(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi kênh Micro dùng môi chất CO2
Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung LỜI CAM ĐOAN Tơi tên Châu Văn Kết Đồn, học viên cao học ngành Kỹ thuật nhiệt khóa 2015 – 2017A Tôi cam đoan luận văn thạc sĩ “nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ lưu lư ng đ n u t nh a h i t ng ênh ic ng i chất CO2” cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 04 năm 2017 (Ký tên ghi rõ họ tên) Châu Văn Kết Đoàn ii Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS.TS Đặng Thành Trung, thầy ThS Nguyễn Trọng Hiếu tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, quan tâm, động viên nhóm nghiên cứu CO2 đồng hành suốt trình nghiên cứu, thực luận văn ―nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ lưu lư ng đ n u t nh a h i t ng ênh ng ic i chất CO2‖ Em xin chân thành cảm ơn đến tất Quý thầy cô môn Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt, khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh tâm huyết mở lớp cao học ngành Kỹ Thuật Nhiệt khóa 2015-2017 để tạo hội cho em thực ước mơ nghiên cứu Các thầy truyền đạt kiến thức vô quý báu thơng qua mơn học chương trình đào tạo cách tốt để em nghiên cứu hoàn thành tốt luận văn Em cố gắng để thực luận văn hạn chế kinh nghiệm, thời gian nguồn tài liệu tham khảo nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì em mong nhận đóng góp ý kiến từ q thầy để luận văn hồn thiện Học viên thực iii Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung TÓM TẮT Đề tài tập trung nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ lưu lượng đến trình bay kênh micro sử dụng môi chất CO2 tiến hành thay đổi điều kiện nhiệt độ CO2 đầu vào lưu lượng CO2 kênh micro phương pháp mô số thực nghiệm Dựa nghiên cứu liên quan hình dáng, kích thước tính chất vật lí dịng chảy trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng môi chất CO 2, thiết bị bay kênh micro thiết kế cho mơ hình thí nghiệm điều hịa khơng khí CO2 Phần mềm COMSOL MultiPhysics phiên 5.2a sử dụng để mơ q trình bay thay đổi nhiệt độ lưu lượng đầu vào kênh micro dùng môi chất CO2 Các kết mô số nhiệt độ áp suất đồng thuận với kết thực nghiệm dùng điều kiện Tại áp suất dàn nóng 85 bar áp suất dàn bay 37 bar (tương ứng với nhiệt độ bay 50C), độ khô tăng từ 0,50 đến 0,52 gas CO2 vào dàn bay vị trí 200 mm Những kết thu thấy công bố khoa học iv Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung ABSTRACT This thesis mentioned the influence of temperature and mass flow rate in a microchannel evaporator using CO2 as changing the conditions such as temperature and mass flow rate of CO2 for microchannel evaporator, for both experimentally and numerically Then evaluate and give conclusions about the results Based on literature reviews about geometry, dimension, and physical properties of flow in microchannel heat exchanger using CO2, a microchannel evaporator was desiged for experimental CO2 air conditioining cycle COMSOL MultiPhysics, version 5.2a, was used to simulate evaporation process as varying the inlet temperature and flow rate in microchannel using CO2 The numerical results of temperature and pressure are in good agreement with those obtained from experimental data at the same condition At the cooler pressure of 85 bar and evaporator pressure of 37 bar (corresponding with the evaporating temperature of C), the vapor quality increases from 0.50 to 0.52 when the CO2 refrigerant enters evaporator at position of 200 mm It is noted that the numerical results have rarely seen in literature reviews v Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CÁM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH CÁC HÌNH xii DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii Chư ng I TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.1 Nghiên cứu nước 1.2.2 Nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu nghiên cứu mong muốn đạt 10 1.3.1 Mục tiêu đề tài 10 1.3.2 Mong muốn đạt 10 1.4 Phương pháp nghiên cứu 10 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 10 1.6 Nội dung nghiên cứu 10 Chư ng II 11 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 vi Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung 2.1 Giới thiệu chung CO2 11 2.2 Lý thuyết truyền nhiệt 14 2.3 Dịng chảy lưu chất, mơ hình dịng chảy rối k – ε 15 2.3.1 Dòng chảy lưu chất 15 2.3.2 Mơ hình dịng chảy rối k – ε 18 Chư ng III 21 MƠ PHỎNG SỐ VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH 21 3.1 Thiết kế mơ hình thí nghiệm 21 3.1.1 Tính tốn chu trình lạnh dùng mơi chất CO2 21 3.2 Mô số 25 3.2.1 Giới thiệu mô số 25 3.2.2 Các điều kiện mô COMSOL MULTIPHYSICS 5.2a 26 3.2.3 Trình bày mơ số phần mềm comsol 5.2a ứng với t_ CO2in = 50C m_CO2in = 5,2 g/s 27 3.3 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 39 Chư ng IV 42 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ VÀ THẢO LUẬN 42 4.1 Các kết mô số kênh micro với nhiệt độ đầu vào CO2 5oC lưu lượng đầu vào 5,2 g/s 42 4.2 Kết mô số thay đổi lưu lượng cố định nhiệt độ CO2 46 4.3 Kết mô số thay đổi nhiệt độ cố định lưu lượng CO2 50 Chư ng V 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 LỜI CÁM ƠN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 vii Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung PHỤ LỤC 59 viii 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 micro, 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 u : Vận tốc theo phương x, m/s v : Vận tốc theo phương y, m/s w :Vận tốc theo phương z, m/s ix Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung η : Hiệu suất, % : Chỉ số hoàn thiện, W/kPa t : Nhiệt độ chênh lệch, K p : Tổn thất áp suất, Pa t_in : Nhiệt độ nước vào, oC t_out : Nhiệt độ ra, oC m_in : Lưu lượng khối lượng, g/s x Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình thực nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro Hình 1.2 Sơ đồ thực nghiệm đặc tính truyền nhiệt sơi CO2 kênh Hình 2.1 Sơ đồ pha CO2 12 Hình 2.2 Đồ thị lgp-h CO2 13 Hình 2.3 Đồ thị T-S CO2 13 Hình 3.1 Đồ thị lgp-h biểu diễn trạng thái chu trình 21 Hình 3.2 Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit 23 Hình 3.3 Kích thước dàn bay kênh micro 24 Hình 3.4 Chọn Model 27 Hình 3.5 Chọn module 28 Hình 3.6 Import mơ hình vào Comsol 28 Hình 3.7 Chỉnh đơn vị mm 29 Hình 3.8 Mơ hình graphics 30 Hình 3.9 Chọn thêm vật liệu 31 Hình 3.10 Vật liệu sau thêm vào 31 Hình 3.11 Thiết lập liệu truyền nhiệt 32 Hình 3.12.Thiết lập miền nhiệt độ đầu vào 32 Hình 3.13.Thiết lập miền heat flux 33 Hình 3.14 Thiết lập giá trị cho mục Convective heat flux 33 Hình 3.15 Thiết lập giá trị cho mục phase change material 34 Hình 3.16 Thiết lập liệu dòng chảy 35 Hình 3.17 Thiết lập Inlet 35 Hình 3.18.Thiết lập điều kiện biên cho Inlet 36 Hình 3.19 Thiết lập điều kiện biên cho Outlet 37 Hình 3.20 Hình ảnh sét lưới sau Build all 38 Hình 3.21 Kết sau tính tốn 38 Hình 3.22 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 39 Hình 3.23 Đồ thị T-S Lgp-h chu trình nén CO2 39 xi Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Chư ng V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với đề tài “nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ lưu lư ng đ n u t nh a h i t ng ênh ic ng i chất CO2” hoàn thành mục tiêu đặt sau: Đã tính tốn thiết kế dàn bay kênh micro dùng môi chất CO2, với công suất lạnh 2700 W Dàn bay dùng hệ thống điều hòa khơng khí CO2 Dựa nghiên cứu trước, thông số liệu đầu vào chọn (áp suất giải nhiệt giàn nóng 85 bar, áp suất bay giàn lạnh 37 bar, tương ứng với nhiệt độ bay 50C) dùng phần mềm mô số COMSOL MultiPhysics, phiên 5.2a mô thành cơng dịng chảy pha Các kết mô so sánh với kết thực nghiệm nhiệt độ, áp suất độ khô mơi chất CO2 ứng với vị trí 200 mm kênh micro Vậy phương pháp thực nghiệm mô số thu kết quan trọng sau: - Khi thay đổi lưu lượng khối lượng môi chất CO2 đầu vào kênh micro tăng từ - g/s đồng thời cố định nhiệt độ bay 50C độ khơ đầu kênh micro có xu hướng ngày giảm - Khi thay đổi nhiệt độ môi chất CO2 đầu vào kênh micro tăng từ - 100C đồng thời cố định lưu lượng khối lượng 5,2 g/s độ khơ đầu kênh micro có xu hướng ngày tăng - Các kết mô số nhiệt độ áp suất đồng thuận với kết thực nghiệm điều kiện Tuy nhiên số hạn chế thời gian, máy tính đủ mạnh để chạy mơ số, độ xác thiết bị đo, kiến thức chuyên sâu nghiên cứu Do đó, em cần góp ý đánh giá quý thầy cô để giúp đề tài hoàn thiện 53 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Đây hướng nghiên cứu thấy báo giới Chính vậy, tác giả xin kiến nghị hướng nghiên cứu thay đổi nhiều dạng kênh micro khác để tiếp tục đưa kết so sánh đánh giá có ý nghĩa cho khoa học, bên cạnh nên đầu tư thiết bị đo máy tính để đảm bảo độ xác cao Bên cạnh đó, tác giả cịn thấy việc sử dụng phần mềm mô số comsol việc cần thiết cho khoa học kỹ thuật Vì vậy, nghiên cứu sau cần đầu tư nghiên cứu chuyên sâu phần mềm comsol với phiên để mô tượng, hình ảnh dịng lưu chất CO2 thiết bị bay kênh micro ứng với nhiều thông số nhiệt độ lưu lượng khối lượng đầu vào, để đảm bảo độ xác cao chọn thông số nhiệt độ lưu lượng tối ưu thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro 54 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung LỜI CÁM ƠN Tác giả cảm ơn sâu sắc hỗ trợ cho nghiên cứu đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ (B2015.22.01) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Asadi et al,‖ A review of heat transfer and pressure drop characteristics of single and two-phase microchannels‖, International Journal of Heat and Mass Transfer 79 (2014) 34–53 [2] Huang et al,‖ The experimental investigation of axial heat conduction effect on the heat transfer analysis in microchannel flow‖, International Journal of Heat and Mass Transfer 70 (2014) 169–173 [3] Thanhtrung Dang et all ―A study on the simulation and experiment of a microchannel counter-flow heat exchanger‖Applied Thermal Engineering 30 (2010) 2163e2172 [4] T.T Đang, J T Teng, Comparisons of the heat transfer and pressure drop of the microchannel and minichannel heat exchangers Heat Mass Transfer (2011) 47:1311–1322 [5] G Lorentzen, The use of natural refrigerants: a complete solution to the CFC/HCFC predicament Elsevier Science Ltd and IIR Int J Refri Vol 18, No 3, pp 190 197, 1995 [6] Y Zhao, M Molki, M.M Ohadi, S.V Dessiatoun, Flow boiling of CO2 in microchannels, ASHRAE Trans 106 (1) (2000) 437–445 [7] Yun et al,‖ Convective boiling heat transfer characteristics of CO2in microchannels‖, International Journal of Heat and Mass Transfer 48 (2005) 235–242 [8] J of the Braz Soc of Mech Sci & Eng.‖Carbon Dioxide Evaporation in aSingle Microchannel‖ Vol XXVIII, No 1, January-82Mach 2006 [9] Kim and Bullard,‖ Development of a microchannel evaporator model for a CO2 air-conditioning system‖, Energy 26 (2001) 931–948 55 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung [10] Yu et al,‖ Experiment and lattice Boltzmann simulation of two-phase gas– liquid flows in microchannels’, Chemical Engineering Science 62 (2007) 7172 – 7183 [11] Lixin Cheng and John R Thome,‖ Cooling of microprocessors using flow boiling of CO2 in a micro-evaporator: Preliminary analysis and performance comparison‖ Applied Thermal Engineering 29 (2009) 2426–2432 [12] Pettersen,‖ Flow vaporization of CO2 in microchannel tubes‖ Experimental Thermal and Fluid Science 28 (2004) 111–121 [13] Thome and Ribatski ―State-of-the-art of two-phase flow and flow boiling heat transfer and pressure drop of CO2 in macro- and micro-channels” International Journal of Refrigeration 28 (2005) 1149–1168 [14] Ducoulombier et al,‖ Carbon dioxide flow boiling in a single microchannel – Part I: Pressure drops‖,Experimental Thermal and Fluid Science 35 (2011) 581–596 [15] Cheng et al, ―New prediction methods for CO2 evaporation inside tubes: Part I – A two-phase flow pattern map and a flow pattern based phenomenological model for two-phase flow frictional pressure drops‖ International Journal of Heat and Mass Transfer 51 (2008) 111–124 [16] R Yun, J.Y Heo, Y Kim, Evaporative heat transfer and pressure drop of R410A in microchannels, Int J Refrig 29 (2006) 92e100 [17] Schael and Kind,‖ Flow pattern and heat transfer characteristics during flow boiling of CO2 in a horizontal micro fin tube and comparison with smooth tube data‖ International Journal of Refrigeration 28 (2005) 1186–1195 [18] Wu et al,‖ New experimental data of CO2 flow boiling in mini tube with micro fins of zero helix angle‖ International Journal of Refrigeration (2015) [19] Cho et al,‖Experimental studies on the characteristics of evaporative heat transfer and pressure drop of CO2/propane mixtures in horizontal and vertical smooth and micro-fin tubes‖, International Journal of Refrigeration 33 ( 2010 ) 170 – 179 56 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung [20] Vamadevan and Kraft,‖ Processing effects in aluminum micro-channel tube for brazed R744 heat exchangers‖, Journal of Materials Processing Technology 191 (2007) 30–33 [21] Ducoulombier et al,‖ Carbon dioxide flow boiling in a single microchannel – Part II: Heat transfer‖,Experimental Thermal and Fluid Science 35 (2011) 597– 611 [22] Pamitran et al,‖ Two-phase pressure drop during CO2 vaporization inhorizontal smooth minichannels‖, International Journal of Refrigeration 31 (200 8) 1375 – 1383 [23] T.L Ngo, Y Kato, K Nikitin, T Ishizuka, Heat transfer and pressure drop correlations of microchannel heat exchangers with S-shaped and zigzag fins for carbon dioxide cycles, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol 32, 2007, pp 560-570 [24] S Barlak, S Yapici, O.N Sara, Experimental investigation of pressure drop and friction factor for water flow in microtubes, Int J Therm Sci 50 (2011)361e368 [25] G Kuang , M Ohadi, S Dessiatoun, Semi-Empirical Correlation of Gas Cooling Heat Transfer of Supercritical Carbon Dioxide in Microchannels HVAC&R Research, 14:6, 861-870 [26] Rin Yun et al., ―Numerical analysis on a microchannel evaporator designed for CO2 air-conditioning systems‖, Applied Thermal Engineering 27 (2007) 1320–1326 [27] Nguyễn Trọng Hiếu cộng ―Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt thiết bị bay kênh micro dùng môi chất lạnh CO2 phương pháp mơ số‖, Hội nghị khí tồn quố 2015, 2015, pp 631-636 [28] Batan Le et al., ―The effects of microchannel geometry on heat tranfer behaviors for two phase flow by numerical simulation‖, Hội nghị khí tồn quố 2015, 2015, pp 627-642 57 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung [29] Đặng Thành Trung cộng ―Nghiên cứu ảnh hưởng sơ đồ dòng chảy đến trình bay kênh micro‖, Hội nghị khí tồn quố 2015, 2015, pp 643-648 [30] ASHRAE Handbook—Fundamentals, SI ed Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc ASHRAE 2005 [31] Kandlikar SG, Garimella S, Li DQ, Colin S, King MR, ―Heat transfer and fluid flow in minichannels and microchannels‖, Elsevier Pte Ltd., Singapore (2006) [32] Yunus A Cengel Heat Transfer, Second Edition, 2015 [33] COMSOL Multiphysics version 5.2a, Documentation, May 2015 [34] PGS.TS Nguyễn Đức Lợi ―Kỹ thuật lạnh ứng dụng‖ NXB Giáo Dục 2009 58 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung PHỤ LỤC 59 American Journal of Engineering Research (AJER) 2017 American Journal of Engineering Research (AJER) e-ISSN: 2320-0847 p-ISSN : 2320-0936 Volume-6, Issue-2, pp-174-180 www.ajer.org Research Paper Open Access Numerical Simulation on Heat Transfer Phenomena in Microchannel Evaporator of A CO2 Air Conditioning System Ketdoan V Chau, Tronghieu Nguyen, and Thanhtrung Dang Department of Thermal Engineering, Hochiminh City University of Technology and Education, Vietnam ABSTRACT: The investigation presented a numerical simulation on heat transfer behaviors in microchannel evaporator of a CO2 air conditioning system The conditions for numerical simulation were applied by the experimental data of a CO2 air conditioning cycle This cycle worked with the cooler pressure of 85 bar, evaporator pressure of 37 bar, and the CO2 flow rate of 5.2 g/s The temperature and pressure in microchannels are uniform; they are suitable with the theory of evaporating process The numerical results are in good agreement with those obtained from experimental data at the same condition In addition, the vapor quality increases from 0.50 to 0.52 when the CO2 refrigerant enters the evaporator at position of 200mm These results are in good agreement with experimental data Keywords – Numerical simulation, CO2 refrigerant, air conditioning system, heat transfer, evaporator I INTRODUCTION The CO2 air conditioning systems using microchannel heat exchangers are very interesting for scientists These topics related to environmental protection and energy efficiency Regarding to CO2 air conditioning using microchannel evaporator, Asadi et al [1] reviewed heat transfer and pressure drop characteristics of single and two-phase microchannels The review showed that earlier investigations were largely concentrated using experimental methods, while more recent studies (from 2003 to 2013) used numerical simulations for predicting pressure drop and heat transfer coefficients Huang et al [2] also studied non-linear fluid flow and the surface temperature changes inside the microchannel with temperature sensor molecule technology Dang et al [3, 4] studied the microchannel heat transfer of single phase flow with water as the working fluid The results showed that the influence of gravity to the heat transfer and pressure drop characteristics of the microchannel heat exchanger is negligible The difference of heat transfer coefficient between the experimental method and numerical simulation is less than 9% Zhao et al [5] investigated experimentally for the flow of CO2 and R134a boiling in micro-channels, with the vapor quality is from 0.05 to 0.3 They concluded that the heat transfer coefficient of CO2 is higher than 200% with R134a Yun et al [6] studied the boiling heat transfer characteristics of CO2 in the microchannel Results showed that the average heat transfer coefficient of CO2 is higher than 53% with R134a Gasche [7] investigated experimentally the evaporation of CO2 inside the tubular microphone channel with a diameter of 0.8mm The average heat transfer coefficient of 9700 W/(m2 °C) was achieved with a standard error 35% For the vapor quality is low (less 0.25), the slow flow is predominant; whereas, for the vapor quality is high (over 0.50), the annular flow is better Kim and Bullard [8] researched and made a very important result for the evaporation of CO2 refrigerant in the evaporator In this study, the formulas of heat transfer and pressure drops due to friction for microchannel heat exchanger according to the boiling liquid and saturated vapor were mentioned from the balance mass and balances energy equations In the two-phase flows in microchannels, Yu et al [9] studied two-phase gas-liquid flows in microchannels using experiment and lattice Boltzmann simulation The results showed that the two-phase flow has more advantages on the heat transfer and transmission quality than single-phase flow Cheng and Thome [10] researched on the evaporation temperature of CO2 refrigerant in the micro-channel evaporator With the two-phase flow, CO2 heat transfer coefficient is higher and the pressure drop is lower than that of R236fa Pettersen [11] studied about two-phase flow in microchannel tubes using CO2 refrigerant The results showed that the heat transfer is much influenced by the vapor quality, especially in volume flow and temperature Thome and Ribatski [12] reviewed two-phase flow and flow boiling heat transfer and pressure drop of CO in macro- and micro-channel The review addresses flow boiling heat transfer experimental studies, macro- and www.ajer.org Page 174 American Journal of Engineering Research (AJER) 2017 micro-scale heat transfer prediction methods for CO2 Ducoulombier et al [13] studied carbon dioxide flow boiling in a single microchannel However, this study mentioned about pressure drop only Yun et al [14] carried out two experiments for two-phase flow in microchannel, using R410A refrigerant The hydraulic diameters are 1.36 and 1.44 mm As the saturation temperatures were maintained at 0, and 10 °C, the mass flux was varied from 200 to 400 kg/m2s, heat flux from 10 to 20 kW/m2 However, this study did not use CO2 as the working fluid Cheng et al [15] researched the updated model of CO2 flow in the pipe diameters from 0.6 to 10 mm, mass velocities from 50 to 1500 kg /m2s, heat fluxes from 1.8 to 46 kW/m2 and saturation temperatures from -28 to 250C However, studies in [14, 15] did not mention the complete CO2 air conditioning cycle using microchannel evaporator Schael and Kind [16] studied the flow patterns and heat transfer characteristics of CO2 in the micro fin tube and compared with smooth pipes The results showed that the thermal conductivity in micro-channel fins tube is significantly higher than the smooth tube From literature reviews above, there are no more numerical studies on heat transfer phenomena in microchannel evaporator of a complete CO2 air conditioning system They did not indicate phase transition of CO2 air conditioning cycle clearly So, it is essential to investigate heat transfer phenomena on microchannel evaporator of a CO2 air conditioning system by using numerical simulation II METHODOLOGY 2.1 Mathematical Model The governing equations describing the microchannel evaporator consist of the continuity equation, momentum equations, and energy equation [3, 15, 16] Fluid properties equations in 3D Cartesian coordinates can be shown by: (u.)u 2 pI ( T ) u (u )T ( T )(.u) I kI F 3 .( u ) (u.)k T k p k k 2 (u.) T Ce1 Pk Ce , ep e K K C p u T .q Q Q p Qvd q k T Equations for solid can be shown by: C p u T .q Q Qted q k T Equations for change phase can be shown by: C p u T .q Q Q p Qvd q k T phase1 (1 ) phase Cp C p , phase1 (1 ). phase 2C p , phase L phase1 m T K k phase1 (1 ) K phase m (1 ) phase phase1 phase1 (1 ) phase Equations for wall: www.ajer.org Page 175 American Journal of Engineering Research (AJER) 2017 u.n u 2 T T u (u ) ( T )(.u ) I kI n utang w utang u (u.n)n k n 0, C k K v w Equations for inlet: (u.n)dbc dS m k 3/2 k (U ref / T ) , C3/4 LT Equations for outlet: 2 T pl ( T ) u (u ) ( T )(.u ).I kI n po n k n 0, n T T nq C p C1/4 k 1/2 w T Initial conditions for temperature: T T0 Initial conditions for heat flux: -n.q=q0 where p is pressure, p0 is pressure at the outlet, u is velocity field, T is temperature, Q is heat transfer rate, Qi is internal heat generation, k is thermal conductivity, is dynamic viscosity, is density, u is velocity in the x-direction, v is velocity in the y-direction, w is velocity in the z-direction, q is heat flux, c is specific heat, m is mass flow rate, S is area, k is turbulent kinetic energy, n is normal vector, is turbulent dissipation rate, utang is velocity field, LT is turbulence length scale, lT is Turbulent intensity, Uref is is velocity Reference, K is Average viscous stress, α is thermal diffusivity and θ is phase indicator 2.2 Design and numerical simulation The heat transfer process of this microchannel evaporator is carried out between the CO2 refrigerant and air Fig shows the dimensions of the evaporator The material for this heat exchanger is aluminum, used as a substrate with the thermal conductivity of 237 W/(mºC), density of 2,700 kg/m3, and specific heat at constant pressure of 904 J/(kgºC) Fig Dimensions of the microchannel evaporator www.ajer.org Page 176 American Journal of Engineering Research (AJER) 2017 The evaporator has six passes (29 channels in the total) Microchannels have a square cross-section with the side of 900 m The total heat transfer area of this evaporator is 2.5 m2 To simplify the numerical simulation for the microchannel evaporator, the sample for simulation is the microchannel section from the inlet of evaporator to the position of 200 mm, as indicated in Fig.1 The dimensions of the microchannel section for simulation are shown in Fig.2 Numerical study of the behavior of the microchannel section of evaporator with 3D was done by using the COMSOL Multiphysics software, version 5.2a The mesh diagram of the microchannel section of evaporator is shown in Fig.3 The nodalization of this model was done by using 244329 mesh elements The solution time of this model was 1505 seconds; the number of degrees of freedom was 287833 (plus 58627 internal DOFs); a relative tolerance was 10-6 Fig Grid mesh diagram of the microchannel section of evaporator III RESULTS AND DISCUSSION The simulation conditions were based on the thermodynamic parameters of the CO2 air conditioning system in Fig The principle of CO2 air conditioning cycle was indicated in [17] Fig The thermodynamic points of the cycle on p-h diagram www.ajer.org Page 177 American Journal of Engineering Research (AJER) 2017 Fig Temperature profiles of the microchannel section of the evaporator This cycle operated with the cooler pressure of 85 bar, evaporator pressure of 37 bar (corresponding with the evaporating temperature of C), and the CO2 flow rate of 5.2 g/s The numerical results in Fig show temperature profiles of the microchannel section It is observed that the temperature in microchannels is uniform; it is suitable with the theory of evaporating process The numerical results in Fig are in good agreement with those obtained from experimental data at the same condition (as shown in Fig 6) Fig A picture of microchannel evaporator using thermal camera Fig Pressure profiles of the microchannel section of the evaporator www.ajer.org Page 178 American Journal of Engineering Research (AJER) 2017 The pressure profiles of microchannel section of evaporator are shown in Fig The pressure value in microchannels is also uniform with the values around 37 bar; it also is suitable with the theory of evaporating process The numerical results in Fig are in good agreement with those obtained from experimental data in Fig However, in Fig 4, the pressures at the outlets of the evaporator are lower than those obtained from the inlet ones It is due to pressure drop of the heat exchanger and suction force of the compressor In this experiment, the liquid and flash refrigerant had the vapor quality of 0.5; this value was used to simulate The numerical results in Fig show the phase change in the microchannels It is observed that the vapor quality increases from 0.50 to 0.52 when the CO2 refrigerant enters evaporator at position of 200mm These results are in good agreement with experimental data (the experimental data of vapor quality at the position of 200 mm was estimated about 0.53) It is noted that the results in Figs 5-8 have rarely seen in literature reviews These numerical results will be valuable to investigate the evaporation and condensation in microchannels, especially for CO2 refrigerant Fig Phase transition in the microchannels IV CONCLUSION A numerical simulation on heat transfer behaviors in microchannel evaporator of a CO2 air conditioning system was done The numerical results were compared with experimental data of a CO2 air conditioning cycle This cycle operated with the cooler pressure of 85 bar, evaporator pressure of 37 bar (corresponding with the evaporating temperature of C), and the CO2 flow rate of 5.2 g/s The temperature and pressure in microchannels are uniform; they are suitable with the theory of evaporating process The numerical results of temperature and pressure are in good agreement with those obtained from experimental data at the same condition In this study, the vapor quality increases from 0.50 to 0.52 when the CO2 refrigerant enters evaporator at position of 200 mm These results are in good agreement with experimental data It is noted that the numerical results have rarely seen in literature reviews ACKNOWLEDGEMENTS The supports of this work by the project No.B2015.22.01 (sponsored by Vietnam Ministry of Education and Training) are deeply appreciated REFERENCES [1] [2] [3] [4] [5] [6] Masoud Asadi, Gongnan Xie, Bengt Sunden, A review of heat transfer and pressure drop characteristics of single and two-phase microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer, 79 , 2014, 34–53 Chih-Yung Huang, Cheng-Min Wu, Ying-Nung Chen, Tong-Miin Liou, The experimental investigation of axial heat conduction effect on the heat transfer analysis in microchannel flow, International Journal of Heat and Mass Transfer, 70, 2014, 169–173 Thanhtrung Dang, Jyh-tong Teng, Jiann-cherng Chu, A study on the simulation and experiment of a microchannel counter-flow heat exchange, Applied Thermal Engineering, 30, 2010, 2163-2172 Thanhtrung Dang, Jyh-tong Teng, The effects of configurations on the performance of microchannel counter-flow heat exchangerse - An experimental study, Applied Thermal Engineering, 31, 2011, 3946-3955 Xiumin Zhao, P.K Bansal, Flow boiling heat transfer characteristics of CO2 at low temperaturess, International Journal of Refrigeration, 30, 2007, 937-945 Rin Yun, Yongchan Kim, Min Soo Kim, Convective boiling heat transfer characteristics of CO2 in microchannel, International Journal of Heat and Mass Transfer, 48, 2005, 235–242 www.ajer.org Page 179 American Journal of Engineering Research (AJER) [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] 2017 José L Gasche , Carbon Dioxide Evaporation in a Single Microchannel, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences, 28 (1), 2006 Man-Hoe Kim, Clark W Bullard, Development of a microchannel evaporator model for a CO2 air-conditioning system, Energy, 26, 2001, 931–948 Zhao Yu, Orin Hemminger, Liang-Shih Fan, Experiment and lattice Boltzmann simulation of two-phase gas–liquid flows in microchannels, Chemical Engineering Science, 62, 2007, 7172 – 7183 Lixin Cheng, John R Thome, Cooling of microprocessors using flow boiling of CO2 in a micro-evaporator: Preliminary analysis and performance comparison, Applied Thermal Engineering, 29, 2009, 2426–2432 Jostein Pettersen, Flow vaporization of CO2 in microchannel tubes, Experimental Thermal and Fluid Science, 28, 2004, 111–121 John R Thome, Gherhardt Ribatski, State-of-the-art of two-phase flow and flow boiling heat transfer and pressure drop of CO2 in macro- and micro-channel, International Journal of Refrigeration, 28, 2005, 1149–1168 Maxime Ducoulombier , Stéphane Colasson, Jocelyn Bonjour, Philippe Haberschill, Carbon dioxide flow boiling in a single microchannel – Part I: Pressure drop, Experimental Thermal and Fluid Science, 35, 2011, 581–596 R Yun, J.Y Heo, Y Kim, Evaporative heat transfer and pressure drop of R410A in microchannels, International Journal of Refrigeration, 29, 2006, 92-100 Lixin Cheng, Gherhardt Ribatski, Jesús Moreno Quibén, John R Thome, New prediction methods for CO2 evaporation inside tubes: Part I – A two-phase flow pattern map and a flow pattern based phenomenological model for two-phase flow frictional pressure drop, International Journal of Heat and Mass Transfer, 51, 2008, 111–124 Arndt-Erik Schael, Matthias Kind, Flow pattern and heat transfer characteristics during flow boiling of CO in a horizontal micro fin tube and comparison with smooth tube data, International Journal of Refrigeration, 28, 2005, 1186–1195 Tankhuong Nguyen, Tronghieu Nguyen, Thanhtrung Dang, and Minhhung Doan, An experiment on a CO2 air conditioning system with Copper heat exchangers, International Journal of Advanced Engineering, Management and Science, Vol 2, 2016, 2058-2063 www.ajer.org Page 180 S K L 0 ... đổi nhiệt kênh micro dùng môi chất CO2 với nhiệt độ đầu CO2 vào không đổi 5oC vận tốc gió tăng từ đến m/s nhiệt độ CO2 tăng Tuy nhiên, lưu lượng CO2 thay đổi từ 1,6 đến 3,2 g/s nhiệt độ đầu CO2. .. Comsol 5.2a Từ đó, nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ lưu lượng đến trình bay dùng mơi chất CO2 để tìm giá trị nhiệt độ lưu lượng tối ưu cho hiệu suất trao đổi nhiệt thiết bị bay kênh micro 1.3.2 Mong... Kết nghiên cứu mơ số q trình bay kênh micro, kết so sánh với kết thực nghiệm hệ thống thí nghiệm thực tế Từ đó, xác định ảnh hưởng nhiệt độ lưu lượng đến trình bay kênh micro dùng mơi chất CO2