Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ 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 2 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
; ;
c
; ;
TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này, môi chất CO 2 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 CO 2 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 , truyền nhiệt, thiết bị bay hơi, nhiệt độ.
ABSTRACT
In this study, CO 2 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 2 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

đối lưu của CO 2 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
CO 2 . 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 CO 2 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 CO 2 là hết
sức cần thiết. Trong nghiên cứu này lưu chất CO 2 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].

ρ

∂u
2
2


+ ρ (u.∇)u = ∇.− pl + ( µ + µ T )(∇u + (∇u ) T ) − ( µ + µ T )(∇.u )l − ρkl  + F
∂t
3
3







µ T = ρC µ

k2

ε

2

 2
Pk = µ T ∇u : (∇u + (∇u ) T ) − (∇.u ) 2  − ρk∇.u
3

 3

ρC p

∂T
+ ρC p u.∇T = ∇.(k∇T ) + Q
∂t

625


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 1: Các điều kiện biên
−
Đầu vào phía môi chất

( µ + µT )(∇u + (∇u ) ) − 3 ( µ + µT )(∇.u )l − 3 ρkl  n = 0
∇k .n = 0, ∇ε .n = 0
− n.(− k∇T ) = 0

Môi chất lạnh
Đầu vào phía không
khí

u = −u o n
v_air

k=

3
k 3/ 2
(U o lT ) 2 , ε = C µ3 / 4
2
LT

p = po ,

Đầu ra phía không khí

0 Pa

2
2


T

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

N



E
∑  A + Ri U
i
 i

626





2 1/2







V air =2 – 5m/s, T air =35oC, T co2 =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 CO 2 với nhiệt độ đầu
vào CO 2 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%.

627


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

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

Input

Hình 3: Tổn thất áp suất trên thiết bị bay hơi
Ở Hình 3, khi áp suất đầu ra của môi chất CO 2 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 CO 2 ở 5oC, nhiệt độ
đầu ra của CO 2 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 CO 2 , 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

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:
Proceedings of 4th IIRGustav Lorentzen Conference, Purdue University, 2000,pp. 279–284.
629


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[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


5.

KS. Nguyễn Hoàng Tuấn, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
Email:

630