Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT BỊ BAY HƠI KÊNH MICRO DÙNG MÔI CHẤT CO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ A NUMERICAL INVESTIGATION ON HEAT TRANSFER PHENOMENA OF MICROCHANNEL EVAPORATORS USING CO REFRIGERANT ThS Nguyễn Trọng Hiếua, PGS.TS Đặng Thành Trungb, ThS Lê Bá Tânc, NCS Đoàn Minh Hùngd, KS Nguyễn Hoàng Tuấne Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM a hieunt@hcmute.edu.vn; btrungdang@hcmute.edu.vn; c lebatan@hcmute.edu.vn; dhungdm@hcmute.edu.vn; ehoangtuan0693@gmail.com TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, môi chất CO sử dụng thiết bị bay kênh micro đặc tính truyền nhiệt thiết bị bay xác định phương pháp mô số Một số kết trường nhiệt độ, trường vận tốc áp suất thể Nhiệt độ đầu CO trường hợp 1,6 g/s cao giá trị thu trường hợp 3,2g/s Bên cạnh đó, tổn thất áp suất qua thiết bị bay kênh micro không đáng kể, từ 38,164 bar xuống 38 bar Thêm vào đó, kết đồng thuận với nghiên cứu liên quan Từ khóa: trao đổi nhiệt kênh micro, CO , truyền nhiệt, thiết bị bay hơi, nhiệt độ ABSTRACT In this study, CO 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 CO 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 , heat transfer, vaporator, temperature GIỚI THIỆU Ngày nay, việc tiết kiệm lượng sử dụng lượng có hiệu quan tâm nhiều Tiết kiệm lượng giúp cắt giảm lượng nhiên liệu đáng kể, điều dẫn đến giảm lượng chất thải có tác động xấu đến môi trường Trong đối tượng cần đề cập lĩnh vực phải kể đến hệ thống lạnh, hệ thống nhiệt mạng nhiệt, … Những hệ thống lạnh thường sử dụng môi chất lạnh CFC, HCFC hay HFC Những môi chất có tác động đến suy giảm tầng ozone trái đất biến đổi khí hậu toàn cầu Thêm vào đó, trao đổi nhiệt hệ thống điều hòa không khí thường chế tạo với công nghệ truyền thống nên hiệu truyền nhiệt chưa cao, kết cấu cồng kềnh Để giải vấn đề này, hướng nghiên cứu đưa sử dụng thiết bị bay kênh mini micro CO làm môi chất lạnh thay cho môi chất lạnh fluorocarbon Nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng môi chất CO khiêm tốn Pettersen [1] nghiên cứu bay CO ống micro với đường kính 0,8 mm, điều kiện mật độ dòng chất nhiệt độ bão hòa cao, bay hoàn toàn ảnh hưởng đáng kể đến đặc điểm truyền nhiệt CO Zhao cộng [2] thực nghiệm cho dòng chảy sôi CO R134a kênh vi mô, cho độ khô 0,05-0,3 Họ kết luận rằng, hệ số truyền nhiệt CO cao khoảng 200% hệ số truyền nhiệt R134a Hihara 624 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Tanaka [3] nghiên cứu hệ số truyền nhiệt CO ống đơn đường kính 1,0 mm, họ thấy bay hoàn toàn CO phụ thuộc vào nhiệt độ bão hòa, mật độ dòng chất dòng nhiệt Yun cộng [4] thực nghiệm đo hệ số truyền nhiệt CO ống mini với đường kính bên 2,0 0,98 mm, dòng nhiệt từ 10-20kW/m2K, hệ số truyền nhiệt chịu ảnh hưởng đáng kể bốc hoàn toàn Các bốc hoàn toàn thường xảy chất lượng từ 0,3 – 0,4 Yun cộng [5] nghiên cứu kênh micro hình chữ nhật có kích thước từ 1,08mm – 1,54mm, điều kiện thay đổi mật độ dòng chất từ 200-400kg/m2s, dòng nhiệt từ 10-20kW/m2, trì nhiệt độ bão hoà 0, 10oC Họ kết luận rằng, hệ số trao đổi nhiệt CO cao khoảng 53% so với R134a, tăng mật độ dòng nhiệt hệ số tỏa nhiệt đối lưu CO tăng; giảm đường kính kênh hệ số cải thiệt tốt Thome Ribatski [6] tổng quan nghiên cứu truyền nhiệt sôi CO Dựa sở liệu thực nghiệm từ số nghiên cứu độc lập phòng thí nghiệm khác nhau, họ đánh giá có mối tương quan nghiên cứu liên quan [7-12] Từ phân tích trên, nhận thấy giới chưa có nhiều nghiên cứu mô trình bay CO kênh cho toàn mô hình 3D Do đó, việc nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt thiết bị bay kênh micro dùng môi chất lạnh CO cần thiết Trong nghiên cứu lưu chất CO sử dụng thiết bị bay kênh micro đặc tính truyền nhiệt thiết bị bay xác định phương pháp mô số Kích thước hình học kênh micro thiết bị nghiên cứu L x D x H (120mm x 0,5mm x 0,5mm), với vật liệu sử dụng nhôm thiết kế pass với tổng số kênh 20 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để mô số đặc tính truyền nhiệt lưu chất thiết bị bay kênh micro, phương trình yếu sau sử dụng [12-16] ρ ∂u 2   + ρ (u.∇)u = ∇.− pl + ( µ + µ T )(∇u + (∇u ) T ) − ( µ + µ T )(∇.u )l − ρkl  + F ∂t 3   ∂ρ + ∇.( ρu ) = ∂t ρ   µ ∂k + ρ (u.∇).k = ∇.( µ + T ).∇k  + Pk − ρε ∂t σk   ρ   µ ∂ε ε ε2 + ρ (u.∇).ε = ∇.( µ + T ).∇ε  + C e1 Pk − C e ρ , ε = ep ∂t k k σε   µ T = ρC µ k2 ε   Pk = µ T ∇u : (∇u + (∇u ) T ) − (∇.u )  − ρk∇.u   ρC p ∂T + ρC p u.∇T = ∇.(k∇T ) + Q ∂t 625 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng 1: Các điều kiện biên − Đầu vào phía môi chất lạnh ∫ ρ (u.n)dS = m ∂Ω m_in 3/ 3/ k k = (lT ) , ε = C µ LT p = po , Đầu phía môi chất lạnh 38 MPa 2   T ( µ + µT )(∇u + (∇u ) ) − ( µ + µT )(∇.u )l − ρkl  n = ∇k n = 0, ∇ε n = − n.(− k∇T ) = Môi chất lạnh Đầu vào phía không khí u = −u o n v_air k= k 3/ (U o lT ) , ε = C µ3 / LT p = po , Đầu phía không khí Pa 2   T ( µ + µ T )(∇u + (∇u ) ) − ( µ + µ T )(∇.u )l − ρkl  n = ∇k n = 0, ∇ε n = − n.(−k∇T ) = Không khí Nhiệt độ T_lq T = To Nhiệt độ T_amb T = To Trong T nhiệt độ, t thời gian, c p nhiệt dung riêng đẳng áp, ρ khối lượng riêng, µ độ nhớt động lực học, u vận tốc, P áp suất, k l động dòng chảy rối, F ngoại lực, ε l lượng tiêu tán lượng chảy rối, C µ số dòng chảy rối, Q nhiệt lượng, lT cường độ dòng chảy rối LT chiều dài dòng chảy rối Trong nghiên cứu này, môi chất làm việc CO , phương trình điều kiện mô (Bảng Bảng 2) giải phương pháp phần tử hữu hạn với lời giải PARDISO (PARallel DIrect Solver) để tìm giá trị nhiệt độ, vận tốc, áp suất entalpy Mô hình giải phần mềm đa vật lý COMSOL, phiên 4.3b Cấu hình máy: Xeon Quad Core E5430 2.66 GHz 12M/1333; DDRAM ECC CORSAIR 16GB SP/32G; HDD SATA3 160GB; VGA rời QUAD PRO FX 285 2GB/12bBIT Lưới sau tạo xong có: 240 đỉnh, 9887 cạnh, 44466 biên 180522 phần tử Sai số tương đối tuyệt đối chọn cho lời giải 10-6 Sai số tuyệt đối tương đối kiểm soát sai số bước giải Cụ thể hơn, vector đại lượng U tương ứng với lời giải bước thời gian E ước lượng sai số U công cụ giải xác nhận suốt bước Bước chấp nhận 1  N   E ∑  A + Ri U i  i 626    1/2     ... kênh micro dùng môi chất lạnh CO cần thiết Trong nghiên cứu lưu chất CO sử dụng thiết bị bay kênh micro đặc tính truyền nhiệt thiết bị bay xác định phương pháp mô số Kích thước hình học kênh micro. .. Trường nhiệt độ điều kiện vận tốc gió 2m/s Output Input Hình 5: Trường vận tốc gió theo phương X KẾT LUẬN Các đặc tính truyền nhiệt thiết bị bay kênh micro dùng môi chất CO nghiên cứu phương pháp mô. .. micro thiết bị nghiên cứu L x D x H (120mm x 0,5mm x 0,5mm), với vật liệu sử dụng nhôm thiết kế pass với tổng số kênh 20 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để mô số đặc tính truyền nhiệt lưu chất thiết bị bay kênh micro,