Đặt vấn đề Từ xưa đến nay, con người phụ thuộc vào hai nguồn năng lượng chính: nhiên liệu hóa thạch và thủy điện (nước), nhưng những nguồn năng lượng truyền thống này là hữu hạn. Bắt đầu từ vài thập kỷ cuối của thế kỷ 20, các nguồn năng lượng khác đã trở nên phổ biến và được sử dụng nhiều hơn. Do đó, ngành công nghiệp năng lượng đang và sẽ tiếp tục trong tình trạng thay đổi liên tục khi các nhà khoa học và kỹ sư nỗ lực phát triển các nguồn năng lượng và phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường và bền vững. Mọi người muốn các nguồn năng lượng có ít tác động tiêu cực hơn đến môi trường của chúng ta, giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch và có thể tái tạo dễ dàng, không còn lo ngại về tình trạng thiếu hụt trong tương lai.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngành 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 trao đổi nhiệt và hệ thống. Bộ trao đổi nhiệt kênh mini đã được áp dụng trong làm lạnh và điều hòa không khí vì chúng cung cấp diện tích truyền nhiệt lớn hơn trên một đơn vị thể tích và chúng nhỏ hơn và nhẹ hơn so với những bộ trao đổi nhiệt thông thường. Bộ trao đổi nhiệt kênh mini hiệu quả hơn để nâng cao hiệu suất so với bộ trao đổi nhiệt dạng vây và ống trong máy lạnh dân dụng.
Và bộ trao đổi nhiệt kênh mini giúp giảm lượng môi chất lạnh trong hệ thống máy lạnh dân dụng với mục đích thay thế tất cả các bộ trao đổi nhiệt dòng song song bằng nhôm làm bộ trao đổi nhiệt cho tất cả các loại máy điều hòa không khí, cải tiến công nghệ chống ăn mòn và mức độ linh hoạt cho ứng dụng sản phẩm nên được thực hiện. Tản nhiệt kênh mini dường như công nghệ làm mát đáng tin cậy nhất do nó vượt trội hơn về khả năng mang nhiệt. Từ đó việc sử dụng các thiết bị giải nhiệt có kích thước mini có đặc điểm như hiệu suất truyền nhiệt cao, tiết kiệm chi phí sản xuất, tiết kiệm không gian, làm giảm các tác nhân gây hiệu ứng nhà kính, phá hủy tầng ozon đã được phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. 13 Báo cáo tổng kết Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: Th.S Lê Bá Tân Hai thập kỷ qua đã chứng kiến sự phát triển vượt trội về khả năng tản nhiệt trong các máy tính, thiết bị điện tử công suất cao, hệ thống điện tử hàng không và các hệ thống vũ khí và laser năng lượng định hướng.
Ngày nay tản nhiệt cục bộ từ các bộ vi xử lý tiên tiến đã vượt quá 100 W/cm2, trong khi ứng dụng quốc phòng cao cấp như laser, thiết bị vi sóng và radar đang bắt đầu vượt quá 1000 W/cm2, trong khi trong các lò phản ứng hạt nhân cần tốc độ loại bỏ thông lượng nhiệt là 10000 W/cm2. Yêu cầu về tản nhiệt vẫn tiếp tục tăng với sự cải tiến trong công nghệ và giảm hơn nữa về kích thước và chi phí đầu tư. Bộ tản nhiệt đạt hiệu suất cao là sự cấp thiết để có thể giải quyết được những thách thức của các công nghệ tiên tiến mới cũng như có thể phát triển hơn nữa trong các ngành công nghệ nhằm tăng khả năng tản nhiệt. Nhiều hệ thống làm mát khác nhau đã được phát triển để đạt được mong muốn.
Đây là chìa khóa để phát triển sản xuất những bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn có hiêu suất cao đáp ứng tốt yêu cầu của người tiêu dùng ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Để tiếp nối những nghiên cứu trước đây, nhóm em đã nghiên cứu quyết định tìm hiểu và nghiên cứu hệ số tỏa nhiệt đối lưu thiết bị bay hơi kênh mini công suất 250W. 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 mini. Tổng quan các nghiên cứu Tình hình nghiên cứu ngoài nước Các thí nghiệm về hiện tượng dòng chảy hai pha của Yuanzheng [1] ở trạng thái lỏng hơi trong quá trình đun sôi dòng chảy với thiết bị HFE-7100 trong hai kênh Micro hình chữ nhật song song với kích thước các cạnh là 0,2364 và 0,3182 được thực hiện trong một loạt các điều kiện thử nghiệm: lưu lượng khối lượng từ 380 đến 3500 kg/m2s, lưu lượng nhiệt từ 0 đến 1080 kW/m2 và các thể tích nén tương ứng là 0, 5, 10 và 20 ml.
Nó cho thấy lưu lượng nhiệt tổn thất tối đa trong các kênh Micro có tỷ lệ kích thước 0,3182 lớn hơn 34,4% so với trong các kênh Micro có tỷ lệ kích thước các cạnh là 0,2364 trong khi áp suất bị suy giảm trong các kênh Micro có tỷ lệ kích thước cao hơn ít nhất tới 80% so với trong các kênh Micro có tỷ lệ giãm nỡ thấp hơn trong mọi điều kiện thử nghiệm. 14 Báo cáo tổng kết Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: Th.S Lê Bá Tân Một nghiên cứu thực nghiệm về đặc tính truyền nhiệt của dòng nước-không khí trong các kênh Micro nằm ngang đã được thực hiện bởi Saisorn và Kuasen [2]. Hỗn hợp khí-lỏng từ một buồng trộn hình chữ Y được dẫn đi qua một cửa nạp và đi vào 21 kênh Micro hình chữ nhật song song dài 40 mm. Mỗi kênh có kích thước là 0,45 và 0,41 mm.
Các thử nghiệm được thực hiện ở tải nhiệt 80 W, với số Reynolds bề mặt của khí và chất lỏng lần lượt nằm trong khoảng 54-142 và 131-373. Thí nghiệm chỉ ra rằng sự hình thành các bọt khí nhỏ thay vì dòng chảy lõi khí liên quan đến sự gia tăng số lượng Nusselt. Trong nghiên cứu này, dòng khí-lỏng đã tăng cường truyền nhiệt lên đến 80% so với dòng chất lỏng. Một thí nghiệm của Chen DQ [3] và cộng sự đã được thực hiện để nghiên cứu cơ chế truyền nhiệt sôi dòng chảy trong các kênh dọc có đường kính trong khác nhau.
Các thông số dòng chảy ở đầu ra được ghi lại bằng một camera tốc độ cao. Trong nghiên cứu này, các đặc điểm của truyền nhiệt sôi dòng với các đường kính bên trong khác nhau, nhiệt độ nước đầu vào, lưu lượng khối lượng và thông lượng nhiệt đã được phân tích chi tiết. Đánh giá về sự truyền nhiệt đối lưu qua các kênh Micro được trình bày bởi Gian Luca Morini [4]. Đã cho ra kết quả chính thu được về hệ số ma sát, về sự chuyển đổi tầng thành hỗn loạn và về số Nusselt trong các kênh có đường kính thủy lực nhỏ hơn 1 mm.
So sánh các kết quả thí nghiệm được trích dẫn trong tài liệu mở được thực hiện. Trong các công trình liên quan trên, các nghiên cứu đã đề cập đến ảnh hưởng của hình dáng kích thước của bộ trao đổi nhiệt kênh micro hay mini dạng chữ I, S, Z và thường chỉ có 1 pass chứ không đề cập đến sự bố trí dòng chảy theo nhiều pass. Thêm vào đó, các nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng chỉ mô phỏng phần lưu chất và kênh chứ không mô phỏng toàn bộ của bộ tản nhiệt. Trong một nghiên cứu của Chi-Chuan Wang [5] về chất bôi trơn về hiệu suất truyền nhiệt đối với chất làm lạnh thông thường và chất làm lạnh tự nhiên R-744.
Các thông số khác nhau ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt tùy thuộc vào chất bôi trơn, chẳng hạn như nồng độ dầu, lưu lượng nhiệt, lưu lượng khối lượng, chất lượng hơi, cấu hình hình học, nhiệt độ bão hòa, nhiệt động lực học và các đặc tính vận chuyển được thảo luận trong phần tổng quan này. Nhóm nghiên cứu đã tóm tắt được: Để làm mát bằng khí, chất bôi 15 Báo cáo tổng kết Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: Th.S Lê Bá Tân trơn ảnh hưởng đáng kể đến hệ số truyền nhiệt, đặc biệt là đối với thông lượng khối lượng lớn hơn hoặc ở ống có đường kính nhỏ hơn. Hardt cùng các cộng sự [6] đã nghiên cứu quá trình bay hơi của 2-propanol và nước trong các kênh Micro được làm bằng polyme xyclo olefin (COP) và các kênh làm bằng silicon có tiết diện vuông được quan sát bằng máy ảnh tốc độ cao. Các kênh COP có mặt cắt ngang 50 μm × 50 μm mịn, trong khi các kênh silicon 30 μm × 30 μm có bề mặt tương đối thô.
Đối với các kênh COP, hai chế độ bay hơi khác nhau được xác định, cả hai đều có menisci lỏng-hơi dao động. Trong các kênh silicon có bốn chế độ bay hơi khác nhau được quan sát. Chuyển động dao động của mặt trước chất lỏng cũng chiếm ưu thế ở đây, và tùy thuộc vào tổng lưu lượng khối lượng và nhiệt độ thành mà dao động trong các kênh khác nhau được đồng bộ hoặc không đồng bộ. Bên cạnh các mô hình dòng chảy, quỹ đạo vận tốc của mặt trước chất lỏng bay hơi cũng được phân tích chi tiết và cho thấy khả năng tái tạo khá tốt trên các kênh khác nhau và các chu kỳ khác nhau.
So với hầu hết các nghiên cứu khác được báo cáo trong lĩnh vực này, sự tạo mầm bong bóng được thấy là có tầm quan trọng thứ yếu đối với các quá trình bay hơi. Liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu mô phỏng số học về sự chuyển đổi chế độ bay hơi của môi chất trong kênh micro. Liu cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu số học sự chuyển đổi từ dòng chảy chậm đến dòng chảy hình khuyên khi sôi đối lưu dưới mật độ dòng nhiệt cao trong kênh micro có đường kính 0,4 mm. Lớp biên vận tốc duy trì không đổi ở mật độ khối lượng là 400 kg/m2s, và vách kênh được gia nhiệt với mật độ dòng nhiệt lần lượt là 160, 80 kW/m2.
Tốc độ phát triển của bọt và sự chuyển đổi trạng thái dòng chảy được dự đoán bằng cách so sánh với dữ liệu thực nghiệm một cách khách quan. Ảnh hưởng của sự chuyển đổi được nghiên cứu và nhóm nghiên cứu đã nhận định rằng quá trình chuyển đổi này gây nhiễu loạn lớp biên nhiệt, hơn nữa chúng làm nâng cao hiệu quả của quá trình bay hơi. Các thí nghiệm đun sôi dòng được thực hiện bởi Balasubramanian [8] và các cộng sự trong các kênh Micro thẳng và mở rộng với kích thước diện tích đế là 25 mm x 25 mm và điều kiện hoạt động tương tự. Các kênh Micro có chiều rộng là 30 μm và tỷ lệ các cạnh là 3,25 được chế tạo.
Độ nhám bề mặt đo được (Ra) là khoảng 2,0 μm.