CHƯƠNG 1. Lí do chọn đề tài Hiện nay, kỹ thuật Nhiệt - Điện lạnh đang là ngành có xu hướng không ngừng phát triển cùng với các thiết bị liên quan, các chuyên gia không ngừng nghiên cứu và giới thiệu ra thị trường những sản phẩm sáng tạo. Truyền nhiệt khi sôi là phương pháp truyền nhiệt hiệu quả và sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, nhà máy điện hạt nhân và nhiều hệ thống lạnh khác để được hiệu quả năng lượng cao và ngăn ngừa quá nhiệt. Truyền nhiệt khi sôi hai pha có nhiều ưu điểm nổi bật, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Đầu tiên, hiệu suất trao đổi nhiệt của quá trình này cao hơn so với truyền nhiệt đơn pha, nhờ vào sự thay đổi pha từ lỏng sang hơi, giúp tăng cường sự truyền nhiệt thông qua việc giải phóng và hấp thụ nhiệt ẩn. Thứ hai, truyền nhiệt sôi hai pha cung cấp khả năng kiểm soát nhiệt độ tốt hơn, giữ cho các hệ thống làm việc ổn định và an toàn, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng như làm mát thiết bị điện tử và nhà máy điện hạt nhân. Cuối cùng, nhờ vào sự phát triển của các công nghệ tiên tiến và vật liệu mới như nanofluid giúp cho hiệu suất và tính năng của truyền nhiệt khi sôi hai pha ngày càng được cải thiện, mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng rộng rãi và hiệu quả hơn trong tương lai. Trong nghiên cứu này, chúng em đã tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt khi sôi như: chênh lệch độ quá nhiệt, sức căng bề mặt, góc tiếp xúc, hỗn hợp nước chứa nồng độ nanofluid SiO2 (0,01 – 0,06% thể tích) và thay đổi cấu hình bề mặt gia nhiệt (vị trí, hình dạng, vật liệu của bề mặt gia nhiệt).
Bên cạnh đó, để đáp ứng nhu cầu cao về R&D, các phần mềm nghiên cứu liên quan cũng được phát triển và biết đến rộng rãi, đặc biệt là phần mềm ANSYS WORKBENCH. Đây là phần mềm mô phỏng động lực học chất lỏng với nhiều ưu điểm, cho phép nghiên cứu miễn phí, thuận tiện mà không bị giới hạn về thời gian và không gian. Nếu các bài viết nghiên cứu chỉ dựa trên phân tích lý thuyết và thực nghiệm thì kết quả thu được chỉ đơn giản là những thông số vĩ mô, chúng ta không thể biết chính xác các chi tiết như: phân bố nhiệt độ, vận tốc, áp suất,… hay các cách nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt. Thêm vào đó việc tiến hành thực nghiệm cũng có một số khó khăn liên quan đến chi phí hoặc nguy hiểm nhất định, đe dọa trực tiếp đến tính mạng của con người.
Chính vì thế, việc tiến hành thực 1 hiện mô phỏng CFD là một phương án cấp thiết, giúp cho chúng ta có thể khắc phục những khó khăn trên. Vì vậy chúng em quyết định chọn đề tài là “Nghiên cứu mô phỏng số ảnh hưởng của hình dạng bề mặt đến khả năng trao đổi nhiệt của quá trình sôi bể (pool boiling)” 1. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1. Mục tiêu Mục tiêu của việc mô phỏng là khảo sát ảnh hưởng của sự chênh lệch độ quá nhiệt ∆T = 5÷30°C, sức căng bề mặt 𝜎 tăng từ 0,059N/m lên 0,072N/m, góc tiếp xúc 𝜃 tăng từ 75° lên 90°, sử dụng nanofluid SiO2 với tỷ lệ phần thể tích (0,01 – 0,06% thể tích) và khi thay cấu hình của bề mặt gia nhiệt đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu nhằm hiểu rõ hơn về cách thức mà các ảnh hưởng nêu trên và hạt nano tác động đến quá trình trao đổi nhiệt trong các hệ thống nhiệt.
Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ phần trăm thể tích của chất lỏng nano, nghiên cứu này hướng đến việc xác định mối quan hệ giữa nồng độ hạt nano và hiệu suất truyền nhiệt cũng như mức độ quá nhiệt của tường. Kết quả từ mô phỏng này sẽ cung cấp những dữ liệu quan trọng giúp cải thiện thiết kế và vận hành các thiết bị nhiệt, từ đó đưa ra các chế độ làm việc phù hợp giúp cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt và tăng cường hiệu suất năng lượng. Ngoài ra, việc hiểu rõ ảnh hưởng của chất lỏng nano cũng có thể mở ra những hướng nghiên cứu mới trong việc phát triển các loại chất lỏng làm mát tiên tiến với hiệu suất cao hơn và tính ổn định tốt hơn trong các ứng dụng công nghiệp. Nhiệm vụ Thông qua đề tài này, sinh viên cần đạt được những mục tiêu sau: - Thực hiện mô phỏng dựa trên các thông số ban đầu.
- So sánh, đánh giá kết quả thu được từ mô phỏng với kết quả trong các bài viết liên quan. - Sử dụng phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố thể tích, cường độ, chất lỏng sử dụng đến hiệu suất trao đổi nhiệt. - Đưa ra nhận xét và kết luận. Đối tượng và giới hạn đề tài 1.
Đối tượng Trong đồ án này đối tượng mà chúng em quan tâm đến là sự sôi dạng sôi bể (pool boiling) có cấu hình bề mặt gia nhiệt dạng tấm phẳng và đường ống nằm ngang với lưu chất sử dụng là nước và nanofluid SiO2, nhóm chúng em dùng phương pháp mô phỏng số CFD FLUENT của phần mềm mô phỏng ANSYS WORKBENCH 19. Giới hạn đề tài Đề tài giới hạn về cơ sở lý thuyết của tỏa nhiệt khi sôi và tìm hiểu cơ sở lý thuyết về phương pháp mô phỏng số CFD. Tiến hành mô phỏng số dạng sôi bể (pool boiling) dựa theo bài báo khoa học. Tiến hành các khảo sát ảnh hưởng của sự chênh lệch độ quá nhiệt ∆T = 5÷30°C, sức căng bề mặt 𝜎 tăng từ 0,059N/m lên 0,072N/m, góc tiếp xúc 𝜃 tăng từ 75° lên 90°, sử dụng nanofluid SiO2 (0,01 – 0,06 % thể tích) và khi thay đổi cấu hình của bề mặt gia nhiệt (vị trí, hình dạng, vật liệu).
Tổng quan về quá trình sôi 2. Khái niệm Sôi là quá trình biến đổi từ pha lỏng sang pha hơi xảy ra trong toàn bộ khối chất lỏng. Muốn xảy ra quá trình sôi cần phải có các điều kiện sau: Chất lỏng phải được quá nhiệt đến nhiệt độ Tf nào đó lớn hơn nhiệt độ bão hòa Ts ở áp suất sôi ps, qua kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng độ quá nhiệt ∆T = (Tf - Ts) phụ thuộc vào loại chất lỏng, độ tinh khiết của chất lỏng, áp suất và tính chất bề mặt trao đổi nhiệt. Chất lỏng càng tinh khiết thì độ quá nhiệt ban đầu thường khá cao khi sôi.
Nếu trong chất lỏng có hòa tan các khí (như không khí.) và tồn tại các hạt lơ lửng thì quá trình sôi gần như xảy ra ngay sau khi chất lỏng đạt đến nhiệt độ bão hòa. Điều kiện thứ hai cần thiết để xảy ra quá trình sôi là phải có các tâm hóa hơi, tâm hóa hơi thường tồn tại ở các vùng của bề mặt trao đổi nhiệt có độ mấp mô cao. Đối với những bề mặt trao đổi nhiệt có độ nhẵn bóng rất cao, độ quá nhiệt tương đối lớn, còn những bề mặt nhôm nhám, độ quá nhiệt thấp. Trong phần xét về nguyên lý quá trình sôi chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ hơn những điều kiện để tạo nên tâm sôi vì nó có tác dụng rất quan trọng đối với quá trình này.1 biểu diễn sự phân bố nhiệt độ trong nước sôi ở điều kiện áp suất khí quyển.
Sự phân bố nhiệt độ trong nước khi sôi ở điều kiện áp suất khí quyển [1] 4 Từ đồ thị phân bố nhiệt ta thấy: Nhiệt độ lớp chất lỏng gần sát trên bề mặt gia nhiệt thay đổi tương đối nhiều (giảm từ Tv đến Ts), sau đó gần như không thay đổi trong suốt chiều cao của khối chất lỏng, nhiệt độ trong khối chất lỏng thực tế cao hơn nhiệt độ bão hòa ở áp suất sôi tương ứng một ít, sự chênh lệch nhiệt độ này không đáng kể trong điều kiện tính toán kỹ thuật do đó trên thực tế người ta thường xem nhiệt độ chất lỏng khi sôi bằng nhiệt độ bão hòa ở áp suất sôi. Nguyên lý quá trình sôi Khi chúng ta cấp nhiệt cho chất lỏng qua bề mặt được đốt nóng nên chất lỏng ở sát bề mặt có độ quá nhiệt cao, nếu trên bề mặt có sẵn những tâm hóa hơi thì quá trình sôi của chất lỏng được hình thành. Trong bề mặt đốt nóng ở các tâm sôi bắt đầu xuất hiện các bọt hơi có kích thước rất nhỏ, chúng được xem là những “mầm hơi” để tạo thành pha hơi. Những bọt hơi sau khi sinh ra có thể tồn tại và lớn lên do sự bay hơi của chất lỏng xung quanh vào bọt, hoặc có thể bẹp đi do ngưng tụ của hơi trong bọt.
Các mầm hơi hình thành tâm sôi [1] Điều kiện tồn tại của bọt hơi trong chất lỏng được quyết định bởi sự cân bằng lực lên bề mặt bọt hơi. Những lực đó là lực áp suất của hơi trong bọt, lực áp suất của chất lỏng xung quanh bọt và sức căng bề mặt của bọt hơi. Bọt hơi trong chất lỏng và ở bề mặt vật rắn [1] Đối với bọt hơi dạng hình cầu điều kiện cân bằng của lực đó được thiết lập bởi phương trình Laplace [1]: 2𝜎 ∆𝑝 = 𝑝ℎ − 𝑝𝑓 = (2.1) 𝑅𝑜 Trong đó: ph - áp suất của bọt hơi pf - áp suất của lớp chất lỏng bao quanh bọt 𝜎- sức căng bề mặt của bọt hơi Ro - bán kính tới hạn (hoặc là bán kính bé nhất của bọt hơi lúc mới phát sinh) Nếu ∆𝑝 > 2𝜎/𝑅, tức lực áp suất của hơi trong bọt lớn hơn tổng áp lực tác dụng bên ngoài bọt hơi, khi ấy bọt hơi có thể tồn tại và tiếp tục lớn hơn. Nếu ∆𝑝 < 2𝜎/𝑅, bọt hơi sẽ ngưng tụ và bẹp đi.
Từ phương trình (2.1) chúng ta có thể xác định được bán kính tới hạn Ro của bọt hơi hình cầu. Chúng ta biết rằng hơi trong bọt mới sinh ra là hơi bão hòa có nhiệt độ vùng chất lỏng được quá nhiệt sát vách (tức bằng nhiệt độ bề mặt đốt nóng Tv). Áp suất của hơi trong bọt ph sẽ được xác định theo nhiệt độ của bề mặt vách Tv, còn áp suất của lớp chất lỏng bao quanh bọt hơi pf có thể xem gần đúng bằng áp suất của hơi bão hòa trên bề mặt thoáng và được xác định theo nhiệt độ bão hòa Ts (nghĩa là pf = ps(Ts); ph = ps(Tv)), điều này chỉ cho phép khi chiều cao của chất lỏng trên bề mặt đốt không lớn lắm và khối chất lỏng đó được quá nhiệt so với nhiệt độ bão hòa. Như vậy, có thể được viết dưới dạng sau [1]: 2𝜎 𝑝𝑠 (𝑇𝑣 ) − 𝑝𝑠 (𝑇𝑠 ) = (2.