Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm phát triển số Nusselt theo phương pháp Wilson

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về phát triển số Nusselt theo phương pháp Wilson. Phân tích chuyên sâu, kết quả ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Đỗ Văn Khánh
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thành Luân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Lý Thuyết Và Thực Nghiệm Phát Triển Số Nusselt Theo Phương Pháp Wilson
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC KÝ HIỆU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1
• 1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• 3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 4. TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP GIẢN ĐỒ WILSON
• 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 5.1. LÝ THUYẾT TIÊU CHUẨN ĐỒNG DẠNG
• 5.2. PHƯƠNG PHÁP WILSON
• 5.2.1. Phương pháp giản đồ Wilson
• 5.2.2. Phương pháp giản đồ Wilson cải tiến
• 6. THỰC NGHIỆM, BÀN LUẬN VÀ MÔ PHỎNG SỐ
• 6.1. MÔ HÌNH VÀ MÔ TẢ THỰC NGHIỆM
• 6.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN
• 6.2.1. Ảnh hưởng của cấu hình ống đến khả năng trao đổi nhiệt
• 6.2.2. Ảnh hưởng của lưu chất làm mát đến khả năng trao đổi nhiệt
• 6.3. MÔ PHỎNG SỐ
• 6.3.1. Trường nhiệt độ, áp suất khi thay đổi cấu hình ống
• 6.3.2. Trường nhiệt độ, áp suất khi thay đổi môi chất làm mát
• 7. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Số Nusselt và Phương Pháp Wilson

Trao đổi nhiệt đối lưu là một hình thức truyền nhiệt quan trọng giữa dòng chất lỏng và bề mặt vật rắn khi có sự chênh lệch nhiệt độ. Việc tính toán hệ số trao đổi nhiệt đối lưu thường dựa trên công thức Newton, Q = α.A.ΔT. Tuy nhiên, trong một số trường hợp thực tế, như quá trình ngưng tụ và bay hơi, việc tiếp cận bề mặt trao đổi nhiệt gặp nhiều khó khăn. Phương pháp Wilson, do E.E Wilson đề xuất, là một giải pháp để xác định hệ số trao đổi nhiệt trong các tình huống này, đặc biệt là trong bình ngưng ống vỏ nằm ngang với hơi môi chất ngưng tụ bên ngoài ống. Phương pháp Wilson đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều nghiên cứu thực nghiệm để xác định hệ số trao đổi nhiệt của quá trình ngưng tụ và bay hơi. Theo tài liệu gốc, mục tiêu của nghiên cứu này là "Trình bày cơ sở lý thuyết phương pháp Wilson và vận dụng phương pháp này để phát triển hệ số Nusselt nhằm đánh giá khả năng trao đổi nhiệt khi thay đổi bề mặt ngoài ống trao đổi nhiệt và thay đổi lưu chất làm mát". Do đó, đề tài "Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm phát triển số Nusselt theo phương pháp Wilson" được chọn để làm đồ án tốt nghiệp. Đề tài này liên quan trực tiếp đến chuyên ngành Nhiệt - Điện lạnh, giúp củng cố kiến thức chuyên ngành trước khi ra trường. Nghiên cứu này cũng sử dụng các tiêu chuẩn đồng dạng như tiêu chuẩn Nusselt (Nu), tiêu chuẩn Prandtl (Pr), tiêu chuẩn Reynolds (Re), và tiêu chuẩn Grashof (Gr) để phân tích và đánh giá quá trình trao đổi nhiệt. Việc áp dụng tính toán CFD và mô phỏng dòng chảy cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về sự phân bố nhiệt độ và áp suất bên trong ống trao đổi nhiệt.

1.1. Giới thiệu Phương Pháp Wilson và ứng dụng thực tế

Phương pháp Wilson là một công cụ mạnh mẽ trong việc nghiên cứu và đánh giá hiệu quả trao đổi nhiệt trong các hệ thống phức tạp. Nó đặc biệt hữu ích khi bề mặt trao đổi nhiệt khó tiếp cận trực tiếp, như trong các thiết bị ngưng tụ và bay hơi. Phương pháp Wilson giúp xác định hệ số truyền nhiệt một cách gián tiếp thông qua việc phân tích tổng nhiệt trở của hệ thống. Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn bao gồm việc xây dựng mô hình thực nghiệm và mô phỏng CFD để xác minh và mở rộng các kết quả thu được. Sự kết hợp giữa lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng số giúp tăng cường độ tin cậy và tính ứng dụng của nghiên cứu.

1.2. Mục tiêu và phạm vi của đề tài Nghiên cứu Nusselt

Mục tiêu chính của đề tài là trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp Wilson và áp dụng nó để phát triển số Nusselt. Đề tài cũng xây dựng mô hình thực nghiệm để xác định số Nusselt khi thay đổi bề mặt ngoài của ống trao đổi nhiệt (ống trơn, ống xẻ rãnh, ống xoắn) và thay đổi lưu chất làm mát (nước, nước muối 2%, nước muối 3.5%, và nước muối 5%). Ngoài ra, đề tài còn sử dụng mô phỏng số để phân tích sự phân bố trường nhiệt độ và áp suất bên trong ống trao đổi nhiệt, điều mà thực nghiệm khó có thể thực hiện được. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc vận dụng phương pháp Wilson để xem xét khả năng trao đổi nhiệt của quá trình ngưng tụ hơi nước bên ngoài ống ở áp suất khí quyển. Nghiên cứu cũng đánh giá ảnh hưởng của hình dạng bề mặt ngoài ống trao đổi nhiệt đối với khả năng trao đổi nhiệt, sử dụng ba cấu hình ống khác nhau: ống trơn, ống xẻ rãnh, và ống xoắn, tất cả đều được làm bằng đồng.

II. Thách Thức và Vấn Đề trong Tính Toán Số Nusselt

Việc xác định số Nusselt và hệ số truyền nhiệt trong thực tế thường gặp nhiều thách thức. Các yếu tố như sự phức tạp của hình học, tính chất của lưu chất, và điều kiện biên có thể ảnh hưởng lớn đến kết quả. Trong quá trình ngưng tụ và bay hơi, việc tiếp cận trực tiếp bề mặt trao đổi nhiệt trở nên khó khăn, gây khó khăn cho việc đo lường và đánh giá chính xác. Phương pháp Wilson ra đời để giải quyết vấn đề này, cung cấp một phương pháp gián tiếp để xác định hệ số truyền nhiệt thông qua việc phân tích tổng nhiệt trở của hệ thống. Tuy nhiên, phương pháp Wilson cũng có những hạn chế nhất định, đòi hỏi phải có những giả định và điều chỉnh để phù hợp với từng trường hợp cụ thể. Theo tài liệu gốc, một trong những hạn chế của phương pháp Wilson là "phải giả thiết về số mũ m của số Reynolds". Điều này có thể dẫn đến sai số trong kết quả nếu giả định không chính xác. Để khắc phục hạn chế này, phương pháp Wilson cải tiến đã được phát triển.

2.1. Hạn Chế Của Các Phương Pháp Truyền Thống Khi Đo Nusselt Number

Các phương pháp truyền thống thường dựa trên việc đo trực tiếp nhiệt độ và lưu lượng, và sau đó sử dụng các công thức để tính toán hệ số truyền nhiệt. Tuy nhiên, trong các hệ thống phức tạp, việc đo lường chính xác các thông số này có thể gặp nhiều khó khăn. Ví dụ, trong các thiết bị trao đổi nhiệt với hình học phức tạp hoặc với lưu chất có tính chất thay đổi, việc xác định chính xác nhiệt độ bề mặt và lưu lượng trở nên rất khó khăn. Ngoài ra, sự xuất hiện của lớp màng bám bẩn trên bề mặt trao đổi nhiệt cũng có thể ảnh hưởng lớn đến kết quả đo lường. Do đó, các phương pháp truyền thống có thể không đủ chính xác và tin cậy trong nhiều trường hợp.

2.2. Sai Số và Độ Chính Xác Trong Mô Phỏng CFD

Mô phỏng CFD là một công cụ mạnh mẽ để phân tích và dự đoán hiệu suất của các hệ thống trao đổi nhiệt. Tuy nhiên, mô phỏng CFD cũng có những hạn chế và đòi hỏi phải có sự kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo độ chính xác. Các yếu tố như lưới tính toán, mô hình rối, và điều kiện biên có thể ảnh hưởng lớn đến kết quả mô phỏng. Sai số số có thể phát sinh do việc sử dụng lưới tính toán không đủ mịn hoặc do các thuật toán số không đủ chính xác. Việc validation CFD và verification CFD là rất quan trọng để đảm bảo rằng kết quả mô phỏng là đáng tin cậy. Theo tài liệu gốc, việc "Mô phỏng phân bố trường nhiệt độ và áp suất bên trong ống trao đổi nhiệt" là một trong những nhiệm vụ của đề tài. Tuy nhiên, cần phải lưu ý đến các yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của mô phỏng.

2.3. Khó khăn trong việc xác định Hệ số truyền nhiệt thực nghiệm

Việc xác định chính xác hệ số truyền nhiệt bằng thực nghiệm đòi hỏi phải có sự kiểm soát chặt chẽ các điều kiện thí nghiệm và sử dụng các thiết bị đo lường chính xác. Tuy nhiên, trong thực tế, việc duy trì các điều kiện thí nghiệm ổn định và đo lường chính xác các thông số như nhiệt độ, lưu lượng, và áp suất có thể gặp nhiều khó khăn. Các yếu tố như sai số của thiết bị đo, sự thay đổi của nhiệt độ môi trường, và sự dao động của lưu lượng có thể ảnh hưởng đến kết quả đo lường. Ngoài ra, việc xác định chính xác diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cũng có thể là một thách thức, đặc biệt là trong các thiết bị có hình học phức tạp.

III. Áp Dụng Phương Pháp Wilson và Cải Tiến Để Tính Nusselt

Phương pháp Wilson là một kỹ thuật được sử dụng để xác định hệ số truyền nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt, đặc biệt khi một trong hai hệ số truyền nhiệt khó xác định trực tiếp, ví dụ như khi có sự ngưng tụ hoặc bay hơi. Phương pháp Wilson dựa trên việc phân tích tổng nhiệt trở của quá trình truyền nhiệt và tách biệt các thành phần nhiệt trở khác nhau. Theo tài liệu gốc, "PPGĐ Wilson được E.E Wilson đề xuất để xác định hệ số trao đổi nhiệt trong bình ngưng ống vỏ nằm ngang với hơi môi chất ngưng tụ bên ngoài ống". Để khắc phục hạn chế của phương pháp Wilson truyền thống, phương pháp Wilson cải tiến được phát triển. Phương pháp Wilson cải tiến cho phép xác định số mũ m của số Reynolds một cách tự động thông qua quá trình hồi quy, giúp tăng độ chính xác và tin cậy của kết quả.

3.1. Phân tích nhiệt trở và ứng dụng trong Wilson Method

Trong phương pháp Wilson, tổng nhiệt trở của quá trình truyền nhiệt được phân tích thành các thành phần như nhiệt trở đối lưu bên trong ống, nhiệt trở do màng bám bẩn, nhiệt trở vách ống, và nhiệt trở đối lưu bên ngoài ống. Bằng cách thay đổi lưu lượng của lưu chất làm mát và đo tổng nhiệt trở, có thể xác định mối quan hệ giữa tổng nhiệt trở và số Reynolds. Từ mối quan hệ này, có thể tách biệt các thành phần nhiệt trở khác nhau và xác định hệ số truyền nhiệt mong muốn. Việc phân tích nhiệt trở là một bước quan trọng trong phương pháp Wilson, giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt.

3.2. Ưu điểm của Wilson cải tiến so với Wilson Method

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp Wilson cải tiến là khả năng xác định số mũ m của số Reynolds một cách tự động. Trong phương pháp Wilson truyền thống, số mũ m thường được giả định trước, điều này có thể dẫn đến sai số nếu giả định không chính xác. Phương pháp Wilson cải tiến sử dụng quá trình hồi quy để xác định số mũ m dựa trên dữ liệu thực nghiệm, giúp tăng độ chính xác và tin cậy của kết quả. Ngoài ra, phương pháp Wilson cải tiến cũng có thể được áp dụng cho các hệ thống phức tạp hơn, nơi mà các giả định của phương pháp Wilson truyền thống không còn phù hợp.

IV. Nghiên Cứu Thực Nghiệm và Mô Phỏng CFD Kết Quả Đánh Giá

Nghiên cứu này bao gồm cả thực nghiệm và mô phỏng CFD để đánh giá hiệu quả của các cấu hình ống khác nhau và các lưu chất làm mát khác nhau. Thực nghiệm được thực hiện với ba cấu hình ống (ống trơn, ống xẻ rãnh, và ống xoắn) và bốn lưu chất làm mát (nước, nước muối 2%, nước muối 3.5%, và nước muối 5%). Kết quả thực nghiệm được sử dụng để xác định số Nusselt theo phương pháp Wilson và phương pháp Wilson cải tiến. Mô phỏng CFD được sử dụng để phân tích sự phân bố trường nhiệt độ và áp suất bên trong ống trao đổi nhiệt, cung cấp thêm thông tin chi tiết về quá trình truyền nhiệt. Theo tài liệu gốc, việc "thực nghiệm chỉ có thể xác định được đặc tính trao đổi nhiệt, tuy nhiên phân bố trường nhiệt độ và áp suất bên trong ống là không thể xác định. Do đó trong đề tài này, ngoài việc vận dụng PPGĐ Wilson để xác định hệ số trao đổi nhiệt, một mô phỏng số sẽ được thực hiện để xem xét vấn đề này".

4.1. Ảnh hưởng hình dạng ống trao đổi nhiệt tới hiệu quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy cấu hình ống xoắn có hiệu quả trao đổi nhiệt cao nhất, tiếp theo là ống xẻ rãnh và cuối cùng là ống trơn. Điều này có thể được giải thích bằng việc ống xoắn tạo ra sự rối loạn dòng chảy lớn hơn, giúp tăng cường sự trộn lẫn của lưu chất và cải thiện hệ số truyền nhiệt. Mô phỏng CFD cũng cho thấy sự phân bố nhiệt độ và áp suất khác nhau trong các cấu hình ống khác nhau, cung cấp thêm thông tin về cơ chế truyền nhiệt trong từng trường hợp.

4.2. Ảnh hưởng của lưu chất tới khả năng truyền nhiệt

Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy rằng lưu chất làm mát có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả trao đổi nhiệt. Nước muối có hiệu quả trao đổi nhiệt thấp hơn so với nước, và hiệu quả giảm khi nồng độ muối tăng. Điều này có thể được giải thích bằng việc nước muối có tính chất vật lý khác so với nước, như độ nhớt và hệ số dẫn nhiệt thấp hơn. Mô phỏng CFD cũng cho thấy sự khác biệt trong sự phân bố nhiệt độ và áp suất khi sử dụng các lưu chất làm mát khác nhau.

4.3. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng CFD

Kết quả thực nghiệm và mô phỏng CFD có sự tương đồng nhất định, cho thấy rằng mô phỏng CFD có thể được sử dụng để dự đoán hiệu suất của các hệ thống trao đổi nhiệt. Tuy nhiên, cũng có những khác biệt nhất định giữa hai loại kết quả, có thể do các yếu tố như sai số của thiết bị đo, các giả định trong mô phỏng CFD, và sự đơn giản hóa hình học trong mô hình mô phỏng. Việc so sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng CFD giúp xác định các nguồn sai số và cải thiện độ chính xác của cả hai phương pháp.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Nusselt Number

Nghiên cứu này đã thành công trong việc áp dụng phương pháp Wilson và phương pháp Wilson cải tiến để xác định số Nusselt và đánh giá hiệu quả của các cấu hình ống khác nhau và các lưu chất làm mát khác nhau. Kết quả cho thấy cấu hình ống xoắn và nước là các lựa chọn tốt nhất để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt. Mô phỏng CFD cũng cung cấp thêm thông tin chi tiết về quá trình truyền nhiệt, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế truyền nhiệt trong từng trường hợp. Theo tài liệu gốc, "Qua các nghiên cứu trên thấy được phương pháp giản đồ Wilson được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu liên quan tới thực nghiệm quá trình ngưng tụ và bay hơi môi chất có bề mặt trao đổi nhiệt khó tiếp cận. Từ đó xem xét được đặc tính trao đổi nhiệt của quá trình ngưng tụ và bay hơi".

5.1. Tổng kết kết quả nghiên cứu Nusselt

Nghiên cứu đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả trao đổi nhiệt, bao gồm hình dạng ống, tính chất của lưu chất, và điều kiện biên. Các kết quả này có thể được sử dụng để thiết kế và tối ưu hóa các thiết bị trao đổi nhiệt, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí. Nghiên cứu cũng đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp Wilson và phương pháp Wilson cải tiến trong việc xác định số Nusselt.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo về Truyền nhiệt

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc mở rộng phạm vi nghiên cứu để bao gồm các cấu hình ống phức tạp hơn và các lưu chất làm mát mới. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của lớp màng bám bẩn đến hiệu quả trao đổi nhiệt cũng là một hướng đi tiềm năng. Ngoài ra, việc phát triển các mô hình mô phỏng CFD chính xác hơn và hiệu quả hơn cũng là một mục tiêu quan trọng. Nghiên cứu trong tương lai cần xem xét các mô hình rối tiên tiến hơn như K-epsilon hoặc K-omega SST để tăng độ chính xác của kết quả mô phỏng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Lý do chọn đề tài. Trao đổi nhiệt đối lưu là một hình thức truyền nhiệt giữa dòng chất lỏng và bề mặt vật rắn khi có sự chênh lệch về nhiệt độ. Để có thể tính toán hệ số trao đổi nhiệt đối lưu thông thường sẽ sử dụng công thức Newton: Q = α. Tuy nhiên trong thực tế đối với một số trường hợp như quá trình ngưng tụ và bay hơi thì việc tiếp cận bề mặt trao đổi nhiệt có một số khó khăn nhất định.

PPGĐ Wilson được E.E Wilson đề xuất nhằm mục đích xác định hệ số trao đổi nhiệt trong bình ngưng ống vỏ nằm ngang với hơi môi chất ngưng tụ bên ngoài ống. Phương pháp này đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu thực nghiệm với mục đích là xác định hệ số trao đổi nhiệt của quá trình ngưng tụ và bay hơi. Với mục đích trình bày lại cơ sở lý thuyết của PPGĐ Wilson và vận dụng phương pháp này để phát triển hệ số Nusselt nhằm đánh giá khả năng trao đổi nhiệt khi thay đổi bề mặt ngoài ống trao đổi nhiệt và thay đổi lưu chất làm mát do đó nhóm chúng em chọn đề tài: “Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm phát triển số Nusselt theo phương pháp Wilson” để làm đồ án tốt nghiệp. Đề tài này có mối liên quan đến chuyên ngành Nhiệt - Điện lạnh do đó có thể giúp chúng em củng cố được kiến thức chuyên ngành trước khi ra trường.2 Mục tiêu đề tài.

+ Trình bày cơ sở lý thuyết phương pháp Wilson, đây là một phương pháp được sử dụng trong nhiều nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến xác định đặc tính trao đổi nhiệt của quá trình ngưng tụ và bay hơi. + Xây dựng mô hình thực nghiệm và vận dụng phương pháp Wilson để xác định số Nusselt nhằm đánh giá khả năng trao đổi nhiệt khi thay đổi bề mặt ngoài ống trao đổi nhiệt (ống trơn, ống xẻ rảnh, ống xoắn) và thay đổi lưu chất làm mát (nước, nước muối 2%, nước muối 3. + Việc thực nghiệm chỉ có thể xác định được đặc tính trao đổi nhiệt, tuy nhiên phân bố trường nhiệt độ và áp suất bên trong ống là không thể xác định. Do đó trong đề tài này, ngoài việc vận dụng PPGĐ Wilson để xác định hệ số trao đổi nhiệt, một mô phỏng số sẽ được thực hiện để xem xét vấn đề này.3 Phạm vi nghiên cứu + Vận dụng PPGĐ Wilson để xem xét khả năng trao đổi nhiệt của quá trình ngưng tụ hơi nước bên ngoài ống ở áp suất khí quyển.

+ Với mục đích xem xét ảnh hưởng khả năng trao đổi nhiệt khi thay đổi hình dạng bề mặt ngoài ống trao đổi nhiệt. Trong nghiên cứu này sẽ xem xét đánh giá đối với 3 cấu hình ống là ống trơn, ống xẻ rảnh và ống xoắn được làm bằng đồng. Chi tiết các cấu hình ống như sau: • Ống trơn: do/di =9,77/7.77mm; L=500mm • Ống xẻ xảnh: do/di =9,77/7.77mm; L=500mm; tạo 4 rảnh thẳng sâu 0,5mm • Ống xoắn: do/di =9,77/7.77mm; L=500mm; tạo rảnh xoắn quanh ống sâu 0,5mm + Với mục đích xem xét ảnh hưởng khả năng trao đổi nhiệt khi thay đổi lưu chất làm mát, ở nghiên cứu này sử dụng 4 lưu chất chảy trong ống lần lượt là nước, nước muối 2%, nước muối 3.5% và nước muối 5% (nồng độ phần trăm).4 Tổng quan phương pháp giản đồ Wilson PPGĐ Wilson [1] được xem là một trong những phương pháp đơn giản dễ sử dụng được áp dụng nhiều trong các nghiên cứu về quá trình, phân tích tính toán thiết bị trao đổi nhiệt [2]: + Kuo và Wang [3] ứng dụng phương pháp giản đồ Wilson để nghiên cứu quá trình bay hơi của môi chất R22 trong ống trơn và trong ống có kênh micro-fin. + Kuo và cộng sự [4] ứng dụng phương pháp giản đồ Wilson khảo sát quá trình sôi của môi chất R410A trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm.

+ Bukasa và cộng sự [5,6] nghiên cứu quá trình ngưng tụ bên trong ống có kênh micro với cánh xoắn ốc của môi chất R22, R134A và R407C. + Zhnegguo và cộng sự [7] ứng dụng phương pháp giản đồ Wilson để điều tra quá trình trao đổi nhiệt giữa nước và dầu trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ. + Yoo và France [8] thực nghiệm khảo sát quá trình sôi của môi chất R113 trong thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống bằng phương pháp Wilson. Qua các nghiên cứu trên thấy được phương pháp giản đồ Wilson được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu liên quan tới thực nghiệm quá trình ngưng tụ và bay hơi môi chất có bề mặt trao đổi nhiệt khó tiếp cận.

Từ đó xem xét được đặc tính trao đổi nhiệt của quá trình ngưng tụ và bay hơi.5 Phương pháp nghiên cứu + Phương pháp tổng quan: Tổng hợp các bài báo nghiên cứu khoa học có liên quan từ đó xác định được mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu. + Phương pháp tính toán: Sử dụng các dữ liệu và giả thuyết ban đầu để tính toán lý thuyết. Từ đó làm cơ sở để đưa ra được mô hình mô phỏng số và mô hình thực nghiệm. + Phương pháp thực nghiệm: Sau khi lắp đặt, vận hành hệ thống, tiến hành lấy dữ liệu và tính toán.

+ Phương pháp phân tích dữ liệu: Tính toán và đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống dựa vào các giá trị thực nghiệm thu được. + Phương pháp mô phỏng: Mô phỏng số bằng phần mềm Ansys 19. Xác định trường nhiệt độ và áp suất bên trong ống. + Phương pháp so sánh: So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm.1 Lý thuyết tiêu chuẩn đồng dạng Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu được xác định thông qua các tiêu chuẩn đồng dạng: tiêu chuẩn Nusselt (Nu), tiêu chuẩn Prandtl (Pr), tiêu chuẩn Reynolds (Re), tiêu chuẩn Grashof (Gr) và phương trình tiêu chuẩn.

Phương trình tiêu chuẩn đồng dạng được xác định bởi công thức: 𝑁𝑢 = 𝐶. 𝑃𝑟 𝑝 Trong đó: C, m, n, p: các hằng số được xác định bằng thực nghiệm + Tiêu chuẩn Reynolds: • Là tỷ số giữa lực quán tính và lực nhớt, nó biểu thị sự đồng dạng của dòng chất lỏng hoặc đồng dạng của trường tốc độ, nó xác định đặc tính chuyển động của chất khí hay chất lỏng.1) v • Số Reynolds đặc trưng cho chế độ chảy của chất lỏng. Trong đối lưu cưỡng bức ta sẵn 𝜔 nên Re xác định được. Trong đối lưu tự do Re không xác định được nên không mặt trong phương trình tiêu chuẩn.

+ Tiêu chuẩn Grashof: • Đặc trưng cho tỉ số giữa lực nâng gây ra do độ chênh mật độ và lực ma sát.2) v • Trong đó: 𝛽: hệ số giản nở nhiệt L: kích thước xác định, m g: gia tốc trọng trường, m2/s v: hệ số nhớt, m2/s ∆𝑡: độ chênh lệch nhiệt độ giữa chất lỏng và bề mặt vách. + Tiêu chuẩn Prandtl: • Nhằm xác định tính chất vật lý của chất lỏng hay chất khí, do tiêu chuẩn này chỉ gồm các thông số vật lý.3) a  • Trong đó: v: Hệ số nhớt, m2/s. µ: Độ nhớt động lực học, Ns/m2 a: hệ số khuếch tán nhiệt độ, m2/s • Prandlt: biểu thị khả năng đồng dạng giữa trường tốc độ và trường nhiệt độ trong chất lỏng, Pr là tiêu chuẩn xác định vì luôn được biết trong điều kiện đơn trị. Tỷ số 𝑃𝑟𝐿 là biểu thị ảnh hưởng của chiều hướng truyền nhiệt nên cũng được coi như một 𝑃𝑟𝑚 tiêu chuẩn.

PrL là Prandtl của chất lỏng ở nhiệt độ dòng chảy, Prm là Pradtl của chất lỏng ở nhiệt độ lớp biên. + Tiêu chuẩn Nusselts: • Là tiêu chuẩn biểu thị mức độ tỏa nhiệt, ý nghĩa vật lý của nó được thể hiện ở biểu thức sau:  .4)  • Trong đó: L: kích thước xác định, m a: hệ số khuếch tán nhiệt độ, m2/s 𝜆 : Hệ số dẫn nhiệt nhiệt, W/m2.0C • Tiêu chuẩn Nusselts: biểu thị tỷ số giữa nhiệt lượng tỏa nhiệt đối lưu và nhiệt lượng truyền bằng dẫn nhiệt. Do trong tiêu chuẩn này có chứa 𝛼 nên nó là tiêu chuẩn chưa xác định. Theo định lý đồng dạng thứ hai tiêu chuẩn chuẩn đồng dạng tìm được từ hệ phương trình vi phân biểu diễn quá trình tỏa nhiệt đối lưu và tiêu chuẩn tìm được từ nghiệm của phương trình vi phân đó là bằng nhau, vì vậy sau khi tìm được một loạt tiêu chuẩn đồng dạng như trên đã trình bày thì có thể dùng phương trình tiêu chuẩn để thay thế kết quả tích phân của phương trình vi phân.

Đối với quá trình ổn định: 𝐿 𝑁𝑢 = 𝑓1 (𝑅𝑒, 𝐺𝑟, 𝑃𝑒, ) (2.6) 𝐿0 5 𝐿 Trong công thức trên nói lên điều kiện đồng dạng hình học, trường hợp ống tròn 𝐿0 𝐿 nó là tỷ số ,…. Với một số trường hợp các biệt ở phương trình (2.14) có thể đơn giản 𝑑 hơn, ví dụ khi chất lỏng chuyển động cưỡng bức mãnh liệt có thể bỏ qua tác động của tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên, tức không cần xét đến tiêu chuẩn Gr: 𝐿 𝑁𝑢 = 𝑓3 (𝑅𝑒, 𝑃𝑒, ) (2.7) 𝐿0 Trường hợp đối lưu tự nhiên đơn thuần: 𝑁𝑢 = 𝑓4 (𝐺𝑟, 𝑃𝑟) (2.8) Với chất môi giới là khí thì Pr = const nên: 𝛼.9) 𝜆 Trong các tiêu chuẩn trên, chúng ta chia thành hai loại là tiêu chuẩn không xác định và tiêu chuẩn xác định Tiêu chuẩn xác định là các tiêu chuẩn xác định trước được, tức là các tiêu chuẩn này lập nên từ các điều kiện đơn trị, ví dụ tiêu chuẩn Pr, Gr, Re,… Tiêu chuẩn không xác định là tiêu chuẩn có chứa những đại lượng ta chưa biết cần 𝛼. Ví dụ, tiêu chuẩn 𝑁𝑢 = có chứa 𝛼 là đại lượng cần xác định trong trao đổi 𝜆 nhiệt đối lưu nên tiêu chuẩn này là tiêu chuẩn không xác định. Tính chất xác định hay không xác định của các tiêu chuẩn phụ thuộc vào đối tượng nghiên cứu và không phải là cố định.

Tiêu chuẩn có thể là xác định trong trường hợp này và không xác định trong trường hợp khác. Ví dụ: Trong hiện tượng đối lưu cưỡng bức, tiêu chuẩn Re, Fr là tiêu chuẩn xác định nhưng ở hiện tượng đối lưu tự nhiên chuyển động gây ra bởi độ chênh mật độ, do đó tốc độ chưa biết nên các tiêu chuẩn này trở thành tiêu chuẩn không xác định. Phương trình tiêu chuẩn là biểu thức toán học thể hiện sự phụ thuộc giữa tiêu chuẩn đồng dạng không xác định và tiêu chuẩn đồng dạng xác định. Trao đổi nhiệt đối lưu có thể đặc trưng bằng các tiêu chuẩn đồng dạng sau: Nu,Re, Gr, Pr.

Tiêu chuẩn Nusselt chứa đại lượng chưa biết là số tỏa nhiệt 𝛼 do đó nó thuộc tiêu chuẩn không xác định, còn những tiêu chuẩn khác là tiêu chuẩn xác định. Vì vậy phương trình tiêu chuẩn có dạng tổng quát sau: 6 𝑁𝑢 = 𝑓(𝑅𝑒, 𝐺𝑟, 𝑃𝑟) (2.