Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ vi ống của bơm nhiệt

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

HỒNG ANH TUẤN

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

HÀ NỘI – 2020


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

HỒNG ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT
TRONG DÀN BAY HƠI VÀ DÀN NGƯNG TỤ VI ỐNG CỦA
BƠM NHIỆT
Ngành: Kỹ thuật nhiệt
Mã số: 9520115

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. NGUYỄN NGUYÊN AN

2. PGS.TS. HÀ MẠNH THƯ

HÀ NỘI – 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi, được thực hiện dưới
sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu, bao gồm các
nội dung lý thuyết, thực nghiệm đã tiến hành và số liệu trình bày trong luận án là
trung thực và chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào khác.
Hà nội, ngày

Nghiên cứu sinh

Tập thể hướng dẫn

PGS. TS. Nguyễn Nguyên An

tháng 8 năm 2020

PGS. TS. Hà Mạnh Thư

i

Hoàng Anh Tuấn


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã
cho phép tôi được học tập và nghiên cứu trong thời gian qua.

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo Sau đại học (nay là Phòng Đào tạo)
đã quan tâm hướng dẫn tôi các bước, các thủ tục cần thiết giúp tôi thực hiện và hồn
thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh đã quan
tâm giúp đỡ và tổ chức các buổi báo cáo khoa học, các buổi bảo vệ cũng như các thủ
tục để tơi hồn thành luận án đến ngày hơm nay.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể hướng dẫn, trong suốt thời gian qua đã nhiệt
tình, tâm huyết hướng dẫn tôi thực hiện luận án.
Xin cảm ơn các thầy, cô Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các trường đại
học trong nước và các đồng nghiệp đã giảng dạy, đóng góp ý kiến để tơi hồn thành
luận án này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp và Trường
Cao đẳng nghề Nghi Sơn, những nơi tôi đã từng công tác và đang công tác, trong
thời gian thực hiện luận án đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành nhiệm
vụ đến ngày hơm nay.
Hà nội, ngày

tháng 8 năm 2020

Nghiên cứu sinh

Hoàng Anh Tuấn

ii


MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mở đầu
Chương 1
Tổng quan về nghiên cứu truyền nhiệt trong vi ống
1.1
Thiết bị trao đổi nhiệt trong bơm nhiệt
1.2
Tình hình nghiên cứu về truyền nhiệt trong vi ống
1.2.1
Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi
1.2.1.1
Các nghiên cứu về trao đổi nhiệt khi sơi và ngưng trong vi
ống
a)
Các cơng trình thuần túy thực nghiệm
b)
Các cơng trình thực nghiệm với mơ hình lý thuyết bán thực
nghiệm
c)
Các cơng trình thực nghiệm với mơ hình lý thuyết thuần túy
và mơ phỏng
1.2.1.2
Các nghiên cứu về trao đổi nhiệt khi khơng có biến đổi pha
trong vi ống
1.2.1.3
Các nghiên cứu liên quan đến ứng dụng của vi ống trong
bơm nhiệt
1.2.2
Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

1.2.3
Nhận xét về tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.3
Đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án
Chương 2
Xây dựng lý thuyết tính tốn q trình sơi và ngưng tụ
của dịng môi chất trong vi ống
2.1
Các chế độ lưu động của dịng 2 pha trong ống thơng
thường và vi ống
2.1.1
Chế độ lưu động của dịng 2 pha trong ống thơng thường
2.1.2
Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong vi ống
2.2
Xây dựng hệ phương trình vi phân mơ tả các q trình
2.2.1
Các giả thiết ban đầu
2.2.2
Phương trình vi phân động lượng
2.2.3
Phương trình vi phân bảo tồn khối
2.2.4
Phương trình vi phân năng lượng
2.2.4.1
Cơ chế trao đổi năng lượng của q trình sơi và ngưng tụ
trong vi ống

iii

i
ii
v
vii
vii
1
8
8
19
19
20
20
24
28
31
34
34
36
37
39
39
39
41
42
43
45
47
48
48

Phương trình vi phân năng lượng cho q trình sơi
Phương trình vi phân năng lượng cho quá trình ngưng tụ
Điều kiện biên
Phương pháp xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến
Mơ hình xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Mơ tả mơ hình
Thuật tốn xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Phần mềm xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Nghiên cứu thực nghiệm về quá trình sơi và ngưng tụ
trong vi ống
3.1
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm
3.2
Hệ thống thực nghiệm
3.2.1
Giới thiệu chung
3.2.2
Nguyên lý hoạt động
3.2.3
Cấu tạo dàn vi ống thử nghiệm
3.2.3.1
Phần mơ hình trao đổi nhiệt
3.2.3.2
Phần cảm biến nhiệt độ bề mặt vách vi ống
3.2.4
Hệ thống đo và tự ghi số liệu
3.2.5
Trình tự tiến hành thí nghiệm
3.2.6

Phương pháp xử lý số liệu
3.2.6.1
Mơ hình và u cầu tính tốn
3.2.6.2
Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và các
đại lượng liên quan
Chương 4
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
4.1
Kết quả đo đạc thực nghiệm và mơ phỏng
4.1.1
Q trình sơi
4.1.2
Q trình ngưng tụ
4.2
Đánh giá độ tin cậy của mơ hình mơ phỏng đã xây dựng
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
4.3.2
Sự thay đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu theo tốc độ
khối
Kết luận và kiến nghị
Kết luận
Kiến nghị
Danh mục các cơng trình đã cơng bố
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
2.2.4.2

2.2.4.3
2.3
2.4
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
Chương 3

iv

49
51
52
52
56
56
57
58
61
61
62
62
63
69
69
72
73
76
77

79
90
86
86
87
87
88
90
91
92
96
96
97
99
100
107


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu theo chữ cái La-tinh
Ký hiệu
C
d
f
F
G
Gvel
i
I
l

L
n
N
Nu
P
q
Q
r
R
Re
t
V

Đại lượng
Nhiệt dung riêng
Đường kính
Hệ số ma sát
Diện tích
Lưu lượng khối lượng
Vận tốc khối
Enthalpy riêng
Enthalpy
Toạ độ theo chiều dài ống
Chiều dài ống
Số lượng phân tố sai phân
Số lượng phân tố sai phân, công cấp cho máy nén
Tiêu chuẩn Nusselt
Áp suất
Mật độ dòng nhiệt
Dòng nhiệt, năng suất nhiệt

Toạ độ theo bán kính ống
Bán kính ống
Tiêu chuẩn Reynolds
Nhiệt độ
Thể tích

Thứ nguyên
J/kgK, kJ/kgK
m
m2
kg/s
kg/m2s
J/kg, kJ/kg
J, kJ
m
m
đoạn
đoạn, J, kJ
bar
2
W/m , kW/m2
W, kW
m
m
o
C
m3

Các ký hiệu theo chữ cái Hy-lạp
Ký hiệu









Đại lượng
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Chiều dày lớp lỏng xuyến

Thứ nguyên
W/m2K
m

Hệ số dẫn nhiệt

W/mK

Độ nhớt động lực học

N/m2s

Khối lượng riêng

kg/m3

Ứng suất trượt

N/m2

Tốc độ chuyển động

m/s

v


Các chỉ số dưới và chữ viết tắt
Chỉ số
1
2
c
e
exp
h
i
j
l
l-h
o
pl
ph
sim
tb
w
AC
CFD

DC
F
MPE
TĐN
TL
V


Ý nghĩa
Bên trong, mặt trong ống
Bên ngồi, mặt ngồi ống
Ngưng tụ
Sơi, bay hơi
Thực nghiệm (kết quả)
Pha hơi
Thứ tự phân tố sai phân
Thứ tự phân tố sai phân
Pha lỏng
Tại mặt phân pha lỏng – hơi
Sôi, bay hơi
Đẳng áp, pha lỏng
Đẳng áp, pha hơi
Mô phỏng (kết quả)
Trung bình
Tại bề mặt ống (vách trong của vi ống)
Điện xoay chiều
Chỉ phương pháp mô phỏng động lực học chất lỏng (Computational
Fluid Dynamic)
Điện một chiều
Lưu lượng kế

Chỉ cấu tạo ống nhôm vi ống kiểu đa kênh, gia công bằng phương
pháp đùn ép (Multi Port Extruded)
Trao đổi nhiệt
Tiết lưu
Van
Đường kính

Các ký hiệu khác
Ký hiệu
d


Ý nghĩa
Vi phân
Sai phân, chênh lệch

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số thứ tự
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 4.1
Bảng 4.2

Tên bảng
Thông số kỹ thuật của các thiết bị bơm nhiệt.
Thông số các thiết bị đo sử dụng
Tổng hợp kết quả thực nghiệm và mơ phỏng cho q trình sơi

Tổng hợp kết quả thực nghiệm và mơ phỏng cho q trình
ngưng tụ

Trang
67
75
87
88

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số thứ tự
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14

Hình 1.15

Hình 2.1

Tên hình vẽ, đồ thị
Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt
Dàn ngưng tụ làm mát bằng khơng khí, đối lưu cưỡng bức
Dàn ngưng tụ làm mát bằng khơng khí, đối lưu tự nhiên
Bình ngưng tụ làm mát bằng nước, kiểu ống chùm nằm ngang
Thiết bị ngưng tụ làm mát kiểu bay hơi
Dàn ngưng tụ kiểu tưới
Bình bay hơi với môi chất lạnh Freon, kiểu ống vỏ nằm ngang
Một số kiểu dàn lạnh đối lưu cưỡng bức
Cấu tạo vi ống và cánh tăng cường trong dàn trao đổi nhiệt
điều hồ ơtơ
Kích thước một “dãy” vi ống dùng trong thiết bị trao đổi
nhiệt
Thiết bị hồi nhiệt dùng vi ống có khả năng chịu áp tới 1000
PSI (tương đương 68,9 bar)
Dàn bay hơi làm lạnh khơng khí dùng vi ống, khả năng chịu
áp tới 1000 PSI (tương đương 68,9 bar)
Dàn ngưng tụ giải nhiệt gió dùng vi ống, khả năng chịu áp
1000 PSI (tương đương 68,9 bar)
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
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
Các chế độ lưu động chính của dịng 2 pha trong ống

vii

Trang
8
10
11
11
12
12
13
14
15
16
16
17
17
18

18

39


Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 3.1

Hình 3.2

Hình 3.3

Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 4.1
Hình 4.2

Chế độ lưu động của dịng 2 pha trong ống khi bỏ qua lực
trọng trường
Hệ toạ độ trụ và phân tố khảo sát trong lớp lỏng hình xuyến
Cân bằng lực trong phân tố đang khảo sát
Bảo toàn khối và cân bằng năng lượng trong phân tố đang
khảo sát
Lưu đồ thuật toán xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến
trong q trình sơi
Lưu đồ thuật tốn xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến
trong q trình ngưng tụ
Mơ hình rời rạc các quá trình bên trong vi ống
Thuật toán xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao

đổi nhiệt đối lưu của q trình sơi và ngưng tụ trong vi ống
Ảnh chụp hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao đổi
nhiệt đối lưu của quá trình sơi và ngưng tụ trong vi ống (mặt
trước)
Ảnh chụp hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao đổi
nhiệt đối lưu của q trình sơi và ngưng tụ trong vi ống (mặt
sau)
Cấu tạo dàn vi ống thử nghiệm
Cấu tạo kênh dẫn nước bao quanh dàn vi ống thử nghiệm
Cấu tạo tổng thể dàn vi ống thử nghiệm
Dây cặp nhiệt gắn (hàn thiếc) trên bề mặt vách vi ống
Ảnh chụp dây cặp nhiệt gắn (hàn thiếc) trên bề mặt vách vi
ống
Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo và tự ghi số liệu
Trình tự tiến hành thí nghiệm
Mơ hình tính tốn hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và các đại
lượng liên quan
Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phía
ngồi vi ống
Thuật tốn xử lý số liệu
Sai lệch giữa kết quả mô phỏng và số liệu thực nghiệm của
hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình cho q trình sơi
Sai lệch giữa kết quả mơ phỏng và số liệu thực nghiệm của
hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình cho quá trình ngưng
tụ
viii

40
44
44

47
54
55
56
59
63
65

66

69
70
71
72
73
74
77
79
81
84
89
90


Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6

Sự phụ thuộc của hệ số trao đổi nhiệt trung bình vào áp suất

mơi chất cho q trình sơi
Sự phụ thuộc của hệ số trao đổi nhiệt trung bình vào áp suất
mơi chất cho q trình ngưng tụ
Sự phụ thuộc của hệ số trao đổi nhiệt trung bình vào tốc độ
khối mơi chất cho q trình sôi
Sự phụ thuộc của hệ số trao đổi nhiệt trung bình vào tốc độ
khối mơi chất cho q trình ngưng tụ

ix

91
91
92
93


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