Báo cáo Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini (Minichannel Heat Sinks) (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini (Minichannel Heat Sinks) (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 VỀ BỐ TRÍ DÒNG CHẢY ĐẾN CHỈ SỐ HOÀN THIỆN CỦA CÁC BỘ TẢN NHIỆT KÊNH MINI (MINICHANNELS K C 0 0 3 9 5 9 HEAT SINKS) MÃ SỐ: T2015-48TĐ S KC 0 0 4 7 7 9 Tp. Hồ Chí Minh, 2015
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 VỀ BỐ TRÍ DÒNG CHẢY ĐẾN CHỈ SỐ HOÀN THIỆN CỦA CÁC BỘ TẢN NHIỆT KÊNH MINI (MINICHANNEL HEAT SINKS) Mã số: T2015-48TĐ/KHCN-GV Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Thành Trung Thành viên đề tài: NCS. Đoàn Minh Hùng TP. HCM, 11/2015
3. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini MỤC LỤC Mục lục 1 Danh mục các hình 2 Danh mục các bảng 3 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 4 Thông tin kết quả nghiên cứu 5 Information on research results 7 Phần 1 Giới thiệu 9 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 9 1.1.1 Ngoài nước 9 1.1.2 Trong nước 13 1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 15 1.2.1 Mục tiêu 15 1.2.2 Cách tiếp cận 15 1.2.3 Phương pháp nghiên cứu 15 1.2.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 16 1.2.5 Nội dung nghiên cứu 16 Phần 2 Cơ sở nghiên cứu và kết quả 17 2.1 Mô hình toán học 17 2.2 Lắp đặt hệ thống nghí nghiệm 20 2.3 Các kết quả và thảo luận 30 2.3.1 Các kết quả mô phỏng 30 2.3.2 Các kết quả thực nghiệm 37 Phần 3 Kết luận và kiến nghị 43 Lời cảm ơn 43 Tài liệu tham khảo 44 Phụ lục 48 - 1 -
4. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Mô hình thực nghiệm Hình 2.2 Kích thước mẫu 3 và 5 pass Hình 2.3 Kích thước mẫu 7 và 9 pass Hình 2.4 Hình 3D của mẫu 03 pass Hình 2.5 Hình thật của bộ tản nhiệt kênh mini 5 pass Hình 2.6 Bộ thiết bị 54 – 11 –CT/HD – CTTB Hình 2.7 Sơ đồ nối dây của cụm thu dữ liệu Hình 2.8 Ảnh kết nối hệ thống thí nghiệm Hình 2.9 Phân bố lưới cho bộ tản nhiệt loại 7 pass Hình 2.10 Biểu đồ hội tụ của lời giải Hình 2.11 Trường nhiệt độ của bộ tản nhiệt loại 5 pass Hình 2.12 Trường nhiệt độ của bộ tản nhiệt loại 7 pass Hình 2.13 Kết quả mô phỏng số cho số Pass Hình 2.14 Phân bố áp suất trong các kênh mini của các bộ tản nhiệt Hình 2.15 Kết quả mô phỏng số về tổn thất áp suất trong các bộ tản nhiệt Hình 2.16 So sánh kết quả mô phỏng số và thực nghiệm cho nhiệt độ nước ra Hình 2.17 Số pass ảnh hưởng đến nhiệt lượng và chỉ số hoàn thiện Hình 2.18 Bộ tản nhiệt loại hàn Nhôm và dán PMMA Hình 2.19 So sánh giữa bộ tản nhiệt hàn Nhôm và dán PMMA cho độ chênh nhiệt độ Hình 2.20 So sánh giữa bộ tản nhiệt hàn Nhôm và dán PMMA cho nhiệt lượng - 2 -
5. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các thông số của các bộ tản nhiệt Bảng 2.2 Độ chính xác và các dải thang đo của dụng cụ thử nghiệm Bảng 2.3 Thông số lưới Bảng 2.4 So sánh kết quả mô phỏng số và thực nghiệm cho tổn thất áp suất - 3 -
6. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2 Ac diện tích mặt cắt, m 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  Chỉ số hoàn thiện, W/kPa T nhiệt độ chênh lệch, K. - 4 -
7. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini (minichannel heat sinks) - Mã số: T2015-48TĐ/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: 01/01/2015 đến 30/12/2015 2. Mục tiêu: - Tìm ra sự ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm; nghiên cứu đưa ra những điều kiện hoạt động của bộ tản nhiệt kênh mini để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt. - Đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu về lĩnh vực truyền nhiệt Mini/micro 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 Một nghiên cứu số và thực nghiệm đã được thực hiện cho bốn bộ tản nhiệt kênh mini với số pass thay đổi từ 3 đến 9. Các bộ tản nhiệt này có cùng kích thước và diện tích mặt cắt của các kênh. Các đặc tính truyền nhiệt, tổn thất áp suất và chỉ số hoàn thiện đã được đề cập. Trong nghiên cứu này, bộ tản nhiệt kênh mini 7 pass tốt nhất về truyền nhiệt và tổn thất áp suất hay chỉ số hoàn thiện tương đối chấp nhận. Độ chênh nhiệt độ lớn nhất 12,7 đã đạt được cho bộ tản nhiệt 7 pass ở lưu lượng nước vào 1,64 g/s và - 5 -
8. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini vận tốc gió 3 m/s. Ở tại lưu lượng khối lượng nước 1,64 g/s, tổn thất áp suất là 2550 Pa và chỉ số hoàn thiện là 34,1 W/kPa đã đạt được cho bộ tản nhiệt 7 pass. Thêm vào đó, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng công nghệ hàn Nhôm cho các bộ tản nhiệt này kém hiệu quả hơn so với công nghệ dán PMMA trong trường hợp lưu lượng khối lượng nước lớn. Các kết quả này có ý nghĩa quan trọng và hữu ích cho thiết kế các bộ tản nhiệt kênh mini. Xa hơn nữa, các kết quả thu được từ mô phỏng số phù hợp với các kết quả từ thực nghiệm với sai số cực đại nhỏ hơn 3 %. 5. Sản phẩm: Ba bộ tản nhiệt minichannel, 01 bài báo đăng tạp chí quốc tế EI, 02 bài báo khoa học đăng ở hội nghị quốc tế GTSD14. 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 được trích lục. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) - 6 -
9. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Study on Effects of Flow Configuration to Performance Index of Minichannel Heat Sinks. Code number: T2015-48TĐ/KHCN-GV Coordinator: Assoc. Prof. Dr. Thanhtrung Dang. Implementing institution: Hochiminh city University of Technology and Education Duration: from January 01, 2015 to December 30, 2015 2. Objective(s): Find out effects of flow configuration to performance index of the minichannel heat sinks, for both numerically and experimetally; carry out working conditions of minichannel heat sinks to enhance heat transfer efficiency. Build the research on Micro/Nano heat transfer areas at the Department of Heat and Refrigeration Technology, Hochiminh city University of Technology and 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. Numerical and experimental studies have been performed on four minichannel heat exchangers with varying the pass number from 3 to 9. The minichannel heat exchangers have the same total dimension and cross-sectional area of channels. The heat transfer, pressure drop, and performance index have discussed also. In this study, the minichannel heat exchanger with seven pass has the best heat transfer and the fair pressure drop. The maximum temperature difference of 12.7 C was achieved for minichannel heat exchanger with seven pass having water flow rate - 7 -
10. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini of 1.64g/s and air velocity of 3 m/s. At the mass flow rate of water is 1.64 g/s, the pressure drop of 2550 Pa and performance index were achieved for the minichannel heat sink with seven pass. In addition, the welding Aluminum method for MNHE is less efficiency than the bonding PMMA method. These results are essential and useful for design and fabrication of minichannel heat exchanger. Furthermore, the results obtained from the numerical simulation were in good agreement with those obtained from the experimental data, with the discrepancies estimated to be less than 3 %. 5. Products: Three minichannel heat sinks, One paper published on EI journal, Two paper published on GTSD14 proceeding. 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: The results publishing on international journals will be cited by scientists. - 8 -
11. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini PHẦN 1 GIỚI THIỆU 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1.1 Ngoài nước Trong những năm gần đây, công nghệ Mini/Micro đang được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Trong đó, thiết bị truyền nhiệt Mini/Micro là một trong những ứng dụng của công nghệ này; nó 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. Truyền nhiệt Micro/Mini là một trong những hướng nghiên cứu mới, nó chỉ phát triển mạnh trong vòng 10 năm gần đây. Hiện nay trên thế giới, có rất nhiều các công trình nghiên cứu về truyền nhiệt mini/micro đã được công bố, tuy nhiên cũng không nhiều nghiên cứu đề cập đến ảnh hưởng của bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện trong các bộ tản nhiệt kênh mini. Những nghiên cứu này liên quan đến truyền nhiệt một pha, hai pha, tối ưu thiết bị trao đổi nhiệt micro, ứng dụng thiết bị trao đổi nhiệt micro, Liên quan đến lĩnh vực này, Fernando cùng cộng sự [1] đã đánh giá hệ số truyền nhiệt bởi phương pháp Wilson cho bộ trao đổi nhiệt kênh mini bằng nhôm. Phương pháp này được thực hiện về đặc tính truyền nhiệt cho cả phía ống và vỏ. Các nghiên cứu về phân bố dòng chảy đến truyền nhiệt và tổn thất áp suất qua các bộ trao đổi nhiệt kênh mini được thực hiện trong [2, 3]. Luo cùng cộng sự [2] đã đề cập một ý tưởng mới của các bộ phân phối trong một bộ trao đổi nhiệt để cải thiện sự hoàn thiện về nhiệt. Ảnh hưởng của sự phân bố đầu vào trên vấn đề phân phối lạnh trong các bộ trao đổi nhiệt kênh mini cùng chiều đã được nghiên cứu bởi Kim cùng cộng sự [3]; tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ đề cập đến môi chất lạnh R134a là môi chất làm việc chứ không phải là nước. Hernando cùng cộng sự [4] đã nghiên cứu về tổn thất áp suất, nhiệt lượng và hệ số truyền nhiệt tổng trong một bộ trao đổi nhiệt kênh micro dòng một pha cho cả mô phỏng số và thực nghiệm. Hasan cùng cộng sự [5] đã đánh giá ảnh hưởng của hình dáng kích thước kênh đến đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất của một bộ trao đổi nhiệt - 9 -
12. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini kênh micro ngược chiều. Trong nghiên cứu này, hiệu suất bộ trao đổi nhiệt và chỉ số hoàn thiện như một hàm số của kích thước kênh, chỉ số Reynolds và tỉ số dẫn nhiệt. Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ thực hiện bằng phương pháp mô phỏng số. Tổng quan các kết quả thực nghiệm liên quan đến truyền nhiệt đối lưu một pha trong các kênh micro được thực hiện bởi Morini [6]. Trong nghiên cứu này, các kết quả tổng quan đã thu được cho hệ số ma sát, quá độ từ chế độ chảy tầng sang chảy rối, chỉ số Nusselt trong các kênh có kích thước nhỏ hơn 1 mm. Trong các công trình liên quan trên, các nghiên cứu đã đề cập đến ảnh hưởng của hình dáng kích thước của bộ trao đổi nhiệt kênh micro hay mini dạng chữ I, S, Z và thường chỉ có một pass chứ không có đề cập đến sự bố trí dòng chảy theo nhiều pass. Thêm vào đó, các nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng chỉ mô phỏng phần lưu chất và kênh chứ không mô phỏng toàn bộ của bộ tản nhiệt. Một tổng quan về các bộ tản nhiệt và bộ truyền nhiệt cho các lưu chất một pha đã được thực hiện bởi Dixit và Ghosh [7]. Các bộ trao đổi nhiệt mini này có nhiều tiềm năng cung cấp hệ thống năng lượng hiệu quả; các đặc điểm như độ chắc chắn, nhỏ gọn và nhẹ là những điểm mạnh hấp dẫn các ứng dụng liên quan. Trong bài tổng quan này, các công nghệ gia công cũng như những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau hiện nay đã được tổng kết lại. Họ đã thực hiện một tổng quan về các nghiên cứu nhiệt động một pha trong các bộ trao đổi nhiệt kênh micro hay mini một pha. Nhiều bài báo liên quan đến các bộ trao đổi nhiệt kênh micro hay mini cho sơ đồ ngược chiều hay sơ đồ cắt nhau cũng đã được đề cập. Đánh giá đặc tính dòng hai pha trong các kênh mini cho các bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn đã được thực hiện bởi Masiukiewicz và Anweiler [8]. Sự đánh giá hỗn hợp dòng hai pha (hỗn hợp khí – lỏng) đã được nghiên cứu bởi phương pháp phân tích hình ảnh. Những hình ảnh này thu được với kỹ thuật ghi hình tốc độ cao. Một số hình ảnh của dòng chảy (sử dụng kỹ thuật ghi hình độc lập) có thể được xử lý bởi phương pháp stereology. Stereology là một sự phiên ra mô hình 3D của các mặt cắt 2D của một vật. Các kết quả đã thể hiện rằng các đặc tính thay đổi xảy ra trong hỗn hợp có thể được dùng cho sự điều chỉnh hằng số cho các hệ thống hai pha khác nhau - 10 -
13. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini như khí – lỏng hay khí – rắn. Dixit và Ghosh [9] đã nghiên cứu một bộ trao đổi nhiệt kênh mini dòng cắt nhau. Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng hiệu suất của lưu chất lạnh trội hơn hiệu suất của lưu chất nóng khi nguồn nhiệt bên ngoài cấp cho lưu chất lạnh. Hiệu suất của lưu chất nóng giảm khi tăng hiệu suất của lưu chất lạnh với sự tăng tổn thất nhiệt. Dang và Teng [10] đã so sánh các đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của các bộ trao đổi nhiệt kênh micro và mini bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm. Các kết quả chỉ ra rằng các bộ trao đổi nhiệt kênh micro nên được lựa chọn sử dụng cho những hệ thống cần nhiệt lượng trao đổi lớn. Thêm vào đó, hiệu suất thu được từ bộ trao đổi nhiệt kênh micro gấp 1,2 đến 1,5 lần hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt kênh mini. Piasecka và Maciejewska [11] đã nghiên cứu hệ số tỏa nhiệt đối lưu cho quá trình sôi trong kênh mini khi thay đổi các hướng trong không gian. Các giá trị của hệ số tỏa nhiệt đã được phân tích độc lập cho các vùng sôi hạt quá lạnh và bão hòa. Các kết quả chỉ ra rằng giá trị hệ số toả nhiệt đối lưu cao nhất đã được khảo sát trong vùng sôi bão hòa ở vị trí thẳng đứng (900) và trong vùng sôi quá lạnh cho các kênh nghiêng một góc 450. Ảnh hưởng của đầu vào cho việc phân phối gas lạnh trong một bộ trao đổi nhiệt kênh mini sơ đồ dòng chảy cùng chiều đã được thực hiện bởi Kim cùng cộng sự [12]. Sự phân phối gas R134a trong một thiết bị trao đổi nhiệt đã được nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng cho ba sơ đồ đầu vào khác nhau (song song, pháp tuyến và thẳng đứng). Kết quả cho thấy rằng giá trị giống nhau cho phương pháp tuyến và thẳng đứng. Phân phối dòng chảy xấu nhất cho phương song song. Dang cùng cộng sự [13, 14] đã nghiên cứu các bộ trao đổi nhiệt kênh mini để thay thế cho két nước xe tay ga bằng phương pháp thực nghiệm. Các kết quả của nghiên cứu đã chỉ ra rằng các bộ trao đổi nhiệt kênh mini có nhiệt lượng cao hơn giá trị thu được từ két nước xe tay ga; tuy nhiên, kích thước của các bộ trao nhiệt nhiệt kênh mini chỉ bằng 64% két nước của nhà sản xuất. Các bộ trao đổi nhiệt đã được dùng là loại nhôm hàn và loại PMMA. Liên quan đến ảnh hưởng của số pass đến quá trình truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini, Byun và Kim [15] đã - 11 -
14. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt kênh mini sơ đồ cùng chiều có hai hàng / bốn pass bằng phương pháp thực nghiệm. Trong nghiên cứu này, các kết quả tìm ra rằng đường kính lỗ vào của ống góp tối ưu là 4 mm. Yadav và Singh [16] đã phân tích so sánh giữa các chất làm mát khác nhau trên két nước xe ô tô. Chất làm mát đã sử dụng là nước và các hỗn hợp của nước trong propylene glycol với tỉ lệ 40:60. Kết quả thử nghiệm trên két nước cho thấy rằng nước vẫn là chất làm mát tốt nhất nhưng nó làm ăn mòn và chứa muối không tan làm thoái hóa đường ống dẫn. Hỗn hợp nước với ethylenglycol nhiệt dung riêng của nó giảm nhưng tính chất chống ăn mòn của nó được tăng cường. Hỗn hợp này làm tăng nhiệt độ sôi của nước và giảm nhiệt độ đóng băng. Hiệu suất của hỗn hợp bằng hiệu suất nước thì tăng lưu lượng của hỗn hợp. Khot và Santosh [17] đã sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD để đánh giá và so sánh tính năng của hai áo nước làm mát khác nhau của động cơ Diesel 6 xylanh thẳng hàng. Từ phân tích cho thấy rằng model thứ hai có vận tốc qua áo nước được cải thiện và tổn thất áp suất giảm. Nhiệt độ dầu động cơ có thể được điều khiển bằng cách cải tiến thiết kế phù hợp trong hệ thống làm mát đã được thực hiện bởi Singh cùng cộng sự [18]. Kết quả cho thấy rằng tấm ngăn trên nắp máy sau khi cải tiến đã làm cho nhiệt độ dầu giảm khoảng 7oC, tiếp tục cải tiến thiết kế nắp máy để dòng chảy trực tiếp trên thân máy thì nhiệt độ dầu giảm 12,5oC. Thêm vào đó, sau khi thiết kế lại các cánh quạt ly tâm thì nhiệt độ dầu giảm tổng thể khoảng 24oC. Paul cùng cộng sự [19] đã nghiên cứu việc dùng không khí để giải nhiệt cho động cơ xylanh bằng cách giả định tập hợp các cánh là hình vành khuyên gắn trên một xilanh. Mô phỏng số đã được thực hiện để xác định các đặc tính truyền nhiệt của các thông số cánh khác nhau như: cánh, độ dày cánh, sự thay đổi vận tốc dòng không khí khi độ dày của cánh tăng lên. Khoảng cách giữa các cánh giảm dần, ảnh hưởng đến quá trình tạo rối giúp tăng sự truyền nhiệt. Số lượng cánh lớn tương ứng độ dày cánh nhỏ để giải nhiệt cho xe phân khối lớn thì dùng khá phổ biến, kết quả làm cho khả năng trao đổi nhiệt cao hơn. Agarwal cùng cộng sự [20] đã nghiên cứu sự truyền nhiệt bằng phương pháp - 12 -
15. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini mô phỏng số CFD (Computational Fluid Dynamic). Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc của xe, hình dạng cánh tản nhiệt và nhiệt độ xung quanh. Ở vận tốc 40km/h, 60km/h và 72km/h hệ số truyền nhiệt đã được tính toán từ giá trị dòng nhiệt 724W, 933,56W và 1123,03W tương ứng. Dang cùng cộng sự [21, 22] đã nghiên cứu nâng cao hiệu quả truyền nhệt của các bộ trao đổi nhiệt kênh mini bởi tăng số pass. Trong nghiên cứu này, khi số pass tăng từ ba đến năm, nhiệt lượng của bộ trao đổi nhiệt tăng. Tuy nhiên, các kết quả trong [15, 21, 22] đã không nghiên cứu tối ưu của số pass, chỉ số hoàn thiện cũng như tổn thất áp suất của các bộ trao đổi nhiệt này. 1.1.2 Trong nước Truyền nhiệt Mini/Micro là một hướng rất mới ở Việt Nam. Hiện nay, rất ít các nhà khoa học chuyên ngành về công nghệ nhiệt lạnh nghiên cứu về mini/micro heat transfer, mini/micro heat exchanger hay mini/micro heat sink. Trong các nghiên cứu liên quan đã thực hiện ở Việt Nam, Trung và Hùng [23] 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. Các kết quả này thu được thông qua đề tài nghiên cứu khoa học (NCKH) cấp trường trọng điểm (TĐ) 2011. Trung và Hùng [24] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng tính chất vật lý của lưu chất trong bộ tản nhiệt kênh micro qua đề tài NCKH cấp Trường TĐ 2012. 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+ . Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng bộ trao đổi nhiệt kênh micro đến quá trình - 13 -
16. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini ngưng tụ nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt cũng đã được thực hiện thông qua đề tài NCKH cấp Trường TĐ 2013 [25]. Nhóm tác giả cũng đang nghiên cứu cải tiến nâng cao giải nhiệt của két nước xe tay ga bằng bộ tản nhiệt kênh mini (minichannel heat sink) dùng công nghệ UV Light qua đề tài NCKH cấp trường TĐ 2014 [26]. Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ tập trung vào nghiên cứu phần đặc tính truyền nhiệt chứ không đề cập đến dòng chảy lưu chất cũng như chỉ số hoàn thiện. Bên cạnh đó, đề tài này chỉ thực hiện bởi phương pháp thực nghiệm chứ không dùng phương pháp mô phỏng số. Từ những tài liệu liên quan như trên, các nghiên cứu về nâng cao giải nhiệt bộ tản nhiệt vẫn đang dừng lại ở kết cấu macro truyền thống. Thêm vào đó, một chỉ số rất quan trọng đánh giá hiệu quả sử dụng nhiệt của một thiết bị trao đổi nhiệt đó là chỉ số hoàn thiện. Chỉ số hoàn thiện liên quan đến cả đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của thiết bị. Trong đó, bố trí dòng chảy là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến chỉ số hoàn thiện. Do vậy, nó rất quan trọng để nghiên cứu về ảnh hưởng của việc bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini. Bố trí dòng chảy được đề cập trong nghiên cứu này thông qua số pass. Nghiên cứu được thực hiện bởi cả phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm với các bộ trao đổi nhiệt có số pass lần lượt là 3, 5,7 và 9. Mục đích của nghiên cứu này là thực hiện một nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm để thiết kế chế tạo các bộ trao đổi nhiệt mới dùng kênh mini với số pass thay đổi từ 3 đến 9; tìm ra sự ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh kênh mini, nghiên cứu đưa ra kết quả tối ưu về hiệu quả truyền nhiệt trong những điều kiện hoạt động của bộ trao đổi nhiệt kênh mini. - 14 -
17. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini 1.2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.2.1 Mục tiêu Mục tiêu cụ thể đạt được Mô phỏng số truyền nhiệt và tổn thất áp suất cho bốn bộ tản nhiệt có số pass là 3, 5, 7 và 9. Thiết kế chế tạo ba bộ tản nhiệt mới dùng kênh mini với số pass là 3, 5, 7 và 9. Tìm ra sự ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm; nghiên cứu đưa ra những điều kiện hoạt động của bộ trao đổi nhiệt kênh mini để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt. Mục tiêu tổng quát 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. 1.2.2 Cách tiếp cận Từ các nghiên cứu liên quan, đi đến nghiên cứu một đối tượng cụ thể. Từ các nghiên cứu liên quan đã được công bố trên các tạp chí uy tín trên thế giới đã được xếp hạng như SCI, SCIE hay EI, nhóm tác giả thực hiện một nghiên cứu tổng quan những đối tượng liên quan đến đề tài, từ đó thấy được những vấn đề các nghiên cứu trước đã giải quyết, những vấn đề chưa giải quyết và cần giải quyết. 1.2.3 Phương pháp nghiên cứu Đề tài được thực hiện bởi sự kết hợp giữa lý thuyết nền tảng, mô phỏng số và thực nghiệm. - 15 -
18. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini Từ kết quả nghiên cứu tổng quan, nhóm nghiên cứu đưa ra đối tượng nghiên cứu, thiết kế mô hình, dùng phần mềm mô phỏng số học (COMSOL) để giải các phương trình toán học. Tiếp theo đó, nhóm nghiên cứu thực hiện thực nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng số và đồng thời cũng so sánh kết quả với các công bố liên quan khác. Các kết quả có giá trị được công bố trên một số hội nghị quốc tế có phản biện và đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín thuộc ISI. 1.2.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Quá trình truyền nhiệt, tổn thất áp suất và chỉ số hoàn thiện của bộ tản nhiệt kênh mini. Môi chất làm việc: Nước cất. Mô phỏng số về truyền nhiệt và tổn thất áp suất cho bốn bộ tản nhiệt có số pass là 3, 5, 7 và 9. Thiết kế chế tạo ba bộ tản nhiệt mới dùng kênh mini với số pass là 3, 5, 7 và 9. Nghiên cứu ảnh hưởng của bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của bộ tản nhiệt có kênh mini. 1.2.5 Nội dung nghiên cứu - Tổng quan các nghiên cứu liên quan - Đưa ra động lực nghiên cứu - Đưa ra đối tượng và phương pháp nghiên cứu - Mô phỏng số mô hình - 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. - 16 -
19. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini PHẦN 2 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 2.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC Để phân tích những đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất, một số giả thiết được đưa ra: - Lưu chất có tính liên tục - Truyền nhiệt ổn định - Bỏ qua truyền nhiệt bức xạ. Những phương trình chính yếu trong hệ thống này bao gồm phương trình liên tục, phương trình mômentum và phương trình năng lượng [26, 27]. Phương trình liên tục     u v w u v w 0 t x y z x y z (1) Phương trình Momentum u u u u 1 p  2u 2u  2u u v w x x2 y 2 z 2 t x y z (2a) v v v v 1 p   2v  2v  2v u v w y x 2 y 2 z 2 t x y z (2b) w w w w 1 p  2w 2w 2w u v w z x2 y2 z2 t x y z (2c) Trong điều kiện ổn định:  / t 0,  u /  t 0,  v /  t 0, và w/  t 0 , điều kiện biên cho nước đầu vào là: u. n dS m trong đó m là lưu lượng khối  lượng và vận tốc gió vào là u=0, v=0, w=w0; điều kiện biên cho đầu ra của dòng T chảy p=p0, và μ((∂u/∂x)+(∂v/∂y)+(∂w/∂z)+((∂u/∂x)+(∂v/∂)+(∂w/∂z)) =0. Trong những phương trình này, µ là độ nhớt động lực học, ρ là khối lượng riêng, u là vận tốc theo phương x, v là vận tốc theo phương y, w là vận tốc theo phương z, p là áp suất và p0 là áp suất ở đầu ra. - 17 -
20. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini Cho sự chuyển đổi năng lượng, các vách có điều kiện áp dụng cho vận tốc và nhiệt độ tại vách [23-27], những điều kiện này được thể hiện bởi u=0 Twall=Tfluid at wall Phương trình năng lượng T T T T   2T  2T  2T u v w Q c x 2 y 2 z 2 i t x y z p (3) Cho điều kiện ổn định, ∂T/∂t=0; điều kiện biên cho dòng chảy ở vị trí đầu vào là T=T0; điều kiện biên cho dòng chảy ở vị trí đầu ra được mô tả bởi n k  T 0 , Trong đó: Qi là sự phát sinh nhiệt bên trong, T là nhiệt độ, Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp,  là hệ số dẫn nhiệt. Với những điều kiện thực nghiệm trong nghiên cứu này, những đặc tính của lưu chất như mật độ dòng nhiệt, hiệu suất truyền nhiệt, tổn thất áp suất và chỉ số hoàn thiện của bộ trao đổi nhiệt sẽ được đề cập như sau. Ql = Qa = Q Hay mlcl(Tl,i – Tl,o) = maca(Ta,o – Ta,i) (4) Trong đó: Q là nhiệt lượng m là lưu lượng khối lượng c là nhiệt dung riêng đẳng áp T là nhiệt độ l là phía lỏng a là phía không khí i là đầu vào o là đầu ra Lượng nhiệt cực đại truyền qua thiết bị, Qmax, được tính Qmax = (mc)min(Tl,i – Ta,i) (5) - 18 -
21. Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini Hiệu suất truyền nhiệt (Theo phương pháp NTU) được xác định Q  (6) Qmax Mật độ dòng nhiệt được tính Q m c (T - T ) q a a a,o a,i (7) A nL cWc Hay T q k T lm (8) lm R Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit được xác định TT T max min lm T ln max T min (9) Trong đó m là lưu lượng khối lượng, n là số kênh mini, c là nhiệt dung riêng, T,i và T,o là nhiệt độ đầu vào và đầu ra, q là mật độ dòng nhiệt, A là diện tích truyền nhiệt, k là hệ số truyền nhiệt tổng và Tlm độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit. Chỉ số Reynolds được xác định: wD 2m Re h   W D c c (10) Tổn thất áp suất do ma sát được xác định bởi: L L p 2 f w2 2 f Re w D D 2 h h (11) Chỉ số hoàn thiện  được xác định bởi: Q  (12) P Trong đó Dh 4Ac / P là đường kính quy ước, w là vận tốc của nước theo phương z,  là độ nhớt động lực học, là khối lượng riêng, Ac là diện tích mặt cắt, P là chu vi ướt, L là chiều dài kênh và f là hệ số ma sát Fanning. - 19 -
22. S K L 0 0 2 1 5 4