Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu quá trình ngưng tụ của thiết bị ngưng tụ micro

Tài liệu nghiên cứu quá trình ngưng tụ của dàn ngưng micro bằng phương pháp thực nghiệm. Bao gồm kết quả, phân tích và so sánh các yếu tố ảnh hưởng.

• Tác giả: Dương Minh Nghĩa
• Người hướng dẫn: Pgs.Ts. Đặng Thành Trung
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên cứu quá trình ngưng tụ của các thiết bị ngưng tụ Micro bằng phương pháp thực nghiệm
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu quá trình ngưng tụ dàn ngưng micro

Nghiên cứu quá trình ngưng tụ dàn ngưng micro là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật nhiệt và trao đổi nhiệt hiện đại. Việc hiểu rõ cơ chế ngưng tụ trong ống micro giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống làm lạnh và các ứng dụng công nghiệp. Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào phương pháp thực nghiệm để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ngưng tụ. Dàn ngưng micro với kênh nhỏ cho phép nghiên cứu chi tiết hiện tượng vật lý trong điều kiện lưu lượng hai pha phức tạp. Các kết quả thực nghiệm cung cấp dữ liệu quý báu cho thiết kế và cải tiến thiết bị trong tương lai.

1.1. Ý nghĩa của nghiên cứu quá trình ngưng tụ

Quá trình ngưng tụ đóng vai trò then chốt trong các hệ thống làm lạnh hiện đại. Việc nghiên cứu thực nghiệm giúp xác định mối quan hệ giữa lưu lượng hơi, nhiệt độ và hệ số truyền nhiệt. Dàn ngưng micro với kênh hẹp cho phép tăng mật độ dòng nhiệt và cải thiện hiệu suất toàn hệ thống. Kết quả từ đồ án này có thể ứng dụng trong công nghiệp vi điện tử, điều hòa không khí và các hệ thống năng lượng tái tạo.

1.2. Phương pháp tiếp cận thực nghiệm

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm trực tiếp với lò hơi mini và dàn ngưng kênh micro tiêu chuẩn. Nhóm nghiên cứu thiết lập mô hình thí nghiệm với hai loại quạt: quạt ly tâm và quạt hướng trục. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập qua cảm biến nhiệt độ và áp suất tại các vị trí khác nhau. Phương pháp này cho phép so sánh độc lập các yếu tố ảnh hưởng và xây dựng công thức tính toán thực nghiệm.

II. Cơ sở lý thuyết quá trình ngưng tụ và trao đổi nhiệt

Cơ sở lý thuyết quá trình ngưng tụ bao gồm các nguyên lý về dòng chảy lưu chất hai pha và trao đổi nhiệt trong ống kênh hẹp. Quá trình ngưng tụ xảy ra khi hơi quá bão hòa tiếp xúc với bề mặt lạnh, chuyển thành chất lỏng. Trong dàn ngưng micro, mẫu hơi, sự hiện diện của cả hai pha tạo ra các chế độ dòng chảy khác nhau: bubble flow, slug flow, annular flow. Mỗi chế độ có đặc tính truyền nhiệt riêng biệt. Hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào lưu lượng hơi vào, áp suất, và hình học ống. Các phương trình tính toán được xây dựng dựa trên bảng hơi nước và các mối quan hệ vật lý cơ bản.

2.1. Dòng chảy lưu chất hai pha trong ống micro

Dòng chảy hai pha trong ống kênh hẹp cho thấy các chế độ dòng đặc trưng khác nhau. Trong ống thẳng đứng, hơi có xu hướng tập trung ở trên cùng tạo dòng annular. Trong ống nằm ngang, các chế độ dao động từ bubble flow đến stratified flow. Mật độ dòng nhiệt cao trong quá trình ngưng tụ annular do bề mặt tiếp xúc lớn. Việc hiểu rõ các chế độ dòng giúp dự đoán và tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt.

2.2. Các phương trình và công thức tính toán

Phương trình cân bằng năng lượng là cơ sở xác định công suất trao đổi nhiệt: Q = ṁ × h_fg. Hệ số truyền nhiệt h được tính từ mối quan hệ với số Reynolds, Prandtl và hình học ống. Mật độ dòng nhiệt q = Q/A cho phép so sánh hiệu suất giữa các mẫu. Các công thức thực nghiệm được thiết lập dựa trên phân tích hồi quy dữ liệu thí nghiệm để mô phỏng chính xác quá trình ngưng tụ.

III. Thiết lập thí nghiệm và phương pháp thu thập dữ liệu

Thiết lập thí nghiệm cho nghiên cứu quá trình ngưng tụ bao gồm lò hơi mini, dàn ngưng kênh micro (mẫu 1 và mẫu 2), các quạt (ly tâm và hướng trục), và hệ thống đo lường. Mô hình thí nghiệm được xây dựng với dàn ngưng ở vị trí nằm ngang và nằm đứng. Lò hơi mini cung cấp hơi bão hòa với lưu lượng có thể điều chỉnh qua van điều tiết. Dàn ngưng micro gồm các ống nhỏ nơi hơi ngưng tụ thành nước lạnh. Cảm biến nhiệt độ đặt tại các vị trí khác nhau giúp theo dõi sự thay đổi nhiệt độ dọc theo dàn ngưng. Cảm biến áp suất đo chênh áp để xác định mức độ khó khăn của dòng chảy. Dữ liệu được ghi nhận định kỳ theo từng điều kiện vận hành khác nhau.

3.1. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

Lò hơi mini tạo ra hơi bão hòa cho thí nghiệm. Dàn ngưng mẫu 1 và 2 là các bộ trao đổi nhiệt chính với kênh micro. Quạt ly tâm và quạt hướng trục cung cấp lưu lượng không khí lạnh để ngưng tụ hơi. Cân vi lượng đo khối lượng nước ngưng tụ. Ampe kìm đo dòng điện để tính công suất. Bộ cảm biến nhiệt độ (Pt100) có độ chính xác cao. Bộ cảm biến chênh lệch áp suất đo độ bão hòa của dòng chảy trong hệ thống.

3.2. Quy trình thực nghiệm và thu thập dữ liệu

Quy trình thí nghiệm bắt đầu bằng cách chuẩn bị lò hơi và chờ cho đến khi đạt trạng thái ổn định. Lưu lượng hơi vào được điều chỉnh từ từ từ mức thấp đến cao. Ở mỗi mức lưu lượng, hệ thống được cho ổn định 15-20 phút trước khi ghi nhận dữ liệu. Dữ liệu thực nghiệm bao gồm nhiệt độ hơi vào/ra, nhiệt độ nước lạnh vào/ra, chênh áp, lưu lượng nước ngưng tụ. Các số liệu được lặp lại 3 lần để đảm bảo độ chính xác.

IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng công nghiệp

Kết quả thực nghiệm cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa lưu lượng hơi vào và công suất trao đổi nhiệt. Khi lưu lượng hơi tăng, công suất và hệ số truyền nhiệt tăng theo, nhưng với tốc độ khác nhau tùy theo chế độ dòng chảy. Mẫu 1 cho thấy mật độ dòng nhiệt cao hơn trong cấu hình nằm đứng so với nằm ngang. Mẫu 2 biểu hiện xu hướng tương tự nhưng với giá trị tuyệt đối khác nhau. So sánh quạt ly tâm và quạt hướng trục cho thấy quạt ly tâm hiệu quả hơn ở lưu lượng cao. Ứng dụng công nghiệp của nghiên cứu này bao gồm tối ưu hóa thiết kế dàn ngưng cho hệ thống làm lạnh hiệu suất cao, cải thiện thiết bị điều hòa không khí, và phát triển công nghệ trao đổi nhiệt tiên tiến.

4.1. Phân tích mối quan hệ giữa các thông số

Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi và công suất tuân theo mô hình tuyến tính trong vùng hoạt động bình thường. Hệ số truyền nhiệt h tăng với lũy thừa 0.5-0.8 của lưu lượng hơi, phù hợp với lý thuyết dòng chảy. Mật độ dòng nhiệt q biến thiên từ 5-25 kW/m² tùy theo lưu lượng và hình học ống. Chênh áp tăng theo bình phương lưu lượng, phản ánh mức độ khó khăn của dòng chảy.

4.2. Ứng dụng công nghiệp và phát triển tương lai

Kết quả từ đồ án nghiên cứu có thể ứng dụng trong thiết kế dàn ngưng cho tàu biển, máy bay, và hệ thống năng lượng. Công thức thực nghiệm được xây dựng giúp kỹ sư dự đoán hiệu suất mà không cần thí nghiệm lặp lại. Phát triển tương lai có thể tập trung vào dàn ngưng hybrid kết hợp nhiều kênh kích thước, hoặc áp dụng chất làm lạnh thân thiện môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của cả nước, các ngành kỹ thuật nói chung và ngành công nghệ nhiệt lạnh nói riêng đã và đang phát triển rất mạnh và ngày càng trở nên quen thuộc, gần gũi với đời sống con người nhiều hơn. Nhưng đi cùng với sự phát triển của cả nước là tốc độ đô thị hóa ngày càng cao nên việc đòi hỏi về diện tích mặt bằng là một vấn đề hết sức khó khăn cho tất cả các ngành kỹ thuật. Song song với vấn đề diện tích mặt bằng thì việc đòi hỏi những thiết bị kỹ thuật có hiệu quả, công suất cao, tiết kiệm chi phí là những yêu cầu thiết yếu của người tiêu dùng. Rất nhiều các nghiên cứu được đưa ra nhằm thu nhỏ kích thước của thiết bị liên tục được tìm hiểu.

Các thiết bị với kích thước mini, micro và nano đang dần được chứng minh được hiệu quả mang lại. Ngoài đặc tính nhỏ gọn về kích thước thì các thiết bị còn mang lại hiệu suất rất tốt, chi phí chế tạo và lắp đặt cũng rất hợp lý. Để tăng hiệu quả truyền nhiệt cũng như tăng tính thuận nghịch trong các thiết bị trao đổi nhiệt, các thiết bị truyền nhiệt truyền thống sẽ được thay bằng các thiết bị truyền nhiệt kênh mini hay micro. Các thiết bị truyền nhiệt này có mật độ dòng nhiệt cao và thiết bị truyền nhiệt nhỏ gọn.

Do đó, quá trình giải nhiệt để ngưng tụ môi chất trở nên hiệu quả hơn. Việc ngưng tụ môi chất trong thiết bị giải nhiệt kênh micro ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Để nghiên cứu chi tiết về vấn đề này, phương pháp thực nghiệm được thực hiện với các thiết bị thực tế nhằm cho thấy được tổng quan và đưa ra các kết luận về quá trình ngưng tụ của bộ trao đổi nhiệt micro. Tổng quan các nghiên cứu liên quan Khoa học thì ngày càng phát triển đã cho ra đời nhiều công trình nghiên cứu các giải pháp tối ưu hóa quá trình ngưng tụ cho bộ trao đổi nhiệt.

Do đó, nhóm nghiên cứu đã chọn một số công trình nghiên cứu tiêu biểu về quá trình ngưng tụ ở bộ trao đổi nhiệt micro. Tình hình nghiên cứu nước ngoài Liên quan đến các nghiên cứu về môi chất sử dụng trong kênh, đã nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và thực hiện. Oh và Son [1] đã nghiên cứu thực nghiệm đặc tính trao đổi nhiệt khi ngưng của R-22, R-134A và R-410A với mẫu ống đồng tròn đường kính trong 1,77 mm, dài 160 mm. Thực nghiệm được thực hiện với các điều kiện lưu lượng dòng chất 450 – 1050 kg/m2s, nhiệt độ bão hòa 40oC.

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ của R-410A cao hơn so với R-22 và R- 134A tại dòng chất xác định. Trong khi đó, hệ sộ truyền nhiệt ngưng tụ của R-22 có giá trị tương tự như R-134A. Cũng bằng phương pháp thực nghiệm. On cùng các cộng sự [2] đã khảo sát các đặc tính truyền nhiệt ngưng tụ của R134a chảy trong một ống tròn và 3 ống đồng dẹt.

Ống tròn có đường kính trong 3,51 mm, và các ống dẹt được làm từ ống tròn với đường kính trong 3,51 mm. Các phạm vi thực nghiệm bao gồm một mật độ khối lượng 350-900 kg /m2 s, mật độ dòng nhiệt của 10- 50 kW / m2, áp suất bão hòa 8-12 bar. Biểu đồ mô hình dòng chảy đã được khảo sát bằng cách so sánh nó với bản đồ mô hình dòng chảy hiện tại. Kết quả cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt ngưng tụ tăng khi gia tăng mật độ khối lượng, mật độ dòng nhiệt, và lượng hơi.

Azizi và cộng sự [3] cũng đã nghiên cứu hệ số truyền nhiệt đối lưu và hệ số ma sát của môi chất nano đồng trong một thiết bị giải nhiệt kênh micro hình chữ nhật có đường kính thủy lực 526 µm và chiều dài 50 mm. Nghiên cứu được thực hiện cho môi chất nano đồng có tỷ lượng theo khối lượng là 0.3 %, mật độ dòng nhiệt có 2 giá trị là 35 là 50 kW/m2, và lưu lượng được điều chỉnh trong khoảng 0. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tỷ lượng theo khối lượng phân tử nano tăng từ 0.3% thì nhiệt trở giảm đến 21%. Sự có mặt của phân tử nano làm tăng số Nusselt đến 43% trong khi hệ số ma sát tăng đến 45.5% so với nước nguyên chất.

Bên cạnh đó, nghiên cứu về các loại hình dạng, kích thước khác nhau của kênh cũng được các nhà nghiên cứu quan tâm. Lee cùng cộng sự [4] đã thực nghiệm ảnh hưởng của vận tốc lưu chất di chuyển trong kênh micro khi thay đổi hướng đặt kênh ngang, dọc, nghiêng. Kết quả đã chứng minh sự tồn tại một ngưỡng vận tốc mà quá trình truyền nhiệt trong kênh giống nhau ở bất kể hướng nào. Cũng bằng phương pháp thực nghiệm, Wang cùng cộng sự [5] đã thực hiện quá trình truyền nhiệt ngưng tụ của hơi nước trên các ống micro dọc.

Thực nghiệm được thực hiện dưới vận tốc và áp suất 12 2 hơi nước khác nhau, bao gồm 4 ống với các đường kính khác nhau: 0. Kết quả cho thấy, khi độ chênh nhiệt độ giữa hơi và bề mặt tăng thì hệ số truyền nhiệt ngưng tụ giảm đều. Sakanova và cộng sự [6] đã nghiên cứu việc cải tiến công suất truyền nhiệt trong thiết bị tản nhiệt kênh micro bằng cách sử dụng hình dạng kênh gợn sóng và các loại môi chất nano. Kênh có kích thước rộng W = 85 µm, cao H = 700 µm và dài L = 10 mm.

3 loại biên độ sóng 25 µm, 50 µm và 75 µm với 2 loại bước sóng 250 µm và 500 µm với lưu lượng thể tích từ 0.354 L/phút được khảo sát. 3 loại môi chất nano là: đồng- nước, oxit silic-nước và kim cương với nồng độ thể tích từ 1% đến 5% được sử dụng. Kết quả cho thấy rằng năng suất truyền nhiệt của kênh micro gợn sóng cao hơn nhiều so với kênh phẳng truyền thống khi môi chất là nước. Tuy nhiên, khi thay nước bằng các môi chất nano thì ưu thế này của kênh gợn sóng không còn đáng chú ý nữa.

Liu và các cộng sự [7] đã nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và độ chênh áp trong suốt quá trình ngưng tụ của R-152A trong kênh Micro tròn và vuông bằng mô hình thí nghiệm đường kính thủy lực của kênh Micro tròn là 1,152 mm, nhiệt độ bão hòa là 40 và 50oC , với mật độ khối lượng từ 200 – 800 kg/m2s và chất lượng hơi từ 0,1 – 0,9. Kết quả 4 nghiên cứu cho thấy, hệ số truyền nhiệt và độ chênh áp tăng khi tăng lưu lượng chất, chất lượng dòng hơi và giảm khi tăng nhiệt độ bão hòa. Iqbal và Pandey [8] đã thực hiện một nghiên cứu về sự dịch chuyển thoáng qua của các pha khí và lỏng trong kênh micro được thực hiện. Một mô hình động lực học chất lỏng cho sự dịch chuyển khối lớn trong các kênh 200 μm được phát triển và xác nhận với dữ liệu từ một nghiên cứu trực quan hóa dòng nước được thực hiện trên các phần kiểm tra kênh micro thủy tinh có đường kính 200 μm bằng video tốc độ cao.

Vận tốc bề mặt, tỷ số chân không và độ dày màng được xác định bằng cách thực hiện phân tích hình ảnh trên các video thu được. Các mô hình dịch chuyển khối lớn cho vận tốc chất lỏng được tìm thấy phù hợp tốt với dữ liệu cho sự dịch chuyển của khí bằng chất lỏng, với sai số trung bình là 11%. Trong quá trình dịch chuyển khí bằng chất lỏng, một chất lỏng chảy chậm làm sạch hoàn toàn khí trong kênh mà ít có sự tương tác ở giao diện khí-lỏng. Đối với sự dịch chuyển của chất lỏng bằng khí, sai số mô hình trung bình là 20% và các mô hình dòng chảy quan sát được là dòng chảy khô, màng mỏng, màng vòng, dòng chảy gián đoạn và dòng chảy.Al- Zaidi cùng cộng sự [9] thực hiện một cuộc thí nghiệm nghiên cứu để nghiên cứu ảnh 14 hưởng của dòng chất làm lạnh, chất lượng hơi cục bộ, tốc độ dòng chất làm mát và nhiệt độ chất làm mát đầu vào đến hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ.

Hình dung dòng chảy cũng được thực hiện để ghi lại các dòng chảy trong quá trình ngưng tụ dòng chảy bằng camera tốc độ cao được tích hợp với kính hiển vi. HFE-7100, chất làm lạnh điện môi và thân thiện với môi trường được sử dụng trong đa vi hình chữ nhật với đường kính thủy lực 0,57 mm. Các thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ bão hòa 60°C, phạm vi lưu lượng khối lượng từ 48 - 126 kg / (m2 s), phạm vi tốc độ dòng nước làm mát 0,5 - 1.1 L / phút và nhiệt độ nước làm mát đầu vào 20 – 400C. Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ tăng khi tăng lưu lượng khối lượng và giảm khi lưu lượng hơi cục bộ giảm.

Xiaoguang Fan và các cộng sự [10] đã nghiên cứu về sự giảm áp trong quá trình ngưng tụ của kênh Micro hình thang bằng phương pháp thực nghiệm với ba mẫu kênh có đường kính từ 134µm đến 166 µm, dài 50 mm gồm 14 kênh song song. Thí nghiệm được tiến hành với lưu lượng hơi thay đổi từ 130kg/m 2.s và lưu lượng nước giải nhiệt dao động từ 20l/h đến 40 l/h. Thực nghiệm cho thấy lưu lượng hơi, chất lượng hơi, lưu lượng nước giải nhiệt, đường kính kênh và đặc biệt hình dạng kênh ảnh hưởng quan trọng đến sự giảm áp. Kết quả thí nghiệm đã bổ sung dữ liệu cho mô hình Friedel trước đó.

Odaymet và Louahlia-Gualous [11] đã nghiên cứu sự truyền nhiệt cục bộ quá trình ngưng tụ dòng chảy chậm trong kênh Micro nhôm hình vuông có đường kính 305 µm, dài 50mm, trên kênh được khoan các lỗ nhỏ cách đều nhau để gắn đầu đo nhiệt độ. Thí nghiệm tiến hành với lưu lượng hơi vào thay đổi từ 14kg/m2.s và áp suất từ 101kPa đến 115 kPa. Kết quả xác định được sáu dòng ngưng tụ trong kênh: sương mù, chảy rối, hình khuyên, sên, dòng chất lỏng và bọt. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy khi lưu lượng hơi tăng thì sự truyền nhiệt cục bộ tăng và lớn nhất ở dòng ngưng tụ sên.

El Mghari và H. Louahlia-Gualous [12] đã thực nghiệm và phân tích số liệu quá trình truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ khi dòng nhiệt thay đổi trong kênh Micro silic hình chữ nhật có đường kính 305 µm dài 50 mm. Thí nghiệm được thực hiện với lưu lượng hơi vào thay đổi từ 75kg/m2.s trong khi lưu lượng nước giải nhiệt không đổi.