NGHIÊN cứu các đặc TÍNH TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT bị BAY hơi KÊNH MICRO DÙNG môi CHẤT CO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP mô PHỎNG số

NGHIÊN C ỨU CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT BỊ BAY HƠI KÊNH MICRO DÙNG MÔI CH ẤT CO 2 B ẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ A NUMERICAL INVESTIGATION ON HEAT TRANSFER PHENOMENA OF MICROCHA

NGHIÊN C ỨU CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT BỊ BAY HƠI KÊNH MICRO DÙNG MÔI CH ẤT CO 2 B ẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ

A NUMERICAL INVESTIGATION ON HEAT TRANSFER PHENOMENA OF MICROCHANNEL EVAPORATORS USING CO 2 REFRIGERANT

ThS Nguy ễn Trọng Hiếu a , PGS.TS Đặng Thành Trung b , ThS Lê Bá Tân c , NCS Đoàn Minh Hùng d , KS Nguy ễn Hoàng Tuấn e

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

a hieunt@hcmute.edu.vn; b trungdang@hcmute.edu.vn;

c lebatan@hcmute.edu.vn; d hungdm@hcmute.edu.vn; e hoangtuan0693@gmail.com

TÓM T ẮT

Trong nghiên cứu này, môi chất CO2 được sử dụng trong thiết bị bay hơi kênh micro và đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi này được xác định bằng phương pháp mô phỏng số

Một số kết quả về trường nhiệt độ, trường vận tốc và áp suất đã được thể hiện Nhiệt độ đầu ra

của CO2 trong trường hợp 1,6 g/s cao hơn giá trị thu được trong trường hợp 3,2g/s Bên cạnh

đó, tổn thất áp suất qua thiết bị bay hơi kênh micro là không đáng kể, từ 38,164 bar xuống 38 bar Thêm vào đó, các kết quả này đồng thuận với các nghiên cứu liên quan

Từ khóa: bộ trao đổi nhiệt kênh micro, CO 2 , truy ền nhiệt, thiết bị bay hơi, nhiệt độ

ABSTRACT

In this study, CO2 was used as working fluid in microchannel evaporators and heat transfer characteristics of the evaporator was determined by numerical method The results of temperature profile, velocity and pressure fields were mentioned also The outlet temperature

of CO2 with the case of 1.6g/s was higher than that obtained from the case of 3.2 g/s Besides, the pressure drop of this evaporator slightly reduced from 38.164 bar to 38 bar In addition,

the results are in good agreement with relative literature reviews

Keywords: microchannel heat exchanger, CO 2 , heat transfer, vaporator, temperature

1 GIỚI THIỆU

Ngày nay, việc tiết kiệm năng lượng hoặc sử dụng năng lượng có hiệu quả đang được quan tâm rất nhiều Tiết kiệm năng lượng giúp cắt giảm một lượng nhiên liệu đáng kể, điều này dẫn đến giảm một lượng chất thải có tác động xấu đến môi trường Trong những đối tượng cần đề cập trong lĩnh vực này phải kể đến như những hệ thống lạnh, hệ thống nhiệt và

mạng nhiệt, … Những hệ thống lạnh thường sử dụng môi chất lạnh là CFC, HCFC hay HFC

Những môi chất này có tác động đến sự suy giảm tầng ozone của trái đất và biến đổi khí hậu toàn cầu Thêm vào đó, các bộ trao đổi nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí hiện nay thường được chế tạo với công nghệ truyền thống nên hiệu quả truyền nhiệt chưa cao, kết cấu

cồng kềnh Để giải quyết vấn đề này, một hướng nghiên cứu mới đã đưa ra đó là sử dụng các thiết bị bay hơi kênh mini hoặc micro và CO2 làm môi chất lạnh thay thế cho các môi chất

lạnh fluorocarbon hiện nay

Nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng môi chất CO2 còn rất khiêm

tốn Pettersen [1] nghiên cứu về sự bay hơi của CO2 trong ống micro với đường kính 0,8 mm,

Tanaka [3] đã nghiên cứu hệ số truyền nhiệt của CO2 trong một ống đơn đường kính 1,0 mm,

họ thấy rằng sự bay hơi hoàn toàn của CO2 phụ thuộc vào nhiệt độ bão hòa, mật độ dòng chất

và dòng nhiệt Yun cùng cộng sự [4] thực nghiệm đo hệ số truyền nhiệt của CO2 trong ống mini với đường kính bên trong 2,0 và 0,98 mm, dòng nhiệt từ 10-20kW/m2K, hệ số truyền nhiệt chịu ảnh hưởng đáng kể bởi sự bốc hơi hoàn toàn Các sự bốc hơi hoàn toàn thường xảy

ra khi chất lượng hơi từ 0,3 – 0,4

Yun cùng cộng sự [5] nghiên cứu kênh micro hình chữ nhật có kích thước từ 1,08mm –

1,54mm, trong điều kiện thay đổi mật độ dòng chất từ 200-400kg/m2s, dòng nhiệt từ 10-20kW/m2, duy trì nhiệt độ bão hoà ở 0, 5 và 10oC Họ kết luận rằng, hệ số trao đổi nhiệt

của CO2 cao hơn khoảng 53% so với R134a, khi tăng mật độ dòng nhiệt thì hệ số tỏa nhiệt đối lưu của CO2 tăng; khi giảm đường kính kênh thì hệ số này cải thiệt tốt hơn

Thome và Ribatski [6] đã tổng quan các nghiên cứu về truyền nhiệt khi sôi của

CO2 Dựa trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm từ một số nghiên cứu độc lập ở các phòng thí nghiệm khác nhau, họ đánh giá có mối tương quan giữa các nghiên cứu liên quan [7-12]

Từ những phân tích trên, nhận thấy rằng hiện nay trên thế giới chưa có nhiều nghiên

cứu mô phỏng quá trình bay hơi CO2 trong kênh cho toàn mô hình 3D Do đó, việc nghiên

cứu các đặc tính truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi kênh micro dùng môi chất lạnh CO2 là hết

sức cần thiết Trong nghiên cứu này lưu chất CO2 được sử dụng trong thiết bị bay hơi kênh micro và đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi này được xác định bằng phương pháp mô

phỏng số Kích thước hình học của một kênh micro trong thiết bị nghiên cứu là L x D x H (120mm x 0,5mm x 0,5mm), với vật liệu được sử dụng là nhôm và được thiết kế 1 pass với

tổng số kênh là 20

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Để mô phỏng số các đặc tính về truyền nhiệt và lưu chất của thiết bị bay hơi kênh micro,

những phương trình chính yếu sau đã được sử dụng [12-16]

F kl l

u u

u pl

u u t

u

T T







∇

=

∇ +

∂

ρ

3

2 ) )(

( 3

2 ) ) ( )(

(

) (

0 ) ( =

∇

+

∂

∂

u

ρ

ρε σ

µ µ ρ











∇ +

∇

=

∇ +

∂

∂

k k

k u t

k

)

( )

(

ep k

C P k C u











∇ +

∇

=

∇ +

∂

σ

µ µ ε

ρ

ε

ρ

ε

, )

( )

(

2 2 1

ε ρ

µT = Cµ k2

u k u

u u u

3

2 ) ( 3

2 ) ) ( (



∇ ∇ + ∇ − ∇

Q T k T

u C t

T

∂

∂

) (

ρ ρ

B ảng 1: Các điều kiện biên

Đầu vào phía môi chất

l ạnh m_in

∫

Ω

∂

=

− ρ(u ).n dS m

T T

L

k C l

k

2 / 3 4 / 3 2

, ) ( 2

3

µ

ε =

=

Đầu ra phía môi chất

l ạnh MPa 38

,

o p

p=

0 3

2 ) )(

( 3

2 ) ) ( )(



n kl l

u u

µ µ

0 , 0 = ∇ =

∇k n εn

Môi ch ất lạnh −n.(−k∇T)=0

Đầu vào phía không

khí v_air

n u

u =− o

T T

o

L

k C l

U k

2 / 3 4 / 3 2

, ) ( 2

3

µ

ε =

=

3

2 ) )(

( 3

2 ) ) ( )(

(

,

=







=

n kl l

u u

u

p p

T T

T

o

ρ µ

µ µ

µ

0 , 0 = ∇ =

∇k n εn

Không khí −n.(−k∇T)=0

Nhi ệt độ 1 T_lq T =T o

Nhi ệt độ 2 T_amb T =T o

Trong đó T là nhiệt độ, t là thời gian, c p là nhiệt dung riêng đẳng áp, ρ là khối lượng

riêng, µ là độ nhớt động lực học, u là vận tốc, P là áp suất, k l à động năng dòng chảy rối,

F là ngoại lực,εl à lượng tiêu tán năng lượng chảy rối, Cµ là hằng số dòng chảy rối, Q

là nhiệt lượng, l là cường độ dòng chảy rối và T L là chiều dài dòng chảy rối T

Trong nghiên cứu này, môi chất làm việc là CO2, các phương trình trên và các điều kiện

mô phỏng (Bảng 1 và Bảng 2) được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn với lời giải PARDISO (PARallel DIrect Solver) để tìm ra các giá trị nhiệt độ, vận tốc, áp suất và entalpy

Mô hình này được giải bởi phần mềm đa vật lý COMSOL, phiên bản 4.3b Cấu hình máy: Xeon Quad Core E5430 2.66 GHz 12M/1333; DDRAM ECC CORSAIR 16GB SP/32G;

xong có: 240 đỉnh, 9887 cạnh, 44466 biên và 180522 phần tử Sai số tương đối và tuyệt đối đã

chọn cho lời giải là 10-6 Sai số tuyệt đối và tương đối kiểm soát sai số trong từng bước giải

Cụ thể hơn, để cho vector của đại lượng U tương ứng với lời giải tại bước thời gian nào đó và

E là ước lượng sai số trong U của công cụ giải được xác nhận trong suốt bước này Bước được

chấp nhận nếu

1/ 2

trong đó Ai là sai số tuyệt đối của đại lượng i, R là sai số tương đối và N là số bậc tự do Kích thước thiết kế thiết bị bay hơi kênh micro được thể hiện ở Hình 1 Thiết bị này được gia công hai mặt: mặt 1 cho các kênh micro và mặt 2 cho các cánh trao đổi nhiệt Các kênh micro có hình dáng chữ nhật với chiều rộng 500µm và chiều sâu 500µm, chiều dài mỗi kênh là

120 mm Các cánh trao đổi nhiệt có chiều dày 1 mm, chiều rộng 20 mm và chiều dài 152 mm

Hình 1: Bản vẽ thiết bị bay hơi kênh micro

3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ

Trong điều kiện mô phỏng ở Bảng 2, với lưu lượng môi chất CO2 là 1,6g/s, khi vận tốc gió được thay đổi từ 2 – 5m/s thì nhiệt độ đầu ra của CO2 tăng dần, như thể hiện ở Hình 2 Khi tăng lưu lượng CO2 lên 3,2 g/s, vận tốc gió cũng thay đổi từ 2 đến 5m/s thì nhiệt độ đầu

ra của CO2 tăng Nhưng độ chênh lệnh nhiệt độ giữa đầu ra và đầu vào của trường hợp 2 khoảng 2oC còn trường hợp 1 khoảng 3oC

B ảng 2: Điều kiện mô phỏng số Môi chất Kích thước kênh

(W,H,L) mm Vật liệu Điều kiện mô phỏng

H= 0,5; L=120

Nhôm Pin=38,164 bar, m = 1,6 – 3,2g/s,

Vair=2– 5m/s, Tair=35oC, Tco2=5 oC

Các kết quả này đồng thuận với các kết quả đã công bố trong [13] với cùng điều kiện điều kiện mô phỏng với thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro dùng môi chất CO2 với nhiệt độ đầu vào CO2 không đổi ở 5oC và vận tốc gió tăng từ 2 đến 5 m/s mỗi lần tăng 1m/s lưu lượng CO2

thay đổi từ 1,6 đến 3,2g/s Kết quả mô phỏng trong nghiên cứu sai lệch với kết quả trong [13]

nhỏ hơn 9%

Hình 2: Bi ểu đồ ảnh hưởng của vận tốc gió đến nhiệt độ đầu ra của thiết bị

Hình 3: T ổn thất áp suất trên thiết bị bay hơi

Ở Hình 3, khi áp suất đầu ra của môi chất CO2 được thiết lập ở 38 bar, thì áp suất đầu vào là 38,164 bar Tổn thất áp suất khi qua thiết bị này là 0,164 bar Như vậy, tổn thất áp suất trong nghiên cứu này phù hợp với kết quả về tổn thất áp suất trong [12]

Hình 4 thể hiện kết quả mô phỏng trường nhiệt độ trong điều kiện vận tốc gió là 2m/s

Kết quả cho thấy rằng, khi vận tốc gió ở 2 m/s và nhiệt độ đầu vào của CO2 ở 5oC, nhiệt độ đầu ra của CO2 thu được là 12,8oC, tương ứng với độ chênh nhiệt độ là 5,8oC Bên cạnh đó, trường nhiệt độ của cánh cũng đã được thể hiện với sự chênh lệch nhiệt độ hai phía cánh không nhiều hơn so với phía CO2, độ chênh phía cánh là 3oC Trường vận tốc của gió theo phương X được thể hiện ở Hình 5 Trong đó, không khí được thổi vào theo phương Z, vuông góc với cánh trao đổi nhiệt Các kết quả từ Hình 2 đến Hình 5 là những kết quả mới, hiện nay

rất ít các công trình khoa học trên thế giới công bố các kết quả mô phỏng số cho dòng hai pha

với mô hình 3D của toàn thiết bị chứ không phải chỉ cho kênh và lưu chất Các kết quả này là

cơ sở khoa học quan trọng để thiết kế và chế tạo một thiết bị bay hơi có công suất lớn phục vụ trong công nghiệp và dân dụng (như dàn lạnh trong hệ thống điều hòa không khí 1HP dùng

ất lạnh CO

Input

Output

Hình 4: Trường nhiệt độ trong điều kiện vận tốc gió 2m/s

Hình 5: Trường vận tốc gió theo phương X

K ẾT LUẬN

Các đặc tính truyền nhiệt của thiết bị bay hơi kênh micro dùng môi chất CO2 đã được nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng số (COMSOL phiên bản 4.3b) Một số kết quả về trường nhiệt độ, trường vận tốc và áp suất đã được thể hiện

Trong điều kiện mô phỏng, thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro dùng môi chất CO2 với nhiệt độ đầu vào CO2 không đổi ở 5oC và vận tốc gió tăng từ 2 đến 5 m/s thì nhiệt độ CO2 ra tăng Tuy nhiên, khi lưu lượng CO2 thay đổi từ 1,6 đến 3,2g/s thì nhiệt độ đầu ra của CO2

trong trường hợp 1,6 g/s cao hơn giá trị thu được trong trường hợp 3,2g/s

Trong nghiên cứu này, tổn thất áp suất qua thiết bị bay hơi kênh micro là không đáng

kể, từ 38,164 bar xuống 38 bar

Các kết quả thu được từ mô phỏng đồng thuận với các nghiên cứu liên quan đã công bố

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] J Pettersen, Flow vaporization of CO 2 in microchannel tubes, Exp Thermal Fluid Sci 28

(2004) 111–121

[2] Y Zhao, M Molki, M.M Ohadi, S.V Dessiatoun, Flow boiling of CO 2 in microchannels,

ASHRAE Trans 106 (1) (2000) 437–445

[3] E Hihara, S Tanaka, Boiling heat transfer of carbon dioxide in horizontal tubes, in:

Input

Output Input

Output

[4] R.Yun, C.S Choi, Y.C Kim, Convective boiling heat transfer of carbon dioxide in

horizontal small diameter tubes, in: Proceedings of 5th IIR-Gustav Lorentzen Conference,

Guangzhou, China, 2002, pp 298–308

[5] Rin Yun el al,(2004) Convective boiling heat transfer characteristics of CO 2 in microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer 48 (2005) 235–242

[6] Thome, J.R., Ribatski, G., 2005 State-of-the-art of two-phase flow and flow boiling heat

transfer and pressure drop of CO2 in macro- and micro-channels Int J Refrigeration 28,

[7] Liu, Z., Winterton, R.H.S., 1991 A general correlation for saturated and subcooled flow

boiling in tubes and annuli based on a nucleate pool boiling equation Int J Heat Mass

Transfer 34,2759e2766

[8] Hwang, Y., Kim, B.H., Radermacher, R., 1997 Boiling heat transfer correlation of carbon

dioxide In: Proceedings of International Conference on Heat Transfer Issues in Natural

Refrigerants University of Maryland, USA, pp 81e95

[9] Thome, J.R., El Hajal, J., 2004 Flow boiling heat transfer to carbon dioxide: general

prediction method Int J Refrigeration 28,294e301

[10] Yoon, S.H., Cho, E.S., Hwang, Y.W., Kim, M.S., Min, K., Kim, Y., 2004a

Characteristics of evaporative heat transfer and pressure drop of carbon dioxide and correlation development Int J Refrigeration 27, 111e119

[11] Thome, J.R., Dupont, V., Jacobi, A.M., 2004 Heat transfer model for evaporation in

microchannels Part I presentation of the model Int J Heat Mass Transfer 47,

3375e3385

[12] Zhang, W., Hibiki, T., Mishima, K., 2004 Correlation for flow boiling heat transfer in

mini-channels Int J Heat Mass Transfer 47, 5749e5763

[13] Sung Chul Kim, (2008) Effects of operating parameters on the performance of a CO2

air conditioning system for vehicles, 2411-2412

[14] COMSOL Multyphysics version 4.3b, Heat Transfer Module - Model Library, June 2013 [15] COMSOL Multyphysics version 4.3b, MEMS Module - Model Library, June 2013

[16] COMSOL Multyphysics version 4.3b, Modeling Guide, June 2013

THÔNG TIN TÁC GI Ả

1 PGS.TS Đặng Thành Trung, Khoa Cơ Khí Động Lưc, Trường Đại học Sư phạm Kỹ

thuật Tp.HCM

Email: trungdt@hcmute.edu.vn, Phone: 0913.606.261

2 ThS Nguy ễn Trọng Hiếu, Khoa Cơ Khí Máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Email: hieunt@hcmute.edu.vn Phone: 0989.620.635

3 ThS Lê Bá Tân, Trung tâm Vi ệt Đức, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Email: tanbt@hcmute.edu.vn Phone: 0906.818.204

4 NCS Đoàn Minh Hùng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Email: hungmh@hcmute.edu.vn Phone: 0908.318.456

5 KS Nguy ễn Hoàng Tuấn, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM