3.3.9. Kết quả và xử lý kết quả
a) Lời giải – Study:
1. Trong Model Builder ta đến mục Study> chọn Step 2: Time Dependent. 2. Tới khung Times nhập range (0, 1, 150).
Ở đây range (giây bắt đầu, bước giây, giây cuối cùng). 3. Chọn khung Relative Tolerance. Nhập 0,1 như hình 3.28.
Hình 3.28 Nhập Relative Tolerance
4. Trong khung Settings – Time Dependent click Compute.
Sau khi tính tốn xong, máy tính sẽ cho một loạt các kết quả như hình 3.29.
58
CHƯƠNG IV
THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH BAY HƠI TRONG THIẾT BỊ TRAO ĐỞI NHIỆT KÊNH MICRO
4.1 Mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro
Các kích thước, hình dáng thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro được chế tạo, gia công theo đúng thiết kế khi mơ phỏng thể hiện trên hình 3.2 và 3.4. Hình 4.1 là ảnh thực của mẫu thí nghiệp.
Hình 4.1 Mẫu thiết bị trao đổi nhiệt thực nghiệm. 4.2 Hồn thiện mẫu thí nghiệm
Sau khi gia cơng hồn thiện mẫu thí nghiệm, ta tiến hành dán kênh micro và tấm mica bằng công nghệ keo Epoxy. Chọn keo Epoxy trong để dán mẫu thí nghiệm nhờ đặc tính chịu nhiệt cao, khi keo khơ có khả năng chống xì cao và khi dán hồn tất, keo màu trong dễ quan sát kết quả thí nghiệm.
Các bước dán bộ gia nhiệt và tấm mica để hồn thiện mẫu thí nghiệm:
Bước 1: Hịa trộn giữa keo Epoxy và dung dịch hóa rắn theo tỷ lệ thích hợp
để cho ra hỗn hợp keo đồng nhất có những đặc tính hóa học và vật lý phù hợp với các u cầu thí nghiệm (hình 4.2).
59
Hình 4.2 Hỗn hợp keo sau khi hòa trộn
Bước 2: Quấn cao su non thành sợi nhỏ chèn vào các kênh và rìa bên ngồi
của kênh để đảm bảo keo khơng tràn vào lịng kênh micro làm giảm số lượng kênh dẫn đến việc giảm hiệu quả trao đổi nhiệt (hình 4.3).
Hình 4.3 Dùng cao su non để bảo vệ tránh tràn keo vào kênh
Bước 3: Quét một lớp keo mỏng các cạnh xung quanh của thiết bị trao đổi
60
Hình 4.4 Qt keo các cạnh xung quanh mơ hình
Bước 4: Sau khi đã quét đủ keo lên bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt, đặt cẩn thận tấm mica lên trên bộ trao đổi nhiệt micro sao cho phù hợp, đồng thời tháo gỡ các mảnh băng keo non trong lịng các kênh micro của thiết bị (hình 4.5).
Hình 4.5 Đặt tấm mica lên thiết bị kênh micro
Bước 5: Để tăng thêm độ kín giữa tấm mica và thiết bị kênh micro ta sử
dụng bulông và đai ốc. Ta siết bulông, đai ốc đều và độ cứng phù hợp (hình 4.6).
61
4.3 Mơ hình thực nghiệm
Hệ thống thí nghiệm sử dụng bộ trao đổi nhiệt kênh micro, hệ thống bơm và hệ thống đường ống như hình 4.7 và 4.8. Quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện với lưu chất làm việc là nước. Nhiệt được truyền cho lưu chất từ điện trở.
62
Hình 4.8 Hệ thống thí nghiệm thực tế 4.3.1 Dụng cụ thí nghiệm
a) Bơm li tâm
Bơm li tâm được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, bơm được sử dụng có cơng suất 20W, thơng số lưu lượng dịng chảy 11,52 l/h và sử dụng dòng điện xoay chiều 220-240V, 50Hz như hình 4.9.
Hình 4.9 Bơm li tâm
Bơm li
tâm
Dimmer
Bình điều áp Bộ gia nhiệt nước
Bộ xử lí
Bình chứa nước
Thiết bị kênh micro
Bình chứa nước Điện
63
b) Bình điều áp
Bình điều áp được sử dụng nhằm ổn định lưu lượng dòng chảy, đảm bảo lưu lượng ổn định cho quá trình thực nghiệm (hình 4.10).
Hình 4.10 Bình điều áp c) Điện trở
Điện trở được sử dụng để gia nhiệt cho thiết bị micro đạt đến điểm sơi. Điện trở có dải nhiệt độ từ 0-250oC.
Điện trở dùng trong thí nghiệm có cơng suất 300W, sử dụng dòng điện xoay chiều 220-240V như hình 4.11.
64
d) Dimmer
Dimmer được sử dụng để điều chỉnh công suất điện trở.
Dimmer có cơng suất 500W, sử dụng điện xoay chiều 220V (hình 4.12).
Hình 4.12 Dimmer e) Bợ xử lí tín hiệu MX100
Đây là một bộ xử lí đa năng, có thể kết nối với nhiều loại cảm biến, đo đạc được nhiều loại số liệu như điện áp, nhiệt độ, áp suất…Một máy tính được cài đặt phần mềm sẽ kết nối với phần cứng bộ xử lí MX100 để có thể tiếp nhận, xử lí dữ liệu và hiện thị các giá trị như hình 4.13.
Đầu vào và đầu ra của bộ gia nhiệt kênh Micro được gia công trên tấm mica để nối với các ống nước vào và ra. Ở mỗi đầu vào và ra, có hai cảm biến nhiệt độ được đưa vào để ghi các giá trị nhiệt độ. Ngồi ra, cịn có hai cảm biến nhiệt độ được đặt hai mặt bên của bộ trao đổi nhiệt microchannel. Vì vậy, có tổng cộng bốn cảm biến nhiệt độ được sử dụng để ghi giá trị nhiệt độ.
Để đo chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro, nhóm tác giả cịn sử dụng 2 cảm biến áp suất đặt ở 2 vị trí này. Sau đó, sử dụng thuật tốn có sẵn của phần mềm xử lí 2 giá trị áp suất đưa về, đưa ra được độ chênh áp suất đầu vào và đầu ra của kênh micro.
65
Hình 4.13 Bộ xử lí MX100 f) Cân điện tử
Cân được sử dụng để xác định lưu lượng dòng chảy trong quá trình thực nghiệm.
Cân sử dụng trong thí nghiệm là cân có model TP – 240 được sản xuất bởi Denver. Cân có thể cân từ 0,0000g đến 210g với sai số ± 0,0015g, như hình 4.14.
66
g) Bợ gia nhiệt nước
Bộ gia nhiệt nước được sử dụng để tăng nhiệt độ nước đầu vào theo điều kiện được đặt ra khi thí nghiệm. Bộ gia nhiệt nước được sử dụng là bộ AXW-5- Temp Controller của hãng Medillab.
Dải nhiệt độ thiết bị có thể kiểm sốt được là từ 10oC đến 120oC như hình 4.15.
Hình 4.15 Bộ gia nhiệt nước h) Các thiết bị phụ khác
o Ampe kìm: Dùng để đo dịng điện của điện trở trong quá trình thực nghiệm (hình 4.16).
67
o VOM: Dùng để đo điện trở và điện thế của các thiết bị thực nghiệm được thể hiện ở hình 4.17.
Hình 4.17 VOM
o Súng bắn nhiệt độ: Dùng để xác định nhiệt độ tại điểm cần xác định (hình 4.18).
68
o Đồng hồ đo nhiệt độ: Dùng để xác định nhiệt độ nước trong quá trình thực nghiệm như hình 4.19.
Hình 4.19 Đồng hồ đo nhiệt độ. 4.3.2 Đo số liệu
a) Đo lưu lượng
Lưu lượng khối lượng của bơm được xác định bằng cách cân khối lượng nước ở đầu ra của kênh micro trong một khoảng thời gian. Tuy nhiên lưu lượng khối lượng thực tế đo được thì thấp hơn lưu lượng khối lượng của bơm cấp qua thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro vì do ảnh hưởng của đường ống, bình chứa, các van khóa. Trước khi đo lưu lượng khối lượng, thực hiện việc điều chỉnh dụng cụ đo là cân chính xác, để đảm bảo chắc chắn rằng giá trị của đĩa cân hiển thị 0,0000g. Sau đó, việc thử nghiệm được hoạt động trong 20 phút để đạt được trạng thái ổn định. Lưu lượng khối lượng đi qua thiết bị kênh micro được đo trong 10 lần, với khoảng thời gian giữa hai lần đo liên tiếp là một phút. Cuối cùng, chọn giá trị trung bình của lưu lượng khối lượng đã đo được.
b) Đo nhiệt độ
Khi tiến hành thực nghiệm, nhiệt độ được đo bằng cách sử dụng các đầu cảm biến nhiệt độ đặt ở các vị trí cần đo. Các đầu cảm biến này được kết nối với bộ xử lí XT100 để xử lí thơng tin đưa về, lưu trữ và hiển thị nhiệt độ lên màn hình máy tính. Trước khi đo nhiệt độ đầu vào và đầu ra, chúng ta chắc chắn rằng tất cả các cảm biến nhiệt độ đều ở nhiệt độ giống nhau và bằng nhiệt độ môi trường xung quanh. Sau đó, chu kì thử nghiệm hoạt động trong 20 phút để hệ thống đạt đến trạng thái ổn định. Sau đó, giá trị nhiệt độ được ghi trong 10 phút.
69
ChươngV
CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
5.1 Các kết quả mơ phỏng kênh hình chữ nhật và hình chữ nhật được bo trịn
5.1.1 Kênh hình chữ nhật 0,3x0,5 mm Kết quả độ khô và biên độ nhiệt độ
Tác giả đã thực hiện thời gian mô phỏng 350 giây, 300 giây, 250 giây, 200 giây, 150 giây với bước nhảy 1 giây và nhận thấy sau khoảng thời gian 150 giây trạng thái sôi đã đạt trạng thái ổn định. Vì thế tác giả chọn bước nhảy 1 giây, thời gian mô phỏng 150 giây. Các kết quả mơ phỏng thể hiện như các hình bên dưới.
(a) Độ khô
(b) Biên dạng nhiệt độ của hơi nước
70
Hình 5.1 thể hiện vị trí chuyển pha hồn toàn giữ pha 1 (lỏng) và pha 2 (hơi). Trên hình 5.1a ta thấy độ khô x tại đầu ra là 0,9896. Đồng thời xác định được vị trí chuyển pha của kênh có dạng vịng cung parabol. Hình 5.1b thể hiện giá trị nhiệt độ cực đại 99,701oC tại đầu ra.
Hình 5.2 Điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của kênh hình chữ nhật
Hình 5.3 Nhiệt độ ứng với điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của kênh hình chữ
nhật
Hình 5.2 thể hiện vị trí bắt đầu xảy ra q trình chuyển pha. Tại vị trí này các bong bóng đầu tiên được hình thành. Đồng thời theo hình 5.3 xác định được thời gian xảy ra quá trình quá trình chuyển pha là giây thứ 18. Nhiệt độ đo được lớn nhất ngay tại ví trí chuyển pha là 99,9oC.
71
Hình 5.4 Nhiệt độ đầu ra ứng với những bong bóng đầu tiên hình thành của kênh
hình chữ nhật ở giây thứ 18
Hình 5.4 thể hiện nhiệt độ lớn nhất tại đầu ra của kênh là 85oC ứng với giây thứ 18 của q trình mơ phỏng điều này phù hợp với hình số 5.5 bên dưới.
Hình 5.5 Biểu đồ thể hiện nhiệt độ đầu ra của hơi nước
Từ hình 5.5 cho ta thấy nhiệt độ đầu ra của lưu chất của bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật tăng dần và đạt trạng thái ổn định từ giây thứ 80 đến giây thứ 150.
5.1.2 Kênh hình chữ nhật được bo trịn 0,5x0,07mm Kết quả độ khô và biên độ nhiệt độ
Sau khi chạy mô phỏng ta sẽ thu được các kết quả về độ khô, biên dạng nhiệt độ của hơi nước, vị trí chuyển pha, nhiệt độ tại điểm chuyển pha như các hình bên dưới.
72 (a) Độ khơ
(b) Biên dạng nhiệt độ của hơi nước
Hình 5.6 Độ khơ và biên dạng nhiệt độ kênh hình chữ nhật được bo trịn tại
giây thứ 150
Hình 5.6 thể hiện vị trí chuyển pha hồn tồn giữ pha 1 (lỏng) và pha 2 (hơi). Trên hình 5.6a ta thấy độ khơ x tại đầu ra là 0,9956. Hình 5.6b thể hiện giá trị nhiệt độ cực đại 99,831oC tại đầu ra. Như vậy kết quả nhiệt độ đầu ra và độ khô bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật được bo trịn cao hơn bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật. Từ kết quả độ khơ kênh hình chữ nhật được bo trịn cao hơn kênh hình chữ nhật chứng minh hiệu quả trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật được bo trịn cao hơn kênh hình chữ nhật.
73
Hình 5.7 Điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của kênh hình chữ nhật được
bo trịn
Hình 5.8 Nhiệt độ ứng với điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của kênh hình chữ
nhật được bo trịn
Hình 5.7 thể hiện vị trí bắt đầu xảy ra q trình chuyển pha. Tại vị trí này các bong bóng đầu tiên được hình thành. Đồng thời theo hình 5.8 xác định được thời gian xảy ra quá trình chuyển pha là giây thứ 17. Nhiệt độ đo được lớn nhất ngay tại ví trí chuyển pha là 99,9oC. Kết quả cho ta thấy điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật được bo trịn sớm hơn bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật khoảng 1s.
74
Hình 5.9 Nhiệt độ đầu ra ứng với những bong bóng đầu tiên hình thành của
kênh hình chữ nhật được bo trịn ở giây thứ 17
Hình 5.9 thể hiện nhiệt độ lớn nhất tại đầu ra của kênh là 86oC ứng với giây thứ 17 của q trình mơ phỏng điều này phù hợp với hình số 5.10 bên dưới.
Hình 5.10 Biểu đồ thể hiện nhiệt độ đầu ra của hơi nước
Từ hình 5.10 cho ta thấy nhiệt độ đầu ra của lưu chất của bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật tăng dần và đạt trạng thái ổn định từ giây thứ 80 đến giây thứ 150.
75
Bảng 5.1 Bảng tổng hợp so sánh độ khơ đầu ra kênh hình chữ nhật và hình
chữ nhật (cn) được bo tròn Nhiệt độ
nước đầu vào
Nhiệt độ nước đầu ra Mô phỏng Độ khô Mô phỏng oC oC xe Kênh hình chữ nhật 0,3x0,5mm Kênh hình cn bo trịn 0,5x0,07 mm Kênh hình chữ nhật 0,3x0,5mm Kênh hình cn bo trịn 0,5x0,07 mm 60 99,701 99,831 0,9896 0,9956
Theo bảng 5.1 ta thấy nhiệt độ cực đại đầu ra, độ khơ kênh hình chữ nhật được bo tròn lần lượt là 99,8310C, 0,9956 cao hơn nhiệt độ kênh hình chữ nhật 99,7010C, 0,9813.
5.2 Các kết quả thực nghiệm và so sánh kết quả thực nghiệm với mơ phỏng của kênh hình chữ nhật và hình chữ nhật được bo trịn
Hình 5.11 So sánh nhiệt độ đầu ra của hai bộ trao đổi nhiệt bằng phương pháp
mơ phỏng
Dựa vào hình 5.11 ta thấy thời điểm bay hơi kênh hình chữ nhật ở giây thứ 18, thời điểm bay hơi kênh hình trịn ở giây thứ 17. Qua đó ta rút ra kết luận kênh hình chữ nhật được bo tròn bay hơi sớm hơn kênh hình chữ nhật. Từ kết quả này có thể kết luận hiệu quả trao đổi nhiệt của kênh hình chữ nhật bo trịn cao hơn kênh hình chữ nhật.
76
Hình 5.12 So sánh nhiệt độ đầu ra của hai bộ trao đổi nhiệt bằng phương
pháp thực nghiệm
Dựa vào hình 5.12 ta thấy ta thấy thời điểm bay hơi kênh hình chữ nhật ở giây thứ 19, thời điểm bay hơi kênh hình trịn ở giây thứ 18. Qua đó ta rút ra kết luận kênh hình chữ nhật được bo trịn bay hơi sớm hơn kênh hình chữ nhật và thời điểm bay hơi này gần đúng thời gian bay hơi trong mơ phỏng như hình 5.11 với sai lệch 5%.Tác giả kiến nghị khi sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt micro nên chọn kênh hình chữ nhật được bo trịn thay vì kênh hình chữ nhật.
Bảng 5.2 Bảng tổng hợp so sánh nhiệt độ đầu ra kênh hình chữ nhật và hình
chữ nhật (cn) được bo tròn bằng phương pháp thực nghiệm Nhiệt độ nước
đầu vào
Nhiệt độ nước đầu ra Thực nghiệm oC oC Kênh hình chữ nhật 0.3x0.5mm Kênh hình chữ nhật bo trịn 0.5x0.07 mm 60 99,81 99,9
77
Theo bảng 5.2 ta thấy nhiệt độ cực đại đầu ra kênh hình chữ nhật được bo trịn 99,9oC cao hơn nhiệt độ kênh hình chữ nhật 99,81oC điều này phù hợp với kết quả mô phỏng theo bảng 5.1.
Bảng 5.3 Bảng tổng hợp so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm
Nhiệt độ nước đầu vào oC
Nhiệt độ nước đầu ra oC Độ khơ xe Kênh hình chữ nhật 0,3x0,5mm Kênh hình trịn 0,5x0,07 mm Kênh hình chữ nhật 0,3x0,5mm Kênh hình trịn 0,5x0,07 mm Mơ phỏng Thực nghiệm Mơ phỏng Thực
nghiệm Mô phỏng Mô phỏng
60 99,701 99,81 99,831 99,9 0,9896 0,9956
Bảng 5.3 thể hiện kết quả nhiệt độ đầu ra giữa mơ phỏng và thực nghiệm. Kênh hình chữ nhật nhiệt độ đầu ra của phương pháp mô phỏng và thực nghiệm lần lượt là 99,701oC, 99,81oC, kênh hình chữ nhật được bo trịn nhiệt độ đầu ra của phương pháp mô phỏng và thực nghiệm lần lượt là 99,813oC, 99,9oC. Như vậy kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm rất gần nhau. Tiếp theo tác giả sẽ so sánh vị trí sơi của kênh hình chữ nhật giữa hai phương pháp thực nghiệm và mơ phỏng.
Hình 5.13 Vị trí sơi của bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật bằng phương