CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, theo đà phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ micro/nano đã xuất hiện và có những bước tiến vượt bậc. Nhờ ưu điểm nhỏ gọn, tiết kiệm diện tích, có hiệu quả cao, các ứng dụng của công nghệ này đã xuất hiện trong nhiều lĩnh vực khác nhau như điện tử, sinh học, y học. Một trong những ứng dụng của công nghệ này vào ngành nhiệt là bộ trao đổi nhiệt kênh micro.
Đây có thể coi là một hướng đi mới và được rất nhiều nhà khoa học cả trong và ngoài nước quan tâm. Tuy nhiên, do mới xuất hiện nên lĩnh vực này còn nhiều vấn đề phải được nghiên cứu. Ngoài vấn đề kích thước, thì còn những yêu cầu khác như hiệu quả, công suất, mô hình chế tạo, vật liệu,. cũng cần được nghiên cứu để đáp ứng các nhu cầu trong thực tế.
Hiện nay có khá nhiều các nghiên cứu trên thế giới về bộ trao đổi nhiệt kênh micro như cho dòng chảy 1 pha, 2 pha, cho bộ trao đổi nhiệt một tấm, nhiều tấm, tăng hiệu suất trao đổi nhiệt, nghiên cứu hình dạng, cấu tạo mới hay sử dụng các môi chất khác nhau như CO2, R134a,. Các nghiên cứu đó được thực hiện nhằm giảm thiểu kích thước của thiết bị mà vẫn có hiệu quả tốt, chi phí sản xuất thấp. Trong các nghiên cứu trên thế giới, các nghiên cứu về dòng chảy một pha có khá nhiều, tuy nhiên, các nghiên cứu cho dòng chảy hai pha còn khá khiêm tốn. Nắm bắt được tình hình đó và kế thừa những nghiên cứu trước đây, nhóm chúng em quyết định tìm hiểu và nghiên cứu thực nghiệm quá trình ngưng tụ của hơi nước trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro.
Ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt kênh micro Như đã giới thiệu, bộ trao đổi nhiệt kênh micro được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Trong đó, một trong những ứng dụng quan trọng nhất của bộ trao đổi nhiệt kênh micro là giải nhiệt cho các mạch điện vi mô. Khi dòng điện đi qua một mạch điện tử thì nó sẽ luôn tỏa 1 nhiệt lượng: Q I 2 R t. Lượng nhiệt này cần được loại bỏ 1 và nhiệt độ trong mạch cần duy trì ở một nhiệt độ hợp lý nhằm đảm bảo sự an toàn và độ tin cậy của mạch khi mạch làm việc.
Ngày nay, nhờ sự xuất hiện của công nghệ micro và công nghệ nano, khối lượng các linh kiện điện tử trong một mạch điện tử có thể nói là rất lớn. Đó là một bước tiến lớn đối với ngành điện điện tử, tuy nhiên, nó lại là vấn đề lớn khi ta cần tản nhiệt cho các mạch điện này. Việc loại bỏ lượng nhiệt này và duy trì nhiệt độ tại điểm giới hạn là điều không thể đối với công nghệ giải nhiệt bằng không khí. Công nghệ giải nhiệt bằng không khí có ưu điểm độ tin cậy khá cao, chi phí đầu tư, chi phí hoạt động và chi phí bảo trì thấp.
Tuy nhiên, hệ thống này có khả năng tản nhiệt thấp, bởi vì hệ số truyền nhiệt của không khí rất thấp. Muốn tăng hiệu suất trao đổi nhiệt, ta cần tăng diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị. Do vậy việc nghiên cứu một công nghệ làm mát các công nghệ điện tử trong những năm sắp tới là điều vô cùng cần thiết. Một trong những công nghệ có thể đáp ứng được các yêu như vậy là bộ trao đổi nhiệt kênh micro với chất giải nhiệt là nước.
Tiêu biểu cho lĩnh vực này là bộ tản nhiệt bằng nước cho máy tính: water cooling. Việc làm mát các bộ phận của máy tính bằng nước (với Fluorinert) đã được sử dụng từ năm 1982 trên siêu máy tính Cray-2. Dần dần đến năm 1990, việc làm mát bằng nước cho các máy tính gia đình ngày càng phổ thông và được công nhận bởi những người đam mê. Và việc làm mát bằng nước chỉ thực sự trở nên phổ biến sau khi bộ vi xử lý Atholon hoạt động quá nóng vào giữa những năm 2000.
Thiết bị làm mát bằng nước có thể được sử dụng để làm mát cho nhiều bộ phận trong máy tính, nhưng đặc biệt là sử dụng để làm mát cho CPU. Bằng việc chuyển nhiệt của thiết bị sang một bộ phận trao đổi nhiệt riêng lớn hơn (có kèm quạt tản nhiệt), tản nhiệt bằng nước cho phép các linh kiện hoạt động êm ả hơn, tăng tốc độ xử lý hoặc cân bằng giữa cả hai. CPU, GPU, ổ đĩa cứng, thậm chí nguồn cung cấp điện cũng có thể được làm mát bằng nước. Cấu tạo của bộ tản nhiệt bằng nước cho máy tính bao gồm: 2 Block là vùng tiếp xúc với thiết bị đang được làm mát và thường được sản xuất từ kim loại có tính dẫn nhiệt cao như nhôm hoặc đồng.1 Hình ảnh block của bộ tản nhiệt.
Tank- Reservoir (Bình chứa nước): là nơi lưu trữ chất lỏng làm mát và nó cũng đóng vai trò là cổng nạp cho chất lỏng mát. Pump (Bơm): có nhiệm vụ luân chuyển nước (môi chất) trong vòng tuần hoàn của hệ thống. Radiator (Két nước): có chức năng truyền nhiệt giữa nước và không khí. Hình ảnh Radiator.
3 Ngoài việc làm mát các mạch điện tử, bộ trao đổi nhiệt micro còn có thể ứng dụng trong ngành hóa học. Công ty Heatric của Úc đã phát triển bộ trao đổi nhiệt kênh micro để ứng dụng vào ngành hóa học, nó được đặt tên là Printed Circuit Heat Exchanger (PCHE).3 Hình ảnh một thiết bị PCHE. PCHE có đường kính thủy lực từ 0.5 mm, có thể chịu được áp suất lên đến 650 bar, dãy nhiệt độ thiết kế là 2 K 1160 K. Cấu tạo của PCHE – các tấm trao đổi nhiệt xếp chồng lên nhau.
4 PCHE được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như hóa dầu, tinh chế. với các hãng như Petrobras, BP, Shell và ExxonMobil. Ngoài ra, công ty Heatric còn sử dụng công nghệ Printed Circuit Reactors (PCR), công nghệ này cho phép chúng ta mở rộng ứng dụng của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro trong lĩnh vực xử lý hóa học, phản ứng hóa học và chế biến nhiên liệu. PCR có thể kết hợp pha trộn, phản ứng hóa học và truyền nhiệt.
Tổng quan tình hình nghiên cứu 1. Các nghiên cứu ngoài nước Trong suốt thời gian phát triển của bộ trao đổi nhiệt kênh micro, trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về thiết bị này như cho dòng chảy một pha, dòng hai pha, cho quá trình bay hơi, quá trình ngưng tụ, tăng hiệu quả truyền nhiệt cho các bộ trao đổi nhiệt kênh micro, những ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt kênh micro,. Trong các nghiên cứu đó, có nhiều nghiên cứu sử dụng nước là môi chất trong thiết bị, vừa là chất giải nhiệt và vừa là chất được giải nhiệt. ThanhTrung Dang và cộng sự [1] đã tiến hành nghiên cứu về quá trình trình nhiệt đối lưu trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro.
Hai mẫu thí nghiệm được khắc trên tấm nhôm có kích thước 46x26,5x1,2 mm3, các vi kênh có mặt cắt ngang là hình chữ nhật với kích thước lần lượt là 0,5x0,3x32 mm3, 0,5x0,18x32 mm3. Thí nghiệm được thực hiện với nước vào có nhiệt độ 70oC, lưu lượng 0,2308 g/s, nước giải nhiệt vào có nhiệt độ 22,5oC, lưu lượng từ 0,2135 đến 0,401 g/s. Kết quả thí nghiệm cho thấy ở thiết bị trao đổi nhiệt thứ nhất (T1), chỉ số tính năng đạt 21,68 W/kPa cao hơn thiết bị trao đổi nhiệt thứ 2 (T2), tuy nhiên, tổn thất áp suất của T2 cao hơn T1. Đồng thời, ảnh hưởng của lực hấp dẫn đối với chất lỏng rất ít, có thể coi là không đáng kể, sai lệch của các kết quả đo ở trường hợp kênh đặt nằm ngang và nằm dọc nhỏ lơn 8%.
Jane Alam Khan và đồng sự [2] đã tiến hành thí nghiệm nghiên cứu động thái dòng chảy và phân bố nhiệt trong các vi kênh nhằm tạo ra dòng nhiệt ổn định. Họ thực hiện thí nghiệm với bộ trao đổi nhiệt kênh micro gồm 21 vi kênh, kích thước mỗi kênh là 5 13x0,35x0,5 mm3. Khí Nitơ và khí Hidro được sử dụng làm môi chất với tốc độ đầu vào trung bình là 10 m/s, nhiệt độ là 300 K. Dòng nhiệt qua bề mặt trao đổi nhiệt được duy trì ở giá trị 10000 W/m2.
Họ đề ra bốn mẫu để so sánh và tìm ra mẫu có khả năng phân bố lưu lượng tốt nhất, các mẫu được thể hiện như trong hình. Hình dạng đầu vào của các cách phân phối khác nhau. (a) loại 1, (b) loại 2, (c) loại 3, (d) loại 4 Sau quá trình nghiên cứu, ngoại trừ loại 1, cả 3 loại phân bố dòng chảy đều cho kết quả gần giống nhau. Vì vậy, họ có thể lựa chọn bất kì loại nào tùy thuộc vào hình dạng yêu cầu và tính linh hoạt trong sản xuất.
Liên quan đến quá trình ngưng tụ của các môi chất cũng có một số nghiên cứu sau: Sung-Min Kim và cộng sự [3, 4] đã tiến hành nghiên cứu quá trình ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro. Nghiên cứu của họ được trình bày qua hai bài báo, bài đầu trình bày về quá trình ngưng tụ và vấn đề tổn thất áp suất trong quá trình ngưng tụ, bài thứ hai trình bày về các vấn đề liên quan đến đặc điểm truyền nhiệt trong vi kênh. Họ sử dụng mẫu thí nghiệm với các vi kênh có mặt cắt ngang hình vuông, đường kính thủy lực là 1 mm, chiều dài 29,9 cm. Chất ngưng tụ là FC 72 có lưu lượng đi vào là từ 68 kg/m2s đến 367 kg/m2s, nhiệt độ từ 57,2 oC đến 62,3oC.
Nước là chất giải nhiệt với lưu lượng từ 3 – 6 g/s. Sau quá trình thí nghiệm, họ xác định được 5 giai đoạn của quá trình ngưng tụ hơi FC 72. Họ cũng tìm ra các mối quan hệ của tổn thất áp suất và các thông số khác. Khi họ tăng lưu lượng hơi vào thì tổn thất áp suất tăng, tăng lưu lượng nước làm mát thì tổn thất áp 6 suất giảm.
Đồng thời, họ thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cao nhất ở vị trí gần đầu vào, nơi mà sản phẩm ngưng tụ mỏng nhất, hệ số này giảm dần theo chiều dọc vi kênh. Georges EL ACHKAR và cộng sự [5] đã tiến hành nghiên cứu dòng ngưng tụ trong bộ ngưng tụ kênh micro làm mát bằng không khí. Mẫu thí nghiệm là một ống tròn trong suốt có đường kính trong và ngoài lần lượt là 553 μm và 675 μm, chiều dài là 196 mm. Họ sử dụng môi chất n – pentan làm môi chất trong quá trình ngưng tụ, hơi có nhiệt độ bão hòa là 36,06oC ở áp suất khí quyển.
