Chương I: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Các ngành kỹ thuật đang đóng vai trò chủ chốt trong công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa của nước ta hiện nay. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngành kỹ thuật nhiệt cũng đang từng bước cải thiện để đáp ứng các nhu cầu trong công nghiệp cũng như đời sống. Một trong những vấn đề được các nhà nghiên cứu quan tâm nhất hiện nay đó là vấn đề về kích thước của các thiết bị, hệ thống.
Các thiết bị giải nhiệt – làm mát là một trong những thiết bị được đòi hỏi có kích thước nhỏ gọn để thuận tiện cho việc lắp đặt cũng như về thẩm mỹ. Cùng với vấn đề về kích thước thì những yêu cầu về lượng lưu chất nạp, tính hiệu quả, công suất, giá thành cũng đang được đòi hỏi để có thể đáp ứng được nhiều lĩnh vực. Nắm bắt được những yêu cầu đó, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng của sản phẩm theo nhiều chiều hướng khác nhau. Nhiều thí nghiệm đã được thực hiện để có thể thu hẹp được kích thước và khả năng chiếm diện tích của thiết bị mà vẫn có hiệu quả tốt, chi phí chế tạo, lắp đặt hợp lý.
Trong những năm đầu của thế kỷ 21, công nghệ micro được rất nhiều nhà khoa học áp dụng nghiên cứu vào những bộ trao đổi nhiệt và kết quả thu được ngày càng tốt hơn như khả năng trao đổi nhiệt tăng lên, kích thước của những bộ trao đổi nhiệt giảm xuống, lượng lưu chất nạp giảm, hiệu suất truyền nhiệt ngày càng cải thiện. Đây là chìa khóa để phát triển sản xuất những bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn có hiệu suất cao đáp ứng tốt yêu cầu của người tiêu dùng ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Để tiếp nối những nghiên cứu trước đây, tác giả quyết định tìm hiểu và nghiên cứu quá trình bay hơi của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro. Từ đó, tác giả sẽ đưa ra những quan điểm, phương pháp góp phần tối ưu hóa cho khả năng bay hơi của bộ thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro.
Do vậy, đề tài này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng hình học đến quá trình bay hơi của kênh micro cho 16 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS. Đặng Thành Trung dòng chảy hai pha. Trong đó, kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm. Tổng quan các nghiên cứu liên quan Hiện nay các nhà khoa học trên thế giới cũng như các nhà khoa học ở Việt Nam đã có những nghiên cứu về lĩnh vực micro.
Dưới đây là tổng quan các bài báo của các nhà khoa học trong và ngoài nước liên quan đến đề tài tác giả đang thực hiện để có thêm cơ sở thực hiện đề tài. Nghiên cứu ngoài nước Sui cùng cộng sự [1] tiến hành thí nghiệm bằng cách sử dụng nước đã khử ion trên ba kênh micro lượn sóng kích thước (W, H) (205, 404) với cường độ gợn sóng khác nhau (0, 138 và 259mm). Họ so sánh hiệu suất truyền nhiệt của các kênh micro lượn sóng với kênh microchannels thẳng và kết luận rằng kênh micro lượn sóng có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn so với kênh micro thẳng. Nghiên cứu về mô hình bay hơi ở vùng màng mỏng của kênh micro cũng đã được thực hiện bởi Park cùng cộng sự [2].
Các nhà nghiên cứu đã đưa ra và phân tích một mô hình toán học có thể ước tính được lưu lượng cũng như đặc tính trao đổi nhiệt cho sự bay hơi ở vùng màng mỏng. Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất bay hơi trên dòng chảy màng của chất lỏng là có đáng kể. Từ bài nghiên cứu cũng có thể thấy rằng khi dòng nhiệt tăng, chiều dài của vùng màng mỏng và độ dày màng giảm, lưu lượng khối lượng bay hơi tăng một cách tuyến tính. Law cùng cộng sự [3] đã khảo sát thực nghiệm và so sánh dòng nhiệt khi sôi cùng với đặc tính áp suất của kênh micro cánh thẳng và cánh xiên.
Ở kích thước kênh và điều kiện hoạt động tương tự nhau, các thí nghiệm so sánh đã cho thấy hiệu quả truyền nhiệt tăng đáng kể đối với kênh micro sử dụng cánh thẳng và dòng nhiệt trao đổi chậm hơn ở giai đoạn đầu đối với kênh micro sử dụng cánh xiên. Dòng chảy không ổn định là mối quan tâm lớn đối với dòng chảy sôi trong kênh mini và kênh micro. Mô tả chi tiết của sự không ổn định của dòng chảy sôi 17 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS. Đặng Thành Trung được cung cấp bởi Kandlikar [4-6].
Sự không ổn định xuất hiện trong những kênh có đường kính nhỏ cũng đã được nghiên cứu bởi Bergles và Kandlikar. Sự tạo mầm do tăng lực cản dòng chảy bởi dòng hai pha trong kênh dẫn đến sự mất ổn định. Những biến đổi áp suất với tần số cao đã được báo cáo bởi một số nhà khảo sát như Kew cùng cộng sự [7]và Kosar cùng cộng sự [8]. Ảnh hưởng của dòng nhiệt, lưu lượng khối lượng và kích thước kênh đến hiệu suất dòng nhiệt khi sôi trong kênh micro lõm, rỗng được thực hiện bởi Deng cùng cộng sự [9].
Một loại kênh micro lõm trong nghiên cứu này được phát triển và thử nghiệm trong các hệ thống làm mát - tản nhiệt. Những ảnh hưởng của dòng nhiệt, lưu lượng khối lượng và kích thước kênh đến hiệu suất dòng sôi được khảo sát. Kết quả thí nghiệm cho thấy, hiệu suất truyền nhiệt của kênh micro lõm, rỗng phụ thuộc nhiều vào các dòng nhiệt nhưng lại ít phụ thuộc vào lưu lượng khối lượng. Lee và Mudawar[10] đã nghiên cứu sự thay đổi của hệ số truyền nhiệt của HFE 7100 với nhiệt độ vách và mật độ dòng nhiệt cho các vi kênh hình chữ nhật khác nhau (W, H), (123,4,304,9), (123,4,526,9), (235,2,576,8) và (259,9, 1041,3).
Họ kết luận rằng kích thước vi kênh nhỏ giúp cải thiện các đặc tính truyền nhiệt bằng cách tăng vận tốc khối lượng và vùng ẩm ướt. Tuy nhiên, kênh có chiều rộng nhỏ hơn có khả năng phải đối mặt với vấn đề ổn định sớm do để quá trình chuyển đổi đầu từ bong bóng từ dạng bubbly qua dạng slug. Hai thí nghiệm dòng chảy sôi riêng biệt đã được tiến hành trong tám kênh micro song song và một kênh micro duy nhất. Zhang cùng các cộng sự [11] đã phát triển các thiết bị kiểm tra silicon với điều kiện biên thông lượng nhiệt gần như không đổi để nghiên cứu quá trình sôi đối lưu cưỡng bức trong kênh micro.
Kênh có hình chữ nhật với đường kính thủy lực từ 25 – 60 µm và tỉ lệ cạnh từ 1 đến 3,5 được chế tạo và thử nghiệm, và ghi lại các giá trị áp suất và nhiệt độ phân bố trên vách trong quá trình chuyển pha. Nghiên cứu cho thấy có một sự hình thành bong bóng nhỏ trong kênh micro cắt bằng plasma có đường kính thủy lực dưới 60 µm, từ đó có thể cho thấy sức căng bề mặt có thể tác động đáng kể đến hoạt động của dòng hai pha ở một quy mô nhất định. 18 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS. Đặng Thành Trung Henstroni cùng cộng sự [12] đã nghiên cứu mô hình dòng chảy và hệ số truyền nhiệt trong kênh micro dạng tam giác song song với đầu vào Reynolds là 25.
Nghiên cứu dòng chảy cho thấy hình dạng của bong bóng hơi dài, xuất hiện trong kênh micro khi hệ số Reynolds thấp, không tương tự như dòng hình khuyên với sự gián đoạn xen kẽ giữa dòng lỏng và hai dòng hơi dài. Sự nghiên cứu đồng thời mô hình thực nghiệm và đo lường đã được thực hiện để khảo sát sự không ổn định của dòng chảy sôi của nước trong kênh micro với dòng nhiệt và khối lượng khác nhau. Kandlikar [13] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của kích thước kênh đến dòng nhiệt khi sôi trong kênh micro. Bài nghiên cứu cũng đã phân tích cơ bản các yếu tố tác động tương đối đến quá trình sôi ở kích thước micro.
Việc nghiên cứu về trao đổi nhiệt đối lưu trong kênh micro đã được Chen và Zhang [14] thực hiện dựa trên mô hình vật lý kết hợp với mô phỏng. Nghiên cứu này đưa ra nguyên nhân chính gây ra các nhiễu loạn của dòng lưu chất trong các thiết bị nhiệt là do các bavia rất nhỏ từ bề mặt thiết bị trong quá trình thiết kế, đã tạo ra dòng chảy rối và làm cho quá trình truyền nhiệt được tăng cường rất nhiều. Dario cùng cộng sự [15] nghiên cứu ảnh hưởng của việc phân phối dòng chảy hai pha trong các kênh song song với đường kính thủy lực macro và micro. Khi dòng lưu chất phân phối không đồng đều trong các kênh sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt và sự lưu động của dòng, trong nhiều trường hợp là do thiết kế của thiết bị gây ra.
Bằng phương pháp mô phỏng số, nghiên cứu đã đưa ra các mô hình dòng chảy dạng sương mù mang lại sự phân phối dòng lưu chất vào các kênh ở mức tốt nhất. Ngoài ra, kết luận của đề tài cũng nêu ra rằng, yếu tố hình học, điều kiện vận hành và các thuộc tính chất lỏng đều có ảnh hưởng đến sự phân bố dòng chảy hai pha trong các kênh song song. Liên quan đến ảnh hưởng của hình dáng đến quá trình truyền nhiệt khi sôi, Kim [16] đã tổng quan các nghiên cứu về tăng cường truyền nhiệt khi sôi của bề mặt cấu trúc nano/micro. Một nghiên cứu trên bề mặt cấu trúc nano/micro đã được thực hiện để tăng cường truyền nhiệt khi sôi của bề mặt cấu trúc 19 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.
Đặng Thành Trung nano/micro. Tác giả đã thực hiện nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về truyền nhiệt khi sôi mầm và mật độ dòng nhiệt. Joshi[17] đã nghiên cứu tổng quan về trao đổi nhiệt của dòng hai pha trong kênh micro. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, kênh micro và bộ tản nhiệt kênh micro đã được nghiên cứu rộng rãi nhưng lại ít có nghiên cứu liên quan đến hiệu suất trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng mô hình CFD.
Lĩnh vực dòng hai pha vẫn còn mới mẽ và cần được sự quan tâm nghiên cứu nhiều hơn nữa. Tuy nhiên nghiên cứu cũng đưa ra đề xuất rằng, cần có một nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của hình dáng hình học trên mô hình dòng hai pha để tìm ra một loại hình dạng mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt tốt nhất. Kuppusamy và cộng sự [18] đã nghiên cứu dòng thứ cấp trong kênh micro được xẻ rãnh. Kết quả cho thấy rằng hiệu suất tăng 146% và nhiệt trở giảm 76.8% so với kênh micro có rãnh thẳng.