(Đề tài NCKH) nghiên cứu thực nghiệm quá trình ngưng tụ của bộ trao đổi nhiệt micro

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ CỦA BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT MICRO MÃ SỐ: SV20 SKC006852 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ CỦA BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT MICRO Mã số đề tài: SV2019-64 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 06/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ CỦA BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT MICRO Mã số đề tài: SV2019-64 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuât SV thực hiện: Nguyễn Trọng Tín Nguyễn Đức Lạc Phạm Trần Thúc Duy Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 15147CL2 Năm thứ:4 /Số năm đào tạo: Ngành học: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt Người hướng dẫn: KS Đoàn Minh Hùng TP Hồ Chí Minh, 06/2019 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới KS Đồn Minh Hùng Người ln tận tình hướng dẫn, đạo ân cần mặt nghiên cứu khoa học Thầy nhiệt tình quan tâm, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em suốt q trình thực hồn thành đề tài nghiên cứu khoa học “ Nghiên cứu thực nghiệm trình ngưng tụ trao đổi nhiệt micro” Xin chân thành cảm ơn tất quý thầy cô khoa đào tạo chất lượng cao Trường Đai học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, anh chị sinh viên khóa trước, bạn sinh viên khóa ln hết lịng giúp đỡ chúng em hồn thành đề tài Do thời gian có hạn nên cịn nhiều thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến chân thành tất quý thầy cô bạn MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN 1.1.Đặt vấn đề 1.2.Tổng quan nghiên cứu liên quan 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi 1.2.2 Nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 1.3.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.4 Giới hạn nghiên cứu 1.3.5 Nội dung nghiên cứu Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Lý thuyết truyền nhiệt 2.2.Dòng chảy lưu chất 2.3.Các phương trình tính tốn 2.4.Lý thuyết đo gió: Chương 3: THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 3.1.Sơ đồ thực nghiệm 3.2.Thiết bị thí nghiệm 3.2.1 Lò mini 3.2.2 Dàn ngưng tụ kênh micro 3.2.3 Dụng cụ thí nghiệm 3.3.Thiết lập thí nghiệm 3.4.Quá trình thực nghiệm 3.4.1 Chuẩn bị thực nghiệm 3.4.2 Tiến hành thực nghiệm 3.4.3 Kết thúc thực nghiệm 3.5 Quá trình thu thập liệu 39 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 4.1 Mối liên hệ lưu lượng vào nhiệt độ 41 4.2 Mối liên hệ lưu lượng vào công suất 42 4.3 Mối liên hệ lưu lượng vào hệ số truyền nhiệt 44 4.4 Mối liên hệ lưu lượng vào mật độ dòng nhiệt 45 4.5 Mối liên hệ lưu lượng vào độ chênh áp 46 4.6 So sánh mối liên hệ lưu lượng vào nhiệt độ vào dàn ngưng tụ kênh micro mẫu mẫu 47 4.7 So sánh mối liên hệ lưu lượng vào mật độ dòng nhiệt, hệ số truyền nhiệt dàn ngưng tụ kênh micro mẫu mẫu 48 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 5.1 Kết luận 49 5.2 Kiến nghị 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC 52 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Đồ thị T-s trình ngưng tụ Hình 3.1 Sơ đồ thực nghiệm Hình 3.2 Lị mini Hình 3.3 Kích thước lị mini Hình 3.4 Kích thước mẫu Hình 3.5 Hình ảnh thực tế mẫu Hình 3.6 Kích thước mẫu Hình 3.7 Hình ảnh thực tế mẫu Hình 3.8 Cân vi lượng Hình 3.9 Lưu tốc kế Hình 3.10 Hình ảnh thực tế ampe kìm Hình 3.11 Bộ cảm biến nhiệt độ Hình 3.12 Nhóm nghiên cứu kiểm tra cảm biến Hình 3.13 Bộ cảm biến chênh lệch áp suất Hình 3.14 Mơ hình thí nghiệm Hình 3.15 Nhóm nghiên cứu lắp đặt mơ hình thí nghiệm Hình 3.16 Nhóm nghiên cứu lắp đặt mơ hình thí nghiệm Hình 3.17 Nhóm nghiên cứu thu thập liệu Hình 4.1 Biểu đồ lưu lượng vào nhiệt độ dàn ngưng micro mẫu Hình 4.2 Biểu đồ lưu lượng vào nhiệt độ dàn ngưng micro mẫu Hình 4.3 Biểu đồ lưu lượng vào công suất dàn ngưng tụ micro mẫu Hình 4.4 Biểu đồ lưu lượng vào công suất dàn ngưng tụ micro mẫu Hình 4.5 Biểu đồ lưu lượng vào hệ số truyền nhiệt dàn ngưng micro mẫu Hình 4.6 Biểu đồ lưu lượng vào hệ số truyền nhiệt dàn ngưng micro mẫu Hình 4.7 Biểu đồ lưu lượng vào mật độ dòng nhiệt dàn ngưng micro mẫu Hình 4.8 Biểu đồ lưu lượng vào mật độ dòng nhiệt dàn ngưng micro nhỏ Hình 4.9 Biểu đồ lưu lượng vào độ chênh áp dàn ngưng tụ micro mẫu Hình 4.10 Biểu đồ so sánh nhiệt độ vào hai dàn ngưng micro theo lưu lượng vào Hình 4.11 Biểu đồ so sánh hệ số truyền nhiệt hai dàn ngưng tụ micro theo lưu lượng vào Hình 4.12 Biểu đồ so sánh mật độ dòng nhiệt hai dàn ngưng tụ micro theo lưu 48 DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT G: Lưu lượng khối lượng (kg/s) Qc: Nhiệt lượng nước nhả để ngưng tụ (kW) Qa: Nhiệt lượng khơng khí giải nhiệt (kW) q: Mật độ dòng nhiệt (kW/m ) k hệ số truyền nhiệt tổng (kW/ m K) r: ẩn nhiệt hóa ứng với Ts (kJ/kg) Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kg.K) ∆Tlm độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit (oC) ρ: Khối lượng riêng (kg/m3) w: tốc độ (m/s) Va: Lưu lượng thể tích (m /s) T: Nhiệt độ ( C) BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm trình ngưng tụ trao đổi nhiệt micro Mã số SV: 15147051 - SV thực hiện: Nguyễn Trọng Tín Nguyễn Đức Lạc 15147018 Phạm Trần Thúc Duy 15147147 - Lớp: 15147CL2 Khoa: Đào Tạo Chất Lượng Cao Năm thứ: Số năm đào tạo: - Người hướng dẫn: KS Đoàn Minh Hùng 2.Mục tiêu đề tài: Tìm kết thực nghiệm trình ngưng tụ trao đổi nhiệt micro nhằm tăng cường hiệu truyền nhiệt Tính sáng tạo: Công nghệ kênh micro hướng nghiên cứu nhằm thu gọn kích thước tăng hiệu làm việc trao đổi nhiệt 4.Kết nghiên cứu: Tìm kết mối liên hệ lưu lượng vào với nhiệt độ, công suất, độ chênh áp, hệ số truyền nhiệt mật độ dịng nhiệt dàn ngưng tụ kênh micro Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Bài nghiên cứu nhóm sử dụng làm nguồn tài liệu cho nhóm nghiên cứu sau lĩnh vực nghiên cứu thiết bị kênh micro Kết nghiên cứu sử dụng cho nghiên cứu sau để góp phần thu gọn kích thước thiết bị trao đổi nhiệt TP Hồ Chí Minh Ngày 11 tháng năm 2019 SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Hình 4.7 hình 4.8 thể mối quan hệ lưu lượng vào mật độ dịng nhiệt Như hình ta thấy lưu lượng vào đóng vai trị quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ dòng nhiệt, với lưu lượng tăng từ 0.21g/s 1.06 g/s mật độ dòng nhiệt 2 tăng dần từ 649 W/m 2945.5 W/m dàn ngưng micro mẫu 2 mật độ dòng nhiệt tăng từ 1549 W/m đến 6409 W/m dàn ngưng micro mẫu Mật độ dịng nhiệt có thay đổi lớn lưu lượng vào thay đổi thể đường xiên hướng lên có độ dốc lớn Độ chênh áp [Pa] 4.5 Mối liên hệ lưu lượng vào độ chênh áp 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Hình 4.9 Biểu đồ lưu lượng vào độ chênh áp dàn ngưng tụ micro mẫu Hình 4.9 thể mối quan hệ lưu lượng vào chênh áp vào nước ngưng Với lưu lượng vào từ 0,21 g/s 0,88 g/s, trung bình độ chênh áp vào nước ngưng tăng từ 1000 Pa lên đến 9000 Pa Với thông số kết cho thấy mối liên hệ mật thiết lưu lượng vào tăng đồng nghĩa độ chênh áp nước nước ngưng tăng mạnh theo thể đồ thị gần đường xiên có độ dốc lớn 46 4.6 So sánh mối liên hệ lưu lượng vào nhiệt độ vào dàn ngưng tụ kênh micro mẫu mẫu 109 Nhiệt độ vào[oC] 108.5 108 107.5 107 106.5 106 105.5 105 104.5 Hình 4.10 Biểu đồ so sánh nhiệt độ vào hai dàn ngưng micro theo lưu lượng vào Qua hình 4.9 ta thấy nhiệt độ vào dàn nhỏ lớn so với dàn to cụ thể o o dàn to nhiệt độ vào từ 105.3 C đến 107.3 C, dàn nhỏ nhiệt độ vào từ o o 105.3 C đến 108.6 C Nguyên nhân tăng lưu lượng vào (ở kích thước dàn khơng đổi) tạo nên áp lớn dẫn đến nhiệt độ vào lớn dàn nhỏ có kính thước dàn nhỏ nên tạo áp lớn so với dàn to nên nhiệt độ vào dàn nhỏ lớn dàn to 47 4.7 So sánh mối liên hệ lưu lượng vào mật độ dòng nhiệt, hệ số truyền nhiệt dàn ngưng tụ kênh micro mẫu mẫu Hệ số truyền nhiệt [(w/m2.K] 350 300 250 200 150 100 50 0 Hệ số truyền nhiệt mẫu Mật độ dịng nhiệt [W/m2] Hình 4.11 Biểu đồ so sánh hệ số truyền nhiệt hai dàn ngưng tụ micro theo lưu lượng vào 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Mật độ dòng nhiệt mẫu Mật độ dịng nhiệt mẫu Hình 4.12 Biểu đồ so sánh mật độ dòng nhiệt hai dàn ngưng tụ micro theo lưu Qua hình 4.11 hình 4.12 ta thấy hệ số truyền nhiệt mật độ dòng nhiệt dàn ngưng tụ kênh micro mẫu lớn so với dàn ngưng tụ kênh micro mẫu Nguyên nhân dàn ngưng tụ mẫu dàn ngưng tụ mẫu có cơng suất khơng chênh lệch nhiều hình 4.3 hình 4.4 mà kích thước mẫu lớn gấp 2.3 lần so với mẫu dẫn đến mật độ dòng nhiệt mẫu lớn mẫu 48 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Bài nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng, mối liên hệ lưu lương vào với nhiệt độ, công suất, độ chênh áp, hệ số truyền nhiệt mật độ dòng nhiệt thực Kết thấy cho ứng với lưu lượng vào tăng nhiệt độ vào, nhiệt độ nước ngưng nhiệt độ khơng khí, cơng suất thiết bị, độ chênh áp, mật độ dòng nhiệt tăng, ngoại lệ hệ số truyền nhiệt biến đổi không Và cuối so sánh kết hai dàn ngưng tụ kênh micro có kích thước khác kết cho thấy dàn ngưng tụ kênh micro nhỏ nhiệt độ vào, hệ số truyền nhiệt mật độ dịng nhiệt ln lớn so với dàn to 5.2 Kiến nghị Đề tài cần nghiên cứu thêm mô so sánh với kết thực nghiệm Ngoài ra, đề tài cần thí nghiệm nhiều loại mơi chất khác với thiết bị trao đổi nhiệt kênh Micro 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoo-Kyu Oh, Chang-Hyo Son, “Condensation heat transfer characteristics of R-22, R- 134a and R-410A in a single circular Microtube”, Experimental Thermal and Fluid Science 35 (2011) 706 – 716 [2] Jatuporn Kaew-On et al, “Condensation heat transfer characteristics of R134a flowing inside minicircular and flattened tubes”, International Journal of Heat and Mass Transfer 102 (2016) 86–97 [3] Z Azizi, A Alamdari, M.R Malayeri, Thermal performance and friction factor of a cylindrical microchannel heat sink cooled by cu-water nanofluid, Applied Thermal Engineering 2016 (accepted manuscript) [4] Hyoungsoon Lee, IIchung Park, Issam Mudawar, Mohammad M.Hasan Experimental pressure drop and heat transfer results for different orientations in earth gravity - International Journal of Heat and Mass Transfer,Volume 77, October 2014, Pages 1213-1230 [5] Jinshi Wang, Yong Li, Junjie Yan, Ronghai Huang, Xiping Chen, Jiping Liu Condensation heat transfer of steam on vertical micro-tubes – Applied Thermal Engineering, Volume 88, September 2015, Pages185-191 [6] A Sakanova, C C Keian, J Zhao, Performance improvements of microchannel heat sink using wavy channel and nanofluids, International Journal of Heat and Mass Transfer 89 (2015) 59–74 [7] Na Liu , Jun Ming Li, Jie Sun, Hua Sheng Wang, “Heat transfer and pressure drop during condensation of R-152A in circular and square Microchannels”, Experimental Thermal and Fluid Science 47 (2013) 60–67 [8] Ashif Iqbal - Manmohan Pandey, Effect of local thermophysical properties and flashing on flow boiling pressure drop in microchannels, International Journal of Multiphase Flow, Volume 106, September 2018, Pages 311-324 [9] Ali H.Al-Zaidi Mohamed M.Mahmoud Tassos G.Karayiannis, Condensation flow patterns and heat transfer in horizontal microchannels, Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 90, January 2018, Pages 153-173 [10] Xiaoguang Fan, Xuehu Ma, Lei Yang, Zhong Lan, Tingting Hao, Rui Jiang and Tao Bai, Experimental study on two-phase flow pressure drop during steam 50 condensation in trapezoidal microchannels, Experimental Thermal and Fluid Science (2016) [11] Ahmad Odaymet and Hasna Louahlia-Gualous, Experimental study of slug flow for condensation in a single square microchannel, Experimental Thermal and Fluid Science Vol 38 (2012) Paper - 13 [12] H El Mghari and H Louahlia-Gualous, Experimental and numerical investigations of local condensation heat transfer in a single square microchannel under variable heat flux, International Communications in Heat and Mass Transfer Vol 71(2016) Paper 197 - 207 [13]T.M.ZhongY.ChenW.X.ZhengN.HuaX.L.LuoQ.C.YangS.P.MoL.S.Jia, Experimental investigation on microchannel condensers with and without liquid–vapor separation headers, Applied Thermal Engineering, Volume 73, Issue 2, 22 December 2014, Pages 1510-1518 [14] RuiJiang ZhongLan TongSun YiZheng KaiWang XuehuMa, Experimental study on two-phase flow pressure drop during ethanol–water vapor mixture condensation in microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 127, Part C, December 2018, Pages 160-171 [15] Tianming ZhongYingChen QingchengYang MengjieSong Xianglong LuoJunjun Xu Wenxian Zheng LisiJia, Experimental investigation on the thermodynamic performance of double-row liquid–vapor separation microchannel condenser, International Journal of Refrigeration, Volume 67, July 2016, Pages 373-382 [16] ShengWang Hsiu-Hung ChenChung LungChen, Enhanced flow boiling in silicon nanowire-coated manifold microchannels, Applied Thermal Engineering, Volume 148, February 2019, Pages 1043-1057 [17] P Thiangtham, C Keepaiboon, P Kiatpachai, L G Asirvatham, O Mahian, A S Dalkilic, S Wongwises, An experimental study on two-phase flow patterns and heat transfer characteristics during boiling of R134a flowing through a multi-microchannel heat sink, International Journal of Heat and Mass Transfer 98 (2016) 390–400 [18] LongHuang VikrantAute ReinhardRadermacher, A model for air-to-refrigerant microchannel condensers with variable tube and fin geometries, International Journal of Refrigeration, Volume 40, April 2014, Pages 269-281 [19] ChengbinZhang ChaoqunShen YongpingChen, Experimental study on flow condensation of mixture in a hydrophobic microchannel, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 104, January 2017, Pages 1135-1144 [20] YulingZhai GuodongXi ZhouhangLi HuaWang, A novel flow arrangement of staggered flow in double-layered microchannel heat sinks for microelectronic cooling, International Communications in Heat and Mass Transfer, Volume 79, December 2016, Pages 98-104 51 [21] S Szczukiewicz, M Magnini, J.R Thome, Proposed models, ongoing experiments, and latest numerical simulations of microchannel two-phase flow boiling, International Journal of Multiphase Flow, 2014, 59(84-101) [22] Minhhung Doan, Kiencuong Giang, Thanhtrung Dang – Nghiên cứu thực nghiệm trình ngưng tụ nước kênh micro vng – tạp chí số (118), 2017 – 2, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng [23] Thanhtrung Dang and Minhhung Doan, “An Experimental Investigation on Condensation Heat Transfer of Microchannel Heat Exchangers”, International Journal of Computational Engineering Research Vol, 03 Issue, 12 PHỤ LỤC Kết thực nghiệm dàn ngưng tụ micro mẫu Lưu lượng gió (kg/s) 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.032 0.032 0.032 0.032 0.032 0.032 0.032 0.032 0.032 0.032 0.031 0.031 0.031 0.031 0.031 0.031 0.031 0.031 0.031 0.031 0.0305 0.0305 0.0305 0.0305 0.0305 0.0305 0.0305 0.0305 0.0305 0.0305 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 0.029 Kết thực nghiệm dàn ngưng tụ kênh micro mẫu Lưu Lưu lượng lượng gió vào (kg/s) (g/s) 0.034 0.216 0.034 0.214 0.034 0.22 0.034 0.236 0.034 0.217 0.034 0.214 0.034 0.215 0.034 0.223 0.034 0.205 0.034 0.234 0.033 0.345 0.033 0.319 0.033 0.353 0.033 0.33 0.033 0.337 0.033 0.333 0.033 0.325 0.033 0.34 0.033 0.332 0.033 0.326 0.032 0.457 0.032 0.447 0.032 0.445 0.032 0.437 0.032 0.448 0.032 0.436 0.032 0.445 0.032 0.439 0.032 0.445 0.032 0.446 0.031 0.56651 0.031 0.585065 0.031 0.571065 0.031 0.57053 0.031 0.566865 0.031 0.56307 0.031 0.539725 0.031 0.55028 0.031 0.54453 0.031 0.5547 0.03 0.66511 0.03 0.67403 0.03 0.672775 0.03 0.67629 0.03 0.691015 0.03 0.67098 0.03 0.667765 0.03 0.67952 0.03 0.66825 0.03 0.674815 0.02977 0.81 0.02977 0.87 0.02977 0.98 0.02977 0.92 0.02977 0.88 0.02977 0.89 0.02977 0.83 0.02977 0.85 58 ... nghiên cứu thực nghiệm Vì vậy, việc nghiên cứu thực nghiệm trình ngưng tụ trao đổi nhiệt Micro cần thiết 1.3 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu Tìm kết thực nghiệm trình ngưng. .. cơng trình nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa q trình ngưng tụ cho trao đổi nhiệt Do đó, nhóm nghiên cứu chọn số cơng trình nghiên cứu tiêu biểu trình ngưng tụ trao đổi nhiệt micro 1.2.1 Tình hình nghiên. .. truyền nhiệt tổn thất áp suất đưa Những kết nghiên cứu bổ sung liệu quan trọng nghiên cứu trình ngưng tụ kênh micro Trung Hùng [23] nghiên cứu trình trao đổi nhiệt ngưng tụ thiết bị ngưng tụ kênh Micro