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 công nghệ 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 để 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 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 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, hiệu suất truyền nhiệt ngày càng cải thiện. Trong đó có rất nhiều ứng dụng được nghiên cứu như là: làm mát tuabin, làm mát lò phản ứng nhiệt hạch, làm mát các vòi phun của động cơ tên lửa, làm mát điện tử công suất trong hệ thống điện tử hàng không và các loại xe hybrid, làm mát hồ chứa hydro, hệ thống gas lạnh, điều khiển nhiệt trong trọng lực và vòng mao mạch bơm. Để tiếp nối những nghiên cứu trước đây, em quyết định tìm hiểu và nghiên cứu quá trình bay hơi của thiết bị bay hơi kênh micro. Từ đó, 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.
Tổng quan các nghiên cứu liên quan 1. Nghiên cứu ngoài nước Liên quan đến môi chất lạnh làm việc Thiangtham cùng cộng sự [1] đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm mô hình dòng chảy hai pha và đặc tính truyền nhiệt trong suốt dòng chảy sôi R134a qua bộ tản nhiệt đa vi kênh. Trong nghiên cứu tác giả đã nghiên cứu về bộ tản nhiệt đa vi kênh bằng đồng có 27 kênh hình chữ nhật song song với độ sâu 470 µm, rộng 382µm, dài 40mm, và độ dày cánh 416µm. Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ bão hòa là 13, 18, và 23oC và mật độ khối lượng là 150, 400 và 600 kg/m2s.
Giá trị mật độ dòng nhiệt tường và độ khô hơi đầu vào tương ứng là 3 đến 127 kW/m2 và 0,05 đến 0,92. Ảnh hưởng của thông số phù hợp đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất cũng như nhiệt độ bão hòa (13oC) trong dãy mật độ truyền nhiệt 40-120 kW/m2. Cho phạm vi mật độ dòng nhiệt cao, hệ số truyền nhiệt tăng khi mật độ khối lượng tăng. Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm [1] 2 Cơ chế truyền nhiệt đối lưu khi sôi sẽ đóng một vai trò quan trọng trong mô hình dòng chảy gợn sóng và hình khuyên, sơ đồ nguyên lý như được thể hiện ở hình 1.
Với mật độ dòng nhiệt tường cao hơn 80 kW/m2, sự tồn tại của hiện tượng khô một phần trong đa vi kênh dẫn đến hệ số trao đổi nhiệt giảm. Kết quả công bố ảnh hưởng quan trọng của mô hình dòng chảy trên các đặc tính truyền nhiệt. Dựa trên các dữ liệu thực nghiệm, một mối tương quan được đề xuất để tính toán hệ số truyền nhiệt cho dòng R134a trong tản nhiệt đa-vi kênh đó là hữu ích trong các ứng dụng làm mát điện tử. Bên cạnh đó, Fayyadh cùng cộng sự [2] thực nghiệm được thực hiện để nghiên cứu truyền nhiệt khi sôi của R134a trong bộ tản nhiệt nhiều kênh micro.
Bộ tản nhiệt bao gồm 25 kênh micro với kích thước rộng 300 µm, sâu 700 µm (Dh = 420 µm) và thành kênh dày 200 µm. Bộ tản nhiệt được chế tạo từ đồng không oxy hóa bằng máy CNC chiều dài 20mm và chiều rộng 15mm. Điều kiện thực hiện thí nghiệm trong phạm vi: mật độ dòng nhiệt 11,46 - 403,1kW/m2, mật độ khối lượng 50 – 300 kg/m2s và áp suất hệ thống 6,5 bar. Máy quay tốc độ cao cùng với các phép đo truyền nhiệt được sử dụng đồng thời trong thí nghiệm.
Ba mô hình dòng chảy đã được quan sát cụ thể là bong bóng, hình viên đạn và dòng lượn sóng hình khuyên khi mật độ dòng nhiệt tăng dần. Hệ số truyền nhiệt tăng với mật độ dòng nhiệt khi mật độ khối lượng không đổi. Đánh giá các mối tương quan hiện có đã chỉ ra rằng mối tương quan của Mahmoud và Karayiannis (2013) và Cooper (1984) dự đoán dữ liệu rất tốt với sai số trung bình nhỏ hơn 20% so với các mối tương quan khác. Nghiên cứu về thiết bị micro để làm mát chất lỏng bằng sự bay hơi R134a được Wibel cùng cộng sự [3], sơ đồ nguyên lý thực nghiệm được thể hiện ở Hình 1.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một thiết bị trao đổi nhiệt với một bên của bộ trao đổi nhiệt micro được sử dụng để làm bay hơi R134a (Tetrafluoroethane), một chất làm mát phổ biến trong tủ lạnh và điều hòa không khí ô tô. Phía còn lại của bộ vi trao đổi nhiệt được sử dụng để mang chất lỏng (nước được sử dụng để đơn giản) được làm lạnh đến một nhiệt độ cụ thể. Trong nghiên cứu này sự khuếch tán, bộ vi trao đổi nhiệt nhiều lớp nhỏ gọn cho phép làm mát tức thời lưu 3 lượng nước 12 kg/h từ 55oC đến ≈7oC tại năng suất lạnh được chuyển đổi khoảng 650 W. Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm [3] Ngoài ra, Mahmoud cùng cộng sự [4] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của bề mặt lên dòng chảy sôi R134a trong vi ống.
Nghiên cứu này được thực hiện trên 2 vi ống bằng thép không rỉ với cùng đường kính và chiều dài gia nhiệt nhưng khác nhau về phương pháp chế tạo để nghiên cứu ảnh hưởng của bề mặt bên trong lên tỉ lệ truyền nhiệt. Ống đầu tiên được hàn trong khi ống thứ hai được đúc liền mạch. Thực nghiệm được thực hiện ở G = 300kg/m2s, P = 8 bar và nhiệt độ đầu vào là 5K. Kết quả cho thấy rằng, hệ số truyền nhiệt không phụ thuộc vào độ khô hơi và mật độ khối lượng trong khi đó tăng khi mật độ dòng nhiệt tăng.
Mặt khác, cơ chế điều chỉnh trong ống hàn là không rõ ràng. Hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào mật độ dòng nhiệt và không phụ thuộc đáng kể vào độ khô và mật độ khối lượng. Bên cạnh đó, nghiên cứu về đặc tính tổn thất áp suất của dòng chảy sôi R134a trong vi kênh hình chữ nhật với đường kính thủy lực 0,68mm được thực hiện bởi Keepaiboon cùng cộng sự [5]. Trong nghiên cứu này, tổn thất áp suất 4 được nghiên cứu ở phạm vi mật độ dòng nhiệt 7,63 – 49,46 kW/m2, mật độ khối lượng từ 600 – 1400 kg/m2s, và nhiệt độ bão hòa 23, 27 và 31oC.
Kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng tổng áp suất được chiếm ưu thế bởi tổn thất áp suất do ma sát. Mật độ khối lượng tăng cũng làm tăng gradient áp suất ma sát, trong khi nhiệt độ bão hòa tăng làm giảm gradient áp suất ma sát. Ngoài ra mật độ dòng nhiệt cũng có ảnh hưởng không đáng kể đến gradient áp suất ma sát. Ngoài các nghiên cứu trên: Bảng 1.
Thể hiện tóm tắt các nghiên cứu về thiết bị vi kênh sử dụng môi chất lạnh R134a. 5 Kích thước hình học đa vi kênh Điều kiện hoạt động No. Tác giả N Wch x Hch x Wfin L Dh Hch /Wch Vật liệu Lưu chất G q’’ Tsat x(-) (µm x µm x µm) (mm) (mm) (kg/m2s) (kW/m2) (oC) 1 Lee và Mudawar [6] 53 231 x 723 x - 2,53 0,35 3,09 Đồng R134a 127-938 159-938 - 0,26-0,87 Bertsch cùng cộng sự 17 762 x 1905 x 762 9,53 1,09 2,5 Đồng R134a, 2 20-350 0-220 8-30 0-0,9 [7] 33 381 x 953 x 381 9,53 0,54 2,5 Đồng R245fa R134a, 500-1500 20-25 R245fa, 3 Mauro cùng cộng sự [8] 29 199 x 756 x 500 30 0,32 3,8 Đồng R236fa 250-700 - 40-50 - 500-1000 30-40 R134a, 100-450 10-30 R245fa, 20 467 x 4052 x 550 30 0,84 8,68 Đồng R236fa 90-230 - 25-50 - 100-300 20-35 4 Park và Thome [9] R134a, 200-4000 15-25 R245fa, 29 199 x 756 x 500 30 0,32 3,8 Đồng R236fa 200-2400 - 25-50 - 200-3000 15-40 Nascimento cùng cộng R134 5 50 100 x 500 x 200 15 0,17 5,0 Đồng 400-1500 - 10-30 0,06-0,15 sự [10] Madhour cùng cộng sự 100 - 15 0,174 - Đồng R134a 6 205-1000 25,7-1890 63 - [11] 7 Lee và Mudawar [12] 53 - 25,3 0,349 - Đồng R134a 127-654 159-938 - - 6 Về thiết bị trao đổi nhiệt vi kênh cũng được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Huang và Thome [13] đã thực hiện thực nghiệm nghiên cứu về tổn thất áp suất của dòng chảy sôi trong thiết bị bay hơi đa vi kênh với nhiều môi chất lạnh khác nhau.
Điều kiện hoạt động của thực nghiệm: mật độ khối lượng từ 1250 đến 2750 kgm-2s-1, mật độ dòng nhiệt từ 20 đến 64 Wcm-2. Kết quả độ khô hơi tối đa tại ống góp đầu ra là 0,51. Nó được tìm thấy rằng trong điều kiện thí nghiệm tổn thất áp suất kênh hiện tại tăng với làm lạnh phụ đầu vào và độ rộng cửa đầu vào nhưng bị ảnh hưởng nhẹ bởi nhiệt độ bão hòa đầu ra. Ngoài ra, so sánh giữa 2 loại môi chất lạnh khác nhau, R236fa tỏ ra tổn thất áp suất trong kênh là thấp nhất do tỉ lệ chuyển từ lỏng sang hơi và độ nhớt là nhỏ nhất.
Dựa vào 184 điểm dữ liệu đạt được của dòng chảy sôi ổn định, một mô hình thực nghiệm mới phù hợp với điều kiện hoạt động mật độ dòng nhiệt cao đã được phát triển. Các mô hình tổn thất áp suất mới mang lại những dự đoán tốt nhất của các dữ liệu thực nghiệm với một sai số tuyệt đối trung bình (MAE) 27,8% và như vậy nó đã được thực hiện để dự đoán biên dạng áp suất và nhiệt độ cục bộ, cho phép phân tích định lượng để có được hệ số truyền nhiệt cục bộ chính xác cao.