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

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Các ngành kỹ thuật đang đóng vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước Ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt đang từng bước cải thiện để đáp ứng nhu cầu trong công nghiệp và đời sống Một trong những vấn đề được nghiên cứu nhiều hiện nay là kích thước của các thiết bị và hệ thống Các thiết bị giải nhiệt và làm mát cần có kích thước nhỏ gọn để thuận tiện cho lắp đặt và thẩm mỹ Ngoài kích thước, hiệu quả, công suất và giá thành cũng là những yêu cầu quan trọng để phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau.

Các nhà khoa học đang nỗ lực nghiên cứu các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm theo nhiều hướng khác nhau Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện để giảm kích thước và diện tích chiếm dụng của thiết bị, đồng thời đảm bảo hiệu quả cao và chi phí chế tạo, lắp đặt hợp lý.

Trong thế kỷ 21, công nghệ micro đã được nhiều nhà khoa học áp dụng nghiên cứu, mang lại những cải tiến đáng kể như tăng khả năng trao đổi nhiệt, giảm kích thước bộ trao đổi nhiệt và nâng cao hiệu suất truyền nhiệt Nhiều ứng dụng nghiên cứu đã được phát triển, bao gồm làm mát tuabin, lò phản ứng nhiệt hạch, vòi phun động cơ tên lửa, điện tử công suất trong hệ thống hàng không và xe hybrid, cùng với làm mát hồ chứa hydro, hệ thống gas lạnh và điều khiển nhiệt trong môi trường trọng lực và vòng mao mạch bơm Để tiếp nối các nghiên cứu trước, tôi quyết định tìm hiểu quá trình bay hơi của thiết bị bay hơi kênh micro nhằm đưa ra các phương pháp tối ưu hóa khả năng bay hơi cho bộ thiết bị trao đổi nhiệt này.

Tổng quan các nghiên cứu liên quan

Nghiên cứu của Thiangtham và cộng sự đã chỉ ra đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy trong bộ tản nhiệt đa vi kênh sử dụng môi chất lạnh R134a Mô hình tản nhiệt bằng đồng có 27 kênh hình chữ nhật song song với các kích thước cụ thể: độ sâu 470 µm, rộng 382 µm, dài 40 mm, và độ dày 416 µm Kết quả cho thấy nhiệt độ bão hòa đạt 13, 18, và 23 °C với mật độ khối lượng 150, 400, và 600 kg/m²s Giá trị mật độ dòng nhiệt tường và độ khô hơi đầu vào dao động từ 3 đến 127 kW/m² và 0,05 đến 0,92 Nghiên cứu cũng xác định rằng hệ số truyền nhiệt tăng khi mật độ khối lượng tăng trong dãy mật độ truyền nhiệt từ 40-120 kW/m², đặc biệt là ở nhiệt độ bão hòa 13 °C.

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm [1]

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

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

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

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

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

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm [3]

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

Nghiên cứu so sánh hai ống thép không rỉ có cùng đường kính và chiều dài gia nhiệt nhưng khác nhau về phương pháp chế tạo, với ống đầu tiên được hàn và ống thứ hai được đúc liền mạch, nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của bề mặt bên trong đến tỉ lệ truyền nhiệt Thực nghiệm được tiến hành với điều kiện G = 300 kg/m².s, P = 8 bar và nhiệt độ đầu vào 5K Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt không phụ thuộc vào độ khô hơi và mật độ khối lượng, trong khi nó tăng lên khi mật độ dòng nhiệt tăng Đặc biệt, cơ chế điều chỉnh trong ống hàn vẫn chưa được làm rõ, nhưng hệ số truyền nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào mật độ dòng nhiệt mà không bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ khô và mật độ khối lượng.

Nghiên cứu của Keepaiboon và các cộng sự đã chỉ ra đặc tính tổn thất áp suất của dòng chảy sôi R134a trong vi kênh hình chữ nhật có đường kính thủy lực 0,68mm Kết quả nghiên cứu này cung cấp những thông tin quan trọng về tổn thất áp suất trong hệ thống làm lạnh.

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

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

Kích thước hình học đa vi kênh Điều kiện hoạt động

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

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

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

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

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

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

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

Thực nghiệm đã chỉ ra rằng tổn thất áp suất và truyền nhiệt chịu ảnh hưởng đáng kể từ hướng lực trọng trường, đặc biệt là trong trường hợp dòng sôi với môi chất FC-72 Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình gồm 80 vi kênh với kích thước 231 µm rộng và 1000 µm sâu, theo ba hướng chảy khác nhau: nằm ngang, thẳng đứng hướng lên và thẳng đứng hướng xuống Kết quả cho thấy ảnh hưởng của hướng trong truyền nhiệt hai pha là rõ rệt khi vận tốc khối thấp (G/ρf < 0,22 m/s), trong khi không có ảnh hưởng đáng kể khi vận tốc khối cao hơn.

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

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

Hình 1.4 Mô hình thực nghiêm [15]

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

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

Nghiên cứu của Magnini và Thome [17] về truyền nhiệt trong dòng chảy chậm khi sôi trong vi kênh thông qua mô phỏng CFD cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt giảm nhẹ khi mật độ dòng nhiệt tăng với tần số bong bóng không đổi Đồng thời, sự gia tăng tỷ lệ lưu lượng khối lượng dẫn đến hiệu suất truyền nhiệt giảm do sự hình thành các màng chất lỏng dày hơn Hệ số truyền nhiệt cũng tăng khi đường kính kênh giảm, cho thấy mối quan hệ tỷ lệ nghịch với đường kính kênh (h ~ 1/δ) Ngoài ra, ảnh hưởng của nhiệt độ bão hòa rất phức tạp do sự biến đổi ngược lại trên các đặc tính của chất lỏng.

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

Mục đích của đề tài

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

Bài viết thực nghiệm so sánh đặc tính truyền nhiệt giữa thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA của các hãng ZHONGLI và KEWELY Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của việc thay đổi lưu lượng không khí đến hiệu suất truyền nhiệt của hai loại thiết bị bay hơi Kết quả sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu quả hoạt động của từng thiết bị trong điều kiện khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tổng quan tài liệu là việc xem xét các nghiên cứu liên quan đến đề tài từ những nguồn tài liệu uy tín như Sciencedirect, Springer, và TaylorFrancis Qua đó, chúng ta có thể nhận diện những vấn đề mà các nghiên cứu trước chưa giải quyết, từ đó mở ra hướng nghiên cứu mới.

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

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

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hệ thống thực nghiệm lạnh sử dụng môi chất R134a được tiến hành thí nghiệm trên hai loại thiết bị bay hơi: thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA.

Nghiên cứu thực nghiệm đã so sánh đặc tính truyền nhiệt giữa thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA Kết quả cho thấy sự thay đổi lưu lượng không khí từ 19 l/s đến 47,5 l/s ảnh hưởng đến nhiệt độ, độ ẩm, mật độ dòng nhiệt và năng suất lạnh của cả hai thiết bị.

Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan các nghiên cứu liên quan

- Đưa ra đối tượng và phương pháp nghiên cứu

- Thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm

- Lắp đặt hệ thống thực nghiệm

- Vận hành hệ thống thu thập dữ liệu thực nghiệm

- Phân tính và so sánh kết quả thực nghiệm

- Kết luận kết quả thực nghiệm

Giới hạn đề tài

Do hạn chế về thời gian và ngân sách, tác giả chỉ tập trung vào việc nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi ống micro, bằng cách thay đổi lưu lượng không khí từ 19 l/s đến 47,5 l/s Bên cạnh đó, tác giả cũng tiến hành so sánh đặc tính truyền nhiệt giữa thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA Tuy nhiên, các điều kiện thực nghiệm còn hạn chế, mở ra cơ hội cho việc nghiên cứu sâu hơn về quá trình lưu chất qua thiết bị, các yếu tố ảnh hưởng đến truyền nhiệt và lưu chất của thiết bị bay hơi ống micro, hoặc thực hiện mô phỏng để đối chiếu với kết quả thực nghiệm đã thu được.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý thuyết truyền nhiệt

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

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

Mật độ dòng nhiệt được tính: t

Qt là lượng nhiệt truyền qua thiết bị, m t là lưu lượng khối lượng, c p là nhiệt dung riêng, dt là độ chênh nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra của thiết bị bay hơi Ngoài ra, q t đại diện cho mật độ dòng nhiệt, A là diện tích truyền nhiệt, và k t là hệ số truyền nhiệt tổng.

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

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

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

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

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

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

Lý thuyết đo lường

Đo lường là quá trình đánh giá định lượng một đại lượng, cho kết quả bằng số so với đơn vị đo Kết quả đo lường thực nghiệm rất quan trọng trong việc đánh giá hệ thống, do đó, việc thu thập dữ liệu cần được thực hiện cẩn thận và chính xác.

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

Tác giả đã chọn phương pháp đo vận tốc không khí bằng thiết bị bay hơi, sau đó áp dụng công thức để chuyển đổi kết quả đo được thành lưu lượng không khí.

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

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

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

Vị trí đặt cảm biến cho việc đo vận tốc không khí, nhiệt độ và độ ẩm được minh họa trong hình 2.1 Đối với tiết diện hình chữ nhật, cảm biến được bố trí ở các điểm đối xứng, như thể hiện trong hình 2.1 (a) Trong trường hợp tiết diện ống tròn, cảm biến được phân bố theo các đường tròn đồng tâm cách đều nhau.

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

Vị trí đặt cảm biến

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

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

Tính toán chu trình lạnh

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

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

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

Tính toán nhiệt cho chu trình [46]:

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

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

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

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

Khối lượng môi chất qua máy nén

Diện tích trao đổi nhiệt thiết bị bay hơi:

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

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

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

Tại thiết bị bay hơi ta có:

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

Quá trình trao đổi nhiệt qua không khí bằng phương pháp đối lưu cưỡng bức thường cho thấy độ chênh lệch nhiệt độ giữa môi chất và môi trường không khí nằm trong khoảng 7-10 độ C.

Hình 2.3 Biến thiên nhiệt độ tại thiết bị bay hơi

Trong thiết kế này, chúng ta chọn độ chênh nhiệt độ là 10°C Ở trạng thái ổn định, nhiệt độ không khí trong phòng đạt 20°C Khi hệ thống hoạt động ổn định, nhiệt độ không khí vào thiết bị bay hơi là 22°C và nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị bay hơi là 18°C Biến thiên nhiệt độ tại dàn bay hơi được thể hiện trong Hình 2.3.

Ta có:  t max = 12C và t min = 8C

8 12 ln min max min max  

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

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

Tác giả đã thiết kế và chế tạo thiết bị bay hơi ống micro với kích thước và diện tích trao đổi nhiệt tương đương với thiết bị bay hơi FNA.

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

THIẾT LẬP THỰC NGHIỆM

Thiết kế mô hình và hệ thống thí nghiệm

Thiết bị bay hơi thực tế model FNA của ZHONGLI, mang thương hiệu KEWELY, có kích thước 225mm x 210mm x 45mm và được thiết kế với 8 pass, đường kính ống là 8mm Cánh trao đổi nhiệt được chế tạo từ lá nhôm dày 0,1mm, với khoảng cách giữa hai cánh là 2mm, như thể hiện trong hình 3.1.

Hình 3.1 Mô hình thiết bị bay hơi FNA

Mô hình thiết bị bay hơi ống micro được thiết kế với kích thước 225mm x 200mm x 43mm, bao gồm 10 pass, mỗi pass có 8 ống đồng đường kính thủy lực 0,82mm Cánh trao đổi nhiệt làm từ lá nhôm dày 0,3mm và có bước cánh 2,6mm Các ống micro được sắp xếp so le với khoảng cách 3,2mm giữa các ống Thông số chi tiết của thiết bị bay hơi ống micro và thiết bị bay hơi FNA được trình bày trong bảng 3.1.

Bảng 3.1 Thông số kích thước của thiết bị bay hơi

TBBH ống micro TBBH FNA

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

Diện tích trao đổi nhiệt (m2) 1.3 1.3

Hình 3.2 Mô hình thiết bị bay hơi ống micro

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

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

Condenser: Thiết bị ngưng tụ

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

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm

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

3 Thiết bị bay hơi FNA

4 Thiết bị bay hơi ống micro

Hình 3.4 Hình ảnh hệ thống thí nghiệm thực tế

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

Trong chu trình 2, quá trình tương tự như chu trình 1 nhưng với sự thay đổi ở van chặn; van chặn 1 đóng và van chặn 2 mở Do đó, môi chất lạnh sẽ lưu thông qua thiết bị bay hơi FNA mà không đi qua thiết bị bay hơi ống micro.

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

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

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

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

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

Bước 5: Sau khi thu thập dữ liệu từ thiết bị bay hơi ống micro, chúng ta sẽ đóng van chặn 1 để tiến hành hút kiệt Tiếp theo, thí nghiệm sẽ được thực hiện tương tự trên thiết bị bay hơi FNA.

Mô tả hệ thống thí nghiệm

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Các kênh cảm biến nhiệt độ:

 +20, -21: cảm biến nhiệt độ số 5

 +24, -25: cảm biến nhiệt độ số 3

 +26, -27: cảm biến nhiệt độ số 2

 +28, -29: cảm biến nhiệt độ số 1

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

Thiết bị đo nhiệt độ hai kênh Extech 421509 được sử dụng để đo độ chênh lệch nhiệt độ không khí trước và sau khi ra vào thiết bị bay hơi, giúp so sánh với cảm biến cặp nhiệt loại T trong bộ điều khiển trung tâm Máy đo này mang lại độ chính xác cao và hiệu suất ổn định, phù hợp cho các ứng dụng trong hệ thống điều hòa không khí.

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

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

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

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

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

3.2.6 Thiết bị đo độ ẩm Tenmars TM-181

Thiết bị đo độ ẩm Tenmars TM-181 là công cụ quan trọng trong hệ thống, được sử dụng để đo độ ẩm trước và sau khi không khí đi qua thiết bị bay hơi Hình ảnh thực tế của thiết bị được trình bày như trong hình 3.10 Thiết bị này có các đặc điểm kỹ thuật nổi bật, giúp đảm bảo hiệu quả trong quá trình đo lường độ ẩm.

- Phạm vi đo độ ẩm: 1.0 ~99.0 RH

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

3.2.7 Thiết bị đo tốc độ gió Prova AVM 03

Thiết bị đo tốc độ gió Prova AVM 03 được sử dụng để đo tốc độ gió trong hệ thống bay hơi, như minh họa trong hình 3.11 Thiết bị này có các đặc điểm kỹ thuật nổi bật, giúp đảm bảo độ chính xác trong việc đo lường tốc độ gió.

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

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

Hình 3.12 Hình ảnh Ampe kiềm VC3266L+

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

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

Hình 3.13 Hình ảnh camera nhiệt Fluke Ti9