TỔNG QUAN
Giới thiệu về thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro
Trong những năm gần đây, công nghệ micro/nano đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như điện tử, vi sinh và kỹ thuật hóa học Thiết bị truyền nhiệt microchannel nổi bật với kích thước nhỏ và mật độ dòng nhiệt lớn Nghiên cứu của Kandlikar và King đã chỉ ra rằng đường kính thủy lực ảnh hưởng đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước và không khí trong điều kiện chảy tầng, với hệ số tỏa nhiệt đối lưu tăng lên khi đường kính thủy lực giảm, cụ thể là α2 = 4500 W/(m².K) và α1 = 250 W/(m².K).
Hình 1.1: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu [1]
Brandner và các cộng sự đã nghiên cứu và mô tả các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro được chế tạo từ nhiều loại vật liệu như polymer, nhôm và gốm ceramic Họ cũng chỉ ra những ứng dụng của thiết bị này trong cả phòng thí nghiệm và ngành công nghiệp Một thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro được làm từ thép không gỉ, với nước là lưu chất, đã được giới thiệu.
Trong điều kiện lưu lượng 2000 kg/(m².s), tổn thất áp suất trên một hành trình ống là 0,5 MPa Khi được ghép song song, công suất cực đại có thể đạt tới 1 MW.
Hình 1.2: TBTĐN kênh micro được chế tạo từ thép không gỉ
Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro hiện nay được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, bao gồm giải nhiệt cho thiết bị có kích thước nhỏ và cung cấp nhiệt cho các quy trình công nghệ, nhằm tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về thiết bị này, tập trung vào dòng chảy một pha, dòng hai pha, cũng như các thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất CO2.
Các nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro cho dòng chảy một pha đã được đề cập đầy đủ, tuy nhiên, nghiên cứu về dòng chảy hai pha, đặc biệt là quá trình ngưng tụ trong kênh micro, vẫn còn hạn chế.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Tổng quan về đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trong TBTĐN kênh micro đã được nghiên cứu bởi Dang và cộng sự Họ cũng đã thực hiện mô phỏng số và thực nghiệm cho các TBTĐN kênh micro hình chữ nhật Nghiên cứu của Martínez-Ballester và các cộng sự đã góp phần làm rõ thêm các yếu tố này.
Mô hình số học cho thấy thiết bị ngưng tụ kênh micro giải nhiệt bằng không khí mang lại hiệu quả cao hơn so với phương pháp nâng cao hiệu suất cánh Kết quả tính toán lý thuyết khẳng định tính khả thi của việc sử dụng thiết bị này trong ứng dụng thực tiễn.
Gosai và Joshi đã nghiên cứu tổng quan về dòng hai pha trong các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro, cho thấy lĩnh vực này cần được nghiên cứu sâu hơn Họ đề xuất nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng hình học lên mô hình dòng hai pha thông qua CFD và thực nghiệm Hansan cùng các cộng sự đã đánh giá sự ảnh hưởng của kích thước đến đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy của bộ trao đổi nhiệt kênh micro bằng phương pháp thể tích hữu hạn Mô phỏng được thực hiện trên các kênh micro với hình dạng mặt cắt ngang khác nhau, cho thấy rằng khi tăng số lượng kênh, hiệu suất và độ giảm áp suất đều tăng Kênh có biên dạng hình tròn đạt hiệu suất tổng thể tốt nhất, trong khi kênh hình vuông có tổn thất áp suất thấp nhất tại điều kiện Re = 50 Tuy nhiên, với kênh vuông, khi chỉ số Re tăng và số kênh nhiều hơn, tổng tổn thất áp suất cũng tăng và chỉ số hoàn thiện giảm.
Nghiên cứu của Mohammed và các cộng sự đã chỉ ra rằng hình dáng kênh ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất nhiệt và dòng chảy của bộ tản nhiệt kênh micro, được thực hiện thông qua mô phỏng số theo phương pháp FVM Ba loại bộ tản nhiệt kênh micro hình chữ nhật với đường kính thủy lực D h = 339,15 m, bao gồm kênh zigzag, kênh cong và kênh nhảy bậc, đã được so sánh với bộ tản nhiệt có kênh thẳng và gợn sóng Hiệu suất được đánh giá qua các thông số như nhiệt độ, hệ số truyền nhiệt, tổn thất áp suất, hệ số ma sát và ứng suất trượt Kết quả cho thấy kênh micro zigzag có hệ số truyền nhiệt cao nhất, tiếp theo là kênh cong, mặc dù tổn thất áp suất trong các bộ tản nhiệt vẫn cần được xem xét kỹ lưỡng.
Bộ tản nhiệt kênh zigzag có tổn thất áp suất, hệ số ma sát và ứng suất trượt cao hơn so với các bộ tản nhiệt kênh thẳng và gợn sóng.
Hernando và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về tổn thất áp suất, mật độ dòng nhiệt và hệ số truyền nhiệt tổng cho dòng một pha trên hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro, với mẫu thứ nhất gồm 100 kênh vuông 100 x 100 m và mẫu thứ hai là 50 kênh vuông 200 x 200 m, cả hai đều làm từ thép không gỉ và sử dụng nước đã khử ion Kết quả được phân tích và so sánh với lý thuyết truyền nhiệt Liu cùng các cộng sự đã khảo sát các đặc tính dòng chảy và truyền nhiệt của lưu chất trong kênh micro hình chữ nhật, cho thấy hiệu suất truyền nhiệt cải thiện từ 9 - 21% cho chảy tầng và từ 39 - 90% cho chảy rối, tuy nhiên tổn thất áp suất lại lớn hơn từ 34 - 83% đối với chảy tầng và 61 - 169% đối với chảy rối.
Chu và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu về tổn thất áp suất do ma sát trong dòng nước chảy qua kênh micro hình chữ nhật, với các biến số như hệ số Co và bán kính cong, trong điều kiện số Reynolds từ 10 đến 600 Kết quả cho thấy phương trình Navier – Stokes truyền thống phù hợp cho dòng lưu chất không nén và chảy tầng Các yếu tố hình học như hệ số Co và bán kính cong có ảnh hưởng đáng kể đến dòng chảy Đồng thời, Ling và các cộng sự đã mô phỏng quá trình sôi của dòng chảy trong kênh micro hình chữ nhật bằng phương pháp FVM, cho thấy sự kết hợp của các bọt bong bóng làm tăng mật độ dòng nhiệt theo thời gian Lớp màng giữa chất lỏng, vách và bong bóng là yếu tố quan trọng trong việc gia tăng mật độ dòng nhiệt khi lưu chất sôi trong kênh micro.
Mirzabeygi và Zhang đã xây dựng một mô hình số ba chiều nhằm mô phỏng đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trong thiết bị ngưng tụ, sử dụng phương pháp mô phỏng.
Mô hình không gian ba chiều được xem là chính xác hơn so với mô hình không gian gần như ba chiều trong việc mô phỏng dòng chảy rối cho dòng hai pha trong thiết bị ngưng tụ Mirzabeygi và Zhang đã sử dụng phương pháp số để mô phỏng dòng chảy hai pha và khả năng truyền nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, từ đó xác định mô hình chảy rối phù hợp nhất Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình k-STT (Shear Stress Transport) mang lại hiệu quả tốt nhất với sai số nhỏ nhất.
Nghiên cứu của García-Cascales và các cộng sự về sự ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt nhỏ đã so sánh hiệu suất giữa các thiết bị kênh micro và mini trong nhiều tình huống khác nhau Kết quả thực nghiệm được đối chiếu với các phép tính từ thuật toán tính lặp Ngoài ra, bề dày của lớp chất lỏng tại vị trí ngưng tụ (hơi – lỏng) trong kênh micro nằm ngang cũng được nghiên cứu bởi Jarrah và các cộng sự.
Nghiên cứu sử dụng phương trình Navier-Stokes và phương trình năng lượng cho thấy rằng thông số của hơi và lỏng tại trạng thái bão hòa cùng với điều kiện biên giả định, trong khi chất lỏng được coi là không chịu nén Kết quả cho thấy khi nhiệt độ và vận tốc giảm, bề dày thành lỏng cũng giảm Hơn nữa, Yin và các cộng sự đã áp dụng phương pháp NTU để phân tích quá trình truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ kênh micro với một hành trình và hai hành trình Thiết bị này sử dụng môi chất lạnh và được giải nhiệt bằng không khí, với 23 kênh có đường kính qui ước là 0,75 mm Các kết quả tính toán trong nghiên cứu này đã đồng thuận với thực nghiệm.
Sur và Liu [18] đã thực nghiệm và xác định bốn mô hình dòng chảy trong kênh micro, bao gồm dòng nhiều bọt, dòng chảy chậm, dòng chảy xoáy và dòng chảy hình vành khuyên Nghiên cứu này được thực hiện trong các kênh micro tròn với đường kính thủy lực 100, 180 và 324 m khi hòa trộn giữa khí và nước.
[19] đã nghiên cứu mô hình dòng chảy khi hòa trộn giữa nước với khí N 2 và He trên kênh micro hình chữ nhật có đường kính thủy lực 490, 490, 322 và 143 m với
Các nghiên cứu của Choi và các cộng sự đã chỉ ra rằng tỉ lệ Co cho các kênh tương ứng là 0,92; 0,67; 0,47 và 0,19 Họ cũng đã khám phá trạng thái và sự giảm áp cho dòng nhiều bong bóng đơn trong kênh micro, cho thấy sự giảm áp tỉ lệ thuận với vận tốc bọt khí, và độ sụt áp tăng khi hệ số Co giảm.
Quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh FC-72 trong kênh micro vuông (đường kính thủy lực 1 mm, chiều dài 30 mm) đã được mô phỏng bằng phương pháp VOF bởi Chen và cộng sự Nema và đồng nghiệp cũng đã nghiên cứu chế độ dòng chảy trong kênh micro với dữ liệu R134a cho kích thước kênh từ 1 đến 5 mm, giúp dự đoán hiệu suất truyền nhiệt và giảm áp khi ngưng tụ Park và Hrnjak đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số để đánh giá hiệu quả của hệ thống điều hòa không khí sử dụng môi chất R410A với hai thiết bị ngưng tụ khác nhau: kênh micro và ống xoắn Kết quả cho thấy hệ thống với thiết bị ngưng tụ micro có công suất giải nhiệt và hệ số làm lạnh (COP) cao hơn lần lượt là 3,4% và 13,1%, đồng thời lượng môi chất làm việc ít hơn 9,2 lần so với thiết bị ống xoắn, với kết quả mô phỏng số học tương đồng với thực nghiệm.
Bhatkar cùng các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu đánh giá hiệu quả của hai loại môi chất lạnh R134a và R152a trong hệ thống lạnh sử dụng thiết bị ngưng tụ kênh micro vuông (D h = 0,9144 mm) làm mát bằng không khí, với nhiệt độ ngưng tụ 48 o C và nhiệt độ bay hơi 0 o C Kết quả cho thấy R152a có hiệu quả vượt trội hơn R134a, với lượng môi chất nạp giảm 40%, nhiệt độ cuối tầm nén thấp hơn từ 6 đến 10 o C, năng lượng tiêu tốn cho máy nén giảm trong dải nhiệt độ bay hơi từ -10 o C đến 15 o C, đồng thời công suất nhiệt của thiết bị ngưng tụ và mật độ dòng nhiệt đều lớn hơn.
Tính cấp thiết
Thiết bị truyền nhiệt kênh micro/nano nổi bật với mật độ dòng nhiệt cao và kích thước nhỏ gọn Các nghiên cứu trong lĩnh vực này đóng vai trò quan trọng trong việc cải tiến hiệu suất truyền nhiệt.
Công nghệ truyền nhiệt micro đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống ngưng tụ, với nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị ngưng tụ kênh micro Các yếu tố này bao gồm kích thước và hình dáng của kênh micro, cách bố trí các kênh, phương pháp giải nhiệt, loại lưu chất sử dụng, cùng với nhiệt độ và lưu lượng của chất lưu Nghiên cứu trong và ngoài nước đã chỉ ra rằng sự kết hợp của những yếu tố này quyết định hiệu quả của quá trình ngưng tụ trong thiết bị.
Quá trình ngưng tụ của hơi nước được nghiên cứu với nhiều hình dạng kênh khác nhau như hình thang, tam giác, hình tròn, chữ nhật và hình vuông Trong đó, kênh micro hình vuông có chỉ số hoàn thiện cao thứ hai sau kênh tròn, nhưng lại có kích thước thuận lợi để phát triển đa dạng các loại kênh không tròn Hiện nay, nhiều nhà sản xuất như Danfoss và Nikkei Siam đang áp dụng thiết bị trao đổi nhiệt với 10 kênh micro vuông hoặc hình chữ nhật cho các thiết bị ngưng tụ trong điều hòa không khí.
Nước là chất lỏng lý tưởng cho nghiên cứu các quy luật thiết bị ngưng tụ kênh micro, tạo nền tảng cho việc phát triển quy luật cho các chất lỏng khác Tuy nhiên, các đặc tính truyền nhiệt trong quá trình ngưng của hơi nước trong kênh micro vẫn chưa được hoàn thiện, bao gồm trường nhiệt độ, độ giảm áp suất, mật độ dòng nhiệt và hệ số truyền nhiệt, do nhiều yếu tố ảnh hưởng cần được nghiên cứu thêm Hơn nữa, mô phỏng số cho quá trình ngưng tụ kênh micro trên toàn thiết bị với mô hình 3D vẫn còn hạn chế, với nhiều nghiên cứu chỉ tập trung vào một kênh micro duy nhất.
Bởi những lý do trên, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu đặc tính quá trình ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro” là cần thiết.
Mục tiêu đề tài
Xác định thông số làm việc của thiết bị ngưng tụ kênh micro thông qua mô phỏng số và thực nghiệm nhằm cung cấp dữ liệu khoa học cần thiết cho quá trình thiết kế và vận hành các thiết bị này, cũng như cho các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng dòng lưu chất hai pha.
Nhiệt độ, lưu lượng hơi và nước giải nhiệt có ảnh hưởng đáng kể đến trường nhiệt độ, độ giảm áp suất, mật độ dòng nhiệt và hệ số truyền nhiệt tổng trong thiết bị ngưng tụ kênh micro Việc xác định những yếu tố này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của thiết bị.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Dựa trên kết quả tổng quan từ các nghiên cứu liên quan và mục tiêu của luận án, đối tượng cùng phạm vi nghiên cứu đã được xác định rõ ràng.
Thiết bị ngưng tụ kênh micro vuông.
Các đặc tính truyền nhiệt: trường nhiệt độ, độ giảm áp suất, mật độ dòng nhiệt và hệ số truyền nhiệt.
- Vật liệu chế tạo thiết bị kênh micro là hợp kim nhôm
- Kích thước kênh micro vuông: D h = 500 μm
- Công suất nhiệt lớn nhất 200 W
- Lưu chất sử dụng cho quá trình ngưng tụ là hơi nước bão hòa
- Lưu chất giải nhiệt là nước.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Từ các nghiên cứu liên quan đi đến nghiên cứu các đối tượng cụ thể.
Dựa trên các nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí uy tín, tác giả tiến hành tổng quan các đối tượng liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu, xác định những vấn đề đã được giải quyết và những vấn đề còn bỏ ngỏ Qua đó, đề tài sẽ tập trung vào việc giải quyết các vấn đề cụ thể mà các nghiên cứu trước chưa đề cập đến.
Nghiên cứu này áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp tổng quan, phân tích lý thuyết, mô phỏng số, thực nghiệm và xử lý dữ liệu để đạt được kết quả chính xác và toàn diện.
Phương pháp tổng quan được thực hiện bằng cách thu thập và phân tích các bài báo khoa học từ những nguồn tài liệu uy tín như Sciencedirect, Springer và TaylorFrancis Tác giả nghiên cứu nhằm phát hiện những vấn đề chưa được giải quyết mà các nhà khoa học trước đây đã gặp phải.
Nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích lý thuyết để xác định đối tượng nghiên cứu và thiết kế mô hình Họ áp dụng phần mềm COMSOL Multiphysics phiên bản 5.2a để giải các phương trình toán học Sau đó, tác giả tiến hành kiểm chứng kết quả mô phỏng số và so sánh với các công bố liên quan khác.
Hệ thống thí nghiệm được tiến hành cho hai thiết bị ngưng tụ kênh micro với công suất nhiệt lần lượt là 150 W và 200 W Thời gian thực hiện thí nghiệm bắt đầu từ tháng 04 năm 2013 cho đến nay, tại Phòng Thí nghiệm Truyền Nhiệt thuộc Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM.
Phương pháp xử lý dữ liệu bao gồm việc phân tích và lựa chọn dữ liệu từ các kết quả thực nghiệm, nhằm tìm ra các quy luật liên quan đến quá trình truyền nhiệt và dòng chảy của lưu chất.
Nội dung nghiên cứu
1 Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến quá trình truyền nhiệt trong thiết bị ngưng tụ kênh micro, tìm ra các tồn tại của các nghiên cứu trước, từ đó đưa ra động lực thực hiện đề tài.
2 Đưa ra cơ sở lý thuyết, tính toán thiết kế sơ bộ các thiết bị ngưng tụ kênh micro Các mẫu này sẽ được import vào phần mềm chuyên dụng cho mô phỏng số.
3 Đánh giá sự ảnh hưởng của hình dáng và kích thước ống góp đến quá trình chuyển pha của hơi nước trong thiết bị ngưng tụ kênh micro bằng phương pháp mô phỏng số.
4 Mô phỏng số đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ hơi bão hòa và kích thước kênh đến quá trình ngưng tụ của hơi nước trong thiết bị ngưng tụ kênh micro.
5 Mô phỏng quá trình chuyển pha của hơi nước trong thiết bị ngưng tụ kênh micro để đánh giá sự ảnh hưởng của lưu lượng hơi đầu vào đến nhiệt độ nước ngưng tại đầu ra.
6 Nghiên cứu thực nghiệm quá trình ngưng tụ của hơi nước cho các thiết bị ngưng tụ kênh micro trong nhiều điều kiện khác nhau để đánh giá hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị.
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt
Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt trong kênh micro cũng được kế thừa từ cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt truyền thống (kênh macro).
2.1.1 Các định luật và tiêu chuẩn đồng dạng a Định luật Fourier
Quá trình dẫn nhiệt trong chất lỏng và chất rắn tuân theo định luật Fourier, trong đó chiều mật độ dòng nhiệt luôn ngược với gradient nhiệt độ Công thức mô tả hiện tượng này là q = -k ∇T.
Trong đó: q là mật độ dòng nhiệt, W/m 2
T là gradient nhiệt độ, K/m λ là hệ số dẫn nhiệt, W/(m.K) xx xy xz b Định luật Newton-Richman
Mật độ dòng nhiệt của chất lưu trên bề mặt vật rắn được xác định theo định luật Newton-Richman khi biết được điều kiện kiên loại 3 [52]. q = α.ΔT
Trong đó: q là mật độ dòng nhiệt, W/m 2 α là hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/(m 2 K) ΔT là độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt vật rắn với chất lưu, K
22 c Các tiêu chuẩn đồng dạng
Nu = D h Ở đây D h là kích thước tính toán, m
Trong đó: ω là vận tốc, m/s ν là độ nhớt động học, m 2 /s
Trong đó: g là gia tốc trọng trường, m/s 2 là hệ số dãn nở nhiệt, 1/K
L là kích thước tính toán, m
2.1.2 Cơ sở lý thuyết về dòng hai pha và thiết bị ngưng tụ kênh micro. a Dòng hai pha
Tỉ lệ thể tích là tỷ số giữa thể tích pha hơi và thể tích của hỗn hợp, là thông số quan trọng trong tính toán dòng hai pha, với giá trị dao động từ 0 đến 1.
V s là thể tích pha hơi, m 3
V l là thể tích pha lỏng, m 3
Xét một mặt cắt ngang bất kỳ trên dòng kênh micro, tỉ lệ thể tích được xác định bằng tỉ số giữa diện tích pha hơi A s (m²) và tổng diện tích pha lỏng.
Độ khô x được định nghĩa là tỉ số giữa khối lượng hơi trong hỗn hợp và tổng khối lượng của hỗn hợp Để xác định trạng thái của chất lưu trong các thiết bị trao đổi nhiệt, tỉ số này thường được tính dựa trên lưu lượng hơi so với lưu lượng của hỗn hợp tuần hoàn, với giá trị x nằm trong khoảng từ 0 đến 1 Công thức tính độ khô là x = ms / (m + ms).
Trong đó: m s là lưu lượng hơi, kg/s m l là lưu lượng lỏng, kg/s
Khi kích thước kênh giảm, chế độ dòng chảy, sự tỏa nhiệt và độ giảm áp suất của dòng hơi khi ngưng càng bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sức căng bề mặt.
24 Đây là sự khác biệt lớn nhất giữa thiết bị ngưng tụ kênh micro và thiết bị ngưng tụ truyền thống.
Quá trình ngưng tụ diễn ra dọc theo chiều dài kênh, dẫn đến tỉ lệ thể tích và độ khô x tại mỗi mặt cắt ngang của dòng kênh có giá trị khác nhau Mối quan hệ giữa tỉ lệ thể tích và độ khô tại các mặt cắt ngang được xác định bởi phương trình Baroczy.
Trong đó: ρ s , ρ l là khối lượng riêng của hơi và lỏng bão hòa, kg/m 3 à s , à l là độ nhớt động lực học của hơi và lỏng bóo hũa, Ns/m 2
Hằng số Laplace được mô tả qua công thức (2.11) Để xác định dòng lưu chất trong kênh có đường kính thủy lực D_h, điều kiện cần thiết là L_lap phải lớn hơn D_h, khi đó sức căng bề mặt sẽ chi phối hơn lực trọng trường.
L lap là hằng số Laplace, m là sức căng bề mặt, N/m l, s là khối lượng riêng của lỏng và hơi, kg/m 3 b Phương trình truyền nhiệt
Dòng nhiệt từ quá trình ngưng tụ hơi sang nước giải nhiệt phụ thuộc vào ba yếu tố chính: hệ số truyền nhiệt tổng, diện tích trao đổi nhiệt và độ chênh lệch nhiệt độ trung bình theo logarit.
Q là công suất thiết bị ngưng tụ, W k là hệ số truyền nhiệt, W/(m 2 K)
F là diện tích truyền nhiệt, m 2 là độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, t
Kênh micro chịu ảnh hưởng lớn từ sức căng bề mặt, điều này tác động đến quá trình tỏa nhiệt và giảm áp suất khi ngưng tụ Vì vậy, quá trình ngưng tụ trong kênh micro không thể coi là đẳng áp và đẳng nhiệt Sơ đồ xác định t max và t min cho thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước được thể hiện trong hình 2.1, với công thức Δt max = t s - t cw2.
Hình 2.1: Sơ đồ xác định Δt max và Δt min
Chỉ xét giai đoạn ngưng tụ t nt Chỉ xét giai đoạn quá lạnh t ql (2.13)
Hệ số truyền nhiệt của thiết bị k Q
F t c Phương trình cân bằng nhiệt
Phương trình cân bằng nhiệt được áp dụng để phân tích các dòng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ kênh micro [72]
Q s-l là dòng nhiệt tỏa ở phía hơi, W
Q cw là dòng nhiệt nước giải nhiệt nhận được, W
Q a là dòng nhiệt nhả ra môi trường xung quanh, W
Gọi m và h lần lượt là lưu lượng khối lượng và enthalpy, Q s-l và Q cw được xác định theo công thức (2.17) và (2.18) như trong nghiên cứu của Ding [73] Để tính toán, cần xác định các yếu tố F w, a, t w và t a, trong đó F w là diện tích bề mặt thiết bị, a là hệ số tỏa nhiệt từ thiết bị ra môi trường, t w là nhiệt độ trung bình của bề mặt thiết bị và t a là nhiệt độ không khí xung quanh.
Q a được xác định theo công thức (2.19).
Vậy phương trình cân bằng nhiệt (2.16) được viết lại: m s (h s – h l ) = m cw (h cw2 – h cw1 ) + F w a (t w – t a )
Trong đó: m s là lưu lượng hơi, kg/s.
Lưu lượng nước giải nhiệt được ký hiệu là 27 m³/h, tương ứng với kg/s Enthalpy của hơi tại đầu vào và nước ngưng tại đầu ra lần lượt được ký hiệu là h s và h l, với đơn vị là kJ/kg Enthalpy của nước giải nhiệt tại đầu vào và đầu ra được ký hiệu là h cw1 và h cw2, cũng với đơn vị kJ/kg.
Diện tích tiếp xúc với môi trường xung quanh được ký hiệu là F w, trong đó m 2 α a là hệ số tỏa nhiệt của không khí trên bề mặt F w, đo bằng W/(m 2 K) Nhiệt độ tại bề mặt F w là t w và nhiệt độ môi trường xung quanh là t a, được đo bằng độ C Độ giảm áp suất p của thiết bị ngưng tụ kênh micro được xác định bằng hiệu giữa áp suất hơi ở đầu vào và áp suất của nước ngưng ở đầu ra, được tính theo công thức p = p 1 – p 2, với đơn vị là Pa.
Áp suất hơi ở đầu vào được ký hiệu là p1 (Pa) và áp suất lỏng ở đầu ra là p2 (Pa) Theo nghiên cứu của Garimella [69], độ giảm áp suất trong quá trình ngưng tụ bao gồm tổng tổn thất áp suất cục bộ, tổn thất áp suất dọc đường và độ giảm áp suất trong quá trình ngưng Công thức thể hiện mối quan hệ này là p = pms + pcb + ps-l (2.22).
Tổn thất áp suất dọc đường do ma sát và tổn thất áp suất cục bộ được xác định trong quá trình ngưng Độ giảm áp suất do ma sát cho dòng hai pha trong kênh micro được mô tả theo các công thức (2.23)-(2.27), trong đó các hệ số nhân hai pha cho thành phần lỏng và hơi tại vị trí có độ khô x được ký hiệu là l2 và s2.
Trường hợp ở các vị trí chỉ có lỏng hoặc chỉ có hơi: dz sl
Gradient áp suất tại mặt cắt ngang có độ khô x, cho pha lỏng và pha hơi: dp dz l dz s
Tr on g trư ờn g hợ p chỉ có lỏ ng (x
1) thì gr adi ent áp su ất nà dp được viết lại như sau: dz lo Để tính toán độ giảm áp suất do má sát trong quá trình tỏa nhiệt khi ngưng thông số Martinelli (χ) được sử dụng theo (2.27).
Tính toán thiết kế thiết bị ngưng tụ kênh micro
Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro được sử dụng chủ yếu để giải nhiệt hoặc cung cấp nhiệt cho các thiết bị có kích thước nhỏ Các nghiên cứu đã công bố và so sánh cho thấy công suất thiết kế của hai mẫu kiểm tra, W150 và W200, lần lượt là 150 W và 200 W, được giải thích chi tiết trong mục 2.2.7 về thông số kỹ thuật của các mẫu thiết kế.
Sơ đồ bố trí các dòng lưu chất cho mẫu thiết kế (hình 2.2), quá trình trao đổi nhiệt là ngược chiều và kênh micro được bố trí nằm ngang.
(a) Vòng tuần hoàn chất lưu phía hơi và phía nước giải nhiệt.
(b) Bố trí kênh micro và kênh giải nhiệt nước.
(1) Thiết bị ngưng tụ kênh micro; (2) và (3) là
PMMA Hình 2.2: Sơ đồ bố trí các dòng lưu chất
2.2.2 Xác định đường kính thủy lực và số lượng kênh cho W150 (150 W) a Đường kính thủy lực kênh micro vuông D h Áp suất của nước ngưng tại đầu ra thiết bị ngưng tụ là áp suất môi trường xung quanh, p 2 = 1,013.10 5 Pa.
Từ (2.11) tính hằng số L lap cho nước và hơi nước bão hòa tại 100 o C Tra bảng nước và hơi nước bão hòa [74] ta có: = 588,6.10 -4 N/m; l = 958,4 kg/m 3 ; s=0,598kg/m 3
Theo [69], các kênh có đường kính thủy lực D h nhỏ hơn chiều dài đặc trưng L lap được phân loại là kênh micro, đặc biệt đối với lưu chất là nước và hơi nước Trong thiết kế này, để thuận tiện cho việc chế tạo và so sánh kết quả nghiên cứu, kênh micro được chọn có dạng vuông với D h = 500 m.
Quá trình ngưng tụ hơi nước trong kênh có đường kính thủy lực 171 m cho thấy độ giảm áp suất từ 20 đến 30 kPa Nếu giữ nguyên lưu lượng hơi ở đầu vào nhưng tăng đường kính thủy lực, áp suất p sẽ giảm Cụ thể, với đường kính thủy lực D h = 500 m, áp suất p đạt giá trị tối thiểu là 20 kPa.
Tra bảng thông số vật lý của hơi nước trên đường bão hòa [74], xác định được nhiệt độ của hơi bão hòa khô ở đầu vào là t s = 105 o C.
(Tham khảo chi tiết trong phụ lục 2 và 3).
Vậy với W150 chọn kênh micro vuông D h = 500 m (W m = 500 m, D m P0 m). Chi tiết chiều dài chiều rộng kênh micro như hình 2.3.
Hình 2.3: Chi tiết các thông số hình học cho mẫu W150 b Xác định số lượng kênh micro
Lưu lượng hơi bão hòa khô: Tra bảng hơi nước bão hòa tại 105 o C và nước bão hòa tại 100 o C, [74] Ta có h s = 2683,65 kJ/kg, h l = 419,1 kJ/kg. m Q s−l s h s − h l
Vậy lưu lượng hơi bão hòa khô được xác định là m s = 0,066 g/s
Kết quả phân tích vận tốc của khí (j s) và lỏng (j l) qua mặt cắt ngang cho các kênh micro tròn với đường kính 530, 250, 100 và 50 m cho thấy: 0,02 < j s < 72,98 m/s và 0,01 < j l < 5,77 m/s Đối với đường kính D h = 500 m, vận tốc hơi bão hòa khô được chọn có giá trị trung bình là j s = 37 m/s.
Gọi n là số kênh micro vuông có D h P0 (W m = 500 m, D m = 500 m). js = ms
Số lượng kênh micro: ms n = W D sm
Vậy chọn số lượng kênh micro cho thiết bị ngưng tụ là 10.
Tính toán lại vận tốc hơi (j s ) và vận tốc lỏng (j l ) trung bình qua qua mặt cắt ngang ở đầu vào và đầu ra của 1 kênh micro. js m s
Với vận tốc j l = 0,028 m/s và j s = 37,079 m/s theo điều kiện đã phân tích, 10 kênh micro được chọn cho thiết bị ngưng tụ là hoàn toàn phù hợp Số lượng kênh này cũng được tìm thấy trong các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro hiện có trên thị trường, như đã đề cập trong mục 1.3.
Thông số hình học chi tiết cho W150 được trình bày trong hình 2.3 Khoảng cách giữa các kờnh được chọn là W g = 500 mm để đảm bảo độ cứng vững trong quá trình gia công và lắp đặt, đồng thời phục vụ cho việc so sánh với các nghiên cứu khác Vật liệu sử dụng là hợp kim nhôm.
Hợp kim 92% Al và 8% Mg có độ dày 0,7 mm và hệ số dẫn nhiệt đạt 201 W/(m.K) Mục tiêu của bài toán là xác định chiều dài kênh micro (L m) cần thiết để chuyển đổi hoàn toàn hơi bão hòa khô (x = 1) thành dạng lỏng (x = 0) trong các điều kiện đã nêu.
Lưu lượng nước giải nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro nhỏ với mật độ dòng nhiệt lớn yêu cầu độ chênh nhiệt độ cao Kết quả mô phỏng cho thấy, với lưu lượng nước giải nhiệt 0,0478 g/s, nhiệt độ đầu vào đạt 30 o C và nhiệt độ đầu ra là 71 o C.
Dự đoán lưu lượng nước giải nhiệt trong bài toán này lớn hơn 0,0478 g/s với m s = 0,066 g/s Do đó, độ chênh nhiệt độ của nước giải nhiệt t cw = 35 o C là phù hợp cho thiết kế Nhiệt độ nước giải nhiệt đầu vào t cw1 = 29 o C, tương ứng với nhiệt độ bầu ướt tại Tp.HCM, và nhiệt độ đầu ra t cw2 = t cw1 + t cw = 64 o C.
Kết quả mô phỏng từ [76] cho thấy tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh là 5%, trong khi kết quả thực nghiệm ở [72] chỉ ra rằng dòng nhiệt tỏa của hơi ngưng thải ra môi trường nhỏ hơn 7% Do đó, bài toán thiết kế này lựa chọn dòng nhiệt nhả ra môi trường là yếu tố quan trọng.
Q a = 5%Q s-l Từ phương trình (2.23) ở trên suy ra công suất của nước giải nhiệt được xác định theo (2.31).
Q cw = Q s-l – Q a = (1 – 0,05).Q s-l = 0,95.150 = 142,5 W mà Q cw = m cw (h cw2 – h cw1 ) = m cw (c pcw2 t cw2 – c pcw1 t cw1 )
Tại nhiệt độ t cw1 = 29 o C và t cw2 = 64 o C, nhiệt dung riêng đẳng áp của nước lần lượt là c pcw1 = 4,175 kJ/(kg o C) và c pcw2 = 4,182 kJ/(kg o C).
Từ đây, lưu lượng nước giải nhiệt được xác định: mcw c pcw2
2.2.4 Hệ số tỏa nhiệt đối lưu α cw phía nước giải nhiệt
Gọi t cw là nhiệt độ trung bình của nước giải nhiệt t cw = 0,5.(t cw1 + t cw2 ) = 0,5.(29 + 64) = 46,5 o C
Vậy nhiệt độ trung bình của nước t cw F,5 o C Tra bảng thông số vật lý của có: ρ cw = 989,54 kg/m 3 ; ν cw = 0,5921.10 -6
Vận tốc nước giải nhiệt trung bình được tính là ω cw, với giá trị khoảng 2 m/s Hệ số dẫn nhiệt λcw được sử dụng trong tính toán là 64,3 x 10^-2 W/(m.°C) tại nhiệt độ t cw.
Khối lượng riêng trung bình của nước giải nhiệt tại 46,5 độ C là ρ cw, đo bằng kg/m³ Diện tích mặt cắt ngang của kênh nước giải nhiệt được ký hiệu là A c-cw, tính bằng m², với công thức A c-cw = W cw D cw Tính toán cho thấy A c-cw = 0,0095 x 0,0005 = 4,75 x 10⁻⁶ m² Thủy lực của kênh nước giải nhiệt được xác định dựa trên các thông số này.
D h-cw là đường kính thủy lực, m
A c-cw là diện tích mặt cắt ngang, m 2
U cw là chu vi ướt của kênh nước giải nhiệt, m
Kênh giải nước giải nhiệt có chiều rộng W cw = 9,5 mm; chiều sâu D cw 500 àm
Thay các giá trị trên vào (2.35), ta xác định được đường kính thủy lực
Dh−cw Tiêu chuẩn Reynolds từ (2.4) được viết lại cho phía nước giải nhiệt như sau:
Với ν cw = 0,5921.10 -6 m 2 /s là độ nhớt động học của nước tại 46,5 o C.
Giá trị Re cw = 332,123 < 2200 nên Nusselt áp dụng cho trường hợp này theo [74]:
Nhiệt độ mặt của thiết bị kênh micro phía nước giải nhiệt được ký hiệu là t w Do quá trình ngưng tụ có hệ số truyền nhiệt α s lớn, nhiệt độ bề mặt của thiết bị ngưng tụ kênh micro gần tương đương với nhiệt độ t s Vì vậy, giả thuyết đặt ra là t w = 94 o C, và sẽ được kiểm tra lại sau này.
Tra bảng thông số vật lý của nước tại 94 o C ta có: Pr w = 1,87
Tiêu chuẩn Grashoff từ công thức (2.5) được viết lại cho nước giải nhiệt theo công thức sau:
Trong đó: g là gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2 cw là hệsố dãn nởnhiệt, 1/K
Thay các giá trị Recw, Prcw, Prw và Grcw 0,1 vào (2.38), giá trị Nusselt được xác định:
Mô phỏng số
Trong nghiên cứu này, 10 mẫu (W150-A/B/C, W200 và W200-A/B/C/D1/D2/D3) với thông số thiết kế được trình bày trong bảng 2.4 đã được thiết kế 3D bằng phần mềm Inventor Sau đó, các mẫu này được nhúng vào cửa sổ thiết kế của COMSOL Multiphysics 5.2a để thiết lập vật liệu cho mô hình Hình 2.10 minh họa một trường hợp của thiết bị ngưng tụ W200.
Hình 2.10: Gán vật liệu cho mô hình
2.3.2 Các phương trình toán học
Chỉ số Knudsen, ký hiệu là Kn, được định nghĩa là tỷ số giữa khoảng cách tự do của các phân tử và kích thước đặc trưng của kênh, cụ thể là đường kính thủy lực D h trong nghiên cứu này.
Khi chỉ số Knudsen (Kn) lớn hơn 0,1, cần áp dụng mô hình phân tử, trong khi khi Kn nhỏ hơn 0,1, có thể sử dụng mô hình liên tục và phương trình Navier-Stokes Do đó, chỉ số Kn là một thông số quan trọng để xác định phương pháp tính toán.
Khoảng cách tự do giữ các phân tử phụ thuộc vào khối lượng phân tử (M H2O ), đường kính phân tử (d H2O ) và khối lượng riêng pha hơi ( s ) của chất lưu [79].
Trong đó: M H2O là khối lượng mol của H 2 O = 18,015 g/mol
Hằng số Avogadro N A = 6,022137×10 23 1/mol d H2O là đường kính phân tử hơi nước, d H2O = 0,42 nm
Khối lượng riêng của hơi nước tại 105 o C, s = 0,598 kg/m 3
Chỉ số Knudsen Kn = /D h = 0,000128, nhỏ hơn 0,1, cho thấy bài toán có mô hình dòng chảy liên tục Do đó, các phương trình chính yếu được áp dụng cho dòng chảy lưu chất trong hệ thống này bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng.
+ x + x Trong đó: ω x , ω y và ω z là vận tốc (m/s) của chất lưu theo phương x, y và z là khối lượng riêng, kg/m 3 là thời gian, s b Phương trình động lượng y +
-Điều kiện biên cho nước tại đầu vào: −( n ) dF = m trong đó m là lưu lượng và vận tốc trình tự theo phương x, y và z là ω x = 0, ω y = 0, ω z = ω 0 ;
- Điều kiện biên cho của dòng chảy:
Với μ là độ nhớt động lực học, Ns/m 2 ; p là áp suất và p o là áp suất tính toán ban đầu của dòng chảy. c Phương trình tỉ lệ thể tích
Phương trình tỉ lệ thể tích [71] được sử dụng để phân tích dòng hai pha. i i
Trong đó: là khối lượng riêng, kg/m 3 ; là vận tốc, m/s; là tỉ lệ thể tích của n pha hơi trong hỗn hợp, = 0 1 và i = 1 i=1
2.3.2.2 Truyền nhiệt a Phương trình vi phân dẫn nhiệt của vật rắn
Trong đó: a = c là hệ sốkhuếch tán nhiệt, m 2 /s
2 Tlà toán tửLaplace theo T, trong hệtọa độDescartes
2 T x y z q v là nguồn nhiệt bên trong vật, W/m 3
Nhiệt dung riêng của vật rắn được ký hiệu là c với đơn vị J/(kg.K) và khối lượng riêng là ρ, đo bằng kg/m³ Trong điều kiện truyền nhiệt ổn định, khi nhiệt độ T = 0 và không có nguồn nhiệt bên trong (qv = 0), từ công thức (2.65) có thể suy ra rằng 2T = 0 với a ≠ 0.
Trong điều kiện ổn định, phương trình vi phân trao đổi nhiệt đối lưu theo định luật Newton – Richman được biểu diễn bằng công thức q = α.(T w – T f) Dòng nhiệt này cần phải bằng nhau để đảm bảo sự cân bằng nhiệt.
Vậy hệ số tỏa nhiệt đối lưu
Trong đó: là hệ số dẫn nhiệt, W/m.K
T w là nhiệt độ trên bề mặt vách rắn, K
T f là nhiệt độ tính toán của chất lưu, K
T là gradient nhiệt độ theo phương pháp tuyến với mặt đẳng nhiệt, K/m n n =0
Phương trình năng lượng được viết dưới dạng phương trình vi phân tổng quát cho cả pha hơi và pha lỏng như sau:
+ y Đối với nước có thể xem như chất lỏng không chịu nén: x x + y y + z z = 0
- Điều kiện ổn định nên trường nhiệt độ không đổi theo thời gian, nên T =0
Điều kiện biên cho dòng chảy tại vị trí đầu vào được xác định là T = T0, trong khi điều kiện biên tại vị trí đầu ra được thể hiện qua phương trình −n(k.T) = 0 Để giải quyết các phương trình vi phân liên quan, nghiên cứu này sử dụng các phương trình dẫn nhiệt và các phương trình xác định thông số vật lý theo tài liệu [80].
Trong đó: q bx là mật độ dòng nhiệt do bức xạ, W/m 2 p k là ứng suất Piola-Kirchhoff, Pa Ở đây T : dp k chính làdd
55 e Dẫn nhiệt trong chất lỏng [80]
Trong đó: β ρ là hệ số dãn nở nhiệt, 1/K σ là ứng suất nhớt, Pa f Truyền nhiệt khi chuyển pha:
Các thông số vật lý của chất lưu trong vùng hai pha phụ thuộc vào tỉ lệ thể tích
=0 1 theo các phương trình từ (2.71) đến (2.74).
Khối lượng riêng trong vùng hai pha phụ thuộc vào tỉ lệ thể tích hơi [73] và [80]
= s + (1- ) l Ở đây “s” là pha hơi và “l” là pha lỏng Enthalpy riêng: h = 1
Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp: cp = T h
Trong đó, = 0 1 là tỉ lệ thể tích, s và l tương ứng hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) của pha lỏng và pha hơi.
2.3.2.3 Các phương trình xác định thông số vật lý a Các phương trình thông số vật lý của hơi
Các tính chất vật lý của hơi nước trên đường bão hòa được xác định thông qua các phương trình từ 2.75 đến 2.80, với các giá trị hằng số A – F được tra cứu trong bảng 2.5 Đặc biệt, độ nhớt động lực học được tính theo công thức: à s = A + B.T s + C.T s² + D.T s³.
Nhiệt dung riêng đẳng áp: cp,s = A + B.Ts + C.Ts 2 + D.Ts 3 + E.Ts 4 + F.Ts 5
Khối lượng riêng của hơi: s = f (p s , T s ) = 18,02
Để xác định sự thay đổi của áp suất (p s) và nhiệt độ (T s) trong phạm vi vô cùng bé của phân tử lưới, cần phải xem xét đạo hàm riêng, vì p s là hàm của T s và ngược lại.
Bảng 2.5: Các hằng số của các phương trình thông số hơi nước bão hòa
F b Phương trình tính chất vật lý của nước trên đường bão hòa
Các hằng số A-G trong các công thức từ 2.81-2.84 được xác định theo bảng 2.6
[80] và [81]. Độ nhớt động lực học: à l = A + B.T l + C.T l 2 + D.T l 3 + E.T l 4+ F.T l 5 + G.T l 6
Nhiệt dung riêng đẳng áp: c p,l = A + B T l + C.T l 2 + D T l 3 + E.T l 4
Khối lượng riêng của nước: ρ = A + B.T + C.T 2 + D.T 3
Bảng 2.6: Các hằng số của phương trình xác định thông số vật lý nước
Các thông số vật lý của nhôm trong bảng 2.7 [81] được sử dụng trong tính toán và giải mô hình toán bằng phương pháp mô phỏng số.
Bảng 2.7: Thông số vật lý của nhôm
4 Hệ số giãn nở nhiệt
2.3.3.1 Thông số đầu vào Điều kiện mô phỏng ban đầu cho 10 mô hình được trình bày như bảng 2.8 Các mẫu này được mô phỏng ở điều kiện nhiệt độ môi trường trong khoảng 31 o C đến
32 o C Điều kiện đầu vào của các nhóm mẫu mô phỏng sẽ được thể hiện chi tiết trong mục 4.1.
Bảng 2.8: Điều kiện đầu vào
Áp suất của nước ngưng và nước giải nhiệt tại đầu vào thiết bị được giả thuyết ban đầu là 1,013 x 10^5 Pa, bên cạnh các giá trị thông số của hơi bão hòa và nước giải nhiệt.
Hình 2.11 trình bày kết quả tạo lưới tự động cho các phần tử tứ diện tự do trong trường hợp W200 Bảng 2.9 cung cấp các thông số lưới cho các mô hình đã được đề cập trước đó.
(a) Kích thước phần tử lưới
(b) Kết quả chia lưới trên mô hình W200
Hình 2.11: Tạo lưới cho mô hình
Nghiên cứu này áp dụng các mô hình toán học kết hợp với điều kiện biên và điều kiện mô phỏng Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng cùng với giải pháp PARDISO (PARallel DIrect SOlver) nhằm xác định các trường nhiệt độ, áp suất, khối lượng riêng và độ khô.
Mô hình này được giải bởi phần mềm COMSOL Multiphysics, phiên bản 5.2a.
Cấu hình máy được sử dụng cho lời giải:
- Bộ xử lý: Intel(R) Core(TM)i7-4510U
- Tốc độ xử lý: CPU @ 2.0GHz 2.6GHz