Đặt vấn đề Bộ trao đổi nhiệt là thiết bị cung cấp khả năng truyền nhiệt giữa hai hoặc nhiều môi chất ở các nhiệt độ khác nhau. Bộ trao đổi nhiệt ống cánh là một trong những bộ trao đổi nhiệt được sử dụng nhiều nhất, được thực hiện trong các ứng dụng công nghiệp đa năng chẳng hạn như hệ thống điều hòa không khí, điện lạnh, tản nhiệt ô tô, nhà máy điện… Tốc độ truyền nhiệt và tổn thất áp suất là những thông số quan trọng và đặc trưng cho hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt ống có cánh. Những đại lượng trên chỉ xác định được thông qua thực nghiệm. Một trong những khó khăn trong việc sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống cánh là việc truyền nhiệt hiệu quả khi sử dụng môi chất là không khí, do hệ số trao đổi nhiệt phía không khí thấp.
Cần phải tổ chức thực nghiệm để tìm hiểu về vấn đề này. Ta thấy được việc xây dựng mô hình bộ kiểm tra là cần thiết. Vì vậy, nhóm chúng em chọn đề tài “Chế tạo và thử nghiệm bộ kiểm tra đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt ống cánh” để thực hiện. Ngoài ra, đề tài này cũng liên quan đến chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt mà chúng em đang theo học.
Quá trình thực hiện đề tài sẽ giúp chúng em ứng dụng những kiến thức lý thuyết đã học vào thực tiễn, ôn tập và củng cố những kiến thức đã học, đồng thời rút ra những kinh nghiệm thực tiễn trước khi ra trường. Tổng quan về nghiên cứu thực nghiệm kênh gió Một số nghiên cứu, thực nghiệm điều tra đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt bằng cách sử dụng bộ test kênh gió trên thế giới: J S. Ghosal và các cộng sự thực nghiệm trên bộ trao đổi nhiệt với cánh phẳng (chiều cao cánh 4 mm, khoảng cách 2.5 mm) và cánh sóng (chiều cao 6 mm, khoảng cách 3 mm) và cho rằng cánh sóng cải thiện hiệu quả nhiệt nhưng tăng trở lực, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu hiệu quả nhiệt cao[4]. Holman đã thực hiện thí nghiệm trên bộ trao đổi nhiệt ống cánh tiêu chuẩn với cánh cao 3 mm, khoảng cách giữa các cánh là 2 mm để phân 4 tích chi tiết hiệu suất nhiệt động lực học và các phương pháp tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt[5].
Shah và cộng sự nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 6 mm, khoảng cách giữa các cánh là 3 mm và đưa ra các nguyên tắc thiết kế tối ưu, đảm bảo hiệu suất nhiệt cao và giảm thiểu tổn thất áp lực[6]. Sparrow và cộng sự thí nghiệm trên bộ trao đổi nhiệt với cánh phẳng (chiều cao cánh 5 mm, khoảng cách 3 mm) và cánh sóng (chiều cao 7 mm, khoảng cách 4 mm) , dẫn đến kết luận cánh sóng cung cấp hiệu quả truyền nhiệt tốt hơn nhưng cũng tăng tổn thất áp lực so với cánh phẳng[7]. Bejan và cộng sự nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 4 mm, khoảng cách giữa các cánh là 2 mm để đề xuất các phương pháp thiết kế nhằm tối ưu hóa hiệu suất nhiệt và giảm tổn thất áp lực[8]. O'Halloran và cộng sự thực nghiệm trên bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 6 mm, khoảng cách giữa các cánh là 3 mm để phân tích ảnh hưởng của lưu lượng đến hiệu suất nhiệt và tổn thất áp lực, nhấn mạnh sự quan trọng của việc cân bằng giữa hai yếu tố này[9].
Wong và các cộng sự đã thí nghiệm trên bộ trao đổi nhiệt với các cấu trúc cánh khác nhau (chiều cao cánh từ 4 mm đến 8 mm, khoảng cách từ 2 mm đến 5 mm) và kết luận rằng thiết kế cánh cao hơn và khoảng cách lớn hơn tăng hiệu quả truyền nhiệt nhưng cũng tăng tổn thất áp lực[10]. Smouse và cộng sự nghiên cứu trao đổi nhiệt với cánh cao 5 mm, khoảng cách giữa các cánh là 3 mm và chỉ ra rằng truyền nhiệt và tổn thất áp lực phụ thuộc vào cấu trúc và kích thước của cánh, cần phải cân nhắc kỹ lưỡng khi thiết kế[11]. Yarin và các cộng sự nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 7 mm và khoảng cách giữa các cánh là 4 mm và đưa ra kết luận hiệu suất truyền nhiệt tăng đáng kể với kích thước cánh lớn, tuy nhiên tổn thất áp lực cũng tăng theo[12]. Yang và các cộng sự nghiên cứ bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 6 mm và khoảng cách giữa các cánh là 2.5 mm và kết luận: tối ưu hóa kích thước cánh giúp cải thiện hiệu suất nhiệt và giảm tổn thất áp lực trong các ứng dụng làm mát[13].
Sharif và các cộng sự đã nghiên cứu trên bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 5 mm và khoảng cách giữa các cánh là 2.5 mm và cải thiện đáng kể hiệu suất truyền nhiệt khi tăng chiều cao cánh, nhưng cần kiểm tra kỹ lưỡng tổn thất áp lực[14]. Kim và cộng sự đã nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 4 mm và khoảng cách giữa các cánh là 3 mm và kết luận rằng kích thước cánh tối ưu giúp cải thiện hiệu suất nhiệt và giảm thiểu tổn thất áp lực[15]. Kraus và cộng sự đã nghiên cứu trên bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 6 mm và khoảng cách giữa các cánh là 2 mm, phân tích kỹ thuật giúp tối ưu hóa hiệu suất nhiệt và quản lý tổn thất áp lực trong các ứng dụng 5 công nghiệp[16]. Webb và cộng sự đã thực hiện thí nghiệm trên bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 5 mm và khoảng cách giữa các cánh là 3 mm và kết luận rằng thiết kế tối ưu giúp đạt được hiệu suất truyền nhiệt cao và giảm tổn thất áp lực[17].
Li và cộng sự đã thực nghiệm trên bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 7 mm và khoảng cách giữa các cánh là 4 mm và kết luận hiệu suất nhiệt cao nhưng cần thiết kế lại để giảm tổn thất áp lực[18]. Wong và cộng sự đã thí nghiệm trên bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 6 mm và khoảng cách giữa các cánh là 3 mm và kết luận kích thước trên đạt được sự cân bằng tốt giữa hiệu suất nhiệt và tổn thất áp lực cho các ứng dụng làm mát công nghiệp[19]. Shuja và các cộng sự đã nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt với cánh cao 5 mm và khoảng cách giữa các cánh là 2 mm và kết luận thiết kế này tối ưu cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất truyền nhiệt cao với tổn thất áp lực tối thiểu[20]. Mục tiêu đề tài - Chế tạo bộ kênh gió để thực nghiệm khảo sát đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt ống cánh.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán hệ số truyền nhiệt và tổn thất áp suất. - Thực nghiệm xác định đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất thiết bị trao đổi nhiệt ống cánh. - Mô phỏng trường vận tốc và áp suất qua lưu lượng kế orifice. Phạm vi nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo bộ kênh gió.
- Thực nghiệm xác định hệ số truyền nhiệt và tổn thất áp suất thiết bị trao đổi nhiệt ống cánh với kích thước 18x21x4. - Mô phỏng trường vận tốc và áp suất qua lưu lượng kế. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu về chế tạo và thử nghiệm bộ kiểm tra đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt đòi hỏi một phương pháp tiếp cận hệ thống và toàn diện. Để đạt được mục tiêu này, nghiên cứu sẽ được tiến hành theo các bước chính sau: nghiên cứu lý thuyết, thiết kế và mô phỏng, chế tạo thiết bị, và thử nghiệm, phân tích kết quả.
Tham khảo tiêu chuẩn Trước tiên, chúng em tiến hành nghiên cứu và tham khảo các tiêu chuẩn quốc tế và trong nước liên quan đến thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị trao đổi nhiệt ống cánh. Các tiêu chuẩn này bao gồm các quy định về vật liệu, kích thước, cấu trúc, và các phương pháp đo lường đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất. Việc tham khảo tiêu chuẩn giúp đảm bảo rằng quá trình nghiên cứu và chế tạo tuân thủ các quy định kỹ thuật và an toàn, đồng thời đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của các kết quả thử nghiệm. Chế tạo mô hình: Dựa trên các tiêu chuẩn và lý thuyết đã nghiên cứu, chúng em tiến hành thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị trao đổi nhiệt ống cánh.
Quá trình này bao gồm việc lựa chọn vật liệu phù hợp, tính toán kích thước và hình dạng của các chi tiết và lắp ráp các thành phần để tạo ra mô hình hoàn chỉnh. Mô hình này được chế tạo nhằm mô phỏng điều kiện thực tế và tạo ra môi trường thích hợp cho các thí nghiệm đo lường đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất. Thực nghiệm: Sau khi hoàn thành việc chế tạo mô hình, chúng em tiến hành các thí nghiệm để đo lường và đánh giá các đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của thiết bị trao đổi nhiệt ống cánh. Các thí nghiệm này bao gồm việc điều chỉnh các điều kiện vận hành, ghi nhận dữ liệu và phân tích kết quả để xác định hiệu suất truyền nhiệt và mức độ tổn thất áp suất trong thiết bị.
Các dữ liệu thu thập được sẽ được so sánh với các lý thuyết và mô hình tính toán trước đó, từ đó rút ra kết luận và đề xuất các biện pháp cải tiến thiết kế. Bằng việc kết hợp tham khảo tiêu chuẩn, chế tạo mô hình và thực nghiệm, đề tài này không chỉ đảm bảo tính khoa học và chính xác mà còn mang lại những kết quả thực tiễn quý báu, góp phần nâng cao hiệu quả và chất lượng của các thiết bị trao đổi nhiệt trong ứng dụng thực tế. 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu về kênh gió Hình 2.
Sơ đồ cấu tạo bộ thí nghiệm kênh gió Các bộ phận, thiết bị có trên kênh gió: 1- Đầu vào của kênh gió ( không khí đi vào bộ trao đổi nhiệt ). 2- Cánh hướng dòng. 3- Trạm đo nhiệt độ không khí đi vào TBTĐN. 4- Điểm đo áp suất của không khí đi vào TBTĐN.
5- TBTĐN dạng ống cánh. 6- Điểm đo áp suất của không khí đi ra khỏi TBTĐN. 7- Trạm đo nhiệt độ không khí đi ra khỏi TBTĐN. 8- Bắt đầu phần kênh gió đi qua tấm orifice.
9- Điểm đo áp suất của không khí đi vào tấm orifice. 11- Điểm đo áp suất của không khí sau khi đi qua tấm orifice. 8 12- Điểm đo nhiệt độ của nước đi vào TBTĐN. 13- Điểm đo nhiệt độ của nước đi ra khỏi TBTĐN.
15- Đồng hồ đo lưu lượng nước.