Luận án tiến sĩ nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ vi ống của bơm nhiệt (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------

HOÀNG ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT
TRONG DÀN BAY HƠI VÀ DÀN NGƯNG TỤ VI ỐNG
CỦA BƠM NHIỆT

Ngành: Kỹ thuật nhiệt
Mã số: 9520115

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

HÀ NỘI – 2020


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN NGUYÊN AN
PGS.TS. HÀ MẠNH THƯ

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

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
Sự phát triển ngày một gia tăng của bơm nhiệt tuy rất hữu ích nhưng
cũng gây những ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường xung quanh. Vì
vậy, 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, công nghệ “vi ống” đang
được xem là “đáp án chung” cho các 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 thông thường. Trong thực tế, các ống có đường
kính trong nhỏ hơn 2 mm thường được xem là vi ống. Trong công nghiệp,
vi ống được sử dụng để chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt vì những lợi ích
sau:
- Do có đường kính nhỏ nên khả năng chịu chênh lệch áp suất của
vi ống rất cao;
- Với cùng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thể tích chứa môi chất
lạnh sẽ giảm cỡ 10 lần so với ống thường, và do đó, sẽ giảm được
khoảng 10 lần lượng môi chất lạnh chứa trong dàn.
- Khi đường kính ống giảm, phần thể tích bên trong ống tham gia
trực tiếp vào quá trình trao đổi nhiệt so với toàn bộ thể tích trong
của ống sẽ tăng lên, do đó, 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 toán,
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 chuyên sâu về “quá trình truyền nhiệt trong dàn
bay hơi và dàn ngưng tụ của bơm nhiệt với công nghệ vi ống”. Đó chính
là lý do lựa chọn đề tài của luận án tiến sỹ này.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ 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 môi trường có nhiệt độ
cao hơn, được gọi là nguồn nhiệt nóng (hay nguồn nóng). 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.
1


Thiết bị tiết lưu

4

Qo

Thiết
bị
bay
hơi

3

Thiết
bị
ngưng
tụ

Qo
N = Qc - Qo

Qc

Máy nén

1

2
N

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt.

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. Về số lượng, ta luôn thu được nhiệt lượng tại nguồn
nóng, Qk, lớn hơn công tiêu hao cho máy nén, (Qk – Qo). 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.

1.1.2.1. Thiết bị ngưng tụ

Căn cứ vào môi 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 không khí;
- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước;
- Thiết bị ngưng tụ kiểu kết hợp giữa nước và không khí.
1.1.2.2. Thiết bị bay hơi

Thiết bị bay hơi có thể phận ra hai loại chính đó là:
- Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng;
- Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí.
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 hoà không khí (cũng
có thể được coi là một loại bơm nhiệt) sử dụng trên ôtô. Ngoài ứng dụng
trong điều hoà không khí ôtô, 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. Điều đó cho thấy, vi ống không chỉ có
ưu điểm ở tính gọn nhẹ, chịu được rung động mà còn có thể cho hiệu quả
trao đổi nhiệt rất cao.
2


1.2. Tình hình nghiên cứu về truyền nhiệt trong vi ống

Qua hơn 60 năm phát triển, lựa chọn trong hàng trăm công trình đã
công bố, hơn 50 công trình được trích dẫn cho thấy sự rộng lớn của lĩnh
vực “trao đổi nhiệt trong vi ống”, trước hết là ở phạm vi ứng dụng. Tuy
nhiên, cũng do được ứng dụng rộng rãi như vậy, nghiên cứu về trao đổi
nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ vi ống của bơm nhiệt còn rất
khiêm tốn về số lượng, cũng như còn tồn tại những bất cập sau đây.
Thiết bị trao đổi nhiệt vi ống được phát triển đầu tiên là với chế độ
nhận nhiệt, được ứng dụng trong làm mát các cấu trúc siêu nhỏ như vi
mạch điện tử… Do vậy, nghiên cứu về quá trình sôi trong vi ống thường
được tiến hành với trạng thái đầu vào là lỏng quá lạnh hoặc lỏng bão hoà.
Rất ít các công trình đã công bố, trừ các công trình nghiên cứu về thiết bị
bay hơi vi ống khi được gắn liền với hoạt động của một hệ bơm nhiệt, đề
cập tới quá trình sôi của môi chất trong vi ống với trạng thái đầu vào là
hơi bão hoà ẩm. Quá trình sôi với môi chất đầu vào ở trạng thái quá lạnh
được gọi là “sôi quá lạnh” và không xảy ra với thiết bị bay hơi của bơm
nhiệt.
Nghiên cứu về chế độ nhả nhiệt trong vi ống đã được tiến hành với
cả 3 vùng là vùng hơi quá nhiệt, vùng ngưng tụ và vùng lỏng quá lạnh.
Tuy nhiên, về thực nghiệm, quá trình truyền nhiệt với mỗi vùng này lại
thường được tiến hành một cách độc lập. Trừ một số nghiên cứu về hoạt
động của cả hệ thống bơm nhiệt, rất ít công trình tiến hành thực nghiệm
một quá trình nhả nhiệt và thay đổi trạng thái liên tục từ vùng hơi quá
nhiệt đến vùng lỏng quá lạnh. Do vậy, một nghiên cứu thực nghiệm về
truyền nhiệt bên trong vi ống ở chế độ nhả nhiệt với trạng thái thay đổi
liên tục từ hơi quá nhiệt đến lỏng quá lạnh như xảy ra trong các dàn ngưng
tụ của bơm nhiệt là điều cần thiết. Về lý thuyết, trạng thái của màng lỏng
bám ở vách ống trong vùng ngưng không chịu ảnh hưởng từ trạng thái
đầu vào nên có thể xây dựng mô hình lý thuyết cho quá nhả nhiệt trong
vùng ngưng tụ của môi chất trong vi ống một cách độc lập.
1.3. Đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án

Quá trình sôi của hơi bão hoà ẩm và ngưng tụ của hơi bão hoà khô
là 2 quá trình vừa quan trọng, do có mức độ ảnh hưởng lớn, nhưng cũng
còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thấu đáo, làm ảnh hưởng đến độ
chính xác của các kết quả tính toán. Do vậy, luận án sẽ tập trung vào
nghiên cứu 2 quá trình này.
Để có thể thực hiện được điều đó, luận án sẽ tiến hành các bước
nghiên cứu theo trình tự sau:
- Xây dựng mô hình toán cho các quá trình sẽ tiến hành mô phỏng
mà cụ thể ở đây là quá trình sôi của hơi bão hoà ẩm và quá trình
ngưng tụ của hơi bão hoà khô. Mô hình toán bao gồm hệ phương
hệ phương trình mô tả quá trình và các điều kiện đơn trị.
3


- Xây dựng thuật toán giải các mô hình toán đã xây dựng.
- Lựa chọn phần mềm và lập trình giải mô hình toán theo các thuật
toán đã xây dựng (xây dựng mô hình máy tính).
- Xây dựng hệ thống thí nghiệm, tiến hành đo đạc lấy số liệu nhằm
kiểm chứng kết quả tính toán bằng mô hình máy tính đã xây dựng.
Hiệu chỉnh mô hình máy tính, nếu cần.
- Sử dụng các kết quả nghiên cứu thu được, khảo sát ảnh hưởng
của các yếu tố đến chế độ sôi và ngưng tụ của môi chất trong vi
ống.
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CHO QUÁ TRÌNH
SÔI VÀ NGƯNG TỤ CỦA DÒNG MÔI CHẤT TRONG VI ỐNG
2.1. Các chế độ lưu động của dòng 2 pha trong ống thông thường và vi ống
2.1.1. Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong ống thông thường

Chế độ chuyển động của dòng 2 pha trong ống thông thường bao
gồm 4 chế độ lưu động cơ bản như trình bày trên Hình 2.1. Trong đó, lưu
động hình xuyến là một chế độ xảy ra nhiều nhất và cũng được đề cập
nhiều nhất trong các tài liệu và công bố khoa học chuyên ngành.
Chế độ lưu động hình xuyến

Chế độ lưu động dạng bọt

Chế độ lưu động phân tầng

Chế độ lưu động gián đoạn

Vách ống

Pha lỏng

Pha hơi

Hình 2.1. Các chế độ lưu động chính của dòng 2 pha trong ống.

Tuỳ thuộc vào tương quan giữa tốc độ dòng hơi, lỏng với lực trọng
trường; tuỳ thuộc vào vị trí ống, thẳng đứng hay nằm ngang hay
nghiêng…, cũng như chiều chuyển động của môi chất, màng lỏng bám
trên vách ống sẽ có dạng hình xuyến đều hay không đều.
Chế độ lưu động hình xuyến và chế độ lưu động dạng bọt là các
trường hợp mang tính thái cực và chúng có điểm chung là ảnh hưởng của
lực trọng trường đến dòng môi chất là không đáng kể và thường được bỏ
qua. Giữa 2 trường hợp thái cực này, tuỳ thuộc vào tỉ lệ về thể tích chiếm
chỗ trong dòng của pha hơi so với pha lỏng, môi chất còn có thể lưu động
ở các chế độ trung gian như chế độ hình viên đạn (Hình 2.2). Trong các

thiết bị trao đổi nhiệt, để tăng hiệu quả, chế độ lưu động của lưu chất
4


thường được thiết kế với tốc độ khá lớn, đồng nghĩa với ảnh hưởng của
lực trọng trường khá nhỏ và có thể bỏ qua. Vì vậy, luận án này sẽ không
đề cập thêm đến các trường hợp chịu ảnh hưởng lớn của lực trọng trường.
Về học thuật, nghiên cứu về chế độ lưu động hình xuyến có ý nghĩa
không chỉ vì nó xảy ra với tần xuất cao hơn mà còn do kết quả tính toán
từ chế độ này có thể giúp xác định các chế độ còn lại, nhờ đó, có thể đưa
ra các phương pháp hiệu chỉnh nếu cần.
Chế độ lưu động hình xuyến

Chế độ lưu động hình viên đạn

Vách ống

Chế độ lưu động dạng bọt

Pha lỏng

Pha hơi

Hình 2.2. Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong ống khi bỏ qua trọng trường.
2.1.2. Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong vi ống

Nghiên cứu về quá trình sôi và ngưng tụ bên trong vi ống, thực
nghiệm cho thấy, chế độ lưu động hình xuyến với một màng lỏng bám
trên vách ống luôn xảy ra với tần suất cao hơn các chế độ khác [15, 16,
17, 34]. Do vậy, luận án sẽ lựa chọn chế độ này để xây dựng mô hình

toán, làm cơ sở cho các bước nghiên cứu tiếp theo.
2.2. Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả các quá trình
2.2.1. Các giả thiết ban đầu

Để xây dựng và giải hệ phương trình vi phân giúp xác định chiều
dày màng lỏng hình xuyến, qua đó giúp xác định được hệ số trao đổi
nhiệt đối lưu, cần chấp nhận một số giả thiết như sau:
- Lõi hơi và màng lỏng được xem là đồng chất, đẳng hướng, có
thông số nhiệt vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ;
- Lưu chất trong màng lỏng được xem là chất lỏng Newton;
- Bỏ qua phân bố nhiệt độ và tốc độ trong lõi hơi;
- Bỏ qua nhiệt trở tại bề mặt phân pha lỏng – hơi;
5


- Không xét các quá trình trao đổi chất với hiện tượng khuyếch tán
tại bề mặt phân pha lỏng – hơi;
- Coi nhiệt trở qua màng lỏng hình xuyến (chảy tầng) này do quá
trình dẫn nhiệt gây nên;
- Lưu chất ở sát bề mặt vách ống được xem là không chuyển động;
- Bỏ qua ảnh hưởng của lực trọng trường.

Hình 2.3. Hệ toạ độ trụ và phân tố khảo trong lớp lỏng hình xuyến.
2.2.2. Phương trình vi phân động lượng

Phương trình vi phân động lượng biểu thị sự cân bằng lực cho phân
tố dr x dl, như trình bày trên Hình 2.4. Theo đó, khi bỏ qua lực trọng
trường, các thành phần lực tham gia vào sự cân bằng này chỉ bao gồm các
ứng suất trượt gây ra bởi sự chênh lệch tốc độ giữa bề mặt phân tố đang
xét với các phần tử chất lỏng xung quanh. Trong hệ toạ độ trụ, cân bằng

này được biểu diễn qua biểu thức (2.1), sau đó, được biến đổi thành biểu
thức (2.2).
2π(r + dr) dl (τ + dτ) = 2πr dl τ
(2.1)
r τ + r dτ + τ dr + dτ dr = r τ
(2.2)
Khi bỏ qua vi phân bậc 2, d dr, biểu thức (2.2) có thể được biến đổi
thành dạng (2.3) với kết quả, được biểu diễn trong biểu thức (2.5).
dτ
dr
∫ = −∫
(2.3)
τ
r
ln(τ) = ln(C⁄r)
(2.4)
τ = C⁄r
(2.5)

6


Hình 2.4. Cân bằng lực trong phân tố đang khảo sát .

Nếu giả thiết ứng suất trượt tại mặt phân pha lỏng - hơi, l - h, đã biết,
hằng số tích phân C sẽ được xác định và biểu thức (2.5) có thể được biến
đổi sang dạng (2.6).
R−δ
τ=
τ

(2.6)
r l-h
Lưu ý rằng, với chất lỏng Newton, có thể biến đổi biểu thức (2.6)
sang dạng (2.10).
(R − δ) τl - h
ωl =
ln(C⁄r)
(2.10)
μl
Theo điều kiện biên, l = 0 tại r = R, hằng số tích phân C cũng sẽ
được xác định và biểu thức (2.10) có thể viết lại thành dạng (2.11).
(R − δ) τl - h
ωl =
ln(R⁄r)
(2.11)
μl
Do đó, tốc độ lỏng tại mặt phân pha sẽ được xác định theo (2.12).
(R − δ) τl - h
R
ωl - h =
ln (
)
(2.12)
μl
R − δ
Theo [53], có thể xác định giá trị của l - h dựa vào biểu thức (2.13).
f
τl - h = l - h ρh (ωh − ωl - h )|ωh − ωl - h |
(2.13)
2

Với fl - h là hệ số ma sát tại bề mặt phân pha lỏng - hơi, cũng được
xác định theo [53].

7


2.2.3. Phương trình vi phân bảo toàn khối

Hình 2.5. Bảo toàn khối và cân bằng năng lượng trong phân tố đang khảo sát.

Phương trình vi phân bảo toàn khối sẽ được xây dựng cho riêng pha
lỏng và cho toàn bộ dòng môi chất trong vi ống. Đối với phân tố lỏng
hình xuyến có chiều dày  và chiều dài dl, như thể hiện trên Hình 2.5, cân
bằng này được biểu diễn qua biểu thức (2.18), cho quá trình sôi, và biểu
thức (2.19), cho quá trình ngưng tụ. Theo đó, với quá trình sôi, lượng lỏng
sôi đi ra khỏi phân tố, dGe, sẽ bằng sự giảm của lượng lỏng khi đi qua
phân tố. Ngược lại, lượng hơi ngưng tụ đi vào phân tố, dGc, sẽ bằng sự
gia tăng của lượng lỏng khi đi qua phân tố.
Gl (l + dl) = Gl (l) − dGe
(2.18)
(l
(l)
Gl + dl) = Gl + dGc
(2.19)
Đối với toàn bộ dòng môi chất trong vi ống, lưu lượng môi chất đi
qua tiết diện ống bất kỳ sẽ phải bằng tổng lưu lượng của pha lỏng và pha
hơi. Do đó, phương trình bảo toàn khối cho toàn bộ dòng môi chất trong
vi ống, tại tiết diện l và l + dl, có thể được biểu diễn qua biểu thức (2.20),
sau đó, được biến đổi thành dạng chung (2.21).
G = Gl (l) + Gh (l) = Gl (l + dl) + Gh (l + dl)

(2.20)
R

G = ρl ∫ 2πrωl dr + ρh π(R − δ)2 ωh

(2.21)

R−δ

2.2.4. Phương trình vi phân năng lượng
2.2.4.2. Phương trình vi phân năng lượng cho quá trình sôi

Phương trình vi phân năng lượng biểu diễn cân bằng năng lượng cho
phân tố lỏng sôi  x dl, như thể hiện trên Hình 2.5a. Theo đó, khi bỏ qua
chênh lệch Enthalpy vào/ra phân tố, cân bằng này có dạng như (2.23).
dQe = dGe ilh + dQe,truyền
(2.23)

8


Cũng có thể biến đổi công thức (2.23) sang dạng phụ thuộc vào các
đại lượng đặc trưng tương ứng với từng cơ chế truyền nhiệt như trình bày
trong công thức (2.24).
dQe = [2πR𝛼e,sôi +

1

(2.24)
] (tw − th ) dl

1
R
ln
2πλl R − δ
Trong công thức (2.24), hệ số trao đổi nhiệt đối lưu đặc trưng cho
dòng nhiệt sôi, e, sôi, thể được xác định dựa trên phương trình tiêu chuẩn
trình bày trong công thức (2.25) [54].
-0,22
Nul = 0,606Rel
(2.25)
Đối với toàn bộ dòng môi chất trong vi ống, tổng Enthalpy của pha
lỏng và pha hơi môi chất tại tiết diện l và l + dl sẽ tuân theo quy luật bảo
toàn năng lượng như trình bày trong biểu thức (2.26).
I(l + dl) = I(l) + dQe
(2.26)
Đồng thời, tổng Enthalpy của pha lỏng và pha hơi tại tiết diện ống
bất kỳ sẽ được xác định theo biểu thức (2.27).
R

I = ρl ∫ 2πrωl Cpl tl dr + ρh π(R − δ)2 ωh Cph th (2.27)
R−δ

Lưu ý rằng, ở đây, phân bố nhiệt độ trong lớp lỏng hình xuyến (coi
là vách trụ) có thể được xác định theo các biểu thức (2.28).
dQe
r
tl = th +
ln
(2.28)
2π λl dl R − δ

Hệ số trao đổi nhiệt khi sôi ở đây được xác định cho một đơn vị diện
tích bề mặt trong vi ống, do vậy, nó có thể được tính toán theo (2.29).
dQe
λl
𝛼𝑒 =
= 𝛼e,sôi +
(2.29)
R
2πRdl (tw − th )
R ln
R −δ
2.2.4.3. Phương trình vi phân năng lượng cho quá trình ngưng tụ

Tương tự, phương trình vi phân năng lượng cho quá trình ngưng tụ,
khi bỏ qua chênh lệch Enthalpy vào/ra phân tố, có thể được biểu diễn qua
biểu thức (2.31).
dQc = dGc ilh
(2.31)
Với lớp lỏng hình xuyến, cũng có thể biểu diễn các dòng nhiệt này
qua các biểu thức (2.32).
th − tw
dQc =
dl
(2.32)
1
R
ln
2πλl R − δ

9

Đối với toàn bộ dòng môi chất trong vi ống, tổng Enthalpy của pha
lỏng và pha hơi môi chất tại tiết diện l và l + dl sẽ tuân theo quy luật bảo
toàn năng lượng như trình bày trong biểu thức (2.33).
I(l + dl) = I(l) − dQc
(2.33)
Đồng thời, tổng Enthalpy của pha lỏng và pha hơi tại tiết diện ống
bất kỳ sẽ được xác định theo biểu thức (2.27), tương tự như đối với quá
trình sôi. Tuy nhiên, ở đây, phân bố nhiệt độ trong lớp lỏng hình xuyến
sẽ được xác định theo biểu thức (2.34).
dQc
r
tl = th −
ln
(2.34)
2π λl dl R − δ
Hệ số trao đổi nhiệt khi ngưng cũng được xác định cho một đơn vị
diện tích bề mặt trong vi ống, do vậy, nó có thể được tính toán theo biểu
thức (2.35).
dQc
λl
𝛼𝑐 =
=
(2.35)
2πRdl (th − tw ) R ln R
R −δ
2.3. Điều kiện biên

Ở đây, chỉ cần xem xét thêm điều kiện biên tại đầu vào ống như trình

bày trong các biểu thức (2.36), cho quá trình sôi, và (2.37), cho quá trình
ngưng tụ.
l = 0, δ = δvào = R
(2.36)
l = 0, δ = δvào = 0
(2.37)
2.4. Phương pháp xác định chiều dày lớp lỏng xuyến

Với các biểu thức vừa xây dựng, việc xác định chiều dày lớp lỏng
hình xuyến được thực hiện theo thuật toán trình bày trên Hình 2.6 và 2.7.

10


Hình 2.6. Lưu đồ thuật toán xác định
chiều dày lớp lỏng hình xuyến
trong quá trình sôi.

Hình 2.7. Lưu đồ thuật toán xác định
chiều dày lớp lỏng hình xuyến
trong quá trình ngưng tụ.

11


2.5. Mô hình xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
2.5.1. Mô tả mô hình

Trên cơ sở phương pháp xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến vừa
trình bày, mô hình rời rạc của quá trình sôi và quá trình ngưng tụ bên

trong vi ống ở chế độ hình xuyến đã được xây dựng như trình bày trên
Hình 2.8. Lưu ý rằng, khi áp dụng các công thức, được xây dựng trong
mục 2.2, vào mô hình rời rạc Hình 2.8, ký hiệu vi phân “d” sẽ được
chuyển thành sai phân “”.

Hình 2.8. Mô hình rời rạc các quá trình bên trong vi ống.

2.5.2. Thuật toán xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Hình 2.9 là lưu đồ thuật toán xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
của quá trình sôi và ngưng tụ bên trong vi ống ở chế độ hình xuyến. Theo
đó, lưu đồ bắt đầu bằng việc nhập các thông số hình học, loại môi chất và
các thông số làm việc của vi ống. Tiếp theo, chiều dài phân tố, ∆l, sẽ được
xác định để chuẩn bị cho việc tính toán chiều dày lớp lỏng hình xuyến,
thực chất là thực hiện các chương trình con xây dựng theo các thuật toán
Hình 2.6 và 2.7. Khi chiều dày lớp lỏng hình xuyến đã được xác định, hệ
số trao đổi nhiệt đối lưu tương ứng cũng sẽ được xác định theo các biểu
thức (2.29) và (2.35). Việc tính toán được lặp lại cho tất cả các phân tố
j = ̅̅̅̅̅
1, n , theo số phân tố n đã chọn. Sau khi kết thúc quá trình tính toán
vừa nêu, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình, 𝛼̅, và các dòng nhiệt Qe,
Qc của toàn bộ đoạn vi ống sẽ được tính toán theo các công thức (2.38),
(2.39) và (2.40).
n
1
̅ = ∑ αj
α
(2.38)
n
j=1

12


n

Qe = ∑ ∆Qe, j

(2.39)

j=1
n

Qc = ∑ ∆Qc, j

(2.40)

j=1

Hình 2.9. Thuật toán xác định
hệ số trao đổi nhiệt đối lưu.

CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ
QUÁ TRÌNH SÔI VÀ NGƯNG TỤ TRONG VI ỐNG
3.1. Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm

Thực nghiệm về quá trình sôi và ngưng tụ trong vi ống cần được tiến
hành trên một hệ thống bơm nhiệt thực sự. Bên cạnh đó, nghiên cứu thực
nghiệm cũng cần được tiến hành để đánh giá và, qua đó, hoàn thiện lý
thuyết tính toán đã xây dựng ở Chương 2.

3.2. Hệ thống thực nghiệm
3.2.1. Giới thiệu chung
13


Một hệ thống thực nghiệm đã được xây dựng với những mục đích
như vừa trình bày. Các đại lượng được xác định trực tiếp qua hệ thống
này bao gồm trạng thái môi chất khi vào/ ra vi ống, lưu lượng môi chất
qua vi ống và nhiệt độ bề mặt vách vi ống. Qua đó, dòng nhiệt trao đổi và
hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của quá trình sôi và ngưng tụ bên trong vi ống
sẽ được xác định.
3.2.2. Nguyên lý hoạt động
B2
TĐN 3
B1

Bể chứa nước hằng nhiệt
F

T2a
Tn2

T2

T4a
T3

T2b

P1 T1

T6a

T4

T5

T4b

Tn1

T6
T6b

P7 T7
P8 T8
TL 1

Dàn vi ống thử nghiệm
V5
Ống góp có kính quan sát

V6

Ống góp có kính quan sát

TL 2
V8

F1

V7

P9

KÝ HIỆU:

V4

V3
P

P_x

Cảm biến áp suất môi chất

T_xx

Cảm biến nhiệt độ môi chất

F_x

P

Tn_x
TĐN 1
Máy nén môi chất

Cảm biến lưu lượng môi chất

B_x
TĐN_x
TL_x

Bơm nước tuần hoàn
Dàn trao đổi nhiệt
Ống mao tiết lưu

Cảm biến nhiệt độ nước

Van chặn

P

Đồng hồ áp suất

Phin sấy lọc

T

Đồng hồ nhiệt độ

Kính quan sát

F

Lưu lượng kế

TĐN 2

Dòng môi chất (chế độ ngưng tụ)
V1

V2

Dòng môi chất (chế độ sôi)

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt
đối lưu của quá trình sôi và ngưng tụ trong vi ống.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao
đổi nhiệt đối lưu của quá trình sôi và ngưng tụ trong vi ống được trình
bày trên Hình 3.1.
3.2.3. Cấu tạo dàn vi ống thử nghiệm
3.2.3.1. Phần mô hình trao đổi nhiệt

Dàn vi ống thử nghiệm bao gồm 16 ống đồng có chiều dài tổng 820
mm, chiều dài vùng làm việc 700 mm và đường kính trong/ ngoài tương
ứng bằng 1,27/2,00 mm, được nối song song với nhau như trình bày trong
Hình 3.4.

14


Ống góp, Ø 28,58 mm

Ống góp, Ø 15,88 mm

93,0

93,0

Vùng làm việc, 700,0 mm

16 ống, đường kính trong/ ngoài 1,27/2,00 mm

Ống góp, Ø 28,58 mm

Ống góp, Ø 15,88 mm

Hình 3.4. Cấu tạo dàn vi ống thử nghiệm.
85,0

8,0

Khung INOX SUS-304
Tấm nắp thuỷ tinh hữu cơ, 10 mm
Gioăng Silicon, 3 mm
Khung PVC đỡ 2 đầu dàn ống, 5mm

5,0

5,0

Tấm đáy INOX SUS-304, 3 mm

Kênh dẫn nước

Ống dẫn phân phối nước, 83 x 10 mm

16 ống, Ø 1,27/2,00 mm

Ống góp nước, Ø 32 mm

Hình 3.5. Cấu tạo kênh dẫn nước bao quanh dàn vi ống thử nghiệm.

Để trao đổi một lượng nhiệt tương ứng trong quá trình sôi và ngưng
tụ, vùng làm việc của 16 ống đồng nối song song này được đặt trong một
kênh dẫn nước tiết diện hình chữ nhật với chiều rộng 85,0 mm và chiều
cao 8,0 mm như mô tả trên Hình 3.5.
Toàn bộ dàn vi ống thử nghiệm với các đường ống dẫn môi chất và
chất tải nhiệt (nước) vào/ ra, cùng với các đặc điểm cấu tạo như vừa trình
bày đã được lắp ráp hoàn chỉnh như thể hiện trên Hình 3.6. Cụm thiết bị
này được thử kín trước khi được kết nối với các thiết bị khác của hệ thống
thực nghiệm.

15


750,0
145,0

12,5

113,3

145,0

Ống góp nước, Ø 32 mm

110,0

14,0

135,0

145,0

24,0

145,0

68,0

145,0

Ống góp nước, Ø 32 mm

Ống góp môi chất, Ø 15,88 mm

Ống góp môi chất, Ø 28,58 mm

Ống góp nước, Ø 32 mm

Ống góp môi chất, Ø 15,88 mm
700,0
70,0

140,0

140,0

140,0

140,0

70,0
Ống góp nước, Ø 32 mm

93,0

Ống góp môi chất, Ø 28,58 mm

Khe phân phối nước, 83 x 10 mm

135,0

12,5

Khe phân phối nước, 83 x 10 mm

Ống góp nước, Ø 32 mm

Hình 3.6. Cấu tạo tổng thể dàn vi ống thử nghiệm.
3.2.3.2. Phần cảm biến nhiệt độ bề mặt vách vi ống

Để xác định dòng nhiệt trao đổi, hệ số trao đổi nhiệt cũng như các
thông số hoạt động khác, cần xác định được nhiệt độ bề mặt vách vi ống.
Số lượng, ký hiệu và vị trí của các điểm đo nhiệt độ bề mặt này được thể
hiện trên Hình 3.6. Việc gắn các dây cặp nhiệt này lên vách vi ống được

thực hiện bằng phương pháp hàn thiếc và thể hiện trên các Hình 3.7, 3.8.
Dây cặp nhiệt T (Constantan), Ø 0,0762 mm
Dây cặp nhiệt T (Cu), Ø 0,0762 mm
Thiếc hàn

Vách vi ống, dày 0,365 mm

Hình 3.7. Dây cặp nhiệt gắn trên bề
mặt vách vi ống.
3.2.4. Hệ thống đo và tự ghi số liệu

Hình 3.8. Ảnh chụp dây cặp nhiệt
gắn trên bề mặt vách vi ống.

Các đại lượng cần xác định trực tiếp bởi hệ thống đo và tự ghi số liệu
được thể hiện trên Hình 3.1 và Hình 3.6.

16


MÔ - ĐUN NGUỒN DC
Nguồn ra: 24V DC

220V AC

24V DC

MÀN HÌNH
CẢM ỨNG & GHI SỐ LIỆU
Delta, model: DOP-B03S211

MÔ - ĐUN VI XỬ LÝ PLC
Delta, model: DVP14SS2
Đường truyền RS485
CHUYỂN MẠCH CƠ

T1 - T8 và T2a, T2b, T4a, T4b, T6a, T6b
(14 điểm đo)

Đến 24V DC

+
-

X0
+

-

Y0
+

-

Y1
+

-

Y2

+

-

Y3
+

-

Y4
+
+

Đường truyền RS485 nội bộ (Internal BUS)

Điều khiển máy nén
Y3
Y2
Y1
Y0
C

F1

+
-

CH2
- +

CH3
- +

CH4
- +

CH5
- +

-

CH6
- +
Đến 24V DC

Cặp nhiệt T
(14 điểm đo)

P1

P7

P8

Đến CH1, M01

P9

Đến 24V DC
Đến CH1, M02

MÔ - ĐUN ĐO TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ (M02)
Delta, model: DVP06AD-S

Đến 24V DC

CH1
- +

CH2
- +

CH3
- +

Đến CH2, M02

Tn1

Tn2

Tcj

CH4
- +

CH5
- +

+
+

MÔ - ĐUN ĐO TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ (M01)
Delta, model: DVP06AD-S
CH1
- +

+

CH6
- +

Đến 24V DC
Đến CH3, M02

BỘ CHUYỂN ĐỔI
Tín hiệu nhiệt độ
Cặp nhiệt T - 4/20 mA

+
-

BỘ CHUYỂN ĐỔI
Tín hiệu nhiệt độ
Cảm biến Pt100 - 0/5 V

Tn1

BỘ CHUYỂN ĐỔI
Tín hiệu nhiệt độ
Cảm biến Pt100 - 0/5 V

Tn2

BỘ CHUYỂN ĐỔI
Tín hiệu nhiệt độ
Cảm biến Pt100 - 0/5 V

Tcj

Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo và tự ghi số liệu.

Luận án đã sử dụng hệ thống đo và tự ghi số liệu theo sơ đồ nguyên
lý trình bày trên Hình 3.9. Theo đó, tổng số 22 kênh tín hiệu điện các loại
đã được hệ thống đo đạc và lưu trữ.
3.2.6. Phương pháp xử lý số liệu
3.2.6.1. Mô hình và yêu cầu tính toán

a) Cho quá trình sôi

a) Cho quá trình ngưng tụ
Hình 3.11. Mô hình tính toán hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
và các đại lượng liên quan.
17


Với mô hình tính toán trình bày trên Hình 3.11, luận án sẽ xác định
dòng nhiệt trao đổi Q, tính trên toàn bộ chiều dài L của vi ống, và hệ số
trao đổi nhiệt đối lưu cục bộ phía môi chất 1,l, và hệ số trao đổi nhiệt đối
lưu trung bình phía môi chất 1, tính cho toàn bộ chiều dài L của vi ống.
3.2.6.2. Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu

Theo mô hình tính toán Hình 3.11, có thể xác định được dòng nhiệt
trao đổi của mỗi vi ống theo công thức (3.1) sau đây:
Q = G(i1,ra − i1,vào )
(3.1)

a) Cho quá trình sôi
b) Cho quá trình ngưng tụ
Hình 3.12. Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ngoài vi ống.

Theo phương pháp trình bày trên Hình 3.12, toàn bộ chiều dài L của
vi ống sẽ được chia thành N đoạn, sao cho dòng nhiệt trao đổi tại tất cả
các đoạn, Qi, đều bằng nhau. Khi giả thiết nước có nhiệt dung riêng không
đổi, nhiệt độ trung bình của nước tại đoạn thứ i sẽ được xác định theo
công thức (3.3).
t2,ra − t2,vào
1
t2,i = t2,vào +
× (i − )
(3.3)
N
2
Khoảng cách từ đầu vào vi ống tới đoạn thứ i (tính theo điểm giữa)
có thể được xác định theo công thức (3.4).
i-1

li = ∑ ∆lj +
j=1

∆li

2

(3.4)

Với khoảng cách li đã xác định, có thể tính được nhiệt độ bề mặt
ngoài vách vi ống dựa trên hàm mô tả đã biết theo công thức (3.5).
tw2,i = f(li )

(3.5)

Độ chênh nhiệt độ trung bình giữa mặt ngoài của vách vi ống và
nước tại đoạn thứ i có thể được xác định theo công thức (3.6).
∆ti = tw2,i − t2,i

(3.6)
18


Khi đó, chiều dài đoạn chia thứ i, li, có thể được tính theo công thức
(3.7) như sau:
Qi
(3.7)
α2 (πd2 )∆ti
Các công thức từ (3.2) đến (3.7) cũng cho phép tính được chiều dài
li của tất cả các đoạn. Tổng giá trị li tính được này cần phải bằng chiều
dài của đoạn ống đang nghiên cứu. Đây chính là cơ sở để xác định giá trị
2, cũng bằng phương pháp lặp, như trình bày trên lưu đồ Hình 3.13. Qua
đó, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cục bộ và trung bình phía môi chất sẽ được
xác định theo các công thức (3.10) và (3.11).
1

α1,i =
(3.9)
(πd1 ∆li )(t1,i − tw2,i )
d1
d2
−
ln ( )
Qi
2 λw
d1
∆li =

N

1
α1 = ∑ α1,i Δli
L

(3.10)

i =1

Hình 3.13. Thuật toán
xử lý số liệu.

19


CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

4.1. Kết quả đo đạc thực nghiệm và mô phỏng

Với các giá trị của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu exp (thực nghiệm) và
sim (mô phỏng) được tính trung bình cho toàn bộ đoạn vi ống khảo sát
(có chiều dài L = 0,7 m), sai số tuyệt đối, , và sai số tương đối, , giữa
giá trị mô phỏng và giá trị thực nghiệm được xác định theo các công thức
(4.1) và (4.2).
 = sim - exp
(4.1)
exp
(4.2)
4.1.1. Quá trình sôi

Đã tiến hành 08 chế độ nghiên cứu cho quá trình sôi với áp suất thay
đổi trong phạm vi từ 3,17 đến 4,81 bar, tương ứng với nhiệt độ sôi của
R134a thay đổi trong phạm vi từ 2,2 đến 14,5 oC. Đây là dải nhiệt độ sôi
phù hợp với hầu hết các ứng dụng bơm nhiệt trong điều kiện làm việc tại
Việt Nam. Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình,exp, có giá trị từ 2156
đến 3063 W/m2K và mật độ dòng nhiệt, qexp, có giá trị từ 12976 đến 18522
W/m2. Các số liệu cho thấy, mật độ dòng nhiệt đạt được cũng ở mức rất
cao, là cơ sở để chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt gọn nhẹ, hiệu suất cao
bằng công nghệ vi ống này.
4.1.2. Quá trình ngưng tụ

10 chế độ nghiên cứu cho quá trình ngưng tụ cũng đã được tiến hành
với áp suất môi chất thay đổi trong phạm vi từ 6,83 đến 12,60 bar, tương
ứng với nhiệt độ ngưng tụ của R134a thay đổi trong phạm vi từ 25,9 đến
48,2 oC. Đây cũng là dải nhiệt độ ngưng tụ phù hợp với hầu hết các ứng
dụng tại Việt Nam. Kết quả thu được cũng cho thấy, quá trình ngưng tụ
của R134a trong vi ống có hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình,exp,

thay đổi trong phạm vi từ 2104 đến 3157 W/m2K và mật độ dòng nhiệt,
qexp, thay đổi từ 14100 đến 17201 W/m2. Chế độ ngưng tụ cũng có mật
độ dòng nhiệt, qexp, ở giá trị rất cao và điều này cũng khẳng định thêm về
sự phù hợp của công nghệ vi ống khi được áp dụng cho việc thiết kế, chế
tạo các thiết bị trao đổi nhiệt nói chung, cũng như thiết bị bay hơi, ngưng
tụ cho bơm nhiệt nói riêng.
4.2. Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng đã xây dựng

Theo kết quả thu được, sai lệch tương đối cận dưới, cục bộ (min), lớn
nhất giữa kết quả mô phỏng và số liệu thực nghiệm của hệ số trao đổi
nhiệt cục bộ là - 24%, với quá trình sôi, và - 25%, với quá trình ngưng tụ;
sai lệch tương đối cận trên, cục bộ (max), lớn nhất là + 16%, đối với quá
trình sôi, và + 25%, đối với quá trình ngưng tụ.

20


3500

3000

3000

a [W/m 2 K]

a sim [W/m 2 K]

3500

+ 5.0%

+ 5.0%
2500

- 20.5%

+
4.0%
+ 4.0%
2500

- 19.0%

- 20.5%

2000

Hình 4.1. Sai lệch giữa kết quả mô
1500
phỏng
và số2000liệu thực
nghiệm
của hệ
1500
2500
3000
3500
[W/m
K] trung bình
số trao đổi nhiệta đối

lưu
cho quá trình sôi.
exp

- 19.0%

2000

Hình 4.2. Sai lệch giữa kết quả mô
1500
phỏng
và số
liệu thực
nghiệm
của hệ
1500
2000
2500
3000
3500
[W/m lưu
K]
số trao đổi nhiệtađối
trung bình
cho quá trình ngưng tụ.

2

2

Theo số liệu trình bày trên Hình 4.1 và 4.2, đối với quá trình sôi và
quá trình ngưng tụ, giá trị mô phỏng của hệ số trao đổi nhiệt trung bình
có sai lệch tương ứng từ - 20,5% đến + 5,0% và từ - 19.0% đến + 4,0%
so với thực nghiệm. Số liệu về sai lệch so với thực nghiệm của hệ số trao
đổi nhiệt trung bình cho tất các chế độ nghiên cứu đã tiến hành cũng được
trình bày cụ thể trong Bảng 4.1, cho quá trình sôi và Bảng 4.2, cho quá
trình ngưng tụ.
4.3. Khảo sát sự thay đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
4.3.1. Sự thay đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu theo áp suất

Sự thay đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình theo áp suất
được trình bày trên Hình 4.3 và Hình 4.4.
4000

Hệ số trao đổi nhiệt, a [W/m2 K]

Hệ số trao đổi nhiệt, a [W/m 2K]

4000

3200

aexp = -293.15Pvào + 3740.1
2400

asim = -86.253Pvào + 2716.1
1600

Thực nghiệm

800

phỏng
Hình 4.3. Sự phụ thuộc củaMôhệ
số trao
đổi0 nhiệt đối lưu trung bình vào áp
3.100
3.550
4.000
4.450
4.900
suất môi chất
cho quá trình sôi.
Áp suất môi chất, P [bar]

3200

aexp = 115.31Pvào + 1309.4
2400

asim = 23.302Pvào + 2035.9
1600

Thực nghiệm

800

Mô hệ
phỏngsố trao
Hình 4.4. Sự phụ thuộc của

đổi
0 nhiệt đối lưu trung bình vào áp
8.100
9.700
suất6.500
môi chất
cho quá
trình11.300
ngưng 12.900
tụ.
Áp suất môi chất, P [bar]

vào

vào

Khi áp suất môi chất tăng, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình có
xu hướng giảm trong quá trình sôi và xu hướng tăng trong quá trình ngưng
tụ.
4.3.2. Sự thay đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu theo tốc độ khối

Sự thay đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình theo tốc độ
khối môi chất cũng được trình bày trên Hình 4.5 và Hình 4.6. Theo đó,
khi tốc độ khối môi chất tăng, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình cũng
có xu hướng giảm trong quá trình sôi và xu hướng tăng trong quá trình
ngưng tụ. Sự giảm của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu khi tốc độ môi chất
tăng trong quá trình sôi là do quá trình sôi xảy ra chủ yếu ở bề mặt trong
21

của ống và phụ thuộc vào chế độ chảy của lớp lỏng xuyến nhưng với số
mũ của Rel có giá trị âm như đã trình bày trong công thức (2.25).
Để thuận tiện cho việc sử dụng, các hàm hồi quy giúp tính toán hệ
số trao đổi nhiệt trung bình được đề xuất như dưới đây.
Cho quá trình sôi:
trung bình = -293,15 Pvào + 3740,1 [W/m2K] (4.3)
trung bình = -5,5516 Gvel + 3714 [W/m2K]
(4.4)
Cho quá trình ngưng tụ:
trung bình = 115,31 Pvào + 1309,4 [W/m2K]
(4.5)
trung bình = 11,311 Gvel + 83.123 [W/m2K] (4.6)
4000

Hệ số trao đổi nhiệt, a [W/m 2 K]

Hệ số trao đổi nhiệt, a [W/m2 K]

4000

3200

aexp = -5.5516Gvel + 3714
2400

asim = -1.5665Gvel + 2694.4

Hình
4.5. Sự phụ thuộc của hệ số trao
1600

đổi nhiệt đối lưu trung bình
vào tốc
Thực nghiệm
800 khối môi chất cho quá trình sôi.
độ
Mô phỏng
0
176.0

194.5

213.0

Tốc độ khối môi chất, Gvel

231.5

3200

aexp = 11.311Gvel + 83.123
2400

asim = 2.9614Gvel + 1652.4

Hình
1600 4.6. Sự phụ thuộc của hệ số trao
đổi nhiệt đối lưu trung bìnhThựcvào
tốc độ
nghiệm
800 môi chất cho quá trình ngưng tụ.

khối
Mô phỏng
0
172.0

250.0

189.0

206.0

223.0

240.0

Tốc độ khối môi chất, Gvel [kg/m2s]

[kg/m2s]

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận

Qua những nội dung đã trình bày, có thể thấy luận án đã thu được
những kết quả mới về lý thuyết sau đây:
1. Đã phân tích và lựa chọn được chế độ lưu động với lớp biên lỏng
“hình xuyến” làm cơ sở cho việc xây dựng lý thuyết tính toán
cũng như mô phỏng cho quá trình sôi và ngưng tụ bên trong vi
ống. Chế độ hình xuyến còn có ý nghĩa thực tiễn do quá trình lưu
động của dòng môi chất khi sôi và ngưng tụ trong vi ống thường
xảy ra ở chế độ này.

2. Đã xây dựng được mô hình toán và phương pháp giải mô hình
toán cho chế độ lưu động hình xuyến, áp dụng được cho cả quá
trình sôi và quá trình ngưng tụ. Mô hình có kể đến các yếu tố đặc
trưng của dòng môi chất lạnh sôi và ngưng tụ trong vi ống như
lớp biên lỏng hình xuyến không phẳng (là vách trụ), có hiện
tượng trượt và có ứng suất trượt giữa lõi hơi với lớp biên lỏng
hình xuyến. Thông qua việc giải mô hình toán, có thể xác định
được chiều dày và chế độ chảy của lớp biên lỏng hình xuyến, làm
22


cơ sở để xác định dòng nhiệt truyền qua cũng như hệ số trao đổi
nhiệt đối lưu giữa vách ống với dòng môi chất sôi và ngưng tụ
bên trong ống.
3. Trên cơ sở phương pháp giải mô hình toán đã xây dựng, phần
mềm mô phỏng quá trình sôi và ngưng tụ của dòng môi chất trong
vi ống đã được phát triển, hiệu chỉnh và bước đầu đã cho những
kết quả tính toán khá phù hợp với thực nghiệm. Phần mềm mô
phỏng, được lập trình trong EES, có khả năng xác định được hệ
số trao đổi nhiệt cục bộ dọc theo chiều dài vi ống, hệ số trao đổi
nhiệt trung bình cho toàn bộ chiều dài đoạn vi ống khảo sát. Kết
quả kiểm chứng độ tin cậy cho thấy, hệ số trao đổi nhiệt cục bộ
thu được bằng lý thuyết có sai lệch tương đối so với thực nghiệm
là từ - 24% đến + 16%, cho quá trình sôi, và từ - 25% đến + 25%,
cho quá trình ngưng tụ. Với hệ số trao đổi nhiệt trung bình, sai
lệch tương đối giữa lý thuyết và thực nghiệm là từ - 20,5% đến +
5,0% cho quá trình sôi, và từ - 19.0% đến + 4,0% cho quá trình
ngưng tụ.
Bên cạnh những kết quả mới về lý thuyết như vừa trình bày, luận án
cũng đã đạt được những kết quả mới về thực nghiệm như sau:

1. Đã xây dựng được hệ thống thực nghiệm về quá trình sôi và
ngưng tụ của môi chất lạnh trong vi ống. Hệ thống có đặc điểm
là hoạt động hoàn toàn theo nguyên lý bơm nhiệt, do vậy, giữ
được những ảnh hưởng đặc thù của chế độ sôi và ngưng tụ trong
bơm nhiệt đến hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của dòng môi chất
trong vi ống.
2. Đã xây dựng được hệ thống đo, tự ghi số liệu và một phương
pháp xử lý số liệu cho phép thu thập tất cả các thông số liên quan
đến quá trình trao đổi nhiệt và tính toán hệ số trao đổi nhiệt đối
lưu cục bộ cũng như hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình của
quá trình sôi và ngưng tụ trong vi ống. Trên cơ sở phương pháp
xử lý số liệu này, một phần mềm xử lý số liệu đã được lập trình
trong EES giúp tính toán nhanh, chính xác giá trị của hệ số trao
đổi nhiệt đối lưu bên trong vi ống.
Các nghiên cứu thực nghiệm đã tiến hành, cùng với các nghiên cứu
về lý thuyết thực hiện trong luận án đã giúp hiểu rõ hơn về cơ chế của
quá trình sôi và ngưng tụ trong vi ống, cũng như giúp đề xuất được công
thức hồi quy cho phép xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu bên trong vi
ống.

23