Luận án tiến sĩ nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ vi ống của bơm nhiệt (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - HOÀNG ANH TUẤN NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG DÀN BAY HƠI VÀ DÀN NGƯNG TỤ VI ỐNG CỦA BƠM NHIỆT Ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 9520115 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT HÀ NỘI – 2020 Công trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NGUYÊN AN PGS.TS HÀ MẠNH THƯ Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Sự phát triển ngày gia tăng bơm nhiệt hữu ích gây ảnh hưởng khơng nhỏ đến mơi trường xung quanh Vì vậy, việc nâng cao hiệu suất bơm nhiệt, việc giảm lượng nguyên vật liệu chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt bơm nhiệt, việc giảm lượng môi chất lạnh sử dụng cho bơm nhiệt vấn đề cấp thiết nghiên cứu bơm nhiệt Hiện nay, công nghệ “vi ống” xem “đáp án chung” cho vấn đề cấp thiết vừa nêu Thuật ngữ “vi ống” sử dụng để ống dẫn lưu chất có kích thước bé ống thơng thường Trong thực tế, ống có đường kính nhỏ mm thường xem vi ống Trong công nghiệp, vi ống sử dụng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt lợi ích sau: - Do có đường kính nhỏ nên khả chịu chênh lệch áp suất vi ống cao; - Với diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thể tích chứa mơi chất lạnh giảm cỡ 10 lần so với ống thường, đó, giảm khoảng 10 lần lượng môi chất lạnh chứa dàn - Khi đường kính ống giảm, phần thể tích bên ống tham gia trực tiếp vào trình trao đổi nhiệt so với tồn thể tích ống tăng lên, đó, hiệu trao đổi nhiệt dàn vi ống lớn so với dàn thông thường Để giảm thời gian tăng độ xác việc tính tốn, thiết kế dàn trao đổi nhiệt vi ống dùng bơm nhiệt; Để tăng độ xác mơ dàn trao đổi nhiệt vi ống, qua rút ngắn thời gian giảm chi phí chế tạo thử nghiệm dàn vi ống… cần có nghiên cứu chuyên sâu “quá trình truyền nhiệt dàn bay dàn ngưng tụ bơm nhiệt với cơng nghệ vi ống” Đó lý lựa chọn đề tài luận án tiến sỹ CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ VI ỐNG 1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt bơm nhiệt 1.1.1 Nguyên lý hoạt động bơm nhiệt Bơm nhiệt máy lạnh hai loại máy có nguyên lý hoạt động, hoạt động theo chu trình máy nhiệt ngược chiều chất, chúng giúp chuyển lượng nhiệt từ mơi trường có nhiệt độ thấp, gọi nguồn nhiệt lạnh (hay nguồn lạnh), sang mơi trường có nhiệt độ cao hơn, gọi nguồn nhiệt nóng (hay nguồn nóng) Trong luận án này, thuật ngữ “bơm nhiệt” dùng với nghĩa bao quát nhất, tức tất loại máy hoạt động theo chu trình ngược chiều Thiết bị tiết lưu Qo Thiết bị bay Thiết bị ngưng tụ Qo N = Qc - Qo Qc Máy nén N Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt Một hệ thống bơm nhiệt gồm có bốn thành phần máy nén, thiết bị ngưng tụ, thiết bị tiết lưu thiết bị bay hơi, kết nối với theo sơ đồ hình 1.1 Về số lượng, ta ln thu nhiệt lượng nguồn nóng, Qk, lớn cơng tiêu hao cho máy nén, (Qk – Qo) Đây lý mà bơm nhiệt sử dụng để cấp nhiệt thay cho phương pháp truyền thống dùng dây điện trở đốt nhiên liệu hoá thạch… 1.1.2 Tổng quan thiết bị trao đổi nhiệt dùng cho bơm nhiệt 1.1.2.1 Thiết bị ngưng tụ Căn vào mơi trường làm việc, tính sử dụng, đặc điểm cấu tạo người ta chia thiết bị ngưng tụ thành: - Thiết bị ngưng tụ làm mát khơng khí; - Thiết bị ngưng tụ làm mát nước; - Thiết bị ngưng tụ kiểu kết hợp nước khơng khí 1.1.2.2 Thiết bị bay Thiết bị bay phận hai loại là: - Thiết bị bay làm lạnh chất lỏng; - Thiết bị bay làm lạnh không khí 1.1.3 Vi ống chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt cho bơm nhiệt Cho tới nay, vi ống ứng dụng phổ biến việc chế tạo dàn bay dàn ngưng tụ cho hệ thống điều hồ khơng khí (cũng coi loại bơm nhiệt) sử dụng ơtơ Ngồi ứng dụng điều hồ khơng khí ơtơ, vi ống ứng dụng để chế tạo bình ngưng tụ, bình bay thiết bị hồi nhiệt hệ thống lạnh với mức công suất cỡ vài chục KW Vi ống ứng dụng cho bình ngưng tụ cho nhà máy nhiệt điện với suất thải nhiệt cực lớn, lên tới 680 MW đơn nguyên với đơn nguyên lắp đặt, tổng suất nhiệt thải lên đến 4080 MW Điều cho thấy, vi ống khơng có ưu điểm tính gọn nhẹ, chịu rung động mà cịn cho hiệu trao đổi nhiệt cao 1.2 Tình hình nghiên cứu truyền nhiệt vi ống Qua 60 năm phát triển, lựa chọn hàng trăm cơng trình cơng bố, 50 cơng trình trích dẫn cho thấy rộng lớn lĩnh vực “trao đổi nhiệt vi ống”, trước hết phạm vi ứng dụng Tuy nhiên, ứng dụng rộng rãi vậy, nghiên cứu trao đổi nhiệt dàn bay dàn ngưng tụ vi ống bơm nhiệt khiêm tốn số lượng, tồn bất cập sau Thiết bị trao đổi nhiệt vi ống phát triển với chế độ nhận nhiệt, ứng dụng làm mát cấu trúc siêu nhỏ vi mạch điện tử… Do vậy, nghiên cứu q trình sơi vi ống thường tiến hành với trạng thái đầu vào lỏng lạnh lỏng bão hồ Rất cơng trình cơng bố, trừ cơng trình nghiên cứu thiết bị bay vi ống gắn liền với hoạt động hệ bơm nhiệt, đề cập tới q trình sơi mơi chất vi ống với trạng thái đầu vào bão hoà ẩm Q trình sơi với mơi chất đầu vào trạng thái lạnh gọi “sôi lạnh” không xảy với thiết bị bay bơm nhiệt Nghiên cứu chế độ nhả nhiệt vi ống tiến hành với vùng vùng nhiệt, vùng ngưng tụ vùng lỏng lạnh Tuy nhiên, thực nghiệm, trình truyền nhiệt với vùng lại thường tiến hành cách độc lập Trừ số nghiên cứu hoạt động hệ thống bơm nhiệt, cơng trình tiến hành thực nghiệm q trình nhả nhiệt thay đổi trạng thái liên tục từ vùng nhiệt đến vùng lỏng lạnh Do vậy, nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt bên vi ống chế độ nhả nhiệt với trạng thái thay đổi liên tục từ nhiệt đến lỏng lạnh xảy dàn ngưng tụ bơm nhiệt điều cần thiết Về lý thuyết, trạng thái màng lỏng bám vách ống vùng ngưng không chịu ảnh hưởng từ trạng thái đầu vào nên xây dựng mơ hình lý thuyết cho nhả nhiệt vùng ngưng tụ môi chất vi ống cách độc lập 1.3 Đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án Q trình sơi bão hoà ẩm ngưng tụ bão hồ khơ q trình vừa quan trọng, có mức độ ảnh hưởng lớn, cịn nhiều vấn đề chưa giải thấu đáo, làm ảnh hưởng đến độ xác kết tính tốn Do vậy, luận án tập trung vào nghiên cứu q trình Để thực điều đó, luận án tiến hành bước nghiên cứu theo trình tự sau: - Xây dựng mơ hình tốn cho q trình tiến hành mơ mà cụ thể q trình sơi bão hồ ẩm q trình ngưng tụ bão hồ khơ Mơ hình tốn bao gồm hệ phương hệ phương trình mơ tả q trình điều kiện đơn trị - Xây dựng thuật tốn giải mơ hình tốn xây dựng - Lựa chọn phần mềm lập trình giải mơ hình tốn theo thuật tốn xây dựng (xây dựng mơ hình máy tính) - Xây dựng hệ thống thí nghiệm, tiến hành đo đạc lấy số liệu nhằm kiểm chứng kết tính tốn mơ hình máy tính xây dựng Hiệu chỉnh mơ hình máy tính, cần - Sử dụng kết nghiên cứu thu được, khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến chế độ sôi ngưng tụ môi chất vi ống CHƯƠNG XÂY DỰNG LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CHO Q TRÌNH SƠI VÀ NGƯNG TỤ CỦA DỊNG MÔI CHẤT TRONG VI ỐNG 2.1 Các chế độ lưu động dịng pha ống thơng thường vi ống 2.1.1 Chế độ lưu động dòng pha ống thông thường Chế độ chuyển động dịng pha ống thơng thường bao gồm chế độ lưu động trình bày Hình 2.1 Trong đó, lưu động hình xuyến chế độ xảy nhiều đề cập nhiều tài liệu công bố khoa học chuyên ngành Chế độ lưu động hình xuyến Chế độ lưu động dạng bọt Chế độ lưu động phân tầng Chế độ lưu động gián đoạn Vách ống Pha lỏng Pha Hình 2.1 Các chế độ lưu động dịng pha ống Tuỳ thuộc vào tương quan tốc độ dòng hơi, lỏng với lực trọng trường; tuỳ thuộc vào vị trí ống, thẳng đứng hay nằm ngang hay nghiêng…, chiều chuyển động môi chất, màng lỏng bám vách ống có dạng hình xuyến hay khơng Chế độ lưu động hình xuyến chế độ lưu động dạng bọt trường hợp mang tính thái cực chúng có điểm chung ảnh hưởng lực trọng trường đến dịng mơi chất khơng đáng kể thường bỏ qua Giữa trường hợp thái cực này, tuỳ thuộc vào tỉ lệ thể tích chiếm chỗ dòng pha so với pha lỏng, mơi chất cịn lưu động chế độ trung gian chế độ hình viên đạn (Hình 2.2) Trong thiết bị trao đổi nhiệt, để tăng hiệu quả, chế độ lưu động lưu chất thường thiết kế với tốc độ lớn, đồng nghĩa với ảnh hưởng lực trọng trường nhỏ bỏ qua Vì vậy, luận án không đề cập thêm đến trường hợp chịu ảnh hưởng lớn lực trọng trường Về học thuật, nghiên cứu chế độ lưu động hình xuyến có ý nghĩa khơng xảy với tần xuất cao mà cịn kết tính tốn từ chế độ giúp xác định chế độ cịn lại, nhờ đó, đưa phương pháp hiệu chỉnh cần Chế độ lưu động hình xuyến Chế độ lưu động hình viên đạn Vách ống Chế độ lưu động dạng bọt Pha lỏng Pha Hình 2.2 Chế độ lưu động dòng pha ống bỏ qua trọng trường 2.1.2 Chế độ lưu động dòng pha vi ống Nghiên cứu q trình sơi ngưng tụ bên vi ống, thực nghiệm cho thấy, chế độ lưu động hình xuyến với màng lỏng bám vách ống xảy với tần suất cao chế độ khác [15, 16, 17, 34] Do vậy, luận án lựa chọn chế độ để xây dựng mơ hình tốn, làm sở cho bước nghiên cứu 2.2 Xây dựng hệ phương trình vi phân mơ tả q trình 2.2.1 Các giả thiết ban đầu Để xây dựng giải hệ phương trình vi phân giúp xác định chiều dày màng lỏng hình xuyến, qua giúp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, cần chấp nhận số giả thiết sau: - Lõi màng lỏng xem đồng chất, đẳng hướng, có thơng số nhiệt vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ; - Lưu chất màng lỏng xem chất lỏng Newton; - Bỏ qua phân bố nhiệt độ tốc độ lõi hơi; - Bỏ qua nhiệt trở bề mặt phân pha lỏng – hơi; - Không xét trình trao đổi chất với tượng khuyếch tán bề mặt phân pha lỏng – hơi; - Coi nhiệt trở qua màng lỏng hình xuyến (chảy tầng) trình dẫn nhiệt gây nên; - Lưu chất sát bề mặt vách ống xem không chuyển động; - Bỏ qua ảnh hưởng lực trọng trường Hình 2.3 Hệ toạ độ trụ phân tố khảo lớp lỏng hình xuyến 2.2.2 Phương trình vi phân động lượng Phương trình vi phân động lượng biểu thị cân lực cho phân tố dr x dl, trình bày Hình 2.4 Theo đó, bỏ qua lực trọng trường, thành phần lực tham gia vào cân bao gồm ứng suất trượt gây chênh lệch tốc độ bề mặt phân tố xét với phần tử chất lỏng xung quanh Trong hệ toạ độ trụ, cân biểu diễn qua biểu thức (2.1), sau đó, biến đổi thành biểu thức (2.2) 2π(r + dr) dl (τ + dτ) = 2πr dl τ (2.1) r τ + r dτ + τ dr + dτ dr = r τ (2.2) Khi bỏ qua vi phân bậc 2, d dr, biểu thức (2.2) biến đổi thành dạng (2.3) với kết quả, biểu diễn biểu thức (2.5) dτ dr ∫ = −∫ (2.3) τ r ln(τ) = ln(C⁄r) (2.4) τ = C⁄r (2.5) Hình 2.4 Cân lực phân tố khảo sát Nếu giả thiết ứng suất trượt mặt phân pha lỏng - hơi, l - h, biết, số tích phân C xác định biểu thức (2.5) biến đổi sang dạng (2.6) R−δ τ= τ (2.6) r l-h Lưu ý rằng, với chất lỏng Newton, biến đổi biểu thức (2.6) sang dạng (2.10) (R − δ) τl - h ωl = ln(C⁄r) (2.10) μl Theo điều kiện biên, l = r = R, số tích phân C xác định biểu thức (2.10) viết lại thành dạng (2.11) (R − δ) τl - h ωl = ln(R⁄r) (2.11) μl Do đó, tốc độ lỏng mặt phân pha xác định theo (2.12) (R − δ) τl - h R ωl - h = ln ( ) (2.12) μl R − δ Theo [53], xác định giá trị l - h dựa vào biểu thức (2.13) f τl - h = l - h ρh (ωh − ωl - h )|ωh − ωl - h | (2.13) Với fl - h hệ số ma sát bề mặt phân pha lỏng - hơi, xác định theo [53] 2.2.3 Phương trình vi phân bảo tồn khối Hình 2.5 Bảo toàn khối cân lượng phân tố khảo sát Phương trình vi phân bảo toàn khối xây dựng cho riêng pha lỏng cho tồn dịng mơi chất vi ống Đối với phân tố lỏng hình xuyến có chiều dày  chiều dài dl, thể Hình 2.5, cân biểu diễn qua biểu thức (2.18), cho q trình sơi, biểu thức (2.19), cho q trình ngưng tụ Theo đó, với q trình sơi, lượng lỏng sôi khỏi phân tố, dGe, giảm lượng lỏng qua phân tố Ngược lại, lượng ngưng tụ vào phân tố, dGc, gia tăng lượng lỏng qua phân tố Gl (l + dl) = Gl (l) − dGe (2.18) (l (l) Gl + dl) = Gl + dGc (2.19) Đối với tồn dịng môi chất vi ống, lưu lượng môi chất qua tiết diện ống phải tổng lưu lượng pha lỏng pha Do đó, phương trình bảo tồn khối cho tồn dịng mơi chất vi ống, tiết diện l l + dl, biểu diễn qua biểu thức (2.20), sau đó, biến đổi thành dạng chung (2.21) G = Gl (l) + Gh (l) = Gl (l + dl) + Gh (l + dl) (2.20) R G = ρl ∫ 2πrωl dr + ρh π(R − δ)2 ωh (2.21) R−δ 2.2.4 Phương trình vi phân lượng 2.2.4.2 Phương trình vi phân lượng cho trình sơi Phương trình vi phân lượng biểu diễn cân lượng cho phân tố lỏng sôi  x dl, thể Hình 2.5a Theo đó, bỏ qua chênh lệch Enthalpy vào/ra phân tố, cân có dạng (2.23) dQe = dGe ilh + dQe,truyền (2.23) Hình 2.6 Lưu đồ thuật tốn xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến trình sơi Hình 2.7 Lưu đồ thuật tốn xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến trình ngưng tụ 11 2.5 Mơ hình xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 2.5.1 Mơ tả mơ hình Trên sở phương pháp xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến vừa trình bày, mơ hình rời rạc q trình sơi q trình ngưng tụ bên vi ống chế độ hình xuyến xây dựng trình bày Hình 2.8 Lưu ý rằng, áp dụng công thức, xây dựng mục 2.2, vào mơ hình rời rạc Hình 2.8, ký hiệu vi phân “d” chuyển thành sai phân “” Hình 2.8 Mơ hình rời rạc q trình bên vi ống 2.5.2 Thuật toán xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Hình 2.9 lưu đồ thuật toán xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu q trình sơi ngưng tụ bên vi ống chế độ hình xuyến Theo đó, lưu đồ bắt đầu việc nhập thơng số hình học, loại môi chất thông số làm việc vi ống Tiếp theo, chiều dài phân tố, ∆l, xác định để chuẩn bị cho việc tính tốn chiều dày lớp lỏng hình xuyến, thực chất thực chương trình xây dựng theo thuật tốn Hình 2.6 2.7 Khi chiều dày lớp lỏng hình xuyến xác định, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tương ứng xác định theo biểu thức (2.29) (2.35) Việc tính toán lặp lại cho tất phân tố j = ̅̅̅̅̅ 1, n , theo số phân tố n chọn Sau kết thúc q trình tính toán vừa nêu, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình, 𝛼̅, dịng nhiệt Qe, Qc tồn đoạn vi ống tính tốn theo công thức (2.38), (2.39) (2.40) n ̅ = ∑ αj α (2.38) n j=1 12 n Qe = ∑ ∆Qe, j (2.39) j=1 n Qc = ∑ ∆Qc, j (2.40) j=1 Hình 2.9 Thuật tốn xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ Q TRÌNH SƠI VÀ NGƯNG TỤ TRONG VI ỐNG 3.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm Thực nghiệm q trình sơi ngưng tụ vi ống cần tiến hành hệ thống bơm nhiệt thực Bên cạnh đó, nghiên cứu thực nghiệm cần tiến hành để đánh giá và, qua đó, hồn thiện lý thuyết tính tốn xây dựng Chương 3.2 Hệ thống thực nghiệm 3.2.1 Giới thiệu chung 13 Một hệ thống thực nghiệm xây dựng với mục đích vừa trình bày Các đại lượng xác định trực tiếp qua hệ thống bao gồm trạng thái môi chất vào/ vi ống, lưu lượng môi chất qua vi ống nhiệt độ bề mặt vách vi ống Qua đó, dịng nhiệt trao đổi hệ số trao đổi nhiệt đối lưu q trình sơi ngưng tụ bên vi ống xác định 3.2.2 Nguyên lý hoạt động B2 TĐN B1 Bể chứa nước nhiệt F T2a Tn2 T2 T4a T3 T2b P1 T1 T6a T4 T5 T4b Tn1 T6 T6b P7 T7 P8 T8 TL Dàn vi ống thử nghiệm V5 Ống góp có kính quan sát V6 Ống góp có kính quan sát TL V8 F1 V7 P9 KÝ HIỆU: V4 V3 P P_x Cảm biến áp suất môi chất T_xx Cảm biến nhiệt độ môi chất F_x P Tn_x TĐN Máy nén môi chất Cảm biến lưu lượng môi chất B_x TĐN_x TL_x Bơm nước tuần hoàn Dàn trao đổi nhiệt Ống mao tiết lưu Cảm biến nhiệt độ nước Van chặn P Đồng hồ áp suất Phin sấy lọc T Đồng hồ nhiệt độ Kính quan sát F Lưu lượng kế TĐN Dịng mơi chất (chế độ ngưng tụ) V1 V2 Dịng mơi chất (chế độ sơi) Hình 3.1 Sơ đồ ngun lý hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu q trình sơi ngưng tụ vi ống Nguyên lý hoạt động hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu q trình sơi ngưng tụ vi ống trình bày Hình 3.1 3.2.3 Cấu tạo dàn vi ống thử nghiệm 3.2.3.1 Phần mơ hình trao đổi nhiệt Dàn vi ống thử nghiệm bao gồm 16 ống đồng có chiều dài tổng 820 mm, chiều dài vùng làm việc 700 mm đường kính trong/ ngồi tương ứng 1,27/2,00 mm, nối song song với trình bày Hình 3.4 14 Ống góp, Ø 28,58 mm Ống góp, Ø 15,88 mm 93,0 93,0 Vùng làm việc, 700,0 mm 16 ống, đường kính trong/ ngồi 1,27/2,00 mm Ống góp, Ø 28,58 mm Ống góp, Ø 15,88 mm Hình 3.4 Cấu tạo dàn vi ống thử nghiệm 85,0 8,0 Khung INOX SUS-304 Tấm nắp thuỷ tinh hữu cơ, 10 mm Gioăng Silicon, mm Khung PVC đỡ đầu dàn ống, 5mm 5,0 5,0 Tấm đáy INOX SUS-304, mm Kênh dẫn nước Ống dẫn phân phối nước, 83 x 10 mm 16 ống, Ø 1,27/2,00 mm Ống góp nước, Ø 32 mm Hình 3.5 Cấu tạo kênh dẫn nước bao quanh dàn vi ống thử nghiệm Để trao đổi lượng nhiệt tương ứng q trình sơi ngưng tụ, vùng làm việc 16 ống đồng nối song song đặt kênh dẫn nước tiết diện hình chữ nhật với chiều rộng 85,0 mm chiều cao 8,0 mm mơ tả Hình 3.5 Tồn dàn vi ống thử nghiệm với đường ống dẫn môi chất chất tải nhiệt (nước) vào/ ra, với đặc điểm cấu tạo vừa trình bày lắp ráp hồn chỉnh thể Hình 3.6 Cụm thiết bị thử kín trước kết nối với thiết bị khác hệ thống thực nghiệm 15 750,0 145,0 12,5 113,3 145,0 Ống góp nước, Ø 32 mm 110,0 14,0 135,0 145,0 24,0 145,0 68,0 145,0 Ống góp nước, Ø 32 mm Ống góp mơi chất, Ø 15,88 mm Ống góp mơi chất, Ø 28,58 mm Ống góp nước, Ø 32 mm Ống góp mơi chất, Ø 15,88 mm 700,0 70,0 140,0 140,0 140,0 140,0 70,0 Ống góp nước, Ø 32 mm 93,0 Ống góp môi chất, Ø 28,58 mm Khe phân phối nước, 83 x 10 mm 135,0 12,5 Khe phân phối nước, 83 x 10 mm Ống góp nước, Ø 32 mm Hình 3.6 Cấu tạo tổng thể dàn vi ống thử nghiệm 3.2.3.2 Phần cảm biến nhiệt độ bề mặt vách vi ống Để xác định dòng nhiệt trao đổi, hệ số trao đổi nhiệt thông số hoạt động khác, cần xác định nhiệt độ bề mặt vách vi ống Số lượng, ký hiệu vị trí điểm đo nhiệt độ bề mặt thể Hình 3.6 Việc gắn dây cặp nhiệt lên vách vi ống thực phương pháp hàn thiếc thể Hình 3.7, 3.8 Dây cặp nhiệt T (Constantan), Ø 0,0762 mm Dây cặp nhiệt T (Cu), Ø 0,0762 mm Thiếc hàn Vách vi ống, dày 0,365 mm Hình 3.7 Dây cặp nhiệt gắn bề mặt vách vi ống 3.2.4 Hệ thống đo tự ghi số liệu Hình 3.8 Ảnh chụp dây cặp nhiệt gắn bề mặt vách vi ống Các đại lượng cần xác định trực tiếp hệ thống đo tự ghi số liệu thể Hình 3.1 Hình 3.6 16 MƠ - ĐUN NGUỒN DC Nguồn ra: 24V DC 220V AC 24V DC MÀN HÌNH CẢM ỨNG & GHI SỐ LIỆU Delta, model: DOP-B03S211 MÔ - ĐUN VI XỬ LÝ PLC Delta, model: DVP14SS2 Đường truyền RS485 CHUYỂN MẠCH CƠ T1 - T8 T2a, T2b, T4a, T4b, T6a, T6b (14 điểm đo) Đến 24V DC + - X0 + - Y0 + - Y1 + - Y2 + - Y3 + - Y4 + + Đường truyền RS485 nội (Internal BUS) Điều khiển máy nén Y3 Y2 Y1 Y0 C F1 + - CH2 - + CH3 - + CH4 - + CH5 - + - CH6 - + Đến 24V DC Cặp nhiệt T (14 điểm đo) P1 P7 P8 Đến CH1, M01 P9 Đến 24V DC Đến CH1, M02 MƠ - ĐUN ĐO TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ (M02) Delta, model: DVP06AD-S Đến 24V DC CH1 - + CH2 - + CH3 - + Đến CH2, M02 Tn1 Tn2 Tcj CH4 - + CH5 - + + + MÔ - ĐUN ĐO TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ (M01) Delta, model: DVP06AD-S CH1 - + + CH6 - + Đến 24V DC Đến CH3, M02 BỘ CHUYỂN ĐỔI Tín hiệu nhiệt độ Cặp nhiệt T - 4/20 mA + - BỘ CHUYỂN ĐỔI Tín hiệu nhiệt độ Cảm biến Pt100 - 0/5 V Tn1 BỘ CHUYỂN ĐỔI Tín hiệu nhiệt độ Cảm biến Pt100 - 0/5 V Tn2 BỘ CHUYỂN ĐỔI Tín hiệu nhiệt độ Cảm biến Pt100 - 0/5 V Tcj Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo tự ghi số liệu Luận án sử dụng hệ thống đo tự ghi số liệu theo sơ đồ ngun lý trình bày Hình 3.9 Theo đó, tổng số 22 kênh tín hiệu điện loại hệ thống đo đạc lưu trữ 3.2.6 Phương pháp xử lý số liệu 3.2.6.1 Mơ hình u cầu tính tốn a) Cho q trình sơi a) Cho q trình ngưng tụ Hình 3.11 Mơ hình tính tốn hệ số trao đổi nhiệt đối lưu đại lượng liên quan 17 Với mơ hình tính tốn trình bày Hình 3.11, luận án xác định dịng nhiệt trao đổi Q, tính tồn chiều dài L vi ống, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cục phía mơi chất 1,l, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình phía mơi chất 1, tính cho tồn chiều dài L vi ống 3.2.6.2 Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Theo mơ hình tính tốn Hình 3.11, xác định dịng nhiệt trao đổi vi ống theo công thức (3.1) sau đây: Q = G(i1,ra − i1,vào ) (3.1) a) Cho trình sơi b) Cho q trình ngưng tụ Hình 3.12 Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ngồi vi ống Theo phương pháp trình bày Hình 3.12, toàn chiều dài L vi ống chia thành N đoạn, cho dòng nhiệt trao đổi tất đoạn, Qi, Khi giả thiết nước có nhiệt dung riêng khơng đổi, nhiệt độ trung bình nước đoạn thứ i xác định theo công thức (3.3) t2,ra − t2,vào t2,i = t2,vào + × (i − ) (3.3) N Khoảng cách từ đầu vào vi ống tới đoạn thứ i (tính theo điểm giữa) xác định theo công thức (3.4) i-1 li = ∑ ∆lj + j=1 ∆li (3.4) Với khoảng cách li xác định, tính nhiệt độ bề mặt ngồi vách vi ống dựa hàm mơ tả biết theo công thức (3.5) tw2,i = f(li ) (3.5) Độ chênh nhiệt độ trung bình mặt vách vi ống nước đoạn thứ i xác định theo cơng thức (3.6) ∆ti = tw2,i − t2,i (3.6) 18 Khi đó, chiều dài đoạn chia thứ i, li, tính theo công thức (3.7) sau: Qi (3.7) α2 (πd2 )∆ti Các công thức từ (3.2) đến (3.7) cho phép tính chiều dài li tất đoạn Tổng giá trị li tính cần phải chiều dài đoạn ống nghiên cứu Đây sở để xác định giá trị 2, phương pháp lặp, trình bày lưu đồ Hình 3.13 Qua đó, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cục trung bình phía mơi chất xác định theo công thức (3.10) (3.11) α1,i = (3.9) (πd1 ∆li )(t1,i − tw2,i ) d1 d2 − ln ( ) Qi λw d1 ∆li = N α1 = ∑ α1,i Δli L (3.10) i =1 Hình 3.13 Thuật tốn xử lý số liệu 19 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 4.1 Kết đo đạc thực nghiệm mô Với giá trị hệ số trao đổi nhiệt đối lưu exp (thực nghiệm) sim (mô phỏng) tính trung bình cho tồn đoạn vi ống khảo sát (có chiều dài L = 0,7 m), sai số tuyệt đối, , sai số tương đối, , giá trị mô giá trị thực nghiệm xác định theo công thức (4.1) (4.2)  = sim - exp (4.1) exp (4.2) 4.1.1 Q trình sơi Đã tiến hành 08 chế độ nghiên cứu cho q trình sơi với áp suất thay đổi phạm vi từ 3,17 đến 4,81 bar, tương ứng với nhiệt độ sôi R134a thay đổi phạm vi từ 2,2 đến 14,5 oC Đây dải nhiệt độ sôi phù hợp với hầu hết ứng dụng bơm nhiệt điều kiện làm việc Việt Nam Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình,exp, có giá trị từ 2156 đến 3063 W/m2K mật độ dịng nhiệt, qexp, có giá trị từ 12976 đến 18522 W/m2 Các số liệu cho thấy, mật độ dòng nhiệt đạt mức cao, sở để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt gọn nhẹ, hiệu suất cao công nghệ vi ống 4.1.2 Quá trình ngưng tụ 10 chế độ nghiên cứu cho trình ngưng tụ tiến hành với áp suất môi chất thay đổi phạm vi từ 6,83 đến 12,60 bar, tương ứng với nhiệt độ ngưng tụ R134a thay đổi phạm vi từ 25,9 đến 48,2 oC Đây dải nhiệt độ ngưng tụ phù hợp với hầu hết ứng dụng Việt Nam Kết thu cho thấy, q trình ngưng tụ R134a vi ống có hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình,exp, thay đổi phạm vi từ 2104 đến 3157 W/m2K mật độ dòng nhiệt, qexp, thay đổi từ 14100 đến 17201 W/m2 Chế độ ngưng tụ có mật độ dòng nhiệt, qexp, giá trị cao điều khẳng định thêm phù hợp công nghệ vi ống áp dụng cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt nói chung, thiết bị bay hơi, ngưng tụ cho bơm nhiệt nói riêng 4.2 Đánh giá độ tin cậy mơ hình mơ xây dựng Theo kết thu được, sai lệch tương đối cận dưới, cục (min), lớn kết mô số liệu thực nghiệm hệ số trao đổi nhiệt cục - 24%, với q trình sơi, - 25%, với trình ngưng tụ; sai lệch tương đối cận trên, cục (max), lớn + 16%, q trình sơi, + 25%, trình ngưng tụ 20 3500 3000 3000 a [W/m K] a sim [W/m K] 3500 + 5.0% + 5.0% 2500 - 20.5% + 4.0% + 4.0% 2500 - 19.0% - 20.5% 2000 Hình 4.1 Sai lệch kết mô 1500 số2000liệu thực nghiệm hệ 1500 2500 3000 3500 [W/m K] trung bình số trao đổi nhiệta đối lưu cho trình sơi exp - 19.0% 2000 Hình 4.2 Sai lệch kết mô 1500 số liệu thực nghiệm hệ 1500 2000 2500 3000 3500 [W/m lưu K] số trao đổi nhiệtađối trung bình cho trình ngưng tụ 2 Theo số liệu trình bày Hình 4.1 4.2, q trình sơi q trình ngưng tụ, giá trị mơ hệ số trao đổi nhiệt trung bình có sai lệch tương ứng từ - 20,5% đến + 5,0% từ - 19.0% đến + 4,0% so với thực nghiệm Số liệu sai lệch so với thực nghiệm hệ số trao đổi nhiệt trung bình cho tất chế độ nghiên cứu tiến hành trình bày cụ thể Bảng 4.1, cho q trình sơi Bảng 4.2, cho trình ngưng tụ 4.3 Khảo sát thay đổi hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 4.3.1 Sự thay đổi hệ số trao đổi nhiệt đối lưu theo áp suất Sự thay đổi hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình theo áp suất trình bày Hình 4.3 Hình 4.4 4000 Hệ số trao đổi nhiệt, a [W/m2 K] Hệ số trao đổi nhiệt, a [W/m 2K] 4000 3200 aexp = -293.15Pvào + 3740.1 2400 asim = -86.253Pvào + 2716.1 1600 Thực nghiệm 800 Hình 4.3 Sự phụ thuộc củaMơhệ số trao đổi0 nhiệt đối lưu trung bình vào áp 3.100 3.550 4.000 4.450 4.900 suất môi chất cho trình sơi Áp suất mơi chất, P [bar] 3200 aexp = 115.31Pvào + 1309.4 2400 asim = 23.302Pvào + 2035.9 1600 Thực nghiệm 800 Mơ hệ phỏngsố trao Hình 4.4 Sự phụ thuộc đổi nhiệt đối lưu trung bình vào áp 8.100 9.700 suất6.500 mơi chất cho q trình11.300 ngưng 12.900 tụ Áp suất mơi chất, P [bar] vào vào Khi áp suất môi chất tăng, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình có xu hướng giảm q trình sơi xu hướng tăng trình ngưng tụ 4.3.2 Sự thay đổi hệ số trao đổi nhiệt đối lưu theo tốc độ khối Sự thay đổi hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình theo tốc độ khối mơi chất trình bày Hình 4.5 Hình 4.6 Theo đó, tốc độ khối mơi chất tăng, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình có xu hướng giảm q trình sơi xu hướng tăng trình ngưng tụ Sự giảm hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tốc độ môi chất tăng q trình sơi q trình sơi xảy chủ yếu bề mặt 21 ống phụ thuộc vào chế độ chảy lớp lỏng xuyến với số mũ Rel có giá trị âm trình bày cơng thức (2.25) Để thuận tiện cho việc sử dụng, hàm hồi quy giúp tính tốn hệ số trao đổi nhiệt trung bình đề xuất Cho trình sơi: trung bình = -293,15 Pvào + 3740,1 [W/m2K] (4.3) trung bình = -5,5516 Gvel + 3714 [W/m2K] (4.4) Cho trình ngưng tụ: trung bình = 115,31 Pvào + 1309,4 [W/m2K] (4.5) trung bình = 11,311 Gvel + 83.123 [W/m2K] (4.6) 4000 Hệ số trao đổi nhiệt, a [W/m K] Hệ số trao đổi nhiệt, a [W/m2 K] 4000 3200 aexp = -5.5516Gvel + 3714 2400 asim = -1.5665Gvel + 2694.4 Hình 4.5 Sự phụ thuộc hệ số trao 1600 đổi nhiệt đối lưu trung bình vào tốc Thực nghiệm 800 khối mơi chất cho q trình sôi độ Mô 176.0 194.5 213.0 Tốc độ khối môi chất, Gvel 231.5 3200 aexp = 11.311Gvel + 83.123 2400 asim = 2.9614Gvel + 1652.4 Hình 1600 4.6 Sự phụ thuộc hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bìnhThựcvào tốc độ nghiệm 800 mơi chất cho q trình ngưng tụ khối Mơ 172.0 250.0 189.0 206.0 223.0 240.0 Tốc độ khối môi chất, Gvel [kg/m2s] [kg/m2s] KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua nội dung trình bày, thấy luận án thu kết lý thuyết sau đây: Đã phân tích lựa chọn chế độ lưu động với lớp biên lỏng “hình xuyến” làm sở cho việc xây dựng lý thuyết tính tốn mơ cho q trình sơi ngưng tụ bên vi ống Chế độ hình xuyến cịn có ý nghĩa thực tiễn q trình lưu động dịng mơi chất sơi ngưng tụ vi ống thường xảy chế độ Đã xây dựng mơ hình tốn phương pháp giải mơ hình tốn cho chế độ lưu động hình xuyến, áp dụng cho trình sơi q trình ngưng tụ Mơ hình có kể đến yếu tố đặc trưng dịng mơi chất lạnh sôi ngưng tụ vi ống lớp biên lỏng hình xuyến khơng phẳng (là vách trụ), có tượng trượt có ứng suất trượt lõi với lớp biên lỏng hình xuyến Thơng qua việc giải mơ hình tốn, xác định chiều dày chế độ chảy lớp biên lỏng hình xuyến, làm 22 sở để xác định dòng nhiệt truyền qua hệ số trao đổi nhiệt đối lưu vách ống với dịng mơi chất sơi ngưng tụ bên ống Trên sở phương pháp giải mơ hình tốn xây dựng, phần mềm mơ q trình sơi ngưng tụ dịng môi chất vi ống phát triển, hiệu chỉnh bước đầu cho kết tính tốn phù hợp với thực nghiệm Phần mềm mơ phỏng, lập trình EES, có khả xác định hệ số trao đổi nhiệt cục dọc theo chiều dài vi ống, hệ số trao đổi nhiệt trung bình cho tồn chiều dài đoạn vi ống khảo sát Kết kiểm chứng độ tin cậy cho thấy, hệ số trao đổi nhiệt cục thu lý thuyết có sai lệch tương đối so với thực nghiệm từ - 24% đến + 16%, cho q trình sơi, từ - 25% đến + 25%, cho trình ngưng tụ Với hệ số trao đổi nhiệt trung bình, sai lệch tương đối lý thuyết thực nghiệm từ - 20,5% đến + 5,0% cho q trình sơi, từ - 19.0% đến + 4,0% cho trình ngưng tụ Bên cạnh kết lý thuyết vừa trình bày, luận án đạt kết thực nghiệm sau: Đã xây dựng hệ thống thực nghiệm q trình sơi ngưng tụ mơi chất lạnh vi ống Hệ thống có đặc điểm hoạt động hoàn toàn theo nguyên lý bơm nhiệt, vậy, giữ ảnh hưởng đặc thù chế độ sôi ngưng tụ bơm nhiệt đến hệ số trao đổi nhiệt đối lưu dịng mơi chất vi ống Đã xây dựng hệ thống đo, tự ghi số liệu phương pháp xử lý số liệu cho phép thu thập tất thơng số liên quan đến q trình trao đổi nhiệt tính tốn hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cục hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình q trình sơi ngưng tụ vi ống Trên sở phương pháp xử lý số liệu này, phần mềm xử lý số liệu lập trình EES giúp tính tốn nhanh, xác giá trị hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bên vi ống Các nghiên cứu thực nghiệm tiến hành, với nghiên cứu lý thuyết thực luận án giúp hiểu rõ chế trình sơi ngưng tụ vi ống, giúp đề xuất công thức hồi quy cho phép xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bên vi ống 23 Kiến nghị Để hướng nghiên cứu ngày hoàn thiện trở nên hữu ích hơn, cần có nghiên cứu tiếp theo, cụ thể sau: Về thực nghiệm, cần tiếp tục thử nghiệm cho nhiều loại mơi chất, với nhiều kích cỡ, tiết diện hình học cấu trúc bề mặt (trơn nhẵn, có rãnh vi cánh…) vi ống Về lý thuyết, cần phân tích chi tiết tượng, qua đó, tìm biện pháp hiệu chỉnh phù hợp giúp nâng cao độ xác mơ hình mơ Bên cạnh đó, để đưa hệ số trao đổi nhiệt cục vào tính tốn, thiết kế tối ưu thiết bị trao đổi nhiệt cho bơm nhiệt, cần tiếp tục phát triển phần mềm mô thành phần mềm mô thiết bị bay hơi, thiết bị ngưng tụ bơm nhiệt, mô tồn hệ thống bơm nhiệt có sử dụng cơng nghệ vi ống Nên có nghiên cứu để mở rộng phạm vi áp dụng lý thuyết tính tốn, mơ xây dựng cho q trình khác, ví dụ q trình sơi ống sinh lị hơi… 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Hồng Anh Tuấn, Nguyễn Ngun An (2016), “Mơ hình tốn xác định chiều dày màng lỏng ngưng vi ống chế độ hình xuyến”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 10, T10/2016 Hoàng Anh Tuấn, Nguyễn Nguyên An (2017), “Mơ hình tính tốn hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trình ngưng tụ bên vi ống”, Tạp chí Năng lượng nhiệt, số 134, T3/2017 Hồng Anh Tuấn, Nguyễn Nguyên An (2017), “Phương pháp lý thuyết xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trình ngưng tụ bên vi ống chế độ hình xuyến”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 3, T3/2017 Hoàng Anh Tuấn, Nguyễn Nguyên An (2019), “Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu sơi vi ống”, Tạp chí Năng lượng nhiệt, số 150, T11/2019 ... NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ Q TRÌNH SƠI VÀ NGƯNG TỤ TRONG VI ỐNG 3.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm Thực nghiệm q trình sơi ngưng tụ vi ống cần tiến hành hệ thống bơm nhiệt thực Bên cạnh đó, nghiên. .. nghiên cứu chun sâu “q trình truyền nhiệt dàn bay dàn ngưng tụ bơm nhiệt với cơng nghệ vi ống? ?? Đó lý lựa chọn đề tài luận án tiến sỹ CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VI ỐNG 1.1... xác vi? ??c tính toán, thiết kế dàn trao đổi nhiệt vi ống dùng bơm nhiệt; Để tăng độ xác mô dàn trao đổi nhiệt vi ống, qua rút ngắn thời gian giảm chi phí chế tạo thử nghiệm dàn vi ống? ?? cần có nghiên