Luận án tiến sĩ nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ vi ống của bơm nhiệt (tt)

Trong công nghiệp, vi ống được sử dụng để chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt vì những lợi ích sau: - Do có đường kính nhỏ nên khả năng chịu chênh lệch áp suất của vi ống rất cao; - Với

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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

HÀ NỘI – 2020

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NGUYÊN AN

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

Sự phát triển ngày một gia tăng của bơm nhiệt tuy rất hữu ích nhưng cũng gây những ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường xung quanh Vì vậy, 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, công nghệ “vi ống” đang được xem là “đáp án chung” cho các 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 Trong thực tế, các ống có đường kính trong nhỏ hơn 2 mm thường được xem là vi ống Trong công nghiệp,

vi ống được sử dụng để chế tạo các thiết bị trao đổi nhiệt vì những lợi ích sau:

- Do có đường kính nhỏ nên khả năng chịu chênh lệch áp suất của

vi ống rất cao;

- Với cùng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt thể tích chứa môi chất lạnh sẽ giảm cỡ 10 lần so với ống thường, và do đó, sẽ giảm được khoảng 10 lần lượng môi chất lạnh chứa trong dàn

- Khi đường kính ống giảm, phần thể tích bên trong ống tham gia trực tiếp vào quá trình trao đổi nhiệt so với toàn bộ thể tích trong của ống sẽ tăng lên, do đó, 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 của bơm nhiệt với công nghệ vi ống” Đó chính

là lý do lựa chọn đề tài của luận án tiến sỹ này

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ 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) 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

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt

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 Về số lượng, ta luôn thu được nhiệt lượng tại nguồn

nóng, Q k , lớn hơn công tiêu hao cho máy nén, (Q k – Q o) 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

1.1.2.1 Thiết bị ngưng tụ

Căn cứ vào môi trường làm việc, tính năng sử dụng, đặc điểm cấu tạo người ta chia thiết bị ngưng tụ thành:

- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí;

- Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước;

- Thiết bị ngưng tụ kiểu kết hợp giữa nước và không khí

1.1.2.2 Thiết bị bay hơi

Thiết bị bay hơi có thể phận ra hai loại chính đó là:

- Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng;

- Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí

1.1.3 Vi ống trong chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt cho bơm nhiệt

Cho tới nay, vi ống mới chỉ được ứng dụng phổ biến trong việc chế tạo dàn bay hơi và dàn ngưng tụ cho hệ thống điều hoà không khí (cũng

có thể được coi là một loại bơm nhiệt) sử dụng trên ôtô Ngoài ứng dụng trong điều hoà không khí ôtô, vi ống cũng đã được ứng dụng để chế tạo các bình ngưng tụ, bình bay hơi và thiết bị hồi nhiệt của hệ thống lạnh với mức công suất cỡ vài chục KW Vi ống cũng được ứng dụng cho bình ngưng tụ cho nhà máy nhiệt điện với năng suất thải nhiệt cực lớn, lên tới

680 MW một đơn nguyên và với 6 đơn nguyên được lắp đặt, tổng năng suất nhiệt thải lên đến 4080 MW Điều đó cho thấy, vi ống không chỉ có

ưu điểm ở tính gọn nhẹ, chịu được rung động mà còn có thể cho hiệu quả trao đổi nhiệt rất cao

Máy nén

Thiết bị tiết lưu

Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị bay hơi

3

1.2 Tình hình nghiên cứu về truyền nhiệt trong vi ống

Qua hơn 60 năm phát triển, lựa chọn trong hàng trăm công trình đã công bố, hơn 50 công trình được trích dẫn cho thấy sự rộng lớn của lĩnh vực “trao đổi nhiệt trong vi ống”, trước hết là ở phạm vi ứng dụng Tuy nhiên, cũng do được ứng dụng rộng rãi như vậy, nghiên cứu về trao đổi nhiệt trong dàn bay hơi và dàn ngưng tụ vi ống của bơm nhiệt còn rất khiêm tốn về số lượng, cũng như còn tồn tại những bất cập sau đây Thiết bị trao đổi nhiệt vi ống được phát triển đầu tiên là với chế độ nhận nhiệt, được ứng dụng trong làm mát các cấu trúc siêu nhỏ như vi mạch điện tử… Do vậy, nghiên cứu về quá trình sôi trong vi ống thường được tiến hành với trạng thái đầu vào là lỏng quá lạnh hoặc lỏng bão hoà Rất ít các công trình đã công bố, trừ các công trình nghiên cứu về thiết bị bay hơi vi ống khi được gắn liền với hoạt động của một hệ bơm nhiệt, đề cập tới quá trình sôi của môi chất trong vi ống với trạng thái đầu vào là hơi bão hoà ẩm Quá trình sôi với môi chất đầu vào ở trạng thái quá lạnh được gọi là “sôi quá lạnh” và không xảy ra với thiết bị bay hơi của bơm nhiệt

Nghiên cứu về chế độ nhả nhiệt trong vi ống đã được tiến hành với

cả 3 vùng là vùng hơi quá nhiệt, vùng ngưng tụ và vùng lỏng quá lạnh Tuy nhiên, về thực nghiệm, quá trình truyền nhiệt với mỗi vùng này lại thường được tiến hành một cách độc lập Trừ một số nghiên cứu về hoạt động của cả hệ thống bơm nhiệt, rất ít công trình tiến hành thực nghiệm một quá trình nhả nhiệt và thay đổi trạng thái liên tục từ vùng hơi quá nhiệt đến vùng lỏng quá lạnh Do vậy, một nghiên cứu thực nghiệm về truyền nhiệt bên trong vi ống ở chế độ nhả nhiệt với trạng thái thay đổi liên tục từ hơi quá nhiệt đến lỏng quá lạnh như xảy ra trong các dàn ngưng

tụ của bơm nhiệt là điều cần thiết Về lý thuyết, trạng thái của màng lỏng bám ở vách ống trong vùng ngưng không chịu ảnh hưởng từ trạng thái đầu vào nên có thể xây dựng mô hình lý thuyết cho quá nhả nhiệt trong vùng ngưng tụ của môi chất trong vi ống một cách độc lập

1.3 Đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án

Quá trình sôi của hơi bão hoà ẩm và ngưng tụ của hơi bão hoà khô

là 2 quá trình vừa quan trọng, do có mức độ ảnh hưởng lớn, nhưng cũng còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết thấu đáo, làm ảnh hưởng đến độ chính xác của các kết quả tính toán Do vậy, luận án sẽ tập trung vào nghiên cứu 2 quá trình này

Để có thể thực hiện được điều đó, luận án sẽ tiến hành các bước nghiên cứu theo trình tự sau:

- Xây dựng mô hình toán cho các quá trình sẽ tiến hành mô phỏng

mà cụ thể ở đây là quá trình sôi của hơi bão hoà ẩm và quá trình ngưng tụ của hơi bão hoà khô Mô hình toán bao gồm hệ phương

hệ phương trình mô tả quá trình và các điều kiện đơn trị

- Xây dựng thuật toán giải các mô hình toán đã xây dựng

- Lựa chọn phần mềm và lập trình giải mô hình toán theo các thuật toán đã xây dựng (xây dựng mô hình máy tính)

- Xây dựng hệ thống thí nghiệm, tiến hành đo đạc lấy số liệu nhằm kiểm chứng kết quả tính toán bằng mô hình máy tính đã xây dựng Hiệu chỉnh mô hình máy tính, nếu cần

- Sử dụng các kết quả nghiên cứu thu được, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến chế độ sôi và ngưng tụ của môi chất trong vi ống

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CHO 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

Chế độ chuyển động của dòng 2 pha trong ống thông thường bao gồm 4 chế độ lưu động cơ bản như trình bày trên Hình 2.1 Trong đó, lưu động hình xuyến là một chế độ xảy ra nhiều nhất và cũng được đề cập nhiều nhất trong các tài liệu và công bố khoa học chuyên ngành

Hình 2.1 Các chế độ lưu động chính của dòng 2 pha trong ống

Tuỳ thuộc vào tương quan giữa tốc độ dòng hơi, lỏng với lực trọng trường; tuỳ thuộc vào vị trí ống, thẳng đứng hay nằm ngang hay nghiêng…, cũng như chiều chuyển động của môi chất, màng lỏng bám trên vách ống sẽ có dạng hình xuyến đều hay không đều

Chế độ lưu động hình xuyến và chế độ lưu động dạng bọt là các trường hợp mang tính thái cực và chúng có điểm chung là ảnh hưởng của lực trọng trường đến dòng môi chất là không đáng kể và thường được bỏ qua Giữa 2 trường hợp thái cực này, tuỳ thuộc vào tỉ lệ về thể tích chiếm chỗ trong dòng của pha hơi so với pha lỏng, môi chất còn có thể lưu động

ở các chế độ trung gian như chế độ hình viên đạn (Hình 2.2) Trong các thiết bị trao đổi nhiệt, để tăng hiệu quả, chế độ lưu động của lưu chất

Chế độ lưu động hình xuyến Chế độ lưu động dạng bọt

Chế độ lưu động phân tầng Chế độ lưu động gián đoạn

Vách ống Pha lỏng Pha hơi

5

thường được thiết kế với tốc độ khá lớn, đồng nghĩa với ảnh hưởng của lực trọng trường khá nhỏ và có thể bỏ qua Vì vậy, luận án này sẽ không

đề cập thêm đến các trường hợp chịu ảnh hưởng lớn của lực trọng trường

Về học thuật, nghiên cứu về chế độ lưu động hình xuyến có ý nghĩa không chỉ vì nó xảy ra với tần xuất cao hơn mà còn do kết quả tính toán

từ chế độ này có thể giúp xác định các chế độ còn lại, nhờ đó, có thể đưa

ra các phương pháp hiệu chỉnh nếu cần

Hình 2.2 Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong ống khi bỏ qua trọng trường

2.1.2 Chế độ lưu động của dòng 2 pha trong vi ống

Nghiên cứu về quá trình sôi và ngưng tụ bên trong vi ống, thực nghiệm cho thấy, chế độ lưu động hình xuyến với một màng lỏng bám trên vách ống luôn xảy ra với tần suất cao hơn các chế độ khác [15, 16,

17, 34] Do vậy, luận án sẽ lựa chọn chế độ này để xây dựng mô hình toán, làm cơ sở cho các bước nghiên cứu tiếp theo

2.2 Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả các quá trình

2.2.1 Các giả thiết ban đầu

Để xây dựng và giải hệ phương trình vi phân giúp xác định chiều dày màng lỏng hình xuyến, qua đó giúp xác định được hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, cần chấp nhận một số giả thiết như sau:

- Lõi hơi và màng lỏng được xem là đồng chất, đẳng hướng, có thông số nhiệt vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ;

- Lưu chất trong màng lỏng được xem là chất lỏng Newton;

- Bỏ qua phân bố nhiệt độ và tốc độ trong lõi hơi;

- Bỏ qua nhiệt trở tại bề mặt phân pha lỏng – hơi;

- Không xét các quá trình trao đổi chất với hiện tượng khuyếch tán tại bề mặt phân pha lỏng – hơi;

- Coi nhiệt trở qua màng lỏng hình xuyến (chảy tầng) này do quá trình dẫn nhiệt gây nên;

- Lưu chất ở sát bề mặt vách ống được xem là không chuyển động;

- Bỏ qua ảnh hưởng của lực trọng trường

Hình 2.3 Hệ toạ độ trụ và phân tố khảo trong lớp lỏng hình xuyến

2.2.2 Phương trình vi phân động lượng

Phương trình vi phân động lượng biểu thị sự cân bằng lực cho phân

tố dr x dl, như trình bày trên Hình 2.4 Theo đó, khi bỏ qua lực trọng

trường, các thành phần lực tham gia vào sự cân bằng này chỉ bao gồm các ứng suất trượt gây ra bởi sự chênh lệch tốc độ giữa bề mặt phân tố đang xét với các phần tử chất lỏng xung quanh Trong hệ toạ độ trụ, cân bằng này được biểu diễn qua biểu thức (2.1), sau đó, được biến đổi thành biểu thức (2.2)

2π(r + dr) dl(τ + dτ) = 2πr dl τ (2.1)

Khi bỏ qua vi phân bậc 2, d dr, biểu thức (2.2) có thể được biến đổi

thành dạng (2.3) với kết quả, được biểu diễn trong biểu thức (2.5)

7

Nếu giả thiết ứng suất trượt tại mặt phân pha lỏng - hơi, l - h, đã biết,

hằng số tích phân C sẽ được xác định và biểu thức (2.5) có thể được biến

Theo điều kiện biên, l = 0 tại r = R, hằng số tích phân C cũng sẽ

được xác định và biểu thức (2.10) có thể viết lại thành dạng (2.11)

2.2.3 Phương trình vi phân bảo toàn khối

Hình 2.5 Bảo toàn khối và cân bằng năng lượng trong phân tố đang khảo sát

Phương trình vi phân bảo toàn khối sẽ được xây dựng cho riêng pha lỏng và cho toàn bộ dòng môi chất trong vi ống Đối với phân tố lỏng hình xuyến có chiều dày  và chiều dài dl, như thể hiện trên Hình 2.5, cân

bằng này được biểu diễn qua biểu thức (2.18), cho quá trình sôi, và biểu thức (2.19), cho quá trình ngưng tụ Theo đó, với quá trình sôi, lượng lỏng

sôi đi ra khỏi phân tố, dG e, sẽ bằng sự giảm của lượng lỏng khi đi qua

phân tố Ngược lại, lượng hơi ngưng tụ đi vào phân tố, dG c, sẽ bằng sự gia tăng của lượng lỏng khi đi qua phân tố

G l(l + dl) = G l(l) − dG e (2.18)

G l(l + dl) = G l(l) + dG c (2.19) Đối với toàn bộ dòng môi chất trong vi ống, lưu lượng môi chất đi qua tiết diện ống bất kỳ sẽ phải bằng tổng lưu lượng của pha lỏng và pha hơi Do đó, phương trình bảo toàn khối cho toàn bộ dòng môi chất trong

vi ống, tại tiết diện l và l + dl, có thể được biểu diễn qua biểu thức (2.20),

sau đó, được biến đổi thành dạng chung (2.21)

2.2.4 Phương trình vi phân năng lượng

2.2.4.2 Phương trình vi phân năng lượng cho quá trình sôi

Phương trình vi phân năng lượng biểu diễn cân bằng năng lượng cho phân tố lỏng sôi  x dl, như thể hiện trên Hình 2.5a Theo đó, khi bỏ qua

chênh lệch Enthalpy vào/ra phân tố, cân bằng này có dạng như (2.23)

dQ e = dG e i lh + dQ e,truyền (2.23)

9

Cũng có thể biến đổi công thức (2.23) sang dạng phụ thuộc vào các đại lượng đặc trưng tương ứng với từng cơ chế truyền nhiệt như trình bày trong công thức (2.24)

Nul = 0,606Rel-0,22 (2.25) Đối với toàn bộ dòng môi chất trong vi ống, tổng Enthalpy của pha

lỏng và pha hơi môi chất tại tiết diện l và l + dl sẽ tuân theo quy luật bảo

toàn năng lượng như trình bày trong biểu thức (2.26)

I(l + dl) = I(l) + dQ e (2.26) Đồng thời, tổng Enthalpy của pha lỏng và pha hơi tại tiết diện ống bất kỳ sẽ được xác định theo biểu thức (2.27)

I = ρ l ∫ 2πrω l

R

R − δ

C pl t l dr + ρ h π(R − δ)2ω h C ph t h (2.27) Lưu ý rằng, ở đây, phân bố nhiệt độ trong lớp lỏng hình xuyến (coi

là vách trụ) có thể được xác định theo các biểu thức (2.28)

2.2.4.3 Phương trình vi phân năng lượng cho quá trình ngưng tụ

Tương tự, phương trình vi phân năng lượng cho quá trình ngưng tụ, khi bỏ qua chênh lệch Enthalpy vào/ra phân tố, có thể được biểu diễn qua biểu thức (2.31)

dQ c = dG c i lh (2.31) Với lớp lỏng hình xuyến, cũng có thể biểu diễn các dòng nhiệt này qua các biểu thức (2.32)

dQ c= t h − t w

1

dl (2.32)

Đối với toàn bộ dòng môi chất trong vi ống, tổng Enthalpy của pha

lỏng và pha hơi môi chất tại tiết diện l và l + dl sẽ tuân theo quy luật bảo

toàn năng lượng như trình bày trong biểu thức (2.33)

I(l + dl)= I(l)− dQ c (2.33)

Đồng thời, tổng Enthalpy của pha lỏng và pha hơi tại tiết diện ống bất kỳ sẽ được xác định theo biểu thức (2.27), tương tự như đối với quá trình sôi Tuy nhiên, ở đây, phân bố nhiệt độ trong lớp lỏng hình xuyến

sẽ được xác định theo biểu thức (2.34)

2.3 Điều kiện biên

Ở đây, chỉ cần xem xét thêm điều kiện biên tại đầu vào ống như trình bày trong các biểu thức (2.36), cho quá trình sôi, và (2.37), cho quá trình ngưng tụ

l = 0, δ = δ vào = R (2.36)

l = 0, δ = δ vào = 0 (2.37)

2.4 Phương pháp xác định chiều dày lớp lỏng xuyến

Với các biểu thức vừa xây dựng, việc xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến được thực hiện theo thuật toán trình bày trên Hình 2.6 và 2.7

11

Hình 2.6 Lưu đồ thuật toán xác định

chiều dày lớp lỏng hình xuyến

trong quá trình sôi

Hình 2.7 Lưu đồ thuật toán xác định chiều dày lớp lỏng hình xuyến trong quá trình ngưng tụ