CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vấn đề nghiên cứu Đặc trưng của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro là kích thước nhỏ nhưng mật độ dòng nhiệt lớn như hình 1.1: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu phụ thuộc vào kích thước kênh cho dòng chảy tầng bởi Kandlikar và Ring Hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị kênh micro phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố; từ nhiệt độ lưu chất, loại lưu chất, kích thước kênh, sức căn bề mặt, kích thước màng lỏng,. Sự ảnh hưởng của kích thước, nhiệt độ và lưu lượng giải nước giải nhiệt đến hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ kênh micro đã được tác giả trình bày trong các nghiên cứu trước, nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của thiết bị ngưng tụ kênh micro qua hệ số truyền nhiệt và lực trọng trường.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Các công trình nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro cho cả dòng 1 pha và 2 pha trong thời gian gần đây đã được nhiều nhà khoa học quan tâm. Jiang và cộng sự [1] đã nghiên cứu các mô hình dòng chảy hai pha để ngưng tụ hỗn hợp ethanol-nước trong các kênh 5 Luan van micro hình tam giác. Nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra các mô hình dòng chảy bị ảnh hưởng bởi nồng độ ethanol đầu vào và mật độ dòng khối.
Nghiên cứu thực nghiệm về dòng ngưng tụ của hỗn hợp hydrophobic trong một kênh micro cũng đã được trình bày bởi Zhang và cộng sự [2]. Sự thay đổi tính kỵ nước của bề mặt và nồng độ ethanol đóng một vai trò quan trọng trong sự ngưng tụ dòng chảy của hỗn hợp trong kênh micro. Tăng cường truyền nhiệt ngưng tụ cho lưu chất không dẫn điện trong bộ tản nhiệt kênh micro đã được thực hiện bởi Lin và Wang [3]. Kết quả chỉ ra rằng bộ tản nhiệt kênh micro với kênh dẫn lưu chất micro có thể đạt được hệ số truyền nhiệt tăng từ 5 15%.
Ngoài ra, áp suất qua kênh sẽ giảm trong khoảng 5 25%. Fronk và Garimella [4] đã nghiên cứu về sự ngưng tụ khí carbon dioxide trong các kênh micro. Trong nghiên cứu này, các kênh được chế tạo trên một chất nền bằng đồng bằng cách mạ đồng lên khuôn mẫu bằng phương pháp in thạch bản X-ray và được làm kín bằng các liên kết khuyếch tán. Mô hình dòng chảy quá độ trong suốt quá trình ngưng tụ trong kênh micro đã được thực hiện trong nghiên cứu [5, 6].
Tuy nhiên, các chất làm lạnh R134a và R1234ze(E) là lưu chất trong [5]. Nhiệt độ bão hòa là 20 25°C với mật độ dòng khối thay đổi từ 6 50 kg/m2s. Jiang et al. [7] nghiên cứu sự ngưng tụ hỗn hợp ethanol-nước trong các kênh micro hình thang.
Các kết quả thí nghiệm cho thấy các mô hình dòng chảy liên quan chặt chẽ đến sự khác biệt về năng lượng tự do bề mặt như nhau. Mghari và cộng sự [8, 9] đã nghiên cứu tăng cường truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro không tròn và kênh micro vuông. Trong nghiên cứu này, việc giảm đường kính thủy lực kênh micro từ 250 80 μm làm giảm độ dày của màng ngưng tụ và tăng hệ số truyền nhiệt trung bình lên tới 39% với cùng một mật độ dòng khối. Yếu tố tăng cường cho hệ số truyền nhiệt đạt 100% là sự tăng góc tiếp xúc từ 6 15°C.
Chen et al. [10] mô phỏng dòng chảy ngưng tụ trong một kênh micro hình chữ nhật. Trong nghiên cứu này, pha hơi trong kênh micro tạo thành một cột liên tục với đường kính giảm dần từ đầu vào tới đầu ra. Tuy nhiên, kết quả trong [10] không thực nghiệm để so sánh với mô phỏng số.
Sử dụng phương pháp khối hữu hạn giải các phương trình toán học để mô phỏng trực tiếp trong không gian ba chiều quá trình sôi của dòng chảy trong kênh micro hình chữ nhật được nghiên cứu bởi Ling cùng cộng sự [11]. Kết quả sự kết hợp giữa các bọt bong bóng làm mật độ dòng nhiệt tăng theo thời gian và lớp màng giữa chất lỏng, bong bóng và vách khi sôi trong kênh micro là nguyên do chính làm cho mật độ dòng nhiệt lớn. 6 Luan van 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 bằng mô phỏng số và thực nghiệm được thực hiện bởi Hernando cùng cộng sự [12]. Kết quả được so sánh phù hợp với lý thuyết truyền nhiệt và dòng chảy nhớt cổ điển.
Không có sự ảnh hưởng khi tăng cường sự trao đổi nhiệt hoặc tăng độ sụt áp suất trong kênh micro. Chu cùng cộng sự [13] đã nghiên cứu đặc tính sụt giảm áp suất do ma sát trong dòng chảy lưu chất khi chảy xuyên qua kênh micro cong hình chữ nhật với môi chất là nước, trong điều kiện với các hệ số co và bán kính cong thay đổi khi cho chỉ số Re thay đổi từ 10 đến 600. Kết quả chỉ ra rằng phương trình Navier – Stokes cổ điển áp dụng được cho dòng lưu chất không chịu nén chảy tầng qua kênh micro cong hình chữ nhật, các thông số hình học: hệ số co, bán kính cong có ảnh hưởng quan trọng đến dòng chảy lưu chất. Bên cạnh đó, Liu cùng cộng sự [14] nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính dòng chảy và khả năng trao đổi nhiệt của lưu chất trong kênh micro hình chữ nhật trong điều kiện tạo xoáy dọc theo kênh có đường kính qui ước 187.5m, hệ số co 0.067 và chỉ số Reynold thay đổi từ 170 1200.
Kết quả, hiệu suất truyền nhiệt được cải thiện (cao hơn 9-21% đối với chảy tầng và cao hơn 39-90% đối với chảy rối) với độ sụt áp lớn hơn (3483% đối với chảy tầng và 61169% đối với chảy rối). Liên quan đến lĩnh vực truyền nhiệt dòng chảy lưu chất hai pha trong thiết bị ngưng tụ, Hu và Zhang [15] đã phát triển mô hình chảy rối k- để mô phỏng dòng chảy và khả năng truyền nhiệt của dòng hai pha trong thiết bị ngưng tụ bằng phương pháp số. Kết quả cho thấy sự cải thiện rõ rệt khả năng dự đoán chính xác của mô hình so với các nghiên cứu liên quan với cùng giá trị độ nhớt rối không đổi. Quan cùng cộng sự [16] đã thực nghiệm quá trình ngưng tụ của hơi nước trong kênh silicon micro có đường kính qui ước 109m, 142m, 151m và 259m.
Nó cho thấy rằng sự giảm áp do ma sát 2 pha chịu ảnh hưởng rất lớn bởi đường kính qui ước, lưu lượng và chất lượng hơi. Kết quả sự giảm áp của thực nghiệm so với phương trình tương quan trong khoảng 15%. Quan cùng cộng sự [17] đã kế thừa mô hình [10] để thực nghiệm quá trình truyền nhiệt ngưng tụ hình khuyên (annular condensation) cho hơi nước bão hòa trong kênh micro hình thang có đường kính qui ước 127m và 173m, có cùng chiều dài 60mm và cùng tỉ lệ Wt/H = 3. Kết quả cũng cho thấy hiệu quả truyền nhiệt tăng khi giảm đường kính qui ước.
Để tăng hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ Zhong cùng cộng sự [18] đã sử dụng cơ chế tách riêng biệt lỏng – hơi trong thiết bị ngưng tụ kênh micro (LSMC) so sánh với thiết bị ngưng tụ kênh micro thông thường (PFMC) có cùng dh = 1mm. Kết quả thực nghiệm với với 7 Luan van môi chất R134a thì hệ số truyền nhiệt trung bình của LSMC vượt trội hơn so với PFMC khi lưu lượng lớn hơn 590kg/m2.s và độ chênh áp của LSMC giảm từ 30. Hu và Chao [19] đã nghiên cứu trên 5 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), kết quả hệ số tỏa nhiệt đối lưu 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. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy 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. Fossa [20] xây dựng mô hình đơn giản để đánh giá đặc tính dòng chảy và khả năng truyền nhiệt của dòng chảy vùng hai pha. Kết quả, tác giả cung cấp thêm kiến thức về sự tương tác hỗn hợp hai pha lỏng – khí và khả năng truyền nhiệt trong dòng chảy hai pha, dòng chảy vòng và dòng chảy trong điều kiện đẳng nhiệt.
Mirzabeygi và Zhang [21] đã phát triển mô hình số ba chiều để mô phỏng đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trong thiết bị ngưng tụ bằng phương pháp mô phỏng số. Tiếp sau đó, tác giả thực hiện so sánh giữa mô hình không gian ba chiều hiện tại với mô hình không gian gần như ba chiều. Kết quả, mô hình số ba chiều được chứng minh khá chính xác khi mô phỏng dòng chảy rối hai pha trong thiết bị ngưng tụ. Mirzabeygi và Zhang [22] dùng phương pháp số để mô phỏng dòng chày hai pha và khả năng truyền nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, từ đó so sánh, xác định mô hình chảy rối phù hợp nhất.
Kết quả cho thấy mô hình k- STT cho hiệu suất tốt nhất, ít lỗi nhất. Cho cùng cộng sự [23] đã nghiên cứu chế tạo thiết bị ngưng tụ dạng ống kênh micro 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.
Nghiên cứu sự ngưng tụ của bộ trao đổi nhiệt nhỏ được thực hiện bởi García-Cascales cùng cộng sự [24]. Trong nghiên cứu này, tác giả đã nghiên cứu bằng thực nghiệm trên một số thiết bị ngưng tụ và bay hơi. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự so sánh quá trình ngưng tụ trong các kênh micro và mini trong các điều kiện làm việc khác nhau. Đồng thời kết quả đó cũng đã được so sánh với các kết quả tính toán từ thuật toán tính lặp.
Hrnjak và Litch [25] 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 700m và cái thứ hai là thiết bị ngưng tụ ống uốn khúc có kênh macro có đường kính quy ước 4,04mm. Tỉ số giữa 8 Luan van 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%.