CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Tính cấp thiêt của đề tài. Công nghiệp năng lượng là một trong những ngành kinh tế quan trọng và cơ bản của một quốc gia.
Nền sản xuất hiện đại chỉ có thể phát triển nhờ sự tồn tại của ngành năng lượng. Là động lực cho các ngành kinh tế, công nghiệp năng lượng được coi như bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống cơ sở hạ tầng sản xuất. Việc phát triển ngành công nghiệp này kéo theo hàng loạt các ngành công nghiệp khác như công nghiệp cơ khí, công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngành công nghệ Kỹ thuật nhiệt cũng đang từng bước cải thiện để đáp ứng các nhu cầu trong công nghiệp cũng như trong đời sống.
Ngày nay, các ngành kỹ thuật đang đóng vai trò chủ chốt trong công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa của đất nước. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngành kỹ thuật nhiệt cũng đang từng bước cải thiện để đáp ứng các nhu cầu trong công nghiệp cũng như đời sống. Một trong những vấn đề được các nhà nghiên cứu để tâm nhất hiện nay đó là vấn đề về kích thước của các thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống. Thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điều hòa không khí cho hệ thống điều hòa không khí, bơm nhiệt, hệ thống lạnh cho phần lớn các chung cư, trung tâm thương mại, hệ thống công nghiệp.
Thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống với mục đích đó là dàn bay hơn, dàn ngưng tụ, hầu hết các thiết bị trao đổi nhiệt hiện nay là loại ống đồng cánh nhôm, thông số kích thước tùy thuộc theo công suất. Vì kích thước bộ trao đổi nhiệt lớn nhưng công suất thì không cao, dựa vào đặc điểm này người ta đã chế tạo ra bộ trao đổi nhiệt kênh mini với kích thước nhỏ gọn nhưng hệ số truyền nhiệt tăng lên, giá thành thấp hơn. Tản nhiệt kênh mini dường như công nghệ làm mát đáng tin cậy nhất do nó vượt trội hơn về khả năng mang nhiệt. Từ đó việc sử dụng các thiết bị giải nhiệt có kích thước mini có đặc điểm như hiệu suất truyền nhiệt cao, tiết kiệm chi phí sản 1 Báo cáo đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung xuất, tiết kiệm không gian, làm giảm các tác nhân gây hiệu ứng nhà kính, phá hủy tầng ozon đã được phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây.
Nắm bắt được những yêu cầu đó, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng của sản phẩm theo nhiều chiều hướng khác nhau. Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện để có thể thu hẹp được kích thước và khả năng chiếm diện tích của thiết bị mà vẫn có hiệu quả tốt, chi phí chế tạo, lắp đặt hợp lý. Trong những năm đầu thế kỷ 21, công nghệ mini được rất nhiều nhà khoa học áp dụng nghiên cứu vào những bộ trao đổi nhiệt và kết quả thu được ngày càng tốt hơn như khả năng trao đổi nhiệt tăng lên, kích thước của những bộ trao đổi nhiệt giảm xuống, hiệu suất truyền nhiệt ngày càng cải thiện. Đây là chìa khóa để phát triển sản xuất những bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn có hiêu suất cao đáp ứng tốt yêu cầu của người tiêu dùng ở nhiều lĩnh vực khác nhau.
Nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini đòi hỏi cần có những nghiên cứu về các đặc tính, hình dạng, kích thước, quá trình chuyển pha trong kênh mini, hệ số tỏa nhiệt đối lưu. Để tiếp nối những nghiên cứu trước đây, nhóm em đã nghiên cứu quyết định tìm hiểu và nghiên cứu hệ số tỏa nhiệt đối lưu thiết bị bay hơi kênh mini công suất 250W. Từ đó, sẽ đưa ra những quan điểm, phương pháp góp phần tối ưu hóa cho khả năng bay hơi của bộ thiết bị trao đổi nhiệt kênh mini. Tổng quan các nghiên cứu.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Bertsch và cộng sự [1] đã thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm để khảo sát các đặc tính sôi của dòng chảy bao gồm cả hệ số truyền nhiệt. Họ đã thử nghiệm dòng chất làm lạnh sôi trong 2 kênh siêu nhỏ với đường kính thủy lực 1,09 và 0,54 mm. Họ phát hiện ra rằng sự truyền nhiệt của R-134 a trong chế độ sôi dòng chảy cao hơn so với chế độ một pha.
Ngoài ra, hệ số truyền nhiệt sôi của dòng chảy tăng khi thông lượng nhiệt tăng và đường kính thủy lực nhỏ hơn mang lại hệ số truyền 2 Báo cáo đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung nhiệt cao hơn. Họ cũng so sánh kết quả thí nghiệm của họ với các dự đoán từ các mối tương quan khác nhau, điều này đã chỉ ra sự đồng ý với chỉ một số mối tương quan như Cooper (1984). Wang và các cộng sự [2] đã tiến hành những cuộc thí nghiệm nhằm phân tích ảnh hưởng của chất bôi trơn đến hiệu suất truyền nhiệt đối với chất làm lạnh thông thường và chất làm lạnh tự nhiên R-744. Các thông số khác nhau ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt chịu chất bôi trơn, như nồng độ dầu, thông lượng nhiệt, thông lượng khối lượng, lượng hơi, cấu hình hình học, nhiệt độ bão hòa, nhiệt động lực và tính chất chuyển động đều được nghiên cứu trong thí nghiệm của nhóm.
Nhóm nghiên cứu cố gắng tóm tắt xu hướng chung của chất bôi trơn trên hệ số truyền nhiệt và cũng để xây dựng sự khác biệt của một số nghiên cứu không nhất quán. Chất bôi trơn có thể tăng hoặc giảm hiệu suất truyền nhiệt tùy thuộc vào nồng độ dầu, sức căng bề mặt, hình học bề mặt. Santosa và các cộng sự [3] đã tiến hành khảo sát các hệ số truyền nhiệt và môi chất làm lạnh thông thường trong các ống xoắn bằng cách sử dụng mô hình động lực học tính toán (Computational Fluid Dynamics, viết tắt là CFD). Kết quả từ mô hình đã được so sánh với các phép đo thực nghiệm cho thấy một khe ngang trên vây giữa hàng đầu và hàng thứ hai của ống dẫn có thể làm tăng tỷ lệ nhiệt thải của thiết bị ngưng tụ từ 6% đến 8%.
Điều này có thể dẫn đến diện tích truyền nhiệt, diện tích trao đổi nhiệt nhỏ dẫn đến một lượng nhiệt thải nhất định hoặc là thấp hơn với phía áp suất cao và hiệu quả cao hơn cho hệ thống làm lạnh. Kết quả của quá trình truyền nhiệt là nguồn tài liệu quý giá cho các nhà nghiên cứu và sản xuất CO2 hoặc các dàn trao đổi nhiệt. Zhang và các cộng sự [4] đã tiến hành thiết kê mô hình động lực học lưu chất của máy làm mát CO2 dạng ống có cánh cho hệ thống lạnh. Bộ làm mát khí CO2 dạng ống có vai trò quan trọng đối với sự hoàn hảo của hệ thống và do đó cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng.
Để đạt được điều này, các điều kiện vận hành khác nhau được dự đoán và phân tích bằng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng tính toán động lực học (Computational Fluid Dynamics, viết tắt là CFD). Đáng chú ý là mô 3 Báo cáo đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung hình CFD có thể thu được chính xác các hệ số truyền nhiệt cục bộ của không khí và môi chất lạnh. Ajith Krishnan và các cộng sự [5] cũng được thực nghiệm coi là sự sôi dòng chảy theo phương thẳng đứng lên và xuống như cũng như dòng chảy ngang với sự gia nhiệt riêng biệt từ bên trên và bên dưới trong một kênh micro đơn (microgap) với chiều rộng 20 mm và chiều cao 0,2 mm và thông lượng khối lượng là 303, 610 và 911 kg / m2s. Một lần nữa, người ta thấy rằng định hướng kênh ảnh hưởng rất ít đến hệ số truyền nhiệt.
Trước đây, điều này được cho là do thông lượng khối lượng tương đối cao, dẫn đến tương tác giữa thành bong bóng không đáng kể. Law và các cộng sự [6] đã trình bày các thí nghiệm đun sôi dòng chảy trong một thiết bị bay hơi vi kênh có rãnh xiên, có vây được chế tạo bằng các vết cắt xiên tại các vị trí cụ thể. Người ta nhận thấy rằng sự sôi nucleate là cơ chế truyền nhiệt chiếm ưu thế ở nhiệt độ thấp thông lượng, và sự sôi đối lưu chiếm ưu thế ở nhiệt độ trung bình chất trợ dung. Nghiên cứu so sánh với thiết bị bay hơi dạng vây thẳng cho thấy sự gia tăng đáng kể trong độ trễ HTC và CHF.
Liên tục phát triển các màng mỏng trong vùng sôi đối lưu được cho là yếu tố chính. Sumith và các cộng sự [7] đã thực hiện một thí nghiệm để nghiên cứu sự truyền nhiệt của dòng sôi trong một kênh thẳng đứng với đường kính trong là 1,45 mm. Người ta kết luận rằng cơ chế truyền nhiệt đã lệch khỏi sự sôi của sự sôi bọt và gần giống với sự đối lưu cưỡng bức với sự bay hơi khi kiểu dòng chuyển sang dòng hình khuyên. Ngoài ra, sự sôi bọt vẫn có thể tiếp tục ngay cả trong màng chất lỏng của dòng hình khuyên lượn sóng khi màng chất lỏng đủ dày.
Đối tượng của nghiên cứu này là nghiên cứu các cơ chế truyền nhiệt sôi dòng giữa các kênh thông thường và kênh mini với các điều kiện làm việc khác nhau. Liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu mô phỏng số học về sự chuyển đổi chế độ bay hơi của môi chất trong kênh micro. Liu cùng cộng sự [8] đã nghiên cứu số học sự chuyển đổi từ dòng chảy chậm đến dòng chảy hình khuyên khi sôi đối lưu dưới mật độ dòng nhiệt cao trong kênh micro có đường kính 0,4 mm. Lớp biên vận tốc duy trì không đổi ở mật độ khối lượng là 400 kg/m2s, và vách kênh được gia nhiệt 4 Báo cáo đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung với mật độ dòng nhiệt lần lượt là 160, 80 kW/m2.
Tốc độ phát triển của bọt và sự chuyển đổi trạng thái dòng chảy được dự đoán bằng cách so sánh với dữ liệu thực nghiệm một cách khách quan. Ảnh hưởng của sự chuyển đổi được nghiên cứu và nhóm nghiên cứu đã nhận định rằng quá trình chuyển đổi này gây nhiễu loạn lớp biên nhiệt, hơn nữa chúng làm nâng cao hiệu quả của quá trình bay hơi. Liên quan đến ảnh hưởng của hướng đặt đến tổn thất áp suất trong kênh micro , Lee [9] đã nghiên cứu tổn thất áp suất và truyền nhiệt ở thiết bị bay hơi kênh micro được đặt ở những hướng đặt khác nhau dưới tác dụng của lực trọng trường.
