(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng về các thông số hình học của kênh micro đến quá trình ngưng tụ của hơi nước

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường đang là mối quan tâm hàng đầu của nhiều nhà khoa học hiện nay Một trong những giải pháp hiệu quả là cải thiện hiệu suất sử dụng thiết bị, đặc biệt là trong lĩnh vực thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ này trong những năm gần đây mang lại lợi ích vượt trội với kích thước nhỏ gọn, hiệu suất truyền nhiệt cao và khả năng giảm thiểu tiêu hao năng lượng.

Nghiên cứu về quá trình ngưng tụ trong kênh micro còn hạn chế, đặc biệt là trong lĩnh vực mô phỏng số Tác giả thực hiện mô phỏng số quá trình ngưng tụ trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro vuông với lưu chất là hơi, nhằm đóng góp các kết quả khoa học giá trị cho lĩnh vực này Nghiên cứu này không chỉ là nền tảng cho việc phát triển các loại môi chất khác mà còn cho các kích thước thiết bị ngưng tụ khác nhau Do đó, nghiên cứu này rất cần thiết và kỳ vọng sẽ mang lại nhiều kết quả mới trong mô phỏng số dòng hai pha.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt là một lĩnh vực được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm Tại Việt Nam, các nhà nghiên cứu cũng đã có những đóng góp đáng kể và đạt được thành tựu nhất định trong lĩnh vực này Để hỗ trợ cho đề tài nghiên cứu, các bài báo của các nhà khoa học trong và ngoài nước liên quan đã được tìm hiểu kỹ lưỡng.

Công nghệ micro đang được các nhà khoa học áp dụng nghiên cứu vào các bộ trao đổi nhiệt, mang lại những kết quả đáng kể như tăng cường khả năng trao đổi nhiệt, giảm kích thước bộ trao đổi nhiệt và cải thiện hiệu suất truyền nhiệt.

Trong lĩnh vực truyền nhiệt micro, nghiên cứu của Asadi [1] đã chỉ ra rằng hiệu suất nhiệt của kênh micro có thể được nâng cao Xia [2] đã sử dụng phương pháp mô phỏng số để chứng minh rằng việc giảm kích thước đầu vào của kênh sẽ làm tăng tốc độ truyền nhiệt và giảm tổn thất áp suất Nghiên cứu của Dang [3] so sánh truyền nhiệt và tổn thất áp suất giữa bộ trao đổi nhiệt kênh micro và kênh mini, cho thấy kênh micro thu được nhiệt lượng cao hơn nhưng cũng có tổn thất áp suất lớn hơn Dang [4] đã áp dụng mô phỏng 3D bằng phần mềm Comsol để nghiên cứu thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro, với kết quả cho thấy mật độ dòng nhiệt đạt 17,38 x 10^4 W/m^2 khi sử dụng nước với các thông số cụ thể Nghiên cứu của Dang [5] về tác động của lực trọng trường cho thấy ảnh hưởng của nó là không đáng kể, với độ chênh lệch giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm dưới 9% Cuối cùng, Yu [6] đã nghiên cứu đặc tính thủy lực và nhiệt động của kênh micro phân nhánh hình cây, chỉ ra rằng kênh này có hệ số truyền nhiệt cao hơn so với kênh micro thẳng, và chỉ số AR ảnh hưởng lớn đến tổn thất áp suất và khả năng truyền nhiệt của cả hai loại kênh.

Ngày nay, các nhà khoa học trên thế giới ngày càng quan tâm đến thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro nhờ vào hiệu quả truyền nhiệt cao và tổn thất áp suất không đáng kể Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu hiện tại chỉ tập trung vào thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro cho dòng một pha, do đó cần thiết phải mở rộng nghiên cứu cho dòng hai pha để khai thác tiềm năng của công nghệ này.

Fossa đã xây dựng mô hình đơn giản để nghiên cứu đặc tính dòng chảy và khả năng truyền nhiệt của dòng hai pha, cung cấp kiến thức về sự tương tác giữa hai pha lỏng – khí Hu và Zhang phát triển mô hình chảy rối K-ε, cho thấy cải thiện khả năng dự đoán chính xác dòng chảy hai pha trong thiết bị ngưng tụ Ding và cộng sự đề xuất mô hình kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, giúp dự đoán chính xác các diễn biến trong thời gian thực và giảm khối lượng tính toán Mirzabeygi và Zhang phát triển mô hình số ba chiều, chứng minh độ chính xác cao trong mô phỏng dòng chảy rối hai pha Họ cũng xác định mô hình K-ω SST là phù hợp nhất cho hiệu suất tốt nhất Chen và cộng sự mô phỏng quá trình ngưng tụ dòng môi chất lạnh FC-72 trong kênh micro, phát hiện ra rằng các bọt khí sinh ra định kỳ và kích thước bọt tăng khi thay đổi lưu lượng và nhiệt độ Ling và cộng sự sử dụng phương pháp khối hữu hạn để mô phỏng quá trình sôi trong kênh micro, cho thấy sự kết hợp của các bọt bong bóng làm tăng mật độ dòng nhiệt theo thời gian.

Nghiên cứu của Dang và Teng [14] chỉ ra rằng hình dáng hình học có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt ngược chiều kênh micro Cụ thể, độ dày bề mặt thiết bị không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất, trong khi đường kính thủy lực lại có tác động lớn Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi đường kính thủy lực giảm, tổn thất áp suất và mật độ dòng nhiệt tăng lên Đối với hai kiểu thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro (kiểu I và kiểu S), kiểu S cho thấy mật độ dòng nhiệt và tổn thất áp suất cao hơn.

Nghiên cứu của Hu và cộng sự [15] đã chỉ ra rằng sự phân phối môi chất lạnh trong kênh có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất nhiệt và sự lưu động của môi chất Tác giả đã sử dụng phương pháp số để đánh giá tác động của phân bố dòng môi chất và góc phân phối dòng hai pha trong bộ trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng Kết quả cho thấy góc phân phối tối ưu cho dòng môi chất hai pha là 15 độ C, được xác nhận thông qua cả phương pháp thực nghiệm và mô phỏng của Dong và Bean.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị bay hơi kênh Micro có thể được cải thiện thông qua việc tối ưu hóa thiết kế bộ ống góp đầu vào Ba kiểu hình dạng ống góp đầu vào được đánh giá bao gồm ống kiểu phân phối, kiểu đơn và kiểu đôi Kết quả cho thấy ống góp đầu vào kiểu phân phối mang lại sự phân phối dòng môi chất lỏng đồng đều nhất, đặc biệt khi dòng môi chất có biên dạng đối xứng tốt Hơn nữa, hình dạng ống góp đầu vào kiểu đôi đã cải thiện đáng kể sự phân phối dòng chảy của môi chất lạnh, đảm bảo tính thống nhất và đối xứng.

Các nhà khoa học đã thực hiện nhiều nghiên cứu về đặc tính lưu chất dòng hai pha và ảnh hưởng của hình dáng hình học cùng sự phân bố góc phân phối của dòng môi chất hai pha lên thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro thông qua cả thực nghiệm và mô phỏng Tuy nhiên, nghiên cứu mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro vuông trong toàn bộ mô hình 3D vẫn chưa được khai thác.

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến thiết bị trao đổi nhiệt micro vuông, đặc biệt là về các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong quá trình sôi trong kênh mini Các nhà khoa học, bao gồm Saisorn và cộng sự, đang tích cực khám phá lĩnh vực này.

Nghiên cứu về đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy của môi chất lạnh R134a khi sôi trong kênh mini ống tròn ngang có đường kính 1,75 mm và chiều dài 600 mm đã được thực hiện, với phạm vi mật độ khối lượng từ 200 đến 1000 kg/m², mật độ dòng nhiệt từ 1 đến 83 kW/m² và áp suất ngưng tụ từ 8 đến 13 bar Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt tăng khi mật độ dòng nhiệt tăng, nhưng chủ yếu không phụ thuộc vào lưu lượng khối lượng và độ khô Đồng thời, áp suất ngưng tụ cao hơn dẫn đến hệ số truyền nhiệt thấp hơn Nghiên cứu của Saisorn và cộng sự cũng đã ghi nhận các hệ số truyền nhiệt cho các dòng chảy thành phần khác nhau trong điều kiện tương tự, với các dữ liệu đo đạc được so sánh với mô hình dòng chảy sôi ba khu vực, cho thấy sự thống nhất với kết quả thực nghiệm ở các thành phần dòng chảy như slug flow, throat-annular flow và churn flow trong điều kiện mật độ dòng nhiệt nhỏ.

Liên quan đến các nghiên cứu về dòng hai pha trong dàn ngưng micro được

Quan và các cộng sự đã nghiên cứu độ chênh áp dòng hai pha khi ngưng tụ trong bốn kênh micro silicon với đường kính thủy lực khác nhau, cho thấy chênh áp tăng khi tăng dòng chất và giảm đường kính kênh Dữ liệu thực nghiệm cũng cho thấy hằng số Matinelli-Chisholm không thay đổi đáng kể Garimella và cộng sự nghiên cứu chênh áp của R-134A trong kênh micro ống tròn, phát hiện chênh áp tăng khi giảm đường kính ống Goss Jr và cộng sự cũng nghiên cứu R-134A trong kênh micro ống tròn, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất áp suất như giãn nở, co lại, và ma sát Kết quả thí nghiệm cho thấy độ chênh áp tăng khi tăng tốc độ khối và giảm nhiệt độ bão hòa, trong khi không bị ảnh hưởng đáng kể bởi các dòng nhiệt.

Nghiên cứu thực nghiệm về dòng lưu chất hai pha sử dụng R-134a và R-245fa trong kênh micro đã được Revellin cùng cộng sự thực hiện với các điều kiện dòng chảy khác nhau Kiểm tra diễn ra trong kênh có đường kính 0,5 mm và 0,8 mm tại các nhiệt độ ngưng tụ 26°C, 30°C và 35°C, với bốn thành phần dòng chảy được xác định Sự quá độ của dòng chảy hai pha của R-134a không phù hợp tốt với sơ đồ dòng chảy macro Không có ảnh hưởng đáng kể từ quá lạnh đầu vào hoặc áp suất ngưng tụ đến sự quá độ dòng chảy Thay đổi chiều dài gia nhiệt không làm ảnh hưởng đến vị trí chuyển tiếp trong sơ đồ dòng chảy Ống 0,8 mm không cho thấy sự khác biệt đáng kể so với ống 5 mm, trong khi sự chuyển tiếp của các chế độ thì bị ảnh hưởng ít hơn bởi mật độ khối lượng R245fa El cùng cộng sự đã nghiên cứu khả năng truyền nhiệt khi ngưng trong kênh micro hình dạng không tròn, cho thấy mối tương quan gần với hệ số truyền nhiệt trung bình trong quá trình ngưng tụ Khi giảm đường kính kênh micro, hệ số truyền nhiệt trung bình tăng lên đến 39% và đạt 100% khi tăng góc tương tác Nghiên cứu của Oh và Son về đặc tính trao đổi nhiệt của R-22, R-134A và R-410A cho thấy R-410A có hệ số truyền nhiệt cao hơn trong dòng hai pha Liu và các cộng sự đã chỉ ra rằng hệ số truyền nhiệt và độ chênh áp tăng khi tăng lưu lượng chất và giảm khi tăng nhiệt độ bão hòa.

Nghiên cứu của Jiang và cộng sự [26] so sánh khả năng truyền nhiệt giữa ống tròn micro nhẵn và ống tròn micro có cánh với bốn loại môi chất lạnh: R22, R134a, R407C và R410A Cả hai loại ống đều có đường kính 9,52 mm và chiều dài 1m, được đặt nằm ngang Kết quả cho thấy, hệ số truyền nhiệt trung bình của ống nhẵn đối với R134a, R407C và R410A lần lượt cao hơn R22 với tỷ lệ 110,9%, 78% và 125% Trong khi đó, ống có cánh micro cho hệ số truyền nhiệt trung bình cao hơn so với ống nhẵn, với các giá trị lần lượt là 1,86; 1,8; 1,69 và 1,78 cho các môi chất tương ứng Độ sụt áp trung bình của các môi chất khi so sánh ống có cánh với ống nhẵn cũng cao hơn, với các giá trị 1,42; 1,3; 1,45 và 1,4 Cuối cùng, chỉ số hiệu suất nhiệt thủy lực tại các dòng chảy đồng nhất cho thấy ống có cánh micro vượt trội hơn ống nhẵn với các giá trị 1,31; 1,38; 1,17 và 1,27.

Nghiên cứu về đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro, đặc biệt là kênh micro ống tròn, đã được thực hiện rộng rãi trên toàn thế giới với nhiều loại môi chất khác nhau Tuy nhiên, vẫn còn thiếu nghiên cứu về quá trình ngưng tụ của hơi nước trong thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro vuông bằng phương pháp mô phỏng 3D toàn diện.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu chính của đề tài

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của chiều dài kênh micro, đường kính thủy lực, chiều sâu kênh micro và độ dày của tấm substrate đến biên dạng chuyển pha trong quá trình ngưng tụ hơi nước Phương pháp mô phỏng số được sử dụng để xác định nhiệt độ nước ngưng tụ khi thoát ra khỏi kênh, từ đó cung cấp những hiểu biết quan trọng về hiệu suất của hệ thống ngưng tụ.

Tìm ra biên dạng ngưng và vị trí ngưng trong các kênh micro

Tìm ra ảnh hưởng của lực trọng trường đến chiều dài kênh micro trong phạm vi nghiên cứu

So sánh kết quả nghiên cứu với các nghiên cứu liên quan để kiểm chứng kết quả

Tác giả thực hiện nghiên cứu tổng quan để xác định đối tượng nghiên cứu và thiết kế mô hình 3D, sử dụng phần mềm mô phỏng số học COMSOL để giải các phương trình toán học Sau đó, tác giả tiến hành so sánh kết quả thu được với kết quả thực nghiệm và các công bố liên quan khác nhằm kiểm chứng tính chính xác Những kết quả có giá trị này đã được công bố tại một số hội nghị quốc tế có phản biện và trên các tạp chí quốc tế uy tín.

1.3.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Do sự hạn chế của các phần mềm chuyên dụng trong mô phỏng dòng hai pha, tác giả chỉ thực hiện được hai mô hình mô phỏng sau hai năm nghiên cứu Kết quả thu được bao gồm các thông số về trường nhiệt độ, độ khô và khối lượng riêng trong dòng hai pha.

Tác giả đã thực hiện nghiên cứu trên hai mẫu micro M1 và M2, sử dụng hơi nước làm môi chất Cả hai mẫu này đều có số kênh, đường kính thủy lực, hình dạng và kích thước mặt cắt ngang giống nhau, nhưng khác biệt ở chiều dài kênh.

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của chiều dài kênh micro đến biên dạng chuyển pha của hơi nước khi ngưng tụ và nhiệt độ nước ngưng tụ khi thoát ra khỏi kênh, sử dụng phương pháp mô phỏng số Các kết quả mô phỏng sau đó được so sánh với các nghiên cứu trước đây để xác thực tính chính xác của chúng.

 Tổng quan các nghiên cứu liên quan

 Đưa ra động lực nghiên cứu

 Đưa ra đối tượng và phương pháp nghiên cứu

 Mô phỏng số mô hình

 So sánh với kết quả thực nghiệm

 So sánh những kết quả này với các bài báo quốc tế SCI, SCSI hay EI liên quan.

CƠ SỞ NGHIÊN CỨU

Lý thuyết truyền nhiệt

Về cơ bản có ba phương thức truyền nhiệt sau:

Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình chuyển giao nhiệt năng thông qua năng lượng sóng điện từ, chủ yếu diễn ra mà không cần tiếp xúc trực tiếp.

Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình xảy ra giữa bề mặt rắn và lưu chất (lỏng hoặc khí) khi có sự chênh lệch nhiệt độ Trong quá trình này, việc truyền nhiệt diễn ra song song với dòng chảy của lưu chất.

Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật chất có nhiệt độ khác nhau khi chúng tiếp xúc trực tiếp Trong quá trình này, các vật chất thường đứng yên, đặc biệt là các vật rắn, trong khi nhiệt lượng được truyền qua giữa chúng.

Các định luật cơ bản về truyền nhiệt được chi phối bởi định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, hay còn gọi là nguyên tắc bảo toàn năng lượng Tuy nhiên, việc đo lường và sử dụng nội năng U trong mô phỏng là khá phức tạp Do đó, các định luật này thường được diễn đạt lại trong các điều kiện nhiệt độ.

T Đối với một lưu chất, có phương trình truyền nhiệt dạng tổng quát [32]:

C p : Nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K

T : Nhiệt độ tuyệt đối, K u : Vận tốc, m/s q : Mật độ dòng nhiệt, W/m 2 : p Áp suất, Pa

 : Ứng suất nhớt tensor, Pa

S Biến dạng tensor vận tốc, 1/s 1

Dòng chảy lưu chất, mô hình dòng chảy rối k – ε

2.2.1 Dòng chảy lưu chất Để phân tích những đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất, một số giả thiết được đưa ra:

- Lưu chất có tính liên tục

- Bỏ qua truyền nhiệt bức xạ

Những phương trình chính yếu trong hệ thống này bao gồm phương trình liên tục, phương trình động lượng và phương trình năng lượng

 Phương trình năng lượng ( dạng triển khai ) [32]:

Trong đó: Q là sự phát sinh nhiệt bên trong, T là nhiệt độ, C p là nhiệt dung riêng đẳng áp,  là hệ số dẫn nhiệt u v w 0 u v w t x y z x y z

 Phương trình cân bằng năng lượng [32]:

 Lượng nhiệt cực đại truyền qua thiết bị Q max [32]:

 Lượng nhiệt truyền qua thiết bị Q, được tính [32]:

 Hiệu suất truyền nhiệt (theo phương pháp NTU) được xác định [32]:

 Mật độ dòng nhiệt được tính [32]:

 Tổng nhiệt trở được xác định [32]:

 Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit được xác định [32]:

Trong đó m là lưu lượng khối lượng (chú thích: v và w tương ứng là ký hiệu phía hơi và phía nước) , n là số kênh micro, c là nhiệt dung riêng,

Nhiệt độ vào và ra của phía hơi và phía nước được ký hiệu là T T T T, trong đó L đại diện cho nhiệt ẩn, q là mật độ dòng nhiệt, A là diện tích truyền nhiệt, và k là hệ số truyền nhiệt tổng.

  : nhiệt trở dẫn nhiệt, conv 1 1 h c

R   : nhiệt trở đối lưu, trong đó

   max min max min lm ln

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa hai phía nóng và lạnh được ký hiệu là α, trong khi hệ số dẫn nhiệt được ký hiệu là λ Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit được biểu thị bằng ΔT lm.

 Chỉ số Reynolds được xác định [32]:

 Tổn thất áp suất do ma sát được xác định bởi [32]:

 Chỉ số hoàn thiện được xác định như sau[32]:

 P là đường kính quy ước, w là vận tốc theo phương z,  là độ nhớt động lực học,  là khối lượng riêng, A c là diện tích mặt cắt, P là chu vi ướt,

L là chiều dài kênh và f là hệ số ma sát Fanning

2.2.2 Mô hình dòng chảy rối k – ε

Mô hình k-ε là một trong những mô hình chảy rối phổ biến nhất trong các ứng dụng công nghiệp Mô hình này bao gồm hai phương trình chuyển đổi cùng với hai biến phụ thuộc: động năng rối k và lượng tiêu tán năng lượng chảy rối ε Độ nhớt chảy rối được mô hình hóa để phù hợp với các điều kiện thực tế trong quá trình truyền nhiệt hỗn hợp.

C  : Hằng số của mô hình, có giá trị bằng 0,09 [33]

 Phương trình chuyển động cho k [33]:

 Với Pk được xác định bởi [33]:

 Phương trình vận chuyển cho ε [33]:

C e : Hằng số của mô hình, có giá trị bằng 1,44 [33]

C e : Hằng số của mô hình, có giá trị bằng 1,92 [33]

 Phương trình thông số của lưu chất trong tọa độ 3D [33]: (1-19)

 : Khối lượng riêng, kg/m 3 u : Vận tốc, m/s q : Mật độ dòng nhiệt, W/m 2 : p Áp suất, Pa

I : Cường độ bức xạ theo hướng biên dạng hình học , W m sr/ ( ) 2

F : Vector lực khối , N m/ 3 k : Động năng rối k, J/kg

: Độ nhớt động lực học, Pa.s

 T : Độ nhớt động lực học của dòng chảy rối, Pa.s

Q p : Công do thay đổi áp suất, W m/ 3

Q vd : Sự tiêu tán độ nhớt, W m/ 3

 Phương trình thông số cho chất rắn [33]:

C p : Nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K u : Vector vận tốc, m/s

T : Nhiệt độ tuyệt đối, K q : Mật độ dòng nhiệt bằng dẫn nhiệt, W/m 2

Q ted : Sự giảm dần do nhiệt đàn hồi, W m/ 3

 Phương trình thay đổi pha [33]:

 m : Tỉ lệ khối lượng của phần hơi

 : Khối lượng riêng của vật liệu ở pha 1, kg/m 3

 : Khối lượng riêng của vật liệu ở pha 2, kg/m 3

 : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ở pha 1,W/(m.K)

 : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ở pha 2,W/(m.K)

C p : Nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K

C : Nhiệt dung riêng đẳng áp của vật liệu ở pha 1,J/kg.K

C : Nhiệt dung riêng đẳng áp của vật liệu ở pha 2,J/kg.K q : Mật độ dòng nhiệt, W/m 2

T : Nhiệt độ tuyệt đối, K u .q Q Q p p vd

Trong đó: n: Vector pháp tuyến u : Vector vận tốc, m/s u  : Vector vận tốc ứng suất nhớt tensor nhớt,m/s tan g u : Vector vận tốc tiếp tuyến, m/s

: Độ nhớt động lực học, Pa.s

 T : Độ nhớt động lực học cùa dòng chảy rối, Pa.s

I : Cường độ bức xạ theo hướng biên dạng hình học , W m sr/ ( ) 2

 : Khối lượng riêng, kg/m 3 k : Động năng rối J/kg

 m : Khoảng cách giữa miền lưu chất tính toán và vách, m ε: Lượng tiêu tán năng lượng chảy rối, m s 2 / 3

C  : Hằng số của mô hình, có giá trị bằng 0.09 [33]

K v : Hằng số của mô hình, có giá trị bằng 0.41 [33]

 : Ứng suất nhớt tensor, Pa

 Phương trình thông số đầu vào [33]:

Trong đó: m: Khối lượng, kg

 : Khối lượng riêng, kg/m 3 u : Vector vận tốc, m/s n: Vector pháp tuyến hướng ra ngoài miền khảo sát k : Động năng rối , J/kg

C  : Hằng số của mô hình, có giá trị bằng 0.09 [33] l T : Cường độ dòng chảy rối, 1

L T : Chiều dài dòng chảy rối, m

U ref : Phạm vi vận tốc tham chiếu, m/s

: Giới hạn biên của miền hình học

 Phương trình thông số đầu ra [33]:

(1-40) (1-41) Trong đó: p :Áp suất, Pa

    n: Vector pháp tuyến hướng ra ngoài miền khảo sát k : Động năng rối , J/kg ε: Lượng tiêu tán năng lượng chảy rối, m s 2 / 3

: Độ nhớt động học, Pa.s

 T : Độ nhớt động học cùa dòng chảy rối, Pa.s u : Vector vận tốc, m/s

I : Cường độ bức xạ theo hướng biên dạng hình học , W m sr/ ( ) 2 g : Gia tốc trọng trường, m s/ 2

 Điều kiện nhiệt độ ban đầu [33]:

 Điều kiện mật độ dòng nhiệt ban đầu [33]:

T : Nhiệt độ tuyệt đối, K q : Mật độ dòng nhiệt, W/m 2 n: Vector pháp tuyến.

MÔ PHỎNG SỐ

Thiết kế mô hình mô phỏng

3.1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro

Dựa trên nghiên cứu trước đó, thiết bị ngưng tụ kênh micro được thiết kế với công suất 150 W, sử dụng vật liệu Nhôm có hệ số dẫn nhiệt 7 W/mK, khối lượng riêng 1000 kg/m³ và nhiệt dung riêng đẳng áp 4 J/kgK Thiết bị này bao gồm 10 kênh có đường kính 500 μm và chiều dài mỗi kênh là 32 mm Các kênh có mặt cắt ngang hình vuông với chiều rộng và chiều sâu là 0,5 mm, khoảng cách giữa các kênh là 0,5 mm, và các vách ngăn có chiều rộng 2,5 mm để thuận tiện cho việc dán bộ trao đổi nhiệt với tấm PMMA Hai tấm PMMA có kích thước 42 x 14,5 x 10 mm được gắn ở phía trên và dưới của bộ trao đổi nhiệt.

Hình 3.1 Kích thước mẫu mirro M1 [31]

Dựa trên nghiên cứu trước đây, thiết bị ngưng tụ kênh micro trong nghiên cứu này được thiết kế với công suất 200 W Thiết bị trao đổi nhiệt này được chế tạo từ vật liệu nhôm, với hệ số dẫn nhiệt 7 [W/mK], khối lượng riêng ρ'00 [kg/m3] và nhiệt dung riêng đẳng áp C p 4 [J/kgK] Thiết bị bao gồm 10 kênh có đường kính 500 μm và chiều dài mỗi kênh là 52 mm Các kênh có mặt cắt ngang hình vuông, với chiều rộng và chiều sâu lần lượt là 0,5 mm Khoảng cách giữa các kênh là 0,5 mm, trong khi các vách ngăn có chiều rộng 2,5 mm để thuận tiện cho việc dán bộ trao đổi nhiệt và tấm PMMA Các ống góp có chiều rộng 2,5 mm và độ sâu 0,5 mm, với hai tấm PMMA có kích thước dài x rộng x cao.

62 x 14,5 x 10 (mm) được gắn phía trên và phía dưới của bộ trao đổi nhiệt

Hình 3.2 Kích thước mẫu mirro M2 [31]

Dựa trên các nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt, mẫu micro 3 đã được thiết kế với kênh micro được gia công từ vật liệu nhôm Thiết bị này có hệ số dẫn nhiệt đạt khoảng 7 W/mK, khối lượng riêng ρ là 00 kg/m³ và nhiệt dung riêng đẳng áp.

Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro được thiết kế với 10 kênh có đường kính 500μm và chiều dài mỗi kênh là 52 mm Các kênh có mặt cắt ngang hình vuông với kích thước 0.5 mm x 0.5 mm, được bố trí cách nhau 0.5 mm, trong khi các vách ngăn có chiều rộng 2.5 mm để dễ dàng gắn kết bộ trao đổi nhiệt và tấm PMMA Hệ thống ống góp có chiều rộng 2.5 mm và độ sâu 0.5 mm Bộ trao đổi nhiệt được trang bị hai tấm PMMA (Polymethyl methacrylate) với kích thước 62 mm x 14.5 mm x 10 mm, được gắn ở phía trên và phía dưới.

Hình 3 5 Kích thước mẫu mirro M3

Dựa trên các nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt, mẫu micro 4 đã được thiết kế với kênh micro được gia công từ vật liệu nhôm Thiết bị này có hệ số dẫn nhiệt là k#7[W/mK], khối lượng riêng ρ'00[kg/m³] và nhiệt dung riêng đẳng áp, mang lại hiệu suất truyền nhiệt tối ưu.

Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro được thiết kế với 10 kênh có đường kính 420 µm và chiều dài mỗi kênh là 52 mm Các kênh có mặt cắt ngang hình chữ nhật với chiều rộng 0.7 mm và chiều sâu 0.3 mm, trong khi khoảng cách giữa các kênh là 0.278 mm Vách ngăn giữa các kênh có chiều rộng 2.5 mm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc dán bộ trao đổi nhiệt với tấm PMMA Các ống góp có chiều rộng 2.5 mm và độ sâu 0.3 mm Bộ trao đổi nhiệt được gắn giữa hai tấm PMMA có kích thước 62 x 14.502 x 10 mm.

Hình 3 6 Kích thước mẫu mirro M4

Dựa trên các nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt, mẫu micro 5 đã được thiết kế với cấu trúc kênh micro Thiết bị này được chế tạo từ vật liệu nhôm, có hệ số dẫn nhiệt khoảng 7 W/mK, khối lượng riêng ρ'00 kg/m³ và nhiệt dung riêng đẳng áp.

Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro được thiết kế với 10 kênh có đường kính trong 420μm và chiều dài mỗi kênh là 52 mm Các kênh có mặt cắt ngang hình chữ nhật với chiều rộng 0.55 mm và chiều sâu 0.4 mm, cùng với khoảng cách giữa các kênh là 0.445 mm Vách ngăn giữa các kênh có chiều rộng 2.5 mm, giúp dễ dàng dán bộ trao đổi nhiệt vào tấm PMMA Các ống góp có kích thước chiều rộng 2.5 mm và độ sâu 0.4 mm Bộ trao đổi nhiệt được gắn với hai tấm PMMA (Polymethyl methacrylate) có kích thước 62 x 14.505 x 10 mm ở phía trên và dưới.

Hình 3 7 Kích thước mẫu mirro M5

Bảng 3 1 So sánh kích thước các mẫu micro

Mẫu Substrate, mm Kênh micro phía hơi nước,

Mô phỏng số

3.2.1 Giới thiệu mô phỏng số

Ngày nay, nghiên cứu thường áp dụng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp mô phỏng số học kết hợp với phương pháp thực nghiệm là hai phương pháp chủ yếu.

Mô phỏng số học là công nghệ tạo ra các mô hình gần giống với hiện tượng thực tế, giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và nguyên vật liệu Công nghệ này đặc biệt hữu ích trong việc giảm thiểu rủi ro khi thực hiện trong điều kiện thực.

Today, numerical simulation software such as MATLAB, FORTRAN, ANSYS, CFD FLUENT, and CFD ACE+ is widely utilized Additionally, a notable new software is COMSOL Multiphysics.

COMSOL Multiphysics là phần mềm mô phỏng số đa vật lý, tích hợp nhiều mô hình vật lý khác nhau Phần mềm này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết các bài toán vật lý và kỹ thuật, đặc biệt là những hiện tượng kết hợp hoặc đa tính chất.

Bằng cách sử dụng các chế độ ứng dụng của chương trình, người dùng có thể thực hiện nhiều kiểu phân tích khác nhau, bao gồm phân tích ổn định và không ổn định, phân tích tuyến tính và phi tuyến tính, cũng như phân tích theo phương pháp tần số riêng.

COMSOL Multiphysics có thể được sử dụng để mô phỏng rất nhiều ứng dụng như là:

 Âm học  MEMs  Các tần số vô tuyến

 Các phản ứng hóa học

 Kỹ thuật sóng cực ngắn

 Các thiết bị bán dẫn

 Sự khuếch tán  Quang học  Cơ kết cấu

 Điện tử  Lượng tử ánh sáng  Hiện tượng luân chuyển

 Động lực học chất lưu

 Cơ học lượng tử  Địa vật lý

 Pin nhiên liệu và điện hóa học

 Sự lan truyền sóng  Truyền nhiệt

3.2.2 Các điều kiện mô phỏng bằng COMSOL MULTIPHYSICS 5.2a

Bảng 3.2 Các điều kiện được sử dụng trong mô phỏng số kênh micro

Môi chất Kích thước kênh

(W,H,L) mm Vật liệu Điều kiện mô phỏng

Hơi nước ( hơi bão hòa khô )

Nước giải nhiệt có nhiệt độ 29 o C ( bằng với nhiệt độ môi trường )

Hơi nước ( hơi bão hòa khô )

Nước giải nhiệt có nhiệt độ 29 o C ( bằng với nhiệt độ môi trường )

Hơi nước ( hơi bão hòa khô )

Nước giải nhiệt có nhiệt độ 29 o C ( bằng với nhiệt độ môi trường )

Hơi nước ( hơi bão hòa khô )

Nước giải nhiệt có nhiệt độ 29 o C ( bằng với nhiệt độ môi trường )

Hơi nước ( hơi bão hòa khô )

Nhôm nhiệt độ 29 o C ( bằng với nhiệt độ môi trường )

3.2.3 Trình bày mô phỏng số bằng phần mềm comsol 5.2a

3.2.3.1 Lựa chọn lời giải, cách nhập mô hình hình học

1 Khởi động phần mềm Comsol Chọn thẻ Model Wizard để tạo một mô phỏng hoặc Blank Model để tạo một mô hình tự thiết lập theo người dùng Ở đây ta chọn Model Wizard như hình 3.5

1 Trên Select Space Dimension window click 3D

2 Trong khung cây Select Physics , chọn Heat Transfer>Conjugate Heat

Transfer>Turbulent Flow, click Turbulent Flow, k- ε Click Add và click Study như hình 3.9

3 Ở cửa sổ tiếp theo trong khung Select Physic Interface click Stationary with

4 Trên thanh công cụ Geometry toolbar, click Import như hình 3.10

Hình 3.10 Nhập mô hình vào Comsol

5 Click Geometry trong khung Model Builer, ở bên khung Setting Geometry chuyển kích thước Length unit về mm như hình 3.11

Hình 3.11 Đổi đơn vị về mm

6 Trên thanh công cụ Geometry toolbar, click BuildAll, hoặc nhấp

BuildAll trong khung Setting Geometry.Sau khi Build All, sẽ thấy xuất hiện mô hình bên khung Graphics như hình 3.12

 Thiết lập các giá trị - Parameters:

Thiết lập các giá trị thông số điều kiện biên cho bài toán như sau:

1 Trong khung Model Builder, ta nhấp phải vào Glodal Definitions chọn

2 Thiết lập thông số theo bảng 3.2

Bảng 3.3 Thông số các giá trị ban đầu của bài toán mô phỏng số

Tên Giá trị Mô tả

Nhiệt độ hơi nước vào hệ thống là 105 độ C, trong khi nhiệt độ nước giải nhiệt vào là 29 độ C Lưu lượng khối lượng hơi nước đạt 0,06 g/s và lưu lượng khối lượng nước giải nhiệt là 3 g/s.

 Cài đặt vật liệu cho bài toán

1 Trên thanh công cụ Home click Add Material như hình 3.13

Hình 3.13 Chọn thêm vật liệu

2 Trong khung Add Material window, chọn Built-In, click chọn vật liệu như hình 3.14

Hình 3.14 Vật liệu sau khi đã được thêm vào

 Cài đặt miền con và điều kiện biên Thiết lập thông số điều kiện biên cho bài toán truyền nhiệt của mô hình

Phần này thiết lập bài toán truyền nhiệt cho khối nhôm, với các thiết lập mặc định của COMSOL được giữ nguyên mà không có sự can thiệp hay chỉnh sửa nào.

Trong phần này, tác giả thiết lập bài toán truyền nhiệt cho nước giải nhiệt, giữ nguyên các thiết lập mặc định của COMSOL mà không thực hiện bất kỳ thay đổi hay chỉnh sửa nào, như thể hiện trong hình 3.16.

Hình 3.16 Lưu chất 1 Điều kiện ban đầu 1

Phần này dùng để thiết lập điều kiện nhiệt độ ban đầu của mô hình, giá trị nhập 31 o C như hình 3.17

Hình 3.17 Điều kiện ban đầu 1 Cách nhiệt 1

Phần này dùng để thiết lập điều kiện ranh giới mặc định cho nhiệt độ như hình 3.18

Hình 3.18 Cách nhiệt 1 Thiết lập nhiệt độ 1

Phần này dùng để thiết lập điều kiện nhiệt độ ở đầu vào phía ngưng tụ, chỉ định đầu vào của hơi nước, nhập giá trị T_Steam như hình 3.19

Hình 3.19 Thiết lập nhiệt độ 1 Đầu ra lưu chất 1

Phần này dùng để thiết lập điều kiện nhiệt độ ở đầu ra phía ngưng tụ như hình 3.20

Hình 3.20 Đầu ra lưu chất 1 Thiết lập nhiệt độ 2

Phần này dùng để thiết lập điều kiện nhiệt độ ở đầu vào phía ngưng tụ, chỉ định đầu vào của hơi nước, nhập giá trị T_Water như hình 3.21

Hình 3.21 Thiết lập nhiệt độ 2 Đầu ra lưu chất 2

Phần này dùng để thiết lập điều kiện nhiệt độ ở đầu ra phía giải nhiệt như hình 3.22

Hình 3.22 Đầu ra lưu chất 2

Phần này thiết lập điều kiện trao đổi nhiệt của mô hình với môi trường bên ngoài, tập trung vào hình thức trao đổi nhiệt chủ yếu là đối lưu và bỏ qua bức xạ Chúng ta chỉ định các mặt biên có xảy ra trao đổi nhiệt đối lưu, lựa chọn điều kiện trao đổi nhiệt đối lưu, cụ thể là điều kiện Convective heat flux, với các giá trị h = 10 và Text = 31 o C như trong hình 3.23.

Hình 3.23 Thiết lập dòng nhiệt 1

Thiết lập thông số điều kiện biên cho bài toán dòng chảy lưu chất của mô hình Thiết lập lưu chất 1

Phần này thiết lập điều kiện dòng chảy cho phía nước giải nhiệt, tác giả giữ nguyên thiết lập mặc định của COMSOL mà không can thiệp hay chỉnh sửa, như thể hiện trong hình 3.24.

Hình 3.24 Thiết lập lưu chất 1 Điều kiện ban đầu 1

Phần này dùng để thiết lập điều kiện dòng chảy ban đầu của mô hình, giá trị nhập , u = 0, p = 0 như hình 3.25

Hình 3.25 Điều kiện ban đầu 1 Điều kiện vách 1

Phần này dùng để thiết lập điều kiện vách cho dòng chảy, ở đây chọn điều kiện Wall Function như hình 3.26

Thiết lập lực trọng trường 1

Trong phần này, chúng ta sẽ thiết lập ảnh hưởng của trọng lực đến

Hình 3.27 Thiết lập lực trọng trường 1 Đầu vào lưu chất 1

Phần này thiết lập điều kiện dòng chảy đầu vào cho ngưng tụ, bao gồm việc chỉ định đầu vào của hơi nước, lựa chọn điều kiện dòng chảy đầu vào là Mass Flow và nhập giá trị m_steam như hình 3.28.

Hình 3.28 Đầu vào lưu chất 1 Đầu ra lưu chất 1

Phần này thiết lập điều kiện dòng chảy đầu ra cho nước ngưng tụ, bao gồm việc chỉ định đầu ra và lựa chọn áp suất dòng chảy đầu ra, với giá trị nhập là 0 như thể hiện trong hình 3.29.

Hình 3.29 Đầu ra lưu chất 1 Đầu vào lưu chất 2

Phần này hướng dẫn cách thiết lập điều kiện dòng chảy đầu vào cho hệ thống giải nhiệt, bao gồm việc xác định đầu vào nước giải nhiệt, chọn điều kiện dòng chảy đầu vào theo Mass Flow và nhập giá trị m_water như minh họa trong hình 3.30.

Hình 3.30 Đầu vào lưu chất 2 Đầu ra lưu chất 2

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ VÀ THẢO LUẬN

Biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước trong kênh micro

Hình 4.1 Kết quả mô phỏng về độ khô Hình 4.2 Kết quả thực nghiệm [31]

Kết quả mô phỏng trên mẫu micro M2, như thể hiện trong Hình 4.1, cho thấy sự chuyển đổi pha của hơi nước từ pha hơi (màu đỏ) sang pha lỏng (màu xanh) Biên dạng vị trí chuyển đổi pha có dạng đường xiên từ trên xuống, phù hợp với kết quả thực nghiệm Điều này chứng tỏ mô phỏng số thống nhất tốt với dữ liệu thực nghiệm trong [31].

Sự thay đổi khối lượng riêng khi khi ngưng tụ của hơi nước trong kênh

Hình 4 3 Sự thay đổi khối lượng riêng

Kết quả mô phỏng trên mẫu micro M2 cho thấy sự chuyển đổi từ pha hơi sang pha lỏng qua sự thay đổi khối lượng riêng Khối lượng riêng giảm khi chất ở trạng thái hơi (66,8 kg/m³) và tăng khi chuyển sang trạng thái lỏng (985,41 kg/m³) Hình 4.1 minh họa sự chuyển đổi pha trong kênh micro M2, với phần màu đỏ biểu thị pha hơi và phần màu xanh cho pha lỏng Điều này hoàn toàn nhất quán với kết quả mô phỏng khối lượng riêng ở hình 4.3, trong đó pha hơi được biểu diễn bằng màu xanh đậm (khối lượng riêng bé) và pha lỏng bằng màu xanh nhạt (khối lượng riêng lớn) Các kết quả này khẳng định đặc tính vật lý của nước trong hai trạng thái.

Sự ảnh hưởng của chiều dài kênh micro

Hình 4.4 Mẫu micro M2 Hình 4.5 Mẫu micro M1

Kết quả mô phỏng độ khô trên hai mẫu micro M2 và M1 cho thấy sự chuyển đổi pha khi ngưng tụ hơi nước tương tự nhau, như thể hiện trong hình 4.4 và 4.5 Điều này chỉ ra rằng việc thay đổi chiều dài kênh micro không ảnh hưởng đến biên dạng chuyển pha ngưng tụ của hơi nước Tuy nhiên, vị trí biên dạng chuyển pha giữa hai mẫu lại có sự khác biệt.

Sự ảnh hưởng của đường kính thủy lực kênh micro

Hình 4.6 Mẫu micro M3 Hình 4 7 Mẫu micro M5

Kết quả mô phỏng độ khô trên hai mẫu micro M3 (D h = 500μm) và M5 (D h = 420μm) cho thấy sự chuyển đổi pha khi ngưng tụ của hơi nước tương tự nhau Dữ liệu mô phỏng, như trình bày trong bảng 4.1 và hình 4.6, 4.7, cho thấy biên dạng chuyển pha ngưng tụ trong hai mẫu này không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi đường kính thủy lực của kênh micro.

Sự ảnh hưởng của chiều sâu kênh micro

Hình 4 8 Mẫu micro M4 Hình 4 9 Mẫu Mẫu micro M5

Kết quả mô phỏng độ khô trên hai mẫu micro M4 và M5 cho thấy sự chuyển đổi pha khi ngưng tụ của hơi nước tương tự nhau, như thể hiện trong các hình 4.8 và 4.9 Điều này chỉ ra rằng việc thay đổi chiều sâu kênh micro không ảnh hưởng nhiều đến biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước.

Sự ảnh hưởng của chiều dày tấm substrate

Hình 4 10 Mẫu micro M2 Hình 4 11 Mẫu micro M3

Các kết quả mô phỏng độ khô trên hai mẫu micro M2 và M3 cho thấy sự chuyển đổi pha khi ngưng tụ của hơi nước tương tự nhau, như được thể hiện trong hình 4.10 và 4.11 Điều này cho thấy việc thay đổi chiều dày kênh micro không ảnh hưởng nhiều đến biên dạng chuyển pha ngưng tụ Tuy nhiên, vị trí biên dạng chuyển pha của hai mẫu lại có sự khác biệt.

Sự ảnh hưởng của chiều dài kênh micro đến nhiệt độ nước ngưng tụ

Hình 4.12 Nhiệt độ nước ngưng tụ của 2 mẫu micro M1 và M2

Kết quả mô phỏng cho thấy, khi thực hiện trên hai mẫu kênh micro M2 và M1 với điều kiện nhiệt độ hơi nước 105 °C và nhiệt độ nước giải nhiệt 29 °C, nhiệt độ nước ngưng tụ trên mẫu M2 thấp hơn đáng kể so với mẫu M1 Cụ thể, nhiệt độ nước ngưng tụ trên mẫu M2 thay đổi từ 31,6 °C đến 72,5 °C, trong khi trên mẫu M1 thay đổi từ 34,4 °C đến 74,7 °C Điều này chứng tỏ rằng việc thay đổi chiều dài kênh micro có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ nước ngưng tụ khi ra khỏi kênh.

Sự ảnh hưởng của đường kính thủy lực kênh micro đến nhiệt độ nước ngưng tụ

Hình 4 13 Nhiệt độ nước ngưng tụ của 2 mẫu micro M3 và M5

Kết quả mô phỏng cho thấy nhiệt độ nước ngưng tụ trên hai mẫu micro M3 (D h = 500μm) và M5 (D h = 420μm) gần như giống nhau khi điều kiện nhiệt độ hơi nước vào là _T steam = 105 o C, nhiệt độ nước giải nhiệt vào là _T water = 29 o C, và lưu lượng nước giải nhiệt m_water = 3 g/s, trong khi lưu lượng hơi nước vào thay đổi từ 0,01 đến 0,1 g/s Điều này chứng tỏ rằng việc thay đổi đường kính thủy lực của kênh micro không ảnh hưởng đến nhiệt độ nước ngưng tụ khi ra khỏi kênh.

Sự ảnh hưởng của chiều sâu kênh micro đến nhiệt độ nước ngưng tụ 73 4.10 Sự ảnh hưởng của chiều dày tấm Substrate kênh micro đến nhiệt độ

Hình 4 14 Nhiệt độ nước ngưng tụ của 2 mẫu micro M4 và M5

Kết quả mô phỏng trên hai mẫu micro M4 (D h = 500μm) và M5 (D h = 420μm) cho thấy nhiệt độ nước ngưng tụ gần như giống nhau khi điều kiện nhiệt độ hơi nước là _T steam = 105 oC, nhiệt độ nước giải nhiệt _T water = 29 oC, và lưu lượng nước giải nhiệt m_water = 3 g/s, trong khi lưu lượng hơi nước vào thay đổi từ 0,01 đến 0,1 g/s Điều này cho thấy rằng việc thay đổi đường kính thủy lực của kênh micro không ảnh hưởng nhiều đến nhiệt độ nước ngưng tụ khi ra khỏi kênh.

4.10 Sự ảnh hưởng của chiều dày tấm Substrate kênh micro đến nhiệt độ nước ngưng tụ

Hình 4 15 Nhiệt độ nước ngưng tụ của 2 mẫu micro M2 và M3

Kết quả mô phỏng trên hai mẫu kênh micro M2 và M3 cho thấy, dưới điều kiện nhiệt độ hơi nước 105 °C và nhiệt độ nước giải nhiệt 29 °C, nhiệt độ nước ngưng tụ trên mẫu M2 thấp hơn đáng kể so với mẫu M3 Cụ thể, nhiệt độ nước ngưng tụ trên mẫu M2 thay đổi từ 31,6 °C đến 72,5 °C, trong khi đó trên mẫu M3 thay đổi từ 34,8 °C đến 72,9 °C Điều này chứng tỏ rằng việc thay đổi độ dày của tấm substrate có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ nước ngưng tụ khi ra khỏi kênh.

Mối quan hệ giữa nhiệt độ nước ngưng tụ và lưu lượng hơi nước vào

Hình 4.16 Đồ thị dự đoán mối quan hệ giữa nhiệt độ nước ngưng tụ và lưu lượng hơi nước vào trong kênh micro

Kết quả mô phỏng ở Hình 4.16 được thực hiện trên mẫu micro M2 với điều kiện cố định nhiệt độ hơi nước vào _T steam105 o C, nhiệt độ nước giải nhiệt vào

Lưu lượng nước giải nhiệt là 3 g/s, trong khi lưu lượng hơi nước vào thay đổi từ 0,01 đến 1 g/s Kết quả cho thấy nhiệt độ nước ngưng tụ phụ thuộc vào lưu lượng hơi nước vào.

Ảnh hưởng của lực trọng trường đến biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước trong kênh micro

a M2 đặt nằm ngang b M2 đặt thẳng đứng

Hình 4 17 Ảnh hưởng của lực trọng trường ở mẫu M2

Hình 4.17 trình bày kết quả mô phỏng trên mẫu micro M2 với điều kiện giống như trong bảng 4.1, nhằm đánh giá ảnh hưởng của lực trọng trường đến biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ hơi nước trong kênh micro Tác giả đã so sánh mô phỏng giữa hai trường hợp: kênh micro nằm ngang (Hình 4.17a) và thẳng đứng (Hình 4.17b) Trong đó, Hình 4.17a thể hiện lưu chất chuyển động vuông góc với lực trọng trường, còn Hình 4.17b cho thấy lưu chất chuyển động theo cùng phương với lực trọng trường Kết quả cho thấy biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ hơi nước trong kênh micro không bị ảnh hưởng nhiều bởi lực trọng trường trong khoảng chiều dài kênh từ 42 mm đến 62 mm.

Các kết quả hiển thị trong hình trên là những phát hiện mới chưa được công bố trong các nghiên cứu khoa học Những nghiên cứu này đóng vai trò là nền tảng cho các nghiên cứu sâu hơn về hệ số truyền nhiệt tổng, hệ số tỏa nhiệt đối lưu, và các đại lượng không thứ nguyên mà không thể thu thập từ thực nghiệm.

5 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng về các thông số hình học của kênh micro đến quá trình ngưng tụ của hơi nước” đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu, cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cách mà các yếu tố hình học của kênh micro tác động đến hiệu suất ngưng tụ hơi nước Kết quả nghiên cứu cho thấy sự thay đổi trong cấu trúc hình học có thể cải thiện đáng kể quá trình ngưng tụ, mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghệ làm mát và tiết kiệm năng lượng.

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như chiều dài kênh micro, đường kính thủy lực, chiều sâu kênh micro và độ dày của tấm substrate đến biên dạng chuyển pha trong quá trình ngưng tụ hơi nước Đồng thời, nghiên cứu cũng xem xét nhiệt độ của nước ngưng tụ khi thoát ra khỏi kênh, thông qua phương pháp mô phỏng số.

 So sánh kết quả nghiên cứu với các nghiên cứu liên quan để kiểm chứng kết quả

Bằng phương pháp mô phỏng số thì đã thu được những kết quả quan trọng sau:

Kết quả mô phỏng biên dạng chuyển pha theo hướng từ trên xuống phù hợp với kết quả thực nghiệm ở cùng điều kiện Ở trạng thái lỏng, khối lượng riêng đạt khoảng 985,41 kg/m³, trong khi ở trạng thái hơi, khối lượng riêng là khoảng 66,8 kg/m³ Những kết quả này khẳng định tính chính xác của đặc tính vật lý của nước trong cả hai trạng thái lỏng và hơi.

Khi điều chỉnh chiều dài kênh micro và độ dày của tấm substrate, biên dạng chuyển pha của hơi nước không bị ảnh hưởng, nhưng vị trí của biên dạng chuyển pha lại có sự thay đổi.

 Khi thay đổi đường kính thủy lực kênh micro, chiều sâu kênh micro không làm ảnh hưởng đến biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước

Khi điều chỉnh chiều dài kênh micro, nhiệt độ nước ngưng tụ ra khỏi kênh bị ảnh hưởng rõ rệt Cụ thể, nhiệt độ nước ngưng tụ trên mẫu kênh micro M2 dao động từ 31,6 o C đến 72,5 o C, thấp hơn đáng kể so với mẫu kênh micro M1 với nhiệt độ dao động từ 34,4 o C đến 74,7 o C.

 Khi thay đổi đường kính thủy lực kênh micro, chiều sâu kênh micro không làm ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt độ nước ngưng tụ khi ra khỏi kênh

Thay đổi chiều dày tấm substrate có tác động đáng kể đến nhiệt độ nước ngưng tụ khi ra khỏi kênh Cụ thể, nhiệt độ nước ngưng tụ trên mẫu micro M2 dao động từ 31,6°C đến 72,5°C, trong khi trên mẫu micro M3, nhiệt độ này thay đổi từ 34,8°C đến 72,9°C.

 Kết quả cho thấy biên dạng chuyển pha khi ngưng tụ của hơi nước trong

 Kết quả chỉ ra rằng nhiệt độ nước ngưng tụ là hàm số theo lưu lượng hơi nước vào như sau: t  1327, 6m 2 620, 47m24, 344, với R 2 0,9981 ; o C

Các kết quả mô phỏng số mới đây chưa từng được công bố bởi các nhà khoa học, mở ra hướng nghiên cứu sâu hơn về hệ số truyền nhiệt và các đại lượng phân tích không thứ nguyên, điều mà thực nghiệm hiện tại chưa thể đạt được.

Mặc dù nghiên cứu đã đạt được những kết quả nhất định, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế như thời gian, hỗ trợ mô phỏng hai pha từ phần mềm chuyên dụng, và khả năng tính toán của máy tính chưa đáp ứng yêu cầu Thêm vào đó, kiến thức chuyên môn về nghiên cứu vẫn còn hạn chế Do đó, tác giả rất cần sự góp ý và đánh giá từ quý thầy cô để hoàn thiện đề tài Đây là một hướng nghiên cứu mới với tiềm năng ứng dụng cao trong thực tế Vì vậy, tác giả đề xuất nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc thay đổi nhiều thông số hình học của kênh micro, bao gồm chiều rộng, chiều cao và hình dáng mặt cắt ngang của kênh.

[1] Asadi et al,” A review of heat transfer and pressure drop characteristics of single and two-phase microchannels”, International Journal of Heat and Mass Transfer 79

[2] Xia et al,” Investigation of the enhancement effect of heat transfer using micro channel “,The 7th International Conference on Applied Energy – ICAE2015

[3] Huang et al,” The experimental investigation of axial heat conduction effect on the heat transfer analysis in microchannel flow”, International Journal of Heat and Mass Transfer 70 (2014) 169 – 173

[4] T.T Đang, J T Teng, “Comparisons of the heat transfer and pressure drop of the microchannel and minichannel heat exchangers”, Heat Mass Transfer (2011) 47:1311 – 1322

[5] T.T Dang et al, “A study on the simulation and experiment of a microchannel counter-flow heat exchanger”Applied Thermal Engineering 30 (2010) 2163 – 2172

[6] X.F Yu et al, “ A study on the hydraulic and thermal characteristics in fractal tree-like microchannels by numerical and experimental methods “,International Journal of Heat and Mass Transfer 55 (2012) 7499-7507

[7] M Fossa ,” A simple model to evaluate direct contact heat transfer and flow characteristics in annular two-phase flow “, 655 Avenue of the Americas, New York, NY 10010

[8] H.G Hu, C Zhang, A modifiedk–eturbulence model for the simulation of two- phase flow and heat transfer in condensers, Availabel online at www.sciencedirect.com

[9]X Ding, W Cai, P Duan, J Yan, Hybrid dynamic modeling for two phase flow condensers, , Applied Thermal Engineering 62 (2014) 830-837

[10] P Mirzabeygi, C Zhang, Three dimensional numerical model for the two phase flow and heat transfer in condensers, International Journal of Heat and Mass Transfer 81 (2015) 618-637

[11] P Mirzabeygi, C Zhang, Turbulence modeling for the two phase flow and heat transfer in condensers, International Journal of Heat and Mass Transfer 89 (2015) 229-241

[12] S.Chen, Z Yang, Y Duan, Y Chen, D Wu, Simulation of condensation flow in a rectangular microchannel, Chemical Engineering and Processing 76 (2014) 60-

[13] K.Ling, G.Son, D.L Sun, W.Q Tao, Three dimensional numerical simulation on bubble growth and merger in microchannel boiling flow, International Journal of Thermal Science 98(2015) 135-147

[14] T.T Đang, J T Teng, The effects of configurations on the performance of microchannel counter-flow heat exchangers – An experimental study”, Applied Thermal Engineering 31 (2011) 3946 – 3955

[15] H Hu, R Zhang, D Zhuang, G Ding, W Wei, L Xiang, “ Numerical model of two-phase refrigerantflow distribution in a plate evaporator with distributors “, Applied Thermal Engineering xxx (2014) 1-10

[16] Zhihai Gordon Dong, John Bean,”Experimental Research and CFD Simulation on Microchannel Evaporator Header to Improve Heat Exchanger Efficiency ”,

International Refrigeration and Air Conditioning Conference

The study by Sira Saisorn, Jatuporn Kaew-On, and Somchai Wongwises, published in the International Journal of Heat and Mass Transfer, investigates the flow patterns and heat transfer characteristics of R-134a refrigerant during flow boiling in horizontal circular mini-channels The research, detailed in volume 53, pages 4023-4038, provides valuable insights into the thermal performance and fluid dynamics of R-134a, contributing to the understanding of heat transfer in compact cooling systems.

[18] Sira Saisorn, , Jatuporn Kaew-On, Somchai Wongwises, Two-phase flow of R- 134a refrigerant during flow boiling through a horizontal circular mini- channel,Experimental Thermal and Fluid Science 35 (2011) 887–895

[19] Xiaojun Quan, Ping Cheng, Huiying Wu, An experimental investigation on pressure drop of steam condensing in silicon Microchannels, International Journal of Heat and Mass Transfer 51 (2008) 5454–5458

[20] Srinias Garimella , Akhil Agarwal & Jesse D Killion, Condensation Pressure

Drop in Circular Microchannels, Heat Transfer Engineering

[21] G Goss Jr, J.L.G Oliveir, J.C Passos, Pressure drop during condensation of R-134a inside parallel Microchannels, International journal of refrigeration 56

[22] / Re´mi Revellin*, John R Thome, Experimental investigation of R-134a and R-245fa two-phase flow in microchannels for different flow conditions, International Journal of Heat and Fluid Flow 28 (2007) 63–71

[23] Hicham El Mghari , Mohamed Asbik, Hasna Louahlia-Gualous, Ionut Voicu, Condensation heat transfer enhancement in a horizontal non-circular microchannel, Applied Thermal Engineering 64 (2014) 358e370

[24] Hoo-Kyu Oh, Chang-Hyo Son, Condensation heat transfer characteristics of R-

22, R-134a and R-410A in a single circular Microtube, Condensation heat transfer characteristics of R-22, R-134a and R-410A in a single circular Microtube

[25] Na Liu , Jun Ming Li, Jie Sun, Hua Sheng Wang, Heat transfer and pressure drop during condensation of R-152A in circular and square Microchannels,

Experimental Thermal and Fluid Science 47 (2013) 60–67

[26] G.B Jiang , J.T Tan, Q.X Nian, S.C Tang, W.Q Tao, Experimental study of boiling heat transfer in smooth/micro-fin tubes of four refrigerants, International Journal of Heat and Mass Transfer 98 (2016) 631–642

Trung và Hùng đã thực hiện nghiên cứu về ảnh hưởng của lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt kênh Micro Nghiên cứu này thuộc đề tài cấp trường trọng điểm năm 2011 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM.

Trung và Hùng (2012) đã thực hiện nghiên cứu về ảnh hưởng của tính chất vật lý của lưu chất trong bộ tản nhiệt kênh micro Đề tài này thuộc dự án cấp trường trọng điểm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, nhằm tìm hiểu và cải thiện hiệu suất của hệ thống tản nhiệt trong các ứng dụng công nghệ.

Trung và Hùng cùng các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của sơ đồ dòng chảy đối với quá trình bay hơi trong kênh micro Nghiên cứu này được trình bày tại Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ IV vào ngày 31 tháng 7 năm 2015.

[30] Thanhtrung Dang and Minhhung Doan, An Experimental Investigation on Condensation Heat Transfer of Microchannel Heat Exchangers, International

Journal of Computational Engineering Research Vol, 03 Issue, 12

[31] Minhhung Doan, Thanhtrung Dang, An Experimental Investigation on Condensation in Horizontal Microchannels, International Journal of Civil,

Mechanical and Energy Science (IJCMES) [Vol-2, Issue-2, March-April, 2016] Infogain Publication (Infogainpublication.com) ISSN : 2455-5304

[32] Yunus A Cengel Heat Transfer, Second Edition, 2015

[33] COMSOL Multiphysics version 5.2a, Documentation, May 2015