Chương I TỔNG QUAN 1.Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ thế giới, các ngành kỹ thuật của nước ta nói chung cũng như ngành kỹ thuật nhiệt nói riêng đã và đang phát triển mạnh, đặt ra các yêu cầu thiết mới. Một trong số đó là việc giảm kích thước thiết bị nhưng vẫn nâng cao hiệu quả làm việc của chúng, Công nghệ micro – công nghệ mới được coi là nền tảng khoa học công nghệ quan trọng nhất trong thế kỷ 21, đã ra đời đáp ứng các yêu cầu này. Những năm gần đây, tại Việt Nam các nhà nghiên cứu trong ngành kỹ thuật nhiệt đã áp dụng công nghệ này vào các thiết bị trao đổi nhiệt, thu được các kết quả khả quan như: khả năng trao đổi nhiệt tăng lên, kích thước của những bộ trao đổi nhiệt giảm xuống, hiệu suất truyền nhiệt ngày càng được cải thiện. Đây là nền tảng cho sự phát triển sản xuất những bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn mà hiệu suất cao đáp ứng theo sự đòi hỏi của xã hội trong bối cảnh tốc độ đô thị hóa ngày càng cao ở nước ta.
Sau thời gian tìm hiểu các đề tài nghiên cứu được công bố trên các tạp chí trong nước và quốc tế, tác giả thấy rằng các kết quả thực nghiệm về ảnh hưởng của lực trọng trường đến hiệu quả ngưng tụ trong ống micro còn khá khiêm tốn. Do vậy, người nghiên cứu quyết định chọn đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của lực trọng trường đến hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ ống micro. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần bổ sung thêm các kết quả thực nghiệm có giá trị khoa học về truyền nhiệt micro, tạo nền tảng cho sự phát triển theo hướng nghiên cứu trong lĩnh vực truyền nhiệt micro/nano tại bộ môn Nhiệt lạnh trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh.Tổng quan các nghiên cứu liên quan Các nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt về tiết kiệm năng lượng và tăng cường hiệu suất truyền nhiệt là một trong những vấn đề được quan tâm nghiên cứu thực hiện ở rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. Cùng với tình hình nghiên cứu của thế giới, các nhà khoa học ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu đóng góp về lĩnh vực này và đạt được những kết quả nhất định.
Để có thêm cơ sở thực hiện đề tài, các bài báo của các nhà khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài đã được tìm hiểu. Nghiên cứu ngoài nước Liên quan đến nghiên cứu quá trình ngưng tụ liên quan tới hình dáng trong kênh micro đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm, Wang cùng cộng sự [1] đã khảo sát ảnh hưởng của các hình dạng kênh tới sự ngưng tụ của R134a trong kênh có mặt cắt ngang: hình vuông, hình tam giác, hình tam giác ngược, hình chữ nhật với mặt cắt dọc, hình chữ nhật với mặt cắt ngang và hình tròn. Các thí nghiệm được 2 tiến hành ở mật độ khối lượng không đổi G = 500 kg/m s, nhiệt độ hơi nước ở trạng o thái bão hòa Thơi = 50 C, và có tính đến sức căng bề mặt, ứng suất cắt của hơi và trọng lực. Kết quả cho thấy kênh hình tam giác có hệ số truyền nhiệt cao nhất là 6 2 kW/m.
Ngoài ra, Achkar cùng cộng sự [2] đã nghiên cứu mô hình dòng chảy và truyền nhiệt trong quá trình ngưng tụ của một kênh micro mặt cắt hình vuông giải nhiệt bằng gió. Phần kiểm tra bao gồm một kênh micro borosilicate vuông, các cạnh bên trong và bên ngoài tương ứng là 553 mm và 675 mm, và có chiều dài 208 mm. Một sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa pha lỏng và hơi được nhấn mạnh. Do đó, các nhiệt ẩn và mật độ dòng nhiệt được định lượng và so sánh với nhau.
Dãy mật độ khối lượng khác nhau từ 3 đến 15 kg /m2s đã được áp đặt. Ba chế độ dòng chảy chính được xác định là: chế độ hình khuyên, chế độ liên tục, và chế độ bong bóng hình cầu. Sơ đồ thực nghiệm của Achkar cùng cộng sự [2] được thể hiện qua hình 1.1 Sơ đồ thực nghiệm của Achkar. Chen cùng các cộng sự [3] đã nghiên cứu một mô hình một chiều ổn định cho dòng chảy ngưng tụ hình khuyên trong kênh micro micro tam giác.
Việc phân phối bán kính cong của dòng ngưng tụ đi cùng các kênh đã được xác định về số lượng. Kết quả chỉ ra rằng bán kính cong của pha lỏng sẽ tăng mạnh ngay từ đầu, và sau đó khi quá trình ngưng tụ xảy ra dọc theo chiều dài của kênh micro, việc tăng bán kính sẽ xảy ra chậm hơn. Vào giai đoạn cuối của dòng chảy ngưng tụ, bán kính tăng nhanh trở lại. Góc tiếp xúc và mật độ dòng nhiệt sẽ nhỏ hơn hoặc đường kính thủy lực và áp suất hơi nước sẽ lớn hơn, là các kết quả được ghi nhận trong thời gian ngưng tụ lâu hơn.
Bên cạnh đó, Quan và các cộng sự [4] đã tiến hành nghiên cứu sự chênh áp cho hơi nước ngưng tụ trong bốn kênh Micro silicon hình thang có đường kình thủy lực lần lượt là 109 , 142 , 151 , 259. Trong nghiên cứu này, đặc trưng của sự chênh áp đã được nghiên cứu thực nghiệm cho sự ngưng tụ hơi nước trong kênh Micro với mặt cắt ngang là hình thang. Kết quả đo được sự chênh áp tăng khi tăng dòng chất, chất lượng hơi và giảm đường kính kênh micro. 3 Chen cùng các cộng sự [5] đã nghiên cứu mô phỏng số về các dòng chảy ngưng tụ của môi chất lạnh FC-72 trong một kênh micro hình chữ nhật có đường kính thủy lực 1mm bằng mô hình khối lượng của chất lỏng (VOF).
Sự truyền nhiệt liên quan đến sự ngưng tụ được đưa vào giải thích bằng một mô hình cân bằng nhiệt giả định nhiệt độ là bão hòa. Kết quả nghiên cứu cho thấy các pha hơi trong kênh micro tạo thành một cột liên tục với đường kính giảm dần. Dòng chảy chậm được tạo ra theo chu kỳ ở đầu cột. Việc giảm mật độ dòng nhiệt làm mát vách hoặc tăng lưu lượng khối lượng làm tăng chiều dài cột hơi.
Trong khi đó, Garimella cùng các công sự [6] đã nghiên cứu các hệ số truyền nhiệt của quá trình ngưng tụ của môi chất lạnh R134a trong kênh hình chữ nhật đường kính thủy lực nhỏ (100 <Dh <160 m). Một kỹ thuật mới để xác định chính xác suất hệ số truyền nhiệt trong hình dạng kích thước micro được sử dụng. Một mô hình mới giải thích cho cơ chế dòng chảy trong quá trình ngưng tụ ở kích thước nhỏ, và sẽ đưa vào giải thích cho các ảnh hưởng của G, Tsat, Dh. Mô hình này dự báo 94% dữ liệu về quá trình chuyển đổi và chế độ dòng chảy hình khuyên.
Từ các nghiên cứu trên về quá trình ngưng tụ liên quan tới hình dáng trong kênh micro ta thấy rằng các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều ở mô hình dòng chảy. Tuy nhiên, các nghiên cứu quá trình ngưng tụ trong kênh micro về ảnh hưởng của lực trọng trường với hình dạng tròn chưa thực hiện nhiều. Tóm tắt các nghiên cứu về quá trình ngưng tụ trong kênh micro với nhiều hình dáng khác nhau được thể hiện bằng bảng 1.1 Tóm tắt các nghiên cứu về ngưng tụ trong kênh micro hình dáng khác nhau. Tài liệu tham Hình dạng/ Điều kiện Nội dung Kết quả khảo Kích thước nghiên cứu nghiên cứu nghiên cứu Wang cùng cộng Hình vuông, G = 500 kg/m2s Ảnh hưởng của Kênh hình tam giác có sự [1] tam giác, chữ Thơi = 50oC các hình dạng hệ số truyền nhiệt cao nhật và hình kênh tới sự nhất 6 kW/m2.
ngưng tụ của R134a Achkar cùng Hình vuông, các Dãy mật độ khối Nghiên cứu mô Ba chế độ dòng chảy cộng sự [2] cạnh bên trong khác nhau từ 3 hình dòng chảy chính được xác định và bên ngoài đến 15 kg/ m2s và truyền nhiệt là: chế độ hình tương ứng là 553 khuyên, chế độ liên mm và 675 mm, tục, và chế độ bong và có chiều dài bóng hình cầu. 208 mm Chen cùng các Hình tam giác q = 5; 15; 25 Nghiên cứu một Góc tiếp xúc và mật độ cộng sự [3] W/cm2 mô hình một dòng nhiệt sẽ nhỏ hơn Góc tiếp xúc 15o chiều ổn định hoặc đường kính thủy cho dòng chảy lực và áp suất hơi ngưng tụ hình nước sẽ lớn hơn khi khuyên trong thời gian ngưng tụ lâu kênh tam giác hơn. Quan và các Hình thang có G = 253; 187; Nghiên cứu sự sự chênh áp tăng khi cộng sự [4] đường kình thủy 105 kg/m2s chênh áp cho hơi tăng dòng chất, chất lực lần lượt là nước ngưng tụ lượng hơi và giảm 109 , 142 , 151 , đường kính kênh 259. Chen cùng các Hình chữ nhật G = 100 kg/m2s Nghiên cứu mô Các pha hơi trong cộng sự [5] có đường kính phỏng số về các kênh micro tạo thành thủy lực 1mm dòng chảy một cột liên tục với ngưng tụ của đường kính giảm dần.
môi chất lạnh FC-72 2 Garimella cùng Hình chữ nhật G = 600 kg/m s Nghiên cứu các Biểu đồ thể hiện hệ số o các công sự [6] đường kính thủy T = 50 C hệ số truyền truyền nhiệt của quá 5 lực nhỏ (100 nhiệt của quá trình ngưng tụ <Dh <160 m) trình ngưng tụ của môi chất lạnh R134a Bên cạnh đó, nhiều nhà khoa học cũng quan tâm nghiên cứu các đề tài liên quan tới các nghiên cứu về dòng hai pha trong kênh hình tròn, Sur và Liu [7] đã nghiên cứu dòng chảy hai pha đoạn nhiệt khí – nước trong kênh Micro ống tròn bằng phương pháp thực nghiệm với 3 mẫu kênh Micro ống tròn có đường kính lần lượt là 100, 180, 324. Kết quả ảnh hưởng của kích thước kênh và vận tốc bề mặt pha đến mô hình dòng chảy hai pha và chênh áp được thực hiện, tác giả đưa ra 4 mô hình dòng chảy được xác định là: dòng chảy bọt khí, sên, vòng, vành khuyên.