CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước Liên quan đến các nghiên cứu về đặc tính truyền nhiệt cho các thiết bị bay hơi kênh micro, hiện nay cũng đã có một số nghiên cứu nhưng không nhiều, chủ yếu tập trong vào các thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro cho dòng một pha. Hình dáng – Kích thước kênh Định nghĩa kênh vi mô là vấn đề gây tranh cãi, một số tác giả đã phân loại dựa trên kích thước kênh, trong khi những người khác thì dựa trên sự ổn định dòng chảy. Ví dụ, tác giả Kandlikar và Grande [1,2] định nghĩa: kênh micro là kênh có kích thước bề rộng kênh hoặc đường kính ống D từ 10≤ D≤ 200 µm; Mehendale và cộng sự [3] đã đề xuất kích thước từ 1 ≤D≤100 µm; còn tác giả Cornwell và Kew [4] định nghĩa dựa vào hệ số confinement (Co) để phân biệt giữa tỉ lệ vĩ mô và vi mô bởi phương trình, với kênh Co ≥ 0.5 có thể được phân loại là kênh vi mô, khi ảnh hưởng của lực hấp dẫn vượt qua được sức căng bề mặt của dung môi. Vấn đề nghiên cứu về chế tạo các kênh micro (hình dạng, kích thước, vật liệu và công nghệ gia công cũng đã được các nhà nghiên cứu quan tâm [5 – 12].
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các kỹ thuật sản xuất khác nhau để chế tạo các kênh micro (Bảng 1.1 Tóm tắt các công nghệ gia công kênh mini và micro. Kích thước kênh Tác giả Công nghệ gia công Vật liệu (W,H) µm Papautsky và Mạ điện Silicon và thuỷ Hình chữ nhật cộng sự [5] tinh W=300-1500,D= 50 - 100 Lee và cộng sự Gia công với lưỡi cắt Đồng Hình chữ nhật [6] nhỏ W=194 – 534; D= 5*W Wu và Cheng Kỹ thuật in lên kim loại Silicon Hình thang [7] – (photolithography) W1=251, W2=155.5 1 Luan van Mei và cộng sự Đúc từ khuôn micro Copper and Hình chữ nhật [8] aluminium W=137 – 174;D= 400 Wu và cộng sự Ăn mòn hoá học Silicon Hình chữ nhật [9] (deep reactive chemical W=473.4,D= 50 etching) Chen và Cưa cắt Silicon Hình chữ nhật Grarimella [10] (saw – cutting) W=100, D= 389 Lee và cộng sự Khắc khô Silicon Hình chữ nhật [11] (dry etching) W=100, D= 100 Hwang và cộng Laser Mythacrylate Circular, Dh=8-20 sự [12] Tổng quan các tham số hình học của kênh micro, chất lỏng làm mát và điều kiện hoạt động được sử dụng bởi các nhà nghiên cứu khác nhau [13-19]. Hình 1 mô tả kênh micro với ba tiết diện điển hình. Những tiết diện này là hình vuông, thang và tam giác.2 Tóm tắt thông số hình học của kênh và thông số vận hành Tác giả Môi chất Kích thước Vật liệu Điều kiện thí nghiệm kênh(W,H,D) µm Tuckerman Nước Hình chữ nhật, Silicon Pin=1-2 bar, q=1810- và Pease W=56,50,55.10-6m3/s Peng and Nước Hình chữ nhật Thép Tin=30-60oC, Wang [14] dionise W=600, H=700 không gỉ G=1480-3947kg/m2s Qu và Nước Hình chữ nhật Đồng Tin=30oC, 60oC, Mudawar W=231, H=713, Pout=1.13bar Steinke and Nước Hình chữ nhật Đồng G=157-1782kg/m2s, q=5- Kandlikar W=214,H=200, 930kw/m2, Tin=22oC, x=0-1 [17] L=57.13bar 2 Luan van Coleman và R143a D=830, L=5mm G=157-1782kg/m2s Krause [18] N=18ports Lee và cộng Nước Hình thang, Silicon q=1.47-449kw/m2, G=170- sự [19] Deionised W1=102.
Kênh vi mô song song điển hình Trong Bảng 2 cho thấy, phần lớn các nghiên cứu được tiến hành trên vật liệu đồng và silicon, vì đồng là vật liệu rất phổ biến trong các thiết bị nhiệt do có tính dẫn nhiệt cao và silic là chất bán dẫn tốt được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử. Tổn thất áp suất Khi thiết kế một ứng dụng có sử dụng kênh giải nhiệt micro thì phải quan tâm đến đặc tính sụt áp trên kênh micro. Vì đường kính thủy lực của kênh rất nhỏ, đối với dòng 1 pha, sự sụt áp trên 1 đơn vị chiều dài sẽ lớn hơn sự sụt áp trên kênh macro trong cùng điều kiện hoạt động. Mặc dù có sự sụt áp suất lớn, nhưng tản nhiệt kênh micro vẫn được nghiên cứu nhiều vì chúng có đặc tính truyền nhiệt cao.
Do có sự sụt áp lớn nên cũng cần đến công suất bơm lớn, mức tiêu thụ điện năng cũng lớn hơn. Vì vậy, việc nghiên cứu sự giảm áp suất trong kênh micro cũng rất quan trọng. Để khảo sát sự sụt áp trên kênh micro dòng hai pha, thì dòng này được xem như dòng chảy đồng chất hoặc dòng chảy tách biệt. Trong mô hình dòng đồng nhất, hai pha (pha lỏng và pha hơi) sẽ được coi như một pha duy nhất, nghĩa là pha lỏng và pha hơi sẽ có cùng vận tốc.
Đối với mô hình dòng chảy tách biệt, một pha chỉ chứa chát lỏng, pha kia chỉ chứa hơi, vận tốc mỗi pha không nhất thiết bằng nhau. Sự sụt giảm áp lực trên kênh chủ yếu phụ thuộc vào các đặc tính chất lỏng (mật độ, độ nhớt và sức căng bề mặt), dòng chất (vận tốc dòng chảy, lưu lượng khối hoặc số Reynolds), 3 Luan van nguồn nhiệt cung cấp (nhiệt độ trên thành kênh), chất lượng hơi và kích thước hình học kênh (tỉ lệ L/D và tiết diện mặt cắt ngang kênh). Các tác giả cũng nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số lên đặc tính sụt áp của kênh vi mô, phân tích sự sụt áp trong dòng 1 pha, dòng 2 pha trong điều kiện đầu vào quá lạnh và đâu ra bão hòa trong kênh micro. Các nghiên cứu sự sụt áp trên dòng một pha thì không nhiều.
Barlak cùng cộng sự [20] tiến hành thí nghiệm trên các ống micro (D = 200, 250, 400, 505 và 589) có tỷ lệ L/D trong khoảng 16 - 265 sử dụng nước làm mát. Họ thấy rằng ở số Reynolds thấp (Re <2000), sự giảm áp lực là ít phụ thuộc vào tỷ lệ L/D và có mối quan hệ tuyến tính giữa sự sụt áp suất và hệ số Reynolds. Trong khi đó, khi tăng hệ số Reynolds cao (Re >2000) thì sự giảm áp lực phụ thuộc rất nhiều vào tỷ lệ L/D. Yun cùng cộng sự [21] thực hiện hai thí nghiệm dòng 2 pha kênh micro có đường kính thủy lực của 1,44 mm, dùng môi chất là R410a.
Họ nhận thấy rằng sự giảm áp suất tăng lên khi giữ nhiệt độ bão hoà, tăng dòng chất, hoặc sự giảm áp suất giảm khi giữ nguyên dòng chất, tăng nhiệt độ bão hoà (thay đổi độ nhớt và mật độ của R410A). Sự truyền nhiệt Sự truyền nhiệt là yếu tố quan trọng nhất của bộ tản nhiệt kênh vi mô. Sự truyền nhiệt phụ thuộc vào đặc tính chất lỏng (mật độ và độ nhớt), lưu lượng, dòng nhiệt, hình học kênh (tiết diện mặt cắt và tỉ lệ chiều dài/đường kính) và chất lượng hơi. Các nghiên cứu được thí nghiệm trên dòng 1 pha và 2 pha nhưng chủ yếu tập trung nghiên cứu trên dòng 2 pha.
Lazarek and Black [24] đã thiết kế thiết bị bay hơi dạng ống đơn, đường kính 3.15mm, với môi chất là R-113, thiết bị này có thể giải phóng một nhiệt lượng lên đến 38 W/cm2. Wambsganss và cộng sự [25] cũng thiết kế thiết bị bay hơi dạng ống đơn, đường kính 2.92mm, cũng với môi chất là R-113, thiết bị này có thể giải phóng một nhiệt lượng lên đến 9. Tran và cộng sự [26] đã thiết kế thiết bị bay hơi dạng ống đơn, đường kính 2,46 mm và dạng kênh hình chữ nhật (4.7 mm) với môi chất là R-12, các thiết bị này có thể giải phóng một nhiệt lượng khoảng 12. Kew and Cornwell [27] đã thiết kế các thiết bị bay hơi dạng ống đơn, đường kính 1.69 mm, với môi chất là R- 141b.
Ravigururajan [28] đã thiết kế thiết bị bay hơi với kênh dạng hình chữ nhật, bao gồm 54 kênh song song nhau, kích thước 0.0 mm , với môi chất là R-124 , thiết bị này có thể giải phóng một nhiệt lượng khoảng 300W. Hệ số trao đổi nhiệt giảm đều khi tăng hệ số cân bằng nhiệt động. Yan and Lin [29] đã thiết kế các thiết bị bay hơi dạng ống, bao 4 Luan van gồm 28 ống song song nhau, có đường kính 2 mm, môi chất là R-134a, thiết bị này có thể giải phóng một nhiệt lượng khoảng 2 W/cm2. Bao và cộng sự [30] đã thiết kế các thiết bị bay hơi dạng ống đơn, có đường kính 1.95 mm, môi chất là R-12 và HCFC 123, thiết bị này có thể giải phóng một nhiệt lượng khoảng 20 W/cm2.
Lee and Lee [31] đã thiết kế các thiết bị bay hơi với kênh dạng hình chữ nhật, bao gồm 3 kênh song song nhau, với chiều rộng là 20 mm, chiều sâu là 0.4 và 2 mm, môi chất là R-113, thiết bị này có thể giải phóng một nhiệt lượng khoảng 1. Warrier và cộng sự [32] đã thiết kế các thiết bị bay hơi với kênh dạng hình chữ nhật, bao gồm 5 kênh song song nhau, với đường kính 0.75 mm, môi chất là FC, thiết bị này có thể giải phóng một nhiệt lượng khoảng 5. Hệ số trao đổi nhiệt giảm đều khi tăng hệ số cân bằng nhiệt động. Đối với môi chất là CO2 Liên quan đến các bộ trao đổi nhiệt compact dùng trong hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất lạnh là CO2, một số nghiên cứu đã đề cập nhưng số lượng còn khiêm tốn.
Ngo cùng cộng sự [33] đã nghiên cứu trên hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro loại cánh dạng chữ S và loại cánh zigzag cho chu trình CO2. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng tổn thất áp suất thu được từ loại cánh chữ S nhỏ hơn 4-5 lần loại zigzag; tuy nhiên, chỉ số Nuselt thu được từ loại cánh chữ S cũng chỉ bằng 24-34% loại cánh zigzag. Elbel và Hrnjak[34] đã phát triển hệ thống điều hòa không khí dùng môi chất CO2 và cải tiến hệ thống bằng phương pháp FGB (Flash Gas Bypass), phương pháp này đã giúp chu trình tiến gần về quá trình tiết lưu đẳng enthalpy. Yun cùng cộng sự [35] đã nghiên cứu bằng phương pháp số bộ trao đổi nhiệt kênh micro dùng trong hệ thống điều hòa không khí CO2.
Kết quả cho thấy rằng chỉ số hiệu quả của bộ trao đổi nhiệt này được cải thiện khi tăng vùng hai pha và thay đổi khoảng cách giữa các cánh. Cheng cùng cộng sự [36-39] đã nghiên cứu các mô hình truyền nhiệt khi sôi của CO2 trong các ống đặt nằm ngang với kích thước từ micro đến mini. Pettersen [40] nghiên cứu về sự bay hơi của CO2 trong ống micro với đường kính 0.8mm, ở điều kiện mật độ dòng chất và nhiệt độ bão hòa cao, sự bay hơi hoàn toàn đã ảnh hưởng đáng kể đến đặc điểm truyền nhiệt của CO2. Zhao và cộng sự [41] đã thực nghiệm cho dòng chảy sôi của CO2 và R134a trong một kênh vi mô, cho độ khô 0,05-0,3.
Họ kết luận rằng, mật độ dòng chất có ảnh hưởng rất nhỏ đến hệ số truyền nhiệt của cả CO2 và R134a.