Luận án nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của quá trình ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐOÀN MINH HÙNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ TRONG BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT KÊNH MICRO LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐOÀN MINH HÙNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT CỦA QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ TRONG BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT KÊNH MICRO NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 9520103 Hướng dẫn khoa học: 1.TS ĐẶNG THÀNH TRUNG 2.TS JYH-TONG TENG Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Study on the heat transfer phenomena of the condensation process in microchannel heat exchangers Minhhung Doan A dissertation submitted to the Faculty of the Hochiminh City University of Technology and Education In partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy In Mechanical Engineering Advisor: Assoc. Thanhtrung Dang Co-advisor: Prof. Jyh-tong Teng May 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 05 năm 2021 (Ký tên và ghi rõ họ tên) i CẢM TẠ Đề tài “Nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của quá trình ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro” được thực hiện tại phòng thí nghiệm Truyền nhiệt (Heat Transfer Lab) thuộc Bộ môn Công nghệ Nhiệt - Điện lạnh, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Trước tiên, tác giả xin cảm ơn Lãnh đạo nhà trường, các đơn vị Phòng ban trong trường đã tạo nhiều điều kiện để NCS học tập và nghiên cứu tốt nhất. Đặc biệt là ban hành những chính sách hỗ trợ các hoạt động nghiên cứu khoa học dành cho NCS.

Hơn nữa, để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu của đề tài, tác giả đã nhận được nhiều nhận xét đóng góp tích cực từ quý Thầy/Cô trong và ngoài trường. Đồng thời, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM là khoa quản ngành, ở đây tác giả được trang bị những kiến thức nền tảng ban đầu để phục vụ cho việc thực hiện mục tiêu đề tài như phương pháp tối ưu hóa, các phương pháp đo lường, các phương pháp gia công hiện đại, mô hình hóa,… Thêm vào đó, Bộ môn Công nghệ Nhiệt - Điện lạnh cùng Ban chủ nhiệm Khoa Cơ khí Động lực đã thực hiện nhiều dự án về trang bị cơ sở vật chất để có được những thiết bị đo hiện đại, chính xác cho các phòng thí nghiệm phục vụ nghiên cứu khoa học cho Giảng viên và các Nghiên cứu viên. Về công tác cũng được Bộ môn và BCN Khoa tạo điều kiện, bố trí hợp lý trong thời gian thực hiện đề tài. Cuối cùng là nhóm nghiên cứu truyền nhiệt micro tại Phòng thí nghiệm đã hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài.TS Jau-Huai Lu đã cho những góp ý và những bài học bổ ích khi học tập tại Phòng thí nghiệm Clean Power and Green Energy- NCHU, Đài Loan.

Đặc biệt là Thầy hướng dẫn khoa học PGS. Đặng Thành Trung và GS.TS Jyh-tong Teng đã chỉ ra các hướng nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu phù hợp mục tiêu đề tài. Đồng thời Thầy luôn động viên và chỉ dẫn tận tình để tác giả hoàn thành những mục tiêu đã đề ra. ii TÓM TẮT Trong luận án này, các đặc tính truyền nhiệt của quá trình ngưng tụ trong các bộ trao đổi nhiệt kênh micro đã được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm.

Dựa vào các nghiên cứu trước, hai thiết bị ngưng tụ kênh micro W150 và W200 có công suất nhiệt tương ứng 150 W và 200 W đã được tính toán thiết kế. Căn cứ vào các thông số tính toán thiết kế cho hai mẫu trên, chín mẫu khác đã được đề xuất cho mô phỏng số để tìm ra thông số thiết kế phù hợp cho thiết bị ngưng tụ. Từ kết quả thu được bằng mô phỏng số, hai mẫu L32 và L52 được đề xuất cho chế tạo và thực nghiệm kiểm chứng. Để so sánh đặc tính truyền nhiệt của dòng một pha và hai pha trên cùng một thiết bị, hai mẫu L32/1 và L32/2 đã được đưa vào thực nghiệm.

Các kết quả mô phỏng số và thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt của quá trình ngưng tụ trong kênh micro được thể hiện như sau: Các kết quả mô phỏng số: Để nghiên cứu ảnh hưởng của ống góp đến quá trình ngưng hơi, ba mẫu W150- A/B/C (dựa trên W150) và ba mẫu W200-A/B/C (dựa trên W200) đã được đưa vào để mô phỏng số sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics, phiên bản 5. Trong cùng điều kiện mô phỏng số, mẫu W150-A và W200-A có bề rộng ống góp 2,5 mm đều cho kết quả phù hợp nhất về mặt truyền nhiệt và chuyển pha tương ứng với khoảng chiều dài kênh micro lần lượt là 32 mm và 52 mm. Với các kết quả mô phỏng số về ảnh hưởng thông số hơi đến quá trình ngưng tụ trong các mẫu kênh micro trong nghiên cứu này, nhiệt độ hơi vào thiết bị trong phạm vi từ o 101 đến 108 C (ứng với lưu lượng hơi lớn nhất 0,08 g/s và lưu lượng nước giải nhiệt lớn nhất 3,244 g/s) thì quá trình ngưng tụ mới có thể xảy ra. Các kết quả mô phỏng số về thể hiện biên dạng chuyển pha từ hơi sang lỏng trong thiết bị ngưng tụ kênh micro.

Thêm vào đó, một sự so sánh bởi phương pháp mô phỏng số cho thiết bị ngưng tụ kênh micro giữa hai trường hợp đặt thẳng đứng và nằm ngang cũng được thực hiện. Các kết quả thể hiện biên dạng ngưng không bị ảnh hưởng nhiều bởi lực trọng trường. Để nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh micro đến sự ngưng tụ của hơi nước, ba thiết bị ngưng tụ kênh micro W200-D1/D2/D3 với các hình dáng kênh khác nhau đã được đưa vào mô phỏng. Trong ba thiết bị ngưng tụ, thiết bị ngưng tụ W200-D1 có hiệu quả ngưng tụ và khả năng gia công cao nhất; Tuy nhiên, sự khác biệt về hiệu quả ngưng tụ của ba thiết bị này là không đáng kể.

Các kết quả mô phỏng số này cũng đã được kiểm chứng bởi thực nghiệm và với các nghiên cứu liên quan. Sự so sánh cho thấy các kết quả mô phỏng phù hợp với thực nghiệm, sai số cực đại nhỏ hơn 8%. Mô phỏng số cho quá trình truyền nhiệt hai pha trên mô hình 3D rất khó, hiện nay có rất ít nghiên cứu liên quan được công bố. Do vậy, các kết quả này rất hữu ích cho quá trình mô phỏng số của sự ngưng tụ trong các kênh micro.

iii Các kết quả thực nghiệm: Trong phần thực nghiệm, bốn thiết bị ngưng tụ kênh micro (L32, L52, L32/1 và L32/2) đã được đưa vào nghiên cứu. Trong đó mẫu L32 và mẫu L52 được chế tạo dựa trên các kết quả mô phỏng của 10 mẫu trên. Với thiết bị kênh micro L32, trong điều kiện lưu lượng nước giải nhiệt 3,244 g/s, nhiệt o o độ nước giải nhiệt 30,8 C, nhiệt độ hơi 106,5 C và lưu lượng hơi tăng từ 0,01 đến 0,06 g/s thì công suất nhiệt tăng từ 20 đến 140 W. Độ giảm áp suất trong trường hợp đặt nằm ngang tăng từ 1,5 đến 50 kPa cao hơn so với trường hợp đặt thẳng đứng (2,0 đến 44 kPa).

Đây là sự khác biệt giữa lưu chất một pha và lưu chất hai pha trong các bộ trao đổi nhiệt kênh micro. Các kết quả về công suất nhiệt tương đồng với các kết quả thu được từ dòng lưu chất một pha: ảnh hưởng của lực trọng trường lên công suất của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro nhỏ 2 không đáng kể. Thêm vào đó, hệ số truyền nhiệt cao nhất (6925W/m .K) của thiết bị ngưng tụ L32 đã thu được ở độ chênh nhiệt độ trung bình logarit 35,7 K. Một nghiên cứu thực nghiệm đã được thực hiện cho thiết bị ngưng tụ L52 trong trường hợp đặt thẳng đứng và nằm ngang để đánh giá hiệu suất.

Công suất nhiệt cực đại thu được cho thiết bị ngưng tụ này là 180 W. Tại lưu lượng nước 1,028 g/s, hệ số truyền 2 nhiệt của thiết bị ngưng tụ tăng từ 1704 đến 5200 W/(m .K) với việc tăng lưu lượng hơi từ 0,008993 đến 0,038923 g/s. Tuy nhiên, hệ số truyền nhiệt giảm khi lưu lượng hơi tăng từ 0,042767 đến 0,067150 g/s. Các phương trình xác định hệ số truyền nhiệt và độ giảm áp suất cũng đã đưa ra.

o o Trong điều kiện nhiệt độ hơi đầu vào duy trì ở 100,3 C đến 101,9 C thì độ giảm áp suất thu được từ thiết bị ngưng tụ kênh micro L32 thấp hơn L52: tại lưu lượng hơi 0,0264 g/s, độ giảm áp suất của L32 là 1257 Pa trong khi độ giảm áp suất của L52 là 6105 Pa. Thêm vào đó, chỉ số hoàn thiện giảm khi tăng lưu lượng hơi. Với thiết bị ngưng L32, chỉ số hoàn thiện giảm từ 0,053 đến 0,038 khi tăng lưu lượng hơi từ 0,0264 đến 0,0314 g/s. Thực nghiệm cho hai thiết bị ngưng tụ L32/1 và L32/2 có đường kính thủy lực tương ứng 375 µm và 265 µm đã được thực hiện để nghiên cứu quá trình truyền nhiệt khi ngưng.

Cho thiết bị ngưng tụ L32/1, công suất nhiệt 272,9 W đã đạt được cho phía hơi có nhiệt độ 101 ºC và lưu lượng 0,123 g/s và cho phía nước giải nhiệt có nhiệt độ đầu vào 32ºC và lưu lượng nước 3,1133 g/s. Dòng nhiệt trong quá trình ngưng tụ cao hơn so với dòng một pha khi cùng các kích thước của thiết bị ngưng tụ. Trong nghiên cứu này, dòng nhiệt thu được từ sơ đồ ngược chiều luôn cao hơn sơ đồ cùng chiều: giá trị thu được từ sơ đồ ngược chiều gấp 1,04 đến 1,05 lần so với sơ đồ cùng chiều. Các kết quả về sơ đồ dòng chảy cho dòng hai pha phù hợp với các kết quả cho dòng một pha; tuy nhiên, ảnh hưởng của sơ đồ dòng chảy trong dòng hai pha ít hơn so với dòng chảy một pha.

Các kết quả mô phỏng số và thực nghiệm trong nghiên cứu này rất hữu ích cho việc thiết kế và vận hành các thiết bị ngưng tụ kênh micro cũng tốt như các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro dùng dòng lưu chất hai pha. iv SUMMARY The heat transfer phenomena of the condensation process in microchannel heat exchangers have been investigated by numerical and experimental methods. Based on previous studies, two microchannel condensers W150 and W200 with their thermal capacities of 150 W and 200 W were calculated. Based on the design calculation parameters for the two above models, 9 other models were proposed for numerical simulation to find the optimal design parameters for the condensers.