Luận án nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ vi ống của bơm nhiệt

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Sự phát triển của loài người đang đứng trước thách thức lớn lao do tài nguyên
ngày một cạn kiệt, vấn đề môi trường và biến đổi khí hậu diễn ra ngày một ác liệt hơn
và đang có chiều hướng xấu đi… Điều đó đang ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển
toàn diện và bền vững của trái đất.
Nhiệt độ trái đất đang tăng lên trong đó có ngun nhân một số khí thải đã phá
huỷ làm thủng tầng Ơ - zơn dẫn đến hiệu ứng nhà kính. Để giảm nguy cơ nóng lên
của trái đất phải giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính. Để đảm bảo an ninh năng
lượng phải sử dụng tiết kiệm năng lượng song song với việc phát triển các nguồn
năng lượng mới. Do đó, bắt buộc phải thay đổi thói quen đốt nhiên liệu hóa thạch
bằng cách tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo cũng
như tăng cường việc sử dụng các thiết bị có hiệu suất cao. Trong nhóm các thiết bị
có khả năng cho hiệu suất cao, bơm nhiệt sử dụng để cấp nhiệt đang là một giải pháp
rất được quan tâm.
Người ta dùng bơm nhiệt để chuyển một lượng nhiệt từ nguồn nhiệt có nhiệt
độ thấp hơn (nguồn lạnh) tới nguồn nhiệt có nhiệt độ cao hơn (nguồn nóng) với tiêu
hao năng lượng nhỏ hơn từ 3 đến 6 lần lượng nhiệt nhận được tại nguồn nóng. Nhiệt
nhận được tại nguồn nóng có thể sử dụng để đun nước nóng, sưởi ấm, sấy khô vật
liệu… và nhiệt do bơm nhiệt lấy đi từ nguồn lạnh có thể dùng để làm lạnh trong điều
hồ khơng khí, làm lạnh trong cấp đơng và bảo quản thực phẩm… cũng như dùng để
tách ẩm từ khơng khí trong các q trình sấy nhiệt độ thấp. Trước đây, người ta chỉ
sử dụng bơm nhiệt để cung cấp nhiệt cho nguồn nóng hoặc để lấy nhiệt từ nguồn
lạnh. Tuy nhiên hiện nay, người ta đã chế tạo ra các bơm nhiệt để vừa cung cấp nhiệt
cho nguồn nóng, vừa lấy nhiệt từ nguồn lạnh và nhờ đó, hiệu quả của thiết bị bơm
nhiệt được tăng lên rất nhiều. Máy điều hồ khơng khí có chức năng dùng nhiệt thải
của dàn ngưng tụ để đun nước nóng, máy sấy lạnh vừa sử dụng nhiệt dàn lạnh để tách
ẩm vừa sử dụng nhiệt dàn nóng để gia nhiệt là những thiết bị như vậy.
Sự phát triển ngày một gia tăng của bơm nhiệt tuy rất hữu ích như đã phân tích
nhưng cũng gây những ảnh hưởng khơng nhỏ đến mơi trường xung quanh như địi
1

hỏi một lượng lớn nguyên vật liệu để chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt; Các thiết bị
bơm nhiệt ln sử dụng một hợp chất hố học (mơi chất lạnh) làm chất trung gian
giúp thực hiện các quá trình chuyển đổi năng lượng, do đó, cũng tiêu tốn một lượng
lớn vật tư hố chất để sản xuất các mơi chất lạnh này và trong quá trình sử dụng bơm
nhiệt, một lượng lớn môi chất lạnh sẽ thải ra, gây ô nhiễm môi trường xung quanh.
Ngoài ra, tuy đã được nghiên cứu từ lâu nhưng cho đến nay, hiệu suất của các thiết
bị bơm nhiệt vẫn còn kém khá xa so với hiệu suất “lý tưởng” mà chu trình Các-nơ có
thể đạt được. Vì vậy, có thể thấy rất rõ là việc nâng cao hiệu suất bơm nhiệt, việc
giảm lượng nguyên vật liệu chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt của bơm nhiệt, cũng như
việc giảm lượng môi chất lạnh sử dụng cho bơm nhiệt đang là những vấn đề hết sức
cấp thiết trong nghiên cứu bơm nhiệt. Hiện nay, sử dụng “vi ống” đang được xem là
giải pháp hiệu quả cho cả 3 vấn đề cấp thiết vừa nêu.
Thuật ngữ “vi ống” được sử dụng để chỉ những ống dẫn lưu chất có kích thước
bé hơn các ống thơng thường. Tuy chưa có định nghĩa rõ ràng về kích thước của các
vi ống nhưng trong kỹ thuật, các ống có đường kính trong nhỏ hơn 2 mm có thể được
coi là vi ống. Các ống với kích cỡ nhỏ như vậy thường được gọi là “ống mao” và
trong kỹ thuật lạnh và bơm nhiệt, chúng thường được sử dụng với vai trò của bộ phận
tiết lưu, giúp giảm áp suất mơi chất một cách đột ngột và nhờ đó, giúp giảm nhiệt độ
môi chất ở đầu ra đến mức cần thiết, phục vụ cho các quá trình làm lạnh cũng như
lấy nhiệt từ môi trường. Vi ống cũng được sử dụng nhiều trong y khoa để chế tạo các
chi tiết nhỏ, cấy ghép vào cơ thể con người. Trong cơng nghiệp, vi ống cịn được sử
dụng để chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt giúp thực hiện các quá trình như gia nhiệt,
làm lạnh, thu hồi và tận dụng các nguồn nhiệt thải… Thời gian gần đây, do tiến bộ
về công nghệ chế tạo, vi ống đã bắt đầu được sử dụng trong chế tạo các thiết bị trao
đổi nhiệt của bơm nhiệt, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động, giảm chi phí nguyên vật
liệu chế tạo cũng như giảm mức độ phát thải môi chất lạnh ra môi trường do việc sử
dụng các bơm nhiệt gây ra. Những lợi ích của việc áp dụng vi ống trong chế tạo thiết
bị trao đổi nhiệt của bơm nhiệt bao gồm:

- Do có đường kính nhỏ nên khả năng chịu chênh lệch áp suất của vi ống rất
cao. Vì vậy, chiều dày vách của các vi ống nhỏ hơn rất nhiều so với ống thông

2


thường và nhờ đó, vi ống giúp giảm đáng kể lượng nguyên vật liệu chế tạo
thiết bị. Với cùng năng suất trao đổi nhiệt và cùng loại vật liệu, vi ống có thể
giúp giảm hơn 3 lần khối lượng vật liệu chế tạo dàn bay hơi và dàn ngưng tụ
của bơm nhiệt;
- Tỉ số giữa thể tích trong và diện tích bề mặt trong, V/F, của các ống trịn tỉ lệ
với đường kính trong của ống, d. Dễ dàng chứng minh được quan hệ giữa 2
đại lượng này tuân theo công thức V/F = d/4 nên khi sử dụng vi ống, đường
kính d có thể giảm tới 10 lần so với ống thông thường và tỉ số V/F cũng sẽ
giảm ở mức như vậy. Với cùng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (có thể coi là
diện tích bề mặt trong ống F), thể tích chứa mơi chất lạnh (chính là thể tích
trong của ống V) sẽ giảm cỡ 10 lần trong trường hợp này, do đó, sẽ giảm được
khoảng 10 lần lượng môi chất lạnh chứa trong dàn.
- Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa một dịng lưu chất chuyển động bên trong
với bề mặt của ống dẫn được coi là chỉ xảy ra ở lớp mỏng sát bề mặt vách (lớp
biên nhiệt). Khi đường kính ống giảm, phần thể tích bên trong ống tham gia
trực tiếp vào q trình trao đổi nhiệt (tích số của chiều dày lớp biên, chu vi
ống và chiều dài ống) so với tồn bộ thể tích trong của ống sẽ tăng lên. Do
vậy, về định tính, hiệu quả trao đổi nhiệt của các dàn vi ống sẽ lớn hơn so với
dàn thông thường.
Để giảm thời gian cũng như tăng độ chính xác trong việc tính tốn, thiết kế
các dàn trao đổi nhiệt vi ống dùng trong bơm nhiệt; để tăng độ chính xác trong mô
phỏng các dàn trao đổi nhiệt vi ống, qua đó rút ngắn thời gian cũng như giảm chi phí
chế tạo thử nghiệm các dàn vi ống… rất cần có những nghiên cứu chun sâu về “q
trình truyền nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ vi ống của bơm nhiệt”. Đó chính

là lý do lựa chọn đề tài của luận án tiến sỹ này. Trong quá trình thực hiện, luận án đã
được hồn thành với mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa
khoa học và thực tiễn, cũng như các kết quả mới như trình bày sau đây.

3


Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án tiến sỹ này là đề xuất một phương pháp xác
định hệ số trao đổi nhiệt khi sôi và khi ngưng của dịng mơi chất chuyển động bên
trong vi ống của dàn trao đổi nhiệt của bơm nhiệt.
Thời gian gần đây, để năng cao độ chính xác cũng như theo xu thế tin học hoá
và tự động hoá đã len sâu vào nhiều lĩnh vực, người ta thường xây dựng các phần
mềm phần tử hữu hạn hỗ trợ việc tính tốn, thiết kế và mơ phỏng các dàn trao đổi
nhiệt nói chung, dàn trao đổi nhiệt của bơm nhiệt nói riêng. Theo đó, một dàn trao
đổi nhiệt thường được chia thành nhiều phần tử, chi tiết đến từng đoạn của một ống
(gọi là đoạn ống sai phân) và việc tính tốn, mô phỏng sẽ được bắt đầu với mỗi đoạn
ống sai phân này. Sau đó, kết quả tính tốn, mơ phỏng cho mỗi đoạn ống sai phân sẽ
được kết hợp với nhau thành kết quả tính tốn, mơ phỏng cho tồn bộ dàn trao đổi
nhiệt. Dựa trên các kết quả tính tốn, mơ phỏng cho tồn bộ dàn trao đổi nhiệt này,
các phần mềm hỗ trợ thiết kế sẽ được xây dựng.
Để theo kịp xu thế tin học và tự động hố trong lĩnh vực tính tốn, thiết kế và
mơ phỏng dàn trao đổi nhiệt đó, luận án được tiến hành với mục đích nghiên cứu cụ
thể là xác định hệ số trao đổi nhiệt cục bộ dọc theo chiều dài vi ống có dịng mơi chất
sơi và ngưng tụ bên trong. Tuy nhiên, để phù hợp với một số phương pháp tính tốn,
thiết kế dàn trao đổi nhiệt đang được áp dụng rộng rãi hiện nay (như phương pháp
tính theo độ chênh nhiệt độ trung bình Logarite), luận án cũng sẽ trình bày các kết
quả về hệ số trao đổi nhiệt trung bình trên tồn bộ chiều dài vi ống, được tính từ hệ
số trao đổi nhiệt cục bộ đã xác định.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án được xác định là “quá trình truyền
nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ vi ống của bơm nhiệt”. Chỉ xét riêng “quá
trình truyền nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ”, chưa đề cập tới vi ống, đây đã
là một lĩnh vực khá rộng, bao hàm nhiều quá trình cũng như cơ chế truyền nhiệt trong
đó. Do vậy, luận án đã được thực hiện với phạm vi nghiên cứu tập trung vào 2 q
trình chính, có mức độ ảnh hưởng lớn đến hoạt động của tồn hệ thống bơm nhiệt nói
chung, cũng như của dàn bay hơi và dàn ngưng tụ nói riêng. Hai q trình chính này

4


là q trình sơi của mơi chất lạnh trong dàn bay hơi và q trình ngưng tụ của mơi
chất lạnh trong dàn ngưng tụ.
Ý nghĩa khoa học
Luận án đã được tiến hành với các ý nghĩa khoa học như sau:
-

Đóng góp hiểu biết về hiện tượng cũng như các quá trình nhiệt vật lý liên quan
đến đối tượng và phạm vi nghiên cứu đã chọn. Cụ thể, trong luận án này, chiều
dày lớp lỏng bám trên vách ống có ảnh hưởng quyết định đến hệ số trao đổi
đối lưu cho cả hai trường hợp sơi và ngưng; chiều dày đó chịu ảnh hưởng lớn
của hiện tượng kéo – trượt của lõi hơi xảy ra tại bề mặt phân pha lỏng – hơi,
cũng như cường độ của chính q trình sơi và ngưng đang xem xét.

-

Từ các hiểu biết về hiện tượng và quá trình nhiệt vật lý liên quan mà cụ thể,
trong luận án này, là các cơ chế “bào mòn” và suy giảm của lớp lỏng bám trên
vách ống với q trình sơi, cũng như cơ chế hình thành và phát triển của lớp
lỏng bám trên vách ống với q trình ngưng, xây dựng mơ hình tốn mơ tả đối

tượng nghiên cứu. Mơ hình tốn được xây dựng có kể đến đặc điểm của hiện
tượng khi xảy ra trong vi ống là lớp lỏng ở đây không thể coi là “phẳng” như
đối với các ống thông thường.

-

Trên cơ sở mơ hình tốn đã có, luận án đã xây dựng thuật tốn giải hệ phương
trình vi phân cùng các phương trình mơ tả điều kiện biên và các hiện tượng
nhiệt vật lý liên quan; lập trình giải mơ hình tốn theo thuật tốn đã có để thu
được kết quả cuối cùng là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cục bộ của q trình sơi
và ngưng trong vi ống. Từ kết quả về hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cục bộ thu
được, luận án đã tiến hành xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình cho
tồn bộ chiều dài đoạn vi ống nghiên cứu. Các hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cục
bộ và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình này là các đại lượng có thể sử
dụng trong tính tốn, thiết kế và mô phỏng các thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng
tụ vi ống sau này.

5


Ý nghĩa thực tiễn
Luận án đã có những đóng góp về thực tiễn sau đây:
-

Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cục bộ của q trình sơi và ngưng trong
vi ống là một việc không dễ ngay cả với điều kiện nghiên cứu thuận lợi, có
mức đầu tư lớn như ở một số nơi trên thế giới. Để xác định được các giá trị
cục bộ của đại lượng này, cần thiết phải xác định được dòng nhiệt trao đổi cục
bộ tại tất cả các vị trí dọc theo chiều dài đoạn ống đang nghiên cứu. Chính việc
làm này đã làm cho hiện tượng xảy ra trong quá trình nghiên cứu khơng cịn

“tự nhiên” như khi nó xảy ra trong thực tế các thiết bị bay hơi và ngưng tụ của
bơm nhiệt. Cụ thể, để xác định được dòng nhiệt cục bộ, các quá trình thường
được nghiên cứu với điều kiện nhiệt độ bề mặt ống là hằng số hoặc mật độ
dòng nhiệt cục bộ qua vách ống là hằng số... Trên cơ sở phương pháp Wilson
do nhà khoa học E.E. Wilson đề xuất năm 1915, luận án đã xây dựng được hệ
thống thí nghiệm cùng phương pháp và phần mềm xử lý số liệu giúp xác định
được giá trị cục bộ của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu dọc theo chiều dài vi ống.
Điểm khác biệt giữa phương pháp đề xuất trong luận án với phương áp Wilson
(1915) là không cần biết trước (hoặc giả thiết) dạng hàm của hệ số trao đổi
nhiệt đối lưu phía ngồi ống; thay vào đó, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phía
ngồi ống, theo phương pháp do luận án đề xuất, được tính tốn trực tiếp bằng
phần mềm sai phân hữu hạn. Ở đây, khi xác định được hệ số trao đổi nhiệt đối
lưu phía ngồi ống, kết hợp với nhiệt độ bề mặt ống được đo trực tiếp, dòng
nhiệt cục bộ qua vách ống và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cục bộ bên trong ống
cũng sẽ được xác định.

-

Từ kết quả về hệ số trao đổi nhiệt cục bộ, được xác định cho nhiều q trình
sơi và ngưng tụ khác nhau, cũng như được xác định bằng cả thực nghiệm và
mơ hình lý thuyết, luận án đã tính được hệ số trao đổi nhiệt trung bình cho toàn
bộ chiều dài đoạn vi ống tương ứng. Trên cơ sở đó, luận án đã đề xuất được
một số cơng thức hồi quy thực nghiệm giúp xác định các đại lượng này một
cách đơn giản, thuận lợi khi áp dụng thực tế. Đây là một hướng triển khai, theo
nghiên cứu sinh, rất có tiềm năng phổ biến và cần được tiếp tục trong tương
lai.

6

Kết quả mới của luận án
-

Mơ hình tốn do luận án đề xuất đã mô tả được 2 đặc điểm quan trọng của q
trình sơi và ngưng tụ trong vi ống là hiện tượng “cong” của lớp lỏng bám trên
vách ống cũng như hiện tượng kéo – trượt của lõi hơi với lớp lỏng này.

-

Phương pháp và phần mềm giải mơ hình tốn do luận án đề xuất được lập trình
trong EES có tốc độ tính tốn nhanh và khả năng kết nối dễ dàng với các phần
mềm mô phỏng khác, giúp tạo ra các phần mềm/ hệ thống phần mềm mơ phỏng
có khả năng giải được các bài tốn kỹ thuật lớn hơn. Đây là một yếu tố quan
trọng giúp đưa kết quả nghiên cứu vào áp dụng thực tiễn vì trong mơi trường
nghiên cứu – phát triển ngày nay, việc phát triển các cơng cụ hỗ trợ tính tốn,
thiết kế cũng như thử nghiệm bằng mơ hình ảo (mơ phỏng bằng máy tính) là
một hướng đi tất yếu.

-

Hệ thống nghiên cứu thực nghiệm cùng phương pháp và phần mềm xử lý số
liệu do luận án xây dựng có thể xác định được hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cục
bộ và trung bình cho cả q trình sơi và ngưng tụ trong vi ống. Các q trình
sơi và ngưng tụ được nghiên cứu trong mơ hình thực nghiệm do luận án xây
dựng có các đặc điểm và điều kiện làm việc tương tự như khi chúng xảy ra
trong hệ thống bơm nhiệt thực tế. Cụ thể, quá trình sơi xảy ra với trạng thái
mơi chất là bão hồ ẩm ở đầu vào (do hiệu ứng tiết lưu) và môi chất được lưu
động qua vi ống nhờ năng lượng do một máy nén lạnh cung cấp nên quá trình
chịu ảnh hưởng của dầu bôi trơn lẫn trong môi chất cũng như bám trên bề mặt
ống.

7


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRUYỀN NHIỆT TRONG VI ỐNG
1.1. Thiết bị trao đổi nhiệt trong bơm nhiệt
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt
Bơm nhiệt và máy lạnh là hai loại máy có cùng nguyên lý hoạt động, hoạt
động theo chu trình máy nhiệt ngược chiều và về bản chất, chúng đều giúp chuyển
một lượng nhiệt từ môi trường có nhiệt độ thấp, được gọi là nguồn nhiệt lạnh (hay
nguồn lạnh), sang mơi trường có nhiệt độ cao hơn, được gọi là nguồn nhiệt nóng (hay
nguồn nóng). Thơng thường, khi nhiệt trao đổi ở nguồn lạnh được sử dụng để làm
lạnh các vật hay mơi trường, ta có một máy lạnh. Ngược lại, khi nhiệt trao đổi ở
nguồn nóng được sử dụng để gia nhiệt cho các vật hay mơi trường, ta có một bơm
nhiệt. Gần đây, do nhu cầu tiết kiệm năng lượng ngày một tăng cao, người ta có xu
hướng sử dụng nhiệt trao đổi ở cả nguồn nóng và nguồn lạnh. Trường hợp này, máy
cũng được gọi là bơm nhiệt. Cuối cùng, khi thuật ngữ “bơm nhiệt” dần trở nên quen
thuộc, đôi lúc, người ta cũng dùng nó để chỉ tất cả các loại máy nhiệt ngược chiều,
bất kể nó được ứng dụng để “lấy” nhiệt ở nguồn nóng hay nguồn lạnh. Trong luận án
này, thuật ngữ “bơm nhiệt” được dùng với nghĩa bao quát nhất, tức là chỉ tất cả các
loại máy hoạt động theo chu trình ngược chiều.
Thiết bị tiết lưu

4

Qo

Thiết
bị

bay
hơi

3

Thiết
bị
ngưng
tụ

Qo
N = Qc - Qo

Máy nén

1

2
N

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt.
8

Qc


Một hệ thống bơm nhiệt gồm có bốn thành phần cơ bản là máy nén, thiết bị
ngưng tụ, thiết bị tiết lưu và thiết bị bay hơi, được kết nối với nhau theo sơ đồ hình
1.1. Để có thể thực hiện được các chức năng như vừa giới thiệu, bơm nhiệt được
“nạp” một loại chất môi giới, thường được gọi là mơi chất lạnh. Nhờ có năng lượng

nhận được từ máy nén, môi chất lạnh sẽ chuyển động qua các thiết bị theo một chu
trình khép kín, với thứ tự (1 – 2 – 3 – 4) như được ký hiệu trên hình vẽ. Trong đó, (1
– 2) là q trình xảy ra trong máy nén, có chức năng nâng nhiệt độ và áp suất của môi
chất lạnh lên một mức cao để nó có thể nhả nhiệt Qc cho nguồn nóng; (2 – 3) là q
trình mơi chất lạnh nhả nhiệt Qc cho nguồn nóng để trở về trạng thái có nhiệt độ thấp
(nhưng vẫn cao hơn nhiệt độ nguồn nóng) và vẫn ở mức áp suất cao. Để đồng thời hạ
áp suất và nhiệt độ, giúp nó có thể nhận nhiệt từ mơi trường có nhiệt độ thấp, mơi
chất lạnh sẽ phải thực hiện q trình tiết lưu (3 – 4) trong thiết bị tiết lưu. Sau khi ra
khỏi thiết bị tiết lưu, mơi chất lạnh có nhiệt độ và áp suất đủ thấp để có thể nhận nhiệt
Qo từ nguồn lạnh trong quá trình (4 – 1).
Về lý thuyết, trong q trình tiết lưu, mơi chất lạnh không trao đổi công và
nhiệt với môi trường xung quanh. Do vậy, khi xét cân bằng năng lượng của các q
trình trong 3 thiết bị cịn lại, ta có thể xác định được cơng cần cấp cho máy nén, N,
có giá trị chính bằng (Qc – Qo). Do đó, về mặt số lượng, ta luôn thu được nhiệt lượng
tại nguồn nóng, Qc, lớn hơn cơng tiêu hao cho máy nén, N. Đây chính là một trong
những lý do mà bơm nhiệt được sử dụng để cấp nhiệt thay cho các phương pháp
truyền thống như dùng dây điện trở và đốt nhiên liệu hoá thạch…
1.1.2. Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt dùng cho bơm nhiệt.
Thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi được giới thiệu trong sơ đồ Hình 1.1 là
các thiết bị trao đổi nhiệt chính của bơm nhiệt. Tuỳ thuộc vào mục đích và phạm vi
nhiệt độ sử dụng, bơm nhiệt cịn có thể được trang bị các thiết bị trao đổi nhiệt phụ
như thiết bị hồi nhiệt, trao đổi nhiệt trung gian... Tuy nhiên, về mức độ ảnh hưởng,
các thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi ln đóng vai trị chính, quyết định đến hiệu
quả năng lượng của bơm nhiệt. Vì vậy, luận án sẽ chỉ tập trung nghiên cứu các quá
trình trao đổi nhiệt xảy ra trong 2 loại thiết bị trao đổi nhiệt chính này.

9


1.1.2.1. Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ thải nhiệt của hơi môi chất lạnh sau quá trình
nén của máy nén để ngưng tụ thành mơi chất lỏng. Nhiệt thải của môi chất lạnh được
sử dụng để sưởi ấm trong điều hồ khơng khí, để sấy sản phẩm trong hệ thống sấy
nhiệt độ thấp, để cung cấp nhiệt trong hệ thống đun nước nóng… Q trình làm việc
của thiết bị ngưng tụ có ảnh hưởng quyết định đến áp suất và nhiệt độ ngưng tụ và do
đó ảnh hưởng đến hiệu quả và độ an toàn làm việc của toàn hệ thống lạnh. Khi trao
đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ kém hiệu quả, áp suất và nhiệt độ ngưng tụ tăng làm
máy nén làm việc quá tải, năng suất lạnh giảm, hiệu suất của hệ thống giảm… Thêm
vào đó, vấn đề áp suất và nhiệt độ ngưng tụ tăng cịn làm cho nhiệt độ mơi chất trong
và cuối quá trình nén tăng, gây ảnh hưởng đến dầu bôi trơn và làm giảm hiệu quả bôi
trơn các chi tiết chuyển động trong máy nén… dẫn đến máy nén có thể bị sự cố.
Căn cứ vào mơi trường làm việc, tính năng sử dụng, đặc điểm cấu tạo người
ta chia thiết bị ngưng tụ thành:
- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng khơng khí (đối lưu tự nhiên và cưỡng bức);
- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước gồm: Bình ngưng ống vỏ nằm ngang,
thẳng đứng, dàn ngưng kiểu tưới, kiểu nhúng trong bể …;
- Thiết bị ngưng tụ kiểu kết hợp giữa nước và khơng khí (thiết bị ngưng tụ
kiểu bay hơi).

Hình 1.2. Dàn ngưng tụ làm mát bằng khơng khí, đối lưu cưỡng bức [1].
1 - Ống trao đổi nhiệt; 2 - Vỏ dàn; 3 - Ống lắp quạt; 4 - Hơi ra.
10


Hình 1.3. Dàn ngưng tụ làm mát bằng khơng khí, đối lưu tự nhiên [1].

Hình 1.4. Bình ngưng tụ làm mát bằng nước, kiểu ống chùm nằm ngang
(ảnh chụp tại phịng thí nghiệm).

11

Hình 1.5. Thiết bị ngưng tụ làm mát kiểu bay hơi [1].
1 - Ống trao đổi nhiệt; 2 - Dàn phun nước; 3 - Lồng quạt; 4 - Mô tơ quạt; 5 - Bộ
chắn nươc; 6 - Ống gas vào; 7 - Ống góp; 8 - Ống cân bằng; 9 - Đồng hồ áp suất;
10 - Ống lỏng ra; 11 - Bơm nước; 12 - Máng hứng nước;
13 - Xả đáy bể nước; 14 - Xả tràn.

Hình 1.6. Dàn ngưng tụ kiểu tưới [1].
1 - Máng cấp nước; 2 - Xả tràn; 3 - Đầu lấy nước; 4 - Nước tuần hoàn; 5 - Xả dầu;
6 - Đường cân bằng; 7 - Xả khí; 8 - Hộp phân phối nước; 9 - Van cấp nước mới.
12


1.1.2.2. Thiết bị bay hơi
Thiết bị bay hơi làm nhiệm vụ giúp mơi chất lạnh lỏng nhận nhiệt và hóa hơi,
được sử dụng để làm lạnh trong quá trình cấp đơng và bảo quản sản phẩm, q trình
làm mát trong điều hồ khơng khí cũng như q trình tách ẩm trong sấy nhiệt độ thấp.
Tương tự như thiết bị ngưng tụ, khi trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi kém, nhiệt độ
và áp suất bay hơi thấp dẫn đến giảm lưu lượng (khối lượng) môi chất qua máy nén,
giảm năng suất nén và năng suất lạnh hệ thống (năng suất nhận nhiệt ở thiết bị bay
hơi), kéo theo giảm năng suất gia nhiệt của bơm nhiệt (năng suất nhiệt thải ở thiết bị
ngưng tụ)… và cuối cùng, giảm hiệu suất hệ thống. Áp suất bay hơi giảm cịn có thể
gây hiện tượng “bọt” trong các-te máy nén và làm giảm khả năng bôi trơn của dầu,
gây sự cố hệ thống. Thiết bị bay hơi có thể phận ra hai loại chính đó là:
- Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng như bình bay hơi làm lạnh chất lỏng,
dàn lạnh panel, dàn lạnh xương cá…;
- Thiết bị bay hơi làm lạnh khơng khí như dàn lạnh khơng khí đối lưu tự
nhiên, dàn lạnh khơng khí đối lưu cưỡng bức.

Hình 1.7. Bình bay hơi với mơi chất lạnh Freon, kiểu ống vỏ nằm ngang [1].
1 - Ống góp lỏng; 2 - Ống chất tải lạnh vào; 3 - Ống chất tải lạnh ra; 4 - Van an
toàn; 5 - Ống hơi môi chất lạnh ra; 6 - Áp kế.

13


Hình 1.8. Một số kiểu dàn lạnh đối lưu cưỡng bức [1].
1.1.3. Vi ống trong chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt cho bơm nhiệt
Cho tới nay, vi ống mới chỉ được ứng dụng phổ biến trong việc chế tạo dàn
bay hơi và dàn ngưng tụ cho hệ thống điều hồ khơng khí (cũng có thể được coi là
một loại bơm nhiệt) sử dụng trên ôtô. Lý do mà công nghệ này được áp dụng đầu tiên
cho thiết bị di động nói chung và ơtơ nói riêng là nó có thể tạo ra các thiết bị trao đổi
nhiệt gọn nhẹ, chắc chắn nên hoạt động hiệu quả, tin cậy trong điều kiện có nhiều
rung chấn.

14


Hình 1.9. Cấu tạo vi ống và cánh tăng cường trong dàn trao đổi nhiệt điều hồ ơtơ
(ảnh chụp tại phịng thí nghiệm).
Sản phẩm này được chế tạo từ nhơm tinh chế sau đó phun kẽm chống ăn mịn.
Với cơng nghệ này, dàn trao đổi nhiệt đạt tiêu chuẩn thân thiện với môi trường, hiệu
quả và tiết kiệm năng lượng, tiêu tốn ít vật tư chế tạo và có khả năng chịu rung chấn
cao.

15


mm

mm

mm

Hình 1.10. Kích thước một “dãy” vi ống dùng trong thiết bị trao đổi nhiệt.
Ngoài ứng dụng trong điều hoà khơng khí ơtơ, vi ống cũng đã được ứng dụng
để chế tạo các bình ngưng tụ, bình bay hơi và thiết bị hồi nhiệt của hệ thống lạnh với
mức công suất cỡ vài chục kW. Vi ống cũng được ứng dụng cho bình ngưng tụ cho
nhà máy nhiệt điện với năng suất thải nhiệt cực lớn, lên tới 680 MW một đơn nguyên
và với 6 đơn nguyên được lắp đặt, tổng năng suất nhiệt thải lên đến 4080 MW [2].
Điều đó cho thấy, vi ống khơng chỉ có ưu điểm ở tính gọn nhẹ, chịu được rung động
mà cịn có thể cho hiệu quả trao đổi nhiệt rất cao.

Hình 1.11. Thiết bị hồi nhiệt dùng vi ống có khả năng chịu áp tới 1000 PSI
(tương đương 68,9 bar) [2].

16


Hình 1.12. Dàn bay hơi làm lạnh khơng khí dùng vi ống,
khả năng chịu áp tới 1000 PSI (tương đương 68,9 bar) [2].

Hình 1.13. Dàn ngưng tụ giải nhiệt gió dùng vi ống, khả năng chịu áp 1000 PSI
(tương đương 68,9 bar) [2].

17


Hình 1.14. Bình ngưng tụ kiểu ống – vỏ chịu áp suất cao dùng vi ống, môi chất lạnh

đi bên trong vi ống, nước làm mát đi bên ngoài vi ống [2].

Hình 1.15. Dàn ngưng nhà máy nhiệt điện dùng vi ống gồm 6 đơn nguyên, năng
suất thải nhiệt 680 MW/đơn ngun (vi ống có đường kính ngồi 1.27 mm, đường
kính trong 0.9652 mm làm bằng thép khơng gỉ) [2].

18


1.2. Tình hình nghiên cứu về truyền nhiệt trong vi ống
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi
Q trình truyền nhiệt trong vi ống đã nhận được sự quan tâm của các nhà
khoa học trên thế giới từ thập kỷ 50 của thế kỷ XX. Năm 1956, một trong những cơng
trình đầu tiên, có thể coi là tiền đề cho các nghiên cứu về vi ống sau đó, đã được cơng
bố bởi Chernobylskii và Tananaiko [3]. Trong cơng trình này, q trình truyền nhiệt
khi sơi tự nhiên của nước, dung dịch nước muối 10 % và ethanol trong ống có tiết
diện hình xuyến với chiều rộng khe hẹp hình xuyến thay đổi từ 0,049 in (1,245 mm)
đến 0,551 in (13,995 mm) đã được nghiên cứu. Theo đó, khi chiều rộng khe hẹp hình
xuyến giảm, hệ số truyền nhiệt ban đầu giữ nguyên nhưng sau đó lại tăng. Hiện tượng
tăng hệ số truyền nhiệt này được giải thích là do sự giảm của kích thước bọt hơi cũng
như sự tăng của thành phần hơi đã làm tăng mức độ rối của dịng đối lưu trong khe
hình xuyến. Cũng với khe hẹp hình xuyến, có chiều rộng khe thay đổi từ 0,039 in
(0,991 mm) đến 0,197 in (5,004 mm), nghiên cứu về q trình sơi của nước đã được
thực hiện bởi Alferov và Rybin [4]. Tuy nhiên, theo công bố của các tác giả của cơng
trình này, q trình truyền nhiệt khơng chịu ảnh hưởng rõ rệt của chiều rộng khe hẹp.
Năm 1969, nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về truyền nhiệt của q trình
sơi bão hồ trong khơng gian hẹp đã được công bố bởi Ishibashi và Nishikawa [5].
Qua các nghiên cứu thực nghiệm, các tác giả đã phát hiện ra vùng bọt hơi liên kết với
những đặc tính truyền nhiệt khác biệt rõ rệt so với đặc tính của vùng bọt hơi độc lập,
vốn đã được xác định và thừa nhận rộng rãi tính đến thời điểm cơng bố. Bên cạnh đó,

các tác giả cũng đã đề xuất được cơng thức thực nghiệm cũng như tiến hành các phân
tích lý thuyết dựa trên một mơ hình khơng ổn định đơn giản cho q trình sơi bão hồ
trong vùng bọt hơi liên kết.
Sau giai đoạn nghiên cứu sơ khai với các cơng trình tiêu biểu vừa trình bày,
hàng loạt nghiên cứu liên quan đến trao đổi nhiệt trong vi ống đã được tiến hành với
điểm chung là hầu hết các cơng trình nghiên cứu đều liên quan đến đo đạc thực
nghiệm hệ số trao đổi nhiệt đối lưu. Do số lượng các cơng trình cơng bố khá lớn, đối
tượng nghiên cứu mà các cơng trình đã đề cập rất phong phú cả về chủng loại môi
chất, phạm vi thông số và điều kiện làm việc, cũng như hình dạng cấu tạo (tiết diện,

19


kích thước tiết diện và chiều dài…) của kênh vi ống, bên cạnh việc phân loại theo đối
tượng và phạm vi nghiên cứu, các cơng trình này sẽ được phân thành 3 nhóm theo
phương pháp nghiên cứu là:
-

Các cơng trình thuần t thực nghiệm,

-

Các cơng trình thực nghiệm với mơ hình lý thuyết bán thực nghiệm, và

-

Các cơng trình thực nghiệm với mơ hình lý thuyết thuần t và mơ phỏng.

1.2.1.1. Các nghiên cứu về trao đổi nhiệt khi sôi và ngưng trong vi ống
a) Các cơng trình thuần t thực nghiệm

Cơng trình nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến truyền nhiệt trong vi ống
đầu tiên phải kể đến là nghiên cứu của Ravigururajan với môi chất R124 [6]. Trong
công trình của mình, Ravigururajan đã khảo sát ảnh hưởng của 2 dạng cấu tạo hình
học của kênh vi ống đến hệ số truyền nhiệt và trở kháng thuỷ lực của q trình sơi
trong một thiết bị trao đổi nhiệt vi ống có kích thước tổng thể là 2,25 cm x 2,42 cm,
bao gồm cả ống góp 2 đầu và đường ống dẫn môi chất vào/ ra. Mặt cắt các kênh vi
ống có kích thước 0,27 mm chiều rộng và 1,00 mm chiều sâu, tương ứng với đường
kính thuỷ lực là 0,425 mm, được gia công theo 2 dạng cấu tạo hình học là dạng song
song và dạng hình “kim cương”. Kết quả, theo công bố của tác giả, dạng “kim cương”,
với cùng kích thước mặt cắt, có hệ số truyền nhiệt thấp hơn so với dạng song song.
Một cơng trình khác cũng liên quan đến q trình sơi trong vi ống đã được
công bố bởi Yan và Lin [7]. Trong nghiên cứu của mình, Yan và Lin đã tiến hành các
nghiên cứu thực nghiệm với dịng mơi chất R134a, nhận nhiệt và sơi trong vi ống có
mặt cắt hình trịn với đường kính trong 2,0 mm, chiều dài tổng và chiều dài phần
được gia nhiệt tương ứng là 200 mm và 100 mm. Các ảnh hưởng của dòng nhiệt qua
vách ống, lưu lượng khối lượng dịng mơi chất chuyển động trong ống, độ khơ và
nhiệt độ bão hồ của hơi mơi chất trong q trình sơi đến hệ số truyền nhiệt và trở
kháng thuỷ lực đã được khảo sát một cách chi tiết. So với số liệu đã công bố về q
trình sơi trong ống thường (được coi là các ống có đường kính trong từ 8,0 mm trở
lên), trong hầu kết trường hợp, hệ số truyền nhiệt của quá trình sơi trong vi ống, được
đo đạc ở đây, có giá trị cao hơn từ 30 – 80 %. Theo các tác giả, số liệu công bố trong

20


cơng trình này có thể áp dụng được trong việc thiết kế các thiết bị bay hơi hiệu quả
và gọn nhẹ hơn, trang bị trong nhiều hệ thống lạnh và điều hồ khơng khí.
Những năm đầu của thế kỷ XXI, khi thế giới bắt đầu đối mặt với vấn đề biến
đổi khí hậu và cạn kiệt nguồn năng lượng, vấn đề tìm kiếm các mơi chất mới thân
thiện hơn với môi trường ngày một trở nên quan trọng. Trong xu thế chung đó, cơng

bố liên quan đến trao đổi nhiệt trong vi ống cũng đã bắt đầu đề cập đến các môi chất
mới như R123, CO2, R236ea, R245fa, R410a, R32, R1234ze…
Trong công bố của Bao và cộng sự [8], các tác giả trình bày những kết quả
nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến q trình sơi của R11 và HCFC123 (R123)
trong vi ống được làm từ vật liệu đồng với bề mặt trơn và đường kính trong 1,95 mm.
Tổng chiều dài đoạn vi ống được thử nghiệm trong nghiên cứu là 870 mm, trong đó,
phần được gia nhiệt có chiều dài là 270 mm. So sánh số liệu đo đạc về hệ số truyền
nhiệt trong nghiên cứu này với kết quả tính tốn bằng các cơng thức thực nghiệm của
các tác giả Chen (1966), Lazarek và Black (1982), Gungor và Winterton (1987), Liu
và Winterton (1991), Klimenko (1990) and Steiner và Taborek (1992) đã được tiến
hành. Qua đó, các tác giả đã kết luận rằng khơng có cơng thức nào trong các cơng
thức thực nghiệm này có thể dự đốn đúng được kết quả đo đạc trong toàn bộ phạm
vi nghiên cứu thực nghiệm. Tuy nhiên, công thức thực nghiệm của Cooper (1984) về
q trình sơi bọt trong khơng gian rộng (nucleate pool boiling) lại có thể dự đốn kết
quả đo đạc thực nghiệm với độ chính xác chấp nhận được. Lưu ý rằng, trong các công
thức thực nghiệm đã được khảo sát bởi Bao và cộng sự, chỉ có cơng thức do Lazarek
và Black (1982) công bố [9] là được đề xuất cho dịng mơi chất sơi trong vi ống.
Vào những năm 2000, CO2 - một môi chất mới ở thời điểm đó - đã nhận được
sự quan tâm của rất nhiều nghiên cứu, trong đó có các nghiên cứu về vi ống. Nghiên
cứu đầu tiên về q trình sơi trong vi ống của môi chất CO2, được công bố vào năm
2000, là cơng trình của Pettersen và cộng sự [10, 11]. Trong nghiên cứu này, hệ số
trao đổi nhiệt và trở kháng thuỷ lực của dịng mơi chất CO2 sôi trong ống nhôm dẹt,
đa kênh, được gia công bằng phương pháp đùn ép (MPE – MultiPort Extruded) đã
được xác định bằng thực nghiệm. Ống nhôm MPE được thử nghiệm ở đây có chiều
dài 540 mm, bao gồm 25 kênh tiết diện trịn với đường kính trong 0,787 mm. Theo

21


các tác giả, đặc điểm của q trình sơi mơi chất CO2 là có tỉ lệ về mật độ giữa pha

lỏng và pha hơi thấp do quá trình xảy ra rất gần điểm tới hạn. Do đó, trong trường
hợp có tốc độ khối (mass flux) lớn, hệ số truyền nhiệt sẽ giảm rất mạnh bắt đầu từ
một giá trị tỉ lệ pha hơi nào đó trở đi. Giá trị tỉ lệ pha hơi xảy ra sự chuyển biến này
được các tác giả gọi là tỉ lệ pha hơi tới hạn. Điều này, cũng theo các tác giả, là một
yếu tố quan trọng khi thiết kế các thiết bị bay hơi với môi chất CO 2 và công nghệ vi
ống.
Trong công nghệ chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt vi ống, ống nhôm MPE được
ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay bởi các ưu điểm như nhẹ, chắc chắn, tốn ít nguyên
vật liệu chế tạo… Không ngoại lệ, ống nhôm MPE cũng được ứng dụng để chế tạo
các thiết bị ngưng tụ vi ống từ rất sớm. Năm 2001, hai tác giả Webb và Ermis đã công
bố nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của đường kính thuỷ lực (cịn được gọi là
đường kính tương đương) đến q trình ngưng tụ của môi chất R134a trong ống nhôm
dẹt MPE [12]. Dải giá trị đường kính thuỷ lực của ống nhơm dẹt MPE được khảo sát
trong nghiên cứu này là từ 0,44 mm đến 1,56 mm. Theo các tác giả, công trình này
đã cơng bố số liệu về hệ số trao đổi nhiệt của quá trình ngưng tụ trong vi ống với
đường kính thuỷ lực nhỏ nhất, tính đến thời điểm công bố. Các số liệu công bố đã
cho thấy, hệ số trao đổi nhiệt của R134a ngưng tự trong vi ống tăng khi giảm đường
kính thuỷ lực của vi ống.
Năm 2003, Koyama và cộng sự đã công bố các kết quả đo đạc thực nghiệm về
hệ số truyền nhiệt và tổn thất áp suất của quá trình ngưng tụ R134a trong ống nhôm
MPE dài 865 mm với 2 loại cấu tạo hình học là 8 kênh - 1,11 mm đường kính thuỷ
lực và 19 kênh - 0,80 mm đường kính thuỷ lực [13]. Trong nghiên cứu này, các tác
giả đã chia vùng làm việc của các ống nhơm MPE, có chiều dài 600 mm, thành 8
đoạn với chiều dài mỗi đoạn là 75 mm. Tám đoạn của ống nhôm MPE này được làm
mát bằng 8 áo nước độc lập và dịng nhiệt trao đổi giữa từng đoạn ống nhơm MPE
với 8 áo nước cũng được xác định một cách độc lập bởi 8 cảm biến dịng nhiệt. Bằng
hệ thống thí nghiệm như vậy, các tác giả đã xác định được hệ số truyền nhiệt cục bộ
của quá trình ngưng tụ R134a trong ống nhôm MPE. Trong nghiên cứu này, việc so
sánh số liệu tính tốn hệ số truyền nhiệt bằng các cơng thức thực nghiệm sẵn có ở

22


thời điểm nghiên cứu với số liệu đo đạc đã được tiến hành. Kết quả cho thấy, công
thức của Moser và cộng sự (1998) cho giá trị phù hợp ở chế độ ngưng với vận tốc
khối cao. Tuy nhiên, trong chế độ ngưng với vận tốc khối thấp, công thức của Moser
và cộng sự lại cho kết quả với xu hướng trái ngược. Ngồi ra, cơng thức thực nghiệm
của Haraguchi và cộng sự (1994) cũng cho kết quả với xu hướng tương tự như số liệu
đo đạc.
Để hiểu rõ hơn về cơ chế của q trình sơi trong vi ống, năm 2004, Hetsroni
và cộng sự đã công bố một công trình nghiên cứu về q trình sơi của nước trong các
kênh song song có tiết diện lưu động hình tam giác [14]. Trong nghiên cứu này, các
tác giả đã tiến hành đo đa đạc thực nghiệm phân bố nhiệt độ và mơ hình dịng chảy
bằng nhiệt kế bức xạ hồng ngoại và thiết bị ghi hình tốc độ cao. Nhiều chế độ lưu
động đã được quan sát đồng thời trong các kênh vi ống. Tuỳ thuộc vào dòng lưu động
và dòng nhiệt trao đổi, mức độ ổn định của áp suất và nhiệt độ trong các kênh vi ống
gia nhiệt đã được nghiên cứu. Ngồi ra, cơng trình này cũng xây dựng một phương
pháp tiếp cận bằng mơ hình thực nghiệm cho các thiết bị tản nhiệt với dòng 2 pha vi
ống. Bên cạnh đó, cơng trình cũng xét đến ảnh hưởng của hoạt tính bề mặt đến q
trình sơi đối lưu của môi chất trong các kênh vi ống.
Các nghiên cứu về quá trình lưu động và trao đổi nhiệt luôn song hành với sự
phát hiện và đưa vào sử dụng các môi chất mới như R1234ze, R236fa, R32… Theo
xu hướng đó, nhiều nghiên cứu cả trên phương diện lý thuyết và thực nghiệm đã được
công bố như công trình của Park và cộng sự [15] cho quá trình ngưng tụ trong vi ống
đặt đứng của R1234ze và R236fa, công bố năm 2011, của Zhu và cộng sự [16, 17]
cho q trình sơi của R32 trong vi ống nằm ngang, công bố năm 2017. Gần đây nhất,
công bố năm 2018, cơng trình của Al-Zaidi và cộng sự [18] đã nghiên cứu về q
trình ngưng tụ của mơi chất HFE-7100 trong vi ống nằm ngang với tiết diện hình chữ
nhật và đường kính thuỷ lực 0,57 mm. Dựa trên số liệu thực nghiệm được tiến hành
ở nhiệt độ bão hoà 60 oC, vận tốc khối trong dải 48 – 126 kg/(m2 s), lưu lượng chất

làm mát trong dải 0,5-1,1 l/phút và nhiệt độ chất làm mát tại đầu vào trong dải 20 40 oC, Al-Zaidi và cộng sự đã chỉ ra rằng hệ số truyền nhiệt cục bộ, dọc theo chiều
dài vi ống, tăng khi tăng vận tốc khối của dịng mơi chất ngưng tụ. Bên cạnh đó, hệ

23


số truyền nhiệt cục bộ cũng giảm theo sự giảm của độ khô cục bộ của hơi môi chất
dọc theo chiều dài vi ống. Ngoài ra, các ảnh hưởng của điều kiện phía chất làm mát
và chênh lệch giữa nhiệt độ bão hồ mơi chất với nhiệt độ bề mặt vách ống đến hệ số
truyền nhiệt cục bộ được phát hiện là không đáng kể. Các tác giả cũng chỉ ra, trong
các chế độ thí nghiệm đã tiến hành, dịng mơi chất chủ yếu có dạng hình xuyến.
b) Các cơng trình thực nghiệm với mơ hình lý thuyết bán thực nghiệm
Năm 1982, nghiên cứu về q trình sơi của R113 trong vi ống đặt thẳng đứng,
với đường kính 0,31 mm và chiều dài đoạn được gia nhiệt lần lượt là 12,3 cm và 24,6
cm, đã được công bố bởi Lazarek và Black [9]. Một công thức thực nghiệm giúp xác
định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, được biểu diễn dưới dạng phương trình tiêu chuẩn
Nu = f(Rel, Bo), đã được đề xuất. Ngoài ra, các tác giả cũng đã đề xuất các công thức
thực nghiệm giúp xác định tổn thất áp suất và dòng nhiệt tới hạn cho quá trình sơi
của R113 trong vi ống thẳng đứng.
Q trình sơi của R113 trong các kênh lưu động song song kích thước nhỏ đã
được nghiên cứu bởi Cornwell và Kew. Công trình được cơng bố trên tạp chí “Hiệu
quả năng lượng trong q trình cơng nghệ” vào năm 1992 [19]. Theo các tác giả, tính
đến thời điểm đó, số liệu được công bố giúp thiết kế và lựa chọn các thiết bị trao đổi
nhiệt gọn nhẹ cho q trình sơi cịn “hạn chế”. Với nhận định như vậy, các tác giả đã
tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm về quan sát q trình cũng như đo đạc các
thơng số truyền nhiệt cho 3 chế độ của dịng mơi chất sơi là chế độ “bọt hơi độc lập”
(isolated bubble), chế độ “bọt hơi bị giới hạn” (confined bubble) và chế độ “hình đạn
– xuyến” (annular-slug). Cơ chế truyền nhiệt cho từng chế độ của dịng mơi chất sơi
đã được khảo sát và các tác giả cũng đã đề xuất được các công thức thực nghiệm phù
hợp cho mục đích tính tốn, thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt có áp dụng các chế độ

này. Các kênh lưu động song song, cấu thành nên bộ trao đổi nhiệt sử dụng trong
nghiên cứu này, được gia công bằng công nghệ “in mạch điện” (PCHE – Printed
Circuit Heat Exchanger) theo 2 dạng hình học: dạng 1 với 75 kênh có tiết diện chữ
nhật, chiều rộng 1,2 mm và chiều sâu 0,9 mm; dạng 2 với 36 kênh cũng có tiết diện
chữ nhật, chiều rộng 3,25 mm và chiều sâu 1,1 mm. Chiều dài của các kênh lưu động

24


song song trong nghiên cứu này là 320 mm, trong đó, chiều dài phần được đốt nóng
là 300 mm.
Tiếp nối nghiên cứu về q trình sơi của R113 vừa được trình bày, năm 1997,
hai tác giả Kew và Cornwell đã cơng bố một cơng trình nghiên cứu về q trình sôi
của R141b trong vi ống với chiều dài 500 mm và đường kính trong thay đổi từ 1,39
mm đến 3,69 mm [20]. Việc đo hệ số trao đổi nhiệt khi sơi và trở kháng thuỷ lực của
q trình đã được thực hiện. Trên cơ sở đó, các tác giả đã thiết lập các công thức thực
nghiệm giúp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu khi sôi trong vi ống. Tuy nhiên,
theo các tác giả, các công thức đã đề xuất chỉ “đúng tương đối” khi áp dụng cho ống
có đường kính lớn nhất và chúng cho kết quả tồi khi áp dụng cho các ống nhỏ hơn.
Năm 1999, hai tác giả Yan và Lin [21] đã công bố các kết quả nghiên cứu thực
nghiệm về quá trình ngưng tụ trong vi ống với môi chất R134a. Theo công bố của
các tác giả, hệ số truyền nhiệt của quá trình ngưng trong vi ống, được đo đạc ở đây,
có giá trị cao hơn chỉ 10 % so với ống thường. Trong cơng trình này, các tác giả đã
đề xuất được các công thức thực nghiệm giúp xác định hệ số truyền nhiệt và hệ số
ma sát, cần cho tính tốn trở kháng thuỷ lực, của q trình ngưng tụ trong vi ống. Các
tác giả cũng đưa ra nhận định rằng số liệu cơng bố trong cơng trình này có thể áp
dụng được trong việc thiết kế các thiết bị ngưng tụ hiệu quả và gọn nhẹ hơn, trang bị
trong nhiều hệ thống lạnh và điều hồ khơng khí sử dụng môi chất R134a.
Thiết bị trao đổi nhiệt vi ống có thể được chế tạo với nhiều dạng kênh lưu động
khác nhau. Trong đó, phổ biến nhất vẫn là dạng ống đa kênh với tiết diện các kênh

có thể là hình trịn, hình vng, hình tam giác và hình vng được tăng cường bởi vi
cánh bên trong (dạng chữ “H”)… [10, 11]. Lý do, theo nghiên cứu sinh, cấu trúc đa
kênh này giúp làm tăng độ cứng vững cũng như độ bền của thiết bị trao đổi nhiệt vi
ống vì mỗi vi ống đơn có kích thước q bé. Tuy nhiên, trong một số trường hợp,
thiết bị trao đổi nhiệt vi ống còn được chế tạo với dạng kênh chữ nhật “dẹt” với tỉ lệ
kích thước giữa các cạnh rất lớn và một nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt khi sôi
của môi chất R134a bên trong các kênh vi ống dạng này đã được công bố bởi H.J.
Lee và S.Y. Lee [22]. Các kênh vi ống được thử nghiệm trong cơng trình này chiều
rộng 20 mm và chiều dày khe hẹp (khoảng cách giữa mặt trên và mặt dưới của kênh)

25