Nghiên cứu quá trình ngưng tụ của hơi nước trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro bằng phương pháp thực nghiệm ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.41 MB, 76 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ CỦA HƠI NƯỚC
TRONG THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KÊNH MICRO
BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
GVHD: ĐOÀN MINH HÙNG
SVTH: PHẠM BÁ ĐỨC
PHẠM THỊ BÍCH LIÊN
NGUYỄN ĐỨC THI
SKL007974
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
-------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ CỦA HƠI
NƯỚC TRONG THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KÊNH
MICRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
SVTH: PHẠM BÁ ĐỨC
MSSV: 13147013
NGUYỂN THỊ BÍCH LIÊN
MSSV: 13147033
NGUYỄN ĐỨC THI
MSSV: 13147063
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018
I
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
-------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Cơng nghệ kỹ thuật nhiệt
Tên đề tài: NGHIÊN
CỨU Q TRÌNH NGƯNG TỤ CỦA
HƠI NƯỚC TRONG THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT KÊNH
MICRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
SVTH: PHẠM BÁ ĐỨC
MSSV: 13147013
NGUYỂN THỊ BÍCH LIÊN
MSSV: 13147033
NGUYỄN ĐỨC THI
MSSV: 13147063
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018
II
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
--------------------------
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018
---------------------
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. Phạm Bá Đức
MSSV: 13147013
2. Nguyễn Thị Bích Liên
MSSV: 13147033
3. Nguyễn Đức Thi
MSSV: 13147063
Chun ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật nhiệt
Mã ngành đào tạo: 52510206
Hệ đào tạo: Đại học
Mã hệ đào tạo: 1
Khóa: 2013
Lớp: 13947
1. Tên đề tài:
Nghiên cứu quá trình ngưng tụ của hơi nước trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh
micro bằng phương pháp thực nghiệm.
2. Nhiệm vụ đề tài:
-
Tổng quan tài liệu liên quan.
-
Thực nghiệm quá trình ngưng tụ của hơi nước trong thiết bị trao đổi nhiệt
kênh micro.
3. Sản phẩm của đề tài:
-
Mơ hình hệ thống trao đổi nhiệt kênh micro.
-
Biểu đồ, các kết quả đánh giá quá trình ngưng tụ của hơi nước trong thiết bị
trao đổi nhiệt kênh micro.
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài:
5. Ngày hồn thành nhiệm vụ:
TRƯỞNG BỘ MƠN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
III
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Tên đề tài: Nghiên cứu quá trình ngưng tụ của hơi nước trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh
micro bằng phương pháp thực nghiệm.
Họ và tên sinh viên: Phạm Bá Đức
MSSV:13147013 Hội đồng:
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thị Bích Liên
MSSV:13147033 Hội đồng:
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Đức Thi
MSSV:13147063 Hội đồng:
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật nhiệt
I. Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày và tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn):
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH BỔ SUNG:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ:
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không): ....................................................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10:........................................................................................
TP.HCM, ngày
tháng
năm 2018
Giảng viên hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)
IV
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Tên đề tài: Nghiên cứu quá trình ngưng tụ của hơi nước trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh
micro bằng phương pháp thực nghiệm.
Họ và tên sinh viên: Phạm Bá Đức
MSSV:13147013 Hội đồng:
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thị Bích Liên
MSSV:13147033 Hội đồng:
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Đức Thi
MSSV:13147063 Hội đồng:
Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật nhiệt
I. Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày và tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn):
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không):..................................................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10):....................................................................................
TP.HCM, ngày
tháng
năm 2018
Giảng viên phản biện
(Ký, ghi rõ họ tên)
V
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
-----------------------XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: Nghiên cứu quá trình ngưng tụ của hơi nước trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh
micro bằng phương pháp thực nghiệm.
Họ và tên Sinh viên: 1. Phạm Bá Đức
MSSV:13147013
2. Nguyễn Thị Bích Liên
3. Nguyễn Đức Thi
Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật nhiệt
MSSV:13147033
MSSV:13147063
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản
biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo
yêu cầu về nội dung và hình thức.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
........................................................
...........................
GV HƯỚNG DẪN
........................................................
...........................
GV PHẢN BIỆN
........................................................
...........................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018
VI
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp nhóm chúng em đã nhận được nhiều sự
giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của q thầy cơ khoa Cơ Khí Động Lực
Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM.
Lời đầu tiên, chúng em xin được gửi tới thầy Đoàn Minh Hùng lời cảm ơn chân
thành nhất. Thầy đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và ln quan tâm, động viên nhóm
trong suốt q trình thực hiện đồ án để nhóm có thể hồn thành một cách tốt nhất.
Chúng em cũng xin được chân thành cảm ơn tồn bộ các thầy cơ bộ mơn Cơng
nghệ Kỹ thuật nhiệt, khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật TP
Hồ Chí Minh. Các thầy cơ đã truyền đạt những kiến thức rất quý báu và ln tạo điều
kiện tốt nhất để chúng em có thể nghiên cứu và hoàn thành đồ án. Xin được cảm ơn
các anh chị cao học các cựu sinh viên và các bạn sinh viên cùng khóa đã hỗ trợ và góp
ý trong suốt q trình thực hiện đồ án.
Tuy nhiên với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm và nguồn tài liệu tham
khảo còn hạn chế, dù đã rất cố gắng để thực hiện đồ án nhưng nhóm khơng thể tránh
khỏi những thiếu sót. Nhóm chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ thầy
cơ để có thể bổ sung và hồn thiện hơn bài đồ án.
Nhóm sinh viên thực hiện
I
TĨM TẮT
Đề tài này tập trung nghiên cứu q trình ngưng tụ của hơi nước trong thiết bị
trao đổi nhiệt kênh micro bằng phương pháp thực nghiệm.
Qua thời gian tìm hiểu, thu thập các bài báo nghiên cứu khoa ho ̣c và các đề tài
nghiên cứu liên quan trong và ngồi nước, nhóm đưa ra được hướng nghiên cứu đồng
thời tiến hành thiết lập mơ hình hệ thống thí nghiệm. Sau đó tiến hành lắp đặt mơ hình
thực nghiệm để thu được các kết quả số liệu chính xác nhất. Từ đó, nhóm tiến hành xử
lý số liệu, lập lên các biểu đồ đánh giá các kết quả thu thập được của quá trình ngưng
tụ của hơi nước trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro.
Những kết quả thu được cho thấy nghiên cứu này đáp ứng đầy đủ các tiêu chí
về một thiết bị ngưng tụ tiêu chuẩn trong hệ thống điều hòa tương lai như hiệu quả làm
việc cao, nhỏ ngọn và tiết kiệm năng lượng.
II
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................. I
TÓM TẮT ...................................................................................................................................... II
MỤC LỤC .................................................................................................................................... III
DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................................V
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................... VII
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..............................................................VIII
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ......................................................................................................... 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................................... 1
1.2. Ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt kênh micro ..................................................................... 1
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu ....................................................................................... 5
1.3.1. Các nghiên cứu ngoài nước ......................................................................................... 5
1.3.2. Các nghiên cứu trong nước ....................................................................................... 18
1.4. Lý do chọn đề tài ............................................................................................................... 19
1.5. Giới hạn đề tài ................................................................................................................... 19
1.6. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................. 19
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................... 20
2.1. Tổng quan về nước – hơi nước ........................................................................................ 20
2.2. Các công thức liên quan đến thực nghiệm...................................................................... 22
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM .................................................... 24
3.1. Thiết lập hệ thống thực nghiệm ....................................................................................... 24
3.2. Các thiết bị sử dụng trong thí nghiệm ............................................................................ 25
3.2.1. Cụm thiết bị lị hơi ...................................................................................................... 25
3.2.2. Các thiết bị đo thông số ............................................................................................. 27
3.2.3. Bộ thu thập dữ liệu ..................................................................................................... 28
3.2.4. Bộ trao đổi nhiệt kênh micro ..................................................................................... 32
3.2.5. Các thiết bị khác ......................................................................................................... 32
3.3. Lắp đặt thiết bị đo và đo lường thông số ........................................................................ 33
3.3.1. Nhiệt độ ....................................................................................................................... 33
3.3.2. Lưu lượng.................................................................................................................... 34
3.4. Quá trình thực hiện thực nghiệm .................................................................................... 35
III
3.4.1. Giai đoạn chuẩn bị ..................................................................................................... 35
3.4.2. Giai đoạn lấy thông số................................................................................................ 36
3.4.3. Giai đoạn kết thúc ...................................................................................................... 43
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .............................................................................. 44
4.1. Ảnh hưởng của lưu lượng nước ngưng đến nhiệt độ ..................................................... 44
4.2. Mối quan hệ giữa công suất nhiệt và lưu lượng hơi vào ............................................... 46
4.3. Mối quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt thiết bị và lưu lượng hơi vào ............................. 49
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 51
5.1. Kết luận .............................................................................................................................. 51
5.2. Kiến nghị ............................................................................................................................ 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................... 52
PHỤ LỤC ..................................................................................................................................... 56
IV
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hình ảnh block của bộ tản nhiệt. ........................................................................... 3
Hình 1.2. Hình ảnh Radiator. ............................................................................................... 3
Hình 1.3 Hình ảnh một thiết bị PCHE.................................................................................. 4
Hình 1.4. Cấu tạo của PCHE – các tấm trao đổi nhiệt xếp chồng lên nhau. ........................ 4
Hình 1.5. Hình dạng đầu vào của các cách phân phối khác nhau. ....................................... 6
Hình 1.6. Các giai đoạn dịng ngưng tụ. ............................................................................... 8
Hình 1.7. Các giai đoạn của quá trình ngưng tụ trong bộ ngưng tụ kênh micro. ................. 9
Hình 1.8. Quá trình ngưng tụ trong vi kênh ở các điều kiện khác nhau. ........................... 10
Hình 1.9. Ảnh hưởng của các điều kiện đến tổn thất áp suất trong kênh. .......................... 11
Hình 1.10. Biểu đồ so sánh tổn thất áp suất trên các nghiên cứu. ...................................... 11
Hình 1.11. So sánh hệ số truyền nhiệt ngưng tụ với các nghiên cứu khác......................... 12
Hình 1.12. Kích thước các mẫu trong thí nghiệm. ............................................................. 12
Hình 1.13. Biểu đồ thể hiện sự thay đổi chất lượng hơi..................................................... 13
Hình 1.14. So sánh kết quả nghiên cứu với các nghiên cứu khác. ..................................... 14
Hình 1.15. Mơ hình vi kênh trong mơ phỏng. .................................................................... 15
Hình 1.16. Các giai đoạn của quá trình ngưng tụ khi nồng độ ethanol thay đổi. ............... 17
Hình 1.17. Các sắp xếp pha nước – hơi trong ba mẫu thí nghiệm. .................................... 18
Hình 2.1. Sơ đồ vùng chuyển pha của nước. ...................................................................... 20
Hình 2.2. Các giai đoạn trao đổi nhiệt trong thí nghiệm. ................................................... 21
Hình 2.3. Sơ đồ nhiệt thiết bị ngược chiều. ........................................................................ 22
Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo hệ thống thí nghiệm. .................................................................... 24
Hình 3.2. Hình ảnh lị hơi mini. .......................................................................................... 25
Hình 3.3. Hình ảnh rơ le áp suất. ........................................................................................ 26
Hình 3.4. Hình ảnh van an tồn. ......................................................................................... 27
Hình 3.5. Cảm biến nhiệt độ dùng trong thí nghiệm. ......................................................... 27
Hình 3.6. Cân TP 214 – Denver. ........................................................................................ 28
Hình 3.7. Sơ đồ các thành phần trong bộ thu dữ liệu MX100. .......................................... 29
Hình 3.8. Hình ảnh mơ đun chính và các mơ đun kết nối. ................................................. 29
V
Hình 3.9. Giao diện của phần kiểm tra tích hợp................................................................. 30
Hình 3.10. Giao diện phần viewer. ..................................................................................... 31
Hình 3.11. Giao diện bộ định chuẩn. .................................................................................. 31
Hình 3.12. Kích thước mẫu thí nghiệm. ............................................................................. 32
Hình 3.13. Hình ảnh bơm CERAMIC PUMP VSP-1200. ................................................. 33
Hình 3.14. Cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ nước ngưng ra và nước giải nhiệt vào. ........... 34
Hình 3.15. Màn hình hiển thị khi nhấn nút Tare. ............................................................... 35
Hình 3.16. Thao tác khởi động chương trình Logger. ........................................................ 37
Hình 3.17. Thao tác chọn màn hình hiển thị. ..................................................................... 37
Hình 3.18. Thao tác hiển thị dữ liệu. .................................................................................. 38
Hình 3.19. Kết quả giao diện. ............................................................................................. 38
Hình 3.20. Thao tác thu dữ liệu. ......................................................................................... 39
Hình 3.21. Thao tác dừng thu dữ liệu. ................................................................................ 40
Hình 3.22. Xác nhận dừng thu dữ liệu. .............................................................................. 40
Hình 3.23. Chọn file dữ liệu đã lưu. ................................................................................... 41
Hình 3.24. Giao diện sau khi mở file dữ liệu. .................................................................... 41
Hình 3.25. Thao tác hiển thị nội dung file dự liệu. ............................................................ 42
Hình 3.26. Giao diện sau khi hồn thành. .......................................................................... 42
Hình 4.1. Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi vào và nhiệt độ. ................................................ 44
Hình 4.2. Mối liên hệ giữa lưu lượng hơi vào và độ chênh lệch nhiệt độ. ......................... 45
Hình 4.3. Mối quan hệ giữa lưu lượng hơi vào và nhiệt lượng trao đổi. ........................... 46
Hình 4.4. Mối quan hệ giữa độ chênh nhiệt độ phía hơi và nhiệt lượng trao đổi. ............. 47
Hình 4.5. Mối quan hệ giữa độ chênh nhiệt độ phía nước và nhiệt lượng trao đổi............ 48
Hình 4.6. Mối quan hệ giữa lưu lượng hơi vào và hệ số truyền nhiệt của thiết bị. ............ 49
VI
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Thông số vật lý của hơi nước trên đường bão hòa .............................................. 56
Bảng 2: Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt ........................................................................... 57
Bảng 3: Thông số thực nghiệm trên mẫu thí nghiệm 1 ..................................................... 58
Bảng 4: Thơng số thực nghiệm trên mẫu thí nghiệm 2 ..................................................... 59
VII
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
F
Diện tích trao đổi nhiệt, m2
i
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2K
k
Hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K
L
Chiều dài kênh micro, m
G
Lưu lượng khối lượng, kg/h
p
Áp suất, Pa
P
Đường kính ướt, m
N
Cơng suất, W
Q
Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W
q
Mật độ dòng nhiệt, W/m2
R
Nhiệt trở, m2K/W
t
Nhiệt độ, K
d
Đường kính tương đương kênh micro Greek symbols
Độ nhớt động lực học, Ns/m2
Khối lượng riêng, kg/m3
Hệ số dẫn nhiệt, W/m K
Vận tốc, m/s
ε
Hiệu suất
T
Nhiệt độ chênh lệch, K
VIII
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, theo đà phát triển của khoa học kỹ thuật, cơng nghệ micro/nano đã xuất
hiện và có những bước tiến vượt bậc. Nhờ ưu điểm nhỏ gọn, tiết kiệm diện tích, có hiệu
quả cao, các ứng dụng của cơng nghệ này đã xuất hiện trong nhiều lĩnh vực khác nhau
như điện tử, sinh học, y học ... Một trong những ứng dụng của công nghệ này vào ngành
nhiệt là bộ trao đổi nhiệt kênh micro. Đây có thể coi là một hướng đi mới và được rất
nhiều nhà khoa học cả trong và ngoài nước quan tâm. Tuy nhiên, do mới xuất hiện nên
lĩnh vực này còn nhiều vấn đề phải được nghiên cứu. Ngồi vấn đề kích thước, thì cịn
những u cầu khác như hiệu quả, cơng suất, mơ hình chế tạo, vật liệu,... cũng cần được
nghiên cứu để đáp ứng các nhu cầu trong thực tế.
Hiện nay có khá nhiều các nghiên cứu trên thế giới về bộ trao đổi nhiệt kênh micro
như cho dòng chảy 1 pha, 2 pha, cho bộ trao đổi nhiệt một tấm, nhiều tấm, tăng hiệu suất
trao đổi nhiệt, nghiên cứu hình dạng, cấu tạo mới hay sử dụng các môi chất khác nhau
như CO2, R134a,... Các nghiên cứu đó được thực hiện nhằm giảm thiểu kích thước của
thiết bị mà vẫn có hiệu quả tốt, chi phí sản xuất thấp. Trong các nghiên cứu trên thế giới,
các nghiên cứu về dòng chảy một pha có khá nhiều, tuy nhiên, các nghiên cứu cho dòng
chảy hai pha còn khá khiêm tốn.
Nắm bắt được tình hình đó và kế thừa những nghiên cứu trước đây, nhóm chúng em
quyết định tìm hiểu và nghiên cứu thực nghiệm quá trình ngưng tụ của hơi nước trong bộ
trao đổi nhiệt kênh micro.
1.2. Ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt kênh micro
Như đã giới thiệu, bộ trao đổi nhiệt kênh micro được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
khoa học kỹ thuật. Trong đó, một trong những ứng dụng quan trọng nhất của bộ trao đổi
nhiệt kênh micro là giải nhiệt cho các mạch điện vi mơ. Khi dịng điện đi qua một mạch
điện tử thì nó sẽ ln tỏa 1 nhiệt lượng: Q I 2 R t . Lượng nhiệt này cần được loại bỏ
1
và nhiệt độ trong mạch cần duy trì ở một nhiệt độ hợp lý nhằm đảm bảo sự an toàn và độ
tin cậy của mạch khi mạch làm việc.
Ngày nay, nhờ sự xuất hiện của công nghệ micro và công nghệ nano, khối lượng các
linh kiện điện tử trong một mạch điện tử có thể nói là rất lớn. Đó là một bước tiến lớn đối
với ngành điện điện tử, tuy nhiên, nó lại là vấn đề lớn khi ta cần tản nhiệt cho các mạch
điện này. Việc loại bỏ lượng nhiệt này và duy trì nhiệt độ tại điểm giới hạn là điều không
thể đối với công nghệ giải nhiệt bằng khơng khí.
Cơng nghệ giải nhiệt bằng khơng khí có ưu điểm độ tin cậy khá cao, chi phí đầu tư,
chi phí hoạt động và chi phí bảo trì thấp... Tuy nhiên, hệ thống này có khả năng tản nhiệt
thấp, bởi vì hệ số truyền nhiệt của khơng khí rất thấp. Muốn tăng hiệu suất trao đổi nhiệt,
ta cần tăng diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị.
Do vậy việc nghiên cứu một công nghệ làm mát các công nghệ điện tử trong những
năm sắp tới là điều vô cùng cần thiết. Một trong những cơng nghệ có thể đáp ứng được
các yêu như vậy là bộ trao đổi nhiệt kênh micro với chất giải nhiệt là nước.
Tiêu biểu cho lĩnh vực này là bộ tản nhiệt bằng nước cho máy tính: water cooling.
Việc làm mát các bộ phận của máy tính bằng nước (với Fluorinert) đã được sử dụng từ
năm 1982 trên siêu máy tính Cray-2. Dần dần đến năm 1990, việc làm mát bằng nước cho
các máy tính gia đình ngày càng phổ thơng và được cơng nhận bởi những người đam mê.
Và việc làm mát bằng nước chỉ thực sự trở nên phổ biến sau khi bộ vi xử lý Atholon hoạt
động quá nóng vào giữa những năm 2000.
Thiết bị làm mát bằng nước có thể được sử dụng để làm mát cho nhiều bộ phận trong
máy tính, nhưng đặc biệt là sử dụng để làm mát cho CPU.
Bằng việc chuyển nhiệt của thiết bị sang một bộ phận trao đổi nhiệt riêng lớn hơn (có
kèm quạt tản nhiệt), tản nhiệt bằng nước cho phép các linh kiện hoạt động êm ả hơn, tăng
tốc độ xử lý hoặc cân bằng giữa cả hai. CPU, GPU, ổ đĩa cứng, thậm chí nguồn cung cấp
điện cũng có thể được làm mát bằng nước.
Cấu tạo của bộ tản nhiệt bằng nước cho máy tính bao gồm:
2
Block là vùng tiếp xúc với thiết bị đang được làm mát và thường được sản xuất
từ kim loại có tính dẫn nhiệt cao như nhơm hoặc đồng.
Hình 1.1 Hình ảnh block của bộ tản nhiệt.
Tank- Reservoir (Bình chứa nước): là nơi lưu trữ chất lỏng làm mát và nó cũng
đóng vai trị là cổng nạp cho chất lỏng mát.
Pump (Bơm): có nhiệm vụ ln chuyển nước (mơi chất) trong vịng tuần hồn
của hệ thống.
Radiator (Két nước): có chức năng truyền nhiệt giữa nước và khơng khí.
Hình 1.2. Hình ảnh Radiator.
3
Ngoài việc làm mát các mạch điện tử, bộ trao đổi nhiệt micro cịn có thể ứng dụng
trong ngành hóa học. Công ty Heatric của Úc đã phát triển bộ trao đổi nhiệt kênh micro
để ứng dụng vào ngành hóa học, nó được đặt tên là Printed Circuit Heat Exchanger
(PCHE).
Hình 1.3 Hình ảnh một thiết bị PCHE.
PCHE có đường kính thủy lực từ 0.5mm đến 1.5 mm, có thể chịu được áp suất lên
đến 650 bar, dãy nhiệt độ thiết kế là 2 K 1160 K .
o
o
Hình 1.4. Cấu tạo của PCHE – các tấm trao đổi nhiệt xếp chồng lên nhau.
4
PCHE được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như hóa dầu, tinh chế... với các
hãng như Petrobras, BP, Shell và ExxonMobil.
Ngồi ra, cơng ty Heatric cịn sử dụng cơng nghệ Printed Circuit Reactors (PCR),
công nghệ này cho phép chúng ta mở rộng ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro
trong lĩnh vực xử lý hóa học, phản ứng hóa học và chế biến nhiên liệu. PCR có thể kết
hợp pha trộn, phản ứng hóa học và truyền nhiệt.
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu
1.3.1. Các nghiên cứu ngoài nước
Trong suốt thời gian phát triển của bộ trao đổi nhiệt kênh micro, trên thế giới đã có rất
nhiều nghiên cứu về thiết bị này như cho dòng chảy một pha, dịng hai pha, cho q trình
bay hơi, q trình ngưng tụ, tăng hiệu quả truyền nhiệt cho các bộ trao đổi nhiệt kênh
micro, những ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt kênh micro, ... Trong các nghiên cứu đó, có
nhiều nghiên cứu sử dụng nước là mơi chất trong thiết bị, vừa là chất giải nhiệt và vừa là
chất được giải nhiệt.
ThanhTrung Dang và cộng sự [1] đã tiến hành nghiên cứu về quá trình trình nhiệt đối
lưu trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro. Hai mẫu thí nghiệm được khắc trên tấm nhơm có
kích thước 46x26,5x1,2 mm3, các vi kênh có mặt cắt ngang là hình chữ nhật với kích
thước lần lượt là 0,5x0,3x32 mm3, 0,5x0,18x32 mm3. Thí nghiệm được thực hiện với
nước vào có nhiệt độ 70oC, lưu lượng 0,2308 g/s, nước giải nhiệt vào có nhiệt độ 22,5oC,
lưu lượng từ 0,2135 đến 0,401 g/s. Kết quả thí nghiệm cho thấy ở thiết bị trao đổi nhiệt
thứ nhất (T1), chỉ số tính năng đạt 21,68 W/kPa cao hơn thiết bị trao đổi nhiệt thứ 2 (T2),
tuy nhiên, tổn thất áp suất của T2 cao hơn T1. Đồng thời, ảnh hưởng của lực hấp dẫn đối
với chất lỏng rất ít, có thể coi là khơng đáng kể, sai lệch của các kết quả đo ở trường hợp
kênh đặt nằm ngang và nằm dọc nhỏ lơn 8%.
Md. Jane Alam Khan và đồng sự [2] đã tiến hành thí nghiệm nghiên cứu động thái
dòng chảy và phân bố nhiệt trong các vi kênh nhằm tạo ra dòng nhiệt ổn định. Họ thực
hiện thí nghiệm với bộ trao đổi nhiệt kênh micro gồm 21 vi kênh, kích thước mỗi kênh là
5
13x0,35x0,5 mm3. Khí Nitơ và khí Hidro được sử dụng làm mơi chất với tốc độ đầu vào
trung bình là 10 m/s, nhiệt độ là 300 K. Dòng nhiệt qua bề mặt trao đổi nhiệt được duy trì
ở giá trị 10000 W/m2. Họ đề ra bốn mẫu để so sánh và tìm ra mẫu có khả năng phân bố
lưu lượng tốt nhất, các mẫu được thể hiện như trong hình.
Hình 1.5. Hình dạng đầu vào của các cách phân phối khác nhau.
(a) loại 1, (b) loại 2, (c) loại 3, (d) loại 4
Sau quá trình nghiên cứu, ngoại trừ loại 1, cả 3 loại phân bố dòng chảy đều cho kết
quả gần giống nhau. Vì vậy, họ có thể lựa chọn bất kì loại nào tùy thuộc vào hình dạng
yêu cầu và tính linh hoạt trong sản xuất.
Liên quan đến q trình ngưng tụ của các mơi chất cũng có một số nghiên cứu sau:
Sung-Min Kim và cộng sự [3, 4] đã tiến hành nghiên cứu quá trình ngưng tụ trong bộ
trao đổi nhiệt kênh micro. Nghiên cứu của họ được trình bày qua hai bài báo, bài đầu trình
bày về quá trình ngưng tụ và vấn đề tổn thất áp suất trong quá trình ngưng tụ, bài thứ hai
trình bày về các vấn đề liên quan đến đặc điểm truyền nhiệt trong vi kênh. Họ sử dụng
mẫu thí nghiệm với các vi kênh có mặt cắt ngang hình vng, đường kính thủy lực là 1
mm, chiều dài 29,9 cm. Chất ngưng tụ là FC 72 có lưu lượng đi vào là từ 68 kg/m2s đến
367 kg/m2s, nhiệt độ từ 57,2 oC đến 62,3oC. Nước là chất giải nhiệt với lưu lượng từ 3 – 6
g/s. Sau q trình thí nghiệm, họ xác định được 5 giai đoạn của quá trình ngưng tụ hơi FC
72. Họ cũng tìm ra các mối quan hệ của tổn thất áp suất và các thơng số khác. Khi họ tăng
lưu lượng hơi vào thì tổn thất áp suất tăng, tăng lưu lượng nước làm mát thì tổn thất áp
6
suất giảm. Đồng thời, họ thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cao nhất ở vị trí gần đầu vào,
nơi mà sản phẩm ngưng tụ mỏng nhất, hệ số này giảm dần theo chiều dọc vi kênh.
Georges EL ACHKAR và cộng sự [5] đã tiến hành nghiên cứu dòng ngưng tụ trong
bộ ngưng tụ kênh micro làm mát bằng không khí. Mẫu thí nghiệm là một ống trịn trong
suốt có đường kính trong và ngồi lần lượt là 553 μm và 675 μm, chiều dài là 196 mm.
Họ sử dụng môi chất n – pentan làm môi chất trong quá trình ngưng tụ, hơi có nhiệt độ
bão hịa là 36,06oC ở áp suất khí quyển. Để kiểm sốt vận tốc dòng hơi, họ sử dụng van vi
lượng được đặt trong mơi trường có nhiệt độ 40oC, lưu lượng hơi vào duy trì ở mức 12
kg/m2s. Bằng hệ thống máy quay tốc độ cao, họ xác định quá trình ngưng tụ diễn ra trong
3 giai đoạn chính. Thơng qua thí nghiệm, họ xác định được các mối quan hệ giữa lưu
lượng, tốc độ ngưng tụ và chiều dài trung bình của các bọt hơi trong quá trình ngưng tụ.
Ji Wang và cộng sự [6] đã nghiên cứu chế động dòng chảy và tổn thất áp suất trong
quá trình ngưng tụ của môi chất R134a trong bộ ngưng tụ kênh micro. Mặt cắt các vi kênh
là hình bầu dục, đường kính thủy lực 301,6 μm, chiều dài 50 mm, tỉ lệ rắc co là 2,46. Hơi
vào có áp suất bão hịa là 0,8 Mpa tương ứng với nhiệt độ 31,3oC, độ khô dao động từ 0,1
đến 0,9, lưu lượng hơi vào từ 60 đến 250 kg/m2s. Mẫu thí nghiệm được làm mát bằng
nước, có nhiệt độ đầu vào duy trì ở giá trị 5oC. Kết quả thí nghiệm cho thấy, q trình
ngưng tụ trải qua 4 giai đoạn, các giai đoạn được thể hiện qua các loại dịng chảy trong
hình. Khi tăng lưu lượng và chất lượng hơi vào thì tổn thất áp suất trong quá trình ngưng
tụ giảm xuống. Đồng thời, tổn thất áp suất trong điều kiện làm mát không đối xứng cao
hơn so với tổn thất áp suất trong điều kiện làm mát đối xứng. Họ cũng so sánh với các
nghiên cứu khác và nhận thấy nghiên cứu của Cavallini gần đúng với dữ liệu thực nghiệm
của họ nhất.
7
Hình 1.6. Các giai đoạn dịng ngưng tụ.
Ali H. Al-Zaidi và cộng sự [7] đã nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng chất làm lạnh,
chất lượng hơi cục bộ, vận tốc và nhiệt độ nước làm mát đến hệ số truyền nhiệt ngưng tụ
cục bộ. Họ sử dụng HFH – 700 làm môi chất ngưng tụ, hơi vào là hơi bão hịa có nhiệt độ
60oC, lưu lượng dao động từ 48 – 126 kg/m2s; Nước là môi chất giải nhiệt, có lưu lượng
là 0,5 – 1,1 l/s, nhiệt độ nước vào 20 – 40oC. Mẫu thí nghiệm được làm bằng đồng có kích
thước 22x51x221 mm3. Các vi kênh được khắc trên hai mặt của mẫu, ở mặt ngưng tụ có
90 vi kênh rộng 0,4 mm, sâu 1mm, khoảng cách 2 vi kênh là 0,1 mm, ở mặt làm mát có
15 vi kênh, mỗi vi kênh có kích thước 2x2 mm2. Kết quả thực nghiệm cho thấy, hệ số
truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ tăng khi tăng khối lượng và giảm chất lượng hơi cục bộ. Độ
chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi bão hịa và nhiệt độ vách có ảnh hưởng không đáng kể
đến hệ số truyền nhiệt cục bộ. Khi lưu lượng hơi vào lớn, dòng ngưng tụ chủ yếu là dịng
có hình vành khăn.
Liên quan đến q trình ngưng tụ của hơi nước, trên thế giới cũng có những nghiên
cứu về lĩnh vực này như sau:
Yongping Chen và cộng sự [8] đã nghiên cứu thí nghiệm ngưng tụ hơi nước trong
kênh micro được khắc trong một miếng silicon mỏng, dày 500 μm. Các kênh micro có
mặt cắt hình thang với đường kính quy ước là 75 μm, dài 80 mm. Để đóng kín các kênh,
họ sử dụng một tấm kính Pyrex dày 400 μm. Kênh được làm mát bởi khơng khí đối lưu tự
8
nhiên ở nhiệt độ phịng. Hơi vào có áp suất dao động từ 127,5 kPa đến 225,5 kPa, đầu ra
có áp suất khí quyển, vào khoảng 101,3 kPa, nhiệt độ của nước ngưng dao động từ 42,8oC
đến 90oC. Kết quả nghiên cứu cho thấy dòng nhiệt ngưng tụ tăng khi đường kính vi kênh
giảm xuống, dịng nhiệt trên mẫu có thể đạt 1200 W/cm2 khi độ chênh nhiệt độ hơi là
10oC, cao gấp 3 lần so với thiết bị trao đổi nhiệt micro.
Huiying Wu và cộng sự [9] đã nghiên cứu quá trình chuyển đổi trạng thái và phân bố
nhiệt độ trong quá trình ngưng tụ hơi nước trên bộ ngưng tụ kênh micro làm bằng silicon.
Các mẫu thí nghiệm có mặt cắt hình thang, đường kính thủy lực lần lượt là 53 μm,
77,5μm và 128,5 μm. Kết quả thí nghiệm cho thấy quá trình ngưng tụ trải qua các giai
đoạn lần lượt như sau: dòng chứa các giọt nhỏ, dịng hình vành khăn, dịng phun, dịng
chảy chậm và dịng chứa các bọt khí. Vị trí của dịng chảy phun phụ thuộc vào chỉ số Re,
chỉ số ngưng tụ và đường kính quy ước. Khi tăng chỉ số Re hoặc giảm chỉ số ngưng tụ và
đường kính thủy lực, vị trí dịng phun di chuyển về phía đầu ra của vi kênh. Trong giai
đoạn dòng phun, nhiệt độ vách giảm nhanh theo hướng dòng chảy trong khi các giai đoạn
khác nhiệt độ vách chỉ giảm nhẹ.
Hình 1.7. Các giai đoạn của quá trình ngưng tụ trong bộ ngưng tụ kênh micro.
Wei Zhang và cộng sự [10] đã tiến hành nghiên cứu quá trình ngưng tụ của hơi nước
trong bộ ngưng tụ kênh micro với tốc độ dòng hơi vào thấp. Vi kênh có mặt cắt hình chữ
nhật với chiều rộng 800 μm, chiều sâu 30 μm và chiều dài 5 mm. Để đóng kín kênh, họ
phủ một lớp thủy tinh Pyrex để quan sát quá trình ngưng tụ diễn ra trong vi kênh. Hơi vào
có áp suất từ 115,84 kPa đến 212,35 kPa, nhiệt độ từ 102,5oC đến 121,1oC. Kết quả
nghiên cứu cho thấy, do vi kênh rất nông làm ảnh hưởng tới việc hình thành các bọt khí
trong q trình ngưng tụ. Đầu tiên, hơi vào hình thành một bong bóng dài ở đầu vào vi
9
kênh, sau đó các bong bóng nhỏ tách ra từ bong bóng dài và đi xuống đầu ra của vi kênh.
Họ tìm thấy rằng yếu tố giải nhiệt ảnh hưởng mạnh đến các thơng số hình thành bọt khí
như kích thước, hình dạng, tần số phát.
Hình 1.8. Quá trình ngưng tụ trong vi kênh ở các điều kiện khác nhau.
Xiaojun Quan và đồng sự [11] đã tiến hành thí nghiệm để nghiên cứu về tổn thất áp
suất giữa hai pha cho quá trình ngưng tụ của hơi nước trên bốn bộ trao đổi nhiệt kênh
micro làm bằng silicon, có mặt cắt là hình thang. Bốn bộ trao đổi nhiệt này dài 60 mm, có
đường kính quy ước lần lượt là 109 μm, 142 μm, 151 μm và 259 μm. Họ tiến hành thí
nghiệm với dịng hơi có khối lượng từ 75 kg/(m2s) đến 300 kg/(m2s). Nghiên cứu thể hiện
rằng tổn thất giữa hai pha trong kênh micro bị ảnh hưởng nhiều bởi đường kính kênh,
khối lượng và chất lượng dịng hơi.
10
