Nghiên cứu quá trình ngưng tụ của các thiết bị ngưng tụ micro bằng phương pháp thực nghiệm đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, ngành công nghệ nhiệt lạnh đã phát triển mạnh mẽ, trở nên quen thuộc với đời sống con người Tuy nhiên, tốc độ đô thị hóa cao đang tạo ra áp lực lớn về diện tích mặt bằng cho các ngành kỹ thuật Bên cạnh đó, người tiêu dùng ngày càng yêu cầu những thiết bị kỹ thuật hiệu quả, công suất cao và tiết kiệm chi phí.

Nhiều nghiên cứu đang được thực hiện nhằm thu nhỏ kích thước thiết bị, với các thiết bị mini, micro và nano ngày càng chứng minh hiệu quả cao Những thiết bị này không chỉ nhỏ gọn mà còn có hiệu suất tốt và chi phí chế tạo hợp lý Để cải thiện hiệu quả truyền nhiệt và tính thuận nghịch trong các thiết bị trao đổi nhiệt, các thiết bị truyền nhiệt truyền thống đang được thay thế bằng các thiết bị truyền nhiệt kênh mini hoặc micro, cho phép đạt được mật độ dòng nhiệt cao và thiết kế nhỏ gọn Điều này làm cho quá trình giải nhiệt và ngưng tụ môi chất trở nên hiệu quả hơn Nghiên cứu về quá trình ngưng tụ trong thiết bị giải nhiệt kênh micro cần xem xét nhiều yếu tố khác nhau, và phương pháp thực nghiệm được áp dụng để cung cấp cái nhìn tổng quan và kết luận về quá trình này.

Tổng quan các nghiên cứu liên quan

Khoa học ngày nay đang tiến bộ nhanh chóng, dẫn đến nhiều nghiên cứu về tối ưu hóa quá trình ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn một số công trình tiêu biểu liên quan đến quá trình ngưng tụ ở bộ trao đổi nhiệt micro để phân tích và áp dụng.

2 hơi nước trên các ống micro dọc Thực nghiệm được thực hiện dưới vận tốc và áp suất

1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về môi chất sử dụng trong kênh, trong đó Oh và Son [1] đã khảo sát đặc tính trao đổi nhiệt khi ngưng của R-22, R-134A và R-410A trong ống đồng tròn đường kính 1,77 mm và dài 160 mm, cho thấy R-410A có hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cao hơn R-22 và R-134A On cùng các cộng sự [2] cũng đã nghiên cứu truyền nhiệt ngưng tụ của R-134A trong ống tròn và 3 ống đồng dẹt, với kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ tăng khi mật độ khối lượng, mật độ dòng nhiệt và lượng hơi tăng Azizi và cộng sự [3] đã nghiên cứu hệ số truyền nhiệt đối lưu và hệ số ma sát của môi chất nano đồng trong thiết bị giải nhiệt micro hình chữ nhật, cho thấy khi tỷ lệ nano tăng, nhiệt trở giảm đến 21% và số Nusselt tăng 43%, trong khi hệ số ma sát tăng 45.5% so với nước nguyên chất.

Nghiên cứu về hình dạng và kích thước kênh đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu Lee và cộng sự đã thực nghiệm ảnh hưởng của vận tốc lưu chất trong kênh micro khi thay đổi hướng đặt kênh, bao gồm ngang, dọc và nghiêng Kết quả cho thấy tồn tại một ngưỡng vận tốc mà quá trình truyền nhiệt trong kênh không phụ thuộc vào hướng Tương tự, Wang và cộng sự cũng đã tiến hành nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt ngưng tụ.

Nghiên cứu về 14 loại hơi nước khác nhau, bao gồm 4 ống có đường kính 0.608 mm, 0.793 mm, 1.032 mm và 1.221 mm, cho thấy rằng khi độ chênh nhiệt độ giữa hơi và bề mặt tăng, hệ số truyền nhiệt ngưng tụ giảm đều Sakanova và cộng sự đã cải tiến công suất truyền nhiệt trong thiết bị tản nhiệt kênh micro bằng cách áp dụng hình dạng kênh gợn sóng và các loại môi chất nano, với kích thước kênh rộng.

W = 85 àm, cao H = 700 àm và dài L = 10 mm 3 loại biờn độ súng 25 àm, 50 àm và

Nghiên cứu đã khảo sát 75 àm với hai loại bước súng 250 àm và 500 àm, với lưu lượng thể tích từ 0.152 L/phút đến 0.354 L/phút Ba loại môi chất nano được sử dụng là đồng-nước, oxit silic-nước và kim cương, với nồng độ thể tích từ 1% đến 5% Kết quả cho thấy năng suất truyền nhiệt của kênh micro gợn sóng vượt trội hơn nhiều so với kênh phẳng truyền thống khi sử dụng nước Tuy nhiên, khi thay thế nước bằng các môi chất nano, lợi thế của kênh gợn sóng không còn nổi bật nữa.

Nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt và độ chênh áp trong quá trình ngưng tụ R-152A đã được thực hiện trong các kênh Micro tròn và vuông Mô hình thí nghiệm sử dụng kênh Micro tròn với đường kính thủy lực 1,152 mm, tại nhiệt độ bão hòa 40 và 50 độ C, với mật độ khối lượng từ 200 đến 800 kg/m²s và chất lượng hơi từ 0,1 đến 0,9 Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt và độ chênh áp tăng khi lưu lượng chất và chất lượng dòng hơi tăng, trong khi đó giảm khi nhiệt độ bão hòa tăng.

Iqbal và Pandey [8] đã tiến hành nghiên cứu về sự dịch chuyển thoáng qua của các pha khí và lỏng trong kênh micro, phát triển một mô hình động lực học chất lỏng cho sự dịch chuyển khối lớn trong các kênh có đường kính 200 μm Mô hình này được xác nhận qua dữ liệu từ một nghiên cứu trực quan hóa dòng nước sử dụng video tốc độ cao Vận tốc bề mặt, tỷ số chân không và độ dày màng được xác định thông qua phân tích hình ảnh trên các video thu được Kết quả cho thấy các mô hình dịch chuyển khối lớn cho vận tốc chất lỏng phù hợp tốt với dữ liệu dịch chuyển khí bằng chất lỏng, với sai số trung bình 11% Trong quá trình này, chất lỏng chảy chậm có khả năng làm sạch hoàn toàn khí trong kênh với ít tương tác ở giao diện khí-lỏng Đối với sự dịch chuyển của chất lỏng bằng khí, sai số mô hình trung bình là 20%, với các mô hình dòng chảy quan sát được bao gồm dòng chảy khô, màng mỏng, màng vòng, dòng chảy gián đoạn và dòng chảy.

[9] thực hiện một cuộc thí nghiệm nghiên cứu để nghiên cứu ảnh

Nghiên cứu này tập trung vào 15 yếu tố ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ, bao gồm dòng chất làm lạnh, chất lượng hơi cục bộ, tốc độ dòng chất làm mát và nhiệt độ chất làm mát đầu vào Để quan sát các dòng chảy trong quá trình ngưng tụ, các hình ảnh được ghi lại bằng camera tốc độ cao kết hợp với kính hiển vi Chất làm lạnh HFE-7100, một loại điện môi thân thiện với môi trường, được sử dụng trong các thí nghiệm với đa vi hình chữ nhật có đường kính thủy lực 0,57 mm Các thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ bão hòa 60°C với phạm vi lưu lượng khối lượng từ 48 đến 126 kg/(m²s) và tốc độ dòng nước làm mát đạt 0,5.

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ tăng khi lưu lượng khối lượng tăng và giảm khi lưu lượng hơi cục bộ giảm, với lưu lượng nước làm mát đầu vào từ 20 – 40 °C Xiaoguang Fan và các cộng sự đã thực hiện thí nghiệm về sự giảm áp trong quá trình ngưng tụ của kênh micro hình thang, sử dụng ba mẫu kênh có đường kính từ 134 đến 166 μm, dài 50 mm với 14 kênh song song Lưu lượng hơi được thay đổi từ 130 kg/m².s đến 340 kg/m².s và lưu lượng nước giải nhiệt từ 20 l/h đến 40 l/h Kết quả cho thấy rằng lưu lượng hơi, chất lượng hơi, lưu lượng nước giải nhiệt, đường kính kênh và hình dạng kênh đều có ảnh hưởng quan trọng đến sự giảm áp, đồng thời bổ sung dữ liệu cho mô hình Friedel trước đó.

Odaymet và Louahlia-Gualous đã nghiên cứu sự truyền nhiệt cục bộ trong quá trình ngưng tụ dòng chảy chậm trong kênh Micro nhôm hình vuông, với đường kính 305 µm và chiều dài 50mm Thí nghiệm được thực hiện với lưu lượng hơi thay đổi từ 14kg/m².s đến 31kg/m².s và áp suất từ 101kPa đến 115kPa, xác định sáu dòng ngưng tụ: sương mù, chảy rối, hình khuyên, sên, dòng chất lỏng và bọt Kết quả cho thấy sự truyền nhiệt cục bộ tăng khi lưu lượng hơi tăng, với dòng ngưng tụ sên đạt hiệu suất cao nhất H El Mghari và H Louahlia-Gualous cũng đã tiến hành thí nghiệm tương tự trong kênh Micro silic hình chữ nhật, với lưu lượng hơi từ 75kg/m².s đến 160kg/m².s, trong khi lưu lượng nước giải nhiệt không đổi Kết quả cho thấy sự thay đổi lưu lượng hơi tạo ra các hình dạng ngưng tụ khác nhau, làm thay đổi hệ số truyền nhiệt, và hệ số truyền nhiệt trung bình tăng lên.

Khi so sánh với các nghiên cứu khác, tác giả nhận thấy rằng kết quả thực nghiệm của mình phù hợp với lý thuyết, đặc biệt là với sự gia tăng của vận tốc hơi đầu vào.

Các nhà nghiên cứu đã khảo sát tổn thất áp suất và sự truyền nhiệt trong kênh để cải thiện hiệu suất truyền nhiệt trong quá trình ngưng tụ microchannel Mục tiêu là nâng cao chất lượng trung bình của môi chất lạnh Để đạt được điều này, một bộ ngưng tụ microchannel tách lỏng-hơi mới (LSMC) đã được phát triển bởi Zhong và các cộng sự.

Bài báo này trình bày về bộ ngưng tụ microchannel song song (PFMC) và so sánh với bộ ngưng tụ microchannel dạng ống góp (LSMC) Bộ LSMC được cải tiến với cặp ống góp cho phép thoát nước ngưng sau mỗi lần đi qua, mang lại hiệu quả hoạt động tốt hơn so với PFMC.

Hệ số truyền nhiệt trong ống và giảm áp suất của hai loại dàn ngưng microchannel với diện tích trao đổi nhiệt giống nhau đã được so sánh trong khoảng lưu lượng từ 450 Kg/(m² s) đến 770 Kg/(m² s), nhiệt lượng từ 1.5 KW/m² đến 2.45 KW/m² và nhiệt độ ngưng tụ từ 45°C đến 50°C Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt trung bình (AHTC) của LSMC vượt qua PFMC khi lưu lượng khối lượng lớn hơn 590 Kg/(m² s) hoặc chất lượng trung bình lớn hơn 0.57, trong khi sự sụt giảm áp của LSMC giảm đáng kể từ 30,5% đến 52,6% so với PFMC Hiệu suất nhiệt động kết hợp của LSMC cũng tốt hơn PFMC Nghiên cứu của RuiJiang và cộng sự về giảm áp suất dòng hai pha trong quá trình ngưng tụ microchannel cho thấy các kiểu dòng chảy khác nhau trong microchannel do sự khác biệt năng lượng tự do bề mặt Bốn loại vi mạch hình thang và tam giác đa cổng với đường kính thủy lực từ 126 đến 155μm đã được sử dụng, và độ giảm áp được xác định trong lưu lượng khối lượng hơi từ 259,2 đến 504,8 kg/(m² s) khi nồng độ trọng lượng ethanol đầu vào thay đổi từ 1% đến 60% Nghiên cứu của Tianming và cộng sự về dàn ngưng tụ microchannel lỏng-hơi kép (D-LMSC) cho thấy AHTC của D-LSMC cao hơn 3,3% so với D-PFMC trong khoảng lưu lượng khối lượng đầu vào từ 585 đến 874 kg/(m² s).

LSMC chỉ đạt 43,4% hiệu suất so với HP52,1% của D-PFMC, cho thấy khả năng trao đổi nhiệt của LSMC yếu hơn gần một nửa so với D-PFMC Hơn nữa, nhiệt độ thành ống của LSMC giảm nhanh hơn, chứng tỏ áp suất của LSMC thấp hơn đáng kể so với D-PFMC.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nghiên cứu dòng môi chất 2 pha liên quan đến quá trình ngưng tụ

Nghiên cứu dòng môi chất hai pha là một quá trình phức tạp, liên quan chặt chẽ đến hệ số truyền nhiệt và áp suất giảm Các yếu tố này ảnh hưởng đến dòng môi chất cục bộ và cơ cấu hình thành dòng chảy của chất lỏng, đóng vai trò quan trọng trong mô hình dòng chảy lúc ngưng tụ Trong thực tế, các mô hình truyền nhiệt được sử dụng để dự đoán mô hình dòng chảy cục bộ khi ngưng tụ và chuyển từ dòng môi chất hai pha sang các dạng dòng chảy khác.

2.1.1Mô hình lưu lượng dòng chảy trong ống dọc: Đối với các hiện tượng lưu lượng dòng chảy của lỏng và hơi trong một ống thẳng đứng, chất lỏng và các quá trình phân phối hơi vào trong ống dọc Đây được gọi là mô hình lưu lượng dòng chảy trong ống dọc và chúng được mô tả như sau:

Hình 2.1 Mô hình dòng môi chất 2 pha trong ống thẳng đứng

Dòng chảy bong bóng là hiện tượng mà hơi bảo hòa ẩm được phân tán thành các bong bóng rời rạc trong một môi trường lỏng liên tục Các bong bóng này có thể có kích thước và hình dạng khác nhau, nhưng thường có hình cầu với đường kính nhỏ hơn nhiều so với chiều cao của chúng.

Trong dòng chảy chậm, các bong bóng nhỏ tập hợp lại gần nhau và va chạm, tạo thành bong bóng lớn hơn được gọi là bong bóng Taylor Những bong bóng này có hình dạng giống như viên đạn, với đầu hình bán cầu và đuôi cùn, làm giảm tốc độ dòng chảy Bong bóng Taylor được bao quanh bởi một màng chất lỏng mỏng giữa chúng và vách ống, và chúng di chuyển xuống dưới do tác động của trọng lực.

Dòng chảy khuấy tung xảy ra khi vận tốc dòng chảy tăng, dẫn đến sự không ổn định trong cấu trúc dòng chảy, với chất lỏng chuyển động lên và xuống, tạo ra dao động nhưng vẫn duy trì hướng chảy lên Đây là chế độ trung gian giữa dòng chảy chậm và chế độ chảy hình vành khuyên.

-Dòng chảy hình khuyên: khi vận tốc dòng chảy tăng, các màng chất

Chất lỏng trong ống khi chịu tác động của trọng lực sẽ trở nên chiếm ưu thế, dẫn đến việc chất lỏng bị đẩy ra từ tâm ống và chảy thành một màng mỏng trên bề mặt của ống hình vành khuyên Trong khi đó, chất lỏng ở tâm duy trì chế độ dòng chảy ổn định.

2.1.2 Mô hình lưu lượng dòng chảy trong ống nằm ngang:

Hình 2.2 Mô hình dòng môi chất 2 pha trong ống nằm ngang

Mô hình dòng môi chất hai pha trong ống nằm ngang tương tự như trong dòng chảy thẳng đứng, nhưng sự phân bố của chất lỏng bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn Các loại mô hình này bao gồm nhiều hình thức khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện dòng chảy và tính chất của môi chất.

Dòng chảy bong bóng là hiện tượng mà hơi bong bóng được phân tán trong chất lỏng với nồng độ cao, chủ yếu tập trung ở nửa trên của ống do tác động của sức nổi.

Dòng chảy phân tầng là hiện tượng khi chất lỏng ở vị trí thấp và dòng hơi tách biệt thành hai giai đoạn, với hơi nằm ở phía trên và chất lỏng ở đáy ống, được ngăn cách bởi một bề mặt nằm ngang Trong chế độ này, chất lỏng và hơi được phân tầng hoàn toàn, tạo nên sự phân chia rõ rệt giữa hai pha.

Dòng chảy phân tầng lượn sóng xảy ra khi tốc độ hơi tăng, tạo ra sóng trên bề mặt theo hướng dòng chảy Biên độ sóng phụ thuộc vào vận tốc tương đối, tuy nhiên, gợn sóng không đạt đến đỉnh ống.

Dòng chảy chặn xảy ra khi đường kính của các bong bóng kéo dài nhỏ hơn ống, trong khi chất lỏng chảy liên tục dọc theo phía dưới của ống Hiện tượng này còn được gọi là bong bóng chảy kéo dài.

Dòng chảy chậm xảy ra khi vận tốc hơi cao hơn, dẫn đến việc bong bóng kéo dài với kích thước gần bằng đường kính của ống Trong tình huống này, dòng chảy có biên độ sóng lớn.

Dòng chảy hình khuyên xảy ra khi chất lỏng tạo thành một màng liên tục hình khuyên quanh chu vi ống trong quá trình dòng chảy hơi lớn hơn Hiện tượng này tương tự như dòng chảy thẳng đứng, nhưng đặc điểm nổi bật là các màng chất lỏng ở phía dưới dày hơn so với phía trên.

Qua nghiên cứu và thực nghiệm, chúng tôi đã khảo sát quá trình chảy của dòng môi chất trong thiết bị ngưng tụ bằng ống thuỷ tinh của hệ thống lạnh Kết quả cho thấy hình ảnh mô phỏng quá trình ngưng tụ diễn ra hiệu quả khi ống được đặt nằm ngang.

Hình 2.3 Các chế độ dòng chảy

A- Dòng chảy phân tầng; B- Dòng chảy liên tục; C- Dòng chảy hình khuyên

2.1.3 Đặc điểm của quá trình ngưng tụ:

Quá trình ngưng tụ hơi môi chất gắn liền với việc biến đổi pha Để quá trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn cần phải có 2 điều kiện:

+ Nhiệt độ bề mặt rắn phải nhỏ hơn nhiệt độ của hơi bão hòa tiếp xúc với bề mặt rắn

+ Trên bề mặt vật rắn phải có các tâm ngưng tụ Các tâm ngưng có thể là bọt khí, hạt bụi

Tùy theo trạng thái bề mặt và tính dính ướt của chất lỏng, quá trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn gồm: ngưng màng và ngưng giọt

Ngưng màng là hiện tượng các giọt chất lỏng kết hợp với nhau tạo thành một lớp màng trên bề mặt vật rắn Hiện tượng này xảy ra khi chất lỏng có tính dính ướt hoàn toàn bề mặt của vật rắn.

Hình 4 Ngưng màng và ngưng giọt

32 góc dính ướt nhỏ hơn /2

Lý thuyết về truyền nhiệt

Nghiên cứu truyền nhiệt tập trung vào sự chuyển đổi năng lượng dưới dạng nhiệt từ các nguồn năng lượng khác nhau Nhiệt độ có xu hướng di chuyển từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt độ thấp, và để đảo ngược quá trình này, cần phải tiêu tốn năng lượng.

Hiện nay về cơ bản có ba dạng truyền nhiệt phổ biến:

Dẫn nhiệt trực tiếp là quá trình truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp thông qua sự chuyển động và va chạm của các phân tử và nguyên tử.

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình chuyển giao năng lượng giữa nhiệt năng và sóng điện từ, diễn ra mà không cần tiếp xúc trực tiếp Quá trình này chủ yếu liên quan đến việc trao đổi năng lượng thông qua sóng điện từ.

Trao đổi nhiệt đối lưu xảy ra khi chất lỏng chảy qua bề mặt vật rắn có sự chênh lệch nhiệt độ Quá trình này diễn ra do sự dịch chuyển tương đối giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng, dẫn đến việc trao đổi nhiệt giữa chúng Sự chênh lệch nhiệt độ là yếu tố chính thúc đẩy quá trình truyền nhiệt trong hệ thống này.

Dòng chảy lưu chất

Để đơn giản quá trình phân tích đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất, chúng ta có thể đưa ra một số giả thiết như sau:

Có thể bỏ qua truyền nhiệt bức xạ

Lưu chất có tính liên tục

Truyền nhiệt của lưu chất được xem như ổn định

Các phương trình tính toán

Dựa trên điều kiện thực nghiệm của các số liệu đầu vào, các đặc tính của lưu chất như tổn thất áp suất, hiệu suất truyền nhiệt, mật độ dòng nhiệt và chỉ số hoàn thiện của bộ trao đổi nhiệt được tính toán thông qua các công thức chính xác.

G 1 ,G 2 : Lưu lượng khối lượng mối chất nóng lạnh (kg/s)

Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của hai loại môi chất được ký hiệu là Cp1 và Cp2, với đơn vị là kJ/kg.K Nhiệt độ đầu vào của hơi và không khí lần lượt được ký hiệu là t1' và t2', đo bằng độ C Trong khi đó, nhiệt độ đầu ra của hơi và không khí được ký hiệu là t1'' và t2'', có thể được biểu thị bằng độ C hoặc Kelvin.

Sự thay đổi nhiệt độ giữa hai môi chất phụ thuộc vào đương lượng nhiệt C = Gcp Trong thiết bị ngược chiều, nếu C = GCp giữa hai môi chất, và giả sử G1cp1 >> G2Cp2, thì với diện tích truyền nhiệt đủ lớn, nhiệt độ ra của hai môi chất có thể đạt tối đa t2 ’’ = t1 ’.

Cmax và G2cp2 = Cmin thì lý tưởng, khả năng truyền nhiệt tối đa sẽ là:

Qmax = Cmin(t1 ’ – t2 ’) (2) Trên thực tế thiết bị chỉ truyền được:

Hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt được định nghĩa:

Dựa trên điều kiện thực nghiệm trong nghiên cứu của nhóm, các đặc tính của lưu chất như tổn thất áp suất, hiệu suất truyền nhiệt, mật độ dòng nhiệt và chỉ số hoàn thiện của bộ trao đổi nhiệt đã được tính toán thông qua các công thức cụ thể.

Q i : Tốc độ truyền nhiệt (J) m w : Lưu lượng khối lượng (kg/s)

C p : Nhiệt dung riêng đẳng áp (kJ/Kg o K)

T wi : Nhiệt độ đầu vào ( o K)

Mật độ dòng nhiệt mô tả nhiệt lượng được truyền qua bề mặt trên một đơn vị thời gian, cũng như công suất nhiệt trên đơn vị diện tích

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

Q: Dòng nhiệt truyền có ích (J)

A: Diện tích bề mặt dòng nhiệt truyền qua (m 2 )

M: Lưu lượng khối lượng (Kg) c: Nhiệt dung riêng (kJ/Kg o K)

Dh = 4Ac/P là đường kính quy ước (m)

W = là vận tốc của nước theo phương z (m/s)

𝜇 = là độ nhớt động lực học(Ns/m 2 )

 là khối lượng riêng (kg/m 3 )

Ac là diện tích mặt cắt(m 2 )

L = là chiều dài kênh (m) f = là hệ số ma sát Fanning

Hình 2.4 Đồ thị T-s quá trình ngưng tụ

Quá trình ngưng tụ hơi nước trong thiết bị ngưng tụ kênh micro ống tròn diễn ra qua hai giai đoạn chính: đầu tiên, hơi bão hòa khô (1) vào thiết bị và nhả nhiệt ẩn r cho không khí, sau đó, hơi đã hóa lỏng hoàn toàn (2) tiếp tục nhả nhiệt cho không khí, dẫn đến trạng thái lỏng quá lạnh (3) Nhiệt lượng từ hai quá trình này được mô tả bằng các phương trình dưới đây, cùng với một số phương trình chính [30] để phân tích các thông số nhiệt động lực học và tính toán hệ số trao đổi nhiệt của quá trình ngưng tụ.

Nhiệt lượng mà hơi nước nhả ra để ngưng tụ thành nước hoàn toàn được tính theo phương trình sau:

Qc= G1.(hs,in-hs,out)= Q12 + Q23 (9)

Trong đó Q12 và Q23 lần lượt là nhiệt lượng ần của quá trình ngưng tụ, nhiệt lượng của quá trình quá lạnh nước, và được tính bởi công thức:

G1: lưu lượng khối lượng hơi vào [kg/s]

Cp2 là nhiệt dung riêng đẳng áp của nước ứng với trạng thái 2 (kJ/Kg.K)

Cp3là nhiệt dung riêng đẳng áp của nước ứng với trạng thái 3 (kJ/Kg.K)

Nhiệt lượng không khí giải nhiệt nhận được qua quá trình ngưng tụ hơi nước được xác định theo công thức:

Phương trình cân bằng nhiệt từ phía hơi nước ngưng tụ và phía không khí giải nhiệt:

��:Khối lượng riêng không khí [kg/m 3 ]

:Lưu lượng thể tích không khí [m 3 /s]

Cpa,Cpb: Nhiệt dung riêng đẳng áp không khí [kJ/Kg.K]

Q=k.Ftđn.∆� �� (13) k: Hệ số truyền nhiệt (kW/m 2 K)

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

Ftđn: Diện tích truyền nhiệt (m 2 )

Mật độ dòng nhiệt: q=k.∆t [kW/m 2 ] (14)

Lý thuyết đo gió

Việc đo lưu lượng không khí là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm trên bộ trao đổi nhiệt sử dụng phương pháp giải nhiệt bằng không khí Theo tài liệu đã tham khảo, phương pháp đo lưu lượng gió được lựa chọn là "Duct".

Traversing” (là phương pháp đo luồng không khí đi ngang qua trong một ống gió hở)

Theo đó, lưu lượng gió đo theo cách này có thể đước xác định thông qua công thức sau:

Va: lưu lượng thể tích gió m 3 /s

F: diện tích mặt cắt ngang của ống gió, m 2 w: tốc độ gió trung bình m/s Để thuận lợi cho việc tính toán công suất giải nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt, ta cần chuyển đổi lưu lượng thể tích thành lưu lượng khối lượng thông qua công thức quan hệ sau:

G: là lưu lượng khối lượng kg/s

Theo phương pháp đo đã nêu, một lưu tốc kế được sử dụng để đo tốc độ gió tại nhiều điểm đã xác định trước trên một mặt cắt ngang của ống gió Từ các số liệu thu thập được, ta có thể tính toán tốc độ gió trung bình bằng công thức phù hợp.

Xây dựng công thức tính toán thực nghiệm

Tính toán cường độ tỏa nhiệt phía cảnh là một nhiệm vụ phức tạp, với nhiều công thức thực nghiệm khác nhau được đề xuất Nhóm chúng em đã lựa chọn một công thức đơn giản nhưng vẫn đảm bảo tính chính xác, đó là α2 = C λ, nhằm tạo thuận lợi cho việc trình bày phương thức tính toán.

Hệ số chùm ống sole C được xác định là 0.45, trong khi hệ số chùm ống song song C là 0.3 Hệ số dẫn nhiệt của không khí (λ) được đo bằng W/mK, và đường kính ngoài ống (d0) được tính bằng mét Tốc độ dòng khí qua tiết diện nhiệt hẹp nhất (w) được đo bằng mét trên giây (m/s), trong khi độ nhất động học của không khí (v) có đơn vị là mét vuông trên giây (m²/s).

Ref – trị số Raynol, được tính:

Prf – Trị số Pradtl của không khí, thông thường chọn 0.71

F- Tổng diện tích của bề mặt ngoài ứng với 1m ống, m 2

Diện tích bề mặt ngoài của ống trơn tương ứng với 1 mét chiều dài ống là m² Khi quá trình ngưng tụ diễn ra với hơi bão hòa và chất lỏng sau ngưng tụ được làm nguội xuống nhiệt độ thấp hơn của hơi bão hòa, việc tính toán trở nên phức tạp hơn Trong trường hợp này, chúng ta cần chia thành ba công suất để tính toán chính xác.

Q: Nhiệt lương trao đổi trong quá trình ngưng tụ, W

Q1: Nhiệt lượng lấy đi để làm nguội hơi quá nhiệt đến hơi bão hòa, W

Q2: Lượng nhiệt tỏa ra khi hơi ngưng tụ,W

Q3: Lượng nhiệt tỏa ra khi làm nguội chất lỏng ngưng,W

R: Ẩn nhiệt hóa hơi , J/kg

D: Lượng hơi ngưng tụ, kg/s

Cp: Nhiệt dung riêng trung bình của hơi quá nhiệt, J/kg độ

C1: Nhiệt dung riêng trung bình của chất lỏng ngưng, J/kg độ

Nhiệt dung riêng trung bình của chất lỏng lạnh được đo bằng J/kg Nhiệt độ đầu vào của hơi quá nhiệt là t1đ, trong khi nhiệt độ cuối của chất lỏng ngưng tụ là t1c Nhiệt độ của hơi bão hòa được ký hiệu là tbh Đối với không khí làm nguội, nhiệt độ đầu vào và đầu ra lần lượt là t2đ và t2c.

Trong trường hợp hơi ngưng tụ chỉ có hơi bão hòa, không có hơi ngưng tụ ta xem

THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM