Nghiên cứu quá trình ngưng tụ của các thiết bị ngưng tụ micro bằng phương pháp thực nghiệm đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................... 8
DANH MỤC ĐỒ THỊ ........................................................................................................ 8
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................ 9
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ................................................................................. 10
Chương 1: TỔNG QUAN ................................................................................................... 11
1.1.

Đặt vấn đề…………………………………………………………………………..11

1.2.

Tổng quan các nghiên cứu liên quan…………………………………………….11

1.3.

Mục tiêu nghiên cứu……………………………………………………………….26

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................................... 29
2.1 Nghiên cứu dịng mơi chất 2 pha liên quan đến quá trình ngưng tụ ....................... 29
2.2 Lý thuyết về truyền nhiệt ............................................................................................ 33
2.3 Dòng chảy lưu chất ....................................................................................................... 33
2.4 Các phương trình tính tốn ......................................................................................... 34
2.5 Lý thuyết đo gió ............................................................................................................ 39
2.6 Xây dựng cơng thức tính tốn thực nghiệm .............................................................. 40
Chương 3: THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM .......................................................................... 42
1. Phương án chọn quạt ..................................................................................................... 42
1.1 Quạt hướng trục .............................................................................................................. 42
1.2 Quạt ly tâm ...................................................................................................................... 42
1.3 Nên lựa chọn quạt ly tâm hay hướng trục ....................................................................... 44

1.4 Lượng gió ........................................................................................................................ 45
2. Thiết bị thí nghiệm .......................................................................................................... 46
2.1 Lị hơi mini ...................................................................................................................... 46
2.2 Dàn ngưng tụ kênh micro ................................................................................................ 47
2.3 Dụng cụ thí nghiệm ........................................................................................................ 51
2.4 Thiết lập mơ hình và sơ đồ nguyên lý thực nghiệm đối với quạt ly tâm ........................ 55
2.5 Thiết lập mơ hình và sơ đồ ngun lý thực nghiệm đối với quạt hướng trục ................. 56
2.6 Thiết lập thí nghiệm thực nghiệm ................................................................................... 57
2.7 Q trình thực nghiệm..................................................................................................... 61
2.8 Quá trình thu thập dữ liệu ............................................................................................... 62

6


Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................................... 63
4.1 Thực nghiệm nhiệt độ trên cơ sở mơ hình 1 và 2 biến thiên theo chiều dài dàn
ngưng ................................................................................................................................... 63
4.2 Yếu tố ảnh hưởng mơ hình 1 ....................................................................................... 67
4.3 Yếu tố ảnh hưởng mơ hình 2 ....................................................................................... 68
4.4 Kết quả thực nghiệm xây dựng trên 3 quá trình ....................................................... 69
4.4.1 Kết quả thực nghiệm trên mẫu 1 .................................................................................. 70
4.4.1.1 Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi và nhiệt độ ............................................................. 70
4.4.1.2 Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi vào và công suất .................................................... 71
4.4.1.3 Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi vào và hệ số truyền nhiệt ....................................... 72
4.4.1.4 Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi vào và mật độ dòng nhiệt ....................................... 73
4.4.2 Kết quả thực nghiệm trên mẫu 2 ................................................................................. 74
4.4.2.1 Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi và nhiệt độ ............................................................. 74
4.4.2.2 Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi vào và công suất .................................................... 75
4.4.2.3 Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi vào và hệ số truyền nhiệt ....................................... 76
4.4.2.4 Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi vào và mật độ dòng nhiệt ....................................... 77

4.4.3 So sánh các kết quả thực nghiệm ................................................................................. 78
4.4.3.1 So sánh độ chênh áp mẫu 2 nằm ngang và mẫu 2 nằm đứng theo lưu lượng hơi vào
............................................................................................................................................... 78
4.4.3.2 So sánh nhiệt độ hơi vào giữa mẫu 1 và mẫu 2 theo lưu lượng hơi vào và nước
ngưng tụ ................................................................................................................................ 79
4.4.3.3 So sánh nhiệt độ hơi vào giữa mẫu 1 và mẫu 2 theo lưu lượng hơi vào và nước
ngưng tụ ................................................................................................................................ 80
4.4.3.4 So sánh mật độ dòng nhiệt của ống 5 đặt ngang và ống 10 đặt ngang .................... 81
4.4.3.5 So sánh khả năng ngưng tụ của quạt ly tâm và quạt hướng trục ............................. 82
4.4.3.6 So sánh mật độ dòng nhiệt của quạt ly tâm và quạt hướng trục của ống 10 đứng ... 83
4.4.3.7 So sánh mật độ dòng nhiệt của quạt ly tâm và quạt hướng trục của ống 10 đứng .. 84
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... 85
5.1 Kết luận .......................................................................................................................... 8
5.2 Kiến nghị ........................................................................................................................ 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 86
PHỤ LỤC ............................................................................................................................. 91
PHƯƠNG ÁN TÍNH TOÁN………………………………………………………… ...... 97
.

7


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Mơ hình dịng mơi chất 2 pha trong ống thẳng đứng .................................................... 29
Hình 2.2 Mơ hình dịng mơi chất 2 pha trong ống nằm ngang ...................................................... 30
Hình 2.3 Các chế độ dịng chảy .................................................................................................... 31
Hình 2.4 Đồ thị T-s quá trình ngưng tụ ........................................................................................ 37
Hình 3.1.1: Ba dạng quạt hướng trục ........................................................................................... 42
Hình 3.1.2: Quạt ly tâm: (a) hình lắp ; (b) rơ-to ; (c) hình tháo rời .............................................. 43
Hình 3.1.3: Các dạng cánh quạt ly tâm ......................................................................................... 43

Hình 3.1.4: Đặc tuyến quạt LT và HT có cùng D và n (NH Tâm 2010) ...................................... 46
Hình 3.2.1 Lị hơi mini ................................................................................................................. 46
Hình 3.2.2 Kích thước lị hơi mini ............................................................................................... 47
Hình 3.2.3 Kích thước dàn ngưng mẫu 1 ..................................................................................... 48
Hình 3.2.4 Hình ảnh thực tế dàn ngưng mẫu 1 ............................................................................. 48
Hình 3.2.5 Kích thước dàn ngưng mẫu 2 ..................................................................................... 49
Hình 3.2.6 Hình ảnh thực tế dàn ngưng mẫu 2 ............................................................................. 50
Hình 3.2.7 Cân vi lượng ............................................................................................................... 51
Hình 3.2.8 Lưu tốc kế ................................................................................................................... 52
Hình 3.2.9 Hình ảnh thực tế ampe kìm ......................................................................................... 52
Hình 3.2.10 Bộ cảm biến nhiệt độ ................................................................................................ 53
Hình 3.2.11 Bộ cảm biến chênh lệch áp suất ................................................................................ 54
Hình 3.4.1 Sơ đồ thực nghiệm 1 ................................................................................................... 55
Hình 3.4.2 Sơ đồ thực nghiệm 2 .................................................................................................... 56
Hình 3.4.3 Mơ hình thí nghiệm quạt li tâm – dàn ngưng tụ nằm dọc .......................................... 57
Hình 3.4.4 Mơ hình thí nghiệm quạt li tâm – dàn ngưng tụ nằm ngang ....................................... 58
Hình 3.4.5 Mơ hình thí nghiệm quạt hướng trục – dàn ngưng tụ nằm dọc .................................. 59
Hình 3.4.6 Mơ hình thí nghiệm quạt hướng trục – dàn ngưng tụ nằm ngang .............................. 60
Hình 3.4.7 Nhóm nghiên cứu đang lắp thí nghiệm ..................................................................... 60
Hình 3.4.8 Nhóm nghiên cứu đang lắp thí nghiệm ..................................................................... 61
Hình 4.2 Nhiệt độ bề mặt từ camera nhiệt .................................................................................... 66
Hình 4.1 Dãy (cm) tại vị trí đầu ra của nước ngưng ...................................................................... 63
Hình 4.3 Thiết bị Camera nhiệt phục vụ cho quá trình kiểm tra nhiệt độ bề mặt
dàn……………………………………………………………………………..…………..……..66
DANH MỤC ĐỒ THỊ
Đồ thị 4.1 Đồ thị nhiệt độ hơi qua từng cm kích thước ............................................................... 63
Đồ thị 4.2 Đồ thị thể hiện nhiệt độ hơi và bề mặt ......................................................................... 65

8

Đồ thị 4.3 Đồ thị giữa nhiệt độ nước ngưng và khơng khí cấp vào .............................................. 68
Đồ thị 4.4 Biểu đồ lưu lượng hơi vào và nhiệt độ dàn ngưng micro mẫu 1 ................................. 70
Đồ thị 4.5 Biểu đồ lưu lượng hơi vào và công suất dàn ngưng tụ micro mẫu 1 ........................... 71
Đồ thị 4.6 Biểu đồ lưu lượng hơi vào và hệ số truyền nhiệt dà ngưng micro mẫu 1 ..................... 72
Đồ thị 4.7 Biểu đồ lưu lượng hơi vào và mật độ dòng nhiệt dàn ngưng micro mẫu 1 .................. 73
Đồ thị 4.8 Biểu đồ lưu lượng hơi vào và nhiệt độ mẫu 2 ............................................................. 74
Đồ thị 4.9 Biểu đồ lưu lượng hơi vào và công suất mẫu 2 ........................................................... 75
Đồ thị 4.10 Biểu đồ lưu lượng hơi vào và hệ số truyền nhiệt mẫu 2 ............................................ 76
Đồ thị 4.11 Biểu đồ lưu lượng hơi vào và mật độ dòng nhiệt mẫu 2 ........................................... 77
Đồ thị 4.12 Biểu đồ lưu lượng hơi vào và độ chênh áp giữa dàn nằm ngang và dàn
thẳng đứng ...................................................................................................................................... 78
Đồ thị 4.13 Biểu đồ so sánh cường độ dòng điện và khả năng giải nhiệt của dàn 5 ống đứng và
dàn 5 ống ngang ............................................................................................................................ 79
Đồ thị 4.14 Biểu đồ so sánh cường độ dòng điện và khả năng giải nhiệt của dàn 10 ống đứng và
dàn 10 ống ngang .......................................................................................................................... 80
Đồ thị 4.15 Biểu đồ so sánh mật độ dòng nhiệt của 5 ống đặt ngang và 10 ống đặt ngang ......... 81
Đồ thị 4.16 Biểu đồ so sánh lưu lượng nước ngưng khi dùng quạt li tâm và hướng trục ............ 82
Đồ thị 4.17 Biểu đồ so sánh mật độ dòng nhiệt qua một tiết điện của quạt li tâm và hướng trục khi
đặt ống 10 nằm ngang ................................................................................................................ 83
Đồ thị 4.18 Biểu đồ so sánh mật độ dòng nhiệt qua một tiết điện của quạt li tâm và hướng trục khi
đặt ống 5 ống đặt đứng .................................................................................................................. 84

DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1 Yếu tố ảnh hưởng của mơ hình 1 .................................................................................. 67
Bảng 4.2 Yếu rố ảnh hưởng của mô hình 2 ................................................................................... 68
Bảng 4.3 thống kê giá trị trung bình của ba quá trình ngưng tụ .................................................. 69

9

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
G:

Lưu lượng khối lượng (kg/s)

Qc :

Nhiệt lượng hơi nước nhả ra để ngưng tụ (kW)

Qa :

Nhiệt lượng khơng khí giải nhiệt (kW)

q:

Mật độ dịng nhiệt (kW/m2 )

Ftđn:

diện tích trao đổi nhiệt (m2)

K:

hệ số truyền nhiệt tổng(kW/ m2.K)

r:

ẩn nhiệt hóa hơi ứng với Ts(kJ/kg).

Cp :

Nhiệt dung riêng đẳng áp (J/kg.K)

∆Tlm:

độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit (oC)

ρ:

Khối lượng riêng(kg/m3)

w:

tốc độ (m/s)

Va :

Lưu lượng thể tích (m3/s)

T:

Nhiệt độ (0C)

10


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của cả nước, các ngành kỹ thuật

nói chung và ngành cơng 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 đơ thị hóa ngày càng cao nên việc địi 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 địi hỏi những thiết bị kỹ thuật có
hiệu quả, cơng 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 cịn 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, q 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 .
1.2. Tổng quan các nghiên cứu liên quan
Khoa học thì ngày càng phát triển đã cho ra đời nhiều cơng trình nghiên cứu các
giải pháp tối ưu hóa q trình ngưng tụ cho bộ trao đổi nhiệt. Do đó, nhóm nghiên cứu
đã chọn một số cơng trình nghiên cứu tiêu biểu về quá trình ngưng tụ ở bộ trao đổi
nhiệt micro.

11
2


1.2.1. Tình hình nghiên cứu nước ngồi

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 trịn 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 dịng
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 trịn và 3 ống
đồng dẹt. Ống trịn có đường kính trong 3,51 mm, và các ống dẹt được làm từ ống trịn
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 hịa 8-12
bar. Biểu đồ mơ hình dịng chảy đã được khảo sát bằng cách so sánh nó với bản đồ mơ
hình dịng 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 0.05%, 0.1 % và 0.3 %, mật độ dịng nhiệt có 2 giá trị là 35 là 50 kW/m2,
và lưu lượng được điều chỉnh trong khoảng 0.5-2 l/phút. Kết quả thực nghiệm cho thấy
khi tỷ lượng theo khối lượng phân tử nano tăng từ 0.05% đến 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: 0.608 mm, 0.793
mm, 1.032 mm và 1.221 mm. 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 mơi 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 0.152 L/phút
đến 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 mơi chất nano
thì ưu thế này của kênh gợn sóng khơng cịn 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 trịn và vng bằng mơ hình thí nghiệm đường kính
thủy lực của kênh Micro trịn 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 thống qua
của các pha khí và lỏng trong kênh micro được thực hiện. Một mơ 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 dịng 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 mơ 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 q trình dịch chuyển khí bằng chất lỏng,
một chất lỏng chảy chậm làm sạch hồn tồn 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 mơ hình
trung bình là 20% và các mơ hình dịng chảy quan sát được là dịng chảy khơ, màng
mỏng, màng vòng, dòng chảy gián đoạn và dòng chảy. Ali H.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 dịng
chảy cũng được thực hiện để ghi lại các dịng chảy trong q trình ngưng tụ dịng chảy
bằng camera tốc độ cao được tích hợp với kính hiển vi. HFE-7100, chất làm lạnh điện
mơi 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
đến 340 kg/m2.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 mơ hình Friedel trước đó.
Odaymet và Louahlia-Gualous [11] đã nghiên cứu sự truyền nhiệt cục bộ q
trình ngưng tụ dịng chảy chậm trong kênh Micro nhơm hình vng 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 đến 31 kg/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 khun, sên, dịng 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.H. El Mghari và H. Louahlia-Gualous [12] đã thực nghiệm và phân
tích số liệu q trình truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ khi dịng 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 đến 160 kg/m2.s trong khi lưu lượng
nước giải nhiệt không đổi. Kết quả cho thấy khi thay đổi lưu lượng hơi sẽ tạo ra các
hình dạng ngưng tụ khác nhau như: ngưng màng, hình vành khun, bọt, dịng chảy
chậm làm thay đổi hệ số truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt trung bình tăng

15


cùng với sự gia tăng của vận tốc hơi đầu vào. Khi so sánh với các nghiên cứu khác, tác
giả nhận thấy kết quả thực nghiệm của mình có cơ sở, phù hợp với lý thuyết.
Trong khi đó, các nhà nghiên cứu cũng đã khảo sát các nghiên cứu về tổn thất áp
suất và sự truyền nhiệt trong kênh. Để cải tiến truyền nhiệt trong suốt quá trình ngưng
tụ microchannel bằng cách cải thiện chất lượng trung bình của mơi chất lạnh. Một bộ
ngưng tụ microchanel tách lỏng- hơi mới (LSMC) mới đã được Zhong cùng cộng sự
[13] trình bài trong bài báo này. So với bộ ngưng tụ microchannel song song phổ biến
(PFMC) thì bộ (LSMC) đã có cặp ống góp có thể thốt nước ngưng sau mỗi lần đi qua.
Hệ số truyền nhiệt trong ống và giảm áp suất của hai loại dàn ngưng microchannel với
diện tích trao đổi nhiệt giống nhau đã được so sánh lưu lượng dao động từ 450
Kg/(m2s) đến 770 Kg/(m2s), nhiệt lượng từ 1.5 KW/m2 đến 2.45 KW/m2 và nhiệt độ
ngưng tụ từ 450C đến 500C. Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt trung bình(AHTC)
của LSMC vượt qua PFMC khi lưu lượng khối lượng lớn hơn 590 Kg/(m2s) hoặc chất
lượng trung bình lớn hớn 0.57. Sự sụt giảm áp của LSMC làm giảm đáng kể bằng
30,5% - 52,6% của PFMC. Hiệu suất nhiệt động kết hợp của LSMC tốt hơn so với
PFMC. RuiJiang cùng cộng sự [14] đã nghiên cứu thực nghiệm về giảm áp suất dịng

hai pha trong q trình ngưng tụ microchannel trong hỗn hợp ethanol và hơi nước. Sự
ngưng tụ hỗn hợp ethanol và hơi nước cho thấy các kiểu dòng chảy khác nhau trong
microchannel là do sự khác biệt năng lượng tự do bề mặt tương đương. Điểm chuyển
tiếp của mơ hình dịng chảy sọc đã được giới thiệu trong bài báo được tìm thấy có liên
quan chặt chẽ với sự sụt giảm áp lực ma sát của dòng chảy hỗn hợp ethanol và hơi
nước trong microchannels. Bốn loại vi mạch hình thang và tam giác đa cổng có đường
kính thủy lực trong phạm vi 126 - 155μm đã được sử dụng. Độ giảm áp được xác định
trong lưu lượng khối lượng hơi giữa 259,2 và 504,8kg m

−2

s

- 1

khi nồng độ trọng

lượng ethanol đầu vào thay đổi từ 1% đến 60%. Một bộ dàn ngưng tụ microchanel
lỏng- hơi kép (D-LMSC) đã được Tianming cùng cộng sự [15] trình bày, và sơ đồ đi
ống đã được sự dụng tối ưu hóa bằng phương pháp lý thuyết. Một loạt các thí nghiệm
đã được thực hiện để nghiên cứu tải nhiệt, hệ số truyền nhiệt trung bình (AHTC) và
giảm áp suất của D-LSMC là tối ưu. Kết quả thí nghiệm được so sánh với thiết bị
ngưng tụ kép song song (D-PFMC). Các kết quả nghiên cứu cho thấy, ở lưu lượng
khối lượng đầu vào từ 585 kgm − 2 s − 1 đến 874 kgm − 2 s − 1, AHTC của D- LSMC cao
hơn 3,3% so với D-PFMC 3,3%. Tuy nhiên, mức giảm áp suất của D16


LSMC chỉ bằng 43,4% HP52,1% so với D-PFMC. Khả năng trao đổi nhiệt của hàng
sau yếu hơn gần một nửa so với hàng trước. Ngoài ra, nhiệt độ thành ống của hàng sau
giảm nhanh hơn so với hàng trước, điều này cho thấy hàng sau có áp suất giảm lớn

hơn.
Một nghiên cứu thực nghiệm đã được Wang cùng cộng sự [16] thực hiện để
nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt, giảm áp suất và dịng chảy khơng ổn định liên
quan đến mơ hình dịng chảy của nước khử ion trong q trình đun sơi hai pha trong
một ống tản nhiệt kênh micro dựa trên silicon được phủ bằng dây nano silicon (SiNW)
so với thiết bị tường trơn. Thiết bị đường ống kênh micro có các kênh micro ngang
song song được khắc trên đế silicon và các vi mạch dọc được khắc trên tấm kính. Các
dây nano silicon được tạo ra ở phía dưới và các cạnh của các vi mạch silicon. Một hệ
thống thí nghiệm vịng kín được xây dựng để chứng minh hiệu suất nhiệt và thủy lực.
Kết quả thí nghiệm đã được trình bày với các thơng lượng khối lượng từ 250 đến
1250kg / m2 và nhiệt độ đầu vào được làm mát từ 15K đến 65K. Kết quả cho thiết bị
SiNWs cho thấy sự cải thiện khoảng 20 % khả năng loại bỏ thông lượng nhiệt so với
thiết bị tường trơn trong cùng điều kiện quá nhiệt tường. Thiangtham và cộng sự [17]
đã nghiên cứu bằng thực nghiệm các kiểu dịng chảy và các đặc tính truyền nhiệt của
dịng sơi với mơi chất R134a trong kênh micro. Kênh có độ sâu 470 µm, chiều rộng
382 µm và chiều dài 40 mm. Điều kiện thực nghiệm gồm nhiệt độ ngưng tụ là 13, 18
và 230C, lưu lượng khối lượng 150, 400 và 600 kg/m2s và mật độ dòng nhiệt từ 3 đến
127 kW/m2. Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt tại nhiệt độ ngưng tụ cao (23 0C) thì
cao hơn tại nhiệt độ ngưng tụ thấp (130C) với mật độ dòng nhiệt từ 40-120 kW/m2.
Với mật độ dòng nhiệt cao hơn, hệ số truyền nhiệt tăng cùng với lưu lượng khối lượng.
Cơ chế truyền nhiệt sôi đối lưu đóng vai trị chính trong kiểu dịng chảy hình khun
và dịng chảy gợn sóng (wavy flow). Với mật độ dịng nhiệt cao hơn 80 kW/m 2 thì sự
tồn tại của hiện tượng khô cục bộ làm giảm hệ số truyền nhiệt.
Các nhà khoa học còn thực nghiệm bằng cách áp dụng các phương pháp nghiên
cứu khác nhau. Chẳng hạn như một mơ hình dựa trên thể tích giới hạn tổng quát để mô
phỏng Bộ trao đổi nhiệt Microchannel (MCHX) với hình dạng ống và cánh tản nhiệt
biến đổi bằng phương pháp UA-AMTD ba luồng được Huang cùng cộng sự [18] trình
bày trong bài viết này. Các MCHX với hình dạng biến đổi có thể có kích thước
cổng, kích thước ống và bề mặt cánh tản nhiệt khác nhau trong lõi trao đổi nhiệt và có
17

thể có một hàng ống hay nhiều ống. Mơ hình được xác nhận dựa trên 227 điểm dữ liệu
thử nghiệm cho tám chất lỏng khác nhau và mười tám hình học MCHX, bao gồm bốn
bộ microchanel hình học biến đổi khác nhau. Nỗ lực xác nhận này là xác nhận mơ hình
MCHX tồn diện nhất được trình bày trong tài liệu mở. Độ lệch cơng suất tuyệt đối
trung bình giữa các giá trị dự đoán và đo được là 2,7%. Zhang cùng cộng sự [19] đã
nghiên cứu thực nghiệm về ngưng tụ dòng chảy hỗn hợp trong microchannel tránh tiếp
xúc với nước. Các mơ hình ngưng tụ của dịng hỗn hợp nước và ethanol trong một
phạm vi rộng thì nồng độ khối lượng ethanol bên trong một microchanel không tiếp
xúc với nước được nghiên cứu thực nghiệm thông qua một hệ thống hình ảnh tốc độ
cao. Ảnh hưởng của độ ẩm bề mặt kênh và nồng độ ethanol đến ngưng tụ dòng chảy
được so sánh và thảo luận. Các kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng sự biến đổi kỵ nước bề
mặt và nồng độ ethanol đóng một vai trị quan trọng trong q trình ngưng tụ dịng
chảy của hỗn hợp trong một microchanel. Một sự sắp xếp dòng chảy mới của dòng
chảy so le (dòng chất lỏng chảy dọc theo mỗi lớp) được Zhai cùng cộng sự [20] trình
bày để loại bỏ thông lượng nhiệt cao hơn và thu được nhiệt độ đáy đồng đều hơn trong
các tản nhiệt kênh micro hai lớp. Sự phân phối của tổng nhiệt độ, nhiệt độ đáy trung
bình, chênh lệch nhiệt độ tối đa và độ bền nhiệt được trình bày cho các cách bố trí
dịng chảy khác nhau dưới cơng suất bơm tương tự. Kết quả cho thấy sự sắp xếp dòng
chảy với dòng chảy so le 2 (chất lỏng chảy dọc theo hướng x ở lớp thứ hai, trong khi
chất lỏng đi dọc theo hướng y ở lớp thứ nhất) cung cấp nhiệt độ tối đa thấp nhất và
đồng đều nhất trong điều kiện làm việc tương tự. Hơn nữa, độ bền nhiệt của dòng chảy
so le 2 thấp hơn nhiều so với dòng chảy ngược và dòng chảy so le 1 dưới công suất
bơm tương tự, điều này cho thấy rằng nó có khả năng làm mát tốt hơn để làm mát vi
điện tử. Szczukiewicz và cộng sự trong [21] đã khảo sát nhiều nghiên cứu với mục tiêu
mô tả đặc tính truyền nhiệt địa phương của dịng sơi trong kênh micro, bao gồm thực
nghiệm, các phương pháp dự đoán dịng sơi mới, và các mơ phỏng số của dịng chảy
đứt đoạn (slug flow) với sự bay hơi. Khảo sát cho thấy rằng các tính tốn có mục tiêu
có thể cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cấu trúc dòng địa phương và các cơ chế

truyền nhiệt, và do đó có thể được dùng để cải tiến các phương pháp dự đốn về cơ
chế truyền nhiệt của dịngsơi.
Với đề tài được sử dụng trong đồ án này, chúng em muốn đề cập đến vấn đề
nghiên cứu về quá trình ngưng tụ, một lĩnh vực nền tảng trong việc phát triển lĩnh vực
18


kênh Micro. Một số nghiên cứu gần đây đã đào sâu thêm lĩnh vực này. S. M. A. Noori
Rahim Abadi và cộng sự [22] đã nghiên cứu sự ngưng tụ hơi nước bên trong một kênh
dẹt dài sử dụng nghiên cứu bằng số học. Trường hợp mô phỏng là một kênh dẹt với
chiều dài 10,7m và tỷ lệ khung hình rất cao. Chiều rộng và chiều cao kênh lần lượt là
0,0063m và 0,214m. Thể tích của cơng thức dịng chảy đa pha (VOF) được sử dụng để
trình bày các phương trình quản lý. Trường dịng chảy được giả định là ba chiều,
không ổn định và hỗn loạn. Hơn nữa, chất lỏng làm việc là nước có tính chất khơng
đổi ở nhiệt độ bão hòa quy định. Các kết quả được trình bày trong nghiên cứu này cho
thấy rõ rằng thiết kế các bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí có thể được thực
hiện một cách hợp lý để cải thiện hiệu suất tổng thể của thiết bị mà khơng phải trả
thêm chi phí đáng kể. Shenhua Hu và cộng sự [23] đã thực hiện nghiên cứu thực
nghiệm hỗn hợp hơi nước - ethanol trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm thương mại
(PHE). Trong thí nghiệm, hai kênh dịng chảy thẳng đứng được hình thành trong bộ
trao đổi bằng bốn tấm với một hình sin lượn sóng của một góc chevron là 600. Hệ số
truyền nhiệt cục bộ (HTC) dọc theo tấm được nghiên cứu bằng cách hàn cặp nhiệt điện
trên bề mặt tấm, một HTC trung bình được giới thiệu dọc theo bề mặt tấm để đánh giá
ảnh hưởng của nồng độ ethanol (1%, 2%, 5%, 10%, 20%), áp suất hệ thống (30 kPa,
47kPa, 83 kPa) và số tấm (kênh ngưng tụ đơn và ngưng tụ kép kênh) trên HTC ngưng
tụ.HTC trung bình thường tăng với áp suất tăng đối với tất cả nồng độ của hỗn hợp
nước-ethanol. Hơn nữa, quan sát trực quan đã được thực hiện và cho thấy sự ngưng tụ
từng giọt xảy ra đối với hơi hỗn hợp do hiệu ứng Marangoni. Ganesh B. Shirsath và
cộng sự [24] đã thực hiện nghiên cứu ngưng tụ hơi nước bên dưới bề mặt có kết cấu
nghiêng không thấm nước được gia công bằng tia laser và phóng điện. Nghiên cứu này

đã cho thấy được rằng Ngưng tụ hơi nước trên bề mặt đóng một vai trị quan trọng, đó
là phương pháp lọc nước dựa trên nhiệt. Kết cấu phù hợp của các bề mặt như vậy tạo
điều kiện ngưng tụ từng giọt với hệ số truyền nhiệt và thu nước tốt hơn. Trong bối
cảnh này, họ khám phá các mẫu kết cấu thông qua sử dụng laser để đạt được tỷ lệ
khung hình thấp hơn (độ sâu 10 µm đến độ rộng100 µm) và thơng qua quy trình gia
cơng phóng điện dây cho tỷ lệ khung hình cao hơn (chiều sâu 300 μm đến 100 µm
chiều rộng). Để có nhiều nước được tạo ra bên dưới tấm đồng, góc nghiêng tối ưu
được tìm thấy là 35°cho nhiều trường hợp khác nhau.

19


Yuanzhi Qin và cộng sự [25] đã thực hiện nghiên cứu về Đặc tính truyền nhiệt
ngưng tụ của hỗn hợp khơng khí / hơi nước với các hạt tro dọc theo bó ống nằm
ngang. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng Sấy than non là một cách hiệu quả để sử dụng
than non sạch và hiệu quả. Trong các quy trình thu hồi nhiệt thải của máy sấy, các hạt
tro tồn tại rộng rãi. Để cung cấp tài liệu tham khảo về chỉ định các bộ trao đổi nhiệt thu
hồi nhiệt thải của máy sấy, hỗn hợp khơng khí / hơi nước với các hạt tro đã được sử
dụng để mơ phỏng khí thải máy sấy thực tế trong bài báo này và các đặc tính truyền
nhiệt ngưng tụ của nó đã được điều tra thực nghiệm trong các điều kiện khác nhau.Khi
nồng độ các hạt tro tăng từ 0 đến 6,5g / m3, hệ số truyền nhiệt ngưng tụ đối lưu giảm
từ 339,6 xuống còn 315,5W / (m2K) khi tỷ lệ khối lượng hơi nước là 10%, giảm
7,10%. Và với việc tăng tỷ lệ khối lượng hơi nước từ 5% lên 25%, hệ số truyền nhiệt
ngưng tụ đối lưu tăng từ 201,8 lên 960,0W / (m2K) khi nồng độ các hạt tro là 5,4g /
m3, tăng 4,76 lần. Một mối tương quan chuẩn hóa của hệ số truyền nhiệt ngưng tụ đối
lưu của hỗn hợp khơng khí / hơi nước với các hạt tro đã được dẫn xuất, với độ lệch từ
−12,5% đến + 12,8%. Bo Xu và cộng sự [26] đã thực hiện chuyên đề Nghiên cứu động
lực học phân tử về ngưng tụ hơi nước trên bề mặt hình dẹt tổng hợp với độ dốc và độ
ẩm. Bài nghiên cứu này đã tìm hiểu bề mặt hình nêm hỗn hợp với độ dốc đa độ ẩm có
thể tăng tốc thốt nước ngưng trong chế độ vi mơ hay khơng, mơ hình ngưng tụ hơi

nước trên bề mặt như vậy đã được xây dựng và nghiên cứu bằng động lực phân tử
(MD). Kết quả cho thấy, tốc độ DWC (ngưng tụ từng giọt) nhanh hơn và thoát nước
ngưng tụ tốt hơn ở góc đỉnh 14 °.
Ngồi các nghiên cứu về quá trình ngưng tụ, việc sử dụng các phương pháp để
mô phỏng cũng là một lĩnh vực đã được rất nhiều các nhóm nghiên cứu trên thế giới
nghiên cứu và tạo ra nhiều nghiên cứu có sức hút và trở thành một phần tài liệu quan
trọng có thể tham khảo trong quá trình thực hiên các nghiên cứu khác liên quan đến
kênh Micro. Md. Sarwar Alam và cộng sự [27] đã thự hiện một nghiên cứu sử dụng
một phương pháp Boltzmann mắt lưới để mô phỏng sự ngưng tụ trên bề mặt tẩm chất
lỏng. Nhóm nghiên cứu này đã chỉ ra rằng cải thiện hiệu suất và tác động môi trường
là những vấn đề rất quan trọng trong việc lựa chọn chất làm lạnh phù hợp cho hệ thống
lạnh trong nước.Khảo sát các thông số khác như cấu trúc liên kết bề mặt và sức căng
bề mặt khác nhau cũng như các tính chất vật lý nhiệt khác nhau đối với từng chất lỏng
và cách các tham số này ảnh hưởng đến sự ngưng tụ hơi trên bề mặt tẩm chất lỏng sẽ
20


là đối tượng của các cơng trình trong tương lai. Thomas Kleiner và cộng sự [28] đã sử
dụng mơ hình CFD để nghiên cứu mô phỏng ngưng tụ chất tinh khiết trên các ống nằm
ngang bằng phương pháp thể tích chất lỏng. Nhóm nghiên cứu này đã nghiên cứu các
ống có cấu trúc bề mặt cho thấy sự gia tăng đáng kể về hiệu quả của các bình ngưng,
có thể làm giảm mức tiêu thụ điện và phát thải CO2 của các nhà máy hóa chất. Tuy
nhiên, cho đến nay, khơng có mơ hình ngưng tụ tổng qt cho các ống có cấu trúc bề
mặt được phát triển, do cấu trúc phức tạp của chúng.Kết quả cho thấy phép mô phỏng
ổn định các giải pháp ổn định và tạm thời với độ chính xác rất cao của hệ số truyền
nhiệt thu được. Orazzo và cộng sự [29] lại sử dụng 1 phương pháp khác để nghiên cứu,
đó là phương pháp Mô phỏng số trực tiếp để mô phỏng sự ngưng tụ giọt. Nhóm nghiên
cứu đã trình bày vấn đề Giải quyết tốt và mơ phỏng số trực tiếp chính xác (DNS) của
ngưng tụ giọt trong cơng trình này. Điều này đã dẫn đến định nghĩa về một chế độ
ngưng tụ cụ thể cho các giá trị Ja thấp hơn, sau đây được gọi là chế độ tốc độ ngưng tụ

thấp, trong đó sự truyền nhiệt nhỏ giọt khơng phụ thuộc vào Ja. Thay vào đó, bằng
cách tăng Ja, các hiệu ứng do ngưng tụ bắt đầu tăng theo cấp số nhân. Chế độ này
được gọi là chế độ tỷ lệ ngưng tụ cao. Cong-Tu Ha và cộng sự [30] sử dụng phương
pháp Mô phỏng trục đối xứng ngưng tụ bong bóng của hỗn hợp khơng khí hơi nước và
hơi tinh khiết. Cơng trình này trình bày một sơ đồ bắt giữ giao diện nén kết hợp và
phương pháp tiền điều kiện thời gian kép đã được phát triển cho tính tốn đối xứng hai
chiều của các luồng giao diện có thể nén với chuyển khối. Mơ hình dịng hỗn hợp đồng
nhất ba pha có thể nén hồn tồn đã được giải quyết hoàn toàn bằng cách sử dụng kỹ
thuật tiền điều kiện thời gian kép trên lưới đường cong tổng quát.Nghiên cứu này đã
được dành cho việc phát triển một sơ đồ số để tính tốn các luồng giao diện có thể nén.
Mơ hình dịng ba pha có thể nén hoàn toàn đã được giải quyết hoàn toàn trên lưới tổng
quát bằng cách sử dụng kỹ thuật tiền điều kiện thời gian kép, cho phép nắm bắt các
tính năng dịng tốc độ. Các giao diện phân tách ba chất lỏng có thể nén tinh khiết hoặc
chất lỏng tinh khiết và hỗn hợp hai chất lỏng có thể nén được thu được bằng phương
pháp độ phân giải cao nén.
Galindo và cộng sự [31] đã thực hiện một cơng trình nhằm Xác nhận và phân
tích độ nhạy của mơ hình ngưng tụ nước trong dịng chảy cho mơ phỏng 3D-CFD của
các luồng khơng khí ẩm. Cơng trình này cho thấy việc trộn các dịng khí ở các điều
kiện độ ẩm và nhiệt độ khác nhau có thể tạo ra sự ngưng tụ khối lượng lớn, đây là một
21


quá trình nhiệt động đặc biệt thường bao hàm một nỗ lực tính tốn tuyệt vời.Trong
cơng trình này, phương pháp CFD 3D được phân tích bằng các phương pháp nghiên
cứu độ nhạy trên thiết lập số và góc van tiết lưu.Ngoài các vấn đề nền tảng như việc sử
dụng các phương pháp mô phỏng phù hợp hay các vấn đề liên quan đến mơ phỏng các
q trình ngưng tụ,các nghiên cứu về vấn đề ngưng tụ trong các bộ trao đổi nhiệt kênh
Micro được hình thành và ngày càng được quan tâm. Göker Türkakar và cộng sự [32]
với đề tài Phân tích thế hệ Entropy của thiết bị ngưng tụ kênh Micro để sử dụng trong
chu trình làm lạnh nén hơi đã nghiên cứu về Số thế hệ entropy không thứ nguyên trong

thiết bị ngưng tụ kênh Micro của chu trình làm lạnh nén hơi. Một bộ trao đổi nhiệt
dịng song song bằng nhơm được làm mát bằng khơng khí được coi là thiết bị ngưng tụ
với R-134a là chất làm lạnh. Kết quả của nghiên cứu đã cho thấy Chiều dài trao đổi
nhiệt đã được tính tốn là ngắn hơn cho tốc độ dịng khí cao hơn. Trong trường hợp
này, bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn hơn, truyền nhiệt hiệu quả hơn, mặc dù áp suất giảm do
lưu lượng khơng khí cao hơn. Jianjun Meng và cộng sự [33] đã thực hiện một nghiên
cứu về hiệu suất làm mát của hệ thống dịng chảy mơi chất lạnh đa biến với bộ ngưng
tụ kênh Micro trong điều kiện tải một phần. Meng và nhóm của ơng đã nghiên cứu
rằng trên cơ sở hệ thống lưu lượng môi chất lạnh đa biến (VRF) 12,5 kW, tỷ lệ công
suất làm mát danh nghĩa (θ) và COP của hệ thống cơ sở với bộ trao đổi nhiệt dạng ống
(FTHX) và hệ thống VRF với bộ trao đổi nhiệt kênh Micro (MCHX) đã thu được cho
các tỷ lệ tải phần khác nhau (PLR).Kết quả thử nghiệm cho thấy β số MCHX đã giảm
26,67, 46,46% và lượng chất làm lạnh được sạc tối ưu của hệ thống VRF với MCHX
sẽ đạt được áp suất xả giữa 3.0 MPa và 3.15 MPa cho PLR làm tròn 100%. Hệ thống
VRF với các MCHX thu được ΔTHX lớn để tránh sự giãn nở của chất làm lạnh trong
ứng dụng đường ống dài và nó có thể cung cấp cho cư dân sự thoải mái nhiệt tốt hơn
trong mùa nóng hoặc khu vực.
Luo và cộng sự [34] đã xây dựng một Mơ hình tốn học và tối ưu hóa cấu trúc
của thiết bị ngưng tụ phân tách chất lỏng kênh Micro trong chu trình Rankine hữu cơ
và chu trình làm lạnh.Thiết bị ngưng tụ tách chất lỏng (LSC) là thiết bị ngưng tụ cánh
và ống mới được phát triển với hiệu suất toàn diện tuyệt vời. Trong nghiên cứu này,
LSC Micro (MLSC) được áp dụng trong chu trình Rankine hữu cơ và chu trình làm
lạnh nén hơi. Một mơ hình tốn học được phát triển để mơ phỏng số và tối ưu hóa cấu
trúc của MLSC.Các kết quả mơ phỏng và tối ưu hóa cho thấy hiệu suất của MLSC là
22


hợp lý với bối cảnh chu kỳ. Tổng chi phí của MLSC được nghiên cứu trong bối cảnh
chu trình làm lạnh nén hơi (VCRC) cao hơn 52,46% so với chu kỳ Rankine hữu cơ
(ORC). So sánh với MLSC điểm chuẩn, tổng chi phí của MLSC tối ưu có thể giảm tới

45,2% trong bối cảnh của VCRC và 34,9% trong bối cảnh ORC. Ali H. Al-Zaidi và
cộng sự đã [35] đã xây dựng một Mơ hình dịng ngưng tụ và truyền nhiệt trong kênh
Micro ngang.. HFE-7100, chất làm lạnh điện môi và thân thiện với môi trường được
sử dụng trong nhiều kênh Micro hình chữ nhật với đường kính thủy lực 0,57 mm. Các
thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ bão hịa 60 ° C, phạm vi từ thơng khối 48 - 126
kg / (m2), phạm vi tốc độ dòng nước làm mát 0,5 - 1,1 l/phút và nhiệt độ nước làm mát
đầu vào khoảng 20 - 40 ° C. Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ tăng
khi tăng thông lượng khối lượng và giảm khi chất lượng hơi cục bộ giảm. Đã tìm thấy
ảnh hưởng không đáng kể của các điều kiện bên làm mát, chênh lệch nhiệt độ bão hòa
đến vách ngăn, trên hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ. Chế độ dịng chảy chính là
dịng hình khun, trong khi dịng chảy chậm và sủi bọt được tìm thấy ở một số điều
kiện vận hành.
Phần cuối trong việc trình bày các nghiên cứu trên thế giới về kênh Micro,
chúng em sẽ đề cập đến một số các nghiên cứu về vấn đề sử dụng các phương pháp
mô phỏng để mô phỏng quá trình ngưng tụ. S.M.A. Noori Rahim Abadi và cộng sự
[36] đã thực hiện Mơ phỏng số q trình ngưng tụ bên trong một ống trơn nghiêng.
Nhóm nghiên cứu này đã thực hiện nghiên cứu hiện tượng ngưng tụ bên trong một ống
trơn nghiêng. Đường kính trong của ống là 8,38mm và chiều dài của nó là 1488mm.
Chất lỏng ngưng tụ là R134a ở nhiệt độ bão hòa 40 ° C. Cơng thức đa dịng khối lượng
chất lỏng (VOF) được sử dụng để giải các phương trình quản lý liên tục, động lượng,
năng lượng và nhiễu loạn. Trường dòng chảy được giả định là không ổn định, hỗn loạn
và ba chiều. Các tính chất của chất lỏng được coi là khơng đổi vì sự thay đổi nhiệt độ
là khơng đáng kể. Các tác động lên hệ số truyền nhiệt của các thông số khác nhau đã
được nghiên cứu. Các thông số này bao gồm góc nghiêng của ống, chất lượng hơi,
thơng lượng khối mơi chất lạnh và chế độ dịng chảy. Mô phỏng được thực hiện ở
thông lượng nhiệt khoảng 5kW / m2, thông lượng khối lượng 100 – 600 kg / m2s, trong
khi góc nghiêng của dịng chảy thay đổi theo chiều dọc xuống, theo chiều dọc. Các mô
phỏng số đã đưa ra những quan điểm mới và thông tin bổ sung không được xác định
bằng thực nghiệm. Kết quả cho thấy góc nghiêng xuống tối ưu nằm trong khoảng từ
23

−30 ° đến −15 °, đối với các hệ số truyền nhiệt. Thanh-Hoang Phan và cộng sự [37] đã
thực hiên mộ nghiên cứu Mơ phỏng số của q trình ngưng tụ hỗn hợp khơng khí hơi
nước trong một ống thẳng đứng. Thanh-Hoang Phan và cộng sự đã nghiên cứu một mơ
hình số ba pha có thể nén hồn tồn cho dịng ngưng tụ hơi nước khi có khơng khí.Một
màng nước ngưng tụ mỏng phát triển dọc theo ống và lớp màng dày nhất ở thành ống
đầu ra khoảng 4.0mm đã được quan sát. Sự tích tụ khơng khí ở giao diện hơi nước
cũng được thể hiện. Chunxu Wu và cộng sự [38] đã thực hiện một nghiên cứu Mô
phỏng số mơ hình dịng chảy và ảnh hưởng của thơng lượng nhiệt trong q trình
ngưng tụ R32 trong ống micro. Nhóm đã nghiên cứu dựa trên phương pháp thể tích
chất lỏng, một mơ hình số tạm thời cho các tính năng truyền nhiệt và dòng ngưng tụ
trong một vi kênh được đề xuất. Sự ngưng tụ dòng chảy của R32 trong một ống micro
trịn với đường kính 0,1mm đã được nghiên cứu. Bốn mơ hình dịng chảy điển hình,
hình khun, dịng phun, dịng chậm và dịng bọt được mơ phỏng dọc theo miền tính
tốn hai chiều liên tiếp.Các kết quả bằng số cho thấy sự gia tăng của thông lượng khối
lượng, nhiệt độ thành ống và nhiệt độ bão hòa ảnh hưởng đến điểm tách của dịng hơi
chậm về phía đầu ra với tần suất xuất hiện cao hơn, có thể được quy cho số Weber cao
hơn và số Capillary của lõi hơi đuôi. Thông lượng nhiệt cục bộ và ứng suất cắt vách sẽ
giảm dọc theo hướng dịng chảy nói chung và có xu hướng khơng đổi trong vùng chất
lỏng một pha.Dingbin Huang và các cộng sự [39] đã thực hiện một cuộc điều tra về
ngưng tụ hơi trên bề mặt mảng cột nano (nanopillar) bằng mô phỏng động lực phân tử.
Cuộc điều tra này đã nghiên cứu mô phỏng động lực phân tử được sử dụng để nghiên
cứu sự ngưng tụ hơi Argon trên các bề mặt mảng nanopillar làm bằng đồng.Người ta
nhận thấy rằng các cột cao hơn, các cột dày đặc hơn và độ thấm ướt bề mặt mạnh
mạnh hơn có thể ngăn chặn sự ngưng tụ hơi ở dưới cùng của một mảng nanopillar, làm
cho hơi nước có khả năng ngưng tụ ở phần trên của mảng. Nó cũng cho thấy rằng đỉnh
ngưng tụ trong mảng nanopillar có thể được dịch chuyển từ dưới lên trên cùng với quá
trình làm mát phụ cho vách tăng.
Wenjuan Sun và cộng sự [40] đã Mơ phỏng số q trình ngưng tụ CO2 từ hỗn

hợp khí nhị phân CH4-CO2 trong các vịi siêu âm. Nhóm nghiên cứu này đã nghiên
cứu cơng nghệ tách siêu âm là một kỹ thuật có khả năng áp dụng trong việc tách CO2
khỏi khí tự nhiên. Một mơ hình hai chất lỏng Euler-Euler được phát triển để dự đốn
q trình ngưng tụ tự phát của CO2 trong hệ thống khí nhị phân CH4-CO2 trong quá
24


trình mở rộng siêu âm sử dụng lý thuyết hạt nhân hình thành và mơ hình tăng trưởng
nhỏ giọt.. Kết quả mơ phỏng cho thấy q trình hình thành hạt nhân đồng nhất của
CO2 xảy ra mạnh mẽ trong một khoảng thời gian ngắn trong phần phân kỳ của vòi
phun và phần khối lượng của pha ngưng tụ tăng liên tục cho đến đầu ra của vòi phun.
Sự bắt đầu của quá trình ngưng tụ xảy ra sớm hơn và nhiều CO2 có thể được ngưng tụ
ra khỏi hỗn hợp khí ở nhiệt độ đầu vào thấp hơn, áp suất đầu vào cao hơn và nồng độ
CO2 cấp vào lớn hơn.
1.2.2. Nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, truyền nhiệt kênh Micro còn rất mới mẻ, xa lạ nhưng cũng đã có các
nhà khoa học chuyên ngành nhiệt nghiên cứu về vấn đề này.
Th Dang cùng cộng sự [41] đã thực nghiệm q trình ngưng tụ của hơi trong kênh
micro vng. Các kênh micro vng này có cạnh 500 mm và dài 52 mm. Trong nghiên
cứu này, nhiệt độ chênh lệch của phía nước làm mát tăng khi tăng lượng hơi vào. Ở tại
một giá trị lưu lượng hơi, nhiệt độ chênh lệch của phía nước làm mát tỉ lệ nghịch với
lưu lượng nước giải nhiệt. Ở một giá trị lưu lượng nước giải nhiệt, khi lưu lượng hơi
tăng, tổn thất áp suất cũng tăng. Tại lưu lượng nước 1,028 g/s, hệ số truyền nhiệt của
thiết bị ngưng tụ kênh micro tăng từ 1704 đến 5200 W/m2.K khi tăng lưu lượng hơi từ
0,008993 đến 0,038923 g/s. Tuy nhiên, hệ số truyền nhiệt giảm khi lưu lượng hơi tăng
từ 0,042767 đến 0,067150 g/s. Thêm vào đó, hai cơng thức thể hiện mối quan hệ giữa
hệ số truyền nhiệt và tổn thất áp suất cũng đã được đưa ra. Những kết quả trong nghiên
cứu này đã bổ sung những dữ liệu quan trọng trong các nghiên cứu về quá trình ngưng
tụ trong kênh micro.
PGS. TS. Đặng Thành Trung và KS. Đoàn Minh Hùng [42] đã nghiên cứu quá trình

trao đổi nhiệt ngưng tụ của thiết bị ngưng tụ kênh Micro hình vng có đường kính
thủy lực 375, 265 µm. Kết quả cho thấy rằng hiệu suất trao đổi nhiệt thu được từ dòng
chảy ngược chiều lớn hơn so với dòng chảy cùng chiều là 1.04 1.05 lần, và dòng hai
pha cho hiệu suất tốt hơn so với dịng một pha. Thêm vào đó, hệ số trao đổi nhiệt
ngưng tụ của thiết bị trao đổi nhiệt kênh Micro giảm khi tăng nhiệt độ đầu vào nước
làm mát. Quá trình trao đổi nhiệt ngưng tụ của thiết bị ngưng tụ kênh Micro hình
vng có đường kính thủy lực 375, 265 µm đã được PGS, TS, Đặng Thành Trung và
KS, Đoàn Minh Hùng [43] nghiên cứu. Hiệu suất trao đổi nhiệt thu được từ dòng chảy
25


ngược chiều được kết luận có giá trị lớn hơn so với dòng chảy cùng chiều 1.04 -1.05
lần, và dòng hai pha cho hiệu suất tốt hơn so với dòng một pha. Thêm vào đó, hệ số
trao đổi nhiệt ngưng tụ của thiết bị trao đổi nhiệt kênh Micro giảm khi tăng nhiệt độ
đầu vào nước làm mát. Ngoài ra, cịn có một số các nghiên cứu khác cũng sử dụng
phương pháp thực nghiệm để tiến hành nghiên cứu như nghiên cứu sự ngưng tụ kênh
Micro hình chữ nhật nằm ngang bằng mơ hình thực nghiệm với hai mẫu khác nhau về
chiều dài kênh và bề mặt của PGS. TS. Đặng Thành Trung và KS. Đoàn Minh Hùng
[44]. Khi chênh áp thấp thì biên dạng ngưng tụ dao động lớn, khoảng cách giữa điểm
bắt đầu ngưng tụ của kênh cuối tới ống góp thì lớn hơn một cách khơng đáng kể với
khoảng cách từ điểm bắt đều ngưng tụ của kênh đầu tới ống góp là kết quả của nghiên
cứu này, tuy nhiên, khi áp suất tăng thì sự dao động của biên dạng giảm, khoảng cách
của điểm bắt đầu ngưng tự của kênh cuối tới ống góp thì lớn hơn nhiều với khoảng
cách của điểm bắt đầu ngưng tụ của kênh đầu tới ống góp và chỉ số biểu diễn giảm khi
gia tăng lưu lượng khối lượng của hơi. Ngồi các nghiên cứu sử dụng phương pháp
thực nghiệm, nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Đặng Thành Trung và ThS. Lê Bá Tân
[45] đã sử dụng phương pháp mô phỏng để thực hiện một nghiên cứu về Ảnh hưởng
của hình dáng hình học kênh micro, đến các đặc tính truyền nhiệt cho dòng chảy hai
pha. Nghiên cứu này đã chỉ ra được hình dáng hình học tối ưu đó là kênh có tiết diện
hình trịn. Giữa mơ phỏng số và thực nghiệm sai số thấp hơn 0,3%.

Qua các kết quả nghiên cứu trên cho thấy rằng, hiện nay ở Việt Nam cũng như trên
thế giới vẫn chưa có nhiều nghiên cứu về quá trình ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt
kênh Micro hình vng, đặc biệt là phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Vì vậy, việc
nghiên cứu thực nghiệm quá trình ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt Micro là hết sức
cần thiết.
1.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng trao đổi nhiệt của các thiết bị ngưng tụ thông qua việc sử
trực tiếp đo đạc và thực nghiệm qua các thông số đặt nhiều trường hợp khác nhau
của dàn ngưng Micro ở một điều kiện nhất định. Tìm ra các kết quả thực nghiệm về
cơng suất nhiệt, mật độ dịng nhiệt cũng như hệ số truyền nhiệt quá trình ngưng tụ
của bộ trao đổi nhiệt micro. So sánh được khả năng ngưng tụ của hai mẫu khi thay
26


đổi vị trí lắp đặt và loại quạt
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu
Từ các nghiên cứu trước đây được công bố trên các tạp chí uy tín trên thế giới,
nhóm nghiên cứu đã thực hiện một nghiên cứu tổng quan về đối tượng liên quan
đến đề tài, từ đó thấy được những vấn đề các nghiên cứu trước đã được giải quyết,
những vấn đề chưa giải quyết và cần giải quyết. Tổng hợp các cơng trình nghiên
cứu có liên quan, từ đó xác định được đối tượng, đồng thời thiết kế mơ hình thực
nghiệm, thiết lập thí nghiệm để thực hiện mục tiêu của đề tài.
1.3.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Sử dụng phần mềm vẽ Cade để vẽ mô hình 3D chi tiết thiết bị ngưng tụ kênh
Micro ống hình vng. Mơ hình thực tế có 4 ống, mỗi ống 10 kênh Micro. Thiết bị
được đặt thẳng đứng, giải nhiệt bằng khơng khí để ngưng tụ hơi nước được cung
cấp từ lị hơi mini. Sau đó, dựa vào các thông số từ thực nghiệm kết hợp với
Phương án xây dựng giữa công thức kỹ thuật và công thức thực nghiệm. Nhóm đồ
án cũng đã thiếp lập mơ hình dàn ngưng kênh micro và thí nghiệm thực nghiệm về

q trình ngưng tụ của dàn ngưng kênh micro với hơi được lấy từ mini boiler.
1.3.4. Giới hạn nghiên cứu
Sử dụng phương án thực nghiệm để tiến hành đồ án, đưa ra các só sánh và rút
ra kết luận cuối cùng.
1.3.5. Nội dung nghiên cứu
Tổng quan các nghiên cứu liên quan
Đưa ra đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Lắp đặt hệ thống thực nghiệm: Thiết bị ngưng tụ kênh Micro có kích thước bên
ngồi cụ thể: có 10 ống, mỗi ống có 10 kênh Micro hình vng có kích thước 900 x
900 μm.
Mơ hình 3D được sử dụng trong đồ án này được tách ra từ thiết bị thực tế, là
1ống Micro của thiết bị, có kích thước mơ phỏng là: 10 cm, các ống hình vng có
độ dài cạnh a = 900 μm.

27


Chạy thực nghiệm và ghi thông số nhiệt độ, áp suất trong suốt quá trình và
thay đổi nhiều trường hợp nằm đứng và nằm ngang của dàn.
Cải tiến khả năng giải nhiệt của dàn ngưng thông qua thay đổi công suất quạt
chiều giải nhiệt của khơng khí
Thay đổi quạt và chiều giải nhiệt để so sánh sự thay đổi của cơng suất lưu
lượng
Tính tốn và so sánh kết quả của 2 phương pháp và đưa ra kết luận.

28


Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Nghiên cứu dịng mơi chất 2 pha liên quan đến quá trình ngưng tụ
Nghiên cứu dịng mơi chất 2 pha là một q trình nghiên cứu vô cùng
phức tạp. Hệ số truyền nhiệt và áp suất giảm liên quan chặt chẽ với dịng mơi
chất hai pha cục bộ và cơ cấu hình thành dịng chảy của chất lỏng, nó được coi là
một khía cạnh quan trọng của mơ hình dịng chảy lúc ngưng tụ. Trong thực tế,
các mơ hình truyền nhiệt để dự đốn mơ hình dịng chảy cục bộ khi ngưng tụ, khi
chuyển từ dịng mơi chất hai pha sang dịng chảy khác.
2.1.1Mơ hình lưu lượng dịng chảy trong ống dọc:
Đối với các hiện tượng lưu
lượng dòng chảy của lỏng và hơi trong
một ống thẳng đứng, chất lỏng và các
quá trình phân phối hơi vào trong ống
dọc. Đây được gọi là mơ hình lưu
lượng dịng chảy trong ống dọc và
chúng được mơ tả như sau:
Dịng chảy bong bóng: hơi bảo
hồ ẩm được phân tán ở dạng bong
bóng rời rạc trong giai đoạn lỏng liên
tục. Các bong bóng có thể khác nhau
về kích thước, hình dạng nhưng chúng
thường gần như hình cầu có đường
kính nhỏ hơn nhiều so với đường kính.
-

Hình 2.1. Mơ hình dịng
mơi chất 2 pha trong ống thẳng đứng

- Dịng chảy chậm: các bong bóng nhỏ tập hợp lại gần nhau, va chạm với

nhau và hình thành bong bóng lớn hơn, chiếm một phần trong đường kính ống,

gọi là bong bóng Taylor có hình dạng tương tự như một viên đạn với đoạn đầu
hình bán cầu và đoạn đi cùn, làm cho dịng chảy chậm. Bong bóng Taylor
được bao quanh bởi một màng chất lỏng mỏng giữa chúng và vách ống, chảy
xuống do trọng lực.
- Dòng chảy khuấy tung: Vận tốc dịng chảy tăng, cấu trúc của dịng

chảy trở nên khơng ổn định với chất lỏng đi lên và xuống, tạo dao động nhưng với
một dòng chảy hướng lên. Đây là chế độ trung gian giữa chế độ dòng chảy chậm
với chế độ chảy hình vành khun.
- Dịng chảy hình khun: khi vận tốc dòng chảy tăng, các màng chất

29


lỏng trở nên chiếm ưu thế hơn trọng lực, chất lỏng bị bật ra từ tâm của ống và
chảy như một màng mỏng trên vách thành hình vành khuyên. Chất lỏng ở tâm có
chế độ dịng chảy ổn định.
2.1.2 Mơ hình lưu lượng dịng chảy trong ống nằm ngang:

Hình 2.2. Mơ hình dịng mơi chất 2 pha trong ống nằm ngang
Mơ hình dịng mơi chất hai pha trong các ống nằm ngang tương tự như trong dòng
chảy thẳng đứng, nhưng phân bố của chất lỏng chịu ảnh hưởng của lực hấp dẫn, có
các loại sau:
- Dịng chảy bong bóng: hơi bong bóng được phân tán lẫn trong chất lỏng

với nồng độ cao chủ yếu là ở nửa phía trên của ống do sức nổi của nó.
- Dịng chảy phân tầng: chất lỏng ở vị trí thấp và dịng hơi hồn thành
tách thành hai giai đoạn: hơi đi vào phía trên và chất lỏng ở đáy của ống cách
nhau bằng một bề mặt nằm ngang. Do đó chất lỏng và hơi được phân tầng đầy đủ
trong chế độ này.

- Dòng chảy phân tầng lượn sóng: Tăng tốc độ hơi trong dịng chảy phân

tầng, sóng được hình thành trên bề mặt và đi theo hướng dịng chảy. Biên độ của
sóng phụ thuộc vào vận tốc tương đối, gợn nhấp nhơ của nó khơng đạt đến đỉnh
ống.
- Dịng chảy chặn: Đường kính của các bong bóng kéo dài nhỏ hơn ống,

lỏng chạy liên tục dọc theo phía dưới của ống. Dịng chảy chặn đơi khi được gọi
là bong bóng chảy kéo dài.

30


- Dòng chảy chậm: khi vận tốc hơi cao hơn, đường kính của bong bóng

kéo dài có kích thước gần bằng đường kính ống, dịng chảy có biên độ sóng lớn.
- Dịng chảy hình khun: Ở q trình dịng chảy hơi lớn hơn, chất lỏng

tạo thành một màng hình khuyên liên tục quanh chu vi ống, tương tự như dòng
chảy thẳng đứng, nhưng các màng chất lỏng ở phía dưới dày hơn ở phía trên.
Qua thực nghiệm nghiên cứu, khảo sát trên thiết bị ngưng tụ bằng ống
thuỷ tinh của hệ thống lạnh ta thống kê được hình ảnh mơ phỏng q trình chảy
của dịng mơi chất khi ngưng tụ ở ống đặt nằm ngang như sau:

Hình 2.3 Các chế độ dòng chảy
A- Dòng chảy phân tầng;

B- Dòng chảy liên tục;

C- Dịng chảy hình khun

2.1.3 Đặc điểm của q trình ngưng tụ:
Q trình ngưng tụ hơi mơi chất gắn liền với việc biến đổi pha. Để quá
trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn cần phải có 2 điều kiện:
+ Nhiệt độ bề mặt rắn phải nhỏ hơn nhiệt độ của hơi bão hòa tiếp xúc với bề
mặt
rắn.
+ Trên bề mặt vật rắn phải có các tâm ngưng tụ. Các
tâm ngưng có thể là bọt khí, hạt bụi.
Tùy theo trạng thái bề mặt và tính dính ướt của
chất lỏng, quá trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn gồm:
ngưng màng và ngưng giọt.
- Ngưng màng là các giọt chất lỏng ngưng liên kết

với nhau thành màng trên bề mặt vật rắn, ngưng màng
xảy ra khi chất lỏng dính ướt hồn tồn bề mặt vật rắn,

31

Hình 4. Ngưng màng
và ngưng giọt