Do đề tài thực nghiệm trên thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng phương pháp giải nhiệt bằng khơng khí, nên việc đo lưu lượng khơng khí là một cơng việc rất quan trọng. Việc ln theo dõi, kiểm tra lưu lượng khơng khí sẽ giúp ta có thể trực tiếp phán đốn được phụ tải của thiết bị và hiệu suất làm việc của thiết bị. Theo các tài liệu đã tìm hiểu, người nghiên cứu lựa chọn cách đo lưu lượng gió tên là “Duct Traversing” (là phương pháp đo luồng khơng khí đi ngang qua trong một ống gió hở). Theo đó, lưu lượng gió đo theo cách này có thể đước xác định thơng qua cơng thức sau [42]:
V = F. (10) Trong đó:
V: lưu lượng thể tích, m3/s
F: diện tích mặt cắt ngang của ống gió, m2
: tốc độ gió trung bình, m/s
Để thuận lợi cho việc tính tốn công suất giải nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt, ta cần chuyển đổi lưu lượng thể tích thành lưu lượng khối lượng thông qua công thức quan hệ sau:
G = . (11) Trong đó:
G: lưu lượng khối lượng, kg/s.
: ℎố ượ ê ủ ư ℎấ , / .
Theo phương pháp đo đã nêu như trên, một lưu tốc kế được sử dụng để đo tốc độ gió tại nhiều điểm đã tính trước qua một mặt cắt ngang của ống gió. Từ đây ta xác định tốc độ gió trung bình thong qua cơng thức:
=∑ (12)
Sau khi đã có giá trị tốc độ gió trung bình, sử dụng cơng thức (11) sẽ xác định được lưu lượng gió cần biết.
Phương pháp này chỉ áp dụng cho các ống gió thẳng. Các điểm đã tính trước để đo tốc gió phụ thuộc vào tiết diện mặt cắt ngang, và phải phân bố hợp lý. Nên theo phương pháp này, tùy theo hình dạng tiết diện ơng, ta cần chia tiết diện ống thành nhiều tiết diện nhỏ bằng nhau và phân bố một cách đối xứng, và trong mỗi tiết diện nhỏ đó xem vận tốc tại mỗi điểm là như nhau.
Nếu tiết diện là hình chữ nhật thì ta chia thành nhiều hình nhỏ đối xứng và đo tốc độ gió tại các diện tích nhỏ này. Khi tiết diện ống là hình trịn thì ta chia ống thành các đường tròn đồng tâm cách đề nhau, và đo tốc độ gió tại các điểm trên các đường trịn và cách đều nhau [42].
Hình 2.3. Chia tiết diện đo ứng với hình chữ nhật và hình trịn
Chương III
THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM
3.1. Thiết kế mơ hình
Phương án thiết kế: chế tạo dàn ngưng giải nhiệt bằng khơng khí với lưu chất là hơi nước. Cơng suất nhiệt: 700W, nhiệt độ hơi vào: 102,6oC
Sau khi tìm hiểu các thiết bị trao đổi nhiệt trên thị trường, chọn kích thước sơ bộ của thiết bị là 230 x200. Trên cơ sở phương án lựa chọn, tính tốn nhiệt cho thiết bị.
Về thông số kết cấu thiết bị: để thực hiện đề tài, người nghiên cứu đã khảo sát thị trường và thấy rằng ơng mao đường kính trong là 0,8 mm thích hợp. Qua tìm hiểu thiết bị trao đổi nhiệt Micro của Công ty DAIKIN, người nghiên cứu chế tạo dàn chọn số ống đồng bằng 28 và số cánh bằng nhôm dùng để tản nhiệt là 252, số pass lưu chất lưu động là 1
Ta có:
= . . 4
Với n là tổng số ống, z là số pass chất lỏng, di là đường kính trong của ống. S là diện tích tiết diện ngang của chất lỏng lưu động qua ứng với 1 pass.
Vậy ta có S = 1,40672. 10 (m2)
Gọi Fi là tổng diện tích truyền nhiệt của thiết bị tính theo bề mặt trong của ống, chiều dài 1 ống của thiết bị bằng chiều dài dàn và bằng 0,23 m, do đó,
Fi = n.π. Li.di Vậy Fi = 0,01618 m2
Các thông số khác thiết bị được lựa chọn thể hiện như hình 3.1
Trên cơ sở tìm hiểu thiết kế các dàn trao đổi nhiệt trên thị trường, cũng như dựa trên nội dung của đề tài nghiên cứu và dựa trên việc tính tốn, lựa chọn vật liệu, người nghiên hướng đi vào thiết kế mơ hình và hệ thống thí nghiệm như sau:
3.1.1 Thông số thiết bị
Thiết bị nghiên cứu được tính tốn và thiết kế theo các thơng số kỹ thuật thể hiện như hình 3.1. Thiết bị ngưng tụ có số ống đồng bằng 28 và số cánh tản nhiệt là 254.
Hình 3.1 Thơng số dàn ngưng tụ ống micro 3.1.2 Quy trình chế tạo thiết bị
Các cánh tản nhiệt của mẫu thí nghiệm thể hiện như hình 3.2 được chế tạo từ cánh tản nhiệt của dàn ngưng truyền thống loại công suất nhỏ. Các cánh tản nhiệt sau đó được gia cơng với kích thước như hình 3.1.
Hình 3.2 Cánh tản nhiệt dàn micro
Để dễ cố định các ống micro theo khoảng cách đã thiết kế của bản vẽ, người nghiên cứu chế tạo thêm một số khn mica như hình 3.3.
Hình 3.3 Khn mica để chế tạo dàn micro
Sau khi đã đưa cố định 28 ống micro vào khuôn, bắt đầu ép các cánh nhôm vào các ống micro. Trước khi ép cánh nhôm vào ống, ta cần thoa 1 lớp keo tản nhiệt như hình 3.4 trên bề mặt mỗi ống đồng để đảm bảo độ bám sát giữa cánh nhơm với ống đồng.
Hình 3.4 Keo tản nhiệt
Để đảm bảo sự trao đổi nhiệt hiệu quả, cánh nhôm được ép vào các ống micro sau đó dùng dây siết thật chặt để bề mặt cánh ơm thật sát vào bề mặt ống, q trình được thể hiện bằng hình 3.5.
Hình 3.5 Các cánh nhôm được ép và siết ôm sát vào các ống micro
Mẫu thí nghiệm sau khi chế tạo hồn thành sẽ được kết nối và thử kín. Hình 3.6 thể hiện dàn micro sau khi đã chế tạo hoàn thành. Mẫu thí nghiệm này được chế tạo tại phịng thí nghiệm truyền nhiệt đặt trong xưởng nhiệt, khoa Cơ khí Động lực – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
3.2. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm
Hình 3.7 mơ tả sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống thí nghiệm. Nguyên lý làm việc của hệ thống: nước cấp cho lò hơi (2) được bơm nước (4) bơm nước từ bình chứa (3) vào lị hơi. Lò hơi được cấp nhiệt sinh hơi. Hơi ra khỏi lị hơi đi tới bình tách lỏng (5) sau đó đi vào thiết bị ngưng tụ ống micro (1). Bình tách lỏng đóng vai trị tách lỏng đọng lại ra khỏi hơi đảm bảo hơi vào thiết bị ngưng tụ ống micro là hơi bão hịa khơ. Hơi khi đi vào dàn ngưng tụ (1) thực hiện quá trình trao đổi nhiệt với khơng khí, sẽ ngưng tụ hịan tồn thành lỏng và chứa trong bể chứa (6).
Hình 3.7. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm
(1. Dàn ngưng tụ ống micro; 2. Lò hơi điện mini; 3. Bể nước cấp; 4. Bơm nước mini; 5. Bình tách lỏng; 6. Bể nước ngưng; 7. Bộ xử lý MX 100; 8. Máy tính)
Các cảm biến nhiệt độ và cảm biến đo áp suất được lắp đặt để đo các thông số thí nghiệm. Thơng số nhiết độ, chênh lệch áp suất được chuyển tới bộ xử lý dữ liệu MX100 (7) sau đó sẽ hiển thị và lưu trữ trên máy tính (8).
3.3 Thiết bị thí nghiệm 3.3.1 Lị hơi mini
Lị hơi mini có cơng suất 9 kW (Hình 3.8), khi hệ thống hoạt động ta có thể điều chỉnh được công suất hơi ra bằng việc thay đổi giá trị cường độ dòng điện cấp cho điện trở gia nhiệt sao cho phù hợp với điều kiện thử nghiệm. Lò hơi sử dụng 2 điện trở (mỗi điện trở có cơng suất là 4,5 kW). Kích thước thiết bị thể hiện như hình 3.9. Thiết bị được cấp nguồn điện áp 220V và tần số 50Hz. Thông số kỹ thuật được thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thơng số kỹ thuật lị hơi Thông số kỹ thuật
Model: EMB-S-9
Xuất xứ Mỹ
Trọng lượng máy 53 lbs
Hình 3.9 Kích thước lị hơi 3.3.2 Bộ xử lý dữ liệu MX100
Bộ xử lý dữ liệu model MX100 là thiết bị dung để đo lường, ghi nhận, phân tích và thể hiện các phép đo thực tế. Các đơn vị cần đo lường như điện áp, dòng điện,
cũng như thong qua đầu dò cảm biến thiết bị có thể đo các thong số nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, gia tốc, độ pH.
Thiết bị được sản xuất bởi công ty Yokohama – Nhật Bản, được ghi nhận có độ chính xác đo lường cao, độ ồn thấp, dễ dàng sử dụng. Thiết bị có thể kết nối tối đa 120 kênh, với 20 kênh/ bộ Analo Input. Tốc độ ghi nhận dữ liệu: 0,1s. Trong trường hợp nếu các nghiên cứu cần số lượng kênh nhiều hơn, vẫn có thể ghép nối thêm nhiều bộ Analo Input kèm theo.
3.3.3. Dụng cụ thí nghiệm
Các thiết bị đo đạt được sử dụng cho thí nghiệm như sau:
Cặp nhiệt kiểu T (với đường kính cảm biến 300).
Camera nhiệt – model Ti9, sản suất bởi Fluke, USA.
Cảm biến đo áp suất – model PMP4110, sản suất bởi GE Druck, UK.
Dimmer quạt - model IP 1000W, sản xuất bởi Taiwan
Lưu tốc kế - model AVM 03, sản suất bởi PROVA, Taiwan.
Cân vi lượng – model TP-214, sản xuất bởi Denver, USA.
Bảng 3.2. Độ chính xác của thiết bị đo
Thiết bị đo Độ chính xác
Cặp nhiệt (đường kính dây
300 µm) 0,3C
Camera nhiệt 2%
Cảm biến đo áp suất 0,025% FS
Lưu tốc kế 0,1 m/s
Cân vi lượng ±0,0015g
Cặp nhiệt T
Cặp nhiệt loại T là một loại cảm biến đo nhiệt độ sử dụng phổ biến trong các phịng thí nghiệm, y tế, cơng nghiệp thực phẩm, hệ thống thơng gió. Nó có cấu tạo gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng (hay đầu đo), đầu còn lại là đầu lạnh (hay đầu chuẩn). Vật liệu dùng để chế tạo ra cặp nhiệt loại T là đồng và constantan (là hợp kim với tỉ lệ 55% đồng và 45% niken). Theo quy ước quốc tế, dây P (cực dương) được làm từ đồng và được quy ước là dây màu đỏ. Trong khi, dây còn lại - dây N (cực âm) được làm từ constantan và được quy ước là dây màu xanh da trời.
Nguyên tắc hoạt động là khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh ra sức điện động V tại đầu lạnh. Bằng việc đo giá trị hiệu điện thế từ các đầu lạnh của cặp nhiệt điện, ta có thể tính tốn được giá trị nhiệt độ mà đầu nóng đang chịu. Trong nghiên cứu này, thông qua một công cụ (MX 100) sẽ chuyển đổi tín hiệu hiệu điện thế từ cặp nhiệt (loại T) thành tín hiệu số (ADC), từ đó giá trị nhiệt độ được thể hiện ra.
Cặp nhiệt loại này có khả năng chống ăn mịn cao, sử dụng trong môi trường oxy hóa, khí trơ, mơi trường chân khơng. Dãy nhiệt độ hoạt động từ -200 oC tới 350
o
C. Hình 3.11 thể hiện cặp nhiệt loại T được dùng trong nghiên cứu này.
Hình 3.11 Cặp nhiệt loại T.
Lưu tốc kế
Thiết bị đo tốc độ gió với model AVM-03, xuất xứ từ Đài Loan được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm này như hình 3.12. Ngồi việc đo tốc độ gió, thiết bị cịn được tích hợp cặp nhiệt loại K để đo nhiệt độ. Tuy nhiên trong nghiên cứu này, người nghiên cứu không sử dụng chức năng đo nhiệt độ của lưu tốc kế do dãy nhiệt độ đo của thiết bị chỉ từ 0 tới 60 oC, và sai số lên tới ± 0,8 o
C. Lưu tốc kế đo tốc độ gió trong phạm vi từ 0,0 tới 45,0 m/s, với sai số là ± 0,1 m/s. Ngồi ra, thiết bị cịn tích hợp đo tốc độ gió ở các đơn vị khác như ft/min, Km/hr. Thơng số kỹ thuật của thiết bị được thể hiện bằng bảng 3.3.
Hình 3.12 Lưu tốc kế
Bảng 3.3 Thơng số kỹ thuật lưu tốc kế
Kích thước đồng hồ đo 88x 168x 26,2 mm
Kích thước đầu gắn chong chóng gió 66x 132x 29,2 mm
Đường kính cánh quạt gió 52 mm
Khối lượng 500 g
Nguồn cấp 9V
Nhiệt độ vận hành 10 -50 oC
3.4. Thiết lập thí nghiệm
Hệ thống thực nghiệm được lắp đặt như hình 3.13 dựa trên sơ đồ nguyên lý thể hiện như mục 3.2. Hệ thống ống dẫn hơi được bọc cách nhiệt để các thông số đo đạt được độ chính xác cao.
Hình 3.13. Hệ thống thực nghiệm thực tế
Ngoài ra, để thu thập dữ liệu thí nghiệm, người nghiên cứu cũng tiến hành lắp đặt các vị trí đo nhiệt độ, áp suất theo các sơ đồ như hình 3.14; 3.15; 3.16 .
Hình 3.14 Sơ đồ bố trí cảm biến đo mặt trước dàn micro
Hình 3.16 Sơ đồ bố trí cảm biến đo nhiệt độ mặt sau dàn micro
3.5 Quy trình thực nghiệm 3.5.1 Vận hành hệ thống
Để thu thập dữ liệu với điều kiện thực nghiệm là lưu lượng hơi vào tăng từ 0,07 tới 0,27 g/s, theo sơ đồ nguyên lý như trên đầu tiên ta cần cấp hơi để thiết bị thí nghiệm hoạt động. Việc cấp hơi được thực hiện bởi hệ thống lò hơi. Để vận hành lò hơi, ta thực hiện các bước sau:
Bước 1: Kiểm tra lại toàn bộ hệ thống điện, đường ống dẫn hơi trước khi vận hành để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và ổn định. Đặc biệt, luôn kiểm tra nguồn nước cấp vào lò hơi.
Bước 2: Tiến hành xả cặn từ lò hơi. Sau đó, cấp nước cho lị hơi. Bật nguồn điện cấp cho lò hơi hoạt động. Thời gian lò hơi gia nhiệt nước cấp trong lò từ 28 oC tới khi sinh hơi ở nhiệt độ 100 oC là khoảng 45 phút.
Bước 3: Cấp điện cho quạt giải nhiệt cho thiết bị thí nghiệm ngưng tụ hơi thành lỏng.
Bước 4: Khi hơi cấp đi từ lò hơi đạt nhiệt độ hơi cần thực nghiệm và hơi đã ngưng tụ thành lỏng trong bể chứa một cách ổn định. Tiến hành thu thập dữ liệu.
3.5.2 Thu thập dữ liệu
Kết quả thực nghiệm thu được ở nhiệt độ môi trường trung bình ở 30C. Dữ liệu được thu thập là các giá trị nhiệt độ, áp suất, lưu lượng khơng khí qua dàn ngưng tụ, lưu lượng hơi, được thực hiện bởi các cảm biến đo nhiệt độ và áp suất, bộ thu nhận dữ liệu MX100, bộ máy tính, lưu tốc kế và cân vi lượng. Cụ thể là:
Giá trị nhiệt độ được đo bởi hệ thống các cảm biến nhiệt loại cặp nhiệt kiểu
T. Giá trị đo được sẽ được xử lý bởi bộ thu nhận dữ liệu MX100 và sau đó lưu trữ và thể hiện giá trị đo màn hình máy tính.
Giá trị áp suất được đo bởi hệ thống cảm biến áp suất, được bố trí. Giá trị đo
được sẽ được xử lý bởi bộ thu nhận dữ liệu MX100 và sau đó lưu trữ và thể hiện giá trị đo màn hình máy tính.
Hình 3.17 Dữ liệu được ghi nhận bộ MX100
Do lượng hơi vào sẽ bị ngưng tụ hoàin toàn thành lỏng, giá trị lưu lượng hơi
được thu nhận thông qua giá trị lưu lượng nước ngưng và được đo bởi cân vi lượng. Việc thay đổi giá trị lưu lượng hơi được thực hiện bằng cách thay đổi cường độ dòng điện cấp vào điện trở của lị hơi thơng qua một biến trở. Mỗi giá trị lưu lượng hơi được tiến hành đo thu nhận dữ liệu trong 60s. Thơng số sau đó được lưu trữ trên máy tính
Lưu lượng khơng khí qua dàn được đo dưa theo công thức của mục 2.2
chương 2. Giá trị w được xác định dựa trên thiết bị lưu tốc kế. Để thay tốc độ gió qua dàn, một Dimmer đã được sử dụng. Vận tốc thu được bởi giá trị trung bình thu được của phương pháp đo. Giá trị được đo và ghi nhận theo các ngày thí nghiệm. Hình 3.18 mơ tả việc đo tốc độ gió qua dàn bằng lưu tốc kế.
Chương IV
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Ảnh hưởng của tốc độ gió 4.1.1. Độ chênh nhiệt độ khơng khí
Trong nghiên cứu này, thiết bị ngưng tụ được đặt đứng. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng độ chênh nhiệt độ khơng khí ở 2 tốc độ gió gần như khơng đổi ở lưu lượng hơi thay đổi từ 0,08 g/s tới 0,18 g/s. Tuy nhiên, khi lưu lượng hơi vào từ 0,18