni G., Mosyak A., Pogrebnyak E., Segal Z., Explosive Boiling of Water in Parallel Microchannels, International Journal of Multiphase Flow 31, 2005 [13] Kandlikar, S G., Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and microchannels, Exp Therm Fluid Sci., 2002a [14] Lin Chen, X R Zhang, Heat transfer and various convection structures of near-critical CO2 flow in microchannels, Applied Thermal Engineering (2013) 1-8 [15] E.R Dario, L Tadrist, J.C Passos Review on two-phase flow distribution in parallel channels with macro and micro hydraulic diameters: Main results, analyses, trends Applied Thermal Engineering 59 (2013) 316-335 [16] D.E Kim, D I Yu, D W Jerng, M H Kim, H S Ahn Review of boiling heat transfer enhanctác giảent on micro/nanostructured surfaces Experimental Thermal and Fluid Science 66 (2015) 173-196 [17] Sneha S Gosai, Vivek C Joshi [6] A Review on Two Phase Flow in Micro channel Heat, International Journal of Applied Research & Studies ISSN 2278 – 9480 [18] Navin Raja Kuppusamy, R Saidur, N.N.N Ghazali, H.A Mohammed, Numerical study of thermal enhancement in micro channel heat sink with secondary flow, 2014 [19] Guodong Wang, Ping Cheng, A.E Bergles, Effects of inlet/outlet configurations on flow boiling instability in parallel microchannels, 2007 [20] Bruno Agostini, Re´mi Revellin, John R Thome, Elongated bubbles in microchannels Part I: Experimental study and modeling of elongated bubble velocity, 2007 82 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung [21] S.G Singh, A Kulkarni, S.P Duttagupta, B.P Puranik, A Agrawal, Impact of aspect ratio on flow boiling of water in rectangular microchannels, 2008 [22] Boris Schilder, Simon Yu Ching Man, Nobuhide Kasagi, Steffen Hardt, Peter Stephan, Flow Visualization and Local Measurement of Forced Convection Heat Transfer in a Microtube, 2010 [23] K Balasubramanian, P.S Lee,L.W.Jin, S.K Chou, C.J Teo, S Gao, Experimental investigations of flow boiling heat transfer and pressure drop in straight and expanding microchannels e A comparative study, 2011 [24] Ayman Megahed, Experimental investigation of flow boiling characteristics in a cross-linked microchannel heat sink, 2010 [25] S Barlak, S Yapıcı, O.N Sara, Experimental investigation of pressure drop and friction factor for water flow in microtubes, 2010 characteristics, 2004 [26] Poh-Seng Lee, Suresh V Garimella, Saturated flow boiling heat transfer and pressure drop in silicon microchannel arrays, 2007 [27] Ayman Megahed, Ibrahim Hassan, Two-phase pressure drop and flow visualization of FC-72 in a silicon microchannel heat sink, 2009 [28] Z.Y.Ling, J.N.Ding, J.C.Yang, Y.Liu, Z.Fan, P.Yang and Z.W.Zhuang, Experimental Study of Flow Characteristics of Distilled Water under Pressure Driven in Microchannel, 2006 [29] Thanhtrung Dang, Jyh-tong Teng, Jiann-Cherng Chu, A study on the simulation and experiment of a microchannel counter-flow heat exchanger, Applied Thermal Engineering, 2010 [30] Thanhtrung Dang, Jyh-tong Teng, Jiann-Cherng Chu, Influence of Gravity on the Performance Index of Microchannel Heat Exchangers, 2011 [31] Thanhtrung Dang, Kimhang Vo, Tronghieu Nguyen, Experiments on Expansion and Superheat Processes of a CO2 Cycle Using Microchannel 83 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Evaporator, American Journal of Engineering Research (AJER), Vol 6, 2017, pp 115-121 [32] Thanhtrung Dang, Chihiep Le, Tronghieu Nguyen, and Minhhung Doan , A Study on the COP of CO2 Air Conditioning System with Minichannel Evaporator Using Subcooling Process, Mechanics, Materials Science & Engineering (MMSE) Journal, Vol 10, 2017, pp.1-13 [33] Ketdoan V Chau, Tronghieu Nguyen, and Thanhtrung Dang , Numerical Simulation on Heat Transfer Phenomena in Microchannel Evaporator of A CO2 Air Conditioning System, American Journal of Engineering Research (AJER), Vol.6,2017, Issue-2, pp-174-180,e-ISSN: 2320-0847 [34] Tankhuong Nguyen, Tronghieu Nguyen, Thanhtrung Dang, and Minhhung Doan, An Experiment on a CO Air Conditioning System with Copper Heat Exchangers, International Journal of Advanced Engineering, Management and Science (IJAEMS), Vol-2, 2016 Issue-12, ISSN : 2454-1311 [35] Yunus A Cengel Heat Transfer, Second Edition, 2015 [36] COMSOL Multiphysics version 5.3, Documentation [37] TS Đặng Thành Trung, Mô số học Comsol Multiphysics, Nhà xuất khoa học kỹ thuật,2012 [38] TS Đặng Thành Trung, Multiphysics Ứng dụng truyền nhiệt lưu chất, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2012 [39] PGS.TS Hồng Đình Tín, Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất Trung tâm nghiên cứu thiết bị lượng mới, 2007 84 PHỤ LỤC 1: BÀI BÁO ĐĂNG TRÊN TẠP CHÍ KHOA HỌC QUỐC TẾ Tác giả đăng báo lên tạp chí khoa học quốc tế: International Journal of Power and Energy Research Bài báo chấp nhận chờ ngày phát hành Bên bảng tóm tắt lần chỉnh sửa chi tiết báo    u v w      u v w    0 t x y z  x y z  u u u u p    2u  2u  2u  u v  w        t x y z  x   x y z  v v v v p    2v  2v  2v  u v  w        t x y z  x   x y z  w w w w p    w  w  w  u v w       t x y z  x   x y z  T T T T    2T  2T  2T u v w     t x y z C p  x y z    Qi   u 2     (u.)u  . pl  (   T )(u  (u )T )  (   T )(.u )l  kl  F t 3   T  C Cp    k2  Cphase1  1   phase2 Cphase2   L phase1  m T  Cp            T Fixed parameters    ... tố hình dáng kênh micro thay đổi để nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng đến trình bay kênh micro cho dòng chảy hai pha với lưu chất làm việc nước cất Hai trao đổi nhiệt với kênh hình chữ nhật kênh hình. .. Nước 100kg/m2s, 110kg/m2s, 121 kg/m2s, 133kg/m2s 5W/cm2 15W/cm2 25 W/cm2 35W/cm2 Không rõ Nước 99kg/m2s, 147kg/m2s, 167kg/m2s, 188kg/m2s 23 2kg/m2s 27 5kg/m2s 49kW/cm2 88kW/cm2 0.45kPa Nước Không rõ... trao đổi nhiệt kênh micro Do vậy, đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng hình học đến trình bay kênh micro cho 16 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung dịng chảy hai pha Trong đó,