Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất trong bình hấp thụ của máy lạnh hấp thụ nh3 h2o loại liên tục phù hợp với điều kiện việt nam tt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HIẾU NGHĨA

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT-TRUYỀN
CHẤT TRONG BÌNH HẤP THỤ CỦA MÁY LẠNH HẤP
THỤ NH3-H2O LOẠI LIÊN TỤC PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN
VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
Mã số chuyên ngành: 62520115

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2017


Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa –
ĐHQG-HCM

Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS. LÊ CHÍ HIỆP
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. HOÀNG AN QUỐC

Phản biện độc lập 1:
Phản biện độc lập 2:

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại
............................................................................................................
............................................................................................................
vào lúc
giờ
ngày
tháng
năm 2017

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp. HCM
- Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1. Nguyễn Hiếu Nghĩa, Lê Chí Hiệp, Hoàng An Quốc, Phân tích lý thuyết và thực
nghiệm xác định nhiệt độ phát sinh tối ưu của máy lạnh hấp thụ NH3-H2O sản
xuất nước đá. Tạp chí Phát triển khoa học công nghệ - Đại học quốc gia TP.
HCM, số k1, 2017, pp. .
2. Nguyễn Hiếu Nghĩa, Lê Chí Hiệp, Hoàng An Quốc, Nghiên cứu thực nghiệm
hoạt động của máy lạnh hấp thụ NH3-H2O loại liên tục. Tạp chí Năng lượng
nhiệt, số 133, 01/2017, pp. 9-14.
3. N. H. Nguyen, H. C. Le and Q. A. Hoang, Studying optimal generator
temperature of single effect NH3-H2O absorption refrigeration machine for icemaking. 2016 International Conference on Cogeneration, Small Power Plants and
District Energy (ICUE), Bangkok, 2016, IEEE Xplore, pp. 1-7.
4. N. H. Nguyen, H. C. Le and Q. A. Hoang, Evaluating suitable intake NH3-H2O
solution concentration of absorption system for ice-making. 2016 3rd
International Conference on Green Technology and Sustainable Development,
GTSD 2016 - Kaohsiung, Taiwan, pp. 274-280.
5. Nghia-Hieu Nguyen, Hiep-Chi Le, Quoc-An Hoang, Simulation of absorption

process of the falling film on the horizontal round tube of NH3-H2O pair working
fluid. Tạp chí Cơ khí Việt Nam, pp. 116-124, 08/2016.
6. Nguyễn Hiếu Nghĩa, Lê Chí Hiệp, Mô phỏng số quá trình hấp thụ của màng chảy
lên ống tròn nằm ngang của cặp lưu chất NH3-H2O. Tạp chí Năng lượng nhiệt,
số 125, pp. 20-24, 09/2015.


7. Nghia-Hieu Nguyen, Hiep-Chi Le, Quoc-An Hoang, Parameters affecting
analysis to the absorption process of the falling film on the horizontal round tube
of pair working fluid NH3-H2O. Proc. of the 4rd international conference on
sustainable energy, Innovation for a Green Future, Hồ Chí Minh - Việt Nam,
2015, pp. 63-71.
8. Nghia-Hieu Nguyen, Hiep-Chi Le, Quoc-An Hoang, Evaluating optimal
temperature of single effect NH3-H2O absorption system for ice-making. Proc. of
the 4rd international conference on sustainable energy, Innovation for a Green
Future, Hồ Chí Minh - Việt Nam, 2015, pp.71-78.
9. Nghia-Hieu Nguyen, Hiep-Chi Le, Modeling Single Effect NH3-H2O Absorption
Refrigeration System. Proc. of the 3rd international conference on sustainable
energy, the RISE towards a Green Future, Hồ Chí Minh - Việt Nam, 2013, pp.
147-153.
10. Nguyễn Hiếu Nghĩa, Lê Chí Hiệp, Phân tích hiệu suất của máy lạnh hấp thụ
ammonia-nước theo điều kiện tại Tp. Hồ Chí Minh. Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số
03, 2013, pp. 38-46.
11.

Nguyễn Hiếu Nghĩa, Nghiên cứu chế tạo máy lạnh hấp thụ loại liên tục

để sản xuất nước đá theo điều kiện tại Việt Nam. Đề tài cấp trường, mã số
IUH.KNL01/16, 2016.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Tổng quan về nghiên cứu máy lạnh hấp thụ
Tổng quan về nghiên cứu bộ hấp thụ kiểu màng chảy
Đánh giá kết quả các công trình nghiên cứu đã công bố
Lý do chọn đề tài
1.4.1

Tầm quan trọng của bộ hấp thụ

Bình hấp thụ của hệ thống lạnh hấp thụ được biết đến như là thành phần quan
trọng nhất của hệ thống về mặt hiệu suất và chi phí [71]. Diện tích truyền nhiệt
của bộ hấp thụ chiếm khoảng 40% tổng diện tích truyền nhiệt của hệ thống [48].
Chi phí chế tạo hệ thống sẽ giảm đáng kể nếu như diện tích truyền nhiệt của bộ
hấp thụ có thể được giảm bớt bằng cách nâng cao hiệu quả truyền nhiệt-truyền
chất trong bộ hấp thụ.
Bình hấp thụ dạng bọt có hệ số truyền chất khá cao nhờ sự phân phối những bọt
hơi nhỏ làm cho diện tích bề mặt truyền chất được gia tăng [73]. Khó khăn của
bình hấp thụ dạng bọt là tốc độ truyền nhiệt phía dung dịch thấp, kết cấu phức
tạp và chế tạo khó khăn do đòi hỏi công nghệ cao.

Hình 1.1 Các bộ hấp thụ dạng bọt chính

1


Bình hấp thụ dạng màng lỏng thì ổn định khi hoạt động và có hệ số truyền nhiệt

cao nên có thể giảm kích thước bề mặt giải nhiệt [72]. Khó khăn của bình hấp
thụ dạng màng là sự phân phối không đều dung dịch loãng, bề mặt giải nhiệt
không ướt đều, bề mặt giải nhiệt đứng bị chảy dầy. Các vấn đề trên làm cho trở
lực truyền chất-truyền nhiệt tăng ở phía dung dịch.

Hình 1.2 Các bộ hấp thụ dạng màng chính
2


Bộ hấp thụ kiểu màng như hình 1.2f được chọn lựa vì có kết cấu đơn giản, hiệu
suất truyền nhiệt tốt, có thể chế tạo được theo điều kiện công nghệ hiện có tại
Việt Nam mà không cần phải nhập khẩu dây chuyền sản xuất mới.
1.4.2

Phạm vi nghiên cứu

Từ thực tế về dải năng suất sản xuất nước đá hiện có trên thị trường và khả năng
đáp ứng của bơm dung dịch, NCS đã đề xuất ứng dụng cho máy lạnh hấp thụ có
dải năng suất lạnh trung bình từ 30÷60 kW, năng suất làm đá từ 5÷10 tấn/ngày
(khoảng 200 kg/mẻ). Đối với dải năng suất lạnh này, năng suất của bình hấp thụ
tương ứng ở trong khoảng từ 52÷104 kW.
Việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt-truyền chất của quá trình hấp thụ trong
bộ hấp thụ để nâng cao hiệu quả thiết bị được thực hiện kết hợp giữa phương
pháp lý thuyết mô phỏng và thực nghiệm kiểm tra. Trong khuôn khổ của luận án
này, NCS đã chế tạo hoàn chỉnh một máy lạnh hấp thụ NH3-H2O có năng suất
lạnh trong khoảng từ 1 kW đến 3 kW, bình hấp thụ được tập trung nghiên cứu
có kết cấu kiểu màng, dung dịch NH3-H2O chảy trên chùm ống song song có
đường kính 9,6 mm được bố trí nằm ngang.
1.4.3

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án trình bày các nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong
bình hấp thụ của máy lạnh hấp thụ NH3-H2O. Trong luận án này, cấu tạo của
bình hấp thụ được lựa chọn sao cho phù hợp với điều kiện công nghệ sẵn có ở
trong nước và đáp ứng nhu cầu sản xuất nước đá thường gặp trong thực tế.
Để thực hiện các nghiên cứu nêu trên, NCS Nguyễn Hiếu Nghĩa đã chế tạo toàn
bộ máy lạnh hấp thụ NH3-H2O cấp nhiệt bằng điện trở với mục đích thiết lập các
chế độ hoạt động ổn định đáp ứng các yêu cầu nghiên cứu dưới góc độ thực
nghiệm. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã được đánh giá/so sánh với các
kết quả tính toán từ chương trình mô phỏng. Bên cạnh đó, các nghiên cứu thực
nghiệm còn được dùng để xác định chế độ hoạt động phù hợp cho toàn bộ hệ
thống theo điều kiện môi trường tại Việt Nam. Nội dung nghiên cứu tiếp cận với
3


các chỉ tiêu về chất lượng của thế giới, đồng thời bám sát tính thực tiễn của Việt
Nam.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
1. Phân tích lý thuyết nhiệt động của máy lạnh hấp thụ kết hợp với thực
nghiệm đo đạc trên mô hình thực tế cho mục đích sản xuất nước đá.
2. Xác định nồng độ dung dịch NH3-H2O nạp phù hợp với điều kiện vận
hành và nhiệt độ bay hơi yêu cầu.
3. Công bố được kết quả hoạt động của máy lạnh hấp thụ sử dụng cặp môi
chất NH3-H2O làm việc liên tục để sản xuất nước đá có phạm vi năng
suất nhỏ theo kết cấu phù hợp với điều kiện công nghệ chế tạo và vận
hành tại Việt Nam.
4. Thiết lập được mối tương quan của nhiệt độ phát sinh tối ưu theo nhiệt
độ bay hơi của môi chất lạnh trong bộ bay hơi, ngưng tụ của môi chất
lạnh trong bình ngưng tụ, hấp thụ của dung dịch ra khỏi bộ hấp thụ.

5. Bộ hấp thụ này được gắn cùng với các bộ phận khác của một hệ thống
lạnh để có những điều kiện hoạt động thực. Việc xác định các thông số
ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ trong bộ hấp thụ kiểu màng được thực
hiện trong phạm vi còn đảm bảo cho máy lạnh hấp thụ hoạt động ổn
định.
6. Thiết lập mối quan hệ truyền nhiệt-truyền chất trong bình hấp thụ của
máy lạnh hấp thụ NH3-H2O loại liên tục.
Kết luận
Từ những ưu điểm và tồn tại của các nghiên cứu trước, tác giả nhắm đến ý nghĩa
khoa học và thực tiễn:
-

Từ thực tế về dải năng suất sản xuất nước đá hiện có trên thị trường và khả
năng đáp ứng của bơm dung dịch, tác giả nhắm đến đề xuất ứng dụng cho
máy lạnh hấp thụ có dải năng suất lạnh trung bình từ 30÷60kW, năng suất
4


làm đá từ 5÷10tấn/ngày (khoảng 200kg/mẻ). Đối với dải năng suất lạnh này,
bình hấp thụ có dải năng suất tương ứng từ 52÷104kW được xác định.
-

Các kết quả nghiên cứu có thể được dùng để tham khảo khi thiết kế, chế tạo
và vận hành máy lạnh hấp thụ trong điều kiện Việt Nam.

Tác giả xác định mục đích và đối tượng nghiên cứu:
-

Việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt-truyền chất của quá trình hấp thụ
trong bộ hấp thụ để nâng cao hiệu quả thiết bị được thực hiện kết hợp giữa

phương pháp lý thuyết mô phỏng và thực nghiệm kiểm tra. Trong khuôn khổ
của luận án này, bình hấp thụ được tập trung nghiên cứu là bình hấp thụ kiểu
màng với dung dịch NH3-H2O chảy trên chùm ống song song nằm ngang, có
đường kính ống giải nhiệt kiểm tra 9,6mm, tương ứng với năng suất lạnh
trong khoảng từ 1kW đến 3kW.

-

Bình hấp thụ này được gắn cùng với các bộ phận khác để tạo nên một máy
lạnh hấp thụ hoàn chỉnh hoạt động theo điều kiện môi trường tại Việt Nam
trong phạm vi nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh trong bộ bay hơi, ngưng tụ
của môi chất lạnh trong bình ngưng tụ, hấp thụ của dung dịch ra khỏi bình
hấp thụ, phát sinh của dung dịch trong bình phát sinh để thực hiện thí nghiệm.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT HẤP THỤ KIỂU MÀNG CHẢY

Chu trình lạnh hấp thụ
Bộ hấp thụ kiểu màng chảy
2.2.1

Các ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt-truyền chất

Các ảnh hưởng bao gồm kết cấu; chế độ chảy của dung dịch loãng vào các ống
giải nhiệt; lưu lượng, nồng độ, và nhiệt độ dung dịch loãng đến từ bình phát sinh;
hơi NH3 đến từ bình bay hơi; và nước giải nhiệt.

5

2.2.2

Mô hình và phương pháp thí nghiệm

2.2.2.1

Mô hình thí nghiệm

1) Dung dịch loãng và hơi NH3 ngược chiều. Ống giải nhiệt có đường kính
Φ9,6mm bước dọc tối ưu là 20mm; bước ngang 13mm.
2) Diện tích mặt tiếp xúc lỏng hơi lớn do dung dịch loãng nhiễu và lan rộng
trên các ống giải nhiệt.
3) Để tăng sự phân phối đồng đều của dòng dung dịch loãng bằng cách
khoan lỗ Φ1,2mm thẳng hàng; bước lỗ 4mm.
Phương pháp thí nghiệm

2.2.2.2

Bảng 2.1 Ảnh hưởng lưu lượng dung dịch
Do
(mm)
9,6

2.2.3

Г
[kg/(ms)]

Dòng hơi

Nước giải
nhiệt

Áp
suất
(bar)

0,001;
0,005;
0,008;
0,0113;
0,015.

Tùy thuộc
vào lưu
lượng
dung dịch
loãng

tw=
28÷38oC
và mw=
8÷18l/m

1,52,5

Kết quả
Nhiệt độ dung dịch loãng vào
và đặc ra khỏi bộ hấp thụ.

Nồng độ dung dịch ra.
αf [W/(m2K]; k [W/(m2K]; q
(W/m2); hm/s; mf [kg/(m2s)].

Phương pháp giải

Bộ hấp thụ chùm ống nằm ngang gồm 180 ống có đường kính ngoài là 9,6mm.
Mỗi ống dài 18cm. Các ống được bố trí song song thành 30 hàng ống. Hàng ống
trên đỉnh và hàng ống ở đáy lần lượt là hàng ống phân phối dung dịch loãng và

6


hàng ống phân phối hơi. Các hàng ống giải nhiệt nằm ở giữa được chia thành 8
pass nước [4, 4, 4, 4, 3, 3, 3, 3
(hàng ống)]. Các giả thuyết:
1. Dòng loãng phân bố đều.
2. Dòng dung dịch loãng chảy
tầng, ổn định.
3. Dòng hơi phân bố đều.
4. Nhiệt độ chùm ống giải
nhiệt ổn định.
5. Áp suất trong bình đồng
nhất.
Hình 2.1 Hình chiếu cạnh của bộ hấp thụ
6. Bộ hấp thụ đoạn nhiệt.
7. Nhiệt độ vách ống như nhau trên từng ống đơn.
Từ các giả thuyết trên, mô vật lý 3 chiều trên trở thành 2 chiều được trình bày
như hình 2.2. Dung dịch loãng được
đưa vào tại đỉnh ống, rồi chảy xuống

quanh ống thành màng. Hơi NH3
được hấp thụ vào mặt tiếp xúc của
màng dung dịch. Quá trình hấp thụ
sinh nhiệt. Nhiệt truyền nhiệt qua
vách ống vào nước giải nhiệt và
được nước giải nhiệt chảy trong ống

Hình 2.2 Mô hình vật lý 2 chiều

ngang mang đi. Hướng của dòng
dung dịch chảy dọc theo chu vi ống theo tọa độ x. Bề dày màng dung dịch hướng
từ tâm ống ra theo hướng y. Vị trí của bất kỳ điểm nào trên màng dung dịch đều
xác định được theo các tọa độ 𝜃, y tương ứng.

7


Kết luận
Trong chương 2, tác giả trình bày các phân tích cơ sở lý thuyết của chu trình lạnh
hấp thụ và bộ hấp thụ kiểu màng chảy bao gồm:
-

Các phương trình cơ bản về thông số nhiệt động của môi chất lạnh NH3 và
của dung dịch NH3-H2O.

-

Các phân tích về các ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt-truyền chất của
quá trình hấp thụ.

-

Xác định được cấu tạo của bình hấp thụ nghiên cứu và phương pháp giải.

-

Định hướng phát triển mô hình toán cho bình hấp thụ kiểu màng chảy trên
chùm ống tròn nằm ngang từ mô hình toán của phần tử thể tích ống kiểm tra.

-

Đơn giản hoá phần tử thể tích ống thành mô hình vật lý 2 chiều.

Chọn ống giải nhiệt có đường kính 9,6mm; mật độ phân phối dung dịch loãng
thấp để có được chế độ nhỏ giọt vào ống.

8


CHƯƠNG 3
THỤ

TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ BỘ HẤP

Mô phỏng hệ thống
3.1.1

Mô hình toán của hệ thống

3.1.2

Lưu đồ màng của hệ thống
Thông số đầu vào: Nhập các
thông số đầu vào theo điều kiện
nhiệt độ hoạt động của từng bộ
phận: bay hơi, ngưng tụ, hấp
thụ, phát sinh (-20oC < te < 0oC,
28oC < tc < 40oC, 25oC < ta <
40oC, 90oC < tg < 130oC). Năng
suất nhiệt cấp vào bình phát
sinh Qg(kW).
Thuật toán: Tính toán tất cả các
điểm trạng thái.

Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán mô phỏng máy
lạnh hấp thụ NH3-H2O

Dữ liệu đầu ra: Năng suất lạnh
Qe(kW), năng suất bộ ngưng tụ

Qg(kW), năng suất bộ hấp thụ Qa(kW), hệ số hiệu suất nhiệt của máy (COP) và
hiệu suất làm lạnh (COPu). Nồng độ dung dịch đặc Cs, nồng độ dung dịch loãng
Cw, hệ số hồi lưu λ.

9


3.1.3

Kết quả mô phỏng

Nhiệt độ dung dịch trong bộ
phát sinh tăng làm cho COP tăng
rất nhanh và đạt cực đại. Nếu
tiếp tục tăng nhiệt độ phát sinh
thì COP giảm. Nhiệt độ bay hơi
càng thấp, hệ thống có nhiệt độ
phát sinh khởi động càng cao,
thì COP cực đại càng thấp. Theo

Hình 3.2 COP và nhiệt độ phát sinh tại
các nhiệt độ bay hơi theo mô phỏng

hình 3.2, tc= 33oC; ta=34oC,
nhiệt độ phát sinh tối ưu đạt

được tg_opt= [97, 106, 111, 116, 122] (oC) tương ứng với hệ số hiệu suất nhiệt tối
ưu COPopt= [0,51; 0,476; 0,46; 0,446; 0,433] khi nhiệt độ bay hơi lần lượt là te=
[-5, -11, -14, -17, -20] (oC).
Từ mô phỏng sự thay đổi hệ số hiệu suất, nhiệt độ bay hơi yêu cầu là -19oC, nhiệt
độ ngưng tụ và nhiệt độ hấp thụ lần lượt là 33oC và 34oC, nhiệt độ phát sinh là
120oC thì hệ số hiệu suất của máy lạnh hấp thụ sẽ đạt cực đại.
Từ mô phỏng hệ thống tại COP cực đại, nồng độ dung dịch loãng tìm được là
Cws= 0,267; nồng độ dung dịch đậm đặc tìm được là Css= 0,365. Nồng độ dung
dịch hoạt động trung bình trong máy lạnh là 0,316. Vùng dung dịch nạp được
định hướng trong phạm vi 0,295 tới 0,325. Các thí nghiệm để xác định nồng độ
dung dịch nạp phù hợp sẽ được thực hiện trong phạm vi này.

10

Mô phỏng bộ hấp thụ
3.2.1
3.2.1.1

Mô phỏng phần tử thể tích ống
Mô hình toán của phần tử

Các phương trình liên tục, phương trình động lượng, phương trình năng lượng,
phương trình truyền chất của lớp màng dung dịch chảy trên chùm ống được mô
tả 2 chiều [70], [66], [45], [67], [89], [47], [51], [68], [81], [5], [90], [91].
3.2.1.2

Lưu đồ màng của phần tử
Thông số đầu vào: Độ phân
phối dung dịch Г, bán kính
ngoài ống giải nhiệt ro, hệ số
khuếch tán nhiệt aq, hệ số
khuếch tán chất D và nhiệt độ
dung dịch loãng vào Tws_in;
nồng độ dung dịch loãng vào
Cws_in.
Thuật toán: Chu trình tính sẽ
bắt đầu để đi tìm bề dày lớp
màng, các thành phần tốc độ,
nhiệt độ và nồng độ của tất cả
các điểm của lưới của phần tử
ống kiểm tra.
Dữ liệu đầu ra: bề dày lớp
màng δ, vận tốc theo chiều
màng chảy u, vận tốc vuông

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán cho phần tử thể
tích ống

góc với màng chảy v, nồng độ
lớp màng C, nhiệt độ lớp màng
T, hệ số truyền chất hm, hệ số

truyền nhiệt k, dòng chất hấp thụ mf, dòng nhiệt hấp thụ qf.
11


3.2.2
3.2.2.1

Mô phỏng bộ hấp thụ
Mô hình toán của chùm ống
Các

ống

ngang

được bố trí thành
các mặt thẳng đứng
với nước giải nhiệt
chảy theo từng pass
qua lại trong các

Hình 3.4 Sơ đồ dòng nước giải nhiệt

ống như ở hình 3.4.
Các giả thuyết cho

bộ hấp thụ:
1) Từng ống hấp thụ được chia thành các phần tử ống kiểm tra bằng nhau.
2) Nhiệt độ vách của phần tử ống kiểm tra là không đổi.
3) Màng dung dịch phân bố đồng đều dọc theo phần tử ống kiểm tra.
4) Bộ ống đoạn nhiệt với môi trường xung quanh.
Kết hợp các phương trình của dòng màng và các phương trình dòng nước giải
nhiệt chảy trong ống để giải cho từng phần tử ống kiểm tra. Nếu ống thứ n được
chia thành k phần tử. Sau khi có các kết quả hội tụ của một ống, màng dịch sẽ
chuyển động xuống ống phía dưới tiếp theo. Màng dung dịch rời phần tử ống
kiểm tra thứ 1 của ống thứ n đi vào phần tử ống kiểm tra thứ k của ống n+1 với
cùng phân bố nhiệt độ và nồng độ khi rời khỏi phần tử ống kiểm tra phía trên n.
Tương tự như vậy, màng dung dịch rời phần tử ống kiểm tra thứ 2 của ống n vào
phần tử ống kiểm tra k-1 của ống n-1. Quá trình tính này được thực hiện cho đến
khi tất cả các ống trong cùng một cột được tính.
3.2.2.2

Lưu đồ màng của chùm ống

12


Thông số đầu vào: Số
phần tử kiểm tra của mỗi
ống giải nhiệt k. Nhiệt độ,
lưu lượng, nồng độ dung
dịch loãng vào và ra khỏi

bộ hấp thụ đo được. Nhiệt
độ nước giải nhiệt vào và
ra khỏi bộ hấp thụ đo
được.
Thuật toán: Nhiệt độ
nước giải nhiệt vào bộ
hấp thụ đo được là nhiệt
độ nước vào phần tử ống
đầu tiên. Dự đoán nhiệt
độ ra khỏi phần tử ống
đầu tiên. Nhiệt độ nước
vào phần tử ống thứ 2
chính là nhiệt độ nước ra
Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán cho bộ hấp thụ

của phần tử ống kiểm tra
liền kề trước đó. Các tính

toán được tuần tự tính cho các phần tử ống kiểm tra cho đến khi phần tử ống
kiểm tra cuối cùng của ống đạt được.
Nhiệt độ của nước giải nhiệt vào phần tử ống kiểm tra cuối cùng của ống trên
cũng chính là nhiệt độ ra của phần tử ống kiểm tra đầu tiên của ống dưới kế tiếp.
Các tính toán được tuần tự tính cho các ống phía trên cho đến khi ống trên cùng
của cột ống trong bộ hấp thụ đạt được.
Dữ liệu đầu ra: Nhiệt độ, lưu lượng, nồng độ dung dịch đặc ra, và năng suất của
bộ hấp thụ. Hệ số truyền nhiệt và hệ số truyền chất.
13


3.2.3

Kết quả mô phỏng

3.2.3.1

Phần tử kiểm tra

Các hình sau thể hiện các đặc tính động học của màng dung dịch và hiện tượng
truyền nhiệt-truyền chất kết hợp khi dòng dòng hơi NH3 được hấp thụ vào dòng
dung dịch loãng để trở thành dung dịch có nồng độ cao hơn.

Hình 3.7 Vận tốc v (m/s)

Hình 3.6 Vận tốc u (m/s)

Hình 3.6 & 3.7 là phân phối ba chiều của thành phần vận tốc tiếp tuyến dòng
chảy u và thành phần vận tốc vuông góc dòng chảy v. Theo toạ độ không thứ
nguyên ε, màng lỏng đang rơi vào ống nên vận tốc u= 0; nhưng vận tốc v lớn
mang dấu âm vì ngược chiều trục η. Khi đã tạo thành màng trên ống thì thành
phần u xuất hiện và lớn dần, đạt cực đại tại ¼ ống (u max= 0,0504m/s), sau đó
giảm dần và u= 0 khi chảy ra khỏi ống. Theo trục η, Phân bố vận tốc của thành
phần u= 0 tại vách ống, tăng dần, và đạt cực đại cục bộ tại mặt tiếp xúc lỏng hơi.
Ngược lại với u, Thành phần v sau khi vào ống sẽ giảm rất mạnh, sau đó lại tăng
mạnh lúc ra khỏi ống.

14


Hình 3.8 Trường nồng độ, C

Hình 3.9 Trường nhiệt độ, T (K)

Hình 3.8 & 3.9 là phân phối ba chiều của trường nồng độ (C), và trường nhiệt độ
(T) trong miền khảo sát là màng dung dịch. Nồng độ của dung dịch loãng khi
chưa vào ống được xem như chưa có hiện tượng hấp thụ nên nồng độ vẫn bằng
nồng độ vào. Nhiệt độ tại mặt tiếp xúc bão hoà theo nồng độ dung dịch, tại vách
ống bằng nhiệt độ vách. Khi hiện tượng hấp thụ xuất hiện thì nồng độ của mặt
tiếp xúc lỏng hơi tăng dần theo trục ε rồi khuếch tán vào phía vách ống theo trục
η. Sự hấp thụ này phát sinh nhiệt làm cho nhiệt độ mặt tiếp xúc lỏng-hơi tăng
theo trục ε. Do chênh nhiệt độ giữa mặt tiếp xúc và vách ống, nhiệt lượng truyền
vào phía vách theo truc η.
Nồng độ trung bình của lớp màng sau khi ra khỏi ống C= 0,3637; tăng 0,0687.
Nhiệt độ trung bình của lớp màng vào ống là 317,6K (44,5oC), Nhiệt độ trung
bình của lớp màng sau khi ra khỏi ống T= 304,843K (31,7oC), giảm 12,8oC. Nhiệt
độ của mặt tiếp xúc lỏng-hơi vào ống là 332K (58oC), Nhiệt độ của mặt tiếp xúc
lỏng-hơi sau khi ra khỏi ống T= 306,5K (33,4oC), giảm 24,7oC. Chênh nhiệt độ
của mặt tiếp xúc lỏng-hơi khi ra khỏi ống so với nhiệt độ vách ống là 3,4oC.
Lưu lượng khối lượng phân phối thay đổi Γ= 0,001; 0,005; 0,008; 0,0113;
0,0146; 0,03 [kg/(m.s)]. Các hình 3.10÷3.15 và bảng 3.1 thể hiện sự thay đổi bề
dày, vận tốc trung bình cục bộ, nồng độ trung bình cục bộ, nhiệt độ trung bình
15


cục bộ, hệ số truyền nhiệt lớp màng, hệ số truyền nhiệt, hệ số truyền chất của lớp
màng dung dịch.

Hình 3.11 Vận tốc cục bộ trung
bình, ual (m/s)

Hình 3.10 Độ dày lớp màng, δ (m)

Khi lưu lưu lượng giảm thì bề dày lớp màng giảm (hình 3.10), vận tốc tiếp tuyến
dòng chảy u giảm (hình 3.11). Tại ¼ ống theo chiều dòng chảy bề dày lớp màng
đạt cực tiểu, vận tốc lớp màng đạt cực đại.

Hình 3.12 Nồng độ cục bộ trung
bình, Cal

Hình 3.13 Nhiệt độ cục bộ trung
bình, Tal (K)

Khi lưu lượng dung dịch tăng thì nồng độ trung bình cục bộ lớp màng giảm (hình
3.12), nhiệt độ trung bình cục bộ tăng (hình 3.13).

16


Hình 3.14 Hệ số truyền nhiệt
tổng, k [W/(m2 K)]

Hình 3.15 Hệ số truyền chất của
lớp màng, hm (m/s)

Hình 3.14 trình bày hệ số truyền nhiệt từ mặt tiếp xúc lỏng-hơi vào nước giải
nhiệt chảy trong ống k theo trục ε (x). Các hệ số này tăng ở ¼ đầu của ống và
giảm dần ở ¼ sau cho thấy tốc độ hấp thụ giảm khi hệ số truyền nhiệt giảm. Lưu
lượng dung dịch tăng thì hệ số truyền nhiệt tăng mạnh.
Hình 3.15 trình bày sự thay đổi của hệ số truyền chất theo trục ε (x). Hệ số truyền
chất cao tại vị trí khi dòng dung dịch loãng vừa tiếp xúc với ống; sau đó giảm
nhanh rồi khá phẳng trước khi ra khỏi ống. Khi lưu lượng dung dịch tăng thì hệ

số truyền chất tăng. Nhưng khi tăng lưu lượng dung dịch khá lớn Γ=
0,0146kg/(m.s) trở lên thì hệ số truyền chất tăng rất ít.
Bảng 3.1 Ảnh hưởng lưu lượng dung dịch
Γ [kg/(m.s)]

Cal_o

0.001
0.005
0.008
0.0113
0.0146
0.03

0,3690
0,3636
0,3589
0,3543
0,3495
0,3297

Tal_o (K) αiw [W/(m2K)] k [W/(m2K)]
1.0e+03
1.0e+03
303,9
0,7826
0,6578
304,8
1,0093
0,8221

305,7
1,2060
0,9567
306,5
1,4010
1,0806
307,4
1,6081
1,2068
311,1
2,5984
1,7169

17

hm (m/s)
1.0e-04
0,1060
0,1304
0,1455
0,1600
0,1683
0,1816


Nhiệt độ vách ống giải nhiệt thay đổi Tw= 311,15; 309,15; 307,15; 305,15;
303,15; 301,15 (K).

Hình 3.16 Nồng độ cục bộ trung
bình, Cal

Hình 3.17 Nhiệt độ trung bình cục
bộ, T (K)

Khi nhiệt độ nước giải nhiệt giảm thì nồng độ trung bình cục bộ lớp màng tăng
(hình 3.16), nhiệt độ trung bình cục bộ giảm (hình 3.17).
Bảng 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nước giải nhiệt
Twall (K)

Cal_o

Tal_i/Tal_o
(K)

311,15
309,15
307,15
305,15
303,15
301,15

0,3298
0,3325
0,3382
0,3440
0,3497
0,3554

321,6/315,0
320,6/313,5

319,6/311,4
318,6/309,4
317,6/307,4
316,6/305,4

αiw
[W/(m2K)]
1.0e+03
1,4409
1,4823
1,5283
1,5703
1,6070
1,6424

k
hm (m/s)
[W/(m2K)] 1.0e-04
1.0e+03
1,1165
0,1443
1,1407
0,1570
1,1657
0,1693
1,1878
0,1804
1,2062
0,1901
1,2233

0,1989

Theo bảng 3.2, nhiệt độ nước giải nhiệt giảm thì nồng độ trung bình lớp màng ra
khỏi ống tăng, nhiệt độ trung bình lớp màng ra khỏi ống giảm. Nhiệt độ nước
giải nhiệt giảm 1oC thì hệ số truyền nhiệt lớp màng tăng 1,2% và hệ số truyền
nhiệt 0,8%; hệ số truyền chất tăng khá 2,7%.

18


Nồng độ dung dịch vào ống giải nhiệt thay đổi C= 0,28; 0,29; 0,3; 0,31. Các hình
3.23, 3.24 thể hiện biến đổi của hệ số truyền nhiệt, hệ số truyền chất.

Hình 3.18 Hệ số truyền nhiệt, k
[W/(m2.K)]

Hình 3.19 Hệ số truyền chất, hm
(m/s)

Bảng 3.3 thể hiện sự thay đổi bề dày, vận tốc trung bình cục bộ, nồng độ trung
bình cục bộ, nhiệt độ trung bình cục bộ, hệ số truyền nhiệt, hệ số truyền chất của
lớp màng dung dịch khi thay đổi nồng độ dung dịch.
Bảng 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ nước giải nhiệt
C

Cal_o

Tal_o (K)

0,31

0,30
0,29
0,28

0,3670
0,3636
0,3569
0,3523

303,4
304,8
305,2
306,0

αiw [W/(m2K)] k [W/(m2K)]
1.0e+03
1.0e+03
0,9697
0,7825
1,0093
0,8221
1,2060
0,8614
1,4010
0,9001

hm (m/s)
1.0e-04
0,1247
0,1304

0,1361
0,1417

Theo bảng 3.3, khi giảm nồng độ dung dịch loãng sẽ làm tăng hệ số truyền nhiệt
và hệ số truyền chất tăng mạnh. Nồng độ dung dịch giảm 1% thì hệ số truyền
nhiệt tăng 4,13%, hệ số truyền chất tăng 3,96%.

19


3.2.3.2

Bộ hấp thụ kiểu màng chảy

Kết cấu của bộ hấp thụ là các hàng ống giải nhiệt được xếp thành 28 hàng song
song mỗi hàng ống có diện tích là A1= π.Do.l.n= π.0,0096.0,18.6= 0,0326m2. Bộ
giải nhiệt này có 8 pass nước [4, 4, 4, 4, 3, 3, 3, 3 (hàng ống)].
Các đồ thị sau mô tả quá trình truyền nhiệt–truyền chất trong bộ hấp thụ. Các giá
trị điển hình khi máy lạnh hấp thụ vận hành ở chế độ sản xuất nước đá có lưu
lượng dung dịch loãng là 0,0171kg/s hoặc độ phân phối dung dịch Г=
0,008kg/(m.s); nồng độ dung dịch loãng vào bộ hấp thụ Cal = 29%; nhiệt độ nước
giải nhiệt vào và ra lần lượt là 31oC và 34,2oC.

Hình 3.20 Sự biến đổi nhiệt độ và hệ
số truyền nhiệt tổng trong bộ hấp thụ

Hình 3.21 Sự biến đổi nhiệt độ và
dòng nhiệt trong bộ hấp thụ

Hình 3.20 và 3.21 trình bày sự thay đổi của nhiệt độ trung bình của màng dung

dịch chảy xuống từ đỉnh của bộ hấp thụ (hàng ống thứ 28) xuống đáy của bộ hấp
thụ. Trong khi nhiệt độ nước giải nhiệt chảy ngược chiều từ dưới lên. Hệ số
truyền nhiệt hầu như không đổi k= 1043W/(m2K). Dòng nhiệt hấp thụ giảm dần
từ trên xuống từ 13881 xuống 6225W/m2 và đạt trung bình là qf= 9017W/m2.
Nhiệt độ dung dịch giảm nhanh ở phía đỉnh bộ hấp thụ, sau đó giảm chậm dần
khi xuống đáy bộ hấp thụ do độ chênh nhiệt độ của dung dịch và của nước giải
nhiệt giảm dần. Dòng dung dịch hấp thụ hơi sinh nhiệt. Nhiệt lượng này sẽ được
dòng nước giải nhiệt ngược chiều mang đi nên nhiệt độ của dòng nước giải nhiệt
tăng.
20


Hình 3.22 Sự biến đổi nhiệt độ và
hệ số truyền chất trong bộ hấp thụ

Hình 3.23 Sự biến đổi nhiệt độ và
dòng chất hấp thụ trong bộ hấp thụ

Hình 3.22 và 3.23 trình bày sự thay đổi của nhiệt độ trung bình của màng dung
dịch chảy xuống từ đỉnh của bộ hấp. Hệ số truyền chất hầu như không đổi hm=
1,68665*10^-5m/s. Dòng chất được hấp thụ giảm dần từ trên xuống từ 0,01023
xuống 0,00927kg/(m2s) và đạt trung bình là mf= 0,00962kg/(m2s).
Theo mô phỏng, nồng độ dung dịch
loãng vào là 29% và ra là 33,4%.
Nồng độ dung dịch đặc ra chưa đạt
nồng độ bảo hoà 35,4%. Nhiệt độ
dung dịch ra khỏi bình hấp thụ
47oC.
Kết luận
Hình 3.24 Sự biến đổi nhiệt độ và

nồng độ dung dịch

Trong chương 3, tác giả đã mô

phỏng được hoạt động của máy lạnh hấp thụ và mô phỏng được quá
trình truyền nhiệt-truyền chất trong bộ hấp thụ bao gồm:
-

Phát triển mô hình toán và viết lưu đồ thuật toán cho sơ đồ thiết
kế máy lạnh hấp thụ.
21