Luận án tiến sĩ nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ vi ống của bơm nhiệt (tt)

  • 27 trang
  • file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------
HOÀNG ANH TUẤN
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT
TRONG DÀN BAY HƠI VÀ DÀN NGƯNG TỤ VI ỐNG
CỦA BƠM NHIỆT
Ngành: Kỹ thuật nhiệt
Mã số: 9520115
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT
HÀ NỘI – 2020
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN NGUYÊN AN
PGS.TS. HÀ MẠNH THƯ
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU
Sự phát triển ngày một gia tăng của bơm nhiệt tuy rất hữu ích nhưng
cũng gây những ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường xung quanh. Vì
vậy, việc nâng cao hiệu suất bơm nhiệt, việc giảm lượng nguyên vật liệu
chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt của bơm nhiệt, cũng như việc giảm lượng
môi chất lạnh sử dụng cho bơm nhiệt đang là những vấn đề hết sức cấp
thiết trong nghiên cứu bơm nhiệt. Hiện nay, công nghệ “vi ống” đang
được xem là “đáp án chung” cho các vấn đề cấp thiết vừa nêu.
Thuật ngữ “vi ống” được sử dụng để chỉ những ống dẫn lưu chất có
kích thước bé hơn các ống thông thường. Trong thực tế, các ống có đường
kính trong nhỏ hơn 2 mm thường được xem là vi ống. Trong công nghiệp,
vi ống được sử dụng để chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt vì những lợi ích
sau:
- Do có đường kính nhỏ nên khả năng chịu chênh lệch áp suất của
vi ống rất cao;
- Với cùng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thể tích chứa môi chất
lạnh sẽ giảm cỡ 10 lần so với ống thường, và do đó, sẽ giảm được
khoảng 10 lần lượng môi chất lạnh chứa trong dàn.
- Khi đường kính ống giảm, phần thể tích bên trong ống tham gia
trực tiếp vào quá trình trao đổi nhiệt so với toàn bộ thể tích trong
của ống sẽ tăng lên, do đó, hiệu quả trao đổi nhiệt của các dàn vi
ống sẽ lớn hơn so với dàn thông thường.
Để giảm thời gian cũng như tăng độ chính xác trong việc tính toán,
thiết kế các dàn trao đổi nhiệt vi ống dùng trong bơm nhiệt; Để tăng độ
chính xác trong mô phỏng các dàn trao đổi nhiệt vi ống, qua đó rút ngắn
thời gian cũng như giảm chi phí chế tạo thử nghiệm các dàn vi ống… rất
cần có những nghiên cứu chuyên sâu về “quá trình truyền nhiệt trong dàn
bay hơi và dàn ngưng tụ của bơm nhiệt với công nghệ vi ống”. Đó chính
là lý do lựa chọn đề tài của luận án tiến sỹ này.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VI ỐNG
1.1. Thiết bị trao đổi nhiệt trong bơm nhiệt
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt
Bơm nhiệt và máy lạnh là hai loại máy có cùng nguyên lý hoạt động,
hoạt động theo chu trình máy nhiệt ngược chiều và về bản chất, chúng
đều giúp chuyển một lượng nhiệt từ môi trường có nhiệt độ thấp, được
gọi là nguồn nhiệt lạnh (hay nguồn lạnh), sang môi trường có nhiệt độ
cao hơn, được gọi là nguồn nhiệt nóng (hay nguồn nóng). Trong luận án
này, thuật ngữ “bơm nhiệt” được dùng với nghĩa bao quát nhất, tức là chỉ
tất cả các loại máy hoạt động theo chu trình ngược chiều.
1
Thiết bị tiết lưu
4 3
Thiết Thiết
bị Qo bị
Qo Qc
bay ngưng
hơi N = Qc - Qo tụ
Máy nén
1 2
N
Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt.
Một hệ thống bơm nhiệt gồm có bốn thành phần cơ bản là máy nén,
thiết bị ngưng tụ, thiết bị tiết lưu và thiết bị bay hơi, được kết nối với nhau
theo sơ đồ hình 1.1. Về số lượng, ta luôn thu được nhiệt lượng tại nguồn
nóng, Qk, lớn hơn công tiêu hao cho máy nén, (Qk – Qo). Đây chính là
một trong những lý do mà bơm nhiệt được sử dụng để cấp nhiệt thay cho
các phương pháp truyền thống như dùng dây điện trở và đốt nhiên liệu
hoá thạch…
1.1.2. Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt dùng cho bơm nhiệt.
1.1.2.1. Thiết bị ngưng tụ
Căn cứ vào môi trường làm việc, tính năng sử dụng, đặc điểm cấu
tạo người ta chia thiết bị ngưng tụ thành:
- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí;
- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước;
- Thiết bị ngưng tụ kiểu kết hợp giữa nước và không khí.
1.1.2.2. Thiết bị bay hơi
Thiết bị bay hơi có thể phận ra hai loại chính đó là:
- Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng;
- Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí.
1.1.3. Vi ống trong chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt cho bơm nhiệt
Cho tới nay, vi ống mới chỉ được ứng dụng phổ biến trong việc chế
tạo dàn bay hơi và dàn ngưng tụ cho hệ thống điều hoà không khí (cũng
có thể được coi là một loại bơm nhiệt) sử dụng trên ôtô. Ngoài ứng dụng
trong điều hoà không khí ôtô, vi ống cũng đã được ứng dụng để chế tạo
các bình ngưng tụ, bình bay hơi và thiết bị hồi nhiệt của hệ thống lạnh
với mức công suất cỡ vài chục KW. Vi ống cũng được ứng dụng cho bình
ngưng tụ cho nhà máy nhiệt điện với năng suất thải nhiệt cực lớn, lên tới
680 MW một đơn nguyên và với 6 đơn nguyên được lắp đặt, tổng năng
suất nhiệt thải lên đến 4080 MW. Điều đó cho thấy, vi ống không chỉ có
ưu điểm ở tính gọn nhẹ, chịu được rung động mà còn có thể cho hiệu quả
trao đổi nhiệt rất cao.
2
1.2. Tình hình nghiên cứu về truyền nhiệt trong vi ống
Qua hơn 60 năm phát triển, lựa chọn trong hàng trăm công trình đã
công bố, hơn 50 công trình được trích dẫn cho thấy sự rộng lớn của lĩnh
vực “trao đổi nhiệt trong vi ống”, trước hết là ở phạm vi ứng dụng. Tuy
nhiên, cũng do được ứng dụng rộng rãi như vậy, nghiên cứu về trao đổi
nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ vi ống của bơm nhiệt còn rất
khiêm tốn về số lượng, cũng như còn tồn tại những bất cập sau đây.
Thiết bị trao đổi nhiệt vi ống được phát triển đầu tiên là với chế độ
nhận nhiệt, được ứng dụng trong làm mát các cấu trúc siêu nhỏ như vi
mạch điện tử… Do vậy, nghiên cứu về quá trình sôi trong vi ống thường
được tiến hành với trạng thái đầu vào là lỏng quá lạnh hoặc lỏng bão hoà.
Rất ít các công trình đã công bố, trừ các công trình nghiên cứu về thiết bị
bay hơi vi ống khi được gắn liền với hoạt động của một hệ bơm nhiệt, đề
cập tới quá trình sôi của môi chất trong vi ống với trạng thái đầu vào là
hơi bão hoà ẩm. Quá trình sôi với môi chất đầu vào ở trạng thái quá lạnh
được gọi là “sôi quá lạnh” và không xảy ra với thiết bị bay hơi của bơm
nhiệt.
Nghiên cứu về chế độ nhả nhiệt trong vi ống đã được tiến hành với
cả 3 vùng là vùng hơi quá nhiệt, vùng ngưng tụ và vùng lỏng quá lạnh.
Tuy nhiên, về thực nghiệm, quá trình truyền nhiệt với mỗi vùng này lại
thường được tiến hành một cách độc lập. Trừ một số nghiên cứu về hoạt
động của cả hệ thống bơm nhiệt, rất ít công trình tiến hành thực nghiệm
một quá trình nhả nhiệt và thay đổi trạng thái liên tục từ vùng hơi quá
nhiệt đến vùng lỏng quá lạnh. Do vậy, một nghiên cứu thực nghiệm về
truyền nhiệt bên trong vi ống ở chế độ nhả nhiệt với trạng thái thay đổi
liên tục từ hơi quá nhiệt đến lỏng quá lạnh như xảy ra trong các dàn ngưng
tụ của bơm nhiệt là điều cần thiết. Về lý thuyết, trạng thái của màng lỏng
bám ở vách ống trong vùng ngưng không chịu ảnh hưởng từ trạng thái
đầu vào nên có thể xây dựng mô hình lý thuyết cho quá nhả nhiệt trong
vùng ngưng tụ của môi chất trong vi ống một cách độc lập.
1.3. Đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án
Quá trình sôi của hơi bão hoà ẩm và ngưng tụ của hơi bão hoà khô
là 2 quá trình vừa quan trọng, do có mức độ ảnh hưởng lớn, nhưng cũng
còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thấu đáo, làm ảnh hưởng đến độ
chính xác của các kết quả tính toán. Do vậy, luận án sẽ tập trung vào
nghiên cứu 2 quá trình này.
Để có thể thực hiện được điều đó, luận án sẽ tiến hành các bước
nghiên cứu theo trình tự sau:
- Xây dựng mô hình toán cho các quá trình sẽ tiến hành mô phỏng
mà cụ thể ở đây là quá trình sôi của hơi bão hoà ẩm và quá trình
ngưng tụ của hơi bão hoà khô. Mô hình toán bao gồm hệ phương
hệ phương trình mô tả quá trình và các điều kiện đơn trị.
3
- Xây dựng thuật toán giải các mô hình toán đã xây dựng.
- Lựa chọn phần mềm và lập trình giải mô hình toán theo các thuật
toán đã xây dựng (xây dựng mô hình máy tính).
- Xây dựng hệ thống thí nghiệm, tiến hành đo đạc lấy số liệu nhằm
kiểm chứng kết quả tính toán bằng mô hình máy tính đã xây dựng.
Hiệu chỉnh mô hình máy tính, nếu cần.
- Sử dụng các kết quả nghiên cứu thu được, khảo sát ảnh hưởng
của các yếu tố đến chế độ sôi và ngưng tụ của môi chất trong vi
ống.
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH
SÔI VÀ NGƯNG TỤ CỦA DÒNG MÔI CHẤT TRONG VI ỐNG
2.1. Các chế độ lưu động của dòng 2 pha trong ống thông thường và vi ống
2.1.1. Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong ống thông thường
Chế độ chuyển động của dòng 2 pha trong ống thông thường bao
gồm 4 chế độ lưu động cơ bản như trình bày trên Hình 2.1. Trong đó, lưu
động hình xuyến là một chế độ xảy ra nhiều nhất và cũng được đề cập
nhiều nhất trong các tài liệu và công bố khoa học chuyên ngành.
Chế độ lưu động hình xuyến Chế độ lưu động dạng bọt
Chế độ lưu động phân tầng Chế độ lưu động gián đoạn
Vách ống Pha lỏng Pha hơi
Hình 2.1. Các chế độ lưu động chính của dòng 2 pha trong ống.
Tuỳ thuộc vào tương quan giữa tốc độ dòng hơi, lỏng với lực trọng
trường; tuỳ thuộc vào vị trí ống, thẳng đứng hay nằm ngang hay
nghiêng…, cũng như chiều chuyển động của môi chất, màng lỏng bám
trên vách ống sẽ có dạng hình xuyến đều hay không đều.
Chế độ lưu động hình xuyến và chế độ lưu động dạng bọt là các
trường hợp mang tính thái cực và chúng có điểm chung là ảnh hưởng của
lực trọng trường đến dòng môi chất là không đáng kể và thường được bỏ
qua. Giữa 2 trường hợp thái cực này, tuỳ thuộc vào tỉ lệ về thể tích chiếm
chỗ trong dòng của pha hơi so với pha lỏng, môi chất còn có thể lưu động
ở các chế độ trung gian như chế độ hình viên đạn (Hình 2.2). Trong các
thiết bị trao đổi nhiệt, để tăng hiệu quả, chế độ lưu động của lưu chất
4
thường được thiết kế với tốc độ khá lớn, đồng nghĩa với ảnh hưởng của
lực trọng trường khá nhỏ và có thể bỏ qua. Vì vậy, luận án này sẽ không
đề cập thêm đến các trường hợp chịu ảnh hưởng lớn của lực trọng trường.
Về học thuật, nghiên cứu về chế độ lưu động hình xuyến có ý nghĩa
không chỉ vì nó xảy ra với tần xuất cao hơn mà còn do kết quả tính toán
từ chế độ này có thể giúp xác định các chế độ còn lại, nhờ đó, có thể đưa
ra các phương pháp hiệu chỉnh nếu cần.
Chế độ lưu động hình xuyến
Chế độ lưu động hình viên đạn
Vách ống
Pha lỏng
Chế độ lưu động dạng bọt
Pha hơi
Hình 2.2. Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong ống khi bỏ qua trọng trường.
2.1.2. Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong vi ống
Nghiên cứu về quá trình sôi và ngưng tụ bên trong vi ống, thực
nghiệm cho thấy, chế độ lưu động hình xuyến với một màng lỏng bám
trên vách ống luôn xảy ra với tần suất cao hơn các chế độ khác [15, 16,
17, 34]. Do vậy, luận án sẽ lựa chọn chế độ này để xây dựng mô hình
toán, làm cơ sở cho các bước nghiên cứu tiếp theo.
2.2. Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả các quá trình
2.2.1. Các giả thiết ban đầu
Để xây dựng và giải hệ phương trình vi phân giúp xác định chiều
dày màng lỏng hình xuyến, qua đó giúp xác định được hệ số trao đổi
nhiệt đối lưu, cần chấp nhận một số giả thiết như sau:
- Lõi hơi và màng lỏng được xem là đồng chất, đẳng hướng, có
thông số nhiệt vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ;
- Lưu chất trong màng lỏng được xem là chất lỏng Newton;
- Bỏ qua phân bố nhiệt độ và tốc độ trong lõi hơi;
- Bỏ qua nhiệt trở tại bề mặt phân pha lỏng – hơi;
5
- Không xét các quá trình trao đổi chất với hiện tượng khuyếch tán
tại bề mặt phân pha lỏng – hơi;
- Coi nhiệt trở qua màng lỏng hình xuyến (chảy tầng) này do quá
trình dẫn nhiệt gây nên;
- Lưu chất ở sát bề mặt vách ống được xem là không chuyển động;
- Bỏ qua ảnh hưởng của lực trọng trường.
Hình 2.3. Hệ toạ độ trụ và phân tố khảo trong lớp lỏng hình xuyến.
2.2.2. Phương trình vi phân động lượng
Phương trình vi phân động lượng biểu thị sự cân bằng lực cho phân
tố dr x dl, như trình bày trên Hình 2.4. Theo đó, khi bỏ qua lực trọng
trường, các thành phần lực tham gia vào sự cân bằng này chỉ bao gồm các
ứng suất trượt gây ra bởi sự chênh lệch tốc độ giữa bề mặt phân tố đang
xét với các phần tử chất lỏng xung quanh. Trong hệ toạ độ trụ, cân bằng
này được biểu diễn qua biểu thức (2.1), sau đó, được biến đổi thành biểu
thức (2.2).
2π(r + dr) dl (τ + dτ) = 2πr dl τ (2.1)
r τ + r dτ + τ dr + dτ dr = r τ (2.2)
Khi bỏ qua vi phân bậc 2, d dr, biểu thức (2.2) có thể được biến đổi
thành dạng (2.3) với kết quả, được biểu diễn trong biểu thức (2.5).
dτ dr
∫ = −∫ (2.3)
τ r
ln(τ) = ln(C⁄r) (2.4)
τ = C⁄r (2.5)
6
Hình 2.4. Cân bằng lực trong phân tố đang khảo sát .
Nếu giả thiết ứng suất trượt tại mặt phân pha lỏng - hơi, l - h, đã biết,
hằng số tích phân C sẽ được xác định và biểu thức (2.5) có thể được biến
đổi sang dạng (2.6).
R−δ
τ= τ (2.6)
r l-h
Lưu ý rằng, với chất lỏng Newton, có thể biến đổi biểu thức (2.6)
sang dạng (2.10).
(R − δ) τl - h
ωl = ln(C⁄r) (2.10)
μl
Theo điều kiện biên, l = 0 tại r = R, hằng số tích phân C cũng sẽ
được xác định và biểu thức (2.10) có thể viết lại thành dạng (2.11).
(R − δ) τl - h
ωl = ln(R⁄r) (2.11)
μl
Do đó, tốc độ lỏng tại mặt phân pha sẽ được xác định theo (2.12).
(R − δ) τl - h R
ωl - h = ln ( ) (2.12)
μl R − δ
Theo [53], có thể xác định giá trị của l - h dựa vào biểu thức (2.13).
f
τl - h = l - h ρh (ωh − ωl - h )|ωh − ωl - h | (2.13)
2
Với fl - h là hệ số ma sát tại bề mặt phân pha lỏng - hơi, cũng được
xác định theo [53].
7
2.2.3. Phương trình vi phân bảo toàn khối
Hình 2.5. Bảo toàn khối và cân bằng năng lượng trong phân tố đang khảo sát.
Phương trình vi phân bảo toàn khối sẽ được xây dựng cho riêng pha
lỏng và cho toàn bộ dòng môi chất trong vi ống. Đối với phân tố lỏng
hình xuyến có chiều dày  và chiều dài dl, như thể hiện trên Hình 2.5, cân
bằng này được biểu diễn qua biểu thức (2.18), cho quá trình sôi, và biểu
thức (2.19), cho quá trình ngưng tụ. Theo đó, với quá trình sôi, lượng lỏng
sôi đi ra khỏi phân tố, dGe, sẽ bằng sự giảm của lượng lỏng khi đi qua
phân tố. Ngược lại, lượng hơi ngưng tụ đi vào phân tố, dGc, sẽ bằng sự
gia tăng của lượng lỏng khi đi qua phân tố.
Gl (l + dl) = Gl (l) − dGe (2.18)
Gl + dl) = Gl + dGc
(l (l) (2.19)
Đối với toàn bộ dòng môi chất trong vi ống, lưu lượng môi chất đi
qua tiết diện ống bất kỳ sẽ phải bằng tổng lưu lượng của pha lỏng và pha
hơi. Do đó, phương trình bảo toàn khối cho toàn bộ dòng môi chất trong
vi ống, tại tiết diện l và l + dl, có thể được biểu diễn qua biểu thức (2.20),
sau đó, được biến đổi thành dạng chung (2.21).
G = Gl (l) + Gh (l) = Gl (l + dl) + Gh (l + dl) (2.20)
R
G = ρl ∫ 2πrωl dr + ρh π(R − δ)2 ωh (2.21)
R−δ
2.2.4. Phương trình vi phân năng lượng
2.2.4.2. Phương trình vi phân năng lượng cho quá trình sôi
Phương trình vi phân năng lượng biểu diễn cân bằng năng lượng cho
phân tố lỏng sôi  x dl, như thể hiện trên Hình 2.5a. Theo đó, khi bỏ qua
chênh lệch Enthalpy vào/ra phân tố, cân bằng này có dạng như (2.23).
dQe = dGe ilh + dQe,truyền (2.23)
8
Cũng có thể biến đổi công thức (2.23) sang dạng phụ thuộc vào các
đại lượng đặc trưng tương ứng với từng cơ chế truyền nhiệt như trình bày
trong công thức (2.24).
1
dQe = [2πR𝛼e,sôi + ] (tw − th ) dl (2.24)
1 R
ln
2πλl R − δ
Trong công thức (2.24), hệ số trao đổi nhiệt đối lưu đặc trưng cho
dòng nhiệt sôi, e, sôi, thể được xác định dựa trên phương trình tiêu chuẩn
trình bày trong công thức (2.25) [54].
-0,22
Nul = 0,606Rel (2.25)
Đối với toàn bộ dòng môi chất trong vi ống, tổng Enthalpy của pha
lỏng và pha hơi môi chất tại tiết diện l và l + dl sẽ tuân theo quy luật bảo
toàn năng lượng như trình bày trong biểu thức (2.26).
I(l + dl) = I(l) + dQe (2.26)
Đồng thời, tổng Enthalpy của pha lỏng và pha hơi tại tiết diện ống
bất kỳ sẽ được xác định theo biểu thức (2.27).
R
I = ρl ∫ 2πrωl Cpl tl dr + ρh π(R − δ)2 ωh Cph th (2.27)
R−δ
Lưu ý rằng, ở đây, phân bố nhiệt độ trong lớp lỏng hình xuyến (coi
là vách trụ) có thể được xác định theo các biểu thức (2.28).
dQe r
tl = th + ln (2.28)
2π λl dl R − δ
Hệ số trao đổi nhiệt khi sôi ở đây được xác định cho một đơn vị diện
tích bề mặt trong vi ống, do vậy, nó có thể được tính toán theo (2.29).
dQe λl
𝛼𝑒 = = 𝛼e,sôi + (2.29)
2πRdl (tw − th ) R
R ln
R −δ
2.2.4.3. Phương trình vi phân năng lượng cho quá trình ngưng tụ
Tương tự, phương trình vi phân năng lượng cho quá trình ngưng tụ,
khi bỏ qua chênh lệch Enthalpy vào/ra phân tố, có thể được biểu diễn qua
biểu thức (2.31).
dQc = dGc ilh (2.31)
Với lớp lỏng hình xuyến, cũng có thể biểu diễn các dòng nhiệt này
qua các biểu thức (2.32).
th − tw
dQc = dl (2.32)
1 R
ln
2πλl R − δ
9
Đối với toàn bộ dòng môi chất trong vi ống, tổng Enthalpy của pha
lỏng và pha hơi môi chất tại tiết diện l và l + dl sẽ tuân theo quy luật bảo
toàn năng lượng như trình bày trong biểu thức (2.33).
I(l + dl) = I(l) − dQc (2.33)
Đồng thời, tổng Enthalpy của pha lỏng và pha hơi tại tiết diện ống
bất kỳ sẽ được xác định theo biểu thức (2.27), tương tự như đối với quá
trình sôi. Tuy nhiên, ở đây, phân bố nhiệt độ trong lớp lỏng hình xuyến
sẽ được xác định theo biểu thức (2.34).
dQc r
tl = th − ln (2.34)
2π λl dl R − δ
Hệ số trao đổi nhiệt khi ngưng cũng được xác định cho một đơn vị
diện tích bề mặt trong vi ống, do vậy, nó có thể được tính toán theo biểu
thức (2.35).
dQc λl
𝛼𝑐 = = (2.35)
2πRdl (th − tw ) R ln R
R −δ
2.3. Điều kiện biên
Ở đây, chỉ cần xem xét thêm điều kiện biên tại đầu vào ống như trình
bày trong các biểu thức (2.36), cho quá trình sôi, và (2.37), cho quá trình
ngưng tụ.
l = 0, δ = δvào = R (2.36)
l = 0, δ = δvào = 0 (2.37)
2.4. Phương pháp xác định chiều dày lớp lỏng xuyến
Với các biểu thức vừa xây dựng, việc xác định chiều dày lớp lỏng
hình xuyến được thực hiện theo thuật toán trình bày trên Hình 2.6 và 2.7.
10
Hình 2.6. Lưu đồ thuật toán xác định Hình 2.7. Lưu đồ thuật toán xác định
chiều dày lớp lỏng hình xuyến chiều dày lớp lỏng hình xuyến
trong quá trình sôi. trong quá trình ngưng tụ.
11
2.5. Mô hình xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
2.5.1. Mô tả mô hình
Trên cơ sở phương pháp xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến vừa
trình bày, mô hình rời rạc của quá trình sôi và quá trình ngưng tụ bên
trong vi ống ở chế độ hình xuyến đã được xây dựng như trình bày trên
Hình 2.8. Lưu ý rằng, khi áp dụng các công thức, được xây dựng trong
mục 2.2, vào mô hình rời rạc Hình 2.8, ký hiệu vi phân “d” sẽ được
chuyển thành sai phân “”.
Hình 2.8. Mô hình rời rạc các quá trình bên trong vi ống.
2.5.2. Thuật toán xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Hình 2.9 là lưu đồ thuật toán xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
của quá trình sôi và ngưng tụ bên trong vi ống ở chế độ hình xuyến. Theo
đó, lưu đồ bắt đầu bằng việc nhập các thông số hình học, loại môi chất và
các thông số làm việc của vi ống. Tiếp theo, chiều dài phân tố, ∆l, sẽ được
xác định để chuẩn bị cho việc tính toán chiều dày lớp lỏng hình xuyến,
thực chất là thực hiện các chương trình con xây dựng theo các thuật toán
Hình 2.6 và 2.7. Khi chiều dày lớp lỏng hình xuyến đã được xác định, hệ
số trao đổi nhiệt đối lưu tương ứng cũng sẽ được xác định theo các biểu
thức (2.29) và (2.35). Việc tính toán được lặp lại cho tất cả các phân tố
j = ̅̅̅̅̅
1, n , theo số phân tố n đã chọn. Sau khi kết thúc quá trình tính toán
vừa nêu, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình, 𝛼̅, và các dòng nhiệt Qe,
Qc của toàn bộ đoạn vi ống sẽ được tính toán theo các công thức (2.38),
(2.39) và (2.40).
n
1
̅ = ∑ αj
α (2.38)
n
j=1
12
n
Qe = ∑ ∆Qe, j (2.39)
j=1
n
Qc = ∑ ∆Qc, j (2.40)
j=1
Hình 2.9. Thuật toán xác định
hệ số trao đổi nhiệt đối lưu.
CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ
QUÁ TRÌNH SÔI VÀ NGƯNG TỤ TRONG VI ỐNG
3.1. Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm
Thực nghiệm về quá trình sôi và ngưng tụ trong vi ống cần được tiến
hành trên một hệ thống bơm nhiệt thực sự. Bên cạnh đó, nghiên cứu thực
nghiệm cũng cần được tiến hành để đánh giá và, qua đó, hoàn thiện lý
thuyết tính toán đã xây dựng ở Chương 2.
3.2. Hệ thống thực nghiệm
3.2.1. Giới thiệu chung
13
Một hệ thống thực nghiệm đã được xây dựng với những mục đích
như vừa trình bày. Các đại lượng được xác định trực tiếp qua hệ thống
này bao gồm trạng thái môi chất khi vào/ ra vi ống, lưu lượng môi chất
qua vi ống và nhiệt độ bề mặt vách vi ống. Qua đó, dòng nhiệt trao đổi và
hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của quá trình sôi và ngưng tụ bên trong vi ống
sẽ được xác định.
3.2.2. Nguyên lý hoạt động
B2
TĐN 3
B1
Bể chứa nước hằng nhiệt
F
T2a T4a T6a
Tn2 Tn1
T2 T3 T4 T5 T6
T2b T4b T6b
P1 T1 P7 T7
P8 T8
Dàn vi ống thử nghiệm TL 1 TL 2
V5 V8
Ống góp có kính quan sát Ống góp có kính quan sát V6 F1 V7
P9
KÝ HIỆU:
P_x Cảm biến áp suất môi chất B_x Bơm nước tuần hoàn
V4 V3 T_xx Cảm biến nhiệt độ môi chất TĐN_x Dàn trao đổi nhiệt
F_x Cảm biến lưu lượng môi chất TL_x Ống mao tiết lưu TĐN 2
P P
Tn_x Cảm biến nhiệt độ nước Van chặn
TĐN 1 P Đồng hồ áp suất Phin sấy lọc
T Đồng hồ nhiệt độ Kính quan sát
Máy nén môi chất
F Lưu lượng kế
Dòng môi chất (chế độ ngưng tụ)
V1 V2 Dòng môi chất (chế độ sôi)
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt
đối lưu của quá trình sôi và ngưng tụ trong vi ống.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao
đổi nhiệt đối lưu của quá trình sôi và ngưng tụ trong vi ống được trình
bày trên Hình 3.1.
3.2.3. Cấu tạo dàn vi ống thử nghiệm
3.2.3.1. Phần mô hình trao đổi nhiệt
Dàn vi ống thử nghiệm bao gồm 16 ống đồng có chiều dài tổng 820
mm, chiều dài vùng làm việc 700 mm và đường kính trong/ ngoài tương
ứng bằng 1,27/2,00 mm, được nối song song với nhau như trình bày trong
Hình 3.4.
14
Ống góp, Ø 15,88 mm Ống góp, Ø 28,58 mm
Vùng làm việc, 700,0 mm
93,0
93,0
16 ống, đường kính trong/ ngoài 1,27/2,00 mm
Ống góp, Ø 15,88 mm Ống góp, Ø 28,58 mm
Hình 3.4. Cấu tạo dàn vi ống thử nghiệm.
85,0
Khung INOX SUS-304
8,0
Tấm nắp thuỷ tinh hữu cơ, 10 mm
Gioăng Silicon, 3 mm
Khung PVC đỡ 2 đầu dàn ống, 5mm
5,0
Tấm đáy INOX SUS-304, 3 mm
5,0 Kênh dẫn nước Ống dẫn phân phối nước, 83 x 10 mm
16 ống, Ø 1,27/2,00 mm Ống góp nước, Ø 32 mm
Hình 3.5. Cấu tạo kênh dẫn nước bao quanh dàn vi ống thử nghiệm.
Để trao đổi một lượng nhiệt tương ứng trong quá trình sôi và ngưng
tụ, vùng làm việc của 16 ống đồng nối song song này được đặt trong một
kênh dẫn nước tiết diện hình chữ nhật với chiều rộng 85,0 mm và chiều
cao 8,0 mm như mô tả trên Hình 3.5.
Toàn bộ dàn vi ống thử nghiệm với các đường ống dẫn môi chất và
chất tải nhiệt (nước) vào/ ra, cùng với các đặc điểm cấu tạo như vừa trình
bày đã được lắp ráp hoàn chỉnh như thể hiện trên Hình 3.6. Cụm thiết bị
này được thử kín trước khi được kết nối với các thiết bị khác của hệ thống
thực nghiệm.
15
750,0 135,0
14,0
12,5 145,0 145,0 145,0 145,0 145,0 12,5 110,0
24,0
68,0
113,3
Ống góp nước, Ø 32 mm Ống góp nước, Ø 32 mm
Ống góp môi chất, Ø 15,88 mm Ống góp môi chất, Ø 28,58 mm Ống góp nước, Ø 32 mm
Ống góp môi chất, Ø 15,88 mm
700,0
70,0 140,0 140,0 140,0 140,0 70,0
Ống góp nước, Ø 32 mm
Ống góp môi chất, Ø 28,58 mm
135,0
93,0
Khe phân phối nước, 83 x 10 mm Khe phân phối nước, 83 x 10 mm
Ống góp nước, Ø 32 mm
Hình 3.6. Cấu tạo tổng thể dàn vi ống thử nghiệm.
3.2.3.2. Phần cảm biến nhiệt độ bề mặt vách vi ống
Để xác định dòng nhiệt trao đổi, hệ số trao đổi nhiệt cũng như các
thông số hoạt động khác, cần xác định được nhiệt độ bề mặt vách vi ống.
Số lượng, ký hiệu và vị trí của các điểm đo nhiệt độ bề mặt này được thể
hiện trên Hình 3.6. Việc gắn các dây cặp nhiệt này lên vách vi ống được
thực hiện bằng phương pháp hàn thiếc và thể hiện trên các Hình 3.7, 3.8.
Dây cặp nhiệt T (Constantan), Ø 0,0762 mm
Dây cặp nhiệt T (Cu), Ø 0,0762 mm
Thiếc hàn
Vách vi ống, dày 0,365 mm
Hình 3.7. Dây cặp nhiệt gắn trên bề Hình 3.8. Ảnh chụp dây cặp nhiệt
mặt vách vi ống. gắn trên bề mặt vách vi ống.
3.2.4. Hệ thống đo và tự ghi số liệu
Các đại lượng cần xác định trực tiếp bởi hệ thống đo và tự ghi số liệu
được thể hiện trên Hình 3.1 và Hình 3.6.
16
MÔ - ĐUN NGUỒN DC
Nguồn ra: 24V DC 24V DC
220V AC MÀN HÌNH
CẢM ỨNG & GHI SỐ LIỆU
Delta, model: DOP-B03S211
MÔ - ĐUN VI XỬ LÝ PLC
Delta, model: DVP14SS2
Đường truyền RS485
Đến 24V DC
CHUYỂN MẠCH CƠ
T1 - T8 và T2a, T2b, T4a, T4b, T6a, T6b
+
X0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4
- + - + - + - + - + - + -
+
+
Điều khiển máy nén
(14 điểm đo)
-
Y3 +
Đường truyền RS485 nội bộ (Internal BUS)
F1 Y2
-
Y1
Y0
C -
+
-
MÔ - ĐUN ĐO TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ (M01) +
Delta, model: DVP06AD-S
-
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6
- + - + - + - + - + - +
Đến 24V DC
BỘ CHUYỂN ĐỔI +
Tín hiệu nhiệt độ
Cặp nhiệt T P1 P7 P8 P9 Đến CH1, M01 -
(14 điểm đo) Cặp nhiệt T - 4/20 mA
Đến 24V DC
BỘ CHUYỂN ĐỔI
Tín hiệu nhiệt độ
Đến CH1, M02
Cảm biến Pt100 - 0/5 V Tn1
MÔ - ĐUN ĐO TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ (M02)
Delta, model: DVP06AD-S Đến 24V DC
BỘ CHUYỂN ĐỔI
CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 Tín hiệu nhiệt độ
- + - + - + - + - + - + Đến CH2, M02
Cảm biến Pt100 - 0/5 V Tn2
Đến 24V DC
BỘ CHUYỂN ĐỔI
Tn1 Tn2 Tcj Tín hiệu nhiệt độ
Đến CH3, M02
Cảm biến Pt100 - 0/5 V Tcj
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo và tự ghi số liệu.
Luận án đã sử dụng hệ thống đo và tự ghi số liệu theo sơ đồ nguyên
lý trình bày trên Hình 3.9. Theo đó, tổng số 22 kênh tín hiệu điện các loại
đã được hệ thống đo đạc và lưu trữ.
3.2.6. Phương pháp xử lý số liệu
3.2.6.1. Mô hình và yêu cầu tính toán
a) Cho quá trình sôi
a) Cho quá trình ngưng tụ
Hình 3.11. Mô hình tính toán hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
và các đại lượng liên quan.
17
Với mô hình tính toán trình bày trên Hình 3.11, luận án sẽ xác định
dòng nhiệt trao đổi Q, tính trên toàn bộ chiều dài L của vi ống, và hệ số
trao đổi nhiệt đối lưu cục bộ phía môi chất 1,l, và hệ số trao đổi nhiệt đối
lưu trung bình phía môi chất 1, tính cho toàn bộ chiều dài L của vi ống.
3.2.6.2. Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Theo mô hình tính toán Hình 3.11, có thể xác định được dòng nhiệt
trao đổi của mỗi vi ống theo công thức (3.1) sau đây:
Q = G(i1,ra − i1,vào ) (3.1)
a) Cho quá trình sôi b) Cho quá trình ngưng tụ
Hình 3.12. Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ngoài vi ống.
Theo phương pháp trình bày trên Hình 3.12, toàn bộ chiều dài L của
vi ống sẽ được chia thành N đoạn, sao cho dòng nhiệt trao đổi tại tất cả
các đoạn, Qi, đều bằng nhau. Khi giả thiết nước có nhiệt dung riêng không
đổi, nhiệt độ trung bình của nước tại đoạn thứ i sẽ được xác định theo
công thức (3.3).
t2,ra − t2,vào 1
t2,i = t2,vào + × (i − ) (3.3)
N 2
Khoảng cách từ đầu vào vi ống tới đoạn thứ i (tính theo điểm giữa)
có thể được xác định theo công thức (3.4).
i-1
∆li
li = ∑ ∆lj + (3.4)
2
j=1
Với khoảng cách li đã xác định, có thể tính được nhiệt độ bề mặt
ngoài vách vi ống dựa trên hàm mô tả đã biết theo công thức (3.5).
tw2,i = f(li ) (3.5)
Độ chênh nhiệt độ trung bình giữa mặt ngoài của vách vi ống và
nước tại đoạn thứ i có thể được xác định theo công thức (3.6).
∆ti = tw2,i − t2,i (3.6)
18