Đặt vấn đề Tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường là một trong những chủ đề hấp dẫn nhất trong lĩnh vực công nghệ khoa học hiện nay, một trong số đó là chủ đề trao đổi nhiệt. Với việc thu nhỏ và tích hợp các thiết bị trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, vi điện tử, năng lượng hạt nhân, điện lạnh, hệ thống tính toán và các lĩnh vực phát triển tiên tiến khác, thiết bị truyền nhiệt hiệu quả ngày càng trở nên quan trọng. Hơn nữa, hiện nay việc tăng cường hệ số truyền nhiệt cho thiết bị bay hơi kênh micro bằng cách sử dụng các hình dạng kênh micro khác nhau đã được thảo luận và phân tích, nhiều thí nghiệm đã được thực hiện để có thể giảm được kích thước của thiết bị mà vẫn có hiệu quả tốt, chi phí chế tạo, lắp đặt hợp lý. Những nghiên cứu cải tiến, tối ưu hóa cấu trúc kênh micro đã trở thành một phương pháp hiệu quả để tăng cường đặc tính truyền nhiệt.
Do đó, sự hiểu biết sâu sắc về chế độ dòng chảy và đặc tính truyền nhiệt của thiết bị tản nhiệt kênh micro là rất quan trọng, đặc biệt là trong quá trình bay hơi. Công nghệ micro đã 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, hiệu suất truyền nhiệt ngày càng cải thiện. Từ đó có thể ứng dụng trong các nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro, micro boiler, micro reactor, phát triển sản xuất những bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn có hiệu suất cao đáp ứng tốt yêu cầu ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Nắm bắt được xu thế này, hướng nghiên cứu mà bài nghiên cứu này sẽ tập trung vào đó là đặc tính sự truyền nhiệt, sự ảnh hưởng của hình dạng, kích thước, quá trình chuyển pha trong kênh micro và so sánh với kênh mini.
Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1. Nghiên cứu ngoài nước Đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy trong quá trình sôi của dòng lưu chất trong thiết bị bay hơi đa kênh micro được công nhận là một trong những giải pháp làm mát hiệu quả nhất vì vậy đã nhận được sự quan tâm ngày càng nhiều trong những năm gần đây. Nghiên cứu đặc tính dòng chảy, sự truyền nhiệt và tổn thất áp suất của quá trình bay hơi trong kênh micro cũng đã được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Li [1] cùng cộng sự nghiên cứu thực nghiệm so sánh đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy một pha của nước khử ion trong các kênh micro hình chữ nhật.
Kết quả từ nghiên cứu cho thấy hệ số Nusselt tăng khi lưu lượng dòng chảy và nhiệt độ đầu vào tăng, hệ số ma sát giảm khi nhiệt độ đầu vào tăng, hiệu suất truyền nhiệt của kênh micro hình chữ nhật có cánh đạt vượt trội so với kênh micro hình chữ nhật trơn. Yin [2] cùng cộng sự nghiên cứu đặc tính của quá trình truyền nhiệt và tổn thất áp suất trong kênh micro hở với nước khử ion, vật liệu bằng đồng. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự bắt đầu của dòng chảy tầng là cơ chế truyền nhiệt chủ yếu trong đó hệ số truyền nhiệt là lớn nhất, tổn thất áp suất dòng hai pha tăng khi tăng mật độ dòng nhiệt trong quá trình sôi của dòng lưu chất cho đến khi bắt đầu hình thành dòng chảy tầng và sau đó duy trì ổn định. Zhou [3] cùng cộng sự nghiên cứu đặc tính của dòng lưu chất và sự truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh micro hai lớp.
Dựa vào hệ số Nusselt trung bình, hệ số ma sát và hiệu suất, họ kết luận rằng bộ trao đổi nhiệt kênh micro có chiều cao từ 1 - 1,5 mm, chiều rộng từ 0,4 - 0,6 mm trong khoảng cách từ 0,6 - 0,8 mm cho thấy hiệu suất trao đổi nhiệt tốt hơn. Zhou [4] cùng cộng sự họ tiếp tục nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh micro bằng đồng được chế tạo bằng quy trình phay như Hình 1.1, sử dụng nước khử ion làm chất làm mát, hệ số Nusselt và hệ số Poiseuille tại một loạt các hệ số Reynold được trình bày và so sánh. Dựa trên các kết quả thực nghiệm và mô phỏng số, các thông số hình học tối ưu của kênh micro có chiều cao 0,5 2 mm, chiều rộng từ 0,4 - 0,6 mm và khoảng cách 0,4 mm đạt được sự tăng cường truyền nhiệt và độ nhỏ gọn của bộ trao đổi nhiệt kênh micro. Sơ đồ cấu trúc và dòng chảy của kênh micro [4].
Jia [5] cùng cộng sự nghiên cứu so sánh đặc tính truyền nhiệt trong quá trình sôi và tổn thất áp suất trong thiết bị tản nhiệt kênh micro có vách nhiều lỗ rỗng, các thí nghiệm được thực hiện với chất lỏng acetone tinh khiết ở nhiệt độ đầu vào 30oC. Kết quả thí nghiệm đã chứng minh rằng kênh micro này có sự tăng cường truyền nhiệt đáng kể, giảm sự sụt áp, giảm thiểu sự mất ổn định dòng chảy hai pha, giảm sự quá nhiệt ở vách khi bắt đầu đun sôi và cải thiện mật độ dòng nhiệt tới hạn so với các kênh micro chữ nhật. Rostami [6] cùng cộng sự nghiên cứu sự truyền nhiệt liên hợp trong một kênh micro với vách lượn sóng, môi chất là nước và thiết bị được làm từ silicon. Họ kết luận rằng việc sử dụng vách lượn sóng thay vì vách phẳng làm tăng tốc độ truyền nhiệt, hệ số Nusselt trong kênh micro vách lượn sóng cao hơn so với kênh micro vách phẳng.
Magnini [7] cùng cộng sự nghiên cứu bằng phương pháp số và trình bày kết quả phân tích có hệ thống về tác động của hình dạng kênh đến đặc tính động lực học của các bong bóng và sự truyền nhiệt. Nghiên cứu này nhấn mạnh rằng hiệu suất truyền nhiệt cho các hình dạng kênh khác nhau có liên quan chặt chẽ đến sự phân bố của màng chất lỏng xung quanh các bong bóng. Col [8] cùng cộng sự nghiên cứu về sự sôi đối lưu của dòng lưu chất trong kênh micro đơn hình tròn, trong quá trình sôi của HFC-134a và HFC-32 với đường kính 0,96 mm. Ở cùng nhiệt độ và mật độ dòng nhiệt, hệ số truyền nhiệt cao hơn so với môi chất lỏng ở áp suất thấp hơn.
Hệ số truyền nhiệt 3 phụ thuộc nhiều vào mật độ dòng nhiệt, hệ số truyền nhiệt tăng theo mật độ dòng nhiệt ở vùng bão hòa. Deng [9] cùng cộng sự nghiên cứu thực nghiệm về hiệu suất quá trình sôi của kênh micro lõm có hình dạng Ω so sánh với kênh micro hình chữ nhật có cùng đường kính thủy lực, lưu chất là nước khử ion và etanol, vật liệu sử dụng là đồng. Kết quả thử nghiệm cho thấy các kênh micro thể hiện sự gia tăng đáng kể trong quá trình truyền nhiệt dòng hai pha trong các trường hợp quá lạnh lớn, mật độ dòng nhiệt trung bình đến cao, tổn thất áp suất và sự mất ổn định dòng chảy hai pha giảm. Sự nghiên cứu về đặc tính dòng chảy, quá trình hình thành bong bóng trong kênh micro rất là quan trọng vì nó liên quan đến việc tính toán sự truyền nhiệt và tổn thất áp suất.
Trong đề tài nghiên cứu này, tác giả không đi sâu vào nghiên cứu mà chỉ thừa hưởng những công thức có sẵn ứng ở những điều kiện tương ứng để tính toán và thí nghiệm. Sự ảnh hướng của hình dạng, kích thước của kênh micro đến đặc tính truyền nhiệt, tổn thất áp suất trong quá trình sôi dòng lưu chất được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Prajapati [10] cùng cộng sự nghiên cứu đặc tính động lực học của các bong bóng và sự sôi của dòng lưu chất trong 3 kênh micro có hình dạng khác nhau với đường kính thủy lực 522 µm, nước khử ion đã được sử dụng làm chất làm mát. Kết quả của thí nghiệm cho thấy mô hình tăng trưởng của các bong bóng trong kênh phân đoạn hoàn toàn khác so với mô hình có tiết diện đồng nhất và phân kỳ.
Tốc độ tăng trưởng của các bong bóng trong các kênh được phân đoạn nhỏ hơn tốc độ tăng trưởng trong các kênh đồng nhất và phân kỳ. Morshed [11] cùng cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của sự lắng đọng hạt nano Al2O3 đến hiệu suất sôi của dòng lưu chất trong một kênh micro, các thí nghiệm đã được thực hiện trong một kênh micro đơn, vật liệu bằng đồng, có đường kính thủy lực 672 µm sử dụng nước khử ion làm lưu chất làm mát. Kết quả là các hạt nano lắng đọng ở bề mặt đã được tìm thấy có hiệu quả trong việc tăng cường mật độ dòng nhiệt tới hạn tới 39%, tuy nhiên hệ số truyền nhiệt thì giảm nhẹ đối với bề mặt phủ hạt nano so với bề mặt trần. Li [12] cùng cộng sự 4 nghiên cứu ảnh hưởng do hình dạng của kênh đến sự đảo ngược dòng chảy trong thiết bị bay hơi kênh micro, vật liệu là nhôm.
Kết quả từ thí nghiệm và mô phỏng cho thấy đường kính kênh lớn hơn, chiều dài kênh dài hơn dẫn đến việc đảo chiều dòng chảy ít hơn với tần số thấp hơn. Li [13] cùng cộng sự tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của tính chất nhiệt vật lý của môi chất lạnh đến sự đảo chiều dòng chảy trong thiết bị bay hơi kênh micro, nghiên cứu được thực hiện với 4 loại môi chất làm lạnh (R134a, R1234yf, R245fa và R32) trong cùng một hệ thống điều hòa, họ kết luận rằng các môi chất có nhiệt hóa hơi thấp hơn, chênh lệch thể tích riêng cao hơn giữa pha hơi và pha lỏng có xu hướng tạo ra dòng hơi ngược chiều nhiều hơn. Foo [14] cùng cộng sự nghiên cứu hiệu suất truyền nhiệt đối lưu dòng một pha của kênh micro, nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp số được thực hiện trên ở trạng thái ổn định, truyền nhiệt dòng một pha, sử dụng nước cất làm chất làm mát. Kết quả cho thấy các kênh micro có biên độ sóng cao hơn và bước sóng ngắn hơn truyền nhiệt tốt hơn với tổn thất áp suất tăng cao, kênh micro tăng cường hiệu suất cao nhất có khả năng loại bỏ nhiệt nhiều hơn 51%.
Thome [15] cùng cộng sự nghiên cứu mô hình truyền nhiệt của quá trình bay hơi trong kênh micro. Họ kết luận rằng tầm quan trọng của sự thay đổi chu kỳ trong hệ số truyền nhiệt và sự phụ thuộc mạnh mẽ của sự truyền nhiệt vào tần số bong bóng. Dupont [16] cùng cộng sự nghiên cứu mô hình truyền nhiệt của quá trình bay hơi trong kênh micro.