TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ micro/nano đang phát triển mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điện tử, sinh học và y học Một trong những ứng dụng nổi bật là bộ trao đổi nhiệt kênh micro, được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm Tuy nhiên, lĩnh vực này vẫn còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu, bao gồm kích thước, hiệu quả, công suất, mô hình chế tạo và vật liệu, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế.
Hiện nay, nhiều nghiên cứu trên thế giới tập trung vào bộ trao đổi nhiệt kênh micro, bao gồm dòng chảy một pha và hai pha, cũng như các thiết kế như bộ trao đổi nhiệt một tấm và nhiều tấm Mục tiêu của các nghiên cứu này là nâng cao hiệu suất trao đổi nhiệt, giảm kích thước thiết bị và hạ thấp chi phí sản xuất Mặc dù có nhiều nghiên cứu về dòng chảy một pha, nhưng nghiên cứu về dòng chảy hai pha vẫn còn hạn chế Các nghiên cứu cũng xem xét việc sử dụng các môi chất khác nhau như CO2 và R134a để cải thiện hiệu quả hoạt động.
Nhóm chúng em đã nắm bắt tình hình hiện tại và kế thừa những nghiên cứu trước đây để tiến hành tìm hiểu và nghiên cứu thực nghiệm quá trình ngưng tụ của hơi nước trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro.
Ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt kênh micro
Bộ trao đổi nhiệt kênh micro là thiết bị quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong việc giải nhiệt cho các mạch điện vi mô Khi dòng điện chạy qua mạch điện tử, nó sẽ sinh ra nhiệt lượng theo công thức Q = I² × R Việc loại bỏ lượng nhiệt này là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và độ bền của các linh kiện điện tử.
2 và nhiệt độ trong mạch cần duy trì ở một nhiệt độ hợp lý nhằm đảm bảo sự an toàn và độ tin cậy của mạch khi mạch làm việc
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ micro và nano đã làm tăng đáng kể số lượng linh kiện điện tử trong một mạch điện tử, đánh dấu bước tiến lớn cho ngành điện tử Tuy nhiên, điều này cũng tạo ra thách thức lớn trong việc tản nhiệt cho các mạch điện Việc loại bỏ nhiệt và duy trì nhiệt độ ở mức an toàn trở nên khó khăn, đặc biệt với công nghệ giải nhiệt bằng không khí.
Công nghệ giải nhiệt bằng không khí nổi bật với độ tin cậy cao và chi phí đầu tư, hoạt động cũng như bảo trì thấp Tuy nhiên, hệ thống này gặp hạn chế về khả năng tản nhiệt do hệ số truyền nhiệt của không khí thấp Để cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt, cần tăng diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị.
Nghiên cứu công nghệ làm mát cho các thiết bị điện tử trong tương lai là rất quan trọng Bộ trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng nước làm chất giải nhiệt là một trong những giải pháp tiềm năng đáp ứng nhu cầu này.
Bộ tản nhiệt bằng nước cho máy tính, hay còn gọi là water cooling, đã trở thành một giải pháp nổi bật trong việc làm mát các linh kiện máy tính Công nghệ này đã được áp dụng từ năm 1982 trên siêu máy tính Cray-2 với Fluorinert, và đến năm 1990, việc làm mát bằng nước đã trở nên phổ biến hơn trong các máy tính gia đình, được công nhận và ưa chuộng bởi cộng đồng đam mê công nghệ.
Và việc làm mát bằng nước chỉ thực sự trở nên phổ biến sau khi bộ vi xử lý Atholon hoạt động quá nóng vào giữa những năm 2000
Thiết bị làm mát bằng nước là giải pháp hiệu quả để hạ nhiệt cho nhiều linh kiện trong máy tính, đặc biệt là CPU, giúp duy trì hiệu suất hoạt động và kéo dài tuổi thọ thiết bị.
Tản nhiệt bằng nước là giải pháp hiệu quả giúp chuyển nhiệt từ thiết bị sang bộ phận trao đổi nhiệt lớn hơn, đi kèm với quạt tản nhiệt, cho phép các linh kiện như CPU, GPU, ổ đĩa cứng và nguồn cung cấp điện hoạt động êm ái hơn Phương pháp này không chỉ tăng tốc độ xử lý mà còn giúp cân bằng hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Cấu tạo của bộ tản nhiệt bằng nước cho máy tính bao gồm:
Block là vùng tiếp xúc với thiết bị đang được làm mát và thường được sản xuất từ kim loại có tính dẫn nhiệt cao như nhôm hoặc đồng
Hình 1.1 Hình ảnh block của bộ tản nhiệt
Tank- Reservoir (Bình chứa nước): là nơi lưu trữ chất lỏng làm mát và nó cũng đóng vai trò là cổng nạp cho chất lỏng mát
Pump (Bơm): có nhiệm vụ luân chuyển nước (môi chất) trong vòng tuần hoàn của hệ thống
Radiator (Két nước): có chức năng truyền nhiệt giữa nước và không khí
Bộ trao đổi nhiệt micro không chỉ giúp làm mát các mạch điện tử mà còn có ứng dụng quan trọng trong ngành hóa học Công ty Heatric của Úc đã phát triển bộ trao đổi nhiệt kênh micro, được gọi là Printed Circuit Heat Exchanger (PCHE), nhằm phục vụ cho các nhu cầu trong lĩnh vực này.
Hình 1.3 Hình ảnh một thiết bị PCHE
PCHE có đường kính thủy lực từ 0.5mm đến 1.5 mm, có thể chịu được áp suất lên đến 650 bar, dãy nhiệt độ thiết kế là 2 o K 1160 o K
Hình 1.4 Cấu tạo của PCHE – các tấm trao đổi nhiệt xếp chồng lên nhau
PCHE được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như hóa dầu, tinh chế với các hãng như Petrobras, BP, Shell và ExxonMobil
Công ty Heatric áp dụng công nghệ Printed Circuit Reactors (PCR), giúp mở rộng ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro trong xử lý hóa học, phản ứng hóa học và chế biến nhiên liệu Công nghệ PCR cho phép kết hợp pha trộn, phản ứng hóa học và truyền nhiệt hiệu quả.
Tổng quan tình hình nghiên cứu
1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước
Trong quá trình phát triển bộ trao đổi nhiệt kênh micro, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên toàn thế giới, tập trung vào các khía cạnh như dòng chảy một pha, dòng hai pha, quá trình bay hơi và ngưng tụ Những nghiên cứu này nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt cho các bộ trao đổi nhiệt kênh micro và khám phá các ứng dụng của chúng Đặc biệt, nhiều nghiên cứu đã sử dụng nước làm môi chất, vừa đóng vai trò là chất giải nhiệt, vừa là chất được giải nhiệt.
ThanhTrung Dang và cộng sự đã nghiên cứu quá trình truyền nhiệt đối lưu trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro với hai mẫu thí nghiệm khắc trên tấm nhôm kích thước 46x26,5x1,2 mm Các vi kênh có mặt cắt ngang hình chữ nhật với kích thước 0,5x0,3x32 mm và 0,5x0,18x32 mm Thí nghiệm được thực hiện với nước vào có nhiệt độ 70 oC và lưu lượng 0,2308 g/s, trong khi nước giải nhiệt có nhiệt độ 22,5 oC và lưu lượng từ 0,2135 đến 0,401 g/s Kết quả cho thấy thiết bị trao đổi nhiệt thứ nhất (T1) có chỉ số tính năng đạt 21,68 W/kPa cao hơn thiết bị thứ hai (T2), mặc dù tổn thất áp suất của T2 cao hơn T1 Ngoài ra, ảnh hưởng của lực hấp dẫn đối với chất lỏng là không đáng kể, với sai lệch kết quả đo giữa kênh nằm ngang và dọc chỉ khoảng 8%.
Md Jane Alam Khan và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu về động thái dòng chảy và phân bố nhiệt trong các vi kênh để tạo ra dòng nhiệt ổn định Thí nghiệm được tiến hành với bộ trao đổi nhiệt micro, bao gồm 21 vi kênh, mỗi kênh có kích thước nhỏ gọn.
Khí Nitơ và khí Hidro được sử dụng làm môi chất với tốc độ đầu vào trung bình 10 m/s và nhiệt độ 300 K Dòng nhiệt qua bề mặt trao đổi nhiệt duy trì ở mức 10000 W/m² Bài nghiên cứu đưa ra bốn mẫu để so sánh nhằm xác định mẫu có khả năng phân bố lưu lượng tốt nhất, được thể hiện trong hình.
Hình 1.5 Hình dạng đầu vào của các cách phân phối khác nhau
Sau khi nghiên cứu, ngoài loại 1, ba loại phân bố dòng chảy còn lại cho kết quả tương tự Do đó, người dùng có thể lựa chọn bất kỳ loại nào dựa trên hình dạng yêu cầu và khả năng linh hoạt trong sản xuất.
Liên quan đến quá trình ngưng tụ của các môi chất cũng có một số nghiên cứu sau:
Sung-Min Kim và cộng sự đã nghiên cứu quá trình ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro, được trình bày qua hai bài báo Bài đầu tiên tập trung vào quá trình ngưng tụ và tổn thất áp suất, trong khi bài thứ hai phân tích đặc điểm truyền nhiệt trong vi kênh Mẫu thí nghiệm sử dụng các vi kênh có mặt cắt ngang hình vuông, với đường kính thủy lực 1 mm và chiều dài 29,9 cm Chất ngưng tụ được sử dụng là FC 72, với lưu lượng đầu vào từ 68 kg/m² s.
Trong quá trình thí nghiệm, với lưu lượng 367 kg/m² s và nhiệt độ dao động từ 57,2°C đến 62,3°C, nước được sử dụng làm chất giải nhiệt với lưu lượng từ 3 đến 6 g/s Kết quả thí nghiệm đã xác định được 5 giai đoạn của quá trình ngưng tụ hơi FC.
72 Họ cũng tìm ra các mối quan hệ của tổn thất áp suất và các thông số khác Khi họ tăng lưu lượng hơi vào thì tổn thất áp suất tăng, tăng lưu lượng nước làm mát thì tổn thất áp
Hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cao nhất được ghi nhận gần đầu vào, nơi mà sản phẩm ngưng tụ có độ dày mỏng nhất Tuy nhiên, hệ số này giảm dần theo chiều dọc của vi kênh.
Georges EL ACHKAR và cộng sự đã nghiên cứu dòng ngưng tụ trong bộ ngưng tụ kênh micro làm mát bằng không khí Mẫu thí nghiệm được sử dụng là một ống tròn trong suốt với đường kính trong 553 μm, đường kính ngoài 675 μm và chiều dài 196 mm.
Họ sử dụng n-pentan làm môi chất trong quá trình ngưng tụ, với nhiệt độ bão hòa là 36,06 °C ở áp suất khí quyển Để kiểm soát vận tốc dòng hơi, van vi lượng được đặt trong môi trường 40 °C, duy trì lưu lượng hơi ở mức 12 kg/m².s Hệ thống máy quay tốc độ cao được sử dụng để xác định quá trình ngưng tụ diễn ra.
Nghiên cứu này được chia thành ba giai đoạn chính, trong đó các thí nghiệm đã giúp xác định mối quan hệ giữa lưu lượng, tốc độ ngưng tụ và chiều dài trung bình của các bọt hơi trong quá trình ngưng tụ.
Ji Wang và cộng sự đã nghiên cứu chế động dòng chảy và tổn thất áp suất trong quá trình ngưng tụ của môi chất R134a trong bộ ngưng tụ kênh micro với mặt cắt vi kênh hình bầu dục, đường kính thủy lực 301,6 μm và chiều dài 50 mm Hơi vào có áp suất bão hòa 0,8 Mpa tương ứng với nhiệt độ 31,3 o C, độ khô dao động từ 0,1 đến 0,9, và lưu lượng hơi vào từ 60 đến 250 kg/m²s Mẫu thí nghiệm được làm mát bằng nước với nhiệt độ đầu vào 5 o C Kết quả cho thấy quá trình ngưng tụ trải qua 4 giai đoạn khác nhau, và khi tăng lưu lượng cũng như chất lượng hơi vào, tổn thất áp suất giảm Hơn nữa, tổn thất áp suất trong điều kiện làm mát không đối xứng cao hơn so với điều kiện làm mát đối xứng Nghiên cứu cũng so sánh với các nghiên cứu khác và nhận thấy rằng dữ liệu của Cavallini gần đúng nhất với kết quả thực nghiệm của họ.
Hình 1.6 Các giai đoạn dòng ngưng tụ
Ali H Al-Zaidi và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng chất làm lạnh, chất lượng hơi cục bộ, vận tốc và nhiệt độ nước làm mát đến hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ Nghiên cứu sử dụng HFH-700 làm môi chất ngưng tụ, với hơi vào là hơi bão hòa có nhiệt độ.
Nhiệt độ đạt 60 độ C với lưu lượng dao động từ 48 đến 126 kg/m²/s, sử dụng nước làm môi chất giải nhiệt có lưu lượng từ 0,5 đến 1,1 l/s và nhiệt độ nước vào từ 20 đến 40 độ C Mẫu thí nghiệm được chế tạo từ đồng, có kích thước 22x51x221 mm³, với các vi kênh được khắc trên cả hai mặt, trong đó mặt ngưng tụ có đặc điểm riêng.
90 vi kênh rộng 0,4 mm, sâu 1mm, khoảng cách 2 vi kênh là 0,1 mm, ở mặt làm mát có
Lý do chọn đề tài
Các nghiên cứu toàn cầu đã chỉ ra rằng việc nghiên cứu sự truyền nhiệt ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro là rất cần thiết.
Giới hạn đề tài
Nghiên cứu tập trung vào thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng hơi nước làm môi chất làm việc và nước ở nhiệt độ phòng làm môi chất giải nhiệt, với điều kiện thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện thực nghiệm này, nhóm chúng em đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
Phân tích tổng hợp tài liệu liên quan
Phân tích số liệu thực nghiệm và đưa ra nhận xét, đánh giá các số liệu thu thập được
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về nước – hơi nước
Nước, với công thức hóa học H2O, là một hợp chất quan trọng gồm oxy và hidro, chiếm 70% diện tích bề mặt Trái Đất Nó đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống hàng ngày Ở áp suất khí quyển, nước đông đặc ở 0°C và hóa hơi ở 100°C, tuy nhiên, nhiệt độ đông đặc và hóa hơi của nước có thể thay đổi tùy thuộc vào áp suất.
Hình 2.1 Sơ đồ vùng chuyển pha của nước
Quá trình ngưng tụ của hơi nước diễn ra khi hơi nhả nhiệt và chuyển đổi thành chất lỏng Trong một thí nghiệm, khi cho hơi quá nhiệt vào một xy lanh và đóng kín bằng pít tông, sau đó giải nhiệt cho xy lanh, chúng ta sẽ có những ghi nhận quan trọng về hiện tượng này.
Trong giai đoạn đầu, nhiệt độ của hơi nước rất cao và ở trạng thái hơi quá nhiệt Khi tiến hành giải nhiệt cho xy lanh, hơi nước sẽ nhả nhiệt, dẫn đến sự giảm nhiệt độ của hơi.
Đến nhiệt độ nào đó (điểm d), hơi bắt đầu ngưng tụ thành những giọt nước li ti Quá trình nhưng tụ bắt đầu
Trong quá trình giải nhiệt cho xy lanh, lượng nước ngưng tụ ngày càng tăng lên Điều đáng lưu ý là trong suốt quá trình ngưng tụ, nhiệt độ của hơi vẫn giữ nguyên không thay đổi.
Đến một lúc nào đấy (điểm b), hơi hoàn toàn ngưng tụ thành nước, quá trình ngưng tụ chấm dứt
Khi tiếp tục giải nhiệt cho xy lanh, nhiệt độ của nước tiếp tục giảm xuống (đoạn ba)
Hình 2.2 Các giai đoạn trao đổi nhiệt trong thí nghiệm
Ngoài ra, các tính chất vật lý của nước và hơi nước được thể hiện trọng phần phụ lục
Các công thức liên quan đến thực nghiệm
Trong thí nghiệm, thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro hoạt động như một thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều Quá trình ngưng tụ hơi nước diễn ra khi hơi bão hòa khô vào thiết bị, thực hiện ngưng tụ đẳng áp và nhả nhiệt để hóa lỏng hoàn toàn Sau khi ngưng tụ, nước ngưng tiếp tục nhả nhiệt để trở thành lỏng quá lạnh Từ đó, có hai phương pháp tính nhiệt lượng được áp dụng.
Cách 1: Dựa vào tính toán thiết bị trao đổi nhiệt lưu động ngược chiều:
Hình 2.3 Sơ đồ nhiệt thiết bị ngược chiều
Phương trình cân bằng nhiệt:
Q: Nhiệt lượng truyền của thiết bị trao đổi nhiệt, [W] k: Hệ số truyền nhiệt, [W/m 2 o C]
F: Diện tích truyền nhiệt của bề mặt thiết bị, [m 2 ] Δtm: độ chênh nhiệt độ trung bình logarit
G1, G2: Lưu lượng khối lượng nước của chất lỏng nóng và lạnh, [kg/s]
Nhiệt dung riêng đẳng áp của hai dòng môi chất được biểu thị bằng Cp1 và Cp2, đơn vị tính là [kJ/kg.ºC] Nhiệt độ đầu vào của hai dòng môi chất lần lượt là t1’ và t2’ (đơn vị [ºC]), trong khi nhiệt độ đầu ra là t1” và t2” (cũng tính bằng [ºC]) Để tính độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, công thức sử dụng là: ln[(tmax - tmin) / (t1 - t2)].
Trong suốt quá trình ngưng tụ có sự chuyển pha nên ta có:
Nhiệt lượng nhả ra trong quá trình ngưng tụ:
Trong đó: r: nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất
Nhiệt lượng nhả ra trong quá trình quá lạnh:
Nhiệt lượng hơi nhả ra trong suốt quá trình trao đổi nhiệt: ngung ql
Nhiệt lượng nước nhận vào:
Cách 2: Dựa vào số ethalpy đầu và cuối:
XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
Thiết lập hệ thống thực nghiệm
Mô hình của hệ thống thực nghiệm được thể hiện trong hình
Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống thí nghiệm
Nước trong bể được bơm vào lò hơi mini và được đun nóng bằng hai điện trở công suất 4,5 kW, tổng công suất lò hơi là 9 kW Khi đạt đến nhiệt độ sôi, nước sẽ hóa hơi và di chuyển đến bộ trao đổi nhiệt kênh micro hoặc ra môi trường qua đường xả khí không ngưng Để điều chỉnh lưu lượng hơi, cường độ dòng điện được điều chỉnh qua biến trở trên tủ điều khiển Hơi sẽ đi qua thiết bị tách lỏng để ổn định dòng hơi và loại bỏ giọt nước trước khi vào bộ trao đổi nhiệt kênh micro, nơi hơi có nhiệt độ từ 100 – 104 o C Tại đây, nước lỏng được tách ra và quay trở lại lò hơi, trong khi hơi bão hòa khô nhả nhiệt thực hiện quá trình ngưng tụ đẳng áp để hóa lỏng hoàn toàn.
Quá trình trao đổi nhiệt quá lạnh diễn ra khi nước ngưng được dẫn ra ngoài và chảy vào một lọ có nắp, giúp xác định lưu lượng nước ngưng, đồng thời cũng phản ánh lưu lượng hơi vào.
Các thiết bị sử dụng trong thí nghiệm
3.2.1 Cụm thiết bị lò hơi Để cung cấp hơi cho quá trình ngưng tụ trong quá trình thực nghiệm, nhóm sử dụng lò hơi mini có thông số sau:
Công suất 9 kW, gồm 2 điện trở, mỗi điện trở 4,5 kW
Kích thước: 101/2 Inches W x 8 5/8 inch D x 25 inch H
Hình 3.2 Hình ảnh lò hơi mini
Khi hệ thống hoạt động, lưu lượng hơi ra có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi cường độ dòng điện cung cấp cho điện trở của lò, thông qua biến trở trên tủ điều khiển.
26 Đồng thời trên lò hơi mini còn có các thiết bị bảo vệ sau:
Rơ le áp suất là thiết bị bảo vệ tự động cho lò hơi, có chức năng ngắt nguồn điện cấp cho lò khi áp suất bên trong vượt quá giá trị cài đặt.
Hình 3.3 Hình ảnh rơ le áp suất
Van an toàn: dùng để bảo vệ lò hơi khi rơ le áp suất không hoạt động Van an toàn nằm trên đường hơi ra trên lò hơi
Hình 3.4 Hình ảnh van an toàn
3.2.2 Các thiết bị đo thông số Để xác định các thông số cần thiết cho quá trình nghiên cứu như nhiệt độ hơi vào, nhiệt độ nước ngưng ra, nhiệt độ nước làm mát tại đầu vào và đầu ra, lưu lượng nước ngưng ta sử dụng các thiết bị sau:
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị quan trọng để xác định nhiệt độ của hơi vào, nước ngưng ra, và nhiệt độ đầu vào cũng như đầu ra của nước làm mát Để đạt hiệu quả cao, cảm biến được lắp đặt tại hai cặp đầu vào và đầu ra của bộ trao đổi nhiệt kênh micro Trong thí nghiệm, chúng tôi sử dụng cặp nhiệt điện loại T, với đường kính dây và đầu cảm biến khoảng 200 μm.
Hình 3.5 Cảm biến nhiệt độ dùng trong thí nghiệm
Cân vi lượng điện tử được sử dụng để đo chính xác khối lượng nước ngưng thu được trong quá trình thực nghiệm Do lượng nước ngưng này có khối lượng nhỏ và khả năng bốc hơi cao, nên cần một thiết bị cân chính xác đến từng mg và cho kết quả nhanh chóng Nhóm nghiên cứu đã chọn cân phân tích TP 214 – Denver với các thông số kỹ thuật phù hợp.
Khối lượng đo tối đa: 210 g
Thời gian ghi nhận dữ liệu: 0,3 s
3.2.3 Bộ thu thập dữ liệu Để chuyển tín hiệu điện của các thiết bị đo về các thông số cụ thể, ta sử dụng bộ thu dữ liệu MX100 và phần mềm đi kèm logger Bộ thu dữ liệu MX100 bao gồm mô đun chính được trang bị cổng Ethernet và các mô đun kết nối các thiết bị đo Bằng cách kết nối mô đun chính và máy tính thông qua cổng Ethernet và cài đặt phần mềm chuyên dụng, ta có thể cấu hình các phép đo từ máy PC, đồng thời có thể theo dõi, thu thập dữ
29 liệu đo được trên PC Một PC có thể kết nối được với từ 1 đến 20 mô đun (tối đa 1200 kênh đầu vào)
Hình 3.7 Sơ đồ các thành phần trong bộ thu dữ liệu MX100
Nhà sản xuất cung cấp ba phần mềm chuẩn để hỗ trợ quá trình tính toán, hiệu chỉnh, theo dõi và thu thập dữ liệu cho mô đun chính và các mô đun kết nối, bao gồm phần mềm MX100, MXLOGGER và phần mềm tạo bằng API cho MX100/DARWIN (hai phần mềm sau được bán riêng).
30 nghiệm, ta sử dụng phần mềm MXLOGGER để thực hiện việc theo dõi và thu thập dữ liệu
Trong phần mềm chuần bao gồm 3 chương trình sau:
Kiểm tra tích hợp (Integration Monitor) là chương trình hỗ trợ kết nối và ngắt kết nối, cấu hình điều kiện hiển thị của kênh đo, thiết lập phép tính toán, giám sát và lưu trữ dữ liệu đo, cùng với nhiều hoạt động khác.
Hình 3.9 Giao diện của phần kiểm tra tích hợp
Chương trình hiển thị dữ liệu đo lường, cho phép lưu trữ và đọc các giá trị đã thu thập Nó cũng thực hiện các tính toán thống kê và chuyển đổi dữ liệu đo thành các định dạng tệp khác, chẳng hạn như Excel.
Hình 3.10 Giao diện phần viewer
Calibrator (bộ định chuẩn): cho phép hiệu chỉnh mô đun kết nối của MX100
Hình 3.11 Giao diện bộ định chuẩn
3.2.4 Bộ trao đổi nhiệt kênh micro Để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, nhóm sử dụng bộ trao trao đổi nhiệt kênh micro
Bài viết mô tả một tấm nhôm có kích thước 46 mm x 26 mm x 1 mm, với hệ số dẫn nhiệt 237 W/(mK) và khối lượng riêng 904 J/(kgK) Trên tấm nhôm, có 20 vi kênh được khắc trên hai mặt, mỗi mặt có 10 vi kênh, với kích thước mỗi vi kênh là 0,5 mm x 32 mm Độ sâu của các vi kênh khác nhau: mặt thứ nhất sâu 0,3 mm và mặt còn lại sâu 0,18 mm Các vi kênh được kết nối bằng một kênh góp hình chữ nhật có kích thước 3 mm x 14 mm, sâu 300 μm Hình dạng và kích thước của các vi kênh được thể hiện trong hình 3.13.
Để đảm bảo kín các vi kênh trong bộ trao đổi nhiệt, chúng ta sử dụng hai miếng nhựa PMMA dán lên hai mặt của thiết bị Nhựa PMMA có khối lượng riêng là 1420 kg/m³ và hệ số dẫn nhiệt đạt 0,19 W/(mK).
Ngoài các thiết bị chính kể trên thì còn có một số các thiết bị khác như sau:
Thiết bị tách lỏng có chức năng loại bỏ các giọt lỏng khỏi hơi, đảm bảo hơi vào là hơi bão hòa khô Ngoài ra, thiết bị này còn giúp ổn định dòng hơi vào bộ trao đổi nhiệt kênh micro.
Bơm nước có vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nước từ bể chứa vào lò hơi và bộ trao đổi nhiệt kênh micro Để thực hiện nhiệm vụ này, bơm ly tâm loại nhỏ được sử dụng để chuyển nước vào lò hơi, trong khi bơm CERAMIC PUMP VSP-1200 được dùng để vận chuyển nước giải nhiệt vào bộ trao đổi nhiệt kênh micro.
Tốc độ dòng chảy có từ 2 ~ 192 ml/min
Nhiệt độ làm việc từ 0 đến 65 o C ( không đóng băng )
Hình 3.13 Hình ảnh bơm CERAMIC PUMP VSP-1200.
Lắp đặt thiết bị đo và đo lường thông số
3.3.1 Nhiệt độ Để xác định nhiệt độ hơi nước tại đầu vào, nhiệt độ nước ngưng tại đầu ra, nhiệt độ nước giải nhiệt tại đầu vào và đầu ra của bộ trao đổi nhiệt kênh micro thì các cảm biến nhiệt độ phải được lắp vào đúng vị trí cần đo trên thiết bị Để xác định nhiệt độ hơi nước đầu vào bộ trao đổi nhiệt kênh micro, đầu cặp nhiệt điện trở của cảm biến phải được lắp bên trong, ngay tại lối vào của dòng hơi Tương tự để xác định nhiệt độ nước ngưng đi ra,
Cảm biến được lắp đặt tại đầu ra của thiết bị, cùng với hai cảm biến khác ở đầu vào và đầu ra bên mặt làm mát để theo dõi nhiệt độ nước giải nhiệt Thêm vào đó, một cảm biến nhiệt được đặt ngoài không khí nhằm đo nhiệt độ môi trường.
Tổng cộng có 5 cảm biến nhiệt độ được lắp vào hệ thống thí nghiệm trong quá trình thực nghiệm
Hình 3.14 Cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ nước ngưng ra và nước giải nhiệt vào 3.3.2 Lưu lượng
Lưu lượng nước ngưng ra khỏi thiết bị bằng với lưu lượng hơi vào thiết bị theo định luật bảo toàn khối lượng Để điều chỉnh lưu lượng hơi vào thiết bị, ta có thể điều chỉnh cường độ dòng điện qua cặp điện trở bằng biến trở trên tủ điện Lưu lượng nước ngưng được xác định bằng cách sử dụng một lọ thu lượng nước trong thời gian 60 giây và sau đó đo khối lượng bằng cân điện tử TP 214 – Denver, với độ sai số rất nhỏ và thời gian ghi nhận dữ liệu ngắn, rất phù hợp cho việc xác định lưu lượng nước ngưng.
Việc xác định lưu lượng nước giải nhiệt tương tự như xác định lưu lượng nước ngưng, nhưng thời gian thu thập dữ liệu ngắn hơn, chỉ trong 30 giây trong thí nghiệm thực hiện.
35 nước giải nhiệt được bơm bằng bơm CERAMIC PUMP VSP-1200, có lưu lượng khá ổn định trong suốt quá trình thực nghiệm
Chú ý: Trước khi đo, ta phải cân khối lượng bình chứa và nhấn nút Tare để màn hình thiết bị hiện 0,0000 g
Hình 3.15 Màn hình hiển thị khi nhấn nút Tare.
Quá trình thực hiện thực nghiệm
Trước khi tiến hành thí nghiệm, ta cần thực hiện các bước sau:
Để duy trì hiệu suất của lò hơi mini, bước đầu tiên là kiểm tra nguồn nước trong bình chứa Sau đó, tiến hành bơm nước và xả đáy lò hơi để loại bỏ cặn bẩn và cáu cặn tích tụ bên trong.
Sau khi hoàn thành bước 1, cần kiểm tra mức nước trong lò hơi để đảm bảo an toàn Mực nước phải được duy trì trong khoảng an toàn, không để tụt xuống quá thấp trong quá trình thí nghiệm.
Bước 3: Kiểm tra nguồn điện cấp cho các thiết bị: lò hơi, bơm nước, bộ thu dữ liệu
Bước 4: Khởi động bơm nước giải nhiệt, khởi động máy tính và bộ thu dữ liệu MX100
3.4.2 Giai đoạn lấy thông số
Sau khi đã chuẩn bị hoàn tất, ta tiến hành thực thông số theo trình tự sau:
Để bắt đầu vận hành lò hơi, trước tiên bạn cần nhấn nút Start trên tủ điện Khi nhiệt độ hơi trong lò đạt khoảng 80 – 100 oC, hãy mở van xả khí không ngưng trên nắp lò hơi để xả khí không ngưng ra ngoài môi trường.
Sau khi xả khí không ngưng ra ngoài và nước trong lò hơi đã sôi hoàn toàn, ta tiến hành đóng van xả khí không ngưng để hơi được cấp vào bộ trao đổi nhiệt kênh micro Trong quá trình đo, có thể điều chỉnh lưu lượng và nhiệt độ hơi vào bằng cách thay đổi cường độ dòng điện đi qua lò hơi.
Bước 3: Tiến hành đo lưu lượng nước ngưng và nước giải nhiệt, ghi nhận các thông số từ thiết bị đo và xuất dữ liệu thông qua bộ thu MX100 lên máy tính.
Lưu ý: Trong quá trình lấy thông số, cần thường xuyên kiểm tra mực nước trong lò hơi
Quá trình đo lưu lượng nước ngưng được thực hiện như sau:
Khi nước ngưng và các thông số nhiệt độ ổn định, tiến hành lấy nước ngưng nhiều lần, mỗi lần kéo dài 60 giây Đồng thời, thu thập dữ liệu trên phần mềm logger cần thực hiện song song.
Sau khi thu thập nước ngưng trong 60 giây, ta cần đóng nắp lọ để ngăn ngừa sự bay hơi, tránh làm sai lệch kết quả Tiếp theo, cân lượng nước ngưng đã thu được Để hỗ trợ quá trình thu thập dữ liệu, sử dụng phần mềm logger đi kèm với bộ thu dữ liệu MX100, và thực hiện các thao tác cần thiết trên phần mềm.
Khởi động – chuẩn bị ghi dữ liệu:
Nhấn icon trên Desktop để mở phần mềm
Hình 3.16 Thao tác khởi động chương trình Logger
Nhấn vào thẻ Window, chọn dòng Numberic
Hình 3.17 Thao tác chọn màn hình hiển thị
Nhấn vào nút Play trên thanh công cụ để hiển thị dữ liệu nhận được
Hình 3.18 Thao tác hiển thị dữ liệu
Kết quả ta được giao diện sau đây
Hình 3.19 Kết quả giao diện
Khi bắt đầu quá trình thu nước ngưng, hãy nhấn nút "Start Recording" trên thanh công cụ để khởi động việc ghi dữ liệu Cần thực hiện đồng thời hai công việc này: thu nước và nhấn nút.
Hình 3.20 Thao tác thu dữ liệu
Khi kết thúc 60 giây, ta nhấn nút Manual Save và Stop để dừng việc thu thập dữ liệu
Hình 3.21 Thao tác dừng thu dữ liệu
Sau khi nhấn nút Stop, một của số hiện ra để xác nhận việc dừng ghi nhận dữ liệu Ta chọn Ok
Hình 3.22 Xác nhận dừng thu dữ liệu
Xem – trích xuất dữ liệu đã ghi:
Mở phần mềm Viewer, chọn thẻ Open và chọn đường link tới file dữ liệu Chọn file dữ liệu sau đó nhấn nút Open
Hình 3.23 Chọn file dữ liệu đã lưu
Sau khi mở file, màn hình sẽ có giao diện như sau:
Hình 3.24 Giao diện sau khi mở file dữ liệu
To view the results, sequentially press the Tag No and Statistics buttons A window will display the results, allowing you to click the Copy button and paste the data into an Excel file.
Hình 3.25 Thao tác hiển thị nội dung file dự liệu
Hình 3.26 Giao diện sau khi hoàn thành
Khi đã thực hiện xong thí nghiệm, ta kết thúc thực nghiệm theo trình tự sau:
Để ngừng lò hơi, trước tiên hãy nhấn nút Stop trên tử điện Sau đó, thực hiện việc tắt các thiết bị thí nghiệm theo trình tự: tắt bộ thu dữ liệu MX100, tắt máy tính PC và cuối cùng là tắt bơm nước giải nhiệt.
Bước 2: Thu dọn, dọn dẹp vệ sinh quanh khu vực thí nghiệm
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Ảnh hưởng của lưu lượng nước ngưng đến nhiệt độ
Hình 4.1 Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi vào và nhiệt độ
Biểu đồ Hình 4.1 thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng hơi vào và nhiệt độ hơi vào cũng như nhiệt độ nước ngưng ở hai mẫu thí nghiệm Khi lưu lượng hơi vào tăng, nhiệt độ hơi vào và nhiệt độ nước ngưng đều có xu hướng tăng Cụ thể, ở mẫu 1, nhiệt độ hơi tăng từ 100,6 đến 101,7 °C khi lưu lượng hơi vào tăng từ 0,0354 đến 0,0593 g/s, trong khi ở mẫu 2, nhiệt độ hơi tăng từ 100,6 đến 102,4 °C khi lưu lượng hơi vào tăng từ 0,0375 đến 0,06 g/s Tuy nhiên, sự gia tăng nhiệt độ nước ngưng ở hai mẫu lại có sự khác biệt Trong khoảng lưu lượng hơi vào từ 0,035 đến 0,04 g/s, nhiệt độ nước ngưng ở cả hai mẫu tăng tương tự, nhưng sau đó, mẫu 2 cho thấy sự tăng nhiệt độ nước ngưng nhanh hơn so với mẫu 1.
Nhiệt độ nước ngưng ở mẫu 1 tăng từ 32 đến 34,8°C khi lưu lượng hơi vào tăng từ 0,0354 đến 0,0593 g/s, trong khi nhiệt độ nước ngưng ở mẫu 2 tăng từ 33,9 đến 42,2°C với lưu lượng hơi vào tăng từ 0,0375 đến 0,06 g/s Sự khác biệt về nhiệt độ này có thể do kích thước của các vi kênh dẫn hơi thay đổi.
Hình 4.2 Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi vào và độ chênh lệch nhiệt độ
Hình 4.2 minh họa mối quan hệ giữa lưu lượng hơi bão hòa và độ chênh lệch nhiệt độ giữa hơi và nước giải nhiệt trong các mẫu thí nghiệm Khi lưu lượng hơi bão hòa tăng, độ chênh lệch nhiệt độ phía hơi giảm, trong khi độ chênh lệch nhiệt độ phía nước lại tăng Đáng chú ý, độ chênh lệch nhiệt độ phía nước giải nhiệt ở cả hai mẫu không có sự khác biệt lớn, nhưng độ chênh lệch nhiệt độ phía hơi bão hòa ở mẫu 1 cao hơn rõ rệt so với mẫu 2.
Khi tăng lưu lượng hơi bão hòa từ 0,0354 đến 0,0638 g/s, độ chênh lệch nhiệt độ phía hơi giảm từ 68,8 xuống 61 độ C, trong khi độ chênh lệch nhiệt độ phía nước lại tăng từ 9,4 lên 17 độ C.
Khi tăng lưu lượng hơi bão hòa từ 0,0375 đến 0,06 g/s, độ chênh lệch nhiệt độ phía hơi giảm từ 66,7 xuống 60,2 độ C, trong khi độ chênh lệch nhiệt độ phía nước tăng từ 10,1 lên 15,3 độ C.
Mối quan hệ giữa công suất nhiệt và lưu lượng hơi vào
Hình 4.3 Mối quan hệ giữa lưu lượng hơi vào và nhiệt lượng trao đổi
Hình 4.3 cho thấy mối quan hệ giữa lưu lượng hơi vào và nhiệt lượng hơi thải ra cũng như nhiệt lượng nước nhận vào trong hai mẫu thí nghiệm Khi lưu lượng hơi vào tăng, nhiệt lượng trao đổi tại bộ trao đổi nhiệt cũng tăng rõ rệt Nhiệt lượng hơi thải ra luôn cao hơn nhiệt lượng nước nhận vào, và sự chênh lệch này càng lớn khi lưu lượng hơi bão hòa tăng Cụ thể, ở mẫu thí nghiệm 1, khi lưu lượng hơi bão hòa tăng từ 0,0372 đến 0,0637 g/s, nhiệt lượng hơi thải ra tăng từ 94,48 đến 159,85 W, trong khi nhiệt lượng nước nhận vào tăng từ 86,8 đến 138,77 W Tương tự, ở mẫu thí nghiệm 2, khi lưu lượng hơi bão hòa tăng từ 0,0387 đến 0,06 g/s, nhiệt lượng hơi thải ra tăng từ 98,07 đến 150,33 W, và nhiệt lượng nước nhận vào tăng từ 87,42 đến 124,94 W.
Khi nhiệt độ hơi bão hòa thay đổi ít, nhiệt lượng mà hơi nhả ra ổn định và phụ thuộc vào lưu lượng hơi vào thiết bị Nhiệt lượng nước nhận vào tỷ lệ thuận với nhiệt lượng hơi nhả ra, do đó, khi lưu lượng hơi tăng, nhiệt lượng nước cũng tăng theo Tuy nhiên, nhiệt lượng nước luôn nhỏ hơn nhiệt lượng hơi nhả ra do hiệu suất thiết bị Đường nhiệt lượng nước nhận vào khá bất ổn, không chỉ phụ thuộc vào lưu lượng hơi mà còn vào nhiệt độ đầu vào của nước giải nhiệt Chẳng hạn, tại điểm thứ 2 của mẫu thí nghiệm 2, nhiệt lượng nước nhận vào tăng bất thường khi nhiệt độ đầu vào nước giải nhiệt giảm xuống 29,2 oC, so với 29,6 oC ở điểm 1 và 30 oC ở điểm 2.
Theo đồ thị, khi lưu lượng hơi vào thiết bị tăng, độ chênh lệch giữa nhiệt lượng hơi vào và nhiệt lượng nước nhận vào cũng gia tăng Điều này cho thấy hiệu suất của thiết bị giảm khi lưu lượng tăng.
Hình 4.4 Mối quan hệ giữa độ chênh nhiệt độ phía hơi và nhiệt lượng trao đổi
Hình 4.4 minh họa sự thay đổi lượng nhiệt trao đổi giữa hai mặt thiết bị khi độ chênh lệch nhiệt độ ở phía hơi thay đổi Như đã phân tích, mối quan hệ giữa lưu lượng hơi vào và độ chênh nhiệt độ mặt nóng cho thấy rằng khi lưu lượng hơi vào thiết bị tăng lên, độ chênh lệch nhiệt độ cũng sẽ tăng theo.
Nhiệt lượng trao đổi giữa hai dòng môi chất tăng lên khi chênh lệch nhiệt độ ở mặt nóng giảm, như thể hiện trong đồ thị hình 4.5 a Cụ thể, trong mẫu thí nghiệm 1, khi chênh lệch nhiệt độ giảm từ 68 xuống 57,7 o C, nhiệt lượng hơi nhả ra tăng từ 98,315 đến 170,38 J/s, trong khi nhiệt lượng nước nhận vào cũng tăng từ 88,24 đến 149,37 J/s Tương tự, ở mẫu thí nghiệm 2, khi chênh lệch nhiệt độ mặt nóng giảm từ 66,7 xuống 61,4 o C, nhiệt lượng hơi nhả ra tăng từ 94,93 đến 139,47 J/s và nhiệt lượng nước nhận vào tăng từ 82,52 đến 115,96 J/s Tuy nhiên, các đường nhiệt lượng có sự bất ổn do các điều kiện vận hành và mối liên hệ giữa chênh lệch nhiệt độ ở mặt nóng và mặt lạnh Một ví dụ là tại điểm số 3, nhiệt lượng hơi nhả ra tăng bất thường khi chênh lệch nhiệt độ nước làm mát giảm xuống 10,7 o C.
Hình 4.5 Mối quan hệ giữa độ chênh nhiệt độ phía nước và nhiệt lượng trao đổi
Biểu đồ 4.5 thể hiện mối quan hệ giữa độ chênh lệch nhiệt độ ở mặt lạnh và nhiệt lượng trao đổi giữa hai dòng môi chất Tăng độ chênh lệch nhiệt độ ở mặt lạnh dẫn đến tăng nhiệt lượng trao đổi Cụ thể, trong mẫu thí nghiệm 1, khi độ chênh lệch nhiệt độ mặt lạnh tăng từ 10,6 đến 18,3 °C, nhiệt lượng cũng tăng theo.
Nghiên cứu cho thấy, khi độ chênh nhiệt độ mặt lạnh tăng, nhiệt lượng hơi nhả ra cũng tăng lên đáng kể Cụ thể, ở mẫu thí nghiệm đầu tiên, nhiệt lượng hơi nhả ra tăng từ 94,48 đến 170,38 J/s, trong khi nhiệt lượng nước nhận vào tăng từ 86,6 đến 149,37 J/s Tương tự, ở mẫu thí nghiệm thứ hai, khi độ chênh nhiệt độ mặt lạnh tăng từ 9,9 đến 15,3 oC, nhiệt lượng hơi nhả ra tăng từ 96,75 đến 150,33 J/s Điều này cho thấy rằng nhiệt lượng nước nhận vào có mối liên hệ mật thiết với độ chênh lệch nhiệt độ ở mặt lạnh, với sự tăng trưởng gần như tuyến tính.
Mối quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt thiết bị và lưu lượng hơi vào
Hình 4.6 Mối quan hệ giữa lưu lượng hơi vào và hệ số truyền nhiệt của thiết bị
Hình 4.6 minh họa mối quan hệ giữa lưu lượng hơi vào và hệ số truyền nhiệt của thiết bị Cụ thể, khi lưu lượng hơi vào tăng, hệ số truyền nhiệt cũng có xu hướng tăng theo Ví dụ, trong thí nghiệm 1, khi lưu lượng hơi bão hòa vào thiết bị được nâng từ 0,373 đến 0,582 g/s, hệ số truyền nhiệt tăng từ 3796,96 đến 4306,25 W/(m² K).
Khi tăng lưu lượng hơi bão hòa từ 0,0374 đến 0,06 g/s trong thí nghiệm 2, hệ số truyền nhiệt của thiết bị tăng từ 3163,9 đến 3505,09 W/(m² K) Mẫu thí nghiệm 1 có hệ số truyền nhiệt cao hơn mẫu 2, điều này được giải thích bởi nhiệt lượng trao đổi ở mẫu 1 lớn hơn mẫu 2, trong khi độ chênh nhiệt độ trung bình logarit ở mẫu 2 lại cao hơn so với mẫu 1.
