NGHIÊN cứu các đặc TÍNH TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT bị BAY hơi KÊNH MICRO DÙNG môi CHẤT CO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP mô PHỎNG số

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT BỊ BAY HƠI
KÊNH MICRO DÙNG MÔI CHẤT CO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ
A NUMERICAL INVESTIGATION ON HEAT TRANSFER PHENOMENA OF
MICROCHANNEL EVAPORATORS USING CO 2 REFRIGERANT
ThS. Nguyễn Trọng Hiếua, PGS.TS. Đặng Thành Trungb,
ThS. Lê Bá Tânc, NCS. Đoàn Minh Hùngd, KS. Nguyễn Hoàng Tuấne
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
a
; ;
c
; ;
TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, môi chất CO 2 được sử dụng trong thiết bị bay hơi kênh micro và
đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi này được xác định bằng phương pháp mô phỏng số.
Một số kết quả về trường nhiệt độ, trường vận tốc và áp suất đã được thể hiện. Nhiệt độ đầu ra
của CO 2 trong trường hợp 1,6 g/s cao hơn giá trị thu được trong trường hợp 3,2g/s. Bên cạnh
đó, tổn thất áp suất qua thiết bị bay hơi kênh micro là không đáng kể, từ 38,164 bar xuống 38
bar. Thêm vào đó, các kết quả này đồng thuận với các nghiên cứu liên quan.
Từ khóa: bộ trao đổi nhiệt kênh micro, CO 2 , truyền nhiệt, thiết bị bay hơi, nhiệt độ.
ABSTRACT
In this study, CO 2 was used as working fluid in microchannel evaporators and heat
transfer characteristics of the evaporator was determined by numerical method. The results of
temperature profile, velocity and pressure fields were mentioned also. The outlet temperature
of CO 2 with the case of 1.6g/s was higher than that obtained from the case of 3.2 g/s. Besides,
the pressure drop of this evaporator slightly reduced from 38.164 bar to 38 bar. In addition,
the results are in good agreement with relative literature reviews.
Keywords: microchannel heat exchanger, CO 2 , heat transfer, vaporator, temperature.
1. GIỚI THIỆU
Ngày nay, việc tiết kiệm năng lượng hoặc sử dụng năng lượng có hiệu quả đang được

quan tâm rất nhiều. Tiết kiệm năng lượng giúp cắt giảm một lượng nhiên liệu đáng kể, điều
này dẫn đến giảm một lượng chất thải có tác động xấu đến môi trường. Trong những đối
tượng cần đề cập trong lĩnh vực này phải kể đến như những hệ thống lạnh, hệ thống nhiệt và
mạng nhiệt, … Những hệ thống lạnh thường sử dụng môi chất lạnh là CFC, HCFC hay HFC.
Những môi chất này có tác động đến sự suy giảm tầng ozone của trái đất và biến đổi khí hậu
toàn cầu. Thêm vào đó, các bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí hiện nay
thường được chế tạo với công nghệ truyền thống nên hiệu quả truyền nhiệt chưa cao, kết cấu
cồng kềnh. Để giải quyết vấn đề này, một hướng nghiên cứu mới đã đưa ra đó là sử dụng các
thiết bị bay hơi kênh mini hoặc micro và CO 2 làm môi chất lạnh thay thế cho các môi chất
lạnh fluorocarbon hiện nay.
Nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng môi chất CO 2 còn rất khiêm
tốn. Pettersen [1] nghiên cứu về sự bay hơi của CO 2 trong ống micro với đường kính 0,8 mm,
ở điều kiện mật độ dòng chất và nhiệt độ bão hòa cao, sự bay hơi hoàn toàn đã ảnh hưởng
đáng kể đến đặc điểm truyền nhiệt của CO 2 . Zhao và cộng sự [2] đã thực nghiệm cho dòng
chảy sôi của CO 2 và R134a trong một kênh vi mô, cho độ khô 0,05-0,3. Họ kết luận rằng, hệ
số truyền nhiệt của CO 2 cao hơn khoảng 200% hệ số truyền nhiệt của R134a. Hihara và
624


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Tanaka [3] đã nghiên cứu hệ số truyền nhiệt của CO 2 trong một ống đơn đường kính 1,0 mm,
họ thấy rằng sự bay hơi hoàn toàn của CO 2 phụ thuộc vào nhiệt độ bão hòa, mật độ dòng chất
và dòng nhiệt. Yun cùng cộng sự [4] thực nghiệm đo hệ số truyền nhiệt của CO 2 trong ống
mini với đường kính bên trong 2,0 và 0,98 mm, dòng nhiệt từ 10-20kW/m2K, hệ số truyền
nhiệt chịu ảnh hưởng đáng kể bởi sự bốc hơi hoàn toàn. Các sự bốc hơi hoàn toàn thường xảy
ra khi chất lượng hơi từ 0,3 – 0,4.
Yun cùng cộng sự [5] nghiên cứu kênh micro hình chữ nhật có kích thước từ 1,08mm –
1,54mm, trong điều kiện thay đổi mật độ dòng chất từ 200-400kg/m2s, dòng nhiệt từ
10-20kW/m2, duy trì nhiệt độ bão hoà ở 0, 5 và 10oC. Họ kết luận rằng, hệ số trao đổi nhiệt
của CO 2 cao hơn khoảng 53% so với R134a, khi tăng mật độ dòng nhiệt thì hệ số tỏa nhiệt

đối lưu của CO 2 tăng; khi giảm đường kính kênh thì hệ số này cải thiệt tốt hơn.
Thome và Ribatski [6] đã tổng quan các nghiên cứu về truyền nhiệt khi sôi của
CO 2 . Dựa trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm từ một số nghiên cứu độc lập ở các phòng thí
nghiệm khác nhau, họ đánh giá có mối tương quan giữa các nghiên cứu liên quan [7-12].
Từ những phân tích trên, nhận thấy rằng hiện nay trên thế giới chưa có nhiều nghiên
cứu mô phỏng quá trình bay hơi CO 2 trong kênh cho toàn mô hình 3D. Do đó, việc nghiên
cứu các đặc tính truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi kênh micro dùng môi chất lạnh CO 2 là hết
sức cần thiết. Trong nghiên cứu này lưu chất CO 2 được sử dụng trong thiết bị bay hơi kênh
micro và đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi này được xác định bằng phương pháp mô
phỏng số. Kích thước hình học của một kênh micro trong thiết bị nghiên cứu là L x D x H
(120mm x 0,5mm x 0,5mm), với vật liệu được sử dụng là nhôm và được thiết kế 1 pass với
tổng số kênh là 20.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Để mô phỏng số các đặc tính về truyền nhiệt và lưu chất của thiết bị bay hơi kênh micro,
những phương trình chính yếu sau đã được sử dụng [12-16].

ρ

∂u
2
2


+ ρ (u.∇)u = ∇.− pl + ( µ + µ T )(∇u + (∇u ) T ) − ( µ + µ T )(∇.u )l − ρkl  + F
∂t
3
3



∂ρ
+ ∇.( ρu ) = 0
∂t

ρ



µ
∂k
+ ρ (u.∇).k = ∇.( µ + T ).∇k  + Pk − ρε
∂t
σk



ρ



µ
∂ε
ε
ε2
+ ρ (u.∇).ε = ∇.( µ + T ).∇ε  + C e1 Pk − C e 2 ρ
, ε = ep
∂t
k
k
σε




µ T = ρC µ

k2

ε

2

 2
Pk = µ T ∇u : (∇u + (∇u ) T ) − (∇.u ) 2  − ρk∇.u
3

 3

ρC p

∂T
+ ρC p u.∇T = ∇.(k∇T ) + Q
∂t

625


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 1: Các điều kiện biên
−
Đầu vào phía môi chất

lạnh

∫

ρ (u.n)dS = m

∂Ω

m_in

3/ 2
3
2
3/ 4 k
k = (lT ) , ε = C µ
2
LT

p = po ,
Đầu ra phía môi chất
lạnh

38
MPa

2
2


T

( µ + µT )(∇u + (∇u ) ) − 3 ( µ + µT )(∇.u )l − 3 ρkl  n = 0
∇k .n = 0, ∇ε .n = 0
− n.(− k∇T ) = 0

Môi chất lạnh
Đầu vào phía không
khí

u = −u o n
v_air

k=

3
k 3/ 2
(U o lT ) 2 , ε = C µ3 / 4
2
LT

p = po ,

Đầu ra phía không khí

0 Pa

2
2


T

( µ + µ T )(∇u + (∇u ) ) − 3 ( µ + µ T )(∇.u )l − 3 ρkl  n = 0
∇k .n = 0, ∇ε .n = 0

− n.(−k∇T ) = 0

Không khí
Nhiệt độ 1

T_lq

T = To

Nhiệt độ 2

T_amb

T = To

Trong đó T là nhiệt độ, t là thời gian, c p là nhiệt dung riêng đẳng áp, ρ là khối lượng
riêng, µ là độ nhớt động lực học, u là vận tốc, P là áp suất, k l à động năng dòng chảy rối,
F là ngoại lực, ε l à lượng tiêu tán năng lượng chảy rối, C µ là hằng số dòng chảy rối, Q
là nhiệt lượng, lT là cường độ dòng chảy rối và LT là chiều dài dòng chảy rối.
Trong nghiên cứu này, môi chất làm việc là CO 2 , các phương trình trên và các điều kiện
mô phỏng (Bảng 1 và Bảng 2) được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn với lời giải
PARDISO (PARallel DIrect Solver) để tìm ra các giá trị nhiệt độ, vận tốc, áp suất và entalpy.
Mô hình này được giải bởi phần mềm đa vật lý COMSOL, phiên bản 4.3b. Cấu hình máy:
Xeon Quad Core E5430 2.66 GHz 12M/1333; DDRAM ECC CORSAIR 16GB SP/32G;
HDD SATA3 160GB; VGA rời QUAD PRO FX 285 2GB/12bBIT. Lưới sau khi được tạo
xong có: 240 đỉnh, 9887 cạnh, 44466 biên và 180522 phần tử. Sai số tương đối và tuyệt đối đã
chọn cho lời giải là 10-6. Sai số tuyệt đối và tương đối kiểm soát sai số trong từng bước giải.

Cụ thể hơn, để cho vector của đại lượng U tương ứng với lời giải tại bước thời gian nào đó và
E là ước lượng sai số trong U của công cụ giải được xác nhận trong suốt bước này. Bước được
chấp nhận nếu
1

N



E
∑  A + Ri U
i
 i

626





2 1/2






<1

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
trong đó A i là sai số tuyệt đối của đại lượng i, R là sai số tương đối và N là số bậc tự do.
Kích thước thiết kế thiết bị bay hơi kênh micro được thể hiện ở Hình 1. Thiết bị này được
gia công hai mặt: mặt 1 cho các kênh micro và mặt 2 cho các cánh trao đổi nhiệt. Các kênh
micro có hình dáng chữ nhật với chiều rộng 500µm và chiều sâu 500µm, chiều dài mỗi kênh là
120 mm. Các cánh trao đổi nhiệt có chiều dày 1 mm, chiều rộng 20 mm và chiều dài 152 mm.

Hình 1: Bản vẽ thiết bị bay hơi kênh micro
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ
Trong điều kiện mô phỏng ở Bảng 2, với lưu lượng môi chất CO 2 là 1,6g/s, khi vận tốc
gió được thay đổi từ 2 – 5m/s thì nhiệt độ đầu ra của CO 2 tăng dần, như thể hiện ở Hình 2.
Khi tăng lưu lượng CO 2 lên 3,2 g/s, vận tốc gió cũng thay đổi từ 2 đến 5m/s thì nhiệt độ đầu
ra của CO 2 tăng. Nhưng độ chênh lệnh nhiệt độ giữa đầu ra và đầu vào của trường hợp 2
khoảng 2oC còn trường hợp 1 khoảng 3oC.
Bảng 2: Điều kiện mô phỏng số
Môi chất
CO 2

Kích thước kênh
(W,H,L) mm
Hình chữ nhật, W=0,5;
H= 0,5; L=120

Vật liệu

Điều kiện mô phỏng

Nhôm

P in =38,164 bar, m = 1,6 – 3,2g/s,

V air =2 – 5m/s, T air =35oC, T co2 =5 oC

Các kết quả này đồng thuận với các kết quả đã công bố trong [13] với cùng điều kiện
điều kiện mô phỏng với thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro dùng môi chất CO 2 với nhiệt độ đầu
vào CO 2 không đổi ở 5oC và vận tốc gió tăng từ 2 đến 5 m/s mỗi lần tăng 1m/s lưu lượng CO2
thay đổi từ 1,6 đến 3,2g/s . Kết quả mô phỏng trong nghiên cứu sai lệch với kết quả trong [13]
nhỏ hơn 9%.

627


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 2: Biểu đồ ảnh hưởng của vận tốc gió đến nhiệt độ đầu ra của thiết bị
Output

Input

Hình 3: Tổn thất áp suất trên thiết bị bay hơi
Ở Hình 3, khi áp suất đầu ra của môi chất CO 2 được thiết lập ở 38 bar, thì áp suất đầu
vào là 38,164 bar. Tổn thất áp suất khi qua thiết bị này là 0,164 bar. Như vậy, tổn thất áp suất
trong nghiên cứu này phù hợp với kết quả về tổn thất áp suất trong [12].
Hình 4 thể hiện kết quả mô phỏng trường nhiệt độ trong điều kiện vận tốc gió là 2m/s.
Kết quả cho thấy rằng, khi vận tốc gió ở 2 m/s và nhiệt độ đầu vào của CO 2 ở 5oC, nhiệt độ
đầu ra của CO 2 thu được là 12,8oC, tương ứng với độ chênh nhiệt độ là 5,8oC. Bên cạnh đó,
trường nhiệt độ của cánh cũng đã được thể hiện với sự chênh lệch nhiệt độ hai phía cánh
không nhiều hơn so với phía CO 2 , độ chênh phía cánh là 3oC. Trường vận tốc của gió theo
phương X được thể hiện ở Hình 5. Trong đó, không khí được thổi vào theo phương Z, vuông
góc với cánh trao đổi nhiệt. Các kết quả từ Hình 2 đến Hình 5 là những kết quả mới, hiện nay
rất ít các công trình khoa học trên thế giới công bố các kết quả mô phỏng số cho dòng hai pha

với mô hình 3D của toàn thiết bị chứ không phải chỉ cho kênh và lưu chất. Các kết quả này là
cơ sở khoa học quan trọng để thiết kế và chế tạo một thiết bị bay hơi có công suất lớn phục vụ
trong công nghiệp và dân dụng (như dàn lạnh trong hệ thống điều hòa không khí 1HP dùng
môi chất lạnh CO 2 ).

628


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Output

Input

Hình 4: Trường nhiệt độ trong điều kiện vận tốc gió 2m/s
Output

Input

Hình 5: Trường vận tốc gió theo phương X
KẾT LUẬN
Các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro dùng môi chất CO 2 đã được
nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng số (COMSOL phiên bản 4.3b). Một số kết quả về
trường nhiệt độ, trường vận tốc và áp suất đã được thể hiện.
Trong điều kiện mô phỏng, thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro dùng môi chất CO 2 với
nhiệt độ đầu vào CO 2 không đổi ở 5oC và vận tốc gió tăng từ 2 đến 5 m/s thì nhiệt độ CO 2 ra
tăng. Tuy nhiên, khi lưu lượng CO 2 thay đổi từ 1,6 đến 3,2g/s thì nhiệt độ đầu ra của CO 2
trong trường hợp 1,6 g/s cao hơn giá trị thu được trong trường hợp 3,2g/s.
Trong nghiên cứu này, tổn thất áp suất qua thiết bị bay hơi kênh micro là không đáng
kể, từ 38,164 bar xuống 38 bar.
Các kết quả thu được từ mô phỏng đồng thuận với các nghiên cứu liên quan đã công bố.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. Pettersen, Flow vaporization of CO 2 in microchannel tubes, Exp. Thermal Fluid Sci. 28
(2004) 111–121.
[2] Y. Zhao, M. Molki, M.M. Ohadi, S.V. Dessiatoun, Flow boiling of CO 2 in microchannels,
ASHRAE Trans. 106 (1) (2000) 437–445.
[3] E. Hihara, S. Tanaka, Boiling heat transfer of carbon dioxide in horizontal tubes, in:
Proceedings of 4th IIRGustav Lorentzen Conference, Purdue University, 2000,pp. 279–284.
629


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[4] R.Yun, C.S. Choi, Y.C. Kim, Convective boiling heat transfer of carbon dioxide in
horizontal small diameter tubes, in: Proceedings of 5th IIR-Gustav Lorentzen Conference,
Guangzhou, China, 2002, pp. 298–308
[5] Rin Yun el al,(2004) Convective boiling heat transfer characteristics of CO 2 in
microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer 48 (2005) 235–242
[6] Thome, J.R., Ribatski, G., 2005. State-of-the-art of two-phase flow and flow boiling heat
transfer and pressure drop of CO2 in macro- and micro-channels. Int. J. Refrigeration 28,
[7] Liu, Z., Winterton, R.H.S., 1991. A general correlation for saturated and subcooled flow
boiling in tubes and annuli based on a nucleate pool boiling equation. Int. J. Heat Mass
Transfer 34,2759e2766
[8] Hwang, Y., Kim, B.H., Radermacher, R., 1997. Boiling heat transfer correlation of carbon
dioxide. In: Proceedings of International Conference on Heat Transfer Issues in Natural
Refrigerants. University of Maryland, USA, pp. 81e95
[9] Thome, J.R., El Hajal, J., 2004. Flow boiling heat transfer to carbon dioxide: general
prediction method. Int. J. Refrigeration 28,294e301
[10] Yoon, S.H., Cho, E.S., Hwang, Y.W., Kim, M.S., Min, K., Kim, Y., 2004a.
Characteristics of evaporative heat transfer and pressure drop of carbon dioxide and
correlation development. Int. J. Refrigeration 27, 111e119
[11] Thome, J.R., Dupont, V., Jacobi, A.M., 2004. Heat transfer model for evaporation in

microchannels. Part I. presentation of the model. Int. J. Heat Mass Transfer 47,
3375e3385
[12] Zhang, W., Hibiki, T., Mishima, K., 2004. Correlation for flow boiling heat transfer in
mini-channels. Int. J. Heat Mass Transfer 47, 5749e5763.
[13] Sung Chul Kim, (2008). Effects of operating parameters on the performance of a CO2
air conditioning system for vehicles, 2411-2412.
[14] COMSOL Multyphysics version 4.3b, Heat Transfer Module - Model Library, June 2013.
[15] COMSOL Multyphysics version 4.3b, MEMS Module - Model Library, June 2013
[16] COMSOL Multyphysics version 4.3b, Modeling Guide, June 2013.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

PGS.TS. Đặng Thành Trung, Khoa Cơ Khí Động Lưc, Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Tp.HCM
Email: , Phone: 0913.606.261

2.

ThS. Nguyễn Trọng Hiếu, Khoa Cơ Khí Máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
Email: Phone: 0989.620.635

3.

ThS. Lê Bá Tân, Trung tâm Việt Đức, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
Email: Phone: 0906.818.204

4.

NCS. Đoàn Minh Hùng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
Email: Phone: 0908.318.456

5.

KS. Nguyễn Hoàng Tuấn, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
Email:

630