Tiểu luận tăng cường truyền nhiệt, đánh giá khả năng tăng cường truyền nhiệt và tìm hiểu về kỹ thuật tăng cường truyền nhiệt thụ động sử dụng ống vi cánh

Tiểu luận tăng cường truyền nhiệt: Đánh giá hiệu quả tăng cường truyền nhiệt và tìm hiểu về kỹ thuật tăng cường truyền nhiệt thụ động sử dụng ống vi cánh.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NHIỆT-LẠNH

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

Tăng cường truyền nhiệt trong các thiết bị

Nhiệt-Lạnh

NGÔ MINH ĐỨC

Duc.NM211253M@sis.hust.edu.vn

Ngành Kỹ thuật Nhiệt Chuyên ngành Kỹ thuật nhiệt

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Đức Quang

HÀ NỘI, 8/2021

Chữ ký của GVHD

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN

Tên Thầy/Cô hướng dẫn: TS Nguyễn Đức Quang

Sinh viên thực hiện tiểu luận: Ngô Minh Đức

Đề tài tiểu luận:

Câu 1

Một thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng đường ống trơn có f o=0,079 ℜ−0 ,25 o và j o = f o /2

Tăng cường truyền nhiệt bằng cách làm nhám bề mặt bên trong ống mang lại

j=0,079 ℜ−0 ,25 và f =0 ,11 ℜ −0 ,2 Giả thiết toàn bộ nhiệt trở truyền nhiệt tập trung

về phía ống, bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt và nhiệt trở bám bẩn Hãy tính tỷ số tốc độ

/o , diện tích F/F o và hệ số trao đổi nhiệt /o sử dụng tiêu chuẩn VG-1 Biết thiết

bị ống trơn làm việc với Re o = 20000

Câu 2.

Hãy tìm hiểu và trình bày về kỹ thuật tăng cường truyền nhiệt thụ động sử dụng ống

vi cánh trong thực tế

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn

(ký tên)

TS Nguyễn Đức Quang Xác nhận của Bộ môn/ Trung tâm

Câu 1:

Một thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng đường ống trơn có f o=0,079 ℜ−0 ,25 o và j o = f o /2

Tăng cường truyền nhiệt bằng cách làm nhám bề mặt bên trong ống mang lại

j=0,079 ℜ−0 ,25 và f =0 ,11 ℜ −0 ,2 Giả thiết toàn bộ nhiệt trở truyền nhiệt tập trung

về phía ống, bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt và nhiệt trở bám bẩn Hãy tính tỷ số tốc độ

/o , diện tích F/F o và hệ số trao đổi nhiệt /o sử dụng tiêu chuẩn VG-1 Biết thiết

bị ống trơn làm việc với Re o = 20000

Bài giải

Áp dụng tiêu chuẩn VG-1 cho thiết bị trao đổi nhiệt ta có điều kiện ràng buộc như sau:

+ Công suất quạt (tổn thất áp suất) không đổi Δp= Δpo;

+ Chênh lệch nhiệt độ của hai môi chất ΔTi=const;

+ Công suất trao đổi nhiệt không đổi Q=Qo;

Theo giả thiết ban đầu nhiệt trở truyền nhiệt tập trung về phía ống, bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt và nhiệt trở bám bẩn => k.F≈α.F

Theo điều kiện ràng buộc công suất nhiệt của thiết bị không đổi nên ta có biểu thức (1)

(1) Theo giả thiết ban đầu nhiệt trở truyền nhiệt tập trung về phía ống, bỏ qua nhiệt trở dẫn nhiệt và nhiệt trở bám bẩn nên ta có biểu thức (2)

(2) Kết hợp biểu thức (1) và (2) ta được biểu thức (3)

(3) Theo điều kiện ràng buộc về tiêu chuẩn VG-1, độ chênh nhiệt độ của hai môi chất không đổi kết hợp với biểu thức (3) nên ta có biểu thức (4)

(4)

(5)

Ta thu được biểu thức (6) và (7)

(6) (7)

Thay biểu thức biểu thức (7) vào công thức

(8)

Ta thu được biểu thức (9) (9)

Kết hợp biểu thức (9) với điều kiện đầu bài đưa ra f o=0,079 ℜ−0 ,25 o ; j o = f o /2 và j=0,079 ℜ−0 ,25 ; f =0 ,11 ℜ −0 ,2 ta thu được kết quả như trong biểu thức (10) (10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

Ta có công hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của môi chất được xác định theo hệ số Colburn j thông qua công thức (16) (16)

Từ biểu thức (16), ta xác định được tỷ lệ giữa hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ban đầu và sau khi tăng cường truyền nhiệt như trong biểu thức (17) (17)

Thay điều kiện đầu bài đưa ra là f o=0,079 ℜ−0 ,25 o ; j o = f o /2 và j=0,079 ℜ−0 ,25 vào biểu thức (17) ta thu được biểu thức (18) (18)

(19)

Thay tỷ số giữa tốc độ dòng môi chất sau khí tăng cường truyền nhiệt và trước từ biểu thức (15) vào biểu thức (19) ta thu được tỷ lệ hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trước

và sau khi tăng cường truyền nhiệt như trong biêu thức (20)

(20) Thay kết quả tính toán thu được trong biểu thức (20) vào biểu thức (4) ta thu được

tỷ lệ giữa diện tích trao đổi nhiệt trước và sau khi tăng cường truyền nhiệt như trong biểu thức (21)

(21) Tổng hợp các biểu thức (15), (20) và (21) ta thu được kết quả là:

Như vậy, ta có thể kết luận khi áp dụng tiêu chuẩn VG-1 để tăng cường truyền nhiệt cho thiết bị, chúng ta có thể tăng hệ số trao đổi nhiệt đối lưu lên gấp 1,905 lần và giảm diện tích trao đổi nhiệt đi 47,5%

Câu 2:

Hãy tìm hiểu và trình bày về kỹ thuật tăng cường truyền nhiệt thụ động sử dụng ống

vi cánh trong thực tế

Bài giải

1 Giới thiệu

Giải pháp tăng cường truyền nhiệt bằng ống vi cánh là một trong những giải pháp tăng cường truyền nhiệt bằng phương pháp sử dụng bề mặt phụ thêm cho môi chất lỏng Thay vì sử dụng các đường ống đồng, nhôm thép,… trơn để làm dàn trao đổi nhiệt thì chúng ta sẽ sử dụng các đường ống được gia công thêm các cánh rất nhỏ (thông thường chỉ từ 0,1 đến 0,4 mm) Phương pháp này thường được ứng dụng làm tăng cường truyền nhiệt của môi chất lạnh khi thực hiện quá trình chuyển pha Đồng thời hệ số trao đổi nhiệt của môi chất thực hiện trao đổi nhiệt với dòng môi chất thực hiện quá trình biến đổi pha của chúng ta cần có giá trị lớn hơn hoặc chênh lệch không đáng kể so với của môi chất chuyển pha như nước, dầu, trong trường hợp đó chúng ta có thể xem xét làm thêm cánh ngắn cho phía vỏ để tăng cường truyền nhiệt cho tổng thể thiết bị tối ưu nhất có thể

Khi trao đổi nhiệt với các dòng môi chất như không khí, khói,… có hệ số trao đổi nhiêt đối lưu thấp thì không nên làm ống vi cánh vì điều này sẽ gần như không mang lại hiệu quả (hệ số truyền nhiệt gần như không đổi), mà sẽ chỉ làm tăng tổn thất cột áp trên dàn trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ là một giải pháp tối ưu trong làm mát và sưởi ấm với kích thước nhỏ gọn. Ví dụ, máy bơm nhiệt và điều hòa không khí trung tâm các thiết bị không chỉ cần đạt được hiệu quả làm lạnh mà còn phải hiệu quả sưởi ấm. Đ

ể có thể tích hợp làm lạnh và sưởi ấm trong một bộ trao đổi nhiệt, ống trao đổi nhiệt phải đảm bảo được khả năng truyền nhiệt trong cả khi sôi lẫn ngưng tụ. Tuy nhiên, ống trao đổi nhiệt tăng cường hiện có sẵn chỉ có thể được áp dụng trong một điều kiện duy nhất vì các cấu trúc truyền nhiệt tăng cường cho sôi và ngưng tụ khác nhau rất nhiều

Ống được làm vi cánh bên trong khi ngưng tụ có thể giảm màng lỏng ngưng tụ trên

bề mặt ống (giảm nhiệt trở) và tăng cường truyền nhiệt cho thiết bị Các dòng ống được tăng cường truyền nhiệt thụ động phía bên ngoài mang lại hiệu quả cao bao gồm ống vây hình chữ C [22], ống vây hình rưa cưa [23], ống vây hình cánh hoa [24],… Còn bên trong phía môi chất thực hiện quá trình biến đổi pha ngoài giải pháp làm vi cánh ra cũng có một số giải pháp mang lại hiệu quả cao như ống rãnh xoắn [26][27], ống phẳng xoắn ốc [28] và ống gấp nến [29] Tuy nhiên các giải pháp tăng cường truyền nhiệt trên không mang lại hiệu cao và khả năng áp dụng đa dạng như giải pháp sử dụng ống được làm vi cánh bên trong và cánh ngắn bên ngoài Từ các nguyên nhân trên dẫn đến giải pháp tăng cường truyền nhiệt bằng ống vi cánh bên trong và cánh ngắn bên ngoài được áp dụng trong các thiết bị điều hòa trong tâm chiller để giảm kích thước thiết bị xuống

2 Tính toán, thiết kế

Cấu trúc nâng cao của sự ngưng tụ ống được yêu cầu phải kỵ nước và môi chất ở dạng lỏng có thể thoát đi nhanh chóng; trong khi cấu trúc nâng cao của một ống đun sôi được yêu cầu phải có khả năng thấm ướt tốt và có thể cung cấp nhiều hơn các vị trí tâm sinh hơi và tạo điều kiện thuận lợi cho sự ra đi của các bọt khí [30]. 

Vì vậy, vấn đề chính trong thiết kế cấu trúc nâng cao truyền nhiệt khi ngưng tụ và bay hơi là làm thế nào để cân bằng thế lưỡng nan để đạt được cao hiệu suất ngưng

tụ cũng như hiệu suất sôi cao. Các nghiên cứu có cho thấy rằng ống có cánh ngắn là ống ngưng tụ đơn giản nhưng hiệu quả [31,32], và cấu trúc xoắn ốc có thể làm giảm

sự tích tụ của lỏng khi ngưng. Mặt khác, cấu trúc vây thấp xoắn ốc mật độ cao có thể thúc đẩy sự tạo ra các tâm sinh hơi trong quá trình bay hơi. Do đó, sự dày đặc vây thấp xoắn ốc như trong hình 1a, được sử dụng làm cấu trúc cơ bản của tăng cường ngưng tụ và ống truyền nhiệt sôi. Ngoài ra, rãnh lõm có thể làm tăng sức căng bề mặt và thúc đẩy sự thoát đi của môi chất dạng lỏng trong quá trình ngưng

tụ. Do đó, các vây thấp xoắn ốc dày đặc nên được kết hợp với rãnh lõm, như trong hình 1a. Tuy nhiên, các mặt bên của các vây thấp xoắn ốc phẳng và mịn, điều này bất lợi cho sự lan rộng của màng ngưng tụ, do đó dẫn đến màng ngưng tụ tích tụ ở gốc vây

Để làm giảm chiều dày lớp màng ngưng tụ (giảm nhiệt trở) người ta đã tạo ra một lớp biên vây răng như trong hình 1b Đồng thời điều này làm tăng diện tích trao đổi nhiệt và tạo ra nhiều tâm sinh hơi hơn trong trường hợp sôi Nhờ đó làm tăng cường truyền nhiệt cho cả khi sôi và khi ngưng Tuy nhiên, sự tăng cường này không đáng

kể nên người ta sẽ làm thêm một lớp răng phía trên nữa với cấu trúc sole để tăng cường hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn, cấu trúc này được gọi là cấu trúc vây mạng tinh thể bậc (SLFT)

Ngoài phía bên ngoài ống, để tăng cường truyền nhiệt cho toàn bộ thiết bị thì phía bên trong cũng được làm thêm các vi cánh như hình 1d

Hình 1: Quy trình thiết kế vi ống dạng bước.

a) Cấu trúc cơ bản của ống cánh ngắn; b) Ống cánh ngắn được làm răng; b) Các vây lưới so le theo từng bước; d) Mặt cắt của ống tăng cường truyền nhiệt.

Trong đó, P: cao độ của vây xoắn; ΔH: chiều cao bậc răng; w: chiều rộng của bậc.

Hình 2: Cấu trúc của ống vây dạng lưới bậc.

a) Ảnh bên ngoài; b)c) Các vây mạng sole và từng bậc; d) vi cánh bên trong thiết bị

Cấu trúc vây dạng lưới bậc được thể hiện trong hình 2 Vây bậc hai lớp phân bố giống như mạng tinh thể, dẫn đến khe giữa các vây xoắn chi thành phần trên và dưới do đó truyền nhiệt hiệu ủa của thiết bị tăng lên đáng kể Chiều cao của các vây xoắn thường là 1 mm (chiều cao từ chân cánh lên đỉnh cánh), còn cao độ thường từ 0,61-0,71 mm phù hợp với yêu cầu thiết kế của vây thấp xoắn ốc dày đặc Đặc biệt vơi hai lớp bậc so le với chiêu co khác nhau trong khe vây, hai lớp bậc được phân biệt được đan chéo trên thành kênh dọc theo vòng tròn hướng dòng chảy Các vây bậc có cạnh sắc nét và bề mặt thô  Ngoài ra, các vây bậc thấp tiếp xúc với nhau trong cùng một khe vây, trong khi các vây ở bậc trên được giữ ở một khoảng cách nhất định để tạo thành các lỗ thông thủy, làm cho các vây có một tổng thể phân bố dạng mạng tinh thể, như thể hiện trong hình 2c Bên dưới

tách các vây bậc, phần dưới của rãnh vây trở thành một buồng nửa kín và các lỗ hình thành giữa các cánh tản nhiệt bậc kết nối các khe cắm trên và dưới. Các khe kết nối với nhau để tạo thành một kênh xoắn ốc, cho phép thúc đẩy dòng chảy của chất lỏng. Và phần đáy của kênh được lõm xuống, điều này cho phép để đạt được mục tiêu thiết kế là tăng sức căng bề mặt. Cả hai kênh và lỗ là chìa khóa để tăng cường truyền nhiệt trong quá trình sôi và ngưng tụ. Hình 2d cho thấy hình thái của các vây bên trong là một cấu trúc ren trong hình thang với chiều cao là 0,1-0,4

mm. Nói chung, cấu trúc thực tế của SLFT rất phức tạp với mục tiêu thiết kế và hiện thực hóa ý tưởng thiết kế

2.1 Điều kiện sôi

Trong trường hợp sử dụng nước nóng đi bên trong ống để gia nhiệt cho môi chất lạnh phía bên ngoài ống chuyển động ngược chiều nhau, công suất truyền nhiệt sẽ là:

[kW]

Trong đó, q vh : là lưu lượng khối lượng nước [kg/s], ρ h : là khối lượng riêng của nước [kg/m3]; C p,h : nhiệt dung riêng đẳng áp của nước [kJ/kgK]; T i,h : nhiệt độ đầu vào của nước [oC]; T o,h : nhiệt độ đầu ra của nước [oC] Hệ số truyền nhiệt khi sôi của hiết bị được tính như sau:

Trong đó, Δt mh là độ chênh nhiệt độ trung bình logarit [oC]; A o: diện tích trao đổi nhiệt [m2] Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit được xác định thông qua công thức sau:

[oC]

2.2 Điều kiện ngưng tụ

Trong trường hợp này chúng ta sẽ cho nước lạnh đi trong ống và môi chất lạnh đi phía bên ngoài ống Ta xác định được công suất nhiệt trao đổi thông qua công thức sau:

[kW]

Trong đó, q vc : là lưu lượng khối lượng nước [kg/s], ρ c : là khối lượng riêng của nước [kg/m3]; C p,c : nhiệt dung riêng đẳng áp của nước [kJ/kgK]; T i,c : nhiệt độ đầu vào của nước [oC]; T o,c : nhiệt độ đầu ra của nước [oC] Hệ sô truyền nhiệt của thiết bị được xác định thông qua biểu thức sau:

[oC]

Công suất nhiệt trao đổi riêng được xác định thông qua công thức sau:

[kW/m2]

Hệ số truyền nhiệt phía trong ống được xác định thông qua công thức sau:

Đối với trường hợp ống tăng cường kép hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phía bên trong ống được xác định thông qua công thức sau

[W/m2K]

Trong đó, STCi: được xác định bằng biểu đồ Wilson; h: độ nhám bề mặt, di: đường

kính bên trong ống [m]; μ: độ nhớt đông lực học tra theo nhiệt độ trung bình môi chất đi trong ống [Pa.s]; μ w: độ nhớt đông lực học tra theo nhiệt độ vách ống [Pa.s]

3 Kết luận

+ Giải pháp tăng cường truyền nhiệt bằng phương pháp sử dụng ống vi cánh thường được áp dụng để trao đổi nhiệt cho môi chất ngưng tụ hoặc bay hơi và hệ số

trao đổi nhiệt đối lưu của phía môi chất còn lại lớn hơn hoặc chênh lệch không đáng

kể so với phía môi chất biến đổi pha

+ Giải pháp tăng cường truyền nhiệt bằng ống vi cánh có dải áp dụng rộng rãi và ổn định giúp đảm bảo công suất trao đổi nhiệt trong cả trường hợp ngưng tụ và bay hơi nên có thể sử dụng cho các thiết bị điều hòa trung tâm hai chiều (Chiller) mà vẫn đảm bảo công suất, hiệu quả năng lượng cho thiết bị

+ Giải pháp này thường được áp dụng trong các thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống điều hòa trung tâm chiller hoặc các thiết bị trao đổi nhiệt ống vỏ, chùm ống, ống xoắn ruột gà

+ Hệ số truyền nhiệt khi sôi áp dụng giải pháp tăng cường truyền nhiệt bằng ống vi cánh có thể tăng từ 8,1 đến 5,1 lần so vơi trường hợp sử dụng ống trơn [1]

+ So với các giải pháp tăng cường truyền nhiệt khác, giải pháp tăng cường truyền nhiệt bằng ống vi cánh cho cả hai phía có khả năng ngưng tụ và sôi với hiệu suất truyền nhiệt vượt trội hơn rất nhiều, là giải pháp tích hợp tối ưu cho cả chức năng làm mát và sưởi ấm

+ Giảm thiểu nguyên vật liệu so với các giải pháp tăng cường truyền nhiệt bằng các dòng cánh khác

+ Độ tăng tổn thất ma sát nhỏ

+ Có thể xem xét sử dụng giải pháp tăng cường truyền nhiệt bằng ống vi cánh trong các trường hợp: nguyên vật liệu yêu cầu đắt đỏ, mở rộng khả năng của thiết bị trao đổi nhiệt hiện có, trang bị thêm hoặc nâng cấp với vật liệu mới, cần đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt về không gian và trọng lượng thiết bị

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Hanping Chen, Haijun Mo, Zhenping Wan, Shufeng Huang, Xiaowu Wang,

Hongguan Zhu “Thermal performance of a boiling and condensation enhanced

heat transfer tube – stepped lattice finned tube” Applied Thermal Engineering, vol

173, 5/06/2020

[2] S.F Huang, Z.P Wan, Y Tang “Manufacturing and single-phase thermal performance of an arc-shaped inner finned tube for heat exchanger” Appl Therm Eng 158 (2019) 1–8

[3] S.F Huang, H.G Zhu, Z.P Wan “Compound thermal performance of an arc-shaped inner finned tube equipped with Y-branch inserts” Appl Therm Eng 152 (2019) 475–481

[4] Q.L Wang, S.F Sun, L Wang “Experimental research on a dual heat source air conditioner with water heater in heating mode in winter” Cryogenics Supercond 35 (2007) 262–265

[5] Y.X Gu, T Wang, W Liu, F.F Ma “Energy-saving analysis and heat transfer

performance of wastewater source heat pump” Appl Mech Mater 694 (2014)

211–217

[6] Y.H Zhang, D.G Lu, Z.Y Wang, X.L Fu, Q Cao, Y.H Yang “Experimental

investigation on pool-boiling of C-shape heat exchanger bundle used in PRHR HX

” Appl Therm Eng 114 (2016) 186–195

[7] D.J Kukulka, R Smith “Thermal-hydraulic performance of Vipertex 1EHT

enhanced heat transfer tubes” Appl Therm Eng 61 (1) (2013) 60–66.

[8] H.P Chen, Z.P Wan, H.J Mo, S.F Huang, Y Tang “Experimental studies on

the compound thermo-hydraulic characteristics in a 3D inner finned tube with porous copper fiber inserts” Int Commun Heat Mass Transfer 100 (2019) 51–59.

[9] J.L Liu, Y.L Dai, X.M Xia, “Manufacture and application of high efficiency

boiling tube for heat exchanger” Adv Mater Res 236 (2011) 1640–1644.

[10] H Xu, Y.L Dai, H.H Cao, J.L Liu, L Zhang “Tubes with coated and

sintered porous surface for highly efficient heat exchangers” Front Chem Sci.

Eng 12 (3) (2018) 367–375

[11] Y Li, C.Q Yan, L.C Sun “Enhancement of pool boiling heat transfer on

porous surface tube” Nucl Power Eng 32 (2) (2011) 63–67

[12] S.Z Zhou, T.B Hou, M.Q Pan, Y Han, Y Chen “Production of sintered

porous tube and the study of boiling heat transfer” Equip Environ Eng 11 (3)

(2014) 91–95

[13] W.T Ji, Z.G Qu, Z.Y Li, J.F Guo, D.C Zhang, W.Q Tao “Pool boiling

heat transfer of R134a on single horizontal tube surfaces sintered with open-celled copper foam” Int J Therm Sci 50 (11) (2011) 2248–2255

[14] X.S Wang, Z.B Wang, Q.Z Chen “Research on manufacturing technology

and heat transfer characteristics of sintered porous surface tubes” Adv Mater.

Res 97 (2010) 1161–1165