Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thực nghiệm quá trình bay hơi của nước cấp lò hơi trong kênh micro

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu thực nghiệm quá trình bay hơi của nước cấp lò hơi trong kênh micro, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực

• Tác giả: Nguyễn Huy Vũ
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thành Trung
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Nhiệt – Điện Lạnh, Khoa Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm quá trình bay hơi của nước cấp lò hơi trong kênh Micro
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Nghiên cứu trong nước
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Nội dung nghiên cứu
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Lý thuyết truyền nhiệt
• 1.6.1. Quá trình sôi động bên trong
• 1.6.2. Sự sôi của dòng môi chất hai pha liên quan đến quá trình bay hơi
• 1.6.3. Nhiệt độ trung bình Logarit
• 1.6.4. Dòng nhiệt truyền qua thiết bị
• 1.6.5. Mật độ dòng nhiệt
• 1.6.6. Hệ số truyền nhiệt tổng
• 1.6.7. Hiệu suất truyền nhiệt
• 1.6.8. Tổn thất áp suất
• 2. THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 2.1. Tính toán và thiết kế mô hình thí nghiệm
• 2.2. Thiết lập mô hình thực nghiệm
• 2.3. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.3.1. Bơm Jasco: PU – 2087 plus
• 2.3.2. Tháp gia nhiệt
• 2.3.3. Cân điện tử
• 2.3.4. Bộ điều chỉnh công suất
• 2.3.5. Bộ xử lý tín hiệu MX - 100
• 2.3.6. Bộ số hóa tín hiệu áp suất
• 2.3.7. Đồng hồ đa năng
• 2.3.8. Thiết bị đo nhiệt độ EXTECH 421509
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Gia nhiệt kênh micro bằng hai điện trở
• 3.2. Quá trình sinh hơi quá nhiệt của nước cấp lò hơi
• 3.3. Nước cấp lò hơi– mẫu A
• 3.4. Nước cấp lò hơi – Mẫu B
• 3.5. Nước cấp lò hơi – Mẫu C
• 3.6. Nước cấp lò hơi – Mẫu mini A
• 3.7. Ảnh hưởng của kích thước kênh đến quá trình bay hơi
• 3.8. Hiệu suất quá trình bay hơi kênh micro
• 3.9. Hiệu suất của kênh mini so với kênh micro
• 3.10. Ảnh hưởng của lưu chất đến mật độ dòng nhiệt
• 3.11. Ảnh hưởng của lưu chất đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu
• 3.12. Ảnh hưởng của lưu chất đến hệ số truyền nhiệt tổng
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về quá trình bay hơi nước cấp lò hơi trong kênh micro

Quá trình bay hơi nước cấp lò hơi trong kênh micro là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ nhiệt. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của lò hơi mà còn đóng góp vào việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Kênh micro, với kích thước nhỏ gọn, cho phép tăng cường hiệu quả truyền nhiệt, từ đó nâng cao hiệu suất bay hơi. Việc hiểu rõ về quá trình này sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành các thiết bị bay hơi.

1.1. Đặc điểm của kênh micro trong quá trình bay hơi

Kênh micro có kích thước nhỏ, thường từ 10 đến 1000 micromet, cho phép tăng cường hiệu suất truyền nhiệt. Đặc điểm này giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng cường khả năng bay hơi của nước cấp lò hơi. Nghiên cứu cho thấy rằng, với kích thước kênh nhỏ, quá trình truyền nhiệt diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu quá trình bay hơi

Nghiên cứu quá trình bay hơi nước cấp lò hơi trong kênh micro không chỉ giúp cải thiện hiệu suất lò hơi mà còn có ý nghĩa lớn trong việc phát triển công nghệ tiết kiệm năng lượng. Việc tối ưu hóa quá trình này có thể dẫn đến việc giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu quá trình bay hơi

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu quá trình bay hơi, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức cần giải quyết. Các vấn đề như tổn thất áp suất, hiệu suất truyền nhiệt và sự ổn định của dòng chảy trong kênh micro vẫn là những điểm cần được nghiên cứu sâu hơn. Những thách thức này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của lò hơi và cần được khắc phục để tối ưu hóa thiết kế.

2.1. Tổn thất áp suất trong kênh micro

Tổn thất áp suất là một trong những vấn đề lớn trong quá trình bay hơi. Khi nước bay hơi trong kênh micro, áp suất có thể giảm đáng kể, ảnh hưởng đến hiệu suất của lò hơi. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định nguyên nhân và cách khắc phục tổn thất áp suất này.

2.2. Hiệu suất truyền nhiệt và sự ổn định dòng chảy

Hiệu suất truyền nhiệt trong kênh micro có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm kích thước kênh, tốc độ dòng chảy và tính chất của nước. Sự ổn định của dòng chảy cũng là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng bay hơi và hiệu suất tổng thể của lò hơi.

III. Phương pháp nghiên cứu quá trình bay hơi nước cấp lò hơi

Để nghiên cứu quá trình bay hơi nước cấp lò hơi trong kênh micro, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm thí nghiệm thực nghiệm, mô phỏng số và phân tích lý thuyết. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc kết hợp chúng sẽ giúp đạt được kết quả chính xác hơn.

3.1. Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm

Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm cho phép thu thập dữ liệu thực tế về quá trình bay hơi. Các thiết bị thí nghiệm được thiết kế đặc biệt để đo lường các thông số như nhiệt độ, áp suất và lưu lượng. Kết quả từ thí nghiệm sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc tối ưu hóa thiết kế lò hơi.

3.2. Mô phỏng số trong nghiên cứu

Mô phỏng số là một công cụ mạnh mẽ trong nghiên cứu quá trình bay hơi. Bằng cách sử dụng các phần mềm mô phỏng, các nhà nghiên cứu có thể dự đoán hiệu suất của lò hơi trong các điều kiện khác nhau mà không cần thực hiện thí nghiệm thực tế. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng quá trình bay hơi nước cấp lò hơi trong kênh micro có hiệu suất cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, với cùng một điều kiện, kênh micro có khả năng truyền nhiệt tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu suất bay hơi. Những kết quả này có thể được ứng dụng trong thiết kế và vận hành các thiết bị bay hơi hiện đại.

4.1. Hiệu suất truyền nhiệt trong kênh micro

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng hiệu suất truyền nhiệt trong kênh micro cao hơn so với các kênh lớn hơn. Điều này cho thấy rằng việc sử dụng kênh micro có thể giúp tiết kiệm năng lượng và tăng cường hiệu quả của lò hơi.

4.2. Ứng dụng trong thiết kế lò hơi

Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thiết kế lò hơi mới, giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí vận hành. Việc tối ưu hóa thiết kế lò hơi dựa trên các kết quả nghiên cứu sẽ góp phần vào việc phát triển công nghệ tiết kiệm năng lượng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu quá trình bay hơi nước cấp lò hơi trong kênh micro đã mở ra nhiều hướng đi mới cho công nghệ truyền nhiệt. Những kết quả đạt được không chỉ có giá trị trong lý thuyết mà còn có thể ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và phát triển mới trong lĩnh vực công nghệ nhiệt.

5.1. Tương lai của công nghệ kênh micro

Công nghệ kênh micro đang phát triển nhanh chóng và có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất truyền nhiệt. Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới và thiết kế kênh tối ưu hơn.

5.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Ngoài ứng dụng trong lò hơi, công nghệ kênh micro còn có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác như điện lạnh, năng lượng tái tạo và vi điện tử. Việc mở rộng ứng dụng này sẽ góp phần vào việc phát triển công nghệ bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu thực nghiệm quá trình bay hơi của nước cấp lò hơi trong kênh Micro” là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Huy Vũ xi LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tác giả xin được gửi lời cảm ơn chân thành, tri ân sâu sắc nhất tới thầy PGS. Đặng Thành Trung và thầy NCS. Lê Bá Tân đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và luôn quan tâm, động viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn “Nghiên cứu thực nghiệm quá trình bay hơi của nước cấp lò hơi trong kênh Micro”. Tác giả xin chân thành cảm ơn toàn thể các thầy cô Bộ môn Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh, khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh. Các thầy cô đã truyền đạt những kiến thức rất quý báu và luôn tạo điều kiện tốt nhất để chúng em có thể nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập. Dù đã rất cố gắng để thực hiện luận văn nhưng do hạn chế về chuyên môn, thời gian và nguồn tài liệu tham khảo nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ thầy cô để luận văn được hoàn thiện tốt hơn. xii TÓM TẮT Đề tài đã xác định được đặc tính truyền nhiệt trong quá trình bay hơi của nước cấp lò hơi trong kênh micro bằng thực nghiệm. Loại nước này cũng đã được so sánh với ba loại nước khác, đó là: nước khoáng, nước cất và nước tinh khiết. Kết quả cho thấy rằng các đặc tính truyền nhiệt của bốn loại nước trên theo thứ tự tăng dần từ thấp đến cao: nước cất, nước lò hơi, nước tinh khiết và nước khoáng. Kết quả cũng cho thấy rằng khi thành phần tổng rắn hòa tan càng cao thì đặc tính truyền nhiệt càng cao. Bên cạnh đó đề tài còn thực hiện việc so sánh ba mẫu thiết bị bay hơi kênh micro với một thiết bị bay hơi kênh mini có cùng chiều dài. Kết quả trong nghiên cứu này cho thấy rằng mẫu kênh micro có chiều dài ngắn nhất có đặc tính truyền nhiệt tốt nhất. Thêm vào đó tổn thất áp suất cho các thiết bị bay hơi này cũng đã được xác định bằng thực nghiệm cho hai trường hợp đo lường: Xác định tổn thất áp suất từ hai cảm biến áp suất tại hai đầu thiết bị và xác định tổn thất áp suất từ bộ chênh lệch hiệu áp suất. Cả hai cách đo lường này đều cho ra kết quả sai lệch không đáng kể. Một kết quả thực nghiệm điển hình cho mẫu A sử dụng nước khoáng như sau: Ở nhiệt độ đầu vào 40oC và hơi ra có nhiệt độ trung bình là 107oC, khi lưu lượng thay đổi từ 0,04 – 0,09 g/s thì mật độ dòng tăng từ 42764,4 W/m2 đến 93513,1 W/m2, hệ số truyền nhiệt tổng tăng từ 1706,9 W/m2.oC, hệ số tỏa nhiệt đối lưu tăng từ 1715 W/m2.oC và tổn thất áp suất tăng từ 775 Pa đến 1550 Pa. Những dữ liệu từ thực nghiệm trên rất cần thiết để kiểm chứng các kết quả từ phương pháp mô phỏng số, góp phần quan trọng cho việc tính toán thiết kế các thiết bị bay hơi kênh micro. xiii ABSTRACT The thesis determined the heat transfer phenomena during the evaporation of the boiler water in the microchannels by using the experimental method. This type of water was also compared to three other types of water including the mineral water, the distilled water, and the drinking water. The results show that the heat transfer phenomena of the types of water above increase from low to high: the distilled water, the boiler water, the drinking water, and the mineral water. Moreover, the more the hardness components (or the total dissolved solids), the higher the heat transfer characteristics obtains. Besides, the study compared with three microchannel evaporators and with a minichannel evaporator of the same channel length. The results indicate that the microchannel evaporator with the shortest channel length has the best heat transfer characteristics. In addition, the pressure drops for these evaporators were determined experimentally for two measurement methods: determining the pressure drop from two pressure sensors at the ends of the device and determining the pressure drop from a difference pressure transducer. The results obtained from two measurement methods are the same. Typical experimental results for the microchannel evaporator A using the mineral water are as follows: at the inlet temperature of 40oC and the average outlet steam temperature of 107 oC, when the mass flow rate varies from 0.09 g/s, the heat flux increases from 42764.1 W/m2, the overall heat transfer coefficient increases from 1706.oC, the heat transfer coefficient increases from 1715 W/m2.oC, and the pressure drop increases from 775 Pa to 1550 Pa. xiv The data above are essential to verify the results of the numerical simulation, making an important contribution for designing the microchannel evaporator. xv MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI .i LÝ LỊCH KHOA HỌC .ix LỜI CAM ĐOAN .xi LỜI CẢM ƠN . xiii MỤC LỤC .xvi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .xix DANH MỤC HÌNH ẢNH . xx DANH MỤC CÁC BẢNG. xxii CHƯƠNG 1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu . Nghiên cứu ngoài nước . Nghiên cứu trong nước . Mục tiêu của đề tài. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . Đối tượng nghiên cứu . Phạm vi nghiên cứu . Nội dung và phương pháp nghiên cứu .1 Nội dung nghiên cứu.2 Phương pháp nghiên cứu . Lý thuyết truyền nhiệt. Quá trình sôi động bên trong . Sự sôi của dòng môi chất hai pha liên quan đến quá trình bay hơi . Nhiệt độ trung bình Logarit . Dòng nhiệt truyền qua thiết bị . Mật độ dòng nhiệt . Hệ số truyền nhiệt tổng . Hiệu suất truyền nhiệt . Tổn thất áp suất . 20 THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM . Tính toán và thiết kế mô hình thí nghiệm. Thiết lập mô hình thực nghiệm. Dụng cụ thí nghiệm . Bơm Jasco: PU – 2087 plus . Tháp gia nhiệt . Cân điện tử . Bộ điều chỉnh công suất . Bộ xử lý tín hiệu MX - 100. Bộ số hóa tín hiệu áp suất . Đồng hồ đa năng . Thiết bị đo nhiệt độ EXTECH 421509 . 36 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Gia nhiệt kênh micro bằng hai điện trở . Quá trình sinh hơi quá nhiệt của nước cấp lò hơi . Nước cấp lò hơi– mẫu A . Nước cấp lò hơi – Mẫu B. Nước cấp lò hơi – Mẫu C. Nước cấp lò hơi – Mẫu mini A . Ảnh hưởng của kích thước kênh đến quá trình bay hơi . Hiệu suất quá trình bay hơi kênh micro . Hiệu suất của kênh mini so với kênh micro. Ảnh hưởng của lưu chất đến mật độ dòng nhiệt. Ảnh hưởng của lưu chất đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu . Ảnh hưởng của lưu chất đến hệ số truyền nhiệt tổng . 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 66 xviii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Q : Dòng nhiệt truyền qua thiết bị, (W). m : Lưu lượng khối lượng, (kg/s). To : Nhiệt độ trung bình của lưu chất ở trạng thái hơi đầu ra, (oC). Ti : Nhiệt độ trung bình của lưu chất ở trạng thái lỏng đầu vào, (oC). i1 : Enthalpy nhiệt độ ở trạng thái lỏng đầu vào, (kJ/kg). i2 : Enthalpy nhiệt độ ở trạng thái hơi đầu ra, (kJ/kg). q : Mật độ dòng nhiệt, (W/m2). A : Diện tích truyền nhiệt, (m2). U : Hệ số truyền nhiệt tổng, (W/m2. ∆T𝑙𝑚 : Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit, (oC). Ts : Nhiệt độ trung bình bề mặt, (oC). Ti : Nhiệt độ trung bình của lưu chất ở trạng thái lỏng đầu vào, (oC). To : Nhiệt độ trung bình của lưu chất ở trạng thái hơi đầu ra, (oC).  : Hệ số dẫn nhiệt, (W/m.  : Hiệu suất truyền nhiệt, (%). Pn : Công suất nguồn, (W).  : Chiều dày kênh micro, (m). hwater : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước, (W/m2. ∆P : Tổn thất áp suất của thiết bị, (Pa). L : Chiều dài đường ống, (m). Dh : Đường kính thủy lực của ống, (m). G : Mật độ khối lượng, (kg/m2s). Pin : Áp suất đầu vào, (Pa). Pout : Áp suất do đầu ra, (Pa). xix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Sơ đồ cấu trúc và dòng chảy của kênh micro [4] . Thiết bị trao đổi nhiệt trong thí nghiệm [30] . Sơ đồ sự tăng trưởng của bong bóng trong kênh micro và mini [43]. Mô hình dòng bong bóng giãn nở trong kênh mini [43]. Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit . Kích thước hình học của kênh micro . Kênh micro sử dụng trong thí nghiệm. Thông số hình học của kênh mini . Mô hình 3D kênh micro và mini mẫu A . Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm . Sơ đồ hệ thống thí nghiệm thực tế . Bơm Jasco PU – 2087 plus . Tháp gia nhiệt . Cân điện tử . Bộ xử lý tín hiệu MX - 100 . Cảm biến áp suất đơn . Cảm biến chênh lệch hiệu áp suất . Đồng hồ đa năng . Thiết bị đo nhiệt độ EXTECH 421509 . Phân bố nhiệt độ bề mặt của điện trở và kênh micro mẫu A . Sự phần bố nhiệt độ bề mặt của điện trở trên camera nhiệt . Phần bố nhiệt độ bề mặt điện trở và kênh micro mẫu A trên camera nhiệt . Tổn thất áp suất của kênh micro mẫu A khi thay đổi lưu lượng ở 40oC . Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào và lưu lượng đến nhiệt lượng mẫu A nước cấp lò hơi . Tổn thất áp suất của kênh micro mẫu B khi thay đổi lưu lượng ở 40oC . Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào và lưu lượng đến nhiệt lượng mẫu B nước cấp lò hơi . Tổn thất áp suất của kênh micro khi thay đổi lưu lượng ở 40oC mẫu C . Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào và lưu lượng đến nhiệt lượng mẫu C nước cấp lò hơi . Tổn thất áp suất của kênh mini khi thay đổi lưu lượng ở 40oC mẫu A . Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu vào và lưu lượng đến nhiệt lượng mẫu mini A nước cấp lò hơi . Hiệu suất quá trình bay hơi kênh micro . Hiệu suất kênh micro so với kênh mini mẫu A . Hệ số tỏa nhiệt đối lưu kênh mini so với kênh micro với nước cấp lò hơi 47 Hình 4. Ảnh hưởng của lưu chất đến nhiệt lượng bay hơi . Ảnh hưởng của lưu chất đầu vào đến mật độ dòng nhiệt mẫu A .