45
3.2.4. Khối điện trở
Cấu tạo thực tế của khối điện trở gồm một tấm vật liệu tản nhiệt ở trong cùng. Nhiệt lượng tỏa ra chủ yếu từ dây mayso (cấu tạo gần giống vonfram) được quấn quanh thanh tản nhiệt. Giữa thanh tản nhiệt và lớp nhơm cịn có các tấm tản nhiệt. Nhiệt độ bề mặt tấm điện trở có sự khác biệt, nhiệt độ ở giữa là cao nhất và giảm dần về phía 2 đầu của điện trở.
Để phù hợp với điều kiện thực tế trong mơ hình mơ phỏng ta coi khối điện trở như một khối nhơm. Với thơng số kích thước đã đo đạc và mơ hình như hình 3.7.
Hình 3.7 Khối điện trở
3.3. Các bước mơ phỏng mơ hình thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro
3.3.1. Khởi đợng và chọn và thiết lập mơ hình, tính chất vật lý và lời giải cho mơ hình:
1. Khởi động phần mềm Comsol. Khi phần mềm mở, bạn có thể chọn thẻ
Model Wizard để tạo một mô phỏng theo hỗ trợ của Comsol hoặc là Blank Model để tạo một mơ hình tự thiết lập theo người dùng. Ở đây ta chọn Model
46
Hình 3.8 Chọn Model
2. Model Wizard hỗ trợ bạn thiết lập các bước đầu trong chọn các tính chất mơ hình, tính chất vật lý, lời giải. Cửa sổ tiếp theo cho phép bạn chọn kích thước khn mẫu.
3. Trên Select Space Dimension window click 3D
4. Trong khung cây Select Physics , ta chọn Heat Transfer>Conjugate Heat Transfer>Turbulent Flow, click Turbulent Flow, Low Re k- ε .
5. Click Add và click Study như hình 3.9
6. Ở cửa sổ tiếp theo trong khung Select Physic Interface click Stationary
with Initialization , Click Done
47
3.3.2. Chọn mơ hình hình học – Geometry:
1. Trên thanh cơng cụ Geometry toolbar, click Import (hình 3.10).
Hình 3.10. Import mơ hình vào Comsol
* Trước khi Build All đối tượng ta phải chuyển kích thước mơ hình nhập về kích thước mm.
2. Click Geometry trong khung Model Builer, ở bên khung Setting
Geometry chuyển kích thước Length unit về mm như hình 3.11.
Hình 3.11 Chỉnh đơn vị về mm
3. Trên thanh công cụ Geometry toolbar, click BuildAll , hoặc nhấp
BuildAll trong khung Setting Geometry.
Sau khi Build All, ta sẽ thấy xuất hiện mô hình bên khung Graphics như hình 3.12.
48
Hình 3.12 Mơ hình graphics 3.3.3. Thiết lập giá trị - Parameter: 3.3.3. Thiết lập giá trị - Parameter:
Ta thiết lập các giá trị thơng số điều kiện biên cho bài tốn như sau: 1. Trong khung Model Builder, ta nhấp phải vào Glodal Definitions chọn
Parameters.
2. Ta thiết lập thông số theo bảng sau:(Bảng 3.2)
Bảng 3.2: Thơng số các giá trị của bài tốn mơ phỏng
Tên Giá trị Mô tả
G_0 0,3[g/s] Lưu lượng đầu vào kênh
T_in 60[degC] Nhiệt độ lưu chất tại đầu vào
T_amb 30[degC] Nhiệt độ môi trường
Q 24[W/m] Nhiệt lượng cấp vào
h1 10[W/m^2*K] Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
h2 37[W/m^2*K] Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
3.3.4. Thiết lập các khối:
Để tiện cho việc lựa chọn các khối giống nhau ta nên tạo một form các khối cùng vật liệu và đặc thù.
1. Trong khung Model Builer, Ta chọn Component >Definitions . Ta nhấp chuột phải vào Definitions, chọn Selections>Explicit(Hình 3.13)
49
Hình 3.13 Vào mục Explicit định dạng khối
2. Ta nhập tên khối vào Form Label trong khung Setting. Ở đây ta chọn khối Lưu chất nên nhập Fluid.
3. Trong khung Setting, ta click vào Paste Selection , ta nhập domain 6
và click Ok.
4. Tương tự ta làm như vậy với các khối khác. (Bảng 3.3 Bảng 3.4).
Lưu ý: Ở đây các khối và biên đã được định nghĩa ở bảng 3.2và thiết lập sẵn kèm theo file mơ hình Geometry cho nên ta khơng cần làm bước trên.
Bảng 3.3: Bảng thứ tự các Domain trong mơ hình
Tên khới Domain
Channel 500x300 1
Mica 2
Heat Source 7
Fluid 6
Bolt&Nut 3-5, 8-24
Bảng 3.4: Bảng thứ tự các Boundary trong mơ hình
Tên Biên Boundary
Inlet 49
50
3.3.5. Thiết lập vật liệu cho mơ hình – Materials : Aluminum
1. Trên thanh cơng cụ Home click Add Material (Hình 3.14)
Hình 3.14 Chọn thêm vật liệu
2. Trong khung Add Material window, chọn Built-In, Click Aluminum , Click Add to Component .
3. Trong khung Setting window for Material, đến mục Geometric Entity Selection >Chọn khối Channel 500x300.
Tương tự ta chọn được khối nước và các khối khác như bảng 3.5.
Bảng 3.5: Bảng tên Domain đã thiết lập Vật liệu Tên khối
Water
Fluid Steam
Aluminum Channel 500x300
Aluminum 1 Heat Source
Iron Bolt&Nut
Mica Mica
3.3.6. Thiết lập module dòng chảy - Turbulent Flow, Low Re k-ε (spf):
Ta tiến hành thiết lập thông số dịng chảy cho mơ hình (hình3.15). 1. Đến mục Turbulent Flow trong khung Model Setting.
2. Ở bên khung Setting của Turbulent Flow. Ta tới khung Selection. 3. Sau đó chọn Fluid như hình.
51
Hình 3.15 Thiết lập module dịng chảy Inlet 1
Ta tiến hành thiết lập điều kiện đầu vào của lưu chất.
1. Trên thanh công cụ Physics click Boundaries chọn Inlet .(Hình 3.16).
Hình 3.16 Thiết lập Inlet
2. Chọn biên đầu vào của lưu chất.
Trong khung Setting của Inlet, ta chọn Boundary Inlet như hình. Phần màu xanh trên hình là phần biên mà ta đã chọn như hình 3.17.
52
Hình 3.17. Chọn biên cho Inlet
3. Trong khung Setting của Inlet 1, ta đến mục Boundary condition. Ở đây ta chọn thông số đầu vào là lưu lượng (Mass flow) thể hiện trên hình 3.18.
Hình 3.18. Thiết lập lưu lượng khối lượng
4. Ta đến mục Mass flow. Tại khung Normal mass flow rate ta nhập lưu lượng vào là G_0.
Outlet 1
Ta thiết lập điều kiện biên ở đầu ra lưu chất.
1. Trên thanh công cụ Physics click Boundaries và chọn Oulet
Trong khung Setting của Outlet, ta chọn Boundary Outlet như hình. Phần màu xanh trên hình là phần biên mà ta đã chọn (hình 3.19).
53
Hình 3.19 Thiết lập điều kiện biên Outlet 3.3.7. Thiết lập module truyền nhiệt - Heat transfer (ht)
Ở mục này chúng ta thiết lập thơng số điều kiện biên cho bài tốn truyền nhiệt của mơ hình.
Soild 1
Ở đây ta có thể thiết lập truyền nhiệt cho khối rắn. Ta giữ nguyên các thiết lập.
Intital Value 1
Trong khung Setting Initial Values. Ta đến mục Temperature > nhập
T_amb.
Thermal insulation
Đây điều kiện ranh giới mặc định cho nhiệt độ.
Phase Change Material 1
1. Trên thanh công cụ Physics. Click Domain > Phase change material
54
Hình 3.20 Chọn đặc tính biến đổi pha
2. Trong khung Setting - Phase Change Material.Ta chọn khối lưu chất
Fluid.
3. Ta đến mục Phase Change trong khung Setting. Nhập các thơng số như hình 3.21.
Hình 3.21 Nhập thơng số biến đổi phase
4. Tiếp theo ta đến mục Phase 1. Chọn Material, phase 1 là Water như hình 3.22
Hình 3.22 Chọn lưu chất phase 1 là nước
5. Tương tự ta đến mục Phase 2 chọn là Steam.
55
Ở mục này ta thiết lập thông số nguồn nhiệt cho mơ hình. Cụ thể là khối điện trở.
1. Trong thanh công cụ Physics. Ta click Edges>LineHeat Source. 2. Trong khung Setting –Line Heat Source. Ta chọn LineHeat Source. 3. Ta đến mục General Source. Nhập Q vào khung như hình 3.23.
Hình 3.23 Nhập nhiệt lượng nguồn nhiệt Temperature 1
Ở đây ta thiết nhập nhiệt độ đầu vào khối nước.
1. Trên thanh công cụ Physics, click Boundaries và chọn Temperature
, như Hình 3.24.
Hình 3.24 Chọn thiết lập nhiệt độ
2. Trong khung Setting – Temperature 1. Ta chọn biên Inlet.
3. Ta đến mục Temperature. Nhập T_in vào khung Temperature như hình
3.25.
56
Outflow 1
1. Trên thanh công cụ Physics, click Boundaries và chọn Outflow . 2. Trong khung Setting – Outflow 1. Ta chọn biên Outlet.
Heat Flux 1
1. Trên thanh công cụ Physics, click Boundaries và chọn Heat Flux . 2. Trong khung Setting – Heat Flux 1. Đến mục Selection, chọn Heat Flux. 3. Đến mục Heat Flux, chọn mục Convective heat flux. Nhập và chọn giá
trị như hình 3.26.
Hình 3.26 Nhập giá trị cho mục Convective heat flux 3.3.8. Chia lưới:
1. Ta đến khung Setting – Mesh. Ta đến mục Element size chọn Fine. 2. Trong khung Setting – Mesh, click Build All .
57
Hình 3.27 Hình ảnh sau khi Build all. 3.3.9. Kết quả và xử lý kết quả 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 Q 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 cơng 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