Luận án TS Đoàn Minh Hùng: Đặc tính truyền nhiệt ngưng tụ kênh micro

Luận án tiến sĩ nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt quá trình ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro. Phân tích chi tiết qua mô phỏng số và thực nghiệm.

Chuyên ngành

Kỹ thuật Cơ khí

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận án Tiến sĩ

2021

173
1
0

Phí lưu trữ

45 Point

Tóm tắt

I. Toàn cảnh về nghiên cứu truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro

Lĩnh vực truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro đại diện cho một bước tiến quan trọng trong công nghệ nhiệt, đặc biệt là trong việc thu nhỏ và nâng cao hiệu suất các thiết bị trao đổi nhiệt micro. Công nghệ này khai thác nguyên lý cơ bản: khi đường kính thủy lực của kênh dẫn giảm xuống kích thước micro (thường dưới 1mm), hệ số truyền nhiệt đối lưu tăng lên đáng kể. Theo Kandlikar và King [1], mối quan hệ nghịch đảo này là nền tảng cho hiệu suất vượt trội của các hệ thống microfluidics. Không giống như các hệ thống vĩ mô, trong vi kênh, các hiệu ứng bề mặt như sức căng bề mặt trở nên chiếm ưu thế so với lực trọng trường, ảnh hưởng sâu sắc đến cơ chế dòng chảy hai pha và quá trình chuyển pha. Nghiên cứu trong lĩnh vực này không chỉ tập trung vào việc cải thiện mật độ dòng nhiệt mà còn hướng tới việc giảm kích thước tổng thể của thiết bị, tiết kiệm năng lượng và vật liệu. Các nghiên cứu ban đầu chủ yếu khám phá dòng một pha, nhưng tiềm năng thực sự nằm ở dòng hai pha, đặc biệt là quá trình ngưng tụ. Quá trình này rất quan trọng trong các ứng dụng như hệ thống điều hòa không khí, làm mát thiết bị điện tử công suất cao và các nhà máy điện siêu nhỏ. Luận án của Đoàn Minh Hùng (2021) đã đóng góp những dữ liệu khoa học quan trọng thông qua việc kết hợp giữa mô phỏng CFD và thực nghiệm để làm rõ các đặc tính truyền nhiệt phức tạp này, cung cấp cơ sở vững chắc cho việc thiết kế và vận hành các thiết bị ngưng tụ kênh micro hiệu quả hơn trong tương lai.

1.1. Tầm quan trọng của thiết bị trao đổi nhiệt micro

Các thiết bị trao đổi nhiệt micro đóng vai trò then chốt trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại nhờ kích thước nhỏ gọn và hiệu suất truyền nhiệt vượt trội. Tính ưu việt này đến từ tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích rất lớn, giúp tăng cường đáng kể mật độ dòng nhiệt. Trong các ứng dụng đòi hỏi sự nhỏ gọn như làm mát chip vi xử lý, thiết bị y sinh, hay hệ thống điều hòa không khí sử dụng các môi chất lạnh thế hệ mới, công nghệ vi kênh là giải pháp tối ưu. Việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro giúp khai thác tối đa tiềm năng này, cho phép thiết kế các bộ ngưng tụ nhỏ hơn, nhẹ hơn và hiệu quả hơn. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc tiết kiệm năng lượng vận hành.

1.2. Sự khác biệt cơ bản giữa ngưng tụ vĩ mô và vi mô

Sự khác biệt cốt lõi giữa ngưng tụ ở cấp độ vĩ mô và vi mô nằm ở sự thống trị của các lực vật lý. Trong các kênh lớn, lực trọng trường quyết định phần lớn đến chế độ dòng chảy, tạo ra hiện tượng ngưng tụ màng phân lớp. Ngược lại, trong vi kênh, sức căng bề mặt trở thành lực chi phối. Điều này dẫn đến các chế độ dòng chảy phức tạp hơn như dòng chảy nút (slug flow), dòng chảy vành khuyên (annular flow) và sự hình thành giọt lỏng rời rạc. Hơn nữa, tổn thất áp suất trong kênh micro thường cao hơn đáng kể do ảnh hưởng của ma sát tăng lên. Hiểu rõ những khác biệt này là điều kiện tiên quyết để xây dựng các mô hình lý thuyết và thực nghiệm chính xác cho quá trình truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro.

II. Các thách thức trong truyền nhiệt ngưng tụ và dòng chảy 2 pha

Việc nghiên cứu truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro đối mặt với nhiều thách thức đáng kể, chủ yếu xuất phát từ sự phức tạp của dòng chảy hai pha ở quy mô nhỏ. Một trong những khó khăn lớn nhất là dự đoán và kiểm soát chế độ dòng chảy. Các chế độ này, từ dòng bọt, dòng nút đến dòng vành khuyên, thay đổi liên tục dọc theo chiều dài kênh và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lưu lượng, chất lượng hơi và hình học kênh. Mỗi chế độ dòng chảy lại có một cơ chế truyền nhiệt và tổn thất áp suất riêng, khiến việc mô hình hóa trở nên cực kỳ khó khăn. Theo nghiên cứu của Sur và Liu [18], bốn mô hình dòng chảy chính đã được xác định, cho thấy sự đa dạng của hiện tượng. Thêm vào đó, tổn thất áp suất trong kênh micro là một vấn đề nghiêm trọng. Do đường kính thủy lực nhỏ, ma sát giữa lưu chất và thành kênh tăng mạnh, đòi hỏi công suất bơm lớn hơn và có thể ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệ thống. Việc cân bằng giữa việc tối đa hóa hệ số truyền nhiệt và giảm thiểu tổn thất áp suất là một bài toán tối ưu hóa hình học kênh đầy thách thức. Hơn nữa, việc đo lường chính xác các thông số như nhiệt độ cục bộ, bề dày màng lỏng và phân bố pha bên trong vi kênh đòi hỏi các thiết bị chuyên dụng và kỹ thuật phức tạp, gây khó khăn cho việc kiểm chứng các mô hình mô phỏng CFD.

2.1. Phân tích hiện tượng tổn thất áp suất trong vi kênh

Hiện tượng tổn thất áp suất là một trong những rào cản chính đối với hiệu suất của các thiết bị trao đổi nhiệt micro. Tổn thất này bao gồm ba thành phần chính: tổn thất do ma sát, do gia tốc dòng chảy (khi pha hơi chuyển thành pha lỏng có khối lượng riêng cao hơn) và do lực trọng trường (ảnh hưởng không đáng kể ở kênh ngang). Trong đó, tổn thất do ma sát chiếm phần lớn. Theo Garimella [69], độ giảm áp trong quá trình ngưng tụ là tổng của nhiều yếu tố phức tạp. Nghiên cứu của Đoàn Minh Hùng (2021) trên mẫu L32 cho thấy, khi lưu lượng hơi tăng từ 0.01 đến 0.06 g/s, độ giảm áp suất tăng vọt từ 1.5 đến 50 kPa. Việc dự đoán chính xác và giảm thiểu tổn thất áp suất là yếu tố sống còn để đảm bảo hiệu quả năng lượng của toàn hệ thống.

2.2. Sự phức tạp của các chế độ dòng chảy hai pha

Các chế độ dòng chảy trong quá trình ngưng tụ ở vi kênh rất đa dạng và khó dự đoán. Khi hơi bão hòa đi vào kênh, nó bắt đầu ngưng tụ trên thành, hình thành một màng lỏng. Ban đầu, chế độ dòng chảy có thể là dạng vành khuyên, với lõi hơi ở giữa và màng lỏng bao quanh. Khi lượng lỏng ngưng tụ tăng lên, màng lỏng dày lên và có thể gây ra sự không ổn định, dẫn đến sự hình thành giọt lỏng và chuyển sang chế độ dòng chảy nút hoặc dòng chảy sủi bọt. Mỗi chế độ dòng chảy này có cơ chế truyền nhiệt khác nhau; ví dụ, trong dòng chảy vành khuyên mỏng, dẫn nhiệt qua màng lỏng là chủ yếu, trong khi ở dòng chảy nút, quá trình đối lưu trong các nút lỏng đóng vai trò quan trọng. Sự chuyển tiếp giữa các chế độ này ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số truyền nhiệt cục bộ.

2.3. Ảnh hưởng của bề mặt kỵ nước đến sự ngưng tụ

Đặc tính bề mặt của kênh có ảnh hưởng lớn đến quá trình ngưng tụ. Trên các bề mặt thông thường (ưa nước), nước ngưng có xu hướng lan ra tạo thành một lớp màng liên tục, gọi là ngưng tụ màng. Lớp màng này tạo ra một điện trở nhiệt, làm cản trở quá trình truyền nhiệt. Ngược lại, trên các bề mặt kỵ nước (hydrophobic), nước ngưng tụ lại thành các giọt nhỏ, rời rạc, gọi là ngưng tụ giọt. Các giọt này sau khi đủ lớn sẽ lăn đi, để lộ ra bề mặt khô cho quá trình ngưng tụ tiếp theo. Cơ chế ngưng tụ giọt có thể cho hệ số truyền nhiệt cao hơn ngưng tụ màng gấp nhiều lần. Do đó, việc chế tạo các vi kênh với bề mặt kỵ nước là một hướng đi đầy hứa hẹn để tăng cường hiệu quả truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro.

III. Phương pháp mô phỏng CFD tối ưu hóa truyền nhiệt ngưng tụ

Mô phỏng động lực học chất lưu tính toán (CFD) là một công cụ mạnh mẽ và không thể thiếu trong nghiên cứu truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro. Phương pháp này cho phép các nhà nghiên cứu hình dung và phân tích các hiện tượng phức tạp bên trong vi kênh mà không thể quan sát trực tiếp bằng thực nghiệm. Trong luận án của mình, Đoàn Minh Hùng đã sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics để xây dựng các mô hình 3D chi tiết của thiết bị trao đổi nhiệt micro. Các mô hình này giải quyết đồng thời các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng cho cả pha lỏng và pha hơi. Một trong những ưu điểm lớn của mô phỏng CFD là khả năng thực hiện các nghiên cứu tham số một cách nhanh chóng và tiết kiệm chi phí. Ví dụ, nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của hình dạng và kích thước ống góp (manifold) đến sự phân bố đồng đều của lưu chất và hiệu quả chuyển pha. Kết quả cho thấy mẫu W150-A và W200-A với bề rộng ống góp 2.5 mm cho kết quả tối ưu nhất. Hơn nữa, CFD cho phép đánh giá các yếu tố khó đo lường thực nghiệm như biên dạng chuyển pha, sự phân bố nhiệt độ bên trong vật rắn, và trường vận tốc của dòng chảy hai pha. Việc kiểm chứng kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm, với sai số cực đại dưới 8%, đã khẳng định độ tin cậy của phương pháp này và cung cấp những hiểu biết sâu sắc cho việc tối ưu hóa hình học kênh.

3.1. Xây dựng mô hình 3D và thiết lập các phương trình toán học

Bước đầu tiên trong mô phỏng CFD là xây dựng một mô hình hình học 3D chính xác của thiết bị trao đổi nhiệt micro, bao gồm các vi kênh, ống góp và các lớp vật liệu. Sau đó, mô hình được chia lưới thành các phần tử nhỏ (meshing). Các phương trình toán học cốt lõi, bao gồm phương trình Navier-Stokes cho chuyển động chất lưu và phương trình năng lượng cho truyền nhiệt, được áp dụng cho từng phần tử. Đối với dòng chảy hai pha, các mô hình phức tạp hơn như Volume of Fluid (VOF) hoặc mô hình hỗn hợp (Mixture model) được sử dụng để theo dõi giao diện giữa pha lỏng và pha hơi. Việc lựa chọn mô hình rối phù hợp, chẳng hạn như k-ω SST (Shear Stress Transport) được Mirzabeygi và Zhang [14] đề xuất, cũng rất quan trọng để mô phỏng chính xác tổn thất áp suất và truyền nhiệt.

3.2. Vai trò của mô phỏng trong tối ưu hóa hình học kênh

Mô phỏng CFD là công cụ lý tưởng cho việc tối ưu hóa hình học kênh. Các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng thay đổi các thông số thiết kế như chiều rộng, chiều sâu, hình dạng mặt cắt ngang của vi kênh (vuông, chữ nhật, tam giác) và cấu trúc ống góp để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất. Trong nghiên cứu gốc, ba thiết bị W200-D1/D2/D3 với các hình dáng kênh khác nhau đã được mô phỏng. Kết quả chỉ ra rằng W200-D1 có hiệu quả ngưng tụ và khả năng gia công cao nhất, mặc dù sự khác biệt không quá lớn. Quá trình tối ưu hóa hình học kênh này giúp tìm ra thiết kế cân bằng tốt nhất giữa việc tăng cường hệ số truyền nhiệt, giảm tổn thất áp suất, và đảm bảo tính khả thi trong chế tạo, từ đó nâng cao chỉ số hoàn thiện (performance index) của thiết bị.

IV. Hướng dẫn thực nghiệm Đánh giá đặc tính truyền nhiệt ngưng tụ

Thực nghiệm đóng vai trò cốt yếu để kiểm chứng các kết quả từ mô phỏng CFD và cung cấp dữ liệu thực tế về hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt micro. Quá trình nghiên cứu thực nghiệm truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro đòi hỏi một hệ thống được thiết lập cẩn thận và các thiết bị đo lường có độ chính xác cao. Trong nghiên cứu của Đoàn Minh Hùng, hệ thống thí nghiệm bao gồm một vòng tuần hoàn hơi nước, một vòng tuần hoàn nước giải nhiệt, và thiết bị ngưng tụ mẫu được đặt ở giữa. Hơi nước bão hòa được tạo ra từ một nồi hơi, sau đó đi vào thiết bị ngưng tụ, tại đây nó trao đổi nhiệt với dòng nước giải nhiệt và ngưng tụ thành lỏng. Các cảm biến áp suất và nhiệt độ được lắp đặt tại các vị trí đầu vào và đầu ra của cả hai dòng lưu chất để ghi lại các thông số vận hành. Lưu lượng của hơi và nước được đo bằng cân điện tử có độ chính xác cao. Toàn bộ dữ liệu được thu thập bởi bộ ghi dữ liệu (data logger) MX100 và được xử lý trên máy tính. Các mẫu thử nghiệm như L32 và L52 được chế tạo dựa trên kết quả tối ưu từ mô phỏng. Bằng cách thay đổi các điều kiện vận hành như lưu lượng hơi, lưu lượng và nhiệt độ nước giải nhiệt, nghiên cứu đã xác định được các đặc tính quan trọng như công suất nhiệt, hệ số truyền nhiệt tổng, và tổn thất áp suất trong các điều kiện làm việc khác nhau.

4.1. Thiết lập hệ thống và quy trình đo lường thực nghiệm

Một hệ thống thực nghiệm tiêu chuẩn bao gồm các thành phần chính: bộ tạo hơi, thiết bị ngưng tụ mẫu, vòng lặp nước giải nhiệt (gồm bơm, lưu lượng kế, và bộ ổn nhiệt), hệ thống đo lường và thu thập dữ liệu. Hơi nước bão hòa được cấp vào mẫu, trong khi nước giải nhiệt chảy ngược chiều hoặc cùng chiều. Các cảm biến nhiệt độ (cặp nhiệt điện loại T) và cảm biến áp suất được đặt chính xác tại các cổng vào/ra để đo sự thay đổi nhiệt độ và tổn thất áp suất. Lưu lượng khối lượng được xác định bằng cách thu thập chất lỏng ngưng tụ và nước giải nhiệt trong một khoảng thời gian nhất định và đo khối lượng của chúng. Độ chính xác của các thiết bị đo là yếu tố quyết định độ tin cậy của kết quả thực nghiệm. Dữ liệu sau đó được sử dụng để tính toán công suất nhiệt, mật độ dòng nhiệthệ số truyền nhiệt.

4.2. Phân tích kết quả thực nghiệm và xác định hệ số truyền nhiệt

Dữ liệu thô từ thực nghiệm được xử lý để tính toán các thông số hiệu suất. Công suất nhiệt (Q) được xác định dựa trên sự tăng enthalpy của dòng nước giải nhiệt. Hệ số truyền nhiệt tổng (k) được tính toán từ công suất nhiệt, diện tích truyền nhiệt (F) và độ chênh nhiệt độ trung bình logarit (LMTD). Một trong những kết quả quan trọng từ thực nghiệm trên mẫu L52 là hệ số truyền nhiệt tăng từ 1704 lên 5200 W/(m².K) khi lưu lượng hơi tăng, nhưng sau đó lại giảm khi lưu lượng tiếp tục tăng cao. Hiện tượng này cho thấy sự phức tạp của dòng chảy hai pha, nơi mà sự gia tăng độ dày màng lỏng ở lưu lượng cao có thể làm tăng điện trở nhiệt. Những kết quả này rất hữu ích cho việc xây dựng các phương trình tương quan thực nghiệm, giúp dự đoán hiệu suất của các thiết bị tương tự trong thực tế.

V. Các ứng dụng thực tiễn từ truyền nhiệt ngưng tụ vi kênh

Nghiên cứu về truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro không chỉ mang ý nghĩa học thuật mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn có giá trị. Một trong những lĩnh vực hưởng lợi lớn nhất là công nghệ làm mát thiết bị điện tử. Với xu hướng thu nhỏ và tăng mật độ công suất của các vi mạch, CPU, và GPU, các phương pháp tản nhiệt truyền thống bằng không khí đang dần trở nên kém hiệu quả. Các thiết bị trao đổi nhiệt micro sử dụng ngưng tụ có thể cung cấp mật độ dòng nhiệt cực cao, cho phép làm mát hiệu quả các linh kiện công suất lớn trong một không gian nhỏ gọn. Trong ngành công nghiệp HVAC (Hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí), các bộ ngưng tụ kênh micro đang dần thay thế các bộ ngưng tụ ống-cánh truyền thống. Chúng không chỉ nhỏ hơn, nhẹ hơn mà còn yêu cầu lượng môi chất lạnh ít hơn đáng kể, giúp giảm chi phí và tác động đến môi trường. Nghiên cứu của Park và Hrnjak [23] cho thấy hệ thống dùng bộ ngưng tụ micro có hiệu suất cao hơn 13.1% và cần ít hơn 9.2 lần lượng môi chất. Lĩnh vực microfluidics và các phòng thí nghiệm trên chip (lab-on-a-chip) cũng là một ứng dụng tiềm năng, nơi việc kiểm soát nhiệt độ chính xác của các phản ứng hóa học hoặc sinh học ở quy mô nhỏ là rất quan trọng. Những hiểu biết từ nghiên cứu này, đặc biệt là về tối ưu hóa hình học kênh và kiểm soát dòng chảy hai pha, sẽ là nền tảng để phát triển các thế hệ thiết bị nhiệt hiệu suất cao tiếp theo.

5.1. Ứng dụng trong hệ thống điều hòa không khí và làm lạnh

Trong các hệ thống điều hòa và làm lạnh hiện đại, việc giảm kích thước bộ ngưng tụ và lượng môi chất lạnh nạp vào là mục tiêu hàng đầu. Các bộ ngưng tụ vi kênh đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu này. Nhờ hệ số truyền nhiệt cao, chúng có thể đạt được cùng một công suất lạnh với kích thước nhỏ hơn nhiều so với các dàn ống đồng-cánh nhôm truyền thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô, nơi không gian và trọng lượng là những yếu tố hạn chế. Việc sử dụng ít môi chất lạnh hơn, chẳng hạn như R134a hoặc các môi chất thế hệ mới có GWP (Global Warming Potential) thấp, cũng giúp các hệ thống này thân thiện hơn với môi trường.

5.2. Giải pháp tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất cao

Sự phát triển của ngành công nghiệp bán dẫn đang đối mặt với thách thức về tản nhiệt. Các chip máy tính, đèn LED công suất cao, và các mô-đun điện tử công suất tạo ra một lượng nhiệt lớn trên một diện tích nhỏ, tức là có mật độ dòng nhiệt rất cao. Các hệ thống làm mát bằng thiết bị trao đổi nhiệt micro dựa trên nguyên lý chuyển pha (sôi và ngưng tụ) là giải pháp hiệu quả nhất. Chúng có thể duy trì nhiệt độ hoạt động của linh kiện ở mức ổn định, đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ. Kiến thức về truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro cho phép thiết kế các vòng lặp nhiệt (heat loop) hoặc ống dẫn nhiệt (heat pipe) siêu nhỏ và hiệu quả, tích hợp trực tiếp vào các thiết bị điện tử.

VI. Tương lai ngành truyền nhiệt ngưng tụ và các hướng đi mới

Lĩnh vực truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro vẫn còn nhiều tiềm năng chưa được khai phá, hứa hẹn những đột phá trong tương lai. Một trong những hướng nghiên cứu trọng tâm là phát triển các bề mặt chức năng hóa. Việc tích hợp các cấu trúc vi-nano hoặc phủ các lớp vật liệu siêu kỵ nước (bề mặt kỵ nước) có thể thúc đẩy mạnh mẽ chế độ ngưng tụ giọt, giúp tăng vọt hệ số truyền nhiệt. Hướng đi này đòi hỏi sự kết hợp liên ngành giữa khoa học vật liệu, công nghệ chế tạo vi mô và kỹ thuật nhiệt. Một hướng khác là nghiên cứu các hình dạng kênh phức tạp và tối ưu hóa cấu trúc 3D. Thay vì các kênh thẳng, các thiết kế có cấu trúc gợn sóng, ziczac, hoặc có các chướng ngại vật nhỏ có thể tạo ra các dòng chảy xoáy thứ cấp, phá vỡ lớp màng lỏng và tăng cường truyền nhiệt. Tuy nhiên, điều này cũng làm tăng tổn thất áp suất, do đó cần có sự tối ưu hóa hình học kênh cẩn thận. Việc sử dụng các môi chất lạnh mới, thân thiện với môi trường và có đặc tính nhiệt động tốt hơn cũng là một lĩnh vực quan trọng. Cuối cùng, việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (machine learning) vào quá trình thiết kế và mô phỏng CFD có thể đẩy nhanh quá trình tối ưu hóa, giúp tìm ra các thiết kế đột phá mà các phương pháp truyền thống khó có thể đạt được. Tương lai của ngành này sẽ phụ thuộc vào khả năng làm chủ các hiện tượng phức tạp của dòng chảy hai pha ở cấp độ vi mô.

6.1. Phát triển các bề mặt chức năng và cấu trúc vi nano

Tương lai của việc tăng cường truyền nhiệt nằm ở việc kiểm soát giao diện lỏng-rắn-hơi. Việc chế tạo các bề mặt kỵ nước với các cấu trúc phân cấp (hierarchical structures) ở cả quy mô micro và nano có thể tối ưu hóa sự hình thành giọt lỏng và cơ chế loại bỏ giọt ngưng. Các kỹ thuật như khắc axit, lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD), hoặc in thạch bản (lithography) đang được khám phá để tạo ra các bề mặt như vậy. Mục tiêu là đạt được trạng thái siêu kỵ nước bền vững, có khả năng chống bám bẩn và duy trì hiệu suất ngưng tụ giọt cao trong thời gian dài.

6.2. Nghiên cứu các loại môi chất lạnh và nanofluid thế hệ mới

Việc tìm kiếm các môi chất lạnh thay thế có tiềm năng nóng lên toàn cầu (GWP) thấp là một yêu cầu cấp thiết. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào đặc tính truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro của các môi chất này, chẳng hạn như hydrofluoroolefin (HFO) hoặc các môi chất tự nhiên như CO2 và amoniac. Ngoài ra, việc sử dụng nanofluid – chất lỏng chứa các hạt nano lơ lửng – cũng là một hướng đi thú vị. Các hạt nano có thể làm thay đổi tính chất nhiệt-vật lý của chất lỏng, có khả năng tăng cường hệ số truyền nhiệt. Tuy nhiên, các thách thức về độ ổn định, sự ăn mòn và tắc nghẽn vi kênh cần được giải quyết triệt để.

04/10/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro Trong những năm gần đây, công nghệ micro/nano đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như điện tử, vi sinh, kỹ thuật hóa học và nhà máy điện nguyên tử micro,. Trong đó, thiết bị truyền nhiệt microchannel là một trong những ứng dụng của công nghệ này bởi tính ưu việt là kích thước nhỏ và mật độ dòng nhiệt lớn. Kandlikar và King [1] đã chỉ ra sự ảnh hưởng của đường kính thủy lực đến hệ số tỏa nhiệt đối lưu của nước và không khí trong điều kiện chảy tầng như hình 1.

Mối quan hệ này cho thấy khi đường kính thủy lực càng nhỏ thì hệ số tỏa nhiệt đối lưu càng lớn.1: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu [1] Brandner cùng các cộng sự [2] đã mô tả những thiết bị trao đổi nhiệt (TBTĐN) kênh micro được chế tạo từ polymer, nhôm, gốm ceramic,. Đồng thời đã chỉ ra các ứng dụng của nó trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp. TBTĐN kênh micro được chế tạo từ thép không gỉ, với lưu chất là nước được giới thiệu như hình 1. Trong điều kiện lưu lượng 2000 kg/(m2.s) thì tổn thất áp suất trên một hành trình/ một chặng (còn gọi là một pass ống) là 0,5 MPa.

Công suất cực đại lên đến 1 MW khi chúng được ghép song song với nhau.2: TBTĐN kênh micro được chế tạo từ thép không gỉ Ngày nay, thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giải nhiệt cho các thiết bị có yêu cầu kích thước nhỏ, cấp nhiệt cho các qui trình công nghệ nhằm tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường,. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro cho dòng chảy một pha, dòng hai pha, các thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 [1, 2]. Trong đó, các vấn đề liên quan đến thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro cho dòng chảy một pha được đề cập khá đầy đủ nhưng các nghiên cứu cho dòng chảy hai pha, đặc biệt là quá trình ngưng tụ trong kênh micro còn khá khiêm tốn. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.

Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Tổng quan về đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trong TBTĐN kênh micro đã thực hiện bởi Dang cùng cộng sự [3]. Ngoài ra, Dang [4] cũng đã mô phỏng số và thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất cho những TBTĐN kênh micro hình chữ nhật. Martínez-Ballester cùng các cộng sự [5] đã nghiên cứu 2 trên mô hình số học cho một số thiết bị ngưng tụ kênh micro giải nhiệt bằng không khí. Kết quả tính toán lý thuyết cho thấy việc sử dụng thiết bị ngưng tụ kênh micro khả thi hơn so với phương pháp nâng cao hiệu suất cánh.

Gosai và Joshi [6] đã nghiên cứu tổng quan về dòng hai pha trong các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro. Lĩnh vực về dòng hai pha vẫn còn mới mẻ, nó cần được sự quan tâm nghiên cứu nhiều hơn nữa. Kết quả đã đề xuất nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dáng hình học trên mô hình dòng hai pha bằng CFD (Computational Fluid Dyanmics) và thực nghiệm. Hansan cùng các cộng sự [7] đã đánh giá sự ảnh hưởng về kích thước đến đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất của bộ trao đổi nhiệt kênh micro bằng phương pháp thể tích hữu hạn (FVM - Finite Volume Method).

Quá trình mô phỏng được thực hiện trên các kênh micro có hình dáng mặt cắt ngang là hình vuông, hình chữ nhật, hình tròn, hình thang và hình tam giác đều có chiều dài kênh là 10 mm. Trong nghiên cứu này các điều kiện về tính chất vật lý của vật liệu đã được giả định là hằng số. Kết quả mô phỏng 3D cho thấy rằng với cùng thể tích bộ trao đổi nhiệt khi tăng số lượng kênh sẽ làm tăng hiệu suất và tăng độ giảm áp suất. Kênh có biên dạng hình tròn có hiệu suất tổng thể tốt nhất, nhưng với kênh hình vuông thì tổn thất áp suất dọc đường là thấp nhất (tại điều kiện Re = 50).

Đối với kênh vuông khi chỉ số Re càng tăng và số kênh càng nhiều thì tổng tổn thất áp suất dọc dường của thiết bị càng lớn và chỉ số hoàn thiện càng giảm. Mohammed cùng các cộng sự [8] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh đến hiệu suất nhiệt và dòng chảy của bộ tản nhiệt kênh micro bằng mô phỏng số theo phương pháp FVM. Ba bộ tản nhiệt kênh micro hình chữ nhật có cùng đường kính thủy lực Dh = 339,15 m, nhưng chúng khác nhau về hình dáng kênh: kênh zigzag, kênh cong và kênh nhảy bậc, cả ba đã được mô phỏng số để so sánh với bộ tản nhiệt có kênh thẳng và gợn sóng. Hiệu suất bộ tản nhiệt kênh micro được đánh giá dựa trên thông số nhiệt độ, hệ số truyền nhiệt, tổn thấp áp suất, hệ số ma sát, ứng suất trượt.

Kết quả là trong cùng diện tích mặt cắt ngang thì kênh micro zigzag có hệ số truyền nhiệt lớn nhất, thứ hai là kênh cong. Tuy nhiên tổn thất áp suất trong các bộ tản nhiệt 3 này cao hơn so với các bộ tản nhiệt kênh thẳng và gợn sóng. Trong đó, bộ tản nhiệt kênh zigzag có tổn thất áp suất, hệ số ma sát và ứng suất trượt là lớn nhất. Hernando cùng các cộng sự [9] đã nghiên cứu thực nghiệm về tổn thất áp suất dọc đường, mật độ dòng nhiệt và hệ số truyền nhiệt tổng cho dòng một pha trên hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro.

Mẫu thứ nhất có 100 kênh vuông 100 x 100 m và mẫu thứ hai là 50 kênh vuông 200 x 200 m. Cả hai mẫu được chế tạo từ thép không gỉ, sử dụng môi chất là nước đã khử Ion cho cả phía nóng và lạnh. Các kết quả thực nghiệm đã được so sánh và phân tích phù hợp với lý thuyết truyền nhiệt. Liu cùng các cộng sự [10] đã khảo sát thực nghiệm các đặc tính về dòng chảy và truyền nhiệt của lưu chất trong kênh micro hình chữ nhật trong điều kiện tạo xoáy dọc theo kênh có đường tương đương 187,5 m với hệ số Co = 0,067 (hệ số Co là tỉ số giữa hằng số Laplace và đường kính thủy lực của kênh) và Re = 170 - 1200.

Kết quả cho thấy hiệu suất truyền nhiệt được cải thiện cao hơn từ 9 - 21% cho trường hợp chảy tầng và từ 39 - 90% cho trường hợp chảy rối. Tuy nhiên, tổn thất áp suất lớn hơn từ 34 - 83% đối với chảy tầng và 61 - 169% đối với chảy rối. Thêm vào đó, Chu cùng các cộng sự [11] đã nghiên cứu thực nghiệm tổn thất áp suất do ma sát của dòng nước trong kênh micro cong hình chữ nhật khi các hệ số Co và bán kính cong thay đổi trong điều kiện Re từ 10 đến 600. Kết quả phân tích dữ liệu thực nghiệm cho thấy phương trình Navier – Stokes truyền thống áp dụng được cho dòng lưu chất không chịu nén và chảy tầng trong kênh micro.

Các thông số hình học: hệ số Co, bán kính cong ảnh hưởng quan trọng đến dòng chảy lưu chất. Ling cùng các cộng sự [12] mô phỏng trực tiếp trong không gian ba chiều cho quá trình sôi của dòng chảy trong kênh micro hình chữ nhật bằng phương pháp FVM. Kết quả sự kết hợp giữa các bọt bong bóng làm mật độ dòng nhiệt tăng theo thời gian. Lớp màng giữa chất lỏng, vách và bong bóng là yếu tố chính làm tăng mật độ dòng nhiệt khi lưu chất sôi trong kênh micro.

Mirzabeygi và Zhang [13] 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 4 phỏng số. Đồng thời so sánh giữa mô hình không gian ba chiều với mô hình không gian gần như ba chiều. Kết quả đã chỉ ra mô hình số ba chiều được xem là chính xác hơn khi mô phỏng dòng chảy rối cho dòng hai pha trong thiết bị ngưng tụ. Mirzabeygi và Zhang [14] cũng đã dùng phương pháp số để mô phỏng dòng chảy hai pha và khả năng truyền nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, từ đó so sánh để xác định mô hình chảy rối phù hợp nhất.

Kết quả cho thấy mô hình k- STT (Shear Stress Transport) cho hiệu quả tốt nhất, sai số nhỏ nhất. Nghiên cứu sự ngưng tụ của bộ trao đổi nhiệt nhỏ được thực hiện bởi García- Cascales cùng các cộng sự [15]. Trong nghiên cứu thực nghiệm quá trình ngưng tụ này các kết quả đã được so sánh giữa các thiết bị kênh micro và mini trong nhiều trường hợp khác nhau. Đồng thời kết quả đó cũng đã được so sánh với các kết quả tính toán từ thuật toán tính lặp.

Thêm vào đó, bề dày của thành chất lỏng tại vị trí xuất hiện sự ngưng tụ (hơi – lỏng) trong kênh micro đặt nằm ngang đã được Jarrah cùng các cộng sự [16] nghiên cứu bằng phương trình Navier-Stockes và phương trình năng lượng. Trong đó, thông số của hơi và lỏng tại trạng thái bão hòa kết hợp với điều kiện biên được giả định và chất lỏng cũng được giả định không chịu nén. Kết quả khi nhiệt độ và vận tốc giảm thì bề dày thành lỏng giảm. Hơn nữa, Yin cùng các cộng sự [17] đã sử dụng phương pháp NTU (Number of Transfer Units method) để phân tích quá trình truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ kênh micro có một hành trình (một pass) và hai hành trình (hai pass).

Thiết bị ngưng tụ kênh micro sử dụng môi chất lạnh và được giải nhiệt bằng không khí, thiết bị có 23 kênh với đường kính qui ước cho mỗi kênh là 0,75 mm. Trong nghiên cứu này, các kết quả tính toán đồng thuận với thực nghiệm. Liên quan đến các mô hình dòng chảy hai pha trong kênh micro, Sur và Liu [18] đã thực nghiệm và thu được bốn mô hình dòng chảy: dòng nhiều bọt, dòng chảy chậm, dòng chảy xoáy và dòng chảy hình vành khuyên trong kênh micro tròn có đường kính thủy lực 100, 180 và 324 m khi cho hòa trộn giữa khí – nước. Choi cùng các cộng sự [19] đã nghiên cứu mô hình dòng chảy khi hòa trộn giữa nước với khí N2 và He trên kênh micro hình chữ nhật có đường kính thủy lực 490, 490, 322 và 143 m với 5 tỉ lệ Co cho các kênh tương ứng là 0,92; 0,67; 0,47 và 0,19.

Bổ sung vào đó, Choi cùng các cộng sự [20] cũng đã nghiên cứu về trạng thái và sự giảm áp cho dòng nhiều bong bóng đơn trong kênh micro.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ