Luận văn ThS: Trao đổi nhiệt sôi trong ống micro-fin cho môi chất lạnh

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu trao đổi nhiệt khi sôi trong ống micro-fin của môi chất lạnh. Xây dựng phương trình tương quan bằng phương pháp mô phỏng số.

• Tác giả: Tạ Văn Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Bá Chiến
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Phát Triển Phương Trình Tương Quan Hệ Số Trao Đổi Nhiệt Khi Sôi Bên Trong Ống Micro-Fin Của Một Số Môi Chất Lạnh Dựa Trên Mô Hình Dòng Sử Dụng Phương Pháp Số
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm về Trao đổi nhiệt Sôi trong Ống Micro fin

Trao đổi nhiệt sôi trong ống micro-fin là quá trình truyền nhiệt xảy ra khi chất lạnh chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi bên trong các ống có các cánh nhỏ (micro-fin). Đây là một hiện tượng vật lý phức tạp liên quan đến sự thay đổi pha của chất lỏng. Quá trình này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống làm lạnh, điều hòa không khí và các ngành công nghiệp hiện đại. Hệ số trao đổi nhiệt trong trường hợp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lưu lượng khối, tỷ lượng thể tích hơi pha, và đặc tính của môi chất lạnh được sử dụng.

1.1. Định nghĩa và ý nghĩa của quá trình sôi

Quá trình sôi là sự chuyển pha từ lỏng sang hơi với sự hình thành bong bóng khí. Trong ống micro-fin, quá trình này được cải thiện nhờ các cánh hình học đặc biệt giúp tăng diện tích tiếp xúc và cải thiện hệ số trao đổi nhiệt. Ý nghĩa kỹ thuật của quá trình này là nâng cao hiệu suất truyền nhiệt, giảm kích thước thiết bị và tiết kiệm năng lượng trong các ứng dụng công nghiệp.

1.2. Các ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp

Ống micro-fin được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều hòa không khí, tủ lạnh công nghiệp, và máy nén khí. Việc phát triển phương trình tương quan hệ số trao đổi nhiệt cho các chất lạnh như R410A và R32 giúp tối ưu hóa thiết kế thiết bị. Điều này cho phép các kỹ sư cải thiện hiệu suất năng lượng và giảm chi phí vận hành.

II. Phương pháp Nghiên cứu và Mô hình Dòng Chảy

Nghiên cứu về trao đổi nhiệt sôi trong ống micro-fin sử dụng phương pháp số CFD (Computational Fluid Dynamics) để mô phỏng dòng chảy hai pha. Mô hình dòng chảy được xây dựng dựa trên các phương trình Navier-Stokes kết hợp với các mô hình turbulence phù hợp. Thông qua mô phỏng số, các nhà nghiên cứu có thể xác định hệ số trao đổi nhiệt ở các điều kiện làm việc khác nhau như lưu lượng khối 200-320 kg/m²s và tỷ lượng thể tích 0,2-0,85. Dữ liệu từ mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm để xác thực độ chính xác.

2.1. Cơ sở lý thuyết mô hình dòng chảy hai pha

Mô hình dòng chảy hai pha mô tả sự tương tác giữa pha lỏng và pha hơi trong quá trình sôi. Các yếu tố quan trọng bao gồm độ nhớt động học, khối lượng riêng, và căng mặt ngoài. Tỷ lượng thể tích hơi pha ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số trao đổi nhiệt. Mô hình này được áp dụng cho các chất lạnh khác nhau như R410A và R32 để dự đoán hiệu suất trao đổi nhiệt.

2.2. Các thông số và điều kiện thí nghiệm

Các thí nghiệm được tiến hành với lưu lượng khối khác nhau (200, 260, 320 kg/m²s) và tỷ lượng thể tích dao động từ 0,2 đến 0,85. Đường thủy lực ống micro-fin được xác định chính xác để tính toán các số không thứ nguyên như số Reynolds và số Prandtl. Nhiệt độ bão hòa của chất lạnh được đo lường để xác định điều kiện sôi chính xác.

III. Phát triển Phương trình Tương quan Hệ số Trao đổi Nhiệt

Phương trình tương quan cho hệ số trao đổi nhiệt được phát triển dựa trên dữ liệu thu thập từ mô phỏng CFD và thực nghiệm. Các phương trình này thường có dạng hàm số của lưu lượng khối, tỷ lượng thể tích, và các số không thứ nguyên khác. Việc phát triển phương trình tương quan cho phép dự đoán hệ số trao đổi nhiệt một cách nhanh chóng mà không cần mô phỏng số, tiết kiệm thời gian và chi phí tính toán. Những phương trình này có giá trị lớn cho các kỹ sư thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt.

3.1. Phương trình tương quan cho R410A và R32

Phương trình tương quan dành cho R410A và R32 được xây dựng từ dữ liệu thí nghiệm ở các lưu lượng khối khác nhau. Các phương trình này biểu diễn hệ số trao đổi nhiệt (W/m²K) như một hàm của tỷ lượng thể tích (chất lạnh) và các tham số hình học. Sự khác biệt giữa hai chất lạnh phản ánh các đặc tính vật lý khác nhau của chúng.

3.2. So sánh và xác thực kết quả thực nghiệm

Sai số số liệu được tính toán để so sánh giữa dự đoán của phương trình tương quan và kết quả thực nghiệm. Độ chính xác của phương trình tương quan ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của thiết kế thiết bị. Việc xác thực này đảm bảo rằng các phương trình có thể được ứng dụng an toàn trong thực tế công nghiệp.

IV. Ứng dụng và Triển vọng Phát triển Công nghệ

Trao đổi nhiệt sôi trong ống micro-fin có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt hiện đại. Các phương trình tương quan được phát triển có thể được áp dụng để tối ưu hóa thiết kế ống micro-fin cho các chất lạnh mới hoặc các điều kiện làm việc khác. Công nghệ này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng xanh, khi các chất lạnh sơ cấp dần bị thay thế. Nghiên cứu tiếp theo có thể mở rộng sang các chất lạnh khác hoặc các hình học ống phức tạp hơn để đạt hiệu suất tối đa.

4.1. Triển vọng phát triển công nghệ trao đổi nhiệt

Công nghệ ống micro-fin đang phát triển nhanh chóng nhờ nhu cầu nâng cao hiệu suất năng lượng. Việc kết hợp phương trình tương quan với các công cụ thiết kế CAD cho phép tạo ra thiết bị tối ưu hơn. Các chất lạnh thân thiện với môi trường như R32 được ưu tiên nghiên cứu để thay thế các chất lạnh cũ.

4.2. Hướng nghiên cứu tương lai và các thách thức

Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào các chất lạnh mới, các hình học ống phức tạp hơn, và ảnh hưởng của độ nhớt động học đến hiệu suất. Một thách thức lớn là phát triển phương trình tương quan phổ quát có thể áp dụng cho nhiều điều kiện làm việc và nhiều chất lạnh khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

‘TRUONG DAI HOC BACH KHOA HÀ NỘI LUAN VAN THAC Si Phát triển phương trình tương quan hệ số trao đôi nhiệt khi sôi bên trong ống micro-fin của một số môi chất lạnh dựa trên mô hình dòng sử dụng phương pháp số TA VAN TUNG Tung. Ngành: Kỹ thuật nhiệt Giảng viên hướng dẫn: — 15. Nguyễn Việt Dũng Trường: Cơ khí HÀ NỘI, 5/2022 TRUONG BAI IIQC BACIIKIIOA ITA NOL LUẬN VĂN THẠC SĨ Phát triển phương trình tương quan hệ số trao đổi nhiệt khi sôi bên trong ống micro-fin của một số môi chất lạnh dựa trên mô hình dòng sứ dụng phương pháp số TA VAN TUNG ‘Tung.eduva Ngành: Kỹ thuật nhiệt Giảng viên hướng dẫn: T3. Nguyễn Bá Chiến PGS.

Nguyễn Việt Dũng Trường: Cơ khí IIA NỘI, 5/2022 LOT CAM ON Tổ hoàn thành toàn bộ nội đưng luận văn này, em đã nhận được sự chỉ bão và sự giúp đố của các thảy, cê trong Khoa Năng Lượng Nhiệt, Trường Cơ Khi, Dai hoc Bách Khoa Hà Nội. Lời đầu tiền, em xin chan thành cam on ‘TS. Nguyén Ba Chién va PGS. Nguyễn Việt Dũng là giảng viên trực tiếp hướng dẫn em thực hiện nội dung luận.

văn tốt nghiệp, các thấy đã luôn dành nhiều thời gian, công sức giúp đỡ em suốt. quả trình học tập và hoàn thành nội đụng luận văn. Em xin chan thánh cảm ơn các thảy, cô trong Khoa dã giảng dạy em trong quá trình học tập các mỏn học để góp phân hoàn thiện nội dung của luận văn, De hạn chế về kiến thức và thời gian nên trong nội dung luận vănkhông tránh khôi những thiểu sót. Tần kính mong nhận được sự chỉ dẫn và đồng góp của các thay, cô để luận văn được hoàn thiện tốt nhất.

Tác giả Ta Văn Tùng DANH MUC KY HIEU TT | Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị 1 C _—_ Nhiệt dưngriêng JiEg 3 G — Lưulượng khối kgim’.s 3 Dị — Dường thủy lục ông mm 4 g Gia tốc trọng trường mức? 5 đ, — Đường khiitương dương mama 6 @ Chiều cao cảnh trong ẳng micro-fn mm 7 y— Góeđmhoủacánh , 8 B Gócxomle e 9 a, Số lượng cánh - 10 7„ Nhiệt độ bên trong thánh Ống, K 1Ì | Tz„ - Nhiệt dộbão hòa K 12 Tỉ lượng thể tích (lý lê thể tích phá hoipha| — - à _ lỏng môi chấttrong ông) 13 ¡ — Vận tốc dòng môi chất ms 14 | _¿ø — Dệnhét động học của pha lỗng Pas 15 | g„ Độnhớt động học của pha hoi Pas 16 | a Khéi lượngriêng của pha lỏng kgm 17 |p, Khéiluong riéng ota pha hoi kgim 18 | a„ — Khổi lượng riêng của hễnhợp pha lẻng vàhơi | &gím 18 | _ø: _— Sửo cảng mặtngoài của pha lỗng Nim 20 | mœ — Ste cing mat ngoai cita pha hoi Nin 21 bạ, — Hệ sô trao đối nhiệt quả trình sồi mầm. | hy — Hés6 tran dit ohiét hai pha khi sdi Firm? 23 | igre Hé 86 trao déi nhiệt hai pha khi sôi đự đoán Fie a), Hệ số trau đổi nhiệt hái phá khỉ sôi thực | 2m” #2” nghiệm 25 fy Liệ số trao đổi nhiệt cưỡng bức WámK 26 ky — Hệ số dẫn nhiệt của pha lũng, Win.& 27 %— Tiệsôúc chế quả trình sôi mâm - 28 „— Liệ số tắng cường quả trình trao đổi nhiệt - cuống bức 29 i — Entanpi cda pha long klikg 30 | & — Rulanpi cia pha hoi kik vi Hinh 1.23 Phan loai dng theo cac hang số không thứ nguyên.34 Mô lình đông chây hơi phá thường gặp trong ống thẳng đứng 35 Tình 1.35 Mô hình đồng chây hai phá thường gặp trong Ông nằm ngang 26 Hin 2.1 Qua irinh xét ly cia phin mém CFD.1 Dạng hình học của ống raicro-lm sử dụng trong nghiên cứu.2 Sơ đồ mô hình thực nghiệm của nghiên cứu.3 Chỉ tiết mô hình thí nghiệm: - - -.4 Mô hình dòng môi chất trong óng vả chúa lưới.5 Mô hình dòng chảy hai pha của R410A với lưu lượng khói 200 kp/m2s ở tỷ lượng thể tíchøă lân lượt hình (4) ~ (e) là 0,2; 0,4, 0,6 - Al ‘Hinh 3.6 Mé6 hinh dong chay hai pha cba R410A với lưu lượng khdi 200 kp/m?s ở tỷ lượng thể tíchœ lần lượt hinh (a) + (c) là 0,7; 0,8; 0,85.7 Mô hình dòng cháy hai pha của R410A với lưu lượng khối 260 kg/m2s ở tỷ lượng thể tích ø lần lượi hình (a) © (c) 18 0,2, 0,4, 0,6 43 Tình 3.8 Mô hình dòng chay hai pha của R410A với lưu lượng khối 260 kg2n2s ở tỷ lượng thể tích œ lần lượt hình (a) + (e) là 0,7; 0,8; 0,85.9 Mô hình dòng cháy hai pha của R410A với lưu lượng khối 320 kg/m2s ở tỷ lượng é tich a lan lượi hình (a) : (c) là 0,3; 0,4; 0,6 45 Tình 3.10 Mô hinh dong chảy hai pha của R410A với lưu lượng khối 320 kgAn's ở tý lượng thể tích œ lân lượt từ hình (a) + (e) là 0,7; 0,8; 0,85.11 Ban 46 mé hinh dong chay cua R41 0/ Tlinh 3.12 M6 hinh dong chảy hai pha của R32 với lưn lượng khối 200 kp/n’s & tỷ lượng fl ích œ lần lượt hinh (a) + (4) 1a 0,2;, 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,85 48 Tình 3.13 Mô hình động chây hai plá của R32 với lưu lượng khối 260 kgám2s ở tý lượng thể tíchœ lân lượt hình (a) + (Ð) là 0,3; 0,4; 0,6; 0,7; 0,8; 0,85.144 Mô hình đòng chảy hai pha oủa R32 với lưu lượng khối 320 kg/mổs ở tỷ lượng dl hư lấn lượt từ hình (a) + (D là 0,2, 0,4, 0,6, 0,7; 0.15 Bân đỗ mô hình dòng chây của R32.16 Phân bó của kết quả thực nghiệm trên bản để mỏ hình dòng chây của Tôi chật R41 0A.17 So sánh sai số số liệu hệ số trao đối nhiệt thực nghiệm 55 MỤC LỤC CHUONG 1. we n e eeee e ns 1 1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt và ứng đụng trong các ngành công nghiệp .2 Phân loại Ï!3TN. ccc cccxetsevciervieerrerrree 1,2,1 Phân loại theo kiêu thu hải nhiệt/ hoàn nhiệt 1 1.2 Phân loại theo phương thức truyền nhiệt 3 1.3 Phân loại theo cơ chế truyền nhưệt,.

co c5 se 1,2,4 Phân loại theo bồ trí dòng chây - - 3 1,2,5 Phân loại theo cầu trúc hình học.3 Tổng quan các nghiên cứu vé éng micro-fin 7 1.4Mô hình đêng chảy môi chất trong ống vi kênh (miero-charnel) 20 1.1 Tổng quan về mô hình dòng chảy của môi chất sôi trong ảng 20 1.2 Phân loại ống cỏ kich thước thông thường và Ông vi kênh.3 Mô bình dòng chảy lrong ống thông thường và ống vì kênh.5 Mục tiêu hận văn - - 28 CHƯƠNG 2.1 Mô phỏng CED 39 2.2 Mô hình VOI,. XE H gu ggberrưec saseeee, 30 2.3 Phương trình tỷ lượng thể tích (Volume Eraetion).4 Tính chất chật lưu - - - 31 2.5 Phương trình động lượng.6 Phương trình năng lượng - - 32 2.7 Ung suat bé mat 7 33 2.8 Mô hình dòng rối. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KÉT QUA MO PHONG.1 Mô hình nghiên cứu thực nghiệm. 35 3,1,1 Mô tá mô hình thực nghiệm.2 Phương pháp tính.

37 DANH MUC BANG BIEU Bang 1.1 Thông số kỹ thuật của ống trong nghiên cứu .2 Thông số của ống miero-[r ống Irơn trong nghiên cửu.1 So sánh phương pháp CED với phương pháp thí nghiệm Bảng 3.1 Thông số hình học của ống micro-fm trong nghiên cứu.2 Tóm tắt sai số của các thông số Bang 3.3 Thang sé vat ly cia R410A [REFPROP 9 ] Bang 3.4 Thông số dâu vào của mô phống.5 Thông số vật lý của R32 [REFPROP 9 ] Bảng 3.6 Giá trị các hằng số trong phương trình tính hệ số tăng cường trao đổi nhiét l' 6 các mô hình dòng cháy tương ứng,.2 Bài toán mô phông.3 Xây dựng mô hình đòng chấy. nh Hrreerrre Al 3,3,1 Xây dung mé hinh dong chiy efia dang mdi chit R4TOA Al 3.3,2 Xây dụng mô hình đóng chảy của dòng môi chất R32 A? 3.4 Xây dựng mö hinh trong quan cho hệ số truyền nhiệt hai pha đối với môi ˆ0 ". KET IUẬN VÀ KIÊN NGHỊ —- 56 Ki nn. TÀI TU THAM KHÁO Tre re %8 ii CHUONG 1.1 Thiết bị trao đối nhiệt và ứng đựng trong các ngành công nghiệp 'Thiết bị trao đổi nhiệt (TIETDN) là thiết bị trong đó thực hiện các quả trình.

trao đối nhiệt giữa các chất mang nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau. Thiết bị trao dỏi nhiệt có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công, nghiệp truyền thông, cũng như công nghiệp hiện dại như: ứng dụng trong các hệ thống lạnh công nghiệp (hệ thông khi hỏa lống); trong hệ thống HVAC (Hệ thống diễu hòa cho các tỏa nhà cao tẳng, khu trung tâm thương mại, cac may điều hòa dân dụng. ); ing dụng trong công nghệ tàu thúy (thiết bị làm lạnh dầu. trục cam, hệ thống làm lạnh trung tâm bằng nước biển, làm mát dầu.), ứng dung trong ngành công nghệ hóa chất, công nghệ sản xuất giấy; trong ngành.

công nghiệp thực phẩm, để uống (các thiết bị sử đựng để thanh trùng, tiệt trừng, ‘bao quản thực phẩm, để uống); ứng dung trong công nghệ đệt, trong nghành Khí đốt và than đá, ứng dụng trong Công nghiệp điện (thiết bị làm mát dầu tuabin sử đụng nước hổ, nước suối. ), ứng dụng trong hệ thông răng lượng mặt trời. có thế nói khả năng ứng dụng của TBTĐN là vê cùng lớn.2 Phân loại TRTĐN TBTPN được phân loại đựa trên nhiều tiêu chỉ khác rhau, một trong đó có thế được phân loại như sau: 1, Thiết bị thu hồi nhiệt hoàn nhiệt. Phương thức truyền nhiệt: truyền nhiệt trực tiếp, giản tiếp.

Theo cơ chế truyều nhiệt: xuội. pha và hai pha 4L Theo cách bố trí dòng chấy: song song, tgượe nhau và cắt rÌưau 5, Câu trúc hình học của thiết bị: ông, tâm va ting cường bề mat 1,2,1 Phân luại theo kiểu thu hồi nhiệU hoàn nhiệt —| 0) Terre Ride doe kde ele by TRT# kts bow CY nhhệi Linh 1.1 Nguyên lÿ của THIN kiêu thu hôi nhiệt, hoàn nhiệt [1Ƒ TBTDN kiểu thu hổi nhiệt giữa hai môi chất có nguyễn lý dược trình bày như tại Hình 1.1(a), dòng môi chất A thu hỏi một phần nhiệt từ dòng B khi hai đỏng môi chất chuyển động qua nhau. MỤC LỤC CHUONG 1. we n e eeee e ns 1 1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt và ứng đụng trong các ngành công nghiệp .2 Phân loại Ï!3TN.

ccc cccxetsevciervieerrerrree 1,2,1 Phân loại theo kiêu thu hải nhiệt/ hoàn nhiệt 1 1.2 Phân loại theo phương thức truyền nhiệt 3 1.3 Phân loại theo cơ chế truyền nhưệt,. co c5 se 1,2,4 Phân loại theo bồ trí dòng chây - - 3 1,2,5 Phân loại theo cầu trúc hình học.3 Tổng quan các nghiên cứu vé éng micro-fin 7 1.4Mô hình đêng chảy môi chất trong ống vi kênh (miero-charnel) 20 1.1 Tổng quan về mô hình dòng chảy của môi chất sôi trong ảng 20 1.2 Phân loại ống cỏ kich thước thông thường và Ông vi kênh.3 Mô bình dòng chảy lrong ống thông thường và ống vì kênh.