Luận án nghiên cứu truyền nhiệt dàn bay hơi và ngưng tụ vi ống bơm nhiệt

MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Sự phát triển của loài người đang đứng trước thách thức lớn lao do tài nguyên ngày một cạn kiệt, vấn đề môi trường và biến đổi khí hậu diễn ra ngày một ác liệt hơn và đang có chiều hướng xấu đi… Điều đó đang ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển toàn diện và bền vững của trái đất. Nhiệt độ trái đất đang tăng lên trong đó có nguyên nhân một số khí thải đã phá huỷ làm thủng tầng Ô - zôn 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 hoà không khí, làm lạnh trong cấp đông và bảo quản thực phẩm… cũng như dùng để tách ẩm từ không khí trong các quá 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 hoà không 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 không nhỏ đến môi trường xung quanh như đòi 1 hỏi một lượng lớn nguyên vật liệu để chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt; Các thiết bị bơm nhiệt luôn sử dụng một hợp chất hoá học (môi 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 hoá chất để sản xuất các môi 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-nô 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 thông 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 môi 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 công nghiệp, vi ống còn 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 tròn 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 môi 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 dòng 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 quá trình trao đổi nhiệt (tích số của chiều dày lớp biên, chu vi ống và chiều dài ống) so với toàn 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 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 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 hoàn 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 dòng môi 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 toán, thiết kế và mô 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 toán, mô phỏng sẽ được bắt đầu với mỗi đoạn ống sai phân này. Sau đó, kết quả tính toán, mô phỏng cho mỗi đoạn ống sai phân sẽ được kết hợp với nhau thành kết quả tính toán, mô phỏng cho toàn bộ dàn trao đổi nhiệt. Dựa trên các kết quả tính toán, mô phỏng cho toàn 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 hoá trong lĩnh vực tính toán, thiết kế và mô 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 dòng môi chất sôi và ngưng tụ bên trong. Tuy nhiên, để phù hợp với một số phương pháp tính toán, 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 toàn 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 quá trình chính, có mức độ ảnh hưởng lớn đến hoạt động của toàn hệ thống bơm nhiệt nói chung, cũng như của dàn bay hơi và dàn ngưng tụ nói riêng. Hai quá trình chính này 4 là quá trình sôi của môi chất lạnh trong dàn bay hơi và quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh trong dàn ngưng tụ.