Đặt vấn đề Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của cả nước, các ngành kỹ thuật nói chung và ngành công nghệ nhiệt lạnh nói riêng đã và đang phát triển rất mạnh và ngày càng trở nên quen thuộc, gần gũi với đời sống con người nhiều hơn. Nhưng đi cùng với sự phát triển của cả nước là tốc độ đô thị hóa ngày càng cao nên việc đòi hỏi về diện tích mặt bằng là một vấn đề hết sức khó khăn cho tất cả các ngành kỹ thuật. Song song với vấn đề diện tích mặt bằng thì việc đòi hỏi những thiết bị kỹ thuật có hiệu quả, công suất cao, tiết kiệm chi phí là những yêu cầu thiết yếu của người tiêu dùng. Rất nhiều các nghiên cứu được đưa ra nhằm thu nhỏ kích thước của thiết bị liêu tục được tìm hiểu.
Các thiết bị với kích thước mini, micro và nano đang dần được chứng minh được hiệu quả mang lại. Ngoài đặc tính nhỏ gọn về kích thước thì các thiệt bị còn mang lại hiệu suất rất tốt, chi phí chế tạo và lắp đặt cũng rất hợp lý. Để tăng hiệu quả truyền nhiệt cũng như tăng tính thuận nghịch trong các thiết bị trao đổi nhiệt, các thiết bị truyền nhiệt truyền thống sẽ được thay bằng các thiết bị truyền nhiệt kênh mini hay micro. Các thiết bị truyền nhiệt này có mật độ dòng nhiệt cao và thiết bị truyền nhiệt nhỏ gọn.
Do đó, quá trình giải nhiệt để ngưng tụ môi chất trở nên hiệu quả hơn. Việc ngưng tụ môi chất trong thiết bị giải nhiệt kênh micro ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Để nghiên cứu chi tiết về vấn đề này, phương pháp thực nghiệm được thực hiện với các thiết bị thực tế nhằm cho thấy được tổng quan và đưa ra các kết luận về quá trình ngưng tụ của bộ trao đổi nhiệt micro. Tổng quan các nghiên cứu liên quan Khoa học thì ngày càng phát triển đã cho ra đời nhiều công trình nghiên cứu các giải pháp tối ưu hóa quá trình ngưng tụ cho bộ trao đổi nhiệt.
Do đó, nhóm nghiên cứu đã chọn một số công trình nghiên cứu tiêu biểu về quá trình ngưng tụ ở bộ trao đổi nhiệt micro. Tình hình nghiên cứu nước ngoài Liên quan đến nghiên cứu về các môi chất sử dụng trong kênh, đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Hoo–Kyu Oh và Chang-Hyo Son [1] đã nghiên cứu thực nghiệm 9 Luan van đặc tính trao đổi nhiệt khi ngưng của R-22, R-134A và R-410A với mẫu ống đồng tròn đường kính trong 1,77 mm, dài 160 mm. Thực nghiệm được thực hiện với các điều kiện lưu lượng dòng chất 450 – 1050 kg/m2s, nhiệt độ bão hòa 40oC.
Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ của R-410A cao hơn so với R-22 và R-134A tại dòng chất xác định. Trong khi đó, hệ sộ truyền nhiệt ngưng tụ của R-22 có giá trị tương tự như R-134A. Cũng bằng phương pháp thực nghiệm. Jatuporn Kaew-On cùng các cộng sự [2] đã khảo sát các đặc tính truyền nhiệt ngưng tụ của R134a chảy trong một ống tròn và 3 ống đồng dẹt.
Ống tròn có đường kính trong 3,51 mm, và các ống dẹt được làm từ ống tròn với đường kính trong 3,51 mm. Các phạm vi thực nghiệm bao gồm một mật độ khối lượng 350-900 kg /m2 s, mật độ dòng nhiệt của 10-50 kW / m2, áp suất bão hòa 8-12 bar. Biểu đồ mô hình dòng chảy đã được khảo sát bằng cách so sánh nó với bản đồ mô hình dòng chảy hiện tại. Kết quả cho thấy rằng hệ số truyền nhiệt ngưng tụ tăng khi gia tăng mật độ khối lượng, mật độ dòng nhiệt, và lượng hơi.
Azizi và cộng sự [3] cũng đã nghiên cứu hệ số truyền nhiệt đối lưu và hệ số ma sát của môi chất nano đồng trong một thiết bị giải nhiệt kênh micro hình chữ nhật có đường kính thủy lực 526 µm và chiều dài 50 mm. Nghiên cứu được thực hiện cho môi chất nano đồng có tỷ lượng theo khối lượng là 0.3 %, mật độ dòng nhiệt có 2 giá trị là 35 là 50 kW/m2, và lưu lượng được điều chỉnh trong khoảng 0. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tỷ lượng theo khối lượng phân tử nano tăng từ 0.3% thì nhiệt trở giảm đến 21%. Sự có mặt của phân tử nano làm tăng số Nusselt đến 43% trong khi hệ số ma sát tăng đến 45.5% so với nước nguyên chất.
Bên cạnh đó, Nghiên cứu về các loại hình dạng, kích thước khác nhau của kênh cũng được các nhà nghiên cứu quan tâm. Lee cùng cộng sự [4] đã thực nghiệm ảnh hưởng của vận tốc lưu chất di chuyển trong kênh micro khi thay đổi hướng đặt kênh ngang, dọc, nghiêng. Kết quả đã chứng minh sự tồn tại một ngưỡng vận tốc mà quá trình truyền nhiệt trong kênh giống nhau ở bất kể hướng nào. Cũng bằng phương pháp thực nghiệm Wang cùng cộng sự [5] đã thực hiện quá trình truyền nhiệt ngưng tụ của hơi nước trên các ống micro dọc.
Thực nghiệm được thực hiện dưới vận tốc và áp suất hơi nước khác nhau, bao gồm 4 ống với các đường kính khác nhau: 0. Kết quả cho thấy, khi độ chênh nhiệt độ giữa hơi và bề mặt tăng thì hệ số truyền nhiệt ngưng tụ giảm đều. Sakanova và cộng sự [6] đã nghiên cứu việc cải tiến công suất truyền nhiệt trong thiết bị tản nhiệt kênh micro bằng cách sử dụng 10 Luan van hình dạng kênh gợn sóng và các loại môi chất nano. Kênh có kích thước rộng W = 85 µm, cao H = 700 µm và dài L = 10 mm.
3 loại biên độ sóng 25 µm, 50 µm và 75 µm với 2 loại bước sóng 250 µm và 500 µm với lưu lượng thể tích từ 0.354 L/phút được khảo sát. 3 loại môi chất nano là: đồng- nước, oxit silic-nước và kim cương với nồng độ thể tích từ 1% đến 5% được sử dụng. Kết quả cho thấy rằng năng suất truyền nhiệt của kênh micro gợn sóng cao hơn nhiều so với kênh phẳng truyền thống khi môi chất là nước. Tuy nhiên, khi thay nước bằng các môi chất nano thì ưu thế này của kênh gợn sóng không còn đáng chú ý nữa.
Na Liu và các cộng sự [7] đã nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và độ chênh áp trong suốt quá trình ngưng tụ của R-152A trong kênh Micro tròn và vuông bằng mô hình thí nghiệm đường kính thủy lực của kênh Micro tròn là 1,152 mm, nhiệt độ bão hòa là 40 và 50oC , với mật độ khối lượng từ 200 – 800 kg/m2s và chất lượng hơi từ 0,1 – 0,9. Kết quả 4 nghiên cứu cho thấy, hệ số truyền nhiệt và độ chênh áp tăng khi tăng lưu lượng chất, chất lượng dòng hơi và giảm khi tăng nhiệt độ bão hòa. Ashif Iqbal và Manmohan Pandey [8] đã thực hiện một nghiên cứu về sự dịch chuyển thoáng qua của các pha khí và lỏng trong kênh micro được thực hiện. Một mô hình động lực học chất lỏng cho sự dịch chuyển khối lớn trong các kênh 200 μm được phát triển và xác nhận với dữ liệu từ một nghiên cứu trực quan hóa dòng nước được thực hiện trên các phần kiểm tra kênh micro thủy tinh có đường kính 200 μm bằng video tốc độ cao.
Vận tốc bề mặt, tỷ số chân không và độ dày màng được xác định bằng cách thực hiện phân tích hình ảnh trên các video thu được. Các mô hình dịch chuyển khối lớn cho vận tốc chất lỏng được tìm thấy phù hợp tốt với dữ liệu cho sự dịch chuyển của khí bằng chất lỏng, với sai số trung bình là 11%. Trong quá trình dịch chuyển khí bằng chất lỏng, một chất lỏng chảy chậm làm sạch hoàn toàn khí trong kênh mà ít có sự tương tác ở giao diện khí-lỏng. Đối với sự dịch chuyển của chất lỏng bằng khí, sai số mô hình trung bình là 20% và các mô hình dòng chảy quan sát được là dòng chảy khô, màng mỏng, màng vòng, dòng chảy gián đoạn và dòng chảy.Al-Zaidi cùng cộng sự [9] thực hiện một cuộc thí nghiệm nghiên cứu để nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chất làm lạnh, chất lượng hơi cục bộ, tốc độ dòng chất làm mát và nhiệt độ chất làm mát đầu vào đến hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ.
Hình dung dòng chảy cũng được thực hiện để ghi lại các dòng chảy trong quá trình ngưng tụ dòng chảy bằng camera tốc độ cao được tích hợp với kính hiển vi. HFE-7100, chất làm lạnh điện môi và thân thiện với môi trường được sử dụng trong đa vi hình chữ nhật với đường kính thủy lực 0,57 mm. Các thí nghiệm 11 Luan van được thực hiện ở nhiệt độ bão hòa 60°C, phạm vi lưu lượng khối lượng từ 48 - 126 kg / (m2 s), phạm vi tốc độ dòng nước làm mát 0,5 - 1.1 L / phút và nhiệt độ nước làm mát đầu vào 20 – 400C. Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ tăng khi tăng lưu lượng khối lượng và giảm khi lưu lượng hơi cục bộ giảm.
Xiaoguang Fan và các cộng sự [10] đã nghiên cứu về sự giảm áp trong quá trình ngưng tụ của kênh Micro hình thang bằng phương pháp thực nghiệm với ba mẫu kênh có đường kính từ 134 µm đến 166 µm, dài 50 mm gồm 14 kênh song song. Thí nghiệm được tiến hành với lưu lượng hơi thay đổi từ 130 kg/m2.s và lưu lượng nước giải nhiệt dao động từ 20 l/h đến 40 l/h. Thực nghiệm cho thấy lưu lượng hơi, chất lượng hơi, lưu lượng nước giải nhiệt, đường kính kênh và đặc biệt hình dạng kênh ảnh hưởng quan trọng đến sự giảm áp. Kết quả thí nghiệm đã bổ sung dữ liệu cho mô hình Friedel trước đó.
Ahmad Odaymet và Hasna Louahlia-Gualous [11] đã nghiên cứu sự truyền nhiệt cục bộ quá trình ngưng tụ dòng chảy chậm trong kênh Micro nhôm hình vuông có đường kính 305 µm, dài 50mm, trên kênh được khoan các lỗ nhỏ cách đều nhau để gắn đầu đo nhiệt độ. Thí nghiệm tiến hành với lưu lượng hơi vào thay đổi từ 14 kg/m2.s và áp suất từ 101 kPa đến 115 kPa. Kết quả xác định được sáu dòng ngưng tụ trong kênh: sương mù, chảy rối, hình khuyên, sên, dòng chất lỏng và bọt. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy khi lưu lượng hơi tăng thì sự truyền nhiệt cục bộ tăng và lớn nhất ở dòng ngưng tụ sên.
El Mghari và H. Louahlia-Gualous [12] đã thực nghiệm và phân tích số liệu quá trình truyền nhiệt ngưng tụ cục bộ khi dòng nhiệt thay đổi trong kênh Micro silic hình chữ nhật có đường kính 305 µm dài 50 mm. Thí nghiệm được thực hiện với lưu lượng hơi vào thay đổi từ 75 kg/m2.s trong khi lưu lượng nước giải nhiệt không đổi.