Nghiên cứu thực nghiệm quá trình bay hơi của nước cấp lò hơi trong kênh micro

Nghiên cứu thực nghiệm quá trình bay hơi của nước cấp lò hơi trong kênh micro Nghiên cứu thực nghiệm quá trình bay hơi của nước cấp lò hơi trong kênh micro Nghiên cứu thực nghiệm quá trình bay hơi của nước cấp lò hơi trong kênh micro

1

Đặt vấn đề

Tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường đang trở thành một chủ đề quan trọng trong công nghệ khoa học, đặc biệt là trong lĩnh vực trao đổi nhiệt Việc thu nhỏ và tích hợp các thiết bị trong hàng không vũ trụ, vi điện tử, năng lượng hạt nhân, điện lạnh và các hệ thống tính toán tiên tiến đang làm tăng tầm quan trọng của thiết bị truyền nhiệt hiệu quả.

Hiện nay, việc cải thiện hệ số truyền nhiệt cho thiết bị bay hơi kênh micro thông qua các hình dạng kênh khác nhau đã được nghiên cứu và thực nghiệm, giúp giảm kích thước thiết bị mà vẫn duy trì hiệu quả cao và chi phí hợp lý Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc kênh micro đã trở thành phương pháp hiệu quả để nâng cao đặc tính truyền nhiệt Sự hiểu biết về chế độ dòng chảy và đặc tính truyền nhiệt trong thiết bị tản nhiệt kênh micro là rất quan trọng, đặc biệt trong quá trình bay hơi Công nghệ micro đã được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt, mang lại kết quả khả quan như tăng khả năng trao đổi nhiệt, giảm kích thước bộ trao đổi và cải thiện hiệu suất truyền nhiệt Điều này mở ra cơ hội ứng dụng trong các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro, micro boiler, micro reactor, và phát triển các bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn, hiệu suất cao đáp ứng nhu cầu đa dạng trong nhiều lĩnh vực.

Bài nghiên cứu này sẽ tập trung vào đặc tính truyền nhiệt, phân tích ảnh hưởng của hình dạng, kích thước và quá trình chuyển pha trong kênh micro, đồng thời so sánh với kênh mini.

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước Đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy trong quá trình sôi của dòng lưu chất trong thiết bị bay hơi đa kênh micro được công nhận là một trong những giải pháp làm mát hiệu quả nhất vì vậy đã nhận được sự quan tâm ngày càng nhiều trong những năm gần đây Nghiên cứu đặc tính dòng chảy, sự truyền nhiệt và tổn thất áp suất của quá trình bay hơi trong kênh micro cũng đã được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm

Li và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu so sánh đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy của nước khử ion trong các kênh micro hình chữ nhật, cho thấy hệ số Nusselt tăng khi lưu lượng và nhiệt độ đầu vào tăng, trong khi hệ số ma sát giảm Nghiên cứu của Yin và cộng sự về kênh micro hở với nước khử ion và vật liệu đồng chỉ ra rằng dòng chảy tầng là cơ chế truyền nhiệt chính, với tổn thất áp suất dòng hai pha tăng khi mật độ dòng nhiệt gia tăng Zhou và cộng sự đã phân tích dòng lưu chất và truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh micro hai lớp, kết luận rằng thiết kế có chiều cao từ 1-1,5 mm và chiều rộng từ 0,4-0,6 mm mang lại hiệu suất tốt hơn Tiếp theo, Zhou và cộng sự đã nghiên cứu thêm về bộ trao đổi nhiệt kênh micro bằng đồng, sử dụng nước khử ion làm chất làm mát, với các thông số hình học tối ưu được xác định qua thực nghiệm và mô phỏng số.

3 mm, chiều rộng từ 0,4 - 0,6 mm và khoảng cách 0,4 mm đạt được sự tăng cường truyền nhiệt và độ nhỏ gọn của bộ trao đổi nhiệt kênh micro

Hình 1 1 Sơ đồ cấu trúc và dòng chảy của kênh micro [4]

Nghiên cứu của Jia và cộng sự đã chỉ ra rằng thiết bị tản nhiệt kênh micro có vách nhiều lỗ rỗng, khi thử nghiệm với acetone tinh khiết ở nhiệt độ 30°C, cho thấy sự tăng cường truyền nhiệt đáng kể, giảm tổn thất áp suất và cải thiện độ ổn định dòng chảy hai pha Kết quả cũng cho thấy sự giảm quá nhiệt ở vách và cải thiện mật độ dòng nhiệt tới hạn so với các kênh micro chữ nhật Tương tự, Rostami và cộng sự đã nghiên cứu truyền nhiệt liên hợp trong kênh micro với vách lượn sóng, sử dụng nước làm môi chất và thiết bị được chế tạo từ silicon.

Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng vách lượn sóng thay vì vách phẳng có tác động tích cực đến tốc độ truyền nhiệt, với hệ số Nusselt trong kênh micro vách lượn sóng cao hơn Magnini và cộng sự đã thực hiện phân tích hệ thống về ảnh hưởng của hình dạng kênh đến đặc tính động lực học của bong bóng và truyền nhiệt, nhấn mạnh rằng hiệu suất truyền nhiệt phụ thuộc chặt chẽ vào sự phân bố màng chất lỏng xung quanh các bong bóng Ngoài ra, Col và cộng sự đã nghiên cứu sự sôi đối lưu của dòng lưu chất trong kênh micro hình tròn với HFC-134a và HFC-32, phát hiện rằng ở cùng nhiệt độ và mật độ dòng nhiệt, hệ số truyền nhiệt cao hơn ở áp suất thấp hơn.

Nghiên cứu cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt trong kênh micro phụ thuộc vào mật độ dòng nhiệt, với sự gia tăng đáng kể ở vùng bão hòa Deng và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm so sánh hiệu suất quá trình sôi giữa kênh micro hình Ω và kênh micro hình chữ nhật, sử dụng nước khử ion và etanol, với vật liệu đồng Kết quả cho thấy kênh micro có khả năng truyền nhiệt tốt hơn trong các trường hợp mật độ dòng nhiệt trung bình đến cao, đồng thời giảm tổn thất áp suất và sự mất ổn định dòng chảy hai pha Nghiên cứu về đặc tính dòng chảy và quá trình hình thành bong bóng trong kênh micro là rất quan trọng để tính toán sự truyền nhiệt và tổn thất áp suất Trong đề tài này, tác giả chủ yếu áp dụng các công thức có sẵn để thực hiện tính toán và thí nghiệm mà không đi sâu vào nghiên cứu chi tiết.

Hình dạng và kích thước của kênh micro ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất trong quá trình sôi của dòng lưu chất Nghiên cứu của Prajapati và cộng sự cho thấy mô hình tăng trưởng của các bong bóng trong kênh phân đoạn khác biệt rõ rệt so với mô hình có tiết diện đồng nhất và phân kỳ, với tốc độ tăng trưởng của bong bóng trong các kênh phân đoạn nhỏ hơn Morshed cùng cộng sự đã chỉ ra rằng sự lắng đọng hạt nano Al2O3 trên bề mặt kênh micro có thể nâng cao mật độ dòng nhiệt tới hạn lên đến 39%, mặc dù hệ số truyền nhiệt giảm nhẹ so với bề mặt trần.

Nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dạng kênh đến sự đảo ngược dòng chảy trong thiết bị bay hơi kênh micro bằng nhôm cho thấy rằng đường kính và chiều dài kênh lớn hơn dẫn đến việc giảm tần suất đảo chiều dòng chảy Li và cộng sự đã khảo sát tác động của tính chất nhiệt vật lý của bốn loại môi chất lạnh (R134a, R1234yf, R245fa và R32) trong hệ thống điều hòa, kết luận rằng các môi chất có nhiệt hóa hơi thấp và chênh lệch thể tích riêng cao giữa pha hơi và lỏng tạo ra dòng hơi ngược chiều nhiều hơn Foo và cộng sự đã nghiên cứu hiệu suất truyền nhiệt đối lưu dòng một pha trong kênh micro với nước cất làm chất làm mát, cho thấy kênh micro có biên độ sóng cao và bước sóng ngắn hơn truyền nhiệt tốt hơn, mặc dù tổn thất áp suất tăng cao, và kênh micro tối ưu có khả năng loại bỏ nhiệt cao hơn 51%.

Nghiên cứu về mô hình truyền nhiệt trong quá trình bay hơi trong kênh micro đã chỉ ra rằng sự thay đổi chu kỳ có ảnh hưởng quan trọng đến hệ số truyền nhiệt và sự phụ thuộc mạnh mẽ vào tần số bong bóng Các nhà nghiên cứu như Dupont và Li đã nhấn mạnh các yếu tố như độ dày màng chất lỏng tối thiểu và độ dày hình thành màng chất lỏng trong quá trình này Thí nghiệm của Li cho thấy rằng chất môi trường R32 có tổn thất áp suất thấp hơn R134a và hệ số truyền nhiệt cao hơn trong cùng điều kiện, với tổn thất áp suất tăng theo đặc tính và mật độ dòng chất nhưng giảm khi áp suất bão hòa giảm Markal và cộng sự cũng đã nghiên cứu sự truyền nhiệt và tổn thất áp suất trong quá trình sôi dòng lưu chất ở trạng thái bão hòa trong kênh micro hình vuông, khẳng định tầm quan trọng của các yếu tố này trong hiệu suất truyền nhiệt.

Nghiên cứu về truyền nhiệt cục bộ trong dòng hai pha cho thấy rằng khi mật độ dòng nhiệt tăng, hiệu quả truyền nhiệt giảm, trong khi đặc tính hơi cục bộ lại gia tăng đáng kể với mật độ dòng chất Các mô hình dòng chảy chủ yếu là dòng giãn dài của bong bóng và dòng hình khuyên, với cơ chế truyền nhiệt chủ yếu là đối lưu trong kênh micro Jafari và cộng sự đã chỉ ra rằng hệ số COP đạt được là 4 với lưu lượng khối lượng 85 kg/m²s, cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong truyền nhiệt ở mật độ dòng nhiệt thấp đến trung bình, với hệ số truyền nhiệt tăng đến 45% khi độ nhám bề mặt tăng Abdollahi và nhóm nghiên cứu đã thực nghiệm và mô phỏng các đặc tính dòng lưu chất trong kênh micro hình vuông, phát hiện rằng hệ số ma sát giảm khi số Reynolds tăng từ 6 đến 100, và hệ số Nusselt gần như không phụ thuộc vào vận tốc hai pha ở giá trị số Capillary thấp Pan và cộng sự cũng đã nghiên cứu hiệu suất truyền nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro với rãnh hình quạt, sử dụng đồng và nước khử ion làm môi chất, với lưu lượng từ 10.

Nghiên cứu cho thấy rằng ở tốc độ dòng chảy 60 ml/phút và nhiệt độ đầu vào từ 30 - 60 o C, các thông số cấu trúc của rãnh hình quạt ít ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt khi dòng chảy nhỏ, nhưng sự khác biệt trở nên rõ ràng hơn khi tốc độ dòng chảy tăng Hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt kênh micro với các rãnh hình quạt tốt hơn và độ sụt áp nhỏ hơn Việc nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu chế tạo kênh, hình dáng và kích thước đến truyền nhiệt và tổn thất áp suất trong kênh micro là rất quan trọng Tuy nhiên, các nghiên cứu so sánh hiệu quả truyền nhiệt giữa các kênh trong dòng hai pha vẫn còn hạn chế.

Các nhà nghiên cứu đã chú ý đến vấn đề truyền nhiệt đối lưu và đặc tính dòng chảy trong thiết bị bay hơi kênh micro Jung và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về sự truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức của nano lỏng trong kênh micro.

Họ kết luận rằng hệ số truyền nhiệt đối lưu của nano lỏng Al2O3 trong chế độ dòng

Nghiên cứu cho thấy rằng chảy tầng có thể tăng hiệu suất truyền nhiệt lên đến 32% so với nước cất với thể tích 1,8%, mà không gây tổn thất ma sát lớn Hệ số Nusselt tăng khi hệ số Reynolds gia tăng trong dòng chảy tầng Hsieh và cộng sự đã chỉ ra rằng hệ số Reynolds thấp có thể cải thiện truyền nhiệt đối lưu trong các kênh micro nhám, với các kênh có bề mặt nhám hình vuông cho hiệu suất tốt nhất, tiếp theo là hình elip, hình tròn, hình lục giác và hình tam giác Azizi và cộng sự nghiên cứu về truyền nhiệt đối lưu của nano lỏng trong kênh micro hình trụ, cho thấy rằng hệ số Nusselt của nano lỏng tăng từ 17% đến 23% so với nước tinh khiết, với tổn thất áp suất dưới 0,15 bar Kalteh và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu về quá trình đối lưu cưỡng bức của nano lỏng Al2O3 - nước trong kênh micro hình chữ nhật, cho thấy kết quả dòng hai pha gần gũi hơn với thực nghiệm so với dòng một pha Các nghiên cứu này nhấn mạnh rằng cơ chế truyền nhiệt trong kênh micro chủ yếu là truyền nhiệt đối lưu, tuy nhiên, nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dạng kênh và lưu chất làm việc đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu vẫn còn hạn chế.

Nghiên cứu về sự truyền nhiệt và đặc tính dòng chảy trong quá trình sôi của lưu chất trong kênh micro đã được thực hiện bằng phần mềm mô phỏng CFD Tonomura và các cộng sự đã tập trung vào việc tối ưu hóa các yếu tố này để cải thiện hiệu suất trong các ứng dụng công nghiệp.

Nghiên cứu về hình dạng của kênh micro thông qua phần mềm mô phỏng CFD cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế giúp giảm tổn thất áp suất từ 20-40% so với hình dạng ban đầu Magnini và cộng sự đã sử dụng ANSYS Fluent 14,5 để phân tích ảnh hưởng của các thông số đến truyền nhiệt trong quá trình sôi, phát hiện rằng hệ số truyền nhiệt giảm khi mật độ dòng nhiệt tăng, trong khi tăng tốc độ dòng chảy làm giảm hiệu suất truyền nhiệt do màng chất lỏng dày hơn Ong và nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng thiết bị tản nhiệt kênh micro bằng vật liệu polymer có hiệu suất nhiệt tốt hơn so với kênh micro tản nhiệt nhôm nhờ vào tốc độ dòng chảy đầu vào cao hơn và độ dẫn nhiệt chất lỏng tốt hơn Yue cùng cộng sự đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt và dòng lưu chất trong kênh micro với các ống riêng biệt, kết luận rằng dòng chảy bên trong thiết bị bay hơi chủ yếu là dòng chảy bong bóng và dòng chảy chậm, với kết quả mô phỏng CFD phù hợp tốt với thực nghiệm.

Nghiên cứu về thiết bị tản nhiệt kênh micro tại Việt Nam đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học Dang và cộng sự đã thực hiện các thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của hình dạng đến hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt dòng ngược dòng kênh micro, với chỉ số hiệu suất cao nhất đạt 21,67 W/kPa cho bộ trao đổi nhiệt mỏng nhất, dòng nhiệt tối đa 18,7 W/cm² cho bộ kênh nông và mức giảm áp suất thấp nhất là 506 Pa cho loại I Tiếp theo, Dang và cộng sự tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng kênh micro, sử dụng kênh micro bằng nhôm, có tiết diện hình chữ nhật với độ dày 1,2 mm và đường kính thủy lực 375 µm, đạt mật độ dòng nhiệt 17,4 W/cm² Kết quả từ mô phỏng trên phần mềm COMSOL tương thích với dữ liệu thực nghiệm, với sự khác biệt về hệ số truyền nhiệt ước tính nhỏ hơn 9%.

Hình 1.2 Thiết bị trao đổi nhiệt trong thí nghiệm [30]

Mục tiêu của đề tài

- Xác định được hệ số tỏa nhiệt đối lưu và hệ số truyền nhiệt tổng trong quá trình bay hơi trong kênh micro

Bài viết trình bày kết quả so sánh đặc tính truyền nhiệt trong quá trình bay hơi của các loại lưu chất khác nhau, bao gồm nước cấp lò hơi, nước tinh khiết, nước khoáng và nước cất, sử dụng thiết bị bay hơi kênh mini có cùng kích thước Những kết quả này giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất bay hơi của từng loại nước, từ đó có thể ứng dụng trong các quy trình công nghiệp và nghiên cứu liên quan đến truyền nhiệt.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Quá trình truyền nhiệt trong hệ thống thí nghiệm bay hơi kênh micro được nghiên cứu thông qua các yếu tố như tổn thất áp suất, hệ số tỏa nhiệt đối lưu và hệ số truyền nhiệt tổng Các loại lưu chất được sử dụng trong thí nghiệm bao gồm nước cấp lò hơi, nước tinh khiết, nước khoáng và nước cất Kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với các kênh mini có kích thước tương đương để đánh giá hiệu quả truyền nhiệt.

Nghiên cứu này tập trung vào quá trình bay hơi của nước cấp lò hơi, không đề cập đến tính toán lò hơi Để so sánh đặc tính truyền nhiệt, ba loại nước khác đã được đưa vào thí nghiệm Nước cấp lò hơi được lấy từ bể chứa sau hệ thống thẩm thấu ngược (RO) của lò hơi NH100 - 10R, công suất 100kg/h tại công ty Hồng Nhựt, thuộc Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, mà không sử dụng lò hơi trong quá trình thực nghiệm Nước tinh khiết, được lấy từ bộ lọc nước tại xưởng Nhiệt – Điện lạnh, cũng được sử dụng Các điều kiện thực nghiệm bao gồm áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng khoảng 28°C, với công suất nguồn nhiệt từ 120 - 300 W, nước cấp đầu vào được gia nhiệt trong khoảng thời gian xác định.

40 - 60 o C, nhiệt độ hơi ra khoảng 105 - 110 o C, lưu lượng khối lượng 0,04 - 0,1 g/s Với

Khi lưu lượng đầu vào thấp hơn 0,04 g/s, quá trình sinh hơi quá nhiệt diễn ra rất nhanh, khiến việc ghi nhận các thông số thực nghiệm trở nên khó khăn Tại lưu lượng 0,01 g/s, thực nghiệm đã chỉ ra sự ảnh hưởng khác nhau của bốn loại nước Thời gian gia nhiệt trong kênh micro được thiết lập là 10 phút, và các đặc tính truyền nhiệt bao gồm nhiệt lượng bay hơi của nước, mật độ dòng nhiệt, hệ số truyền nhiệt tổng và hệ số tỏa nhiệt đối lưu.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước

Tính toán và thiết lập mô hình thực nghiệm

Thí nghiệm trên mô hình thực tế đã so sánh đặc tính truyền nhiệt trong quá trình bay hơi của các lưu chất khác nhau, bao gồm nước cấp lò hơi, nước khoáng và nước cất, sử dụng thiết bị bay hơi kênh mini có cùng kích thước.

Phương pháp tổng quan là việc xem xét các bài báo khoa học từ cả trong nước và quốc tế trên các tạp chí uy tín, nhằm nhận diện những vấn đề mà các nghiên cứu trước đã giải quyết cũng như những khoảng trống cần được nghiên cứu thêm.

Phương pháp thực nghiệm: Thiết lập mô hình thực nghiệm và tiến hành thực nghiệm

Phương pháp phân tích so sánh: Phân tích và so sánh giữa kết quả dữ liệu thực nghiệm

14

Lý thuyết truyền nhiệt

Khoa học về truyền nhiệt nghiên cứu quá trình chuyển giao năng lượng nhiệt giữa các vật thể có nhiệt độ khác nhau Nhiệt, dưới dạng năng lượng, được truyền từ hệ thống này sang hệ thống khác do sự chênh lệch nhiệt độ Tốc độ truyền năng lượng này được xác định bởi quá trình truyền nhiệt, diễn ra qua ba cơ chế chính: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.

Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng từ khu vực có nhiệt độ cao sang khu vực có nhiệt độ thấp thông qua sự truyền động năng hoặc va chạm giữa các phần tử và nguyên tử.

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình truyền nhiệt diễn ra giữa một bề mặt rắn và chất lỏng hoặc khí đang chuyển động xung quanh Quá trình này liên quan đến sự kết hợp giữa dẫn truyền nhiệt và chuyển động của chất lỏng, tạo nên hiệu ứng làm tăng hiệu quả truyền nhiệt.

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình năng lượng được phát ra từ vật chất dưới dạng sóng điện từ (hay photon), xảy ra do sự thay đổi cấu hình điện tử của các nguyên tử hoặc phân tử Mọi vật đều phát ra năng lượng bức xạ, truyền đi trong không gian dưới dạng sóng điện từ.

Đối lưu cưỡng bức bên trong là quá trình chất lỏng hoặc không khí được lưu thông qua ống dẫn, thường được áp dụng trong hệ thống gia nhiệt hoặc làm lạnh Quá trình này diễn ra khi quạt hoặc bơm đẩy lưu chất qua ống dài, giúp truyền nhiệt hiệu quả Các yếu tố ảnh hưởng đến truyền nhiệt trong đối lưu cưỡng bức bao gồm hệ số ma sát, hệ số tỏa nhiệt đối lưu, tổn thất áp suất và hệ số truyền nhiệt.

Quá trình sôi động bên trong

Trong quá trình đun sôi dòng chảy, chất lỏng di chuyển nhờ vào nguồn bên ngoài như máy bơm và trải qua quá trình thay đổi pha Sự sôi trong dòng chảy phức tạp hơn trong tự nhiên do không có bề mặt tự do để hơi thoát ra, khiến cả chất lỏng và hơi phải chảy cùng nhau Dòng chảy hai pha trong ống thể hiện các chế độ sôi khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ lỏng và hơi Ban đầu, chất lỏng được làm mát thông qua truyền nhiệt bằng đối lưu cưỡng bức, sau đó bong bóng hình thành trên bề mặt ống và tách ra vào dòng chảy chính, tạo ra chế độ dòng chảy sủi bọt Khi chất lỏng được gia nhiệt thêm, bong bóng phát triển và tạo thành dòng hơi chảy chậm, với một nửa thể tích ống bị chiếm bởi hơi nước Cuối cùng, lõi dòng chảy chỉ còn hơi, trong khi chất lỏng chỉ còn ở không gian giữa lõi hơi và thành ống, tạo thành chế độ dòng hình khuyên với hệ số truyền nhiệt cao Khi quá trình gia nhiệt tiếp tục, lớp chất lỏng hình khuyên mỏng dần và các điểm khô bắt đầu xuất hiện trên bề mặt ống, dẫn đến giảm hệ số truyền nhiệt Chế độ chuyển tiếp này kéo dài cho đến khi bề mặt ống hoàn toàn khô, và cuối cùng, chúng ta có hơi bão hòa trở nên quá nhiệt khi tiếp tục gia nhiệt.

2.2.1 Sự sôi của dòng môi chất hai pha liên quan đến quá trình bay hơi

Sự sôi của dòng chảy trong kênh mini và micro là yếu tố quan trọng trong các ứng dụng thiết bị bay hơi nhỏ gọn Quá trình sôi của lưu chất được chú ý đặc biệt nhờ hệ số truyền nhiệt cao và tốc độ loại bỏ nhiệt lớn hơn với lưu lượng khối lượng chất làm mát Sự hình thành bọt trong quá trình sôi đóng vai trò then chốt trong việc duy trì sự ổn định của dòng chảy.

Bề mặt lớn so với tỷ lệ thể tích chất lỏng trong kênh giúp chất lỏng nóng lên nhanh chóng Khi chất lỏng được gia nhiệt qua bề mặt kênh, vùng gần bề mặt có độ quá nhiệt cao có thể hình thành quá trình sôi nếu có tâm hóa hơi Các khoang nhỏ trên bề mặt đóng vai trò là nơi tạo mầm cho bọt hơi Khi nhiệt độ bề mặt vượt quá nhiệt độ bão hòa, bong bóng sẽ xuất hiện và phát triển trong khoang, trở thành “mầm hơi” để tạo thành pha hơi Sự tồn tại của bọt hơi trong chất lỏng phụ thuộc vào sự cân bằng lực tác động lên bề mặt bọt, bao gồm lực áp suất của hơi trong bọt, lực áp suất của chất lỏng xung quanh và sức căng bề mặt của bọt hơi.

Hình 2 1 Sơ đồ sự tăng trưởng của bong bóng trong kênh micro và mini [43]

Khi bọt hơi đạt kích thước lớn, lực nâng tác động lên nó trở nên mạnh mẽ, khiến bọt hơi tách ra khỏi bề mặt nóng Sau đó, một lượng chất lỏng khác sẽ chiếm chỗ của bọt hơi vừa tách ra.

Hình 2 2 Mô hình dòng bong bóng giãn nở trong kênh mini [43]

Khi các bong bóng gặp sự quá nhiệt của chất lỏng, chúng sẽ phát triển và mở rộng ra các khu vực khác trong thành kênh, dẫn đến sự giãn nở nhanh chóng Hiện tượng này khiến mô hình dòng chảy bong bóng chiếm toàn bộ tiết diện của kênh Sau khi tách khỏi bề mặt gia nhiệt, bọt hơi di chuyển lên trên nhờ lực nâng, nhưng phải vượt qua sức cản ma sát của chất lỏng Tốc độ nâng của bọt hơi tăng lên, và sự phát triển nhanh chóng của chúng trong môi trường chất lỏng quá nóng gây ra dòng chảy đảo ngược, là nguyên nhân chính dẫn đến sự mất ổn định dòng chảy trong các kênh song song.

2.2.2 Nhiệt độ trung bình Logarit Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit được xác định [42]:

∆Tmax = Ts – Ti, ∆Tmin = Ts – To

∆𝑇𝑙𝑚: độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit ( o C)

Ts: nhiệt độ trung bình bề mặt ( o C)

Ti: nhiệt độ trung bình của lưu chất ở trạng thái lỏng đầu vào ( o C)

To: nhiệt độ trung bình của lưu chất ở trạng thái hơi đầu ra ( o C)

2.2.3 Dòng nhiệt truyền qua thiết bị

Dòng nhiệt truyền qua thiết bị trong quá trình bay hơi kênh micro được tính [42]:

Trong đó: m: lưu lượng khối lượng (kg/s)

18 i1: enthalpy nhiệt độ ở trạng thái lỏng đầu vào (kJ/kg) i2: enthalpy nhiệt độ ở trạng thái hơi đầu ra (kJ/kg)

Trong đó: q: mật độ dòng nhiệt (W/m 2 )

U: hệ số truyền nhiệt tổng (W/m 2 o C)

∆T 𝑙𝑚 : độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit ( o C)

Ngoài ra, với những điều kiện trong nghiên cứu này diện tích truyền nhiệt được tính [42]:

Với A là diện tích truyền nhiệt (m 2 ) và Q là dòng nhiệt truyền qua thiết bị (W)

2.2.5 Hệ số truyền nhiệt tổng

Hệ số truyền nhiệt tổng trong quá trình bay hơi kênh micro ống dẹp được tính

U: hệ số truyền nhiệt tổng (W/m 2 o C)

: hệ số dẫn nhiệt (W/m o C) hwater: hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước (W/m 2 o C)

Hiệu suất truyển nhiệt của hệ thống[41, 42]:

Q: nhiệt lượng bay hơi nước (W)

Tổng tổn thất áp suất được thể hiện qua tổn thất áp suất trong quá trình chuyển pha trong quá trình bay hơi kênh micro

∆Pl: tổn thất của thiết bị (Pa)

Pin: áp suất đầu vào của kênh micro (Pa)

Pout: áp suất đầu ra của kênh micro (Pa)

∆P2 là chênh lệch hiệu áp suất đo được từ cảm biến áp suất (Pa), được sử dụng để xác nhận kết quả tính toán tổn thất áp suất từ hai cảm biến áp suất khác nhau.

20

Tính toán và thiết kế mô hình thí nghiệm

Do quá trình sôi và quá nhiệt khá nhanh, độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit được thể hiện trong Hình 3.1

Hình 3 1 Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit

- ∆𝑇lm: độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit ( o C)

- Nhiệt độ trung bình bề mặt Ts = 115 o C

- Nhiệt độ trung bình của lưu chất ở trạng thái lỏng đầu vào Ti = 40 o C

- Nhiệt độ trung bình của lưu chất ở trạng thái hơi đầu ra To = 107 o C

Ta có: ∆Tmax = Ts - Ti = 115 - 40 = 75 o C

Dựa trên các mô hình thí nghiệm từ các nghiên cứu trước, hệ số truyền nhiệt tổng đạt U = 2845 (W/m².độ) với nhiệt độ nước đầu vào từ 40 - 60 °C Chiều dài mẫu A là 140 mm và mẫu B là 165 mm, trong khi nhiệt độ đầu ra đạt khoảng 110 °C với lưu lượng 0,09 g/s và a = 0,9 mm Nghiên cứu này nhằm so sánh ảnh hưởng của chiều dài kênh đến hiệu suất truyền nhiệt.

21 phương pháp tính toán tương tự đã tính cho mẫu C với nhiệt lượng truyền qua thiết bị

Diện tích trao đổi nhiệt (2-6): 𝐴 = 𝑄 𝑞 = 85150,85 280 = 3,29 x 10 -3 (m 2 )

Ta chọn kênh micro mẫu C có kích thước là: L = 185 (mm)

Các thiết bị bay hơi kênh micro bằng nhôm do Nikkei Siam sản xuất có hệ số dẫn nhiệt 237 (W/m.K), khối lượng riêng 2700 (kg/m³) và nhiệt dung riêng đẳng áp 904 (J/kgK) Mỗi kênh micro bao gồm 10 kênh hình vuông với thông số hình học được trình bày trong Bảng 3.1 và Hình 3.2 Thiết bị tản nhiệt kênh micro hình chữ nhật được sử dụng trong thí nghiệm như thể hiện trong Hình 3.3.

Bảng 3 1: Thông số hình học kênh micro

STT Chiều dài (mm) Chiều rộng

Chiều dày (mm) Đường kính thủy lực (mm)

Hình 3 2 Kích thước hình học của kênh micro

Hình 3 3 Kênh micro sử dụng trong thí nghiệm

Để so sánh đặc tính truyền nhiệt và hiệu quả năng lượng của kênh micro, thí nghiệm đã được tiến hành với kênh mini có cùng chiều dài và kích thước hình học tương tự như Hình 3.4 và Hình 3.5.

Hình 3 4 Thông số hình học của kênh mini

Hình 3 5 Mô hình 3D kênh micro và mini mẫu A

Thiết lập mô hình thực nghiệm

Hệ thống thí nghiệm bộ trao đổi nhiệt kênh micro bao gồm nhiều thành phần thiết yếu như bộ điều khiển, cảm biến chênh lệch áp suất, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cột gia nhiệt, bình điều áp, máy tính, bơm, dimmer, điện trở gia nhiệt, bình chứa, thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi kênh micro, được minh họa trong Hình 3.6 và Hình 3.7.

Hình 3 6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm

1 Bình chứa 9 Thiết bị bay hơi kênh micro

2 Bơm Jasco 10 Thiết bị ngưng tụ kênh micro

3 Bình điều áp 11 Quạt giải nhiệt

4 Tháp gia nhiệt 12 Đồng hồ đo áp suất

5 Cảm biến chênh lệch áp suất 13 Bộ xử lý tín hiệu MX - 100

7 Đồng hồ đa năng 15 Dây truyền dữ liệu máy tính

8 Điện trở 16 Cảm biến đo áp suất

Hình 3 7 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm thực tế

Trong nghiên cứu này, chất lỏng được sử dụng là nước cấp lò hơi từ lò hơi NH100 - 10R có công suất 100 kg/h, do công ty Hồng Nhựt chế tạo tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Bên cạnh đó, nước cất, nước tinh khiết (nước uống đóng chai từ bộ xử lý nước tại xưởng Nhiệt – Điện lạnh) và nước khoáng Lavie cũng được đưa vào phân tích Các thành phần hóa lý như DO, độ đục và độ cứng của bốn loại nước này đã được phân tích tại Trung Tâm Công Nghệ Và Quản Lý Môi Trường Tài Nguyên thuộc Trường Đại học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, với kết quả được trình bày trong Bảng 3.2.

Bảng 3 2: Thành phần hóa lý của các loại nước

STT Chỉ tiêu thử nghiệm

DO (mgO2/L) Độ đục (NTU) Độ cứng (mgCaCO3/L) Độ PH TDS

KPH là không phát hiện, LOD (Limit of Detection) là giới hạn phát hiện, DO (Dissolved Oxygen) là lượng oxy hòa tan, NTU (Nephelometric Turbidity Unit) là độ đục, PH (Power of Hydrogen) là độ hoạt động của hydro và TDS (Total Dissolved Solids) là tổng rắn hòa tan Phân tích thành phần hóa lý cho thấy nước khoáng có TDS cao nhất, tiếp theo là nước tinh khiết, nước cấp lò hơi và nước cất TDS cao làm tăng khả năng hình thành cặn bẩn trên bề mặt trao đổi nhiệt, ảnh hưởng đến quá trình bay hơi trong kênh micro Tất cả bốn loại nước đều đạt tiêu chuẩn TCVN7704-2007 và ASME cho nước cấp lò hơi Thí nghiệm bay hơi trong kênh micro hình chữ nhật dẹp được mô tả chi tiết trong Bảng 3.3.

Bảng 3 3: Bảng mô tả thí nghiệm

STT Thông số Vị trí Mô tả

1 Nhiệt độ đầu vào và

Cảm biến nhiệt độ được đặt sát ở đầu

Nước trong bình chứa được bơm vào tháp gia nhiệt, tại đây nước được gia

27 ra của hệ thống vào và ra của kênh micro nhiệt để đạt nhiệt độ yêu cầu (40 -

Nước được bơm qua kênh micro và được gia nhiệt bằng điện trở trong 10 phút Khi nhiệt độ đầu ra đạt 101 o C, quá trình ghi thông số được thực hiện thông qua bộ thu thập dữ liệu MX - 100 trong vòng 30 giây.

2 Áp suất đầu vào và ra của hệ thống

Cảm biến chênh lệch áp suất và cảm biến áp suất đơn được lắp đặt tại đầu vào và ra của kênh micro để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu Để duy trì tính ổn định của thông tin áp suất, dữ liệu từ cảm biến áp suất đơn ở cả hai vị trí sẽ được so sánh với dữ liệu từ cảm biến áp suất kép Quy trình thu thập dữ liệu được thực hiện tương tự như mô tả trước đó.

3 Nhiệt độ bề mặt kênh Đo trên bề mặt kênh micro

Khi nhiệt độ đầu ra đạt trên 101 o C, tiến hành đo nhiệt độ bề mặt kênh tại 3 điểm giữa, đầu và cuối.

Dụng cụ thí nghiệm

Bơm chuyên dụng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu kênh micro cho phép điều chỉnh lưu lượng môi chất với sai số chỉ ± 2% Thông số kỹ thuật của bơm được thể hiện rõ trong Hình 3.8 và Bảng 3.4.

Hình 3 8 Bơm Jasco PU – 2087 plus Bảng 3 4: Thông số kỹ thuật của bơm Jasco PU – 2087 plus

Phạm vi lưu lượng từ 1 àL/phút đến 50 mL/phút với áp suất tối đa 15 MPa (áp dụng cho lưu lượng ít hơn 40 mL/phút) Phạm vi áp suất nằm trong khoảng 5 – 15 MPa (đối với lưu lượng dưới 40 mL/phút) Đầu ống vào có kích thước 3 mm.

Công suất điện đầu vào AC 100 ~ 240 V, 50/60 Hz

Trong thí nghiệm, để duy trì nhiệt độ ổn định cho lưu chất đầu vào, thiết bị tháp gia nhiệt nước AXW – 5 - Temp Controller của hãng Medillab đã được sử dụng, cho phép kiểm soát nhiệt độ từ 10 oC đến 120 oC, như thể hiện trong Hình 3.9.

Hình 3 9 Tháp gia nhiệt 3.3.3 Bình điều áp

Trong quá trình thực nghiệm, bình điều áp được sử dụng trước bơm để đảm bảo ổn định lưu lượng dòng chảy, như thể hiện trong Hình 3.10.

Cân điện tử TP – 240 được sử dụng để xác định lưu lượng nước trong quá trình điều chỉnh bơm trong thí nghiệm, với phạm vi đo từ 0,0000 g đến 210 g và độ sai số là 0,0015 g, như thể hiện trong Hình 3.11.

3.3.5 Bộ điều chỉnh công suất Để đảm bảo công suất cấp nguồn cho điện trở, bộ điều chỉnh công suất 500 W -

220 V được sử dụng trong thí nghiệm và được thể hiện trong Hình 3.12

Trong quá trình thí nghiệm, thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro được gia nhiệt bằng điện trở với dải nhiệt độ từ 0 đến 250 độ C và công suất 300W.

W, điện áp U = 220 – 240 V được sử dụng và được thể hiện trong Hình 3.13

Để đạt được độ chính xác cao trong việc thu thập dữ liệu thực nghiệm, máy tính được kết nối với bộ xử lý tín hiệu đa năng MX - 100 Bộ xử lý này có khả năng kết nối với nhiều loại cảm biến khác nhau, cho phép đo các thông số như nhiệt độ, áp suất và điện áp Hình 3.14 minh họa sự kết nối này.

Hình 3 14 Bộ xử lý tín hiệu M - X100

3.3.8 Bộ số hóa tín hiệu áp suất

Hệ thống áp suất sử dụng hai loại cảm biến: cảm biến áp suất đơn và cảm biến chênh lệch hiệu áp suất, nhằm đảm bảo độ chính xác cao cho số liệu Tính hiệu áp suất được thu nhận từ cảm biến đơn và hiển thị trên màn hình LCD, như minh họa trong Hình 3.15.

Hình 3 15 Cảm biến áp suất đơn

Cảm biến chênh lệch hiệu áp suất là thiết bị quan trọng trong việc đo tổn thất áp suất Dữ liệu về hiệu áp suất được thu thập và phân tích bởi bộ cảm biến áp suất Unik 5000, sau đó hiển thị kết quả một cách rõ ràng, như thể hiện trong Hình 3.16.

Hình 3 16 Cảm biến chênh lệch hiệu áp suất

3.3.9 Đồng hồ đa năng Đồng hồ điện tử đa năng dùng để hiển thị các thông số dòng điện, điện áp, giá trị công suất điện trở được thể hiện trong Hình 3.17

Để đo dòng điện của điện trở trong quá trình gia nhiệt, ampe kìm với dải đo từ 100 mA đến 2000 A được sử dụng trong thực nghiệm, như thể hiện trong Hình 3.18.

Camera nhiệt hồng ngoại Fluke Model Ti20 đã được sử dụng để xác định phân bố nhiệt độ trên bề mặt điện trở và kênh micro trong quá trình thực nghiệm, như thể hiện trong Hình 3.19.

Hình 3 19 Camera nhiệt 3.3.12 Thiết bị đo nhiệt độ EXTECH 421509

Các thông số nhiệt độ bề mặt kênh micro và điện trở được đo bằng thiết bị EXTECH với độ chính xác ± 0.05%, như thể hiện trong Hình 3.20 Thông tin về các thiết bị đo và sai số trong quá trình thực nghiệm được trình bày trong Bảng 3.5.

Hình 3 20 Thiết bị đo nhiệt độ EXTECH 421509

Bảng 3 5: Sai số các thiết bị đo

Thông số cân đo Độ chính xác Giới hạn đo

Cảm biến áp suất ± 0,5 % FS 0 ÷1 bar

Cảm biến chênh lệch áp suất ± 0,025 % FS 0 ÷1 bar

Bơm lưu lượng ± 2% 1 àL/phỳt đến 50 mL/phỳt

Camera nhiệt ± 2 o C -10 đến 350 o C Đồng hồ đo công suất ± 0,01 % 0 ÷100 A, 0 ÷22000 W

36

Gia nhiệt kênh micro bằng hai điện trở

Quá trình gia nhiệt với kênh micro mẫu A ở công suất 135 W cho thấy nhiệt độ bề mặt ngoài của thanh điện trở thấp và tăng dần, đạt tối đa 184,5 o C với điện trở 1 và 183,5 o C với điện trở 2 tại vị trí 7 cm từ đầu kênh, cho thấy nhiệt độ bề mặt của hai điện trở tương đồng Nhiệt độ bề mặt thiết bị bay hơi kênh micro thấp ở phía ngoài và tăng dần, đạt 118,1 o C tại vị trí có nhiệt độ bề mặt điện trở cao nhất Dữ liệu thực nghiệm này, được thể hiện trong Hình 4.1 – 4.3, có vai trò quan trọng trong việc mô phỏng số.

Hình 4 1 Phân bố nhiệt độ bề mặt của điện trở và kênh micro mẫu A

Hình 4 2 Sự phần bố nhiệt độ bề mặt của điện trở trên camera nhiệt

Quá trình sinh hơi quá nhiệt của nước cấp lò hơi

4.2.1 Nước cấp lò hơi– mẫu A

Với lưu lượng nước 0,04 g/s và nhiệt độ đầu vào từ 40 – 60 o C, áp suất tuyệt đối lần lượt là 101812,5 Pa và 101250 Pa, thực nghiệm cho thấy công suất gia nhiệt trung bình đạt 150 W, với nhiệt độ đầu ra trung bình 106,1 o C Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, nằm ở độ cao khoảng 25 m so với mặt nước biển, có áp suất khí quyển khoảng 1,0103 bar (101030 Pa), tương ứng với nhiệt độ bão hòa 99,7 o C.

1,01813 bar thì trạng thái đầu ra của hơi nước trong thiết bị bay hơi hoàn toàn nằm trong vùng hơi quá nhiệt

Dựa trên số liệu thực nghiệm, khi lưu lượng nước đầu vào tăng từ 0,04 g/s lên 0,1 g/s, công suất gia nhiệt cho quá trình bay hơi trong kênh micro cũng tăng từ 150 W lên 299 W tại nhiệt độ 40 o C Điều này cho thấy mối liên hệ giữa lưu lượng nước và công suất gia nhiệt Trong tất cả các trường hợp, áp suất đầu vào luôn cao hơn áp suất đầu ra, với tổn thất áp suất thấp nhất ở mức 687,5 Pa tại lưu lượng 0,04 g/s, và tăng lên 1687,5 Pa khi lưu lượng đạt 0,1 g/s Các giá trị tổn thất áp suất này được xác nhận bởi cảm biến chênh lệch áp suất, dao động từ 707,5 Pa đến 1707,5 Pa với lưu lượng từ 0,04 đến 0,1 g/s Sự gia tăng lưu lượng dẫn đến cột áp của hệ thống tăng, kéo theo sự gia tăng áp suất đầu vào và đầu ra, như thể hiện trong Hình 4.4 Kết quả thực nghiệm phù hợp với nghiên cứu trước đó.

Hình 4 4 Tổn thất áp suất của kênh micro mẫu A khi thay đổi lưu lượng ở 40 o C

Khi nhiệt độ nước cấp đầu vào thay đổi từ 40 - 60 oC trong cùng một điều kiện lưu lượng, nhiệt lượng của quá trình bay hơi giảm, với lưu lượng từ 0,04 đến 0,1 g/s Cụ thể, ở nhiệt độ 40 oC và lưu lượng 0,04 g/s, nhiệt lượng quá trình bay hơi là 103,62 W, tăng lên 252,83 W ở lưu lượng 0,1 g/s Tuy nhiên, tại lưu lượng 0,04 g/s, nhiệt lượng giảm từ 103,62 W xuống 100,86 W khi nhiệt độ nước cấp đầu vào tăng Hiện tượng này xảy ra do sự gia tăng nhiệt độ nước cấp đầu vào làm tăng Enthalpy, dẫn đến giảm nhiệt lượng cần thiết cho gia nhiệt ở phía nước, từ đó làm giảm nhiệt lượng bay hơi trong điều kiện lưu lượng ổn định.

Hình 4 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào và lưu lượng đến nhiệt lượng mẫu A nước cấp lò hơi

4.2.2 Nước cấp lò hơi – Mẫu B

Trong quá trình bay hơi của kênh micro mẫu B: ở nhiệt độ nước đầu vào từ 40 -

50 o C công suất gia nhiệt ổn định là 160 W, khi nhiệt độ đầu vào 60 o C công suất gia

Khi nhiệt độ nước cấp đầu vào là 40 oC, công suất gia nhiệt cho quá trình bay hơi ở lưu lượng 0,04 g/s là 160 W và ở lưu lượng 0,1 g/s là 299 W, cho thấy rằng sự gia tăng lưu lượng nước đầu vào sẽ làm tăng công suất gia nhiệt cho quá trình bay hơi kênh micro Tổn thất áp suất trong quá trình bay hơi tại nhiệt độ 40 oC tăng khi lưu lượng đầu vào tăng từ 0,04 đến 0,09 g/s Trong mọi trường hợp, áp suất đầu vào của kênh micro luôn cao hơn áp suất đầu ra, với nhiệt độ hơi đầu ra trung bình là 108,1 oC và áp suất đầu vào là 1,02125 bar, cho thấy hơi sinh ra hoàn toàn là hơi quá nhiệt Tổn thất áp suất ở lưu lượng 0,04 g/s là 937,5 Pa và tăng lên 1457,5 Pa với lưu lượng 0,1 g/s Giá trị tổn thất áp suất được xác nhận bởi cảm biến chênh lệch áp suất với kết quả từ 947,5 đến 1472,5 Pa cho cùng lưu lượng, như được thể hiện trong Hình 4.6.

Hình 4 6 Tổn thất áp suất của kênh micro mẫu B khi thay đổi lưu lượng ở 40 o C

Khi sử dụng kênh micro mẫu B, nhiệt lượng của quá trình bay hơi giảm khi nhiệt độ nước cấp đầu vào tăng từ 40 đến 60 oC, với lưu lượng không đổi Cụ thể, tại lưu lượng 0,04 g/s và nhiệt độ 40 oC, nhiệt lượng bay hơi đạt 106,97 W, nhưng giảm xuống còn 104,97 W khi nhiệt độ nước cấp tăng lên 60 oC Ngược lại, khi giữ nhiệt độ nước cấp ở 40 oC và tăng lưu lượng lên 0,1 g/s, nhiệt lượng bay hơi tăng lên 257,8 W, như được thể hiện trong Hình 4.7.

Hình 4 7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào và lưu lượng đến nhiệt lượng mẫu B nước cấp lò hơi

4.2.3 Nước cấp lò hơi – Mẫu C

Quá trình bay hơi trong kênh micro mẫu C cho thấy áp suất đầu vào luôn cao hơn áp suất đầu ra Tổn thất áp suất tăng khi lưu lượng tăng ở cùng một nhiệt độ nước cấp Cụ thể, tại lưu lượng 0,04 g/s, công suất gia nhiệt cần thiết cho quá trình bay hơi đạt 165 W khi nhiệt độ nước cấp đầu vào là 40 oC.

Lưu lượng 0,1 g/s với công suất gia nhiệt 299 W ở nhiệt độ 40 o C cho thấy rằng khi lưu lượng nước đầu vào tăng, công suất gia nhiệt cho quá trình bay hơi kênh micro cũng tăng Nhiệt độ hơi đầu ra trung bình đạt 106,9 o C và áp suất đầu vào là 1,025 bar, cho thấy hơi sinh ra hoàn toàn là hơi quá nhiệt Tổn thất áp suất trong quá trình bay hơi tại 40 o C tăng khi lưu lượng đầu vào tăng từ 0,04 g/s lên 0,1 g/s, với giá trị tổn thất áp suất từ 1000 Pa tăng lên 1395 Pa Các giá trị tổn thất áp suất đo được từ cảm biến chênh lệch áp suất dao động từ 1005 đến 1401 Pa với cùng lưu lượng, và các kết quả từ Hình 4.4, 4.6 và 4.8 chứng minh tính chính xác và độ tin cậy của nghiên cứu này.

Tổn thất áp suất của kênh micro mẫu C khi lưu lượng không đổi và nhiệt độ nước cấp đầu vào thay đổi từ 40 đến 60 độ C cho thấy nhiệt lượng của quá trình bay hơi giảm Khi lưu lượng đạt 0,04, sự biến đổi này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hoạt động của kênh micro.

Khi nhiệt độ nước cấp đầu vào đạt 40°C với lưu lượng 43 g/s, nhiệt lượng quá trình bay hơi là 106,31 W, và giảm xuống còn 105,02 W khi nhiệt độ tăng lên 60°C Tương tự, với lưu lượng 0,04 g/s ở 40°C, nhiệt lượng bay hơi là 106,31 W và tăng lên 259,84 W khi lưu lượng tăng lên 0,1 g/s, như thể hiện trong Hình 4.9 Sự gia tăng nhiệt độ nước cấp đầu vào làm tăng Enthalpy, dẫn đến việc giảm nhiệt lượng cần gia nhiệt ở phía nước Do đó, trong điều kiện lưu lượng ổn định, nhiệt lượng bay hơi sẽ giảm.

Hình 4 9 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào và lưu lượng đến nhiệt lượng mẫu C nước cấp lò hơi

4.2.4 Nước cấp lò hơi – Mẫu mini A

Dưới cùng một điều kiện và chiều dài với lưu chất là nước cấp lò hơi, tổn thất áp suất trong quá trình bay hơi kênh mini ở nhiệt độ 40 °C sẽ tăng khi lưu lượng đầu vào tăng từ 0,04 đến 0,08 g/s Trong mọi trường hợp, áp suất đầu vào của kênh mini luôn cao hơn áp suất đầu ra, cùng với nhiệt độ hơi đầu ra tương ứng.

Khi nhiệt độ trung bình của 44 kênh đạt 108,7 °C và áp suất đầu vào là 1,00563 bar, hơi sinh ra hoàn toàn là hơi quá nhiệt Tổn thất áp suất trong quá trình bay hơi ở kênh mini tại nhiệt độ 40 °C là 187,5 Pa, tăng lên 375 Pa tương ứng với lưu lượng 0,08 g/s, và giá trị này được xác nhận bởi cảm biến chênh lệch áp suất từ 189,5 đến 378 Pa với cùng lưu lượng Ở điều kiện thí nghiệm với lưu lượng từ 0,09 g/s đến 0,1 g/s, hơi ở đầu ra của kênh mini chỉ đạt trạng thái hơi bảo hòa khô, không chuyển thành hơi quá nhiệt Tổn thất áp suất của kênh mini thấp hơn so với kênh micro cùng kích thước do tỷ lệ bề mặt trên thể tích của thiết bị tản nhiệt kênh micro cao hơn.

Khi lưu lượng không đổi trong kênh mini, việc thay đổi nhiệt độ nước cấp đầu vào từ 40 đến 60 oC dẫn đến sự giảm nhiệt lượng của quá trình bay hơi Cụ thể, ở lưu lượng 0,04 g/s, nhiệt lượng bay hơi đạt 104,41 W và giảm dần theo các lưu lượng khác từ 0,04 đến 0,08 g/s.

Khi nhiệt độ nước cấp đầu vào đạt 60 o C, công suất tiêu thụ là 103,74 W Ở nhiệt độ 40 o C với lưu lượng 0,04 g/s, nhiệt lượng trong quá trình bay hơi là 104,41 W, và tăng lên 205,96 W khi lưu lượng được nâng lên 0,08 g/s, như thể hiện trong Hình 4.11.

Hình 4 11 Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào và lưu lượng đến nhiệt lượng mẫu mini A nước cấp lò hơi

Ảnh hưởng của kích thước kênh đến quá trình bay hơi

Phần này được thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng kích thước kênh đến quá trình bay hơi khi sử dụng nước cấp lò hơi

4.3.1 Hiệu suất quá trình bay hơi kênh micro

Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi lưu lượng tăng từ 0,04 - 0,1 g/s, hiệu suất quá trình bay hơi kênh micro tăng dần Cụ thể, mẫu A có hiệu suất 69,08% ở lưu lượng 0,04 g/s, tăng lên 84,56% ở lưu lượng 0,1 g/s, trong khi hiệu suất ở lưu lượng từ 0,06 - 0,08 g/s tăng chậm Đối với mẫu B, hiệu suất bắt đầu ở mức 66,86% tại lưu lượng 0,04 g/s, thấp hơn mẫu A, nhưng đạt cao nhất 86,23% ở lưu lượng 0,1 g/s Trong khoảng lưu lượng 0,04 – 0,06 g/s, hiệu suất mẫu B vẫn thấp hơn mẫu A.

Mẫu B có hiệu suất cao hơn trong khoảng lưu lượng từ 0,07 – 0,1 g/s, trong khi mẫu C ở lưu lượng 0,04 g/s đạt hiệu suất 64,43% thấp hơn so với mẫu A và B Tuy nhiên, mẫu C đạt hiệu suất cao nhất là 86,9% tại lưu lượng 0,1 g/s Ở lưu lượng từ 0,04 – 0,06 g/s, hiệu suất của mẫu C vẫn thấp hơn mẫu A và B, nhưng lại vượt trội trong khoảng từ 0,07 – 0,1 g/s Sự thay đổi hiệu suất ở lưu lượng 0,065 g/s cho thấy khi lưu lượng tăng trên mức này, các mẫu B và C có bề mặt trao đổi nhiệt lớn hơn, dẫn đến việc nhận được lượng nhiệt cao hơn Kết quả này được thể hiện trong Hình 4.12.

Hình 4 12 Hiệu suất quá trình bay hơi kênh micro

4.3.2 Hiệu suất của kênh mini so với kênh micro

Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi lưu lượng lưu chất đầu vào tăng từ 0,04 - 0,1 g/s, hiệu suất quá trình bay hơi cũng tăng lên Cụ thể, với lưu lượng từ 0,04 - 0,08 g/s, hiệu suất của kênh micro mẫu A tăng từ 69,08% lên 84,56%, trong khi đó, hiệu suất của kênh mini mẫu A chỉ tăng chậm từ 66,93% đến 75,72% Đáng chú ý, ở lưu lượng 0,09 g/s và 0,1 g/s, hơi sinh ra từ quá trình bay hơi ở kênh mini không đạt trạng thái hơi quá nhiệt mà chỉ ở trạng thái hơi bão hòa khô, như thể hiện trong Hình 4.13.

Trong quá trình bay hơi, kênh micro cho thấy độ dòng nhiệt cao hơn so với kênh mini, với giá trị đạt 41119,6 W/m² ở nhiệt độ 40°C và lưu lượng 0,04 g/s, trong khi kênh mini chỉ đạt 23306,3 W/m² Hiệu suất bay hơi của kênh micro vượt trội hơn kênh mini cùng kích thước, điều này được lý giải bởi tỷ lệ bề mặt trên thể tích của thiết bị tản nhiệt kênh micro cao hơn.

Hình 4 13 Hiệu suất kênh micro so với kênh mini mẫu A

Hình 4 14 Hệ số tỏa nhiệt đối lưu kênh mini so với kênh micro với nước cấp lò hơi

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu trong quá trình bay hơi của kênh micro cao hơn so với kênh mini cùng chiều dài Khi lưu lượng đầu vào tăng, hệ số tỏa nhiệt đối lưu cũng gia tăng Cụ thể, với mẫu A kênh micro, hệ số tỏa nhiệt đối lưu ở lưu lượng 0,04 g/s đạt 1303 W/m².°C và tăng lên 3115 W/m².°C ở lưu lượng 0,1 g/s Trong khi đó, kênh mini có hệ số tỏa nhiệt đối lưu là 827,5 W/m².°C tại lưu lượng 0,04 g/s, tăng lên 1856,6 W/m².°C ở 0,08 g/s Kết quả này cũng tương tự với hệ số truyền nhiệt tổng, như thể hiện trong Hình 4.14.

Ảnh hưởng của lưu chất đến mật độ dòng nhiệt

Khi điều kiện nhiệt độ nước đầu vào là 40 o C và nhiệt độ đầu ra trung bình là 107 o C, lưu lượng nước vào tăng từ 0,04 đến 0,1 g/s dẫn đến sự gia tăng nhiệt lượng bay hơi cho cả bốn loại lưu chất Mật độ dòng nhiệt cũng tăng dần theo lưu lượng, với mẫu A đạt giá trị cao nhất 93513,06 W/m2 tại lưu lượng 0,09 g/s Tại lưu lượng 0,1 g/s, nước cất, nước cấp lò hơi và nước tinh khiết lần lượt có mật độ dòng nhiệt cao nhất là 100055,8 W/m2, 100327,84 W/m2 và 100663,4 W/m2 Trong khoảng lưu lượng 0,04 – 0,09 g/s, nước khoáng có mật độ dòng nhiệt cao nhất, tiếp theo là nước tinh khiết, nước cấp lò hơi và nước cất Tuy nhiên, ở lưu lượng 0,1 g/s, nước khoáng không đạt trạng thái hơi quá nhiệt do công suất điện trở bị giới hạn ở 300 W, dẫn đến nhiệt độ đầu ra khoảng 99,7 o C Kết quả khảo sát cũng chỉ ra rằng nhiệt dung riêng của bốn loại nước tăng dần từ nước cất đến nước khoáng.

Hình 4 15 Ảnh hưởng của lưu chất đến nhiệt lượng bay hơi

Hình 4 16 Ảnh hưởng của lưu chất đầu vào đến mật độ dòng nhiệt mẫu A

Mẫu B với lưu lượng 0,08 g/s cho thấy mật độ dòng nhiệt của nước khoáng đạt giá trị cao nhất là 78898,5 W/m² Khi lưu lượng tăng lên 0,1 g/s, nước cất có mật độ dòng nhiệt cao nhất là 84882,1 W/m², tiếp theo là nước cấp lò hơi với 86809,3 W/m² và nước tinh khiết đạt 87099,7 W/m² Trong khoảng lưu lượng từ 0,04 – 0,08 g/s, nước khoáng tiếp tục có mật độ dòng nhiệt cao nhất, sau đó là nước tinh khiết, nước cấp lò hơi và nước cất, như thể hiện trong Hình 4.17.

Hình 4 17 Ảnh hưởng của lưu chất đầu vào đến mật độ dòng nhiệt mẫu B

Tương tự như mẫu C, tại lưu lượng 0,08 g/s, mật độ dòng nhiệt của nước khoáng đạt giá trị cao nhất là 72005,3 W/m² Ở lưu lượng 0,1 g/s, nước cất có giá trị cao nhất là 75890,3 W/m², trong khi nước cấp lò hơi đạt 78031,3 W/m² và nước tinh khiết đạt 78292,3 W/m² Tương tự mẫu B, trong khoảng lưu lượng từ 0,04 – 0,08 g/s, mật độ dòng nhiệt của nước khoáng cũng là cao nhất, tiếp theo là nước tinh khiết, nước cấp lò hơi và nước cất, như thể hiện trong Hình 4.18.

Trong quá trình bay hơi sinh hơi quá nhiệt của kênh micro, mật độ dòng nhiệt của nước khoáng cao hơn so với ba loại lưu chất khác, cho thấy rằng lưu chất có tổng rắn hòa tan (TDS) cao hơn sẽ có mật độ dòng nhiệt lớn hơn.

Ảnh hưởng của lưu chất đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu

Dữ liệu thực nghiệm cho thấy trong quá trình bay hơi kênh micro với nước cấp đầu vào ở nhiệt độ 40 o C, khi lưu lượng tăng từ 0,04 đến 0,1 g/s, hệ số tỏa nhiệt đối lưu cũng tăng lên Cụ thể, mẫu A đạt hệ số tỏa nhiệt đối lưu cao nhất là 2747,3 W/m².o C tại lưu lượng 0,1 g/s, tuy nhiên, giá trị này vẫn thấp hơn hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước cấp lò hơi.

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước tinh khiết là 3571,8 W/m².°C, trong khi nước khoáng đạt giá trị cao nhất là 3627,7 W/m².°C với lưu lượng 0,09 g/s Kết quả này được thể hiện trong Hình 4.19.

Hình 4 19 Ảnh hưởng của lưu chất đầu vào đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu mẫu A

Mẫu B cho thấy hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước khoáng đạt giá trị cao nhất là 2644,2 W/m².°C tại lưu lượng 0,08 g/s, vượt trội hơn so với ba loại lưu chất còn lại Ở lưu lượng 0,1 g/s, hệ số tỏa nhiệt của nước tinh khiết đạt 3307,4 W/m².°C, nước cấp lò hơi là 2976,5 W/m².°C và nước cất là 2275,1 W/m².°C, như được thể hiện trong Hình 4.20.

Hình 4 20 Ảnh hưởng của lưu chất đầu vào đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu mẫu B

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước khoáng đạt giá trị cao nhất là 2259,5 W/m².°C tại lưu lượng 0,08 g/s, vượt trội hơn so với ba loại lưu chất khác Ở lưu lượng 0,1 g/s, nước tinh khiết có hệ số tỏa nhiệt cao nhất là 2558,6 W/m².°C, tiếp theo là nước cấp lò hơi với 2127,4 W/m².°C và nước cất với 1860,4 W/m².°C, như thể hiện trong Hình 4.21 Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi thành phần tổng rắn hòa tan (TDS) của lưu chất tăng, hệ số tỏa nhiệt đối lưu cũng tăng theo, dẫn đến nhiệt lượng bay hơi cao hơn.

Ảnh hưởng của lưu chất đến hệ số truyền nhiệt tổng

Kết quả khảo sát cho thấy, khi lưu lượng nước cấp đầu vào ở 40 o C tăng từ 0,04 đến 0,1 g/s, hệ số truyền nhiệt tổng cũng tăng dần Cụ thể, mẫu A đạt hệ số truyền nhiệt tổng cao nhất là 2726,8 W/m² o C ở lưu lượng 0,1 g/s, thấp hơn so với nước cấp lò hơi (3088,6 W/m² o C) và nước tinh khiết (3537,1 W/m² o C) Đặc biệt, ở lưu lượng 0,09 g/s, nước khoáng có hệ số truyền nhiệt tổng cao nhất là 3592 W/m² o C, như thể hiện trong Hình 4.22.

Hình 4 22 Ảnh hưởng của lưu chất đầu vào đến hệ số truyền nhiệt tổng mẫu A

Mẫu B cho thấy hệ số truyền nhiệt tổng của nước khoáng đạt giá trị cao nhất là 2625,2 W/m².°C ở lưu lượng 0,08 g/s, vượt trội hơn so với ba loại lưu chất còn lại Ở lưu lượng 0,1 g/s, hệ số truyền nhiệt của nước tinh khiết đạt 3277,7 W/m².°C, nước cấp lò hơi là 2952,4 W/m².°C và nước cất là 2261 W/m².°C, như thể hiện trong Hình 4.23 Kết quả này phù hợp với dữ liệu thiết kế ban đầu với hệ số truyền nhiệt tổng là 2845 W/m².°C.

Hình 4 23 Ảnh hưởng của lưu chất đầu vào đến hệ số truyền nhiệt tổng mẫu B

Hệ số truyền nhiệt tổng của nước khoáng đạt giá trị cao nhất là 2245,6 W/m².°C tại lưu lượng 0,08 g/s, vượt trội hơn so với ba loại nước còn lại Ở lưu lượng 0,1 g/s, nước tinh khiết có hệ số truyền nhiệt cao nhất là 2540,8 W/m².°C, tiếp theo là nước cấp lò hơi với 2115,1 W/m².°C và nước cất đạt 1851 W/m².°C, như thể hiện trong Hình 4.24 Kết quả thực nghiệm cho thấy, trong quá trình bay hơi, hệ số truyền nhiệt tổng tăng cao hơn khi tổng rắn hòa tan (TDS) của lưu chất càng lớn, dẫn đến nhiệt lượng bay hơi gia nhiệt cũng tăng theo.

Hình 4 24 Ảnh hưởng của lưu chất đầu vào đến hệ số truyền nhiệt tổng mẫu C

Kết quả thực nghiệm cho thấy mẫu A kênh micro có các đặc tính truyền nhiệt cao nhất, bao gồm nhiệt lượng bay hơi, mật độ dòng nhiệt, hệ số truyền nhiệt tổng và hệ số tỏa nhiệt đối lưu, so với các mẫu B, C và A kênh mini Nước cấp lò hơi có đặc tính truyền nhiệt nằm giữa nước cất và nước khoáng, với thứ tự tăng dần từ nước cất, nước lò hơi, nước tinh khiết đến nước khoáng Sự gia tăng này là do thành phần tổng rắn hòa tan (TDS) trong nước, dẫn đến tăng nhiệt dung riêng Tuy nhiên, khi TDS cao, hiện tượng bám bẩn trên bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt cũng sẽ xảy ra.

58