Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là vấn đề đang được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Một trong những giải pháp của việc này là nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, trong đó việc cải tiến các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro đã và đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, bởi tính ưu việt của nó là có kích thước nhỏ nhưng hiệu suất truyền nhiệt cao và giảm tiêu hao năng lượng đến mức thấp nhất. Các nghiên cứu về quá trình ngưng tụ trong kênh micro hiện nay chưa nhiều, đặc biệt với phương pháp mô phỏng số. Nhằm góp phần bổ sung các kết quả khoa học có giá trị cho lĩnh vực này, tác giả nghiên cứu mô phỏng số quá trình ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro vuông dùng lưu chất là hơi.
Đây là nghiên cứu nền tảng để phát triển tiếp cho các loại môi chất khác cũng như các kích thước khác nhau của các thiết bị ngưng tụ. Do vậy nghiên cứu này vô cùng cần thiết, nó mong đợi cung cấp nhiều kết quả mới trong mô phỏng số dòng hai pha.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu thực hiện.Cùng với tình hình nghiên cứu của thế giới, các nhà khoa học ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu đóng góp về lĩnh vực này và có những thành tích nhất định. Để có thêm cơ sở thực hiện đề tài, các bài báo của các nhà khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài đã được tìm hiểu.1 Nghiên cứu ngoài nước Công nghệ micro 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 những bộ trao đổi nhiệt giảm xuống, hiệu suất truyền nhiệt ngày càng cải thiện. 20 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung Liên quan đến lĩnh vực truyền nhiệt micro, Asadi [1] cũng đã nghiên cứu và đưa ra những kết quả nâng cao hiệu suất nhiệt của kênh micro.
Bằng phương pháp mô phỏng số Xia [2] đã nghiên cứu về hiệu quả của việc sử dụng kênh micro để tăng cường truyền nhiệt.Kết quả nghiên cứu cho thấy khi giảm kích thước đầu vào mỗi kênh thì tốc độ truyền nhiệt tăng lên và tổn thất áp suất cũng giảm đi. Bên cạnh đó, Dang [3] nghiên cứu so sánh truyền nhiệt và tổn thất áp suất của bộ trao đổi nhiệt kênh micro và kênh mini bằng phương pháp mô phỏng số và kiểm chứng với thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nhiệt lượng thu được của kênh micro cao hơn nhiều so với kênh mini tuy nhiên tổn thất áp suất của kênh micro cũng cao hơn kênh mini. Dang [4] đã nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro bằng phương pháp mô phỏng 3D sử dụng phần mềm Comsol, kết hợp với thực nghiệmvới dòng lưu chất một pha bên trong các kênh micro.
Kết quả thu được khi cho nước từ phía nóng của thiết bị có nhiệt độ đầu vào 70oC, lưu lượng khối lượng 0,2503 g/s và nước từ phía lạnh có nhiệt độ đầu vào 21,5oC, lưu lượng khối lượng 0,2906 g/s thì mật độ dòng nhiệt thu được 17,38 x 104 W/m2 (hoặc 17,38 W/cm2). Hơn nữa, nghiên cứu thực nghiệm về tác động của lực trọng trường đến đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của bộ trao đổi nhiệt kênh micro cũng được thực hiện bởi Dang [5]. Kết quả cho thấy rằng, ảnh hưởng của lực trọng trường trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro là không đáng kể và đồng thời sự chênh lệch giữa kết quả mô phỏng số và kết quả thực nghiệm đạt đước thấp hơn 9%. Tuy nhiên, các kết quả trong [3-5] chỉ thực hiện cho dòng một pha.
Ngoài ra, Yu [6] cũng nghiên cứu về đặc tính thủy lực và nhiệt động của kênh micro phân nhánh hình cây bằng cả phương pháp mô phỏng và thực nghiệm. Kết quảvới cùng chi phí đầu tư ban đầu, kênh micro phân nhánh hình cây có hệ số truyền nhiệt cao hơn kênh micro thẳng, đồng thời chỉ số AR của kênh có ảnh hưởng tương đối lớn đến tổn thất áp suất và khả năng truyền nhiệt của cả hai kênh micro phân nhánh và kênh micro thẳng. Từ các nghiên cứu trên ta thấy ngày nay các nhà khoa học trên thế giới cũng đã dần quan tâm nhiều đến các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro bởi ưu điểm nổi 21 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung bật: hiệu quả truyền nhiệt cao mà tổn thất áp suất qua kênh không đáng kể. Tuy nhiên các nghiên cứu trên chỉ dừng lại ở thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro dòng một pha, nên cần có những nghiên cứu cho dòng hai pha.
Về lĩnh vực nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng các đặc tính dòng hai pha, Fossa [7] xây dựng mô hình đơn giản để đánh giá đặc tính dòng chảy và khả năng truyền nhiệt của dòng chảy vòng hai pha. Kết quả, tác giả cung cấp thêm kiến thức về sự tương tác hỗn hợp hai pha lỏng – khí và khả năng truyền nhiệt trong dòng chảy hai pha, dòng chảy vòng và dòng chảy trong điều kiện đẳng nhiệt. Hu và Zhang [8] đã phát triển mô hình chảy rối K để mô phỏng dòng chảy và khả năng truyền nhiệt của dòng hai pha trong thiết bị ngưng tụ bằng phương pháp số. Kết quả cho thấy sự cải thiện rõ rệt khả năng dự đoán chính xác của mô hình so với các nghiên cứu liên quan với cùng giá trị độ nhớt rối không đổi.
Đồng thời để mô tả đặc tính nhiệt động của dòng chảy hai pha trong thiết bị ngưng tụ sử dụng hệ thống lạnh và hệ thống điều hòa không khí Ding và cộng sự [9] đã đề xuất mô hình kết hợp. Kết quả, mô hình vật lý kết hợp với thực nghiệm này có thể dự đoán chính xác các diễn biến nhất thời trong thời gian thực và giảm đáng kể khối lượng tính toán. Ngoài ra, Mirzabeygi và Zhang [10] đã phát triển mô hình số ba chiều để mô phỏng đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trong thiết bị ngưng tụ bằng phương pháp mô phỏng số và tác giả thực hiện so sánh giữa mô hình không gian ba chiều hiện tại với mô hình không gian gần như ba chiều. Kết quả, mô hình số ba chiều được chứng minh khá chính xác khi mô phỏng dòng chảy rối hai pha trong thiết bị ngưng tụ.
Mirzabeygi và Zhang [11] dùng phương pháp số để mô phỏng dòng chày hai pha và khả năng truyền nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, từ đó so sánh, xác định mô hình chảy rối phù hợp nhất và kết quả cho thấy mô hình K SST cho hiệu suất tốt nhất, ít lỗi nhất. Bên cạnh đó, Chen và cộng sự [12] mô phỏng quá trình ngưng tụ của dòng môi chất lạnh FC-72 trong kênh micro hình chữ nhật với đường kính thủy lực 1mm bằng phương pháp số. Kết quả, trong kênh micro pha hơi tạo ra liên tục khi giảm đường kính từ đầu kênh đến cuối kênh, các bọt khí sinh ra định kỳ ở đầu kênh, chiều dài bọt khí tăng lên khi hoặc giảm mật độ dòng nhiệt 22 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung vách làm mát hoặc tăng mật độ khối lượng dòng chảy và nhiệt độ chất lỏng gần bề mặt chuyển tiếp, ở bên dưới đầu ra kênh và lớp chất lỏng mỏng gần bề mặt làm mát đạt nhiệt độ gần bão hòa và kích thước các bọt bong bóng ban đầu tăng lên khi tăng lưu lượng khối lượng hoặc giảm mật độ dòng nhiệt làm mát. Ling và cộng sự [13] dùng phương pháp khối hữu hạn giải các phương trình toán học để mô phỏng trực tiếp trong không gian ba chiều quá trình sôi của dòng chảy trong kênh micro hình chữ nhật.
Kết quả sự kết hợp giữa các bọt bong bóng làm mật độ dòng nhiệt tăng theo thời gian và lớp màng mỏng chất lỏng giữa bong bóng và vách khi sôi trong kênh micro là nguyên do chính làm cho mật độ dòng nhiệt lớn. Về sự ảnh hưởng của hình dáng hình học, Dang và Teng [14] thực hiện nghiên cứu mô phỏng kết hợp thực nghiệm về ảnh hưởng của hình dạng lên hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro. Kết quả của nghiên cứu cho thấy độ dày bề mặt thiết bị ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu suất của thiết bị và hơn nữa sự ảnh hưởng của đường kính thủy lực lên chỉ số hiệu suất là đáng kể. Bên cạnh đó kết quả thực nghiệm còn cho thấy rằng với đường kính thủy lực thấp hơn thì tổn thất áp suất và mật độ dòng nhiệt cao hơn.
Liên quan đến ảnh hưởng của vị trí đầu vào và đầu ra cho hai loại kiểu thiết bị (kiểu I và kiểu S) trao đổi nhiệt kênh micro, mật độ dòng nhiệt và tổn thất áp suất thu được từ kiểu S là cao hơn. Liên quan đến các nghiên cứu về ảnh hưởng của sự phân phối môi chất lạnh trong kênh đến hiệu suất nhiệt và sự lưu động của môi chất Hu và cộng sự [15] đã đánh giá sự ảnh hưởng của việc phân bố dòng môi chất và góc phân phối dòng môi chất hai pha đến hiệu suất bộ trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng bằng phương pháp số. Kết quả tác giả đưa ra phân tích sự ảnh hưởng góc phân phối của dòng môi chất hai pha khi phân bố trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm, từ đó tác giả đề xuất góc phân phối tối ưu 15 o C. Bằng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng Dong và Bean [16] đã nghiên cứu cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi kênh Micro bằng cách tìm ra thiết kế phù hợp , tối ưu cho bộ ống góp đầu vào.
Trong 3 kiểu hình dạng ống góp đầu vào được đánh giá là ống kiểu phân phối, kiểu đơn, kiểu đôi. Kết quả cho thấy ống góp đầu vào kiểu phân phối biểu diễn sự kết hợp, 23 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Đặng Thành Trung phân phối dòng môi chất lỏng một cách đồng đều nhất, khi dòng môi chất có biên dạng đối xứng tốt. Hình dạng ống góp đầu vào kiểu đôi cải thiện đáng kể sự phân phối dòng chảy của môi chất lạnh một cách thống nhất và đối xứng.