CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.2. Cơ sở truyền nhiệt
a. Cơ sở thực nghiệm
Thực nghiệm nghiên cứu về quan hệ giữa giá trị chênh lệch nhiệt độ ΔTbh (chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ thiết bị gia nhiệt với nhiệt độ môi chất) và mật độ dòng nhiệt cấp vào môi chất được thực hiện bởi Nukiyama:
Hình 2.1 Thực nghiệm truyền nhiệt khi sôi của Nukiyama
Hình 2.2 Ảnh hưởng của mật độ dòng nhiệt đến ΔTbh
Theo kết quả thực nghiệm, quá trình truyền nhiệt khi sôi có thể được phân ra thành các vùng sau:
Vùng A – B: quá trình truyền nhiệt chủ yếu dưới dạng đối lưu tự nhiên của dòng một pha. Tại B, các bọt sôi bắt đầu hình thành trên bề mặt của điện trở và chuyển động vào khối chất lỏng. Quá trình sôi phân tử (nucleate boiling) bắt đầu xảy ra. Chênh lệch nhiệt độ ΔTbh giảm đến C mặc dù mật độ dòng nhiệt giữ không đổi.
Vùng C –D: chệnh lệch nhiệt độ ΔTbh tăng chậm khi tăng mật độ dòng nhiệt cấp vào khối chất lỏng. Điều này cho thấy quá trình sôi phân tử trong vùng CD, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu lớn hơn so với vùng AB.
Vùng D – E – F: tại D, tăng nhẹ mật độ dòng nhiệt đến E. Ta thấy, tại E mặc dù mật độ dòng nhiệt không thay đổi nhưng chênh lệch nhiệt độ ΔTbh tăng nhanh đến F. Điều này cho thấy, hệ số truyền nhiệt trong vùng EF giảm đột ngột. Hiện tượng này được gọi là hiện tương burnout. Mật độ dòng nhiệt tại E được gọi là mật độ dòng nhiệt tới hạn (critical heat flux). Việc tăng cường độ dòng nhiệt trong quá trình sôi phân tử làm tăng tốc độ hình thành các bọt sôi trên bề mặt điện trở gia nhiệt, tạo nên một lớp hơi (có hệ số dẫn nhiệt thấp) ngăn cản quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt điện trở gia nhiệt và khối chất lỏng được coi là nguyên nhân gây ra sự xuất hiện hiện tượng burnout.
Vùng G – H: tại F, nếu thay đổi cường độ dòng nhiệt, quan hệ giữa ΔTbh và q sẽ thể hiện theo đường G – H, quá trình sôi trong vùng này được gọi là sôi màng với chế độ ổn định. Hệ số truyền nhiệt trong vùng sôi màng có giá trị nhỏ hơn khi quá trình sôi là sôi phân tử.
Từ các phân tích trên, vùng sôi phân tử là khu vực thích hợp để ứng dụng trong kỹ thuật do hệ số truyền nhiệt cao. Để quá trình sôi phân tử xảy ra, cần phải đảm bảo mật độ dòng nhiệt không đạt đến giá trị tới hạn. Tuy nhiên trong thực tế, vẫn có nhiều trường hợp, quá trình sôi xảy ra dưới hình thức sôi màng mặc dù q < qcr.
Giữa ổn định mật độ dòng nhiệt, tăng giá trị ΔTbh bằng cách thay đổi nhiệt độ bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt. Khi ΔTbh lớn hơn giá trị của ΔTbh,E , việc tăng nhiệt độ bề mặt gia nhiệt sẽ làm giảm mật độ dòng nhiệt q từ qE đến qG. Tại G, tiếp tục tăng ΔTbh, quan hệ giữa ΔTbh và q sẽ theo đường G – H, quá trình sôi xảy ra là quá trình sôi màng. Điểm G bắt đầu của quá trình sôi màng còn có tên gọi là Liedenfrost Point.
b) Các công thức thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt cho quá trình sôi phân tử Quá trình sôi phân tử phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm bề mặt gia nhiệt như: độ nhám bề mặt, mức độ oxy hóa bề mặt, khả năng dính ướt với chất lỏng. Phần này trình bày một số công thức quan hệ giữa mật độ dòng nhiệt và hệ số trao đổi nhiệt trong các quá trình sôi phân tử từ các nghiên cứu thực nghiệm:
– Công thức Rohsenow (1952) [12]:
( . ) 0,33 .
. (
n
pl bh l pl l
sf
l l v l
c t q c
r C r g (2.13)
s bh
q
t (2.14)
Trong đó: n =1 khi môi chất khảo sát là nước; đối với các môi chất khác n = 1,7
Csf: hệ số phụ thuộc vào bề mặt gia nhiệt và môi chất có thể được tra theo bảng 2.2;
Csf = 0,013 khi nước sôi trên bề mặt platinum, Csf = 0,02 khi nước sôi trên bề mặt thép không gỉ. Trong các trường hợp chưa xác định được giá trị Csf, giá trị của Csf nên được chọn bằng 0,013.
Bảng 2.2 Hệ số phụ thuộc bề mặt gia nhiệt Môi chất Bề mặt gia nhiệt Csf
Nước Nickel 0,006
Nước Platinum 0,013
Nước Đồng 0,013
Nước Thau 0,006
Benzene Chrominum 0,01
n – Penthane Chrominum 0,015
Ethanol Chrominum 0,027
Công thức Mostinski [12]
0,69 0,17 1,2 10 0,7
0,106. (1,8. 4. 10. )
s Pcr Pr Pr Pr q (2.15)
Công thức Copper [12]
0,67 (0,12 0,2log ) 0,55 0,5
55. . ( log )
s q Pr Pr M (2.16)
ε là độ nhám bề mặt, thông thường được chọn bằng 1m. Do đó, công thức Copper có thể được viết ngắn gọn thành:
0,67 0,12 0,55 0,5
55. . ( log )
s q Pr Pr M (2.17)
Trong các công thức của Cooper và Mostinski, Pr là áp suất không thứ nguyên, Pr = P/Pcr với P là áp suất chất lỏng, Pcr là áp suất tới hạn của môi chất.
Công thức do M.Shiraishi, K.Kikuchi và T.Yamanishi đề xuất có tính đến ảnh hưởng khi quá trình sôi xảy ra trong không gian kín [16]
0,65 0,3 0,7 0,2 0,23
0,4 0,25 0,4 0,1
0,32.
l l p
s
v l a
c g p
r p q (2.18)
2.1.2. Truyền nhiệt khi ngưng a) Các cơ chế ngưng tụ
Ngưng màng (filmwise condensation): môi chất ngưng tụ lại tạo thành màng trên bề mặt trao đổi nhiệt. Cơ chế ngưng màng thường được giả thuyết để tính toán các quá trình truyền nhiệt khi ngưng trong các thiết bị trao đổi nhiệt.
Hình 2.3 Quá trình ngưng màng bên ngoài bề mặt ống
Quá trình ngưng đồng nhất (Homogeneous condensation): hình thức ngưng tụ này có thể xảy ra tại các vị trí nối ống dẫn hơi, ví trí có thể gây ra hiện tượng tăng áp suất của dòng hơi đột ngột (vị trí tăng đường kính ống). Khác với cơ chế ngưng màng – xảy ra trên bề mặt trao đổi nhiệt. cơ chế ngưng đồng nhất xảy ra ngay bên trong dòng hơi. Cơ chế ngưng tụ này thường xảy ra tại các tầng hạ áp của tuabin hơi (gây ra hiện tượng xâm thực trên bề mặt tuabin).
Quá trình ngưng giọt (dropwise condensation): trong trường hợp bề mặt trao đổi nhiệt có tính dính ướt kém, môi chất ngưng tụ trên bề mặt trao đổi nhiệt sẽ hình thành dưới dạng giọt lỏng. Lúc đầu, các giọt lỏng này sẽ đứng yên đến khi khối lượng của chúng đủ lớn, các giọt lỏng sẽ chuyển động đi xuống phía dưới của bề mặt trao đổi nhiệt, quét qua những vị trí của bề mặt mà quá trình ngưng tụ chưa xảy ra, để tạo thành các tâm ngưng mới. Với đặc điểm ngưng tụ như trên, hệ số truyền nhiệt do ngưng giọt sẽ lớn hơn hệ số truyền nhiệt khi ngưng màng.
Hình 2.4 Quá trình ngưng giọt và ngưng màng
Immiscible – liquid condensation: cơ chế ngưng tụ này xảy ra khi ngưng tụ hỗn hợp hai môi chất khác nhau. Khi đó, quá trình ngưng tụ sẽ được thực hiện dưới hai hình thức: ngưng màng (chất lỏng co tính dính ướt được trên bề mặt trao đổi nhiệt), ngưng giọt (chất lỏng ít dính ướt trên bề mặt trao đổi nhiệt).
Quá trình môi chất xảy ra bên trong ống nhiệt có thể được xem là ngưng màng và sử dụng công thức do Nusselt để xác định giá trị hệ số trao đổi nhiệt khi ngưng tụ có thể cho kết quả phù hợp [12].
b) Các công thức xác định hệ số trao đổi nhiệt khi ngưng màng Quá trình ngưng tụ khi xét đến ảnh hưởng của trọng lực:
Công thức Nusselt (1916) [17]: được sử dụng rộng rãi để xác định hệ số trao đổi nhiệt khi ngưng tụ của môi chất trên bề mặt thẳng đứng.
1
1 2 3
1, 47.Re 3
( ) .sin
l
ng fL l
l l g g (2.19)
Với
RefL 4 lc
(2.20)
( ) .
lc bh w lc q lc
T T
r r (2.21)
Công thức trên chỉ xét đến ảnh hưởng của trọng trường đến quá trình ngưng tụ.
Tuy nhiên, các yếu tố như: độ quá lạnh của lớp lỏng sát bề mặt gia nhiệt, độ quá nhiệt của dòng hơi, gia tốc của dòng hơi, tính chất bề mặt lớp lỏng cũng ảnh hưởng đến hệ số trao đổi nhiệt khi ngưng. Khi tính toán, có thể sử dụng một số hiệu chỉnh của Chen (1961), Wall và Kroger (1972), Labuntsov (1957), Butterworth (1983) để xác định giá trị của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong các trường hợp trên.