Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi ống micro với môi chất r134a

Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi ống micro với môi chất r134a Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi ống micro với môi chất r134a Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi ống micro với môi chất r134a Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi ống micro với môi chất r134a Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi ống micro với môi chất r134a

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Ngành kỹ thuật đang đóng vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa của Việt Nam Sự phát triển của khoa học công nghệ đã thúc đẩy ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt cải tiến để đáp ứng nhu cầu trong công nghiệp và đời sống Một trong những vấn đề được các nhà nghiên cứu quan tâm là kích thước của thiết bị và hệ thống Các thiết bị giải nhiệt – làm mát cần có kích thước nhỏ gọn để thuận tiện cho lắp đặt và thẩm mỹ Bên cạnh kích thước, hiệu quả, công suất và giá thành cũng là những yêu cầu quan trọng để phục vụ đa dạng lĩnh vực.

Để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao, các nhà khoa học đang tích cực nghiên cứu các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm Nhiều thí nghiệm đã được tiến hành để giảm kích thước và diện tích thiết bị, đồng thời đảm bảo hiệu quả hoạt động tốt và chi phí chế tạo, lắp đặt hợp lý.

Trong những năm đầu thế kỷ 21, công nghệ micro đã được nhiều nhà khoa học áp dụng nghiên cứu, mang lại những kết quả tích cực như khả năng trao đổi nhiệt tăng, kích thước bộ trao đổi nhiệt giảm và hiệu suất truyền nhiệt cải thiện Các ứng dụng nghiên cứu bao gồm làm mát tuabin, lò phản ứng nhiệt hạch, vòi phun động cơ tên lửa, điện tử công suất trong hệ thống điện tử hàng không, xe hybrid, hồ chứa hydro, hệ thống gas lạnh và điều khiển nhiệt trong trọng lực Để tiếp nối các nghiên cứu trước, tôi quyết định tìm hiểu quá trình bay hơi của thiết bị bay hơi kênh micro, nhằm đưa ra các quan điểm và phương pháp tối ưu hóa khả năng bay hơi cho bộ thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro.

Tổng quan các nghiên cứu liên quan

Trong nghiên cứu của Thiangtham và cộng sự, mô hình dòng chảy hai pha và đặc tính truyền nhiệt của môi chất lạnh R134a qua bộ tản nhiệt đa vi kênh được thực nghiệm Bộ tản nhiệt bằng đồng có 27 kênh hình chữ nhật song song với kích thước 470 µm, rộng 382 µm, dài 40 mm và độ dày 416 µm Kết quả cho thấy nhiệt độ bão hòa ở các mức 13, 18 và 23 °C, với mật độ khối lượng 150, 400 và 600 kg/m²s Mật độ dòng nhiệt tường và độ khô hơi đầu vào dao động từ 3 đến 127 kW/m² và 0,05 đến 0,92 Nghiên cứu chỉ ra rằng thông số truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất, cùng với nhiệt độ bão hòa 13 °C, ảnh hưởng đến mật độ truyền nhiệt trong khoảng 40-120 kW/m² Đặc biệt, ở phạm vi mật độ dòng nhiệt cao, hệ số truyền nhiệt tăng khi mật độ khối lượng gia tăng.

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm [1]

Cơ chế truyền nhiệt đối lưu khi sôi đóng vai trò quan trọng trong mô hình dòng chảy gợn sóng và hình khuyên, như thể hiện trong hình 1.1 Khi mật độ dòng nhiệt tường vượt quá 80 kW/m², hiện tượng khô một phần trong đa vi kênh sẽ dẫn đến sự giảm hệ số trao đổi nhiệt Nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô hình dòng chảy ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính truyền nhiệt Dựa trên dữ liệu thực nghiệm, một mối tương quan đã được đề xuất để tính toán hệ số truyền nhiệt cho dòng R134a trong tản nhiệt đa-vi kênh, điều này rất hữu ích cho các ứng dụng làm mát điện tử.

Bên cạnh đó, Fayyadh cùng cộng sự [2] thực nghiệm được thực hiện để nghiên cứu truyền nhiệt khi sôi của R134a trong bộ tản nhiệt nhiều kênh micro

Bộ tản nhiệt gồm 25 kênh micro, kích thước rộng 300 mm, sâu 700 mm (Dh = 420 mm) và thành kênh dày 200 mm, được chế tạo từ đồng không oxy hóa bằng máy CNC với kích thước chiều dài 20 mm và chiều rộng 15 mm Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện mật độ dòng nhiệt từ 11,46 đến 403,1 kW/m², mật độ khối lượng từ 50 đến 300 kg/m²s và áp suất hệ thống 6,5 bar Máy quay tốc độ cao cùng với các phép đo truyền nhiệt được sử dụng đồng thời Ba mô hình dòng chảy quan sát được là bong bóng, hình viên đạn và dòng lượn sóng hình khuyên khi mật độ dòng nhiệt tăng Hệ số truyền nhiệt tăng theo mật độ dòng nhiệt trong khi mật độ khối lượng giữ nguyên Các mối tương quan hiện có cho thấy rằng mối tương quan của Mahmoud và Karayiannis (2013) cùng với Cooper (1984) dự đoán dữ liệu rất tốt với sai số trung bình nhỏ hơn 20% so với các mối tương quan khác.

Nghiên cứu của Wibel và cộng sự về thiết bị micro làm mát chất lỏng bằng sự bay hơi R134a đã chỉ ra hiệu quả của bộ trao đổi nhiệt Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm được thể hiện ở Hình 1.2, trong đó một bên của bộ trao đổi nhiệt sử dụng để làm bay hơi R134a, một chất làm mát phổ biến trong tủ lạnh và điều hòa không khí ô tô Phía còn lại của bộ vi trao đổi nhiệt mang chất lỏng (nước) được làm lạnh đến nhiệt độ cụ thể Nghiên cứu nhấn mạnh sự khuếch tán và khả năng làm mát tức thời của bộ vi trao đổi nhiệt nhiều lớp nhỏ gọn.

4 lượng nước 12 kg/h từ 55 o C đến ≈7 o C tại năng suất lạnh được chuyển đổi khoảng

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm [3]

Ngoài ra, Mahmoud cùng cộng sự [4] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của bề mặt lên dòng chảy sôi R134a trong vi ống Nghiên cứu này được thực hiện trên

Nghiên cứu so sánh hai ống thép không rỉ có cùng đường kính và chiều dài gia nhiệt nhưng khác nhau về phương pháp chế tạo, nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của bề mặt bên trong lên tỉ lệ truyền nhiệt Ống đầu tiên được hàn, trong khi ống thứ hai được đúc liền mạch Thí nghiệm được thực hiện với G = 300kg/m²s, P = 8 bar và nhiệt độ đầu vào là 5K Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt không phụ thuộc vào độ khô của hơi và mật độ khối lượng, nhưng lại tăng khi mật độ dòng nhiệt tăng Đặc biệt, cơ chế điều chỉnh trong ống hàn vẫn chưa rõ ràng, với hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào mật độ dòng nhiệt mà không bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ khô và mật độ khối lượng.

Nghiên cứu của Keepaiboon và cộng sự đã chỉ ra đặc tính tổn thất áp suất của dòng chảy sôi R134a trong vi kênh hình chữ nhật với đường kính thủy lực 0,68mm Kết quả cho thấy tổn thất áp suất là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong thiết kế hệ thống làm lạnh sử dụng R134a.

Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mật độ dòng nhiệt từ 7,63 đến 49,46 kW/m², mật độ khối lượng từ 600 đến 1400 kg/m²s, và nhiệt độ bão hòa là 23, 27 và 31 độ C Kết quả cho thấy tổng áp suất chủ yếu bị ảnh hưởng bởi tổn thất áp suất do ma sát Sự gia tăng mật độ khối lượng dẫn đến gradient áp suất ma sát tăng, trong khi nhiệt độ bão hòa cao hơn lại làm giảm gradient áp suất ma sát Hơn nữa, mật độ dòng nhiệt có tác động không đáng kể đến gradient áp suất ma sát.

Ngoài các nghiên cứu trên: Bảng 1.1 Thể hiện tóm tắt các nghiên cứu về thiết bị vi kênh sử dụng môi chất lạnh R134a

Kích thước hình học đa vi kênh Điều kiện hoạt động

N W ch x H ch x W fin L D h H ch /W ch Vật liệu Lưu chất G q’’ T sat x(-)

(àm x àm x àm) (mm) (mm) (kg/m 2 s) (kW/m 2 ) ( o C)

3 Mauro cùng cộng sự [8] 29 199 x 756 x 500 30 0,32 3,8 Đồng

5 Nascimento cùng cộng sự [10] 50 100 x 500 x 200 15 0,17 5,0 Đồng R134

Thiết bị trao đổi nhiệt vi kênh đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu Huang và Thome đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về tổn thất áp suất trong thiết bị bay hơi đa vi kênh với nhiều loại môi chất lạnh khác nhau, trong điều kiện mật độ khối lượng từ 1250 đến 2750 kgm -2 s -1 và mật độ dòng nhiệt từ 20 đến 64 Wcm -2 Kết quả cho thấy độ khô hơi tối đa tại ống góp đầu ra đạt 0,51 Nghiên cứu chỉ ra rằng tổn thất áp suất tăng khi làm lạnh phụ đầu vào và độ rộng cửa đầu vào tăng, nhưng ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ bão hòa đầu ra Đặc biệt, so với các môi chất lạnh khác, R236fa có tổn thất áp suất thấp nhất do tỉ lệ chuyển từ lỏng sang hơi và độ nhớt nhỏ Từ 184 điểm dữ liệu dòng chảy sôi ổn định, một mô hình thực nghiệm mới đã được phát triển cho điều kiện mật độ dòng nhiệt cao, cho ra dự đoán tốt với sai số tuyệt đối trung bình (MAE) 27,8% Mô hình này cho phép dự đoán biên dạng áp suất và nhiệt độ cục bộ, hỗ trợ phân tích định lượng để có được hệ số truyền nhiệt cục bộ chính xác hơn.

Markal cùng cộng sự đã thực hiện nghiên cứu về truyền nhiệt và tổn thất áp suất trong dòng chảy sôi bão hòa trong vi kênh vuông Nghiên cứu tập trung vào đặc tính dòng sôi bão hòa của nước khử ion trong vi kênh song song với bộ tản nhiệt vi kênh silicon có 29 vi kênh và đường kính thủy lực 150 mm Thực nghiệm được tiến hành với 4 giá trị mật độ khối lượng khác nhau (51; 64,5; 78 và 92,6 kg/m²s) và mật độ dòng nhiệt từ 59,3 đến 84,1 kW/m², với nhiệt độ nước vào giữ ở 50±1°C Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt hai pha cục bộ giảm khi mật độ dòng nhiệt hoặc độ khô hơi cục bộ tăng, trong khi sự thay đổi của hệ số truyền nhiệt với mật độ khối lượng là không đáng kể Tổng tổn thất áp suất tăng theo mật độ dòng nhiệt và độ khô hơi thoát ra, nhưng thường giảm với mật độ khối lượng tăng khi mật độ dòng nhiệt giữ không đổi.

8 Ứng dụng thiết bị bay hơi vi kênh cho không gian được Lee cùng cộng sự

Thực nghiệm về tổn thất áp suất và truyền nhiệt trong hệ thống dòng sôi với môi chất FC-72 đã được tiến hành trên 80 vi kênh có kích thước 231 mm rộng và 1000 mm sâu Nghiên cứu được thực hiện theo ba hướng dòng chảy: nằm ngang, thẳng đứng hướng lên và thẳng đứng hướng xuống, trong một phạm vi rộng của vận tốc khối và mật độ dòng nhiệt Kết quả cho thấy ảnh hưởng của hướng dòng chảy đến truyền nhiệt hai pha là đáng kể, đặc biệt ở vận tốc khối thấp (G/ρf < 0,22 m/s), trong khi ở vận tốc cao hơn thì ảnh hưởng này không còn rõ rệt.

Vận tốc khối đạt 0,22 m/s cho thấy rằng, khi sử dụng vận tốc này đủ cao, dòng chảy sôi trong vi kênh sẽ không bị ảnh hưởng bởi lực khối trong không gian.

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiêm [15]

Hình 1.4 Mô hình thực nghiêm [15]

Zhuan và Wang [16] đã thực hiện mô phỏng số mô hình dòng chảy sôi trong vi kênh với R134a và R22 trong kênh tròn đường kính 0.5mm, nhằm phân tích các chế độ dòng chảy như bong bóng, bong bóng/sên, sên và sên/hình khuyên Phương pháp VOF được sử dụng để mô phỏng bề mặt lỏng-hơi Nghiên cứu tập trung vào sự phát triển và hợp nhất của bong bóng trong mô hình dòng chảy quá độ, đồng thời phân tích ảnh hưởng của tính chất lỏng đến quá trình này Các thông số như mật độ dòng nhiệt, vận tốc khối, điểm ONB, vận tốc hơi, đường kính nâng bong bóng, tốc độ phát triển và tần số tạo ra đã được phân tích chi tiết Kết quả cho thấy rằng sự tăng trưởng và hợp nhất bong bóng là những yếu tố quan trọng trong mô hình dòng chảy quá độ.

Khi nhiệt độ bão hòa giảm, sức căng bề mặt của chất lỏng tăng, dẫn đến việc hợp nhất bong bóng trở nên dễ dàng hơn Tốc độ hợp nhất bong bóng tăng và dòng chảy sên xuất hiện sớm hơn Dưới cùng điều kiện, tốc độ phát triển và kích thước bong bóng của R22 chậm hơn so với R134a Tuy nhiên, R22 yêu cầu độ khô hơi cao để đạt được mô hình dòng chảy quá độ, trong khi điểm ONB di chuyển ngược dòng.

Nghiên cứu của Magnini và Thome về truyền nhiệt trong dòng chảy chậm khi sôi trong vi kênh bằng mô phỏng CFD cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt giảm nhẹ khi mật độ dòng nhiệt tăng với tần số bong bóng không đổi Ngoài ra, tỷ lệ lưu lượng khối lượng tăng dẫn đến hiệu suất truyền nhiệt giảm do sự hình thành màng chất lỏng dày hơn Hệ số truyền nhiệt cũng tăng khi đường kính kênh giảm, thể hiện mối quan hệ phụ thuộc h ~ 1/δ Ảnh hưởng của nhiệt độ bão hòa được xác định là rất phức tạp, do sự biến đổi ngược lại ảnh hưởng đến các đặc tính của chất lỏng.

Nghiên cứu của Saisorn và Wongwises về trạng thái dòng chảy hai pha lỏng – khí trong vi kênh tròn cho thấy bản đồ mô hình dòng chảy thẳng đứng không tương thích với mô hình dòng chảy nằm ngang, với tổn thất áp suất trong kênh thẳng đứng cao hơn Ngoài ra, Triplett và cộng sự cũng đã nghiên cứu dòng chảy hai pha không khí và nước trong vi kênh nằm ngang, cho ra kết quả tương tự.

Mục đích của đề tài

Chúng tôi đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị bay hơi ống micro với đường kính thủy lực 0,82 mm, đảm bảo kích thước và diện tích trao đổi nhiệt tương đương với thiết bị bay hơi FNA của các hãng ZHONGLI và KEWELY.

Bài thực nghiệm này so sánh đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA từ hãng ZHONGLI, KEWELY Nghiên cứu tập trung vào việc thay đổi lưu lượng không khí qua thiết bị bay hơi nhằm đánh giá hiệu suất truyền nhiệt của từng loại thiết bị Kết quả sẽ giúp xác định sự khác biệt trong khả năng làm lạnh và hiệu quả hoạt động của hai thiết bị này.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tổng quan tài liệu là cách tiếp cận nghiên cứu nhằm tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến đề tài từ các nguồn tài liệu uy tín như Sciencedirect, Springer và TaylorFrancis Qua đó, phương pháp này giúp xác định những vấn đề mà các nghiên cứu trước đây chưa giải quyết, từ đó mở ra hướng nghiên cứu mới.

Phương pháp phân tích lý thuyết: Tác giả đưa ra đối tượng nghiên cứu, thiết kế mô hình, chế tạo mô hình và thiết lập hệ thống thí nghiệm

Phương pháp thực nghiệm được tiến hành trên hệ thống lạnh sử dụng môi chất R134a, nhằm so sánh kết quả giữa thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hệ thống thực nghiệm sử dụng môi chất R134a trong hệ thống lạnh đã được thử nghiệm trên hai loại thiết bị bay hơi khác nhau: thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA.

Nghiên cứu thực nghiệm đã so sánh đặc tính truyền nhiệt, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, mật độ dòng nhiệt và năng suất lạnh, giữa thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA Thí nghiệm được thực hiện với lưu lượng không khí thay đổi từ 19 l/s đến 47,5 l/s, nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động của hai loại thiết bị này trong điều kiện khác nhau.

Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan các nghiên cứu liên quan

- Đưa ra đối tượng và phương pháp nghiên cứu

- Thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm

- Lắp đặt hệ thống thực nghiệm

- Vận hành hệ thống thu thập dữ liệu thực nghiệm

- Phân tính và so sánh kết quả thực nghiệm

- Kết luận kết quả thực nghiệm

Giới hạn đề tài

Do hạn chế về thời gian và tài chính, tác giả chỉ nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi ống micro bằng cách thay đổi lưu lượng không khí từ 19 l/s đến 47,5 l/s, đồng thời so sánh với thiết bị bay hơi FNA Tuy nhiên, điều kiện thực nghiệm còn hạn chế, có thể mở rộng nghiên cứu về quá trình lưu chất qua thiết bị, các yếu tố ảnh hưởng đến truyền nhiệt và lưu chất của thiết bị bay hơi ống micro, hoặc thực hiện mô phỏng để so sánh với kết quả thực nghiệm đã thu được.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý thuyết truyền nhiệt

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ xem xét các đặc tính của lưu chất hiệu suất truyền nhiệt, bao gồm mật độ dòng nhiệt và hệ số truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt, dựa trên các điều kiện thực nghiệm đã được thiết lập.

Lượng nhiệt truyền qua thiết bị Q, được tính: t t p dt

Mật độ dòng nhiệt được tính: t

Qt là lượng nhiệt truyền qua thiết bị, được xác định bằng công thức liên quan đến lưu lượng khối lượng (m t), nhiệt dung riêng (c p), và độ chênh nhiệt độ (dt) giữa đầu vào và đầu ra của thiết bị bay hơi Mật độ dòng nhiệt (q t) phụ thuộc vào diện tích truyền nhiệt (A) và hệ số truyền nhiệt tổng (k t).

Năng suất lạnh tổng có thể được tính: h t = h s + h l (2-4)

Nhiệt hiện được tính: h s = c p ρ V dt (2-5)

Trong đó, hs biểu thị nhiệt hiện (kW), cp là nhiệt dung riêng của không khí (kJ/kg °C), ρ là tỷ trọng không khí (kg/m³), V là lưu lượng thể tích (m³/s), và dt là độ chênh lệch nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra của thiết bị bay hơi (°C).

Nhiệt ẩn được tính như sau: h l = V ρ h we dw kg (2-6)

Trong đó, hl là nhiệt ẩn (kW), ρ nhiệt dung riêng của không khí (kJ/kg o C),

V là lưu lượng thể tích (m 3 /s), hwe là nhiệt ẩn của sự bay hơi nước (kJ/kg), dwkg độ chênh lệch độ ẩm (kg nước/kg không khí khô).

Lý thuyết đo lường

Đo lường là quá trình đánh giá định lượng một đại lượng nhằm thu được kết quả số so với đơn vị đo Kết quả đo lường chính xác đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hệ thống Do đó, việc thực hiện đo lường và thu thập dữ liệu cần được tiến hành một cách cẩn thận và chính xác.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đo lường các thông số quan trọng bao gồm lưu lượng không khí, nhiệt độ, độ ẩm tương đối và cường độ dòng điện Các phương pháp đo lường sẽ được trình bày chi tiết trong phần dưới đây.

Tác giả đã sử dụng thiết bị bay hơi để đo vận tốc không khí, sau đó áp dụng công thức chuyển đổi để tính toán lưu lượng không khí.

Lưu lượng không khí có thể được xác định thông qua vận tốc không khí như sau:

Trong đó, V là lưu lượng thể tích (m 3 /s), F là diện tích mặt cắt ngang của ống gió (m 2 ), v là tốc độ không khí trung bình (m/s)

Tốc độ không khí trung bình được tính thông qua công thức:

Vị trí đặt cảm biến cho việc đo vận tốc không khí, nhiệt độ và độ ẩm rất quan trọng, như minh họa trong hình 2.1 Đối với tiết diện hình chữ nhật, cảm biến được phân bố đều qua các hình nhỏ đối xứng, trong khi với tiết diện ống tròn, cảm biến được bố trí theo các đường tròn đồng tâm.

28 như hình 2.1 (b) Trong thí nghiệm này vị trí đặt cảm biến được mô phỏng trước thông qua phần mềm mô phỏng Comsol multiphysics

Vị trí đặt cảm biến

Hình 2.1 (a) Vị trí đặt cảm biến đối với ống gió tiết diện hình chữ nhật

(b) Vị trí đặt cảm biến đối với ống gió tiết diện hình tròn.

Tính toán chu trình lạnh

Mỏy nộn được chọn cho hệ thống có công suất ẳ HP, sử dụng chất lạnh R134a với các thông số điểm nút p1 = 3,5 bar và p2 = 11,6 bar Phần mềm EES đã được sử dụng để vẽ đồ thị p-h dựa trên các thông số trong bảng 2.1, và đồ thị này được trình bày trong hình 2.2.

Bảng 2.1 Các điểm nút của chu trình làm lạnh môi chất R134a Điểm nút Nhiệt độ ( o C) Áp suất (bar) Enthanpy

Hình 2.2 Đồ thị p-h của quá trình làm lạnh R134a

Tính toán nhiệt cho chu trình [46]:

Công suất điện tiêu thụ: N el N dc 0,1242 kW s 

(s là hệ số an toàn lấy theo tài liệu [46] là 1,5)

Công suất hữu ích: Ne = Nel ηtd ηel =0,1242 x 0,85 x 0,95 = 0,1 kW Công nén chỉ thị: Ni = Ne ηe = 0,1 x 0,9 = 0,09kW

Công nén đoạn nhiệt: Ns = Ni ηi = 0,09 x 0,88 = 0,079 kW

Khối lượng môi chất qua máy nén

Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay hơi:

Trong đó: k: Hệ số truyền nhiệt, W/m 2 K được xác định [47]:

Thiết bị bay hơi có bề dày thành δ = 0,1 mm và được chế tạo từ nhôm với hệ số dẫn nhiệt λ = 237 W/mK.

tlm: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, được xác định: min max min max ln t t t t lm t

Tại thiết bị bay hơi ta có:

Nhiệt độ môi chất sôi và hoá hơi trong dàn bay hơi 10 o C

Quá trình trao đổi nhiệt bằng không khí cưỡng bức thường cho thấy độ chênh lệch nhiệt độ giữa môi chất và môi trường không khí dao động trong khoảng 7-10 độ C.

Hình 2.3 Biến thiên nhiệt độ tại thiết bị bay hơi

Trong thiết kế này, độ chênh nhiệt độ được chọn là 10 oC Ở trạng thái ổn định, nhiệt độ không khí trong phòng đạt 20 oC Khi hệ thống hoạt động ổn định, nhiệt độ không khí vào thiết bị bay hơi là 22 oC, trong khi nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị bay hơi là 18 oC Hình 2.3 minh họa sự biến thiên nhiệt độ tại dàn bay hơi.

Ta có:  t max = 12C và t min = 8C

8 12 ln min max min max  

Thay k và vào biểu thức F ta tính được diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay hơi:

Chọn thiết bị bay hơi FNA diện tích trao đổi nhiệt: 1,3 m 2

Dựa trên kích thước và diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi FNA, tác giả đã thiết kế và chế tạo thiết bị bay hơi ống micro với các thông số tương tự.

Chọn thiết bị ngưng tụ FNA-0.8/3.4 công suất: 800W

THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM

Thiết kế mô hình và hệ thống thí nghiệm

Thiết bị bay hơi FNA của ZHONGLI, mang thương hiệu KEWELY, có kích thước 225mm x 210mm x 45mm và sở hữu 8 pass với đường kính ống là 8mm Cánh trao đổi nhiệt được chế tạo từ lá nhôm dày 0,1mm, với khoảng cách giữa hai cánh là 2mm.

Hình 3.1 Mô hình thiết bị bay hơi FNA

Mô hình thiết bị bay hơi ống micro được chế tạo với kích thước 225mm x 200mm x 43mm, bao gồm 10 pass và mỗi pass có 8 ống đồng đường kính thủy lực 0,82mm Cánh trao đổi nhiệt được làm từ lá nhôm dày 0,3mm với bước cánh 2,6mm, trong khi các ống micro được sắp xếp so le với khoảng cách 3,2mm giữa các ống Tất cả thông số kỹ thuật của thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA được tổng hợp trong bảng 3.1.

Bảng 3.1 Thông số kích thước của thiết bị bay hơi

TBBH ống micro TBBH FNA

Kích thước (mm) 225x43x200 225x45x210 Đường kính ống (mm) 0,18 0,8

Diện tích trao đổi nhiệt (m2) 1.3 1.3

Hình 3.2 Mô hình thiết bị bay hơi ống micro

Hệ thống thí nghiệm này sử dụng môi chất R134a để so sánh hiệu suất trao đổi nhiệt giữa thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA.

Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm được thể hiện ở hình 3.3

Condenser: Thiết bị ngưng tụ

V2: Van chặn 2 ME: Thiết bị bay hơi Micro NE: Thiết bị bay hơi FNA Controler: Bộ điều khiển Computer: Máy tính

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm

Hệ thống thực nghiệm bao gồm hai chu trình: chu trình đầu tiên thực hiện thí nghiệm trên thiết bị bay hơi ống micro, trong khi chu trình thứ hai tiến hành thí nghiệm trên thiết bị bay hơi FNA, như thể hiện trong hình 3.3 và hình 3.4.

3 Thiết bị bay hơi FNA

4 Thiết bị bay hơi ống micro

Hình 3.4 Hình ảnh hệ thống thí nghiệm thực tế

Chu trình làm việc của hệ thống lạnh bắt đầu khi van chặn 1 mở và van chặn 2 đóng, cho phép hơi môi chất lạnh R134a vào máy nén, nơi nó được nén thành hơi quá nhiệt với áp suất cao Hơi này sau đó đi qua thiết bị ngưng tụ, nơi nó được làm lạnh và chuyển thành lỏng cao áp Tiếp theo, lỏng cao áp di chuyển qua ống mao, dẫn đến sự giảm áp suất và nhiệt độ do quá trình tiết lưu Sau đó, môi chất lạnh tiếp tục qua thiết bị bay hơi ống micro để làm lạnh không khí, trong khi các thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm ghi nhận thông số của không khí Cuối cùng, hơi bão hòa từ thiết bị bay hơi micro trở lại đầu hút của máy nén, khởi động lại chu trình.

Trong chu trình 2, van chặn 1 đóng và van chặn 2 mở, tạo điều kiện cho môi chất lạnh đi qua thiết bị bay hơi FNA mà không đi qua thiết bị bay hơi ống micro.

Thực nghiệm được thực hiện dựa trên sự thay đổi lưu lượng không khí qua thiết bị bay hơi từ 19 l/s đến 47,5 l/s Ta thực hiện các bước sau:

Trước khi vận hành, cần kiểm tra toàn bộ hệ thống điện, đường ống dẫn hơi và van để đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống.

Bước 2: Khởi động quạt thiết bị bay hơi để đo lưu lượng không khí qua thiết bị bay hơi đúng với thông số cần thực nghiệm

Để thực hiện quy trình hút kiệt, đầu tiên, đóng van chặn 1 và van chặn 2 Sau đó, khởi động toàn bộ hệ thống và theo dõi đồng hồ áp suất ở đầu hút máy nén Khi môi chất lạnh không còn ở thiết bị hơi, tiến hành mở van chặn 1 trên thiết bị bay hơi ống micro.

Khi hệ thống đã hoạt động ổn định, chúng ta tiến hành thu thập dữ liệu Quá trình này bao gồm 30 lần thu thập, mỗi lần kéo dài 30 phút.

Sau khi thu thập đầy đủ dữ liệu từ thiết bị bay hơi ống micro, chúng ta sẽ đóng van chặn 1 và tiến hành hút kiệt Tiếp theo, sẽ thực hiện thí nghiệm tương tự trên thiết bị bay hơi FNA.

Mô tả hệ thống thí nghiệm

Máy nén sử dụng trong hệ thống là máy nén piston EE80Y-E với công suất ẳ Hp sử dụng điện xoay chiều 220 – 240V, 50Hz, như hỡnh 3.5

Hình 3.5 Hình ảnh máy nén EE80Y-E 3.2.2 Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ sử dụng dàn ngưng ống đồng cánh nhôm FNA-0.8/3.4 với kích thước (L*W*H): 250*120*235mm công suất: 800W, lưu lượng quạt: 500m 3 /h, như hình 3.6

Hình 3.6 Hình ảnh thiết bị ngưng tụ FNA-0.8/3.4

Thiết bị tiết lưu sử dụng cho hệ thống là ống mao có đường kính 0,82mm, như hình 3.7

Hình 3.7 Hình ảnh ống mao sử dụng trong hệ thống 3.2.4 Bộ điều khiển trung tâm

Bộ điều khiển trung tâm được cài đặt phần mềm kết nối với phần cứng CardTMC để hiển thị và điều khiển bộ đo lên máy tính, như hình 3.8

Nhiệt độ không khí trước và sau thiết bị bay hơi được đo bằng cặp nhiệt loại

T Các tín hiệu sau khi được nhận từ cảm biến nhiệt độ sẽ được đưa đến bộ điều khiển trung tâm 54-11-CT/HĐ-CTTB xử lý và đưa về máy tính

- Bộ nguồn: Sử dụng bộ nguồn có các đầu nối

Các kênh cảm biến nhiệt độ:

 +20, -21: cảm biến nhiệt độ số 5

 +24, -25: cảm biến nhiệt độ số 3

 +26, -27: cảm biến nhiệt độ số 2

 +28, -29: cảm biến nhiệt độ số 1

Hình 3.8 Hình ảnh bộ điều khiển trung tâm 3.2.5 Thiết bị đo nhiệt độ hai kênh Extech 421509

Thiết bị đo nhiệt độ hai kênh Extech 421509 được sử dụng để đo sự chênh lệch nhiệt độ không khí trước và sau khi đi qua thiết bị bay hơi, nhằm so sánh với cảm biến cặp nhiệt loại T trong bộ điều khiển trung tâm.

- Có thể sử dụng được với nhiều loại cặp nhiệt khác nhau: K, J, T, E, R, S,

N Cặp nhiệt sử dụng trong hệ thống là cặp nhiệt loại K

- Được tích hợp giao diện PC RS-232 hai chiều để kết nối máy tính và lấy dữ liệu

- Cặp nhiệt loại K có dãy làm việc từ -328 o F đến 2501 o F và độ chính xác: ± (0.05%rdg + 0.6 o F)

Hình 3.9 Hình ảnh thiết bị đo nhiệt độ hai kênh Extech 421509

3.2.6 Thiết bị đo độ ẩm Tenmars TM-181

Thiết bị đo độ ẩm Tenmars TM-181 được sử dụng để đo độ ẩm trước và sau khi không khí đi qua thiết bị bay hơi, như thể hiện trong hình 3.10 Thiết bị này có các đặc điểm kỹ thuật nổi bật, giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.

- Phạm vi đo độ ẩm: 1.0 ~99.0 RH

Hình 3.10 Hình ảnh thiết bị đo độ ẩm Tenmars TM-181

3.2.7 Thiết bị đo tốc độ gió Prova AVM 03

Thiết bị đo tốc độ gió Prova AVM 03 là công cụ hiệu quả để đo tốc độ gió trong hệ thống thiết bị bay hơi, như thể hiện trong hình 3.11 Thiết bị này có những đặc điểm kỹ thuật nổi bật, giúp đảm bảo độ chính xác và hiệu suất trong quá trình đo lường.

Hình 3.11 Hình ảnh thiết bị đo tốc độ gió Prova AVM 03

Ampe kiềm được sử dụng để đo cường độ dòng điện của từng thiết bị trong hệ thống, như hình 3.12 Đặc điểm kỹ thuật:

Hình 3.12 Hình ảnh Ampe kiềm VC3266L+

Camera nhiệt Fluke Ti9 được sử dụng để so sánh sự phân bố nhiệt độ giữa hai thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA, như thể hiện trong hình 3.13 Thiết bị này có các đặc điểm kỹ thuật nổi bật, giúp phân tích hiệu quả nhiệt độ của các thiết bị bay hơi.

- Phạm vi nhiệt độ làm việc: -20 o C đến 250 o C

Hình 3.13 Hình ảnh camera nhiệt Fluke Ti9