CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN 1.1 Tính cầp thiệt của đê tài Trong những thập kỷ qua, các chuyên gia về chất lỏng và truyền nhiệt đã nỗ lực đáng ké dé nghiên cứu quá trình truyền nhiệt khi sôi. Sự sôi và dòng hai pha được tìm thấy trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau như ống nồi hơi, thiết bị bay hơi, điều hòa không khí, làm mát hệ thống điện tử tản nhiệt thông lượng cao, làm mát lò phản ứng hạt nhân, một số quy trình hóa học. Sôi bể là một kiểu đun sôi bao gồm việc đun sôi chất lỏng tĩnh bên trong bể (buồng sôi) và nó có trong ứng dụng công nghiệp nói trên. Đề nâng cao tốc độ truyền nhiệt trong quá trình này, nhiều nỗ lực đã được tập trung vào các nghiên cứu trước đây, để sửa đổi các đặc tính của bề mặt gia nhiệt và sử dụng hỗn hợp các chất lỏng tỉnh khiết khác nhau, trong khi các nghiên cứu khác nghiên cứu ảnh hưởng của chất phụ gia đến quá trình làm việc của chất lỏng.
Với sự phát triển không ngừng của các hệ thống làm mát ứng dụng sự sôi và dòng hai pha mà các hệ thống tản nhiệt đã được tối ưu hơn về hình đạng và kích thước mà còn được nâng cao về khả năng truyền nhiệt và tăng cường tính ổn định của hệ thống. Từ đấy đòi hỏi nhiều sự phức tạp trong nghiên cứu, do đó các phần mềm mô phỏng Computational Fluid Dynamics (CFD) lu6n được cải tién va phat triển với nhiều ưu điểm nổi bật và khắc phục được những khó khăn so với việc nghiên cứu bằng thực nghiệm. Vì vậy chúng em quyết định chọn phương pháp nghiên cứu mô phỏng số CFD dùng phần mềm ANSYS WORKBENCH. Trong quá trình tìm hiểu chúng em thấy rằng chất lỏng có các đặc tính nhiệt hiệu quả bằng cách bổ sung vật liệu rắn có kích thước nano được gọi là chất lỏng nano.
Trong thập kỷ qua đã có rất nhiều nghiên cứu về pool boiling bằng cách sử dụng chất lỏng tỉnh khiết và chất lỏng nano nhưng kiến thức về mô hình hóa sôi bể vẫn còn nhiều hạn chế. Do đó chúng em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng số ảnh hưởng của cấu trúc bề mặt đến khả năng trao đổi nhiệt của quá trình sôi bé (pool boiling)” để có thêm hiểu biết và cái nhìn toàn điện hơn về ngành mình đang học. Bên cạnh đó cũng là cơ sở để chúng em có thê tiếp tục phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu về nhiệt học trong tương lai.2 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài 1.1 Mục tiêu Mô phỏng sôi bê có khối gia nhiệt với bề mặt gia nhiệt trơn đặt nằm ở giữa đáy bể được thực hiện ở miền tính toán 2D hình chữ nhật có kích thước chiều dải, rộng (mm) lần lượt là 300x150. Mục tiêu của nghiên cứu là xem xét sự thay đổi của thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt khi độ quá nhiệt thay đổi từ 5 K đến 30 K đối với nước, sự ảnh hưởng khi sử dụng chất lỏng nanofluid SiO› có nồng độ thê tích 0,01%; 0,02%; 0,05% so với nước, ảnh hưởng của góc tiếp xúc và sức căng bề mặt đến hiệu quả trao đôi nhiệt sau đó so sánh và đánh giá.
Tiếp tục xem xét sự ảnh hưởng đến hiệu quả trao đổi nhiệt của sôi bể có bề mặt gia nhiệt trơn và bề mặt gia nhiệt có cấu trúc với kích thước tương tự ở miễn tính toán 3D. Cuối cùng đưa ra kết luận và kiến nghị cho đề tài.2 Nhiệm vụ - Thiét lập mô hình sôi bể có bề mặt gia nhiệt trơn được đặt ở giữa đáy bể, bể có kích thước dài, rộng, cao (mm) lần lượt là 300x150x150 sau đó khảo sát sự thay đổi của thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt khi độ quá nhiệt thay đổi và khảo sát sự ảnh hưởng khi sử dung chất long nanofluid SiO2 cd nong độ thé tich 0,01%; 0,02%; 0,05% cũng như ảnh hưởng của góc tiếp xúc, sức căng bề mặt đến hiệu quả trao đổi nhiệt trong sôi bể ở miễn tính toán 2D. Tiếp tục xây dựng mô hình sôi bể với bề mặt gia nhiệt trơn và bề mặt gia nhiệt có cầu trúc ở miễn tính toán 3D và đánh giá sự khác nhau hiệu quả trao đổi nhiệt của việc sử dụng bề mặt gia nhiét tron va bề mặt gia nhiệt có cấu trúc. -_ Thực hiện mô phỏng và đọc hiệu kết quả sau khi mô phỏng.
- _ Đánh giá, so sánh và đưa ra kết luận.3 Đối tượng và giới hạn đề tài 1.1 Đối tượng Trong đồ án này đối tượng mà chúng em quan tâm đến là sôi bể có kích thước dài, rong, cao lan lượt là 300 mm; 150 mm; 150 mm có một khối gia nhiệt với bề mặt gia nhiệt tron và bề mặt gia nhiệt có cấu trúc cho bể đường kính là 40 mm nằm ở giữa đáy bể, phương pháp mô phỏng số CFD và phần mềm mô phỏng số ANSYS WORKBENCH 19.2 Giới hạn đề tài Đề tài giới hạn trong việc khảo sát sự thay đổi của thông lượng nhiệt và hệ số tỏa nhiệt với độ quá nhiệt khác nhau. Khảo sát sự ảnh hưởng khi sử dụng chất lỏng nanofluid SiO› có nồng độ thể tích 0,01%; 0,02%; 0,05%, khảo sát sự ảnh hưởng của sức căng bề mặt và góc tiếp xúc đến hiệu quả trao dối nhiệt. Khảo sát sự ảnh hưởng của bề mặt g1a nhiệt có cấu trúc đến hiệu quả trao đổi nhiệt. Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết của trao đổi nhiệt trong sôi bể và tìm hiểu lý thuyết về phương pháp mô phỏng số CFD.
Mô phỏng số sôi bể dựa theo những bài nghiên cứu trước. CHUONG 2 CO SO LY THUYET 2.1 Tổng quan về quá trình sôi 2.1 Khái niệm Sôi là sự chuyên pha nhanh chóng từ lỏng sang khí hoặc hơi, ngược lại của sự sôi là sự ngưng tụ. Sự sôi xảy ra khi một chất lỏng được nung nóng đến điểm sôi, sao cho áp suất hơi của chất lỏng bằng áp suất do không khí xung quanh tác dụng lên chất lỏng. Đun sôi và bay hơi là hai hình thức hóa hơi chất lỏng chính [1].
Bản chất của quá trình sôi liên quan chặt chẽ đến cấu trúc phân tử của nước và tác động của nhiệt độ và áp suất. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng trong hệ thống cũng tăng, làm cho các phân tử nước di chuyển nhanh hơn và phá vỡ liên kết tương tác giữa chúng. Khi áp suất đủ lớn để vượt qua áp suất không khí tác dụng từ môi trường xung quanh, các phân tử nước sẽ thoát ra khỏi bề mặt của chất lỏng và chuyển thành hơi. Điểm sôi của một chất phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, và nó là một đặc tính đặc trưng của từng chất.
Ví dụ, ở mức áp suất tiêu chuẩn (1 atm), nước sôi ở 373 K. Tuy nhiên, ở độ cao, áp suất không khí thấp hơn (như trên núi cao), nhiệt độ cần thiết để nước sôi sẽ thấp hơn.2 Nguyên lý của quá trình sôi Khi chúng ta cung cấp nhiệt cho chất lỏng qua bề mặt được gia nhiệt 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. Trên bề mặt g1a nhiệt 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 đo sự bay hơi của chất lỏng xung quanh vào bọt, hoặc có thể bẹp đi do ngưng tụ hơi trong bọt.
Điều kiên 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 Điều kiện tồn tại của bọt hơi trong chất lỏng được quyết định bởi sự cân bằng các lực tác dụng lên bề mặt bọt hơi. Những lực đó là lực áp suất của hơi trong bọt, lực áp suất của chất lỏng bao chung quanh bọt. Đối với bọt hơi dạng hình cầu, điều kiện cân bằng của các lực đó được thiết lập bởi phương trình Young-Laplace: 2 Ap = pn Pa = 2 (2.1) Voi o: Sirc cang bé mặt.
ph: ap suất của hơi trong bọt. Pa: áp suất của lớp chất lỏng bao quanh bọt. Ro: bán kính tới hạn bé nhất của bọt hơi lúc mới phát sinh. + Nếu Ap > = tức lực áp suất của hơi trong bọt lớn hơn tổng lực tác dụng bên ngoài bọt hơi, hki ấy bọt hơi có thể tồn tại và tiếp tục lớn hơn.
+ Nếu Ap < = bọt hơi sẽ ngưng tụ và bẹp đi. Từ phương trình trên chúng ta có thê xác định được bán kính tới han Ro cua bọt hơi hình cầu. Chúng ta biết rằng hơi trong bọt mới sinh ra là hơi bão hoà có nhiệt độ bằng nhiệt độ vùng chất lỏng được quá nhiệt sát vách (tức bằng nhiệt độ bề mặt gia nhiệt T„). Như vậy áp suất của hơi trong bọt hơi sinh ra pn sẽ được xác định theo nhiệt độ của bề mặt vách Tw, còn áp suất của lớp chất lỏng bao quanh bọt hơi pai có thê xem gần đúng bằng áp suất của hơi bão hòa trên bề mặt thoáng và được xác định theo nhiệt độ bão hòa T;.
Điều này chi cho phép khi chiều cao của mức chất lỏng trên bề mặt gia nhiệt không lớn lắm và khối chất lỏng đó được quá nhiệt so với nhiệt độ bão hòa. Các bọt hơi mới sinh ra nhận nhiệt từ bề mặt đun nóng qua lớp chất lỏng bao quanh bọt hơi, lớp chất lỏng này liên tục bay hơi vào trong bọt làm tăng dần kích thước của bọt hơi. Độ quá nhiệt AT càng tăng thì tốc độ lớn lên của bọt hơi càng tăng, khi áp suất tăng thì tốc độ lớn lên của bọt hơi sẽ chậm lại. Khi kích thước của bọt hơi đủ lớn, lực nâng tác dụng lên bọt hơi trở nên dang ké, nó làm tách bọt hơi khỏi bề mặt gia nhiệt, tiếp ngay sau đấy một lượng chất lỏng khác lại vào trám chỗ mà bọt hơi trước đó vừa tách đi.
Lượng chất lỏng này cũng cần được quá nhiệt cho đến nhiệt độ cần thiết để tạo thành bọt hơi mới. Thời gian ké từ thời điểm tách ly bọt hơi cũ đến thời điểm tách ly bọt mới kế tiếp trên cùng một vị trí của bề mặt gia nhiệt (tức trên cùng một tâm hóa hơn) được gọi là chu kỳ sản sinh bọt hơi (1). Ví dụ: Đối với nước khi sôi trong điều kiện tiêu chuẩn, r = 0,05s.