Tài liệu 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. PGS.TS. NGUYỄN NGUYÊN AN 2. PGS.TS. 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 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 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 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 ngoài 1.2.1.1 Các nghiên cứu về trao đổi nhiệt khi sôi và ngưng trong vi ống a) Các công trình thuần túy thực nghiệm b) Các công trình thực nghiệm với mô hình lý thuyết bán thực nghiệm c) Các công trình thực nghiệm với mô hình lý thuyết thuần túy và mô phỏng 1.2.1.2 Các nghiên cứu về trao đổi nhiệt khi không 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 ngoài nước 1.3 Đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án Chương 2 Xây dựng lý thuyết tính toán 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 2.1.2 Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong vi ống 2.2 Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả các quá 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 toàn khối 2.2.4 Phương trình vi phân năng lượng 2.2.4.1 Cơ chế trao đổi năng lượng của quá trình sôi 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 quá trình sôi Phương trình vi phân năng lượng cho quá trình ngưng tụ Điều kiện biên Phương pháp xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến Mô hình xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Mô tả mô hình Thuật toán 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 sôi 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 mô 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 Mô hình và yêu cầu tính toán 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 mô phỏng 4.1.1 Quá trình sôi 4.1.2 Quá trình ngưng tụ 4.2 Đánh giá độ tin cậy của mô hình mô 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 công trình đã công 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 ngoài, mặt ngoài ống Ngưng tụ Sôi, 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 mô phỏng cho quá trình sôi Tổng hợp kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho quá 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 không khí, đối lưu cưỡng bức Dàn ngưng tụ làm mát bằng không 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 hoà ôtô 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 không 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 nguyên (vi ống có đường kính ngoài 1.27 mm, đường kính trong 0.9652 mm làm bằng thép không gỉ Các chế độ lưu động chính của dòng 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 dòng 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 quá trình sôi Lưu đồ thuật toán xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến trong quá trình ngưng tụ Mô 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 quá trình sôi và ngưng tụ trong vi ống Ảnh chụp hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của quá trình sôi và ngưng tụ trong vi ống (mặt trước) Ảnh chụp hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của quá trình sôi 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 Mô hình tính toán 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 ngoài vi ống Thuật toán 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 quá trình sôi Sai lệch giữa kết quả mô 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 môi chất cho quá trình sôi Sự phụ thuộc của hệ số trao đổi nhiệt trung bình vào áp suất môi chất cho quá trình ngưng tụ Sự phụ thuộc của hệ số trao đổi nhiệt trung bình vào tốc độ khối môi chất cho quá trình sôi Sự phụ thuộc của hệ số trao đổi nhiệt trung bình vào tốc độ khối môi chất cho quá 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 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. 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 sôi 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 quá trình sôi 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 quá trình sôi, cũng như cơ chế hình thành và phát triển của lớp lỏng bám trên vách ống với quá trình ngưng, xây dựng mô hình toán mô tả đối tượng nghiên cứu. Mô hình toán 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 mô hình toán đã có, luận án đã xây dựng thuật toán giải hệ phương trình vi phân cùng các phương trình mô tả điều kiện biên và các hiện tượng nhiệt vật lý liên quan; lập trình giải mô hình toán theo thuật toán đã có để thu được kết quả cuối cùng là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cục bộ của quá trình sôi 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 toàn 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 toán, 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 quá trình sôi 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 không còn “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 ngoài ống; thay vào đó, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phía ngoài ống, theo phương pháp do luận án đề xuất, được tính toán trực tiếp bằng phần mềm sai phân hữu hạn. Ở đây, khi xác định được hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phía ngoài 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 quá trình sôi và ngưng tụ khác nhau, cũng như được xác định bằng cả thực nghiệm và mô 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 công 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 - Mô hình toán do luận án đề xuất đã mô tả được 2 đặc điểm quan trọng của quá trình sôi 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 mô hình toán do luận án đề xuất được lập trình trong EES có tốc độ tính toán 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 mô phỏng có khả năng giải được các bài toán kỹ thuật lớn hơn. Đây là một yếu tố quan trọng giúp đưa kết quả nghiên cứu vào áp dụng thực tiễn vì trong môi trường nghiên cứu – phát triển ngày nay, việc phát triển các công cụ hỗ trợ tính toán, thiết kế cũng như thử nghiệm bằng mô hình ảo (mô 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 quá trình sôi và ngưng tụ trong vi ống. Các quá trình sôi và ngưng tụ được nghiên cứu trong mô 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 sôi xảy ra với trạng thái môi chất là bão hoà 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 môi trường có nhiệt độ cao hơn, được gọi là nguồn nhiệt nóng (hay nguồn nóng). Thông thường, khi nhiệt trao đổi ở nguồn lạnh được sử dụng để làm lạnh các vật hay môi 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 môi 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 môi 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 quá 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 quá trình môi 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 môi trường có nhiệt độ thấp, môi chất lạnh sẽ phải thực hiện quá trình tiết lưu (3 – 4) trong thiết bị tiết lưu. Sau khi ra khỏi thiết bị tiết lưu, môi 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 quá trình tiết lưu, môi chất lạnh không trao đổi công và nhiệt với môi trường xung quanh. Do vậy, khi xét cân bằng năng lượng của các quá trình trong 3 thiết bị còn lại, ta có thể xác định được công 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 công 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 còn 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 luôn đóng vai trò 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