Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu mô phỏng số ảnh hưởng của cấu trúc bề mặt đến khả năng trao đổi nhiệt của quá trình sôi bể (Pool Boiling)

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU CFD Computational Fluid Dynamics: Mô phỏng động lực học lưu chất FDM Finite Difference Method: Phương pháp sai phân hữu hạn FEM Finite Element Method: Ph

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT

GVHD: TS TRẦN THANH TÌNH SVTH: NGUYỄN ĐỨC LÝ

NGUYỄN VŨ HOÀNG PHÚC PHẠM MẠC PHÚC

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC BỀ MẶT ĐẾN KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI NHIỆT

CỦA QUÁ TRÌNH SÔI BỂ (POOL BOILING)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Quý Thầy Cô trong Bộ môn Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh nói riêng cũng như Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung đã giúp đỡ và hỗ trợ chúng em trong thời gian vừa qua để có thể đi đến chặng cuối của quãng đường sinh viên Thời gian bốn năm học tại trường không ngắn cũng không dài nhưng những kiến thức mà thầy cô đã dạy đối với chúng em vô cùng quý giá và rất hữu ích để chúng em có được nền tảng mà hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Đặc biệt, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy TS Trần Thanh Tình đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ nhóm chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án Thầy đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ dạy chúng em rất tận tình cũng như bổ sung cho chúng em lượng kiến thức chuyên ngành mà chúng em còn yếu

Vì kiến thức của nhóm chúng em còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện sẽ không tránh khỏi những sai sót nhất định, kính mong nhận được những ý kiến đóng góp từ Quý Thầy

Cô trong Bộ môn để có thể chỉnh sửa và hoàn thiện hơn và đạt được kết quả tốt nhất

Một lần nữa, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Nhóm đã khảo sát chế độ sôi bọt của quá trình sôi bể bằng phần mềm ANSYS WORKBENCH cho ba mô hình như sau: Mô hình đầu tiên là một miền tính toán hình chữ nhật 2D nhóm sử dụng bề mặt gia nhiệt trơn hình tròn có đường kính 40 mm được làm bằng thép đặt ở giữa đáy bể Sôi bể được thực hiện trong bể có kích thước dài, rộng, cao (mm) lần lượt là 300x150x150 Tiếp theo là mô hình thứ hai là sôi bể 3D với bề mặt gia nhiệt trơn có kích thước tương tự mô hình đầu tiên Mô hình thứ ba, nhóm thay đổi bề mặt gia nhiệt trơn thành bề mặt gia nhiệt có cấu trúc, bề mặt gia nhiệt của mô hình thứ ba được bổ sung thêm các khối hình lập phương có cạnh là 1 mm và khoảng cách giữa các khối là 1 mm lên bên trên

bề mặt gia nhiệt Sử dụng bể có cùng kích thước với mô hình thứ nhất

Ở mô hình thứ nhất, nhóm mô phỏng chế độ sôi bọt của sôi bể trong khoảng độ quá nhiệt từ 5K đến 30K Nhóm sử dụng lần lượt nước và chất lỏng nanofluid SiO2 có nồng độ thể tích từ 0,01%; 0,02%; 0,05% làm lưu chất Khảo sát sự ảnh hưởng của góc tiếp xúc, sức căng bề mặt khi giữ nguyên các thông số đến hiệu quả trao đổi nhiệt Từ kết quả mô phỏng đánh giá sự thay đổi thông lượng nhiệt (q) và hệ số tỏa nhiệt (α) khi độ quá nhiệt (∆𝑇) thay đổi

Ở mô hình thứ hai, nhóm mô phỏng chế độ sôi bọt của sôi bể ở độ quá nhiệt có giá trị

là 5 K, 15 K và 30K Khảo sát sự thay đổi thông lượng nhiệt (q) và hệ số tỏa nhiệt (α) khi độ quá nhiệt (∆𝑇) thay đổi Nước được chọn làm lưu chất trong mô hình này

Ở mô hình thứ ba, nhóm mô phỏng chế độ sôi bọt của sôi bể ở độ quá nhiệt có giá trị

là 5K, 15K và 30K Khảo sát sự thay đổi thông lượng nhiệt (q) và hệ số tỏa nhiệt (α) khi độ quá nhiệt (∆𝑇) thay đổi Nước được chọn làm lưu chất trong mô hình này

Kết quả cho thấy rằng, đối với nước thông lượng nhiệt (q) và hệ số tỏa nhiệt (α) tăng lên khi tăng độ quá nhiệt (∆𝑇) từ 5K đến 30K Đối với trường hợp các thông số giữ nguyên chỉ thay đổi giá trị sức căng bề mặt thì thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt gần như là thay đổi không đáng kể khi thay đổi giá trị sức căng bề mặt (N/m) (các thông số giữ nguyên) lần lượt là 0,072; 0,059; 0,048; 0,036 Đối với trường hợp các thông số giữ nguyên chỉ thay đổi giá trị góc tiếp xúc lần lượt là 90o, 72o, 57o, 37o thì thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt thay

đổi không đáng kể Nhìn chung, hiệu quả trao đổi nhiệt đều tăng khi tăng nồng độ thể tích chất lỏng nanofluid SiO2 (0,01%;0,02%; 0,05%), hiệu quả trao đổi nhiệt đạt tối ưu khi nồng độ thể tích chất lỏng nanofluid SiO2 là 0,05% Đối với trường hợp sôi bể ở miền 3D có bề mặt gia nhiệt trơn và bề mặt gia nhiệt có cấu trúc khi khảo sát ở độ quá nhiệt 5K, 15K và 30K thì hiệu quả trao đổi nhiệt của trường hợp bề mặt gia nhiệt có cấu trúc thấp hơn bề mặt gia nhiệt trơn

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I TÓM TẮT II

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài 2

1.2.1 Mục tiêu 2

1.2.2 Nhiệm vụ 2

1.3 Đối tượng và giới hạn đề tài 3

1.3.1 Đối tượng 3

1.3.2 Giới hạn đề tài 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Tổng quan về quá trình sôi 4

2.1.1 Khái niệm 4

2.1.2 Nguyên lý của quá trình sôi 4

2.1.3 Đường cong sôi 7

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sôi 8

2.1.5 Sôi bể và chế độ sôi bọt trong sôi bể 11

2.2 Các nghiên cứu liên quan 17

2.2.1 Các nghiên cứu ở trong nước 17

2.2.2 Các nghiên cứu ở ngoài nước 17

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD 20

3.1 So sánh ưu và nhược điểm giữa mô phỏng và thực nghiệm 20

3.2 Tổng quan về mô phỏng số CFD 21

3.2.1 Giới thiệu về CFD 21

3.2.2 Các bước mô phỏng CFD 23

3.3 Phương pháp rời rạc hóa miền tính toán trong CFD 24

3.4 Phương pháp giải trong CFD 25

3.5 Dòng đa pha, mô hình đa pha trong mô phỏng số CFD 26

3.5.1 Dòng đa pha 26

3.5.2 Tổng quan về Eulerian và VOF (Volume of Fluid) 28

3.5.3 Phương pháp giải các phép tính đa pha Euler trong ANSYS FLUENT 31

3.5.4 Mô hình sôi RPI (Rensselaer Polytechnic Institute) trong mô hình đa pha Eulerian 32

3.5.5 Mô hình rối hỗn hợp k - ɛ 33

3.6 Giới thiệu phần mềm ANSYS WORKBENCH 34

3.7 Phương pháp chia lưới 34

3.7.1 Mục đích chia lưới 34

3.7.2 Lưới có cấu trúc và lưới không cấu trúc 35

3.7.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lưới 37

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG 38

4.1 Xây dựng mô hình 38

4.2 Chia lưới 42

4.3 Thiết lập các thông số mô phỏng 47

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 54

5.1 Kết quả hội tụ lưới 54

5.2 Kết quả mô phỏng đặc tính truyền nhiệt ở độ quá nhiệt 10 K và 30 K 58

5.3 Ảnh hưởng của độ quá nhiệt đến thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt ở mô hình 1 59

5.4 Ảnh hưởng của góc tiếp xúc đến hiệu quả trao đổi nhiệt 62

5.5 Ảnh hưởng của sức căng bề mặt đến hiệu quả trao đổi nhiệt 63

5.6 Ảnh hưởng của việc sử dụng chất lỏng nanofluid SiO 2 đến hiệu quả trao đổi nhiệt 64

5.8 Ảnh hưởng của độ quá nhiệt đến hiệu quả trao đổi nhiệt ở Mô hình 3 70

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

6.1 Kết luận 74

6.2 Kiến nghị 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Đường cong sôi của Nukiyama, quan hệ giữa thông lượng nhiệt q phụ thuộc độ

chênh lệch ∆𝑇 [3] 7

Hình 2.2 Sự hình thành bọt hơi của chất lỏng không dính ướt bề mặt và chất lỏng dính ướt bề mặt [2] 9

Hình 2.3 Đặc tính hỗn hợp của hơi và nước khi sôi trong ống [2] 10

Hình 3.1 Ứng dụng CFD trong lĩnh vực HVAC [11] 22

Hình 3.2 Ứng dụng CFD trong lĩnh vực công nghiệp hàng không vũ trụ [12] 23

Hình 3.3 Lưới có cấu trúc [12] 35

Hình 3.4 Lưới không cấu trúc [12] 36

Hình 4.1 Miền tính toán 2D hình chữ nhật 39

Hình 4.2 Mô tả miền tình toán 2D hình chữ nhật [10] 39

Hình 4.3 Mô hình 3D sôi bể [10] 40

Hình 4.4 Mô hình 3D bề mặt gia nhiệt trơn 40

Hình 4.5 Bề mặt gia nhiệt trơn 41

Hình 4.6 Mô hình 3D bề mặt gia nhiệt có cấu trúc 42

Hình 4.7 Bề mặt gia nhiệt có cấu trúc 42

Hình 4.8 Chỉ số đánh giá chất lượng lưới 43

Hình 4.9 Lưới M1 44

Hình 4.10 Lưới M2 44

Hình 4.11 Lưới M3 45

Hình 4.12 Lưới Mô hình 2 45

Hình 4.13 Chất lượng lưới đã chia 46

Hình 4.14 Lưới Mô hình 3 46

Hình 4.14 Chất lượng lưới đã chia 46

Hình 4.12 Mục general 48

Hình 4.13 Mô hình đa pha 49

Hình 4.14 Trạng thái của các pha 49

Hình 4.15 Thiết lập tương tác giữa các pha với nhau 50

Hình 4.16 Mục Vicous Model 51

Hình 4.17 Thiết lập điều kiện biên của bề mặt gia nhiệt 52

Hình 4.18 Thiết lập điều kiện biên của mặt trên của bể 52

Hình 4.19 Thiết lập điều kiện biên của bề mặt bao quanh của bể 53

Hình 4.20 Thiết lập thời gian mô phỏng mô hình 2D 53

Hình 5.1 Chỉ số Residuals của lưới M1 55

Hình 5.2 Profile vận tốc của lưới M1 55

Hình 5.3 Chỉ số Residuals của lưới M2 56

Hình 5.4 Profile vận tốc của lưới M2 56

Hình 5.5 Chỉ số Residuals của lưới M3 57

Hình 5.6 Profile vận tốc của lưới M3 57

Hình 5.7 Profile vận tốc của 3 lưới 58

Hình 5.8 Phân bố nhiệt độ của chất lỏng 58

Hình 5.9 Phân bố vận tốc đối lưu của chất lỏng 59

Hình 5.10 Kết quả của bài báo nghiên cứu tham khảo [10] 60

Hình 5.11 Đồ thị sự thay đổi của thông lượng nhiệt với độ quá nhiệt khác nhau 60

Hình 5.12 Đồ thị sự thay đổi của hệ số tỏa nhiệt với độ quá nhiệt khác nhau 61

Hình 5.13 Đồ thị sự ảnh hưởng của góc tiếp xúc đến thông lượng nhiệt 62

Hình 5.14 Đồ thị sự ảnh hưởng của góc tiếp xúc đến hệ số tỏa nhiệt 63

Hình 5.15 Đồ thị sự ảnh hưởng của sức căng bề mặt đến thông lượng nhiệt 63

Hình 5.16 Đồ thị sự ảnh hưởng của sức căng bề mặt đến hệ số tỏa nhiệt 64

Hình 5.17 Sự thay đổi của thông lượng nhiệt khi thêm nồng độ nanofluid SiO2 65

Hình 5.18 Sự thay đổi của hệ số tỏa nhiệt khi thêm nồng độ nanofluid 66

Hình 5.20 Mặt cắt giữa bể 67

Hình 5.21 Phân bố nhiệt độ của chất lỏng 67

Hình 5.22 Phân bố vận tốc đối lưu của chất lỏng 68

Hình 5.23 Phân bố áp suất của chất lỏng 68

Hình 5.24 Thông lượng nhiệt giữa 2 miền tính toán khác nhau 69

Hình 5.25 Hệ số tỏa nhiệt giữa 2 miền tính toán khác nhau 69

Hình 5.27 Phân bố nhiệt độ của chất lỏng 70

Hình 5.28 Phân bố vận tốc đối lưu của chất lỏng 71

Hình 5.29 Phân bố áp suất của chất lỏng 71

Hình 5.30 Sự ảnh hưởng của độ quá nhiệt dến thông lượng nhiệt giữa 2 bề mặt gia nhiệt khác nhau 72

Hình 5.31 Sự ảnh hưởng của độ quá nhiệt đến hệ số tỏa nhiệt giữa 2 bề mặt gia nhiệt khác nhau 73

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Giá trị Csf cho tương quan Rohsenow [3] 16 Bảng 4.1 Chất lượng lưới của Mô hình 1 44 Bảng 4.2 Thông số vật lý của nước, hơi và chất lỏng nanofluid SiO2 có nồng độ thể tích khác nhau [10] 47 Bảng 4.3 Thông số vật lý của thép trong phần mềm Ansys workbench 47

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU

CFD (Computational Fluid Dynamics): Mô phỏng động lực học lưu chất

FDM (Finite Difference Method): Phương pháp sai phân hữu hạn

FEM (Finite Element Method): Phương pháp phần tử hữu hạn

FVM (Finite Volume Method): Phương pháp thể tích hữu hạn

HTC (Heat transfer coefficient): Hệ số tỏa nhiệt

F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt, (m2)

Nu: Tiêu chuẩn Nusselt

Pr: Tiêu chuẩn Prandtl

Re: Tiêu chuẩn Reynolds

Ro: Bán kính tới hạn của bọt hơi lúc mới phát sinh, (m)

ρ: Khối lượng riêng của lưu chất (kg/m3)

𝜌𝐿: Khối lượng riêng của nước (kg/m3)

𝜌𝐺: Khối lượng riêng của hơi (kg/m3)

𝐶𝑃: Nhiệt dung riêng của lưu chất (J/kg.K)

q: Thông lượng nhiệt, (kW/m2)

ps: Áp suất bảo hòa, (bar)

ph: Áp suất của hơi trong bọt, (bar)

pcl: Áp suất của lớp chất lỏng bao quanh bọt, (bar)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những thập kỷ qua, các chuyên gia về chất lỏng và truyền nhiệt đã nỗ lực đáng

kể để nghiên cứu quá trình truyền nhiệt khi sôi Sự sôi và dòng hai pha được tìm thấy trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau như ống nồi hơi, thiết bị bay hơi, điều hòa không khí, làm mát hệ thống điện tử tản nhiệt thông lượng cao, làm mát lò phản ứng hạt nhân, một số quy trình hóa học Sôi bể là một kiểu đun sôi bao gồm việc đun sôi chất lỏng tĩnh bên trong

bể (buồng sôi) và nó có trong ứng dụng công nghiệp nói trên Để nâng cao tốc độ truyền nhiệt trong quá trình này, nhiều nỗ lực đã được tập trung vào các nghiên cứu trước đây, để sửa đổi các đặc tính của bề mặt gia nhiệt và sử dụng hỗn hợp các chất lỏng tinh khiết khác nhau, trong khi các nghiên cứu khác nghiên cứu ảnh hưởng của chất phụ gia đến quá trình làm việc của chất lỏng Với sự phát triển không ngừng của các hệ thống làm mát ứng dụng sự sôi và dòng hai pha mà các hệ thống tản nhiệt đã được tối ưu hơn về hình dạng và kích thước mà còn được nâng cao về khả năng truyền nhiệt và tăng cường tính ổn định của hệ thống Từ đấy đòi hỏi nhiều sự phức tạp trong nghiên cứu, do đó các phần mềm mô phỏng Computational Fluid Dynamics (CFD) luôn được cải tiến và phát triển với nhiều ưu điểm nổi bật và khắc phục được những khó khăn so với việc nghiên cứu bằng thực nghiệm Vì vậy chúng em quyết định chọn phương pháp nghiên cứu mô phỏng số CFD dùng phần mềm ANSYS WORKBENCH Trong quá trình tìm hiểu chúng em thấy rằng chất lỏng có các đặc tính nhiệt hiệu quả bằng cách bổ sung vật liệu rắn có kích thước nano được gọi là chất lỏng nano Trong thập kỷ qua đã có rất nhiều nghiên cứu về pool boiling bằng cách sử dụng chất lỏng tinh khiết và chất lỏng nano nhưng kiến thức về mô hình hóa sôi bể vẫn còn nhiều hạn chế Do đó chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng số ảnh hưởng của cấu trúc bề mặt đến khả năng trao đổi nhiệt của quá trình sôi bể (pool boiling)” để có thêm hiểu biết và cái nhìn toàn diện hơn về ngành mình đang học Bên cạnh đó cũng là cơ sở để chúng em có thể tiếp tục phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu về nhiệt học trong tương lai

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài

1.2.1 Mục tiêu

Mô phỏng sôi bể có khối gia nhiệt với bề mặt gia nhiệt trơn đặt nằm ở giữa đáy bể được thực hiện ở miền tính toán 2D hình chữ nhật có kích thước chiều dài, rộng (mm) lần lượt là 300x150 Mục tiêu của nghiên cứu là xem xét sự thay đổi của thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt khi độ quá nhiệt thay đổi từ 5K đến 30K đối với nước, sự ảnh hưởng khi sử dụng chất lỏng nanofluid SiO2 có nồng độ thể tích 0,01%; 0,02%; 0,05% so với nước, ảnh hưởng của góc tiếp xúc và sức căng bề mặt đến hiệu quả trao đổi nhiệt sau đó so sánh và đánh giá Tiếp tục xem xét sự ảnh hưởng đến hiệu quả trao đổi nhiệt của sôi bể có bề mặt gia nhiệt trơn và

bề mặt gia nhiệt có cấu trúc với kích thước tương tự ở miền tính toán 3D Cuối cùng đưa ra kết luận và kiến nghị cho đề tài

1.2.2 Nhiệm vụ

- Thiết lập mô hình sôi bể có bề mặt gia nhiệt trơn được đặt ở giữa đáy bể, bể có kích thước dài, rộng, cao (mm) lần lượt là 300x150x150 sau đó khảo sát sự thay đổi của thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt khi độ quá nhiệt thay đổi và khảo sát sự ảnh hưởng khi sử dụng chất lỏng nanofluid SiO2 có nồng độ thể tích 0,01%; 0,02%; 0,05% cũng như ảnh hưởng của góc tiếp xúc, sức căng bề mặt đến hiệu quả trao đổi nhiệt trong sôi bể ở miền tính toán 2D Tiếp tục xây dựng mô hình sôi bể với bề mặt gia nhiệt trơn và bề mặt gia nhiệt có cấu trúc ở miền tính toán 3D và đánh giá sự khác nhau hiệu quả trao đổi nhiệt của việc sử dụng bề mặt gia nhiệt trơn và bề mặt gia nhiệt có cấu trúc

- Thực hiện mô phỏng và đọc hiểu kết quả sau khi mô phỏng

- Đánh giá, so sánh và đưa ra kết luận

1.3 Đối tượng và giới hạn đề tài

1.3.1 Đối tượng

Trong đồ án này đối tượng mà chúng em quan tâm đến là sôi bể có kích thước dài, rộng, cao lần lượt là 300 mm; 150 mm; 150 mm có một khối gia nhiệt với bề mặt gia nhiệt trơn và bề mặt gia nhiệt có cấu trúc cho bể đường kính là 40 mm nằm ở giữa đáy bể, phương pháp mô phỏng số CFD và phần mềm mô phỏng số ANSYS WORKBENCH 19.2

1.3.2 Giới hạn đề tài

Đề tài giới hạn trong việc khảo sát sự thay đổi của thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt với độ quá nhiệt khác nhau Khảo sát sự ảnh hưởng khi sử dụng chất lỏng nanofluid SiO2 có nồng độ thể tích 0,01%; 0,02%; 0,05%, khảo sát sự ảnh hưởng của sức căng bề mặt và góc tiếp xúc đến hiệu quả trao dổi nhiệt Khảo sát sự ảnh hưởng của bề mặt gia nhiệt có cấu trúc đến hiệu quả trao đổi nhiệt Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của trao đổi nhiệt trong sôi bể và tìm hiểu lý thuyết về phương pháp mô phỏng số CFD Mô phỏng số sôi bể dựa theo những bài nghiên cứu trước

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về quá trình sôi

2.1.1 Khái niệm

Sôi là sự chuyển pha nhanh chóng từ lỏng sang khí hoặc hơi, ngược lại của sự sôi là sự ngưng tụ Sự sôi xảy ra khi một chất lỏng được nung nóng đến điểm sôi, sao cho áp suất hơi của chất lỏng bằng áp suất do không khí xung quanh tác dụng lên chất lỏng Đun sôi và bay hơi là hai hình thức hóa hơi chất lỏng chính [1]

Bản chất của quá trình sôi liên quan chặt chẽ đến cấu trúc phân tử của nước và tác động của nhiệt độ và áp suất

Khi nhiệt độ tăng, năng lượng trong hệ thống cũng tăng, làm cho các phân tử nước di chuyển nhanh hơn và phá vỡ liên kết tương tác giữa chúng Khi áp suất đủ lớn để vượt qua áp suất không khí tác dụng từ môi trường xung quanh, các phân tử nước sẽ thoát ra khỏi bề mặt của chất lỏng và chuyển thành hơi

Điểm sôi của một chất phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, và nó là một đặc tính đặc trưng của từng chất Ví dụ, ở mức áp suất tiêu chuẩn (1 atm), nước sôi ở 373 K Tuy nhiên, ở

độ cao, áp suất không khí thấp hơn (như trên núi cao), nhiệt độ cần thiết để nước sôi sẽ thấp hơn

2.1.2 Nguyên lý của quá trình sôi

Khi chúng ta cung cấp nhiệt cho chất lỏng qua bề mặt được gia nhiệt nên chất lỏng ở sát bề mặt có độ quá nhiệt cao, nếu trên bề mặt có sẵn những tâm hóa hơi thì quá trình sôi của chất lỏng được hình thành

Trên bề mặt gia nhiệt ở các tâm sôi bắt đầu xuất hiện các bọt hơi có kích thước rất nhỏ, chúng được xem là những “mầm hơi” để tạo thành pha hơi Những bọt hơi sau khi sinh ra có thể tồn tại và lớn lên do sự bay hơi của chất lỏng xung quanh vào bọt, hoặc có thể bẹp đi do ngưng tụ hơi trong bọt

Điều kiên tồn tại của bọt hơi trong chất lỏng được quyết định bởi sự cân bằng lực lên

bề mặt bọt hơi Những lực đó là lực áp suất của hơi trong bọt, lực áp suất của chất lỏng xung quanh bọt và sức căng bề mặt của bọt hơi

Điều kiện tồn tại của bọt hơi trong chất lỏng được quyết định bởi sự cân bằng các lực tác dụng lên bề mặt bọt hơi Những lực đó là lực áp suất của hơi trong bọt, lực áp suất của chất lỏng bao chung quanh bọt Đối với bọt hơi dạng hình cầu, điều kiện cân bằng của các lực

đó được thiết lập bởi phương trình Young-Laplace:

∆p = ph − pcl = 2σ

Với

σ: Sức căng bề mặt

ph: áp suất của hơi trong bọt

pcl: áp suất của lớp chất lỏng bao quanh bọt

Ro: bán kính tới hạn bé nhất của bọt hơi lúc mới phát sinh

độ bề mặt gia nhiệt Tw) Như vậy áp suất của hơi trong bọt hơi sinh ra ph sẽ được xác định theo nhiệt độ của bề mặt vách Tw, còn áp suất của lớp chất lỏng bao quanh bọt hơi pcl có thể xem gần đúng bằng áp suất của hơi bão hòa trên bề mặt thoáng và được xác định theo nhiệt

độ bão hòa Ts Điều này chỉ cho phép khi chiều cao của mức chất lỏng trên bề mặt gia nhiệt không lớn lắm và khối chất lỏng đó được quá nhiệt so với nhiệt độ bão hòa

Các bọt hơi mới sinh ra nhận nhiệt từ bề mặt đun nóng qua lớp chất lỏng bao quanh bọt hơi, lớp chất lỏng này liên tục bay hơi vào trong bọt làm tăng dần kích thước của bọt hơi Độ

quá nhiệt ∆T càng tăng thì tốc độ lớn lên của bọt hơi càng tăng, khi áp suất tăng thì tốc độ lớn lên của bọt hơi sẽ chậm lại. 

Khi kích thước của bọt hơi đủ lớn, lực nâng tác dụng lên bọt hơi trở nên đáng kể, nó làm tách bọt hơi khỏi bề mặt gia nhiệt, tiếp ngay sau đấy một lượng chất lỏng khác lại vào trám chỗ mà bọt hơi trước đó vừa tách đi Lượng chất lỏng này cũng cần được quá nhiệt cho đến nhiệt độ cần thiết để tạo thành bọt hơi mới Thời gian kể từ thời điểm tách ly bọt hơi cũ đến thời điểm tách ly bọt mới kế tiếp trên cùng một vị trí của bề mặt gia nhiệt (tức trên cùng một tâm hóa hơi) được gọi là chu kỳ sản sinh bọt hơi (τ). 

Ví dụ: Đối với nước khi sôi trong điều kiện tiêu chuẩn, τ = 0,05s. Khoảng một nửa thời gian ấy dùng để tạo nên bọt hơi từ kích thước tới hạn đến kích thước tách ly bọt hơi khỏi bề mặt gia nhiệt, còn nửa thời gian thì được dùng để quá nhiệt cho chất lỏng mới đến trám chỗ của bọt hơi cũ vừa được tách ra Đại lượng nghịch đảo của chu kỳ sản sinh bọt hơi được gọi

là tần số sản sinh bọt hơi. 

Sau khi tách khỏi bề mặt gia nhiệt, bọt hơi dịch chuyển lên trên về phía mặt thoáng dưới tác dụng của lực nâng, trong quá trình dịch chuyển, bọt hơi phải khắc phục sức cản ma sát của chất lỏng tác dụng lên bề mặt bọt hơi Tốc độ nâng bọt hơi về phía mặt thoáng tăng dần lên từ 0,17 đến 0,35m/s. 

Nếu toàn bộ khối chất lỏng trên bề mặt gia nhiệt đều được quá nhiệt thì trong quá trình dịch chuyển này, bọt hơi sẽ tiếp tục lớn lên với tốc độ nhanh, các bọt hơi dịch chuyển nhanh đến bề mặt thoáng và ở đấy chúng bay hơi vào môi trường Điều đó chứng tỏ rằng trong quá trình chuyển động xuyên qua lớp chất lỏng, bọt hơi có thu nhận thêm một lượng hơi và một lượng nhiệt bổ sung khá lớn Vậy các bọt hơi tạo thành chủ yếu không phải trên bề mặt gia nhiệt mà còn trong lòng chất lỏng. 

Trường hợp chất lỏng ngoài lớp biên nhiệt có nhiệt độ bé hơn nhiệt độ bão hòa thì các bọt hơi khi dịch chuyển qua lớp chất lỏng sẽ bị ngưng tụ lại trước khi chúng di chuyển đến bề mặt thoáng Quá trình sôi này được gọi là sôi bề mặt hoặc sôi trong chất lỏng chưa tới nhiệt [2]

2.1.3 Đường cong sôi

Khi làm nóng một bề mặt trong một bể lớn chứa chất lỏng, thông lượng nhiệt q thường được vẽ đồ thị so với độ quá nhiệt của bề mặt ΔT (là sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và nhiệt độ bão hòa của chất lỏng) Đầu tiên được xây dựng bởi Nukiyama (1934), đường cong sôi được miêu tả trong Hình 2.1 cũng được gọi là đường cong của Nukiyama, trong đó có thể xác định bốn chế độ truyền nhiệt riêng biệt

Hiểu biết sâu sắc về đường cong sôi và các yếu tố ảnh hưởng đến nó giúp các kỹ sư và nhà khoa học phát triển các hệ thống nhiệt tối ưu, đảm bảo hiệu suất cao và an toàn trong quá trình vận hành

Hình 2.1 Đường cong sôi của Nukiyama, quan hệ giữa thông lượng nhiệt q phụ thuộc độ

chênh lệch ∆𝑇 [3]

Đối lưu tự nhiên (AB): Dòng nhiệt thấp chỉ đủ để gây ra sự đối lưu tự nhiên, trong đó

chất lỏng ấm hơn dâng lên do mật độ thấp hơn một chút Quá trình này chỉ xảy ra khi nhiệt độ quá nhiệt rất thấp, nghĩa là bề mặt nóng gần chất lỏng có nhiệt độ gần bằng nhiệt độ sôi Sôi bọt (B’C): Đây là quá trình đối lưu tự nhiên hai pha, trong đó bong bóng tạo mầm,

phát triển và rời khỏi bề mặt được làm nóng Sự sôi bọt được đặc trưng bởi sự phát triển bong

bóng trên bề mặt được làm nóng, nổi lên từ các điểm riêng biệt trên bề mặt, có nhiệt độ chỉ cao hơn một chút so với nhiệt độ của chất lỏng Nói chung, số lượng các vị trí tạo bọt tăng lên khi nhiệt độ bề mặt tăng lên

Đây là giai đoạn mà hiệu quả truyền nhiệt cao nhất vì sự khuấy động và dòng chảy của chất lỏng xung quanh bong bóng

Sôi chuyển tiếp (DE): Sự sôi chuyển tiếp có thể được hiểu là sự sôi không ổn định,

xảy ra ở nhiệt độ bề mặt giữa mức tối đa có thể đạt được trong sôi bọt và mức tối thiểu có thể đạt được khi sôi màng

Nếu độ quá nhiệt tiếp tục tăng, bong bóng hơi hình thành với mật độ cao hơn và có thể kết hợp lại với nhau tạo thành một lớp hơi mỏng trên bề mặt Giai đoạn này không ổn định và hiệu quả truyền nhiệt giảm so với sôi bọt

Sôi màng (EF): Ở độ quá nhiệt rất cao, một lớp màng hơi bền vững được hình thành

trên toàn bộ bề mặt, cách ly chất lỏng với bề mặt nóng Truyền nhiệt chủ yếu thông qua bức

xạ và dẫn nhiệt qua lớp màng hơi, dẫn đến hiệu quả truyền nhiệt thấp Nhưng khi độ quá nhiệt đạt đến mức đáng kể (∆T > 110K) từ thì truyền nhiệt chủ yếu thông qua bức xạ Bức xạ nhiệt lúc này rất lớn nên làm tăng khả năng truyền nhiệt

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sôi

Độ quá nhiệt ΔT: Là sự chênh lệch nhiệt độ của bề mặt gia nhiệt với nhiệt độ sôi của

Ảnh hưởng của tiếp xúc 𝜽

Góc tiếp xúc (): Là góc giữa bề mặt chất rắn và chất lỏng khi chất lỏng đó phủ lên bề mặt chất rắn Độ lớn của góc tiếp xúc phản ánh khả năng dính ướt của bề mặt chất rắn

Hình 2.2 Sự hình thành bọt hơi của chất lỏng không dính ướt bề mặt và chất lỏng dính ướt

bề mặt [2]

Trường hợp chất lỏng không dính ướt bề mặt  > π

2 vì lớn nên đường kính tách ly lớn, bọt hơi lúc tách ly có chân rộng Do đó ngay khi độ chênh nhiệt độ không lớn lắm các bọt hơi nối lại với nhau tạo thành màng hơi, chế độ sôi lúc này là sôi màng

Trường hợp chất lỏng dính ướt bề mặt thì bọt hơi dễ tách khỏi bề mặt  < π

2 đốt nóng, trường hợp này là trường hợp sôi bọt, trừ trường hợp độ chênh nhiệt độ rất lớn

Ảnh hưởng của áp suất

Trong điều kiện áp suất không thay đổi, khi tăng áp suất bão hòa sẽ dẫn dến làm cho bán kính tới hạn R0 giảm, số tâm hóa hơi tăng, bọt hơi sinh ra nhiều làm tăng cường độ tỏa

nhiệt α

Sức căng bề mặt (σ): Là đại lượng đánh giá độ đàn hồi hoặc độ bền giữa 2 bề mặt của hai pha

Trị số bán kính tới hạn R0 tỷ lệ thuận với sức căng bề mặt σ cho nên khi σ tăng sẽ dẫn

đến làm cho Ro tăng, số tâm hóa hơi và cường độ tỏa nhiệt giảm theo thực nghiệm thì:

α ~ σ-0.33

Đối với độ nhớt động lực học µ thì cũng có tác dụng tương tự, nghĩa là khi µ tăng thì

α giảm, quan hệ này được thể hiện: α ~ µ-0.33

Việc tăng độ nhám trên bề mặt gia nhiệt sẽ đưa đến khả năng làm tăng số tâm hóa hơi

do đó làm tăng cường độ tỏa nhiệt α Tuy nhiên khi phụ tải nhiệt lớn (q > 2 x 105 W/m2) thì

ảnh hưởng của độ nhám tăng nên hệ số tỏa nhiệt của bề mặt bị oxy hóa lớn hơn đối với bề mặt

trơn [2]

Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động chất lỏng và cách bố trí bề mặt gia nhiệt

Hình 2.3 Đặc tính hỗn hợp của hơi và nước khi sôi trong ống [2]

a) Cấu trúc của dòng và sự phân bố nhiệt độ khi chất lỏng sôi trong ống đứng b) Cấu trúc của dòng khi chất lỏng sôi trong ống đặt nằm ngang

Trong bộ sinh hơi của lò hơi, sự tuần hoàn của nước trong ống được thực hiện do độ

chênh mật độ (khối lượng riêng) giữa nước với hỗn hợp hơi và nước Khi chất lỏng sôi trong

ống ở điều kiện này, tốc độ của dòng chảy có dẫn đến tăng α Mức độ tăng được xác định bởi

việc làm rối loạn lớp chất lỏng trên bề mặt đốt nóng, khi tốc độ lưu động nhỏ thì sự chuyển động của dòng ảnh hưởng không đáng kể đối với α Nhưng trong trường hợp tốc độ chảy lớn, dòng chảy lớn sẽ cuốn theo những bọt hơi chưa kịp đủ lớn để làm rối loạn lớp chất lỏng sát bề mặt gia nhiệt, do đó việc tính tỏa nhiệt trong trường hợp này cũng gần giống trường hợp tỏa nhiệt trong môi trường 1 pha

Trên Hình 2.3 biểu thị cấu trúc dòng và sự phân bố nhiệt độ trong trường hợp sôi của chất lỏng trong ống đứng và ống ngang Khi sôi trong ống đứng có thể chia thành 3 vùng: vùng gia nhiệt cho nước (vùng I) vùng sôi (vùng II) và vùng làm khô hơi nước (vùng III) Cấu trúc dòng chảy ứng với từng vùng có khác nhau ở vùng I là vùng chất lỏng l pha (nước), vùng II là chế độ nhủ tương và vùng III là hơi ẩm Khi phụ tải nhiệt q không đối trên toàn chiếu dài ống việc tăng tốc độ dòng chảy sẽ đưa đến làm tăng chiều dài vùng gia nhiệt cho nước và làm giảm chiều dài vùng sôi Ngược lại, nếu giữ tốc độ dòng chảy không đổi thì việc tăng q sẽ làm cho vùng sôi tăng lên và vùng gia nhiệt cho nước giảm

Đối với ống đặt nằm, cấu trúc của dòng không chỉ thay đổi theo chiều dài của ống mà còn thay đổi theo chu vi của ống Nếu tốc độ của dòng bé và lượng hơi trong ống không lớn lắm thì dòng chảy chia rõ làm 2 phần: phần trên là chuyển động của hơi, phần dưới là chuyển động của nước Nếu tốc độ dòng chảy lớn và lượng hơi sinh ra nhiều thì nước sẽ chuyển động sát vách và hơi sẽ chuyển động theo trục ống, Hình 2.3 (b) sự khác nhau về đặc tính thủy động của dòng chảy dẫn đến đặc tính trao đổi nhiệt trong từng trường hợp có khác nhau và được xác định bằng các công thức thực nghiệm [2]

2.1.5 Sôi bể và chế độ sôi bọt trong sôi bể

Có 2 loại mô hình sôi là sôi bể và sôi dòng, sôi bể là trường hợp dòng chảy đối lưu tự nhiên và sôi dòng là trường hợp dòng chảy đối lưu cưỡng bức Trong phạm vi của đề tài là nghiên cứu truyền nhiệt của mô hình sôi bể cũng như là quá trình đối lưu tự nhiên của chất lỏng nên nhóm chỉ tập trung vào mô hình sôi bể

Sôi bể có một số đặc điểm như sau: Chất lỏng vẫn đứng yên trên bề mặt được gia nhiệt, thay vì chảy qua nó Truyền nhiệt xảy ra thông qua quá trình sôi bọt, nơi bong bóng hơi hình

thành trên bề mặt được gia nhiệt và sau đó thoát ra, cho phép chất lỏng mới tiếp xúc với bề mặt gia nhiệt Khi dòng nhiệt tăng lên, quá trình sôi chuyển từ sôi bọt sang sôi màng

Chế độ sôi bọt và sôi màng của mô hình sôi bể

Chế độ sôi màng: Ở độ quá nhiệt rất cao, một lớp màng hơi bền vững được hình thành

trên toàn bộ bề mặt, cách ly chất lỏng với bề mặt nóng Truyền nhiệt chủ yếu thông qua bức

xạ và dẫn nhiệt qua lớp màng hơi, dẫn đến hiệu quả truyền nhiệt thấp Nhưng khi độ quá nhiệt đạt đến mức đáng kể (∆T >110K) thì truyền nhiệt chủ yếu thông qua bức xạ Bức xạ nhiệt lúc

này rất lớn nên làm tăng khả năng truyền nhiệt

Chế độ sôi bọt: Hiểu rõ quá trình sôi và các chế độ truyền nhiệt khác nhau là rất quan trọng để thiết kế các hệ thống nhiệt hiệu quả và an toàn Chế độ sôi bọt (nucleate boiling) là chế độ có hiệu quả truyền nhiệt vượt trội Việc tối ưu hóa chế độ sôi bọt có thể tăng cường hiệu quả truyền nhiệt trong các ứng dụng như làm mát các thiết bị điện tử, lò phản ứng hạt nhân và các hệ thống trao đổi nhiệt trong công nghiệp Dưới đây là quá trình truyền nhiệt trong chế độ này

Vị trí tạo mầm: Trên bề mặt nóng, các điểm nhỏ không đồng nhất (như các vết xước nhỏ hoặc tạp chất) hoạt động như các điểm tạo mầm (nucleation sites) cho bọt khí Những điểm này làm giảm năng lượng cần thiết để hình thành bọt khí

Hình thành bọt khí: Khi nhiệt độ của bề mặt vượt quá nhiệt độ bão hòa, các phân tử chất lỏng tại các điểm nhân này sẽ nhận đủ năng lượng để chuyển pha từ lỏng sang hơi, tạo thành các bọt khí nhỏ

Phát triển bọt khí: Các bọt khí này tiếp tục nhận nhiệt từ bề mặt nóng và phát triển về kích thước Khi đạt đến một kích thước nhất định, lực đẩy của bọt khí sẽ vượt qua lực dính của chất lỏng và bọt khí sẽ tách ra khỏi bề mặt, nổi lên bề mặt chất lỏng

Quá trình truyền nhiệt

Chế độ sôi bọt hiệu quả hơn nhờ nhiều cơ chế truyền nhiệt đồng thời:

- Đối lưu mạnh: Sự hình thành và di chuyển của bọt khí tạo ra các dòng đối lưu mạnh trong chất lỏng xung quanh bề mặt nóng Khi bọt khí nổi lên, chất lỏng có nhiệt độ thấp hơn hơn sẽ tiếp cận bề mặt gia nhiệt, thay thế lớp chất lỏng có nhiệt độ cao hơn và nhận nhiệt từ

bề mặt gia nhiệt Quá trình này liên tục làm tăng hiệu quả truyền nhiệt

- Truyền nhiệt qua bề mặt bọt khí: Nhiệt được truyền trực tiếp từ bề mặt nóng vào bọt khí đang hình thành Khi bọt khí phát triển, chúng mang nhiệt ra khỏi bề mặt nóng khi chúng nổi lên và thoát ra khỏi chất lỏng

- Hỗn loạn lưu chất: Sự nổi lên của bọt khí gây ra sự hỗn loạn trong chất lỏng, tăng cường

sự trộn lẫn giữa chất lỏng nóng và lạnh, từ đó cải thiện quá trình truyền nhiệt

- Phá vỡ lớp biên: Sự hình thành và thoát ra của bọt khí liên tục phá vỡ lớp biên nhiệt (thermal boundary layer) xung quanh bề mặt nóng, làm giảm độ dày của lớp biên và tăng cường hiệu quả truyền nhiệt [1]

Ảnh hưởng của các yếu tố đến chế đọ sôi bọt

- Áp suất: Áp suất cao hơn làm tăng nhiệt độ bão hòa, ảnh hưởng đến quá trình hình thành bọt khí

- Tính chất của bề mặt: Bề mặt với nhiều điểm nhân (như bề mặt thô) sẽ tăng cường quá trình sôi bọt

- Nhiệt độ bề mặt: Nhiệt độ cao hơn sẽ tăng cường sự hình thành và phát triển của bọt khí, nhưng nếu quá cao, có thể chuyển sang chế độ sôi chuyển tiếp hoặc sôi màng

- Loại chất lỏng: Tính chất nhiệt và vật lý của chất lỏng (như nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt, và độ nhớt) cũng ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt trong chế độ sôi bọt

Các công thức tính toán

Để có góc nhìn tổng quát hơn, có thể so sánh và đánh giá sự tin cậy của kết quả mô phỏng cần kết hợp thêm kết quả thực nghiệm Dưới đây là công thức đươc đưa ra trong thực nghiệm

Do sự phức tạp của quá trình sôi bể trong chế độ sôi bọt nên các lý thuyết thiết kế dưa trên phân tích chính xác vẫn chưa có sẵn Các vấn đề cơ bản chưa được giải quyết bao gồm

dự đoán nhiệt độ quá nhiệt tạo mầm sôi, mật độ vị trí sôi đối với một bề mặt nhất định và tương tác nhiệt giữa các vị trí sôi lân cận Do đó, các phương pháp hoàn toàn thực nghiệm được sử dụng để dự đoán hệ số truyền nhiệt sôi của bể mầm

Trong một thí nghiệm đun sôi bể, các nhà nghiên cứu đo độ quá nhiệt (∆T) so với thông lượng nhiệt (q) và hệ số truyền nhiệt sôi thu được từ định nghĩa của nó (α ≡ 𝑞

∆𝑇) Những dữ liệu này có thể được kết hợp với các biểu thức như q ∝ ∆Tn, α ∝ ∆Tn hoặc α∝ qn, trong đó số

mũ n lần lượt là khoảng 3; 2 hoặc 0,7 Các mối tương quan sôi của bể thường được xây dựng theo kiểu tương tự, với các biểu thức ở dạng α ∝ qn là dễ áp dụng nhất vì thông lượng nhiệt là một biến áp đặt trong khi nhiệt độ thành trong ∆T chưa được biết và là một phần của nghiệm Nhiều mối tương quan sôi của bể đã được đề xuất, với một số phương pháp được đề xuất được trình bày cùng với phương pháp Rohsenow cổ điển Những mối tương quan này đóng vai trò là hướng dẫn để ước tính hệ số truyền nhiệt trong các chế độ sôi bọt của sôi bể Vào năm 1952, Rohsenow đã phát triển một mô hình tính toán nhằm dự đoán hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi và mô hình tính toán đó sau này được gọi là “Tương quan kích thích bong bóng của Rohsenow (Bubble Agitation Correlation of Rohsenow)” Rohsenow (1962) đề xuất mối tương quan được trích dẫn rộng rãi đầu tiên Ông giả định rằng quá trình sôi bị chi phối bởi cơ chế khuấy trộn do bong bóng Trong đó quá trình truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức do bong bóng gây ra có thể tương quan với tương quan đối lưu cưỡng bức một pha tiêu chuẩn [3]

Trong đó số Nusselt cho quá trình sôi được xác định

ở nhiệt độ bão hòa của chất lỏng Rohsenow đã cung cấp một danh sách các giá trị Csf cho các

tổ hợp chất lỏng bề mặt khác nhau đã được Vachon cùng cộng sự mở rộng (1967) Bởi vì phương pháp này yêu cầu hệ số chất lỏng bề mặt nên không thuận tiện khi sử dụng cho thiết

kế nhiệt thông thường

Phương trình trên ngụ ý rằng sự thay đổi độ quá nhiệt (∆𝑇) tỷ lệ với thông lượng nhiệt (q) và hệ số tỏa nhiệt (α) có thể thu được từ định nghĩa của nó (tức là α = q / ∆𝑇 trong đó ∆𝑇

= Tw – Ts và Tw là nhiệt độ bề mặt gia nhiệt) số mũ được tìm thấy là m = 0,7 và n = 0,33 (do

đó tương đương với q ∝ ∆T3), ngoại trừ nước, trong đó m = 0 Các tính chất vật lý được đánh giá ở nhiệt độ bão hòa của chất lỏng Rohsenow đã cung cấp một danh sách các giá trị Csf cho các tổ hợp chất lỏng - bề mặt khác nhau đã được Vachon cùng cộng sự mở rộng (1967) trong Bảng 2.1 Bởi vì phương pháp này yêu cầu hệ số chất lỏng bề mặt nên không thuận tiện khi

sử dụng cho thiết kế nhiệt thông thường [3]

Bảng 2.1 Giá trị Csf cho tương quan Rohsenow [3]

Carbon tetrachloride on polished copper 0,0070

Water on lapped copper 0,0147

n-Pentane on emery polished copper 0,0074

Water on scored copper 0,0068

Water on PTFE pitted stainless steel 0,0058

Water on chemically etched stainless steel 0,0133

Water on mechanically polished stainless steel 0,0132

2.2 Các nghiên cứu liên quan

2.2.1 Các nghiên cứu ở trong nước

Hiện tại, các các nghiên cứu về truyền nhiệt sôi bể trong nước vẫn còn hạn chế, chủ yếu là các nghiên cứu từ nước ngoài Dưới đây là bài nghiên cứu chúng em có tham khảo

“Tăng cường hiệu quả truyền nhiệt của ống nhiệt sử dụng môi chất nano” [4] của nhóm tác giả Bùi Mạnh Tú và Đặng Văn Bính – Trường Đại học Điện lực, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Tác giả sử dụng các chất lỏng nanofluid Al2O3, nanofluid CuO, nanofluid Ag, nanofluid TiO2 với các hạt nano có kích thước 10 nm, 20 nm, 40 nm Kết quả: Khi bổ sung thêm nano Al2O3 vào môi chất H2O độ tăng hệ số truyền nhiệt và độ giảm nhiệt trở của ống nhiệt càng cao khi kích thước hạt nano càng nhỏ Tỷ lệ thể tích hạt nano Al2O3 càng cao thì

độ tăng hệ số truyền nhiệt và độ giảm nhiệt trở của ống nhiệt càng cao Khi hạt nano Al2O3 có kích thước 10 nm và chiếm 8% thể tích thì hệ số truyền nhiệt tăng 80,7%, nhiệt trở giảm 44,8%

so với khi sử dụng môi chất H2O cho ống nhiệt Khi bổ sung thêm nano TiO2 vào môi chất

H2O ta thấy, độ tăng hệ số truyền nhiệt và độ giảm nhiệt trở của ống nhiệt càng cao khi kích thước hạt nano càng nhỏ Tỷ lệ thể tích hạt nano TiO2 càng cao thì độ tăng hệ số truyền nhiệt

và độ giảm nhiệt trở của ống nhiệt càng cao Khi hạt nano TiO2 có kích thước 10 nm và chiếm 8% thể tích thì hệ số truyền nhiệt tăng 67,6%, nhiệt trở giảm 40,5% so với khi sử dụng môi chất H2O cho ống nhiệt

2.2.2 Các nghiên cứu ở ngoài nước

Các nhà nghiên cứu bắt đầu ứng dụng công nghệ vật liệu nano vào truyền nhiệt và đạt được những kết quả có ý nghĩa trong tăng cường hiệu quả truyền nhiệt Năm 1995, Choi [5] lần đầu tiên đề xuất khái niệm “chất lỏng nano”, là chất lỏng với một số loại hạt nano lơ lửng trong chất lỏng cơ bản

Gupta và cộng sự [6] đã phân tích đặc tính truyền nhiệt của nước làm chất lỏng làm việc trên bề mặt đồng được phủ vật liệu nanocompozit Cu-Al2O3 Trong trường hợp bề mặt sôi được phủ, hệ số truyền nhiệt và thông lượng nhiệt lớn nhất lần lượt bằng 199 kW/m2-K,

1852 kW/m2 Kết quả này lần lượt cao hơn 273% và 72,5% so với kết quả của bề mặt không phủ vật liệu nanocompozit Cu-Al2O3

Kamel và cộng sự [7] đã kiểm tra mô phỏng số của truyền nhiệt sôi bể ở giai đoạn sôi bọt bên trong bình sôi hình chữ nhật 2D sử dụng chất lỏng nano silica/nước Nghiên cứu này

sử dụng mô hình phân chia dòng nhiệt bằng cách cải thiện các thông số đặc tính bề mặt như

vị trí tạo mầm, độ xốp, độ thấm ướt bề mặt nên cho kết quả cao và chính xác hơn

Manetti và cộng sự [8] đã thực hiện thí nghiệm trên bể đun sôi nước cất và chất lỏng nanofluid Al2O3 ở nồng độ hạt nano thấp và cao là 0,0007 vol % và 0,007 vol % Nghiên cứu của họ đã đưa ra bề mặt sôi của đồng và độ nhám là 0,05 µm đối với bề mặt trơn và 0,23 µm đối với bề mặt gia nhiệt có cấu trúc Hệ số tỏa nhiệt tăng lên lần lượt là 74% và 16% so với nước cất

Yu và cộng sự [9] tập trung vào các kỹ thuật điều chế chất lỏng nano, các yếu tố ổn định và ứng dụng của chúng trong một số lĩnh vực Họ đã chứng minh cơ chế ổn định của chất lỏng nano và các thông số khác liên quan đến việc điều chế chất lỏng nano

Akshay và cộng sự [10] đã thực hiện mô phỏng số của mô hình truyền nhiệt sôi bể để khảo sát hiệu suất truyền nhiệt của chất lỏng nanofluid SiO2 với các nồng độ khác nhau Ảnh hưởng của nồng độ (0,01 – 0,06 %) của chất lỏng nanofluid đến hệ số truyền nhiệt và độ quá nhiệt được nghiên cứu Hiệu suất truyền nhiệt sôi của bể tăng lên khi nồng độ thể tích của chất lỏng nano tăng lên đến nồng độ tối ưu là 0,05% và sau đó nó bắt đầu giảm Độ quá nhiệt giảm 6,7 %; 8,43 %; 11,27 % và 9,3 % thu được đối với chất lỏng nanofluid SiO2 với nồng độ thể tích là 0,01%; 0,02%; 0,05% và 0,06%với nước Hệ số truyền nhiệt được tăng cường lần lượt

là 3,55 %; 7,2 %; 23,87 % và 19,67 % đối với chất lỏng nanofluid SiO2 với nồng độ thể tích

là 0,01%; 0,02%; 0,05% và 0,06% so với chất lỏng nguyên chất

Dựa trên tổng quan các nghiên cứu trên, kết quả cho thấy rằng: có rất nhiều nghiên cứu

về đặc tính truyền nhiệt của sôi bể Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đến từ các tác giả nước ngoài, hiện có rất ít các nghiên cứu ở trong nước thực hiện nghiên cứu mô phỏng đặc tính truyền nhiệt của sôi bể Ngoài ra, chất lỏng nanofluid SiO2 có nhiều ưu điểm như: tăng khả

năng truyền nhiệt, cải thiện tính ổn định nhiệt, an toàn và thân thiện mới môi trường Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng em khảo sát đặc tính truyền nhiệt của sôi bể với các cấu hình, thông số vật lý của lưu chất và điều kiện biên sẽ được dựa trên bài nghiên cứu “Numerical Simulation of Nucleate Boiling Heat Transfer Performance using SiO2/Water Nanofluid” [10]

để tìm hiểu đặc tính truyền nhiệt của sôi bể ở chế độ sôi bọt

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG CFD 3.1 So sánh ưu và nhược điểm giữa mô phỏng và thực nghiệm

Sau đây nhóm xin đưa ra một vài ưu và nhược điểm của hai phương pháp nghiên cứu

- Chi phí thấp: Mô phỏng thường có chi phí thấp hơn so với thực nghiệm, đặc biệt khi tiến hành các thử nghiệm phức tạp hoặc nguy hiểm

- Tính linh hoạt: Mô phỏng cho phép thay đổi các điều kiện và tham số một cách nhanh chóng và dễ dàng, giúp tiến hành nhiều bản kịch bản khác nhau

- An toàn: Mô phỏng có thể mô hình hóa các tình huống nguy hiểm mà không gây tổn hại trong thực tế

- Tốc độ: Mô phỏng có thể thực hiện các phép tính và mô hình hóa với tốc độ nhanh hơn

so với thực nghiệm

- Chế độ chính xác: Mô phỏng có thể không hoàn toàn chính xác nên thực tế đơn giản hóa và các giả định được đưa vào mô hình

- Thiếu tương tác thực tế: Mô phỏng không thể thay thế hoàn toàn cho thực tế, vì không thể mô phỏng tất cả các yếu tố và tương tác trong thực tế

- Kiến thức và kỹ năng cần thiết: Xây dựng và vận hành một mô phỏng chính xác yêu cầu kiến trúc chuyên sâu về lý thuyết, phương pháp và công cụ mô phỏng

- Độ chính xác cao: Thực nghiệm cung cấp kết quả gần với thực tế nhất, bởi vì nó được thực hiện trực tiếp trên nghiên cứu đối tượng

- Tính thực tế: Thực nghiệm giúp thu thập dữ liệu trong điều kiện thực tế, Phản ánh đúng các phức tạp tương tác

- Kiểm tra mô phỏng: Thực tế có thể được sử dụng để kiểm tra và hiệu chỉnh các mô phỏng

- Chi phí cao: Thực nghiệm thường rẻ hơn so với mô phỏng, đặc biệt là với các thiết bị

và điều kiện thử nghiệm phức tạp

- Độ an toàn thấp: Một số thực tế có thể gây nguy hiểm cho người hoặc môi trường

- Tính linh hoạt hạn chế: Việc thay đổi các điều kiện thực tế phức tạp và tốn nhiều thời gian hơn so với mô phỏng

- Vì hạn chế về thời gian cũng như sự an toàn tuyệt đối nên nhóm chọn sử dụng phương pháp mô phỏng số CFD bằng phần mềm ANSYS WORKBENCH cho đề tài này

Tính cấp thiết của mô phỏng CFD

Việc tính toán bằng công thức thực tế và kinh nghiệm trong thi công giúp ta dễ dàng đưa ra kích thước thiết kế cơ bản của thiết bị trong sản xuất Nhưng đối với công nghệ ngày càng cao thì việc sử các kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn của kỹ sư là không đủ nâng cao hiệu suất và hiệu quả kinh tế của thiết bị Chính vì vậy, các phần mềm hỗ trợ đã ra đời và CFD

là một trong số đó Các ưu điểm dưới đây sẽ cho ta thấy tại sao mô phỏng CFD là phần mềm

hỗ trợ tốt đến như vậy:

- Tiết kiệm thời gian khi xác định được vấn đề của thiết bị thông qua mô phỏng