Luận án tiến sĩ 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 ----------------------- HOÀNG ANH TUẤN NGHIÊN CỨU QUÁ 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 ----------------------- 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. NGUYỄN NGUYÊN AN 2. HÀ MẠNH THƯ HÀ NỘI – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công 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 tháng 8 năm 2020 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS. Nguyễn Nguyên An PGS. Hà Mạnh Thư Hoàng Anh Tuấn i 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 hoàn thành luận án.

Tôi 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 tôi hoàn thành luận án đến ngày hôm 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 tôi hoàn 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 tôi hoàn thành nhiệm vụ đến ngày hôm nay.

Hà nội, ngày tháng 8 năm 2020 Nghiên cứu sinh Hoàng Anh Tuấn ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt v Danh mục các bảng vii Danh mục các hình vẽ, đồ thị vii Mở đầu 1 Chương 1 Tổng quan về nghiên cứu truyền nhiệt trong vi ống 8 1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt trong bơm nhiệt 8 1.2 Tình hình nghiên cứu về truyền nhiệt trong vi ống 19 1.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 19 1.1 Các nghiên cứu về trao đổi nhiệt khi sôi và ngưng trong vi 20 ống a) Các công trình thuần túy thực nghiệm 20 b) Các công trình thực nghiệm với mô hình lý thuyết bán thực 24 nghiệm c) Các công trình thực nghiệm với mô hình lý thuyết thuần túy 28 và mô phỏng 1.2 Các nghiên cứu về trao đổi nhiệt khi không có biến đổi pha 31 trong vi ống 1.3 Các nghiên cứu liên quan đến ứng dụng của vi ống trong 34 bơm nhiệt 1.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 34 1.3 Nhận xét về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 36 1.3 Đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án 37 Chương 2 Xây dựng lý thuyết tính toán quá trình sôi và ngưng tụ 39 của dòng môi chất trong vi ống 2.1 Các chế độ lưu động của dòng 2 pha trong ống thông 39 thường và vi ống 2.1 Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong ống thông thường 39 2.2 Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong vi ống 41 2.2 Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả các quá trình 42 2.1 Các giả thiết ban đầu 43 2.2 Phương trình vi phân động lượng 45 2.3 Phương trình vi phân bảo toàn khối 47 2.4 Phương trình vi phân năng lượng 48 2.1 Cơ chế trao đổi năng lượng của quá trình sôi và ngưng tụ 48 trong vi ống iii 2.2 Phương trình vi phân năng lượng cho quá trình sôi 49 2.3 Phương trình vi phân năng lượng cho quá trình ngưng tụ 51 2.3 Điều kiện biên 52 2.4 Phương pháp xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến 52 2.5 Mô hình xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 56 2.1 Mô tả mô hình 56 2.2 Thuật toán xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 57 2.3 Phần mềm xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 58 Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm về quá trình sôi và ngưng tụ 61 trong vi ống 3.1 Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm 61 3.2 Hệ thống thực nghiệm 62 3.1 Giới thiệu chung 62 3.2 Nguyên lý hoạt động 63 3.3 Cấu tạo dàn vi ống thử nghiệm 69 3.1 Phần mô hình trao đổi nhiệt 69 3.2 Phần cảm biến nhiệt độ bề mặt vách vi ống 72 3.4 Hệ thống đo và tự ghi số liệu 73 3.5 Trình tự tiến hành thí nghiệm 76 3.6 Phương pháp xử lý số liệu 77 3.1 Mô hình và yêu cầu tính toán 79 3.2 Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và các 90 đại lượng liên quan Chương 4 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 86 4.1 Kết quả đo đạc thực nghiệm và mô phỏng 86 4.1 Quá trình sôi 87 4.2 Quá trình ngưng tụ 87 4.2 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng đã xây dựng 88 4.3 Khảo sát sự thay đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 90 4.1 Sự thay đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu theo áp suất 91 4.2 Sự thay đổi của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu theo tốc độ 92 khối Kết luận và kiến nghị 96 Kết luận 96 Kiến nghị 97 Danh mục các công trình đã công bố 99 Tài liệu tham khảo 100 Phụ lục 107 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu theo chữ cái La-tinh Ký hiệu Đại lượng Thứ nguyên C Nhiệt dung riêng J/kgK, kJ/kgK d Đường kính m f Hệ số ma sát - F Diện tích m2 G Lưu lượng khối lượng kg/s Gvel Vận tốc khối kg/m2s i Enthalpy riêng J/kg, kJ/kg I Enthalpy J, kJ l Toạ độ theo chiều dài ống m L Chiều dài ống m n Số lượng phân tố sai phân đoạn N Số lượng phân tố sai phân, công cấp cho máy nén đoạn, J, kJ Nu Tiêu chuẩn Nusselt - P Áp suất bar q Mật độ dòng nhiệt W/m , kW/m2 2 Q Dòng nhiệt, năng suất nhiệt W, kW r Toạ độ theo bán kính ống m R Bán kính ống m Re Tiêu chuẩn Reynolds - t Nhiệt độ o C V Thể tích m3 Các ký hiệu theo chữ cái Hy-lạp Ký hiệu Đại lượng Thứ nguyên  Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu W/m2K  Chiều dày lớp lỏng xuyến 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 Ý nghĩa 1 Bên trong, mặt trong ống 2 Bên ngoài, mặt ngoài ống c Ngưng tụ e Sôi, bay hơi exp Thực nghiệm (kết quả) h Pha hơi i Thứ tự phân tố sai phân j Thứ tự phân tố sai phân l Pha lỏng l-h Tại mặt phân pha lỏng – hơi o Sôi, bay hơi pl Đẳng áp, pha lỏng ph Đẳng áp, pha hơi sim Mô phỏng (kết quả) tb Trung bình w Tại bề mặt ống (vách trong của vi ống) AC Điện xoay chiều CFD Chỉ phương pháp mô phỏng động lực học chất lỏng (Computational Fluid Dynamic) DC Điện một chiều F Lưu lượng kế MPE Chỉ cấu tạo ống nhôm vi ống kiểu đa kênh, gia công bằng phương pháp đùn ép (Multi Port Extruded) TĐN Trao đổi nhiệt TL Tiết lưu V Van  Đường kính Các ký hiệu khác Ký hiệu Ý nghĩa d Vi phân  Sai phân, chênh lệch vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số thứ tự Tên bảng Trang Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của các thiết bị bơm nhiệt.2 Thông số các thiết bị đo sử dụng 75 Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho quá trình sôi 87 Bảng 4.2 Tổng hợp kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho quá trình 88 ngưng tụ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số thứ tự Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt 8 Hình 1.2 Dàn ngưng tụ làm mát bằng không khí, đối lưu cưỡng bức 10 Hình 1.3 Dàn ngưng tụ làm mát bằng không khí, đối lưu tự nhiên 11 Hình 1.4 Bình ngưng tụ làm mát bằng nước, kiểu ống chùm nằm ngang 11 Hình 1.5 Thiết bị ngưng tụ làm mát kiểu bay hơi 12 Hình 1.6 Dàn ngưng tụ kiểu tưới 12 Hình 1.7 Bình bay hơi với môi chất lạnh Freon, kiểu ống vỏ nằm ngang 13 Hình 1.8 Một số kiểu dàn lạnh đối lưu cưỡng bức 14 Hình 1.9 Cấu tạo vi ống và cánh tăng cường trong dàn trao đổi nhiệt 15 điều hoà ôtô Hình 1.10 Kích thước một “dãy” vi ống dùng trong thiết bị trao đổi 16 nhiệt Hình 1.11 Thiết bị hồi nhiệt dùng vi ống có khả năng chịu áp tới 1000 16 PSI (tương đương 68,9 bar) Hình 1.12 Dàn bay hơi làm lạnh không khí dùng vi ống, khả năng chịu 17 áp tới 1000 PSI (tương đương 68,9 bar) Hình 1.13 Dàn ngưng tụ giải nhiệt gió dùng vi ống, khả năng chịu áp 17 1000 PSI (tương đương 68,9 bar) Hình 1.14 Bình ngưng tụ kiểu ống – vỏ chịu áp suất cao dùng vi ống, 18 môi chất lạnh đi bên trong vi ống, nước làm mát đi bên ngoài vi ống Hình 1.15 Dàn ngưng nhà máy nhiệt điện dùng vi ống gồm 6 đơn 18 nguyên, năng suất thải nhiệt 680 MW/đơn nguyên (vi ống có đường kính ngoài 1.27 mm, đường kính trong 0.9652 mm làm bằng thép không gỉ Hình 2.1 Các chế độ lưu động chính của dòng 2 pha trong ống 39 vii Hình 2.2 Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong ống khi bỏ qua lực 40 trọng trường Hình 2.3 Hệ toạ độ trụ và phân tố khảo sát trong lớp lỏng hình xuyến 44 Hình 2.4 Cân bằng lực trong phân tố đang khảo sát 44 Hình 2.5 Bảo toàn khối và cân bằng năng lượng trong phân tố đang 47 khảo sát Hình 2.6 Lưu đồ thuật toán xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến 54 trong quá trình sôi Hình 2.7 Lưu đồ thuật toán xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến 55 trong quá trình ngưng tụ Hình 2.