Báo cáo Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG KÊNH BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT MICRO ĐẾN QUÁ TRÌNHS K C 0 0 NGƯNG3 9 5 9 TỤ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUYỀN NHIỆT MÃ SỐ: T2013-22TĐ S KC 0 0 4 2 7 6 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG KÊNH BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT MICRO ĐẾN QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUYỀN NHIỆT Mã số: T2013-22TĐ/KHCN-GV Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Thành Trung Thành viên đề tài: GVC.ThS. Lê Kim Dưỡng KS. Đoàn Minh Hùng TP. HCM, 12/2013
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ MỤC LỤC Thông tin kết quả nghiên cứu 2 Information on research results 3 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 4 Phần 1 Giới thiệu 5 Phần 2 Cơ sở nghiên cứu và kết quả 15 Phần 3 Kết luận và kiến nghị 30 Lời cảm ơn 31 Tài liệu tham khảo 32 Phụ lục 37 - 1 -
4. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt - Mã số: T2013-22TĐ/KHCN-GV - Chủ nhiệm: PGS.TS. Đặng Thành Trung - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM - Thời gian thực hiện: 01/01/2013 đến 30/12/2013 2. Mục tiêu: - Tìm ra sự ảnh hưởng về hình dáng kênh của bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ. Từ những kết quả này, nghiên cứu đưa ra những điều kiện hoạt động của bộ trao đổi nhiệt kênh micro để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt. - Đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu về lĩnh vực truyền nhiệt Micro/nano tại Bộ môn công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói riêng và các trường đại học khác trên cả nước nói chung. - Cố gắng bắt kịp các nước tiên tiến một trong những hướng nghiên cứu hiện tại và tương lai về lĩnh vực cơ khí nhiệt và lưu chất. 3. Tính mới và sáng tạo: Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên trong nước và cũng là một trong những nghiên cứu mới trên thế giới. 4. Kết quả nghiên cứu: Đạt yêu cầu đặt ra 5. Sản phẩm: Hai BTĐN microchannel và một số cảm biến nhiệt độ. 01 bài báo khoa học đăng ở ISEPD2014 và sẽ được đăng ở nhà xuất bản Springer, 01 bài báo đăng tạp chí quốc tế EI. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Các kết quả nghiên cứu đăng ở các tạp chí uy tín sẽ được trích lục. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) - 2 -
5. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Effect of Configuration on Condensation Heat Transfer Efficiency in Microchannel Heat Exchangers. Code number: T2013-22TĐ/KHCN-GV Coordinator: Assoc. Prof. Dr. Thanhtrung Dang. Implementing institution: Hochiminh city University of Technical Education Duration: from January 01, 2013 to December 30, 2013 2. Objective(s): Study the effect of configuration on efficiency of condensation heat transfer in microchannel heat exchangers. Build the research on Micro/Nano heat transfer areas at the Department of Heat and Refrigeration Technology, Hochiminh city University of Technical Education in specially and other universities of Vietnam in generally. Try to follow several developed countries about one of present and future researches regarding themo-fluidics. 3. Creativeness and innovativeness: The study is the first research in Vietnam and is also one of the new researches on the world. 4. Research results: The proposed objectives have been achieved. 5. Products: Two microchannel heat exchangers An accepted paper will be published in Springer and an EI journal. 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: The results publishing on international journals will be cited by scientists. - 3 -
6. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2 Ac diện tích mặt cắt, m BTĐN bộ trao đổi nhiệt Dh đường kính quy ước, m h hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2K k hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K L chiều dài kênh micro, m m lưu lượng khối lượng, kg/s P đường kính ướt, m Q lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W q mật độ dòng nhiệt, W/m2 R nhiệt trở, m2K/W Re chỉ số Reynolds T nhiệt độ, K Greek symbols  độ nhớt động lực học, Ns/m2 khối lượng riêng, kg/m3  hệ số dẫn nhiệt, W/m K  vận tốc, m/s  hiệu suất T nhiệt độ chênh lệch, K. - 4 -
7. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ PHẦN 1 GIỚI THIỆU Công nghệ Mico/Nano đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật trong những năm gần đây. Trong đó, thiết bị truyền nhiệt microchannel là một trong những ứng dụng của công nghệ này, nó được ứng dụng trong lĩnh vực giải nhiệt các linh kiện điện tử, trong kỹ thuật hóa học, trong các nhà máy điện nguyên tử micro, Bộ trao đổi nhiệt (BTĐN) microchannel có ý nghĩa quan trọng trong những phạm vi sử dụng cần không gian hẹp, mật độ dòng nhiệt cao hay thiết bị truyền nhiệt nhỏ gọn. Có rất nhiều nghiên cứu về các BTĐN micro như cho dòng chảy một pha, dòng hai pha, một số BTĐN micro dùng trong hệ thống điều hòa không khí với môi chất lạnh là C02, tối ưu hóa cho các BTĐN micro, những ứng dụng của BTĐN micro, Trong các nghiên cứu đó, nghiên cứu liên quan đến BTĐN micro cho dòng chảy một pha được đề cập nhiều trong khi nghiên cứu cho dòng chảy hai pha còn khá khiêm tốn. Một nghiên cứu tổng quan về BTĐN microchannel liên quan đến vật lý dòng chảy, các phương pháp gia công và các ứng dụng đã được thực hiện bởi Bowman and Maynes [1]. Trước tiên, nghiên cứu này đã giới thiệu những kết quả thực nghiệm và mô phỏng số học của dòng chảy lưu chất trong kênh micro. Xa hơn nữa, một số phương pháp gia công cho các thiết bị micro như gia công micro, khắc hóa chất, gia công laze, gia công bởi máy chính xác, cũng đề cập. Tổng quan về đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trong BTĐN micro cũng đã thực hiện bởi Dang cùng cộng sự [2]. Tổng quan của kết quả thực nghiệm liên quan đến truyền nhiệt đối lưu của dòng chảy một pha trong kênh micro cũng đã được thực hiện bởi Morini [3], với những kết quả thu được cho hệ số ma sát, trạng thái quá độ từ chảy tầng đến chảy rối và hệ số Nusselt trong kênh có đường kính quy ước nhỏ hơn 1 mm. Dang [4] đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất cho những BTĐN micro có kênh hình chữ nhật cho cả mô phỏng số học lẫn thực nghiệm. - 5 -
8. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ Brandner cùng cộng sự [5] đã mô tả những BTĐN micro và ứng dụng của nó trong phòng thí nghiệm và ngoài công nghiệp. Trong nghiên cứu của họ, một số bộ trao đổi nhiệt micro đã được giới thiệu như BTĐN micro dùng vật liệu là polymer, nhôm, gốm ceramic, Với BTĐN micro được mô tả trên hình 1, mật độ lưu lượng khối lượng có thể đạt được 2000 kg/m2s được đo với môi chất làm việc là nước và có tổn thất áp suất là 0,5 MPa trên mỗi pass. Để lưu lượng khối lượng qua BTĐN micro lớn, nhiều BTĐN có thể được ghép song song với nhau. Hình 2 mô tả một BTĐN micro được ghép từ 5 BTĐN riêng lẻ. BTĐN này được làm từ thép không gỉ; công suất nhiệt cực đại của bộ này có thể đạt tới 1 MW [5]. Hình 1. BTĐN micro ngược chiều dùng vật liệu thép không gỉ [5] Hình 2. BTĐN micro hợp thành bởi 5 BTĐN riêng lẻ [5] - 6 -
9. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ Hình 3. Hệ số truyền nhiệt đối lưu và kích thước kênh [6] Ảnh hưởng của đường kính quy ước đến quá trình truyền nhiệt trong kênh micro được mô tả trong hình 3 cho môi chất làm việc là nước và không khí dưới điều kiện dòng chảy tầng đã phát triển hoàn toàn. Sự tăng nhanh hệ số truyền nhiệt đối lưu với sự giảm kích thước kênh đã minh chứng rõ ràng trên hình 3. Một phân tích về hiệu suất và tổn thất áp suất trong BTĐN micro có dòng chảy cắt nhau được thực hiện bởi Kang và Tseng [7]. Henning cùng cộng sự [8] đã chế tạo 3 BTĐN micro với dạng kênh chuẩn và thẳng, dạng kênh ngắn và thẳng và dạng kênh hình sóng. Kết quả thực nghiệm thể hiện rẳng kênh chuẩn thẳng là lựa chọn tốt nhất cho dòng chảy có lưu lượng cao. Bộ trao đổi nhiệt micro làm từ thép không gỉ W316L được nghiên cứu bởi Brandner [9]. Trong nghiên cứu này, truyền nhiệt trong BTĐN micro có thể được nâng lên bởi sử dụng những dãy cột micro sắp so le để đạt được trạng thái chảy quá độ hay chảy rối. Các BTĐN loại ngược chiều và cắt nhau dùng vật liệu ceramic đã được gia công bởi Alm cùng cộng sự [10]. Những thiết bị này được dùng trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt và hóa học. Hệ số truyền nhiệt của BTĐN loại cắt nhau đã đạt được 22 kW/(m2K). Hallmark cùng cộng sự [11] đã nghiên cứu thực nghiệm trên BTĐN dạng màng ống mao micro làm từ plastic. Năng lượng được lấy đi bởi BTĐN này như là một hàm của năng lượng điện cấp vào khi tăng lưu lượng dòng chảy. Jiang cùng cộng sự [12] đã nghiên cứu về dòng chảy lưu - 7 -
10. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ chất và truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức trong BTĐN microchannel. Trạng thái quá độ từ chảy tầng sang chảy rối được tìm thấy trong khoảng hệ số Reynolds ≈ 600. Một phương pháp gia công mới cho bề mặt truyền nhiệt của BTĐN micro được thực hiện bởi Schulz cùng cộng sự [13]. Bởi phương pháp khắc axít kết hợp với mạ điện kim loại, dãy các thanh Đồng được tạo nên trên bề mặt truyền nhiệt của ống, ở cùng nhiệt độ, mật độ dòng nhiệt hoặc hệ số truyền nhiệt thu được từ ống micro cao hơn giá trị thu được từ ống trơn. Lee cùng cộng sự [14] đã nghiên cứu các BTĐN micro sử dụng vật liệu Polimer. Kết quả mô phỏng số học và thực nghiệm đã được so sánh với sự sai lệch nhiệt độ trên bề mặt con chip là 2C. Wei [15] đã chế tạo bộ tản nhiệt ghép sử dụng công nghệ gia công micro. Hasan [16] đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước và hình dạng kênh cho BTĐN micro ngược chiều bởi sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD FLUENT. Chỉ số hoàn thiện đạt giá trị cao nhất cho kênh hình tròn, đạt giá trị thứ hai cho kênh hình vuông. Ameel cùng cộng sự [17] đã thực hiện một tổng quan về công nghệ thiết bị nhỏ và ứng dụng của nó. Dựa trên công nghệ MEMS (Microelectromechanical systems), các phương pháp gia công (máy micro dựa trên nền Silicon, khắc quang bằng tia X, máy gia công micro, ) đã được thảo luận dựa trên những ứng dụng đến dòng chảy lưu chất, truyền nhiệt và hệ thống năng lượng. Một nghiên cứu số học cho BTĐN micro có kênh hình thang được thực hiện bởi Dang [18]. Những ảnh hưởng của sơ đồ dòng chảy đến đến các đặc tính truyền nhiệt của BTĐN micro được thực hiện bởi Dang cùng cộng sư [19-20]. Cho tất cả những trường hợp nghiên cứu, mật độ dòng nhiệt thu được từ sơ đồ ngược chiều thu được luôn cao hơn sơ đồ cùng chiều: giá trị thu được từ sơ đồ ngược chiều cao hơn sơ đồ cùng chiều từ 1,1 đến 1,2 lần. Dang và Teng [21-27] đã nghiên cứu những ảnh hưởng của hình học (như là - 8 -
11. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ bề dày tấm gia công BTĐN, tiết diện cắt và vị trí dòng chảy vào/ra) đến trạng thái truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trên những BTĐN micro. Nó được tìm thấy rằng nhiệt lượng thực tế truyền qua thay đổi không đáng kể với bề dày substrate từ 1,2 đến 2 mm. Thêm vào đó, một so sánh các đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất giữa BTĐN micro và mini đã được thực hiện. Nghiên cứu cũng đã đưa ra những kết quả mô phỏng số học sử dụng lời giải ổn định và bất ổn định. Các kết quả mô phỏng số học 3D cho các BTĐN micro với dòng chảy một pha trong [19- 21, 23-27] được thực hiện bởi phần mềm đa vật lý COMSOL, phiên bản 3.5. Thuật toán của phần mềm này dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả thu được từ mô phỏng số khớp với kết quả thu được từ thực nghiệm, với phần trăm sai số tối đa là 9%. Bảng 1 đã liệt kê những đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất cho những BTĐN micro một pha. Trong đó nước là môi chất làm việc phổ biến nhất. - 9 -
12. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ Bảng 1. Tổng hợp các BTĐN micro với dòng chảy một pha [2] Vật liệu/ Môi Tổn thất Tài liệu Lưu lượng Truyền nhiệt Ghi chú Hình dạng chất áp suất Brandner [6] Polymer Water m: 10-400 kg/h q: 0.2-1.1 W/cm2 0-0.4 MPa Kang [7] Silicon/Rect Water m: 0.0643-0.07 Q: 2,690-2,925 W 0.16-0.28 MPa Given the same kg/s (Hot side) effectiveness 0.22-0.44 MPa (Cold side) m: 0.1746-0.0026 Q: 500-7,300 W 10-400 kPa Given the same kg/s (Hot side) temperature 10-900 kPa m: 0.0663-0.724 Q: 2,780-3,030 W (Cold side) Given the same None Copper/Rect Water kg/s effectiveness Given the same m: 0.1803-0.0027 Q: 500-7,500 W None kg/s temperature Henning [8] Metal Water m: 64 kg/h Q: 3,000 W None Electrical power up to 3 kW with effectiveness ~ 0.95 Brandner [9] Stainless steel/ Water m: 0-400 kg/h Q: 0-8,500 W 0-6.2x105 For hydraulic Rect Pa diameter of 70 m m: 0-300 kg/h Q: 0-12,000 W None For staggered microcolumns Alm [10] Ceramic Water m: 10-140 kg/h h: 7-22 kW/m2K 20-450 kPa (For crossflow HE) (For counterflow HE ) Hallmark [11] Plastic Water V: 30 or 60 or 120 h: 125-230 W/m2K None mL/min 3 Jiang [12] Copper/ Rect Water m: 0.0093-0.34 Kv:11-38.5 MW/m K 3.3-90 kPa kg/s Schulz [13] Copper/ tube Water V: 4 L/m q: 1,000-17,000 None Overheat from 4- W/m2 16 oC Lee [14] PDMS/ Rect Water None Q: 0-14 W 0-10 kPa The top chip’s temperature was 125 oC Wei [15] Silicon/Rect Water V: 1.4×10-6 – R: 0.24×10-4 – 0.12 p = f(V) for several 5.8×10-6 m3/s ×10-4 Cm2/W channels Hasan [16] Silicon Water Re = 50  = f (Kr) 7.8 kPa For rectangular channel Silicon/ Water m: 0.0579–0.1158 q: 12 – 13.6 W/cm2 None Trapezoidal g/s Aluminum/Rect Water m: 0.1859-0.3625 g/s q: 6.5 – 8.2 W/cm2 500-1400 Pa With the mass flow rate of the hot side Dang [18-27] of 0.1667 g/s Aluminum/Rect Water m: 0.2043-0.401g/s q: 14.3 – 17.8 W/cm2 With the mass flow  : 13.9-21.7 W/kPa rate of the hot side of 0.2321 g/s (Chú thích: Rect- Hình chữ nhật, Q-Nhiệt lượng, q-Mật độ dòng nhiệt, R-Nhiệt trở, h-Hệ số truyền nhiệt đối lưu, Kv- Hệ số truyền nhiệt đối lưu theo thể tích, Nu - Số Nusselt trung bình, SLM-Lít/phút chuẩn, m-Lưu lượng khối lượng, V-Lưu lượng thể tích, PDMS- polydimethylsiloxane) - 10 -
13. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ Liên quan đến quá trình truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro, Hu và Chao [28] đã nghiên cứu trên năm mô hình ngưng tụ của nước với thiết bị ngưng tụ micro dùng vật liệu silicon. Với đường kính quy ước 73 m và dòng khối lượng của hơi từ 5 đến 45 kg/(m2s), hệ số tỏa nhiệt đối lưu thu được từ 220 đến 2400 W/(m2K), tương ứng với tổn thất áp suất từ 100 đến 750 kPa/m. Trong nghiên cứu này, mật độ dòng nhiệt cực đại là 40 kW/m2. Nghiên cứu thể hiện rằng công suất giải nhiệt và chỉ số hoàn thiện (COP) của thiết bị ngưng tụ kênh micro cao hơn giá trị thu được từ thiết bị ngưng tụ truyền thống khi cùng điều kiện thí nghiệm. Thêm vào đó, lượng lưu chất đã sử dụng trong hệ thống dùng thiết bị ngưng tụ kênh micro cũng ít hơn thiết bị ngưng tụ truyền thống. Hai hệ thống điều hòa không khí dân dụng dùng môi chất R410A (một cái dùng thiết bị ngưng tụ kênh micro và một cái dùng thiết bị ngưng tụ ống xoắn) đã được nghiên cứu bởi Park and Hrnjak [29]. Công suất giải nhiệt và chỉ số hoàn thiện (COP) của hệ thống dùng thiết bị ngưng tụ micro cao hơn của thiết bị ngưng tụ ống xoắn tương ứng là 3,4% và 13,1%. Lượng môi chất làm việc nạp vào hệ thống ít hơn 9,2 lần so với thiết bị ngưng tụ ống xoắn. Mô hình số học cũng đã được sử dụng để tính toán quá trình phân bố không đồng đều của không khí và môi chất lạnh. Kết quả mô phỏng số học đã đưa ra không có khác biệt nhiều trong việc dự đoán công suất nhiệt của thiết bị ngưng tụ. Mô hình số học cho những thiết bị ngưng tụ kênh micro và cho những bộ làm mát khí đã được thực hiện bởi Martínez-Ballester cùng cộng sự [30]. Kết luận chính cho nghiên cứu này đó là nó có tính khả thi để mang một lượng nhiệt do dẫn nhiệt giữa các ống trong cách tính nhiệt cơ bản hơn là cách tiếp cận dựa vào hiệu suất cánh. Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ thực hiện ở mức độ lý thuyết. Cho cùng cộng sự [31] đã nghiên cứu chế tạo thiết bị ngưng tự micro loại ống bằng phương pháp ép trực tiếp. Vật liệu chế tạo là hợp kim nhôm A1100 và A3003. Bởi vì hợp kim A3003 bền khi sử dụng cho việc chế tạo một bộ trao đổi nhiệt làm việc với áp suất cao, do vậy hợp kim A3003 phù hợp hơn hợp kim A1100 cho thiết bị ngưng tụ dạng ống. Một sự so sánh về truyền nhiệt và tổn thất - 11 -
14. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ áp suất trong quá trình ngưng tụ của CO2 trong các kênh micro hình chữ nhật đã được nghiên cứu bởi Heo cùng cộng sự [32]. Hệ số truyền nhiệt ngưng tụ của CO2 trong kênh micro chữ nhật với 7, 23 và 19 đầu nối đã được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm trong điều kiện thay đổi mật độ khối lượng. Hệ số truyền nhiệt ngưng tụ tăng với sự giảm đường kính quy ước trong khoảng nhiệt độ ngưng tụ ở 0 và -5 C. Sự tăng hoặc giảm hệ số truyền nhiệt tại độ khô tới hạn đạt được cho loại kênh micro có 23 đầu nối. Mô hình này đã ước tính hệ số truyền nhiệt vượt quá giá trị thực nghiệm liên quan lên đến 47,7%. Nghiên cứu sự ngưng tụ của bộ trao đổi nhiệt nhỏ được thực hiện bởi García- Cascales cùng cộng sự [33]. Trong nghiên cứu này, một thuật toán lặp đã được đề xuất cho các bộ trao đổi nhiệt loại có hai hàng. Một nghiên cứu mới đã được thực hiện cho quá trình ngưng tụ trong các kênh micro và mini; trong đó, một số mối liên quan chính yếu đã được đề cập. Nhóm tác giả cũng đã so sánh dưới những điều kiện làm việc khác nhau. Một số bộ trao đổi nhiệt như thiết bị ngưng tụ hay bay hơi đã được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm; sau đó, các kết quả này được so sánh với các kết quả từ mô hình vừa đề xuất. Hrnjak và Litch [34] đã thực hiện một nghiên cứu cho hai thiết bị ngưng tụ làm bằng nhôm: Cái thứ nhất là thiết bị ngưng tụ ống có kênh micro có đường kính quy ước 700 m và cái thứ hai là thiết bị ngưng tụ ống uốn khúc có kênh macro có đường kính quy ước 4,04 mm. Tỉ số giữa lượng môi chất nạp và công suất của thiết bị ngưng tụ kênh micro nhỏ hơn thiết bị ngưng tụ có ống uốn khúc 76%. Goss và Bassoc [35] đã nghiên cứu quá trình ngưng tụ của R134a trong tám kênh micro song song. Nghiên cứu đã thể hiện rằng sự ảnh hưởng của nhiệt độ bão hòa của lưu chất và mật độ dòng nhiệt trong khoảng thực nghiệm là không rõ nét. Mặc khác, hệ số truyền nhiệt tăng với vận tốc lưu lượng. Nó cũng đã được chứng minh rằng nhiệt trở là do dẫn nhiệt qua màng chất lỏng có giá trị ước lượng tốt. Tổn thất áp suất ở mặt phân cách và chổ tách có thể bỏ qua ở vùng độ khô cao. - 12 -
15. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ Trong các nghiên cứu liên quan đã thực hiện ở Việt Nam, Trung và Hùng [36] đã thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm những ảnh hưởng của lực trọng trường đến các đặc tính nhiệt và dòng chảy lưu chất của những bộ trao đổi nhiệt microchannel. Trong nghiên cứu này, hai bộ tản nhiệt đã được dùng làm thực nghiệm với điều kiện tăng lưu lượng khối lượng ở phía lạnh. Trung và Hùng [37] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng tính chất vật lý của lưu chất trong bộ tản nhiệt kênh micro. Trong nghiên cứu này, các đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của lưu chất một pha bên trong bộ tản nhiệt kênh micro đã được xác định. Cho những điều kiện khác nhau đã được nghiên cứu, chỉ số hoàn thiện đạt được 10,7 W/kPa ở giá trị lưu lượng 0,2 g/s. Xa hơn nữa, toàn bộ bộ tản nhiệt kênh micro gồm các kênh, ống góp, tấm đế gia công kênh micro (substrate) cũng như tấm nắp phía trên đã được mô phỏng số bởi sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên nghiệp CFD – ACE+ . Từ những tài liệu liên quan như trên về thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro (microchannel heat exchanger) cũng như bộ tản nhiệt kênh micro (microchannel heat sink), nó rất cần thiết để nghiên cứu hiệu quả của quá trình truyền nhiệt ngưng tụ trong các bộ trao đổi nhiệt kênh micro (microchannel heat exchangers). Mục đích của nghiên cứu này là thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm những ảnh hưởng của hình dạng kênh (đường kính quy ước) tới hiệu quả truyền nhiệt ngưng tụ trong các kênh micro. Thêm vào đó, một số yếu tố như nhiệt độ, lưu lượng khối lượng nước giải nhiệt, cũng sẽ được nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro với hình dáng kích thước khác nhau sẽ được thảo luận. Mục tiêu: Tìm ra sự ảnh hưởng của hình dáng kích thước (đường kính thuỷ lực) kênh micro đến các đặc tính truyền nhiệt ngưng tụ của bộ microchannel heat exchanger. Đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu về lĩnh vực truyền nhiệt Micro/nano tại Bộ môn công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói riêng - 13 -
16. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ và các trường đại học khác trên cả nước nói chung. Cố gắng bắt kịp các nước tiên tiến một trong những hướng nghiên cứu hiện tại và tương lai về lĩnh vực cơ khí nhiệt và lưu chất. Cách tiếp cận: Từ các nghiên cứu liên quan, đi đến nghiên cứu một đối tượng cụ thể. Phương pháp nghiên cứu: Đề tài được thực hiện bởi sự kết hợp giữa lý thuyết nền tảng và thực nghiệm. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Trong phần nghiên cứu này, hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro được dùng làm thực nghiệm với điều kiện thay đổi lưu lượng khối lượng từ 1,9401 đến 3,2876 g/s. Lưu chất làm việc là nước lọc sạch. Nhiệt độ hơi cấp vào các TBTĐN này ở khoảng 101 C. Nghiên cứu chỉ tập trung đề cập đến các đặc tính trình truyền nhiệt của TBTĐN này. Nội dung nghiên cứu: - Thiết kế mô hình. - Thí nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực tế. - So sánh những kết quả này với các bài báo quốc tế SCI, SCIE hay EI liên quan. - 14 -
17. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ PHẦN 2 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 2.1 LẮP ĐẶT HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM Trong hệ thống thí nghiệm này, bốn bộ phận chính đã được sử dụng: mẫu thí nghiệm (BTĐN microchannel), hệ thống bơm, lò hơi mini và hệ thống đường ống, như được thể hiện ở hình 4. Trong nghiên cứu này, hai bộ trao đổi nhiệt microchannel đã được dùng làm thí nghiệm. Quá trình truyền nhiệt của những thiết bị này được thực hiện bởi hơi cấp từ lò hơi mini và nước giải nhiệt. Hơi nước từ lò hơi mini đi qua thiết bị ngưng tụ kênh micro, ở đây nó được làm mát bởi nước giải nhiệt nên được ngưng tụ lại. Hình 5 thể hiện kích thước của các mẫu thí nghiệm. Nhôm được dùng làm vật liệu để chế tạo những BTĐN microchannel này, với hệ số dẫn nhiệt 237 W/(mK), khối lượng riêng 2700 kg/m3 và nhiệt dung riêng đẳng áp 904 J/(kgK). Mỗi đầu vào hoặc đầu ra của thiết bị ngưng tụ đều được gắn cảm biến nhiệt độ để lưu dữ liệu. Cảm biến được sử dụng là loại T có kích thước rất nhỏ với đường kính dây và đầu cảm biến khoảng 200 µm; do vậy, những cảm biến này có thể chèn vào bên trong của các ống dẫn đi vào các thiết bị ngưng tụ. Do vậy, trong hệ thống thí nghiệm này, bốn cảm biến nhiệt độ đã được sử dụng. - 15 -
18. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ S4 S1 Nước vào Hơi vào P Nước ra Hơi đã ngưng tụ S3 S2 Nước ra Hơi vào 2 7 Nước vào Hơi ngưng tụ 1 6 5 4 4 3 3 Hình 4. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm các BTĐN kênh micro 1. Bộ trao đổi nhiệt; 2. Lò hơi mini; 3. Bơm mini; 4. Bình chứa nước; 5. Van xả nước ngưng; 6. Van điều chỉnh; 7. Bình chứa phụ Với mỗi BTĐN microchannel, phía cho hơi đi qua có 10 kênh và phía cho nước giải nhiệt đi qua cũng có 10 kênh micro. Chiều dài của mỗi kênh là 32 mm. Về cơ bản, hai thiết bị ngưng tụ này có cùng kích thước. Tuy nhiên, chúng chỉ khác ở chổ chiều dày substrate của thiết bị ngưng tụ T1 là 1,2 mm trong khi chiều dày của thiết bị ngưng tụ T2 là 1 mm. Tuy nhiên, trong truyền nhiệt micro, với chiều dày substrate thay đổi nhỏ không đáng kể thì ảnh hưởng của chiều dày này - 16 -
19. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ đến quá trình truyền nhiệt này là không đáng kể, như đã được kiểm chứng trong [21]. Bên cạnh đó, chiều sâu của kênh micro trong T1 là 300 m tương ứng với đường kính quy ước là 375 m; trong khi đó, chiều sâu của kênh micro trong T2 là 180 m tương ứng với đường kính quy ước là 265 m. Trong một BTĐN kênh micro, tất cả những kênh được nối với nhau bởi một kênh góp cho đầu vào và một kênh góp cho đầu ra, tương ứng cho cả hai phía hơi và nước. Những kênh góp này cũng có cùng diện tích mặt cắt: Mặt cắt có hình dạng hình chữ nhật với bề rộng 3 mm và bề sâu 300 µm. Các thông số kích thước của hai thiết bị ngưng tụ này thể hiện ở Bảng 2. T L 3 mm 32 mm A 8.5 mm 9.5 mm W 14 mm A 26.5 mm Wc Dc Cross-sectional view A-A Hình 5. Kích thước của các mẫu thí nghiệm - 17 -
20. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ Bảng 2. Các thông số hình học của các BTĐN kênh micro Kích thước các kênh micro Kích thước substrate (m) STT (mm) Phía hơi Phía nước giải nhiệt L W T Wc Dc Wc Dc T1 46 26.5 1.2 500 300 500 300 T2 46 26.5 1 500 300 500 180 Bảng 3. Tính chất vật lý của PMMA và bông thuỷ tinh [27] Vật liệu Khối lượng Hệ số dẫn riêng nhiệt kg/m3 W/(mK) PMMA 1420 0,19 Bông thuỷ tinh 154 0,051 Hình 5 mô tả các kích thước của mẫu thí nghiệm. Trong nghiên cứu này, hai BTĐN đã được thiết kế và chế tạo, với các kích thước được liệt kê ở Bảng 2. Hình 6 thể hiện một hình ảnh của một BTĐN microchannel. Mẫu thực nghiệm này được gia công bởi phương pháp gia công micro chính xác [3] ở trên mặt trên và mặt dưới của nó. Mỗi đầu vào và đầu ra của BTĐN có diện tích mặt cắt là 9 mm2. Bốn phía ngoài (bốn mặt bên) của BTĐN được bọc cách nhiệt bởi bông thuỷ tinh có chiều dày 5 mm. Để làm kín các kênh micro, hai tấm PMMA (polymethyl methacrylate) được dán lên mặt trên và mặt dưới của BTĐN kênh micro bởi công nghệ dán chuyên dụng, như thể hiện ở hình 6. Tính chất vật lý của các tấm PMMA và bông thuỷ tinh được liệt kê trong bảng 3 [27]. Một hình ảnh của hệ thống thí nghiệm được thể hiện ở hình 7. - 18 -
21. Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ PMMA Substrate Hình 6. Một BTĐN micro dùng vật liệu bằng nhôm Hình 7. Ảnh của hệ thống thí nghiệm Dữ liệu thực nghiệm cho BTĐN microchannel đã thu được dưới điều kiện nhiệt độ trong phòng thí nghiệm không đổi từ 30  32 ºC. Nước lọc sạch đã được sử dụng như là môi chất làm việc. Mỗi đầu vào hoặc đầu ra của BTĐN đều được gắn cảm biến nhiệt độ để lưu trữ liệu nhiệt độ, do vậy tổng cộng có bốn cảm biến - 19 -