nghiên cứu ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

Trước tiên, nghiên cứu này đã giới thiệu những kết quả thực nghiệm và mô phỏng số học của dòng chảy lưu chất trong kênh micro.. Tổng quan của kết quả thực nghiệm liên quan đến truyền nhi

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG LỰC TRỌNG TRƯỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

TP HCM, 12/2011

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG LỰC TRỌNG TRƯỜNG ĐẾN CÁC ĐẶC

TÍNH TRUYỀN NHIỆT VÀ LƯU CHẤT TRONG BỘ TRAO ĐỔI

NHIỆT MICROCHANNEL

Mã số: T2011-07TĐ/KHCN-GV

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG LỰC TRỌNG TRƯỜNG ĐẾN CÁC ĐẶC

TÍNH TRUYỀN NHIỆT VÀ LƯU CHẤT TRONG BỘ TRAO ĐỔI

NHIỆT MICROCHANNEL

Mã số: T2011-07TĐ/KHCN-GV

Thành viên đề tài: KS Đoàn Minh Hùng

TP HCM, 12/2011

MỤC LỤC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính

truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

- Mã số: T2011-07TĐ/KHCN-GV

- Chủ nhiệm: TS Đặng Thành Trung

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

- Thời gian thực hiện: 01/01/2011 đến 30/12/2011

2 Mục tiêu:

- Đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu về lĩnh vực truyền nhiệt Micro/nano tại Bộ môn công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói riêng và các trường đại học khác trên cả nước nói chung

- Cố gắng bắt kịp các nước tiên tiến một trong những hướng nghiên cứu hiện tại và tương lai về lĩnh vực cơ khí nhiệt và lưu chất

Hai BTĐN microchannel và một số cảm biến nhiệt độ

01 bài báo khoa học đăng tạp chí SCI, 01 bài báo đăng tạp chí EI và 01 bài báo đăng hội nghị quốc tế

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng

Coordinator: Thanhtrung Dang, Ph.D

Implementing institution: Hochiminh city University of Technical Education

Duration: from January 01, 2011 to December 30, 2011

2 Objective(s):

Build the research on Micro/Nano heat transfer areas at the Department of Heat and Refrigeration Technology, Hochiminh city University of Technical Education in specially and other universities of Vietnam in generally

Try to follow several developed countries about one of present and future researches regarding themo-fluidics

3 Creativeness and innovativeness:

The study is the first research in Vietnam and is also one of the new researches on the world

4 Research results:

The proposed objectives have been achied

5 Products:

Two microchannel heat exchangers

A SCI journal paper, a EI journal paper, and a EI international conference paper

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

Up to November 24, 2011, the results have been cited more than six times

by Scopus

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ac diện tích mặt cắt, m2 BTĐN bộ trao đổi nhiệt

Dh đường kính quy ước, m

f hệ số ma sát Fanning

h hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2K

k hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K

L chiều dài kênh micro, m

m lưu lượng khối lượng, kg/s NTU chỉ số truyền nhiệt đơn vị (Number of Transfer Unit)

PHẦN 1 GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây, công nghệ Mico/Nano đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật Trong đó, thiết bị truyền nhiệt microchannel là một trong những ứng dụng của công nghệ này, nó được ứng dụng trong lĩnh vực giải nhiệt các linh kiện điện tử, trong kỹ thuật hóa học, trong các nhà máy điện nguyên tử micro, Bộ trao đổi nhiệt (BTĐN) microchannel có ý nghĩa quan trọng trong những phạm vi sử dụng cần không gian hẹp, mật độ dòng nhiệt cao hay thiết

bị truyền nhiệt nhỏ gọn Có rất nhiều nghiên cứu về các BTĐN micro như cho dòng chảy một pha, dòng hai pha, một số BTĐN micro dùng trong hệ thống điều hòa không khí với môi chất lạnh là C02, tối ưu hóa cho các BTĐN micro, những ứng dụng của BTĐN micro, Trong các nghiên cứu đó, nghiên cứu liên quan đến BTĐN micro cho dòng chảy một pha được đề cập nhiều nhất

Một nghiên cứu tổng quan về BTĐN microchannel liên quan đến vật lý dòng chảy, các phương pháp gia công và các ứng dụng đã được thực hiện bởi Bowman and Maynes [1] Trước tiên, nghiên cứu này đã giới thiệu những kết quả thực nghiệm và mô phỏng số học của dòng chảy lưu chất trong kênh micro Xa hơn nữa, một số phương pháp gia công cho các thiết bị micro như gia công micro, khắc hóa chất, gia công laxe, gia công bởi máy chính xác, cũng đề cập Tổng quan về đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trong BTĐN micro cũng đã thực hiện bởi Dang cùng cộng sự [2] Tổng quan của kết quả thực nghiệm liên quan đến truyền nhiệt đối lưu của dòng chảy một pha trong kênh micro cũng đã được thực hiện bởi Morini [3], với những kết quả thu được cho hệ số ma sát, trạng thái quá

độ từ chảy tầng đến chảy rối và hệ số Nusselt trong kênh có đường kính quy ước nhỏ hơn 1 mm Dang [4] đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất cho những BTĐN micro có kênh hình chữ nhật cho cả mô phỏng số học lẫn

thực nghiệm

Brandner cùng cộng sự [5] đã mô tả những BTĐN micro và ứng dụng của nó trong phòng thí nghiệm và ngoài công nghiệp Trong nghiên cứu của họ, một số bộ trao đổi nhiệt micro đã được giới thiệu như BTĐN micro dùng vật liệu là polymer, nhôm, gốm ceramic, Một phân tích về hiệu suất và tổn thất áp suất trong BTĐN micro có dòng chảy cắt nhau được thực hiện bởi Kang và Tseng [6] Henning cùng cộng sự [7] đã chế tạo 3 BTĐN micro với dạng kênh chuẩn và thẳng, dạng kênh ngắn và thẳng và dạng kênh hình sóng Kết quả thực nghiệm thể hiện rẳng kênh chuẩn thẳng là lựa chọn tốt nhất cho dòng chảy có lưu lượng cao

Bộ trao đổi nhiệt micro làm từ thép không gỉ W316L được nghiên cứu bởi Brandner [8] Trong nghiên cứu này, truyền nhiệt trong BTĐN micro có thể được nâng lên bởi sử dụng những dãy cột micro sắp so le để đạt được trạng thái chảy quá độ hay chảy rối Các BTĐN loại ngược chiều và cắt nhau dùng vật liệu ceramic đã được gia công bởi Alm cùng cộng sự [9] Những thiết bị này được dùng trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt và hóa học Hệ số truyền nhiệt của BTĐN loại cắt nhau đã đạt được 22 kW/(m2K) Hallmark cùng cộng sự [10] đã nghiên cứu thực nghiệm trên BTĐN dạng màng ống mao micro làm từ plastic Năng lượng được lấy đi bởi BTĐN này như là một hàm của năng lượng điện cấp vào khi tăng lưu lượng dòng chảy Jiang cùng cộng sự [11] đã nghiên cứu về dòng chảy lưu chất và truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức trong BTĐN microchannel Trạng thái quá

độ từ chảy tầng sang chảy rối được tìm thấy trong khoảng hệ số Reynolds ≈ 600

Một phương pháp gia công mới cho bề mặt truyền nhiệt của BTĐN micro được thực hiện bởi Schulz cùng cộng sự [12] Bởi phương pháp khắc axít kết hợp với mạ điện kim loại, dãy các thanh Đồng được tạo nên trên bề mặt truyền nhiệt của ống, ở cùng nhiệt độ, mật độ dòng nhiệt hoặc hệ số truyền nhiệt thu được từ ống micro cao hơn giá trị thu được từ ống trơn Lee cùng cộng sự [13] đã nghiên

cứu các BTĐN micro sử dụng vật liệu Polimer Kết quả mô phỏng số học và thực nghiệm đã được so sánh với sự sai lệch nhiệt độ trên bề mặt con chip là 2  C

Wei [14] đã chế tạo bộ tản nhiệt ghép sử dụng công nghệ gia công micro Hasan [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước và hình dạng kênh cho BTĐN micro ngược chiều bởi sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD FLUENT Chỉ số hoàn thiện đạt giá trị cao nhất cho kênh hình tròn, đạt giá trị thứ hai cho kênh hình vuông Ameel cùng cộng sự [16] đã thực hiện một tổng quan về công nghệ thiết bị nhỏ và ứng dụng của nó Dựa trên công nghệ MEMS (Microelectromechanical systems), các phương pháp gia công (máy micro dựa trên nền Silicon, khắc quang bằng tia X, máy gia công micro,…) đã được thảo luận dựa trên những ứng dụng đến dòng chảy lưu chất, truyền nhiệt và hệ thống năng lượng

Một nghiên cứu số học cho BTĐN micro có kênh hình thang được thực hiện bởi Dang [17] Những ảnh hưởng của sơ đồ dòng chảy đến đến các đặc tính truyền nhiệt của BTĐN micro được thực hiện bởi Dang cùng cộng sư [18-20] Cho tất cả những trường hợp nghiên cứu, mật độ dòng nhiệt thu được từ sơ đồ ngược chiều thu được luôn cao hơn sơ đồ cùng chiều: giá trị thu được từ sơ đồ ngược chiều cao hơn sơ đồ cùng chiều từ 1,1 đến 1,2 lần

Dang và Teng [21-26] đã nghiên cứu những ảnh hưởng của hình học (như là

bề dày tấm gia công BTĐN, tiết diện cắt và vị trí dòng chảy vào/ra) đến trạng thái truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trên những BTĐN micro Nó được tìm thấy rằng nhiệt lượng thực tế truyền qua thay đổi không đáng kể với bề dày substrate từ 1,2 đến 2 mm Thêm vào đó, một so sánh các đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất giữa BTĐN micro và mini đã được thực hiện Nghiên cứu cũng đã đưa ra những kết quả mô phỏng số học sử dụng lời giải ổn định và bất ổn định Các kết quả mô phỏng số học 3D cho các BTĐN micro với dòng chảy một pha trong [18-

20, 22-26] được thực hiện bởi phần mềm đa vật lý COMSOL, phiên bản 3.5 Thuật toán của phần mềm này dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Kết quả thu được từ mô phỏng số khớp với kết quả thu được từ thực nghiệm, với phần trăm sai

số tối đa là 9%

Bảng 1 đã liệt kê những đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất cho những BTĐN micro một pha Trong đó nước là môi chất làm việc phổ biến nhất

Bảng 1 Tổng hợp các BTĐN micro với dòng chảy một pha [2]

Tài liệu Vật liệu/

Hình dạng

Môi chất Lưu lượng Truyền nhiệt

m: 0.1746-0.0026 kg/s

m: 0.0663-0.724 kg/s

m: 0.1803-0.0027 kg/s

10-400 kPa (Hot side) 10-900 kPa (Cold side) None None

Given the same effectiveness

Given the same temperature

Given the same effectiveness Given the same temperature Henning [7] Metal Water m: 64 kg/h Q: 3,000 W None Electrical power up

to 3 kW with effectiveness

~ 0.95 Brandner [8] Stainless steel/

For hydraulic diameter of 70  m For staggered microcolumns Alm [9] Ceramic Water m: 10-140 kg/h h: 7-22 kW/m2K

(For crossflow HE)

20-450 kPa (For

counterflow

HE ) Hallmark

temperature was

125 oC Wei [14] Silicon/Rect Water V: 1.4×10-6 –

Aluminum/Rect Water m: 0.1859-0.3625 g/s q: 6.5 – 8.2 W/cm2 500-1400 Pa With the mass flow

rate of the hot side

of 0.1667 g/s Aluminum/Rect Water m: 0.2043-0.401g/s q: 14.3 – 17.8 W/cm2

Hình 1 Hệ số truyền nhiệt đối lưu và kích thước kênh [27]

Ảnh hưởng của đường kính quy ước đến quá trình truyền nhiệt trong kênh micro được mô tả trong hình 1 cho môi chất làm việc là nước và không khí dưới điều kiện dòng chảy tầng đã phát triển hoàn toàn Sự tăng nhanh hệ số truyền nhiệt đối lưu với sự giảm kích thước kênh đã minh chứng rõ ràng trên hình 1

Với BTĐN micro được mô tả trên hình 2, mật độ lưu lượng khối lượng có thể đạt được 2000 kg/m2s được đo với môi chất làm việc là nước và có tổn thất áp suất là 0,5 MPa trên mỗi pass Để lưu lượng khối lượng qua BTĐN micro lớn, nhiều BTĐN có thể được ghép song song với nhau Hình 3 mô tả một BTĐN micro được ghép từ 5 BTĐN riêng lẻ BTĐN này được làm từ thép không gỉ; công suất nhiệt cực đại của bộ này có thể đạt tới 1 MW [5]

Hình 2 BTĐN micro ngược chiều dùng vật liệu thép không gỉ [5]

Hình 3 BTĐN micro hợp thành bởi 5 BTĐN riêng lẻ [5]

Từ những tài liệu liên quan ở trên về BTĐN microchannel, mục đích của nghiên cứu này là thực hiện một nghiên cứu bằng thực nghiệm những ảnh hưởng của lực trọng trường đến các đặc tính nhiệt và dòng chảy lưu chất của những bộ trao đổi nhiệt microchannel Trong phần nghiên cứu này, môi chất làm việc là nước khử Ion và được sử dụng ở chế độ chảy tầng, dòng một pha Hai BTĐN microchannel được dùng làm thực nghiệm với điều kiện thay đổi lưu lượng khối lượng ở phía nước lạnh Các kênh micro của hai BTĐN này có diện tích mặt cắt hình chữ nhật

PHẦN 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1 LẮP ĐẶT HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM

Trong hệ thống thí nghiệm này, ba bộ phận chính đã được sử dụng: mẫu thí nghiệm (BTĐN microchannel), hệ thống bơm và hệ thống đường ống, như được thể hiện ở hình 4 Trong nghiên cứu này, hai bộ trao đổi nhiệt microchannel đã được dùng làm thí nghiệm Quá trình truyền nhiệt của những thiết bị này được thực hiện giữa nước nóng và nước lạnh Nước nóng và nước lạnh chảy ngược chiều nhau trong BTĐN Hình 5 thể hiện kích thước của các mẫu thí nghiệm Nhôm được dùng làm vật liệu để chế tạo những BTĐN microchannel này, với hệ

số dẫn nhiệt 237 W/(mK), khối lượng riêng 2700 kg/m3 và nhiệt dung riêng đẳng

áp 904 J/(kgK)

Hình 4 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm các BTĐN kênh micro [4, 22-26]

Với mỗi BTĐN microchannel, phía cho nước nóng đi qua có 10 kênh và phía cho nước lạnh đi qua cũng có 10 kênh micro Chiều dài của mỗi kênh là 32 mm

sơ bộ

Bộ gia

nhiệt

Thùng phụ Bơm

T

Những kênh micro này có diện tích mặt cắt hình chữ nhật với chiều rộng và chiều sâu của kênh tương ứng là Wc và Dc Trong một BTĐN kênh micro, tất cả những kênh được nối với nhau bởi một kênh góp cho đầu vào và một kênh góp cho đầu

ra, tương ứng cho cả hai phía nóng và lạnh Những kênh góp này cũng có cùng diện tích mặt cắt: Mặt cắt có hình dạng hình chữ nhật với bề rộng 3 mm và bề sâu

300 µm

Hình 5 Kích thước của các mẫu thí nghiệm

Bảng 2 Các thông số hình học của các BTĐN kênh micro [4, 28,29]

Bảng 3 Tính chất vật lý của PMMA và bông thuỷ tinh [27]

L W T Wc Dc

T1 46 26,5 1,2 500 300 T2 46 26,5 1,2 500 180

Hình 5 mô tả các kích thước của một mẫu thí nghiệm Trong nghiên cứu này, hai BTĐN đã được thiết kế và chế tạo, với các kích thước được liệt kê ở Bảng

2 Hình 6 thể hiện một hình ảnh của một BTĐN microchannel Mẫu thực nghiệm này được gia công bởi phương pháp gia công micro chính xác [3] ở trên mặt trên

và mặt dưới của nó, mẫu này thường hay được gọi là Substrate Mỗi đầu vào và

đầu ra của BTĐN có diện tích mặt cắt là 9 mm2 Bốn phía ngoài (bốn mặt bên) của BTĐN được bọc cách nhiệt bởi bông thuỷ tinh có chiều dày 5 mm Để làm kín các kênh micro, hai tấm PMMA (polymethyl methacrylate) được dán lên mặt trên và mặt dưới của BTĐN kênh micro bởi công nghệ dán dùng tia cực tím UV, như thể hiện ở hình 6 Tính chất vật lý của các tấm PMMA và bông thuỷ tinh được liệt kê trong bảng 3 [27] Một hình ảnh của hệ thống thí nghiệm được thể hiện ở hình 7

Hình 6 Một BTĐN micro dùng vật liệu bằng nhôm [22]

Bông thuỷ tinh PMMA

Substrate

Hình 7 Ảnh của hệ thống thí nghiệm

Dữ liệu thực nghiệm cho BTĐN microchannel đã thu được dưới điều kiện nhiệt độ trong phòng thí nghiệm không đổi từ 25 – 26 ºC Nước khử Ion (DI water) đã được sử dụng như là môi chất làm việc Mỗi đầu vào hoặc đầu ra của BTĐN đều được gắn hai cảm biến nhiệt độ để lưu trữ liệu nhiệt độ, do vậy tổng cộng có tám cảm biến đựơc sử dụng để ghi nhiệt độ Ở mỗi phía (phía nóng và phía lạnh) có gắn bộ cảm biến áp suất để đo tổn thất áp suất Sai số của các cảm biến và thiết bị đo đựơc liệt kê trong bảng 4 Thêm vào đó, sai số của các kích thước kênh micro đựơc kiểm tra bởi máy quét laze của hãng Mitaka/Ryokosha, mã hiệu NH-3 Sai số của máy quét laze này khi đo kích thước được ước lượng khoảng ± 0,03 µm Các thiết bị đã được sử dụng để làm thực nghiệm được liệt kê như sau [4, 22-26]:

1 Cảm biến nhiệt độ T

2 Bơm, mã hiệu PU-2087, sản xuất bởi Jasco

3 Bơm, mã hiệu VSP-1200, sản xuất bởi Tokyo Rikakikai

4 Điện trở, mã hiệu AXW-8, sản xuất bởi Medilab

5 Cảm biến áp suất, mã hiệu PMP4110, sản xuất bởi Duck

6 Cân điện tử, mã hiệu TE-214S, sản xuất bởi Sartorious

Bảng 4 Sai số của dụng cụ đo

Các thông số Sai số

Trước khi đo nhiệt độ đầu vào, chúng ta đảm bảo rằng tất cả các cảm biến nhiệt độ hiển thị giá trị giống nhau ở nhiệt độ môi trường Tiếp theo đó, hệ thống được hoạt động ổn định khoảng 20 phút mới bắt đầu lấy số liệu Sau đó, giá trị nhiệt ghi trong khoảng 10 phút, giá trị nhiệt độ này đựơc tính bởi trung bình cộng giá trị của các cảm biến nhiệt tại cùng vị trí đó của 10 lần ghi Mỗi đầu vào/đầu ra của BTĐN đều được gắn 2 cảm biến nhiệt

Trước khi đo tổn thất áp suất, sự điều chỉnh đựơc thực hiện để đảm bảo rằng tổn thất áp suất giữa đầu vào và ra bằng không khi không có dòng lưu chất đi qua Tiếp theo đó, hệ thống được hoạt động ổn định khoảng 20 phút mới bắt đầu lấy số liệu Sau đó, giá trị áp suất ghi trong khoảng 10 phút, giá trị áp suất này đựơc tính bởi trung bình cộng giá trị của 10 lần ghi

Lưu lượng khối lượng của bơm được ghi bởi máy tính và kiểm tra bởi cân điện tử chính xác Trước khi đo lưu lượng khối lượng, chúng ta đảm bảo rằng giá trị cân bằng 0,0000 gam Tiếp theo đó, hệ thống được hoạt động ổn định khoảng

20 phút mới bắt đầu lấy số liệu Sau đó, giá trị lưu lượng ghi trong khoảng 10 phút, giá trị nhiệt độ này đựơc tính bởi trung bình cộng giá trị của 10 lần ghi

2.2 PHÂN TÍCH DỮ LIỆU

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

- Dòng chảy lưu chất chảy tầng

- Lưu chất không nén và có tính liên tục

- Truyền nhiệt ổn định

- Bỏ qua truyền nhiệt bức xạ

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

v x

u z

w y

v x

u v x

u u t

u x

u x

v v x

v u t

v x

v y

w v x

w u t

w x

w z

T v x

T u t

Q z

T y

T x

Lượng nhiệt tối đa, Qmax, được tính bởi

  mc  Th i Tc i

Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, Q, được tính

 c o c i

c c

Q

q

c

i c, o c, c c

nL

) T - (T c m

conv cond R R

nhiệt đối lưu tương ứng cho phía nóng và phía lạnh,  là chiều dày của tấm trao đổi nhiệt,  là hệ số dẫn nhiệt, và  Tlmđộ chênh nhiệt độ trung bình Logarit

Chỉ số Reynolds được xác định:

h

D W

m wD

L w f

p

h h

22

Re 2



Trong đó Dh  4 Ac/ P là đường kính quy ước, w là vận tốc của nước theo phương

z,  là độ nhớt động lực học,  là khối lượng riêng, Ac là diện tích mặt cắt, P là chu vi ướt, L là chiều dài kênh và f là hệ số ma sát Fanning

Tổng tổn thất áp suất của BTĐN được xác định

c

p p p

2 / 1 2 2

2

, ,

, , 2 2

c c

i c o c

i c o c

c c

c c q

L

L W

W T

T

T T c

c m

m q

2 / 1

2

, , 2

, , 2

, , 2

, ,

2 2

2

, ,

, , 2 2

o c

i c

i c

o o

i h

i h

c c

c c

i c o c

i c o c

c c

c c

k

T

T T

T T

T T

T

L

L W

W T

T

T T c

c m

m k

2 / 1 2 2

2 2

2 Re

c

c

D

D W

W m

m U

, ,

, , 2

, ,

, , 2 2

2 2

i c i h

i c o c

i c o c

c c

c

c

T T

T T T

T

T T c

c m

m c

c m

m U

2 / 1 2 2

2

, ,

, , 2 2

h h

i c o c

i c o c

c c

c

c

p

p p

p T

T

T T c

c m

m U



Bởi các sai số đã được ước lượng ở bảng 3, sai số thực nghiệm cực đại trong quá trình xác định q, k, Re,  và  tương ứng là 2,1%, 2,2%, 3,1%, 0,9% và 3.3% cho tất cả các trường hợp trong nghiên cứu này

PHẦN 3 CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Một nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm về ảnh hưởng của lực trọng trường đến lưu chất của BTĐN microchannel T1 đã được thực hiện để tìm ra ảnh hưởng của lực trọng trường tác động ra sao đến đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất cho BTĐN này, chi tiết thí nghiệm này được thể hiện rõ hơn trong [22] Trong điều kiện thí nghiệm cho trường hợp này, nhiệt độ đầu vào và lưu lượng khối lượng của lưu chất phía lạnh được giữ cố định tương ứng là 21,5  C và 0,2906 g/s Cho phía nóng, lưu lượng khối lượng được giữ cố định ở giá trị 0,2503 g/s và nhiệt độ đầu vào thay đổi từ 45 đến 70  C Trong nghiên cứu này, tác động của lực trọng trường được xác định cho hai trường hợp: Trường hợp thứ nhất với các kênh micro đặt thẳng đứng và trường hợp thứ hai với các kênh micro đặt nằm ngang Trong trường hợp các kênh đặt thẳng đứng, nước nóng có chiều đi lên phía trên ngược chiều với lực trọng trường, trong khi đó nước lạnh có chiều đi từ trên xuống cùng chiều với lực trọng trường Các giá trị thực nghiệm trong trường hợp này

được liệt kê trong bảng 5

Bảng 5 Sai số của dụng cụ đo

Th,i Th,o Tc,o Qc

q (W/cm2)

K) khi nhiệt độ đầu vào của phía nóng tăng từ 45 đến

70  C Sự gia tăng của hệ số truyền nhiệt tổng trong trường hợp nghiên cứu này chậm (chỉ 5,4% trong khoảng nhiệt độ đầu vào của phía nóng đang được nghiên cứu) Tuy nhiên, độ tăng của độ chênh nhiệt độ trung bình Logarít của BTĐN này tăng nhanh hơn (từ 10,9 đến 22,7  C hay tương ứng 108%) cho mật độ dòng nhiệt thay đổi từ 7,89 đến 17,38 W/cm2 hay tương ứng 120% tăng trong khoảng nhiệt độ đầu vào của phía nóng từ 45 đến 70  C Hình 8 cũng cho thấy rằng sự khác biệt của những kết quả thu được từ những kênh micro đặt nằm ngang và những kênh đặt thẳng đứng là rất nhỏ và không đáng kể

Hình 8 Kết quả thực nghiệm về ảnh hưởng của lực trọng trường đến đặc tính truyền nhiệt

của BTĐN kênh micro T1 [22]

Những kết quả thực nghiệm về ảnh hưởng của lực trọng trường đến tổn thất

áp suất của BTĐN kênh micro được mô tả ở hình 9 Với phía nóng của những kênh này, tổn thất áp suất thu được từ các kênh thẳng đứng cao hơn tổn thất áp suất thu được những kênh nằm ngang bởi vì chiều của dòng chảy ngược với lực trọng trường Ngược với phía nóng, tổn thất áp suất thu được từ các kênh thẳng đứng của phía lạnh (dòng chảy kênh phía lạnh cùng chiều với lực trọng trường) thấp hơn tổn thất áp suất thu được từ những kênh đặt nằm ngang Tuy nhiên, sự thay đổi của tổn thất áp suất trong hai trường hợp này nhỏ và không đáng kể Sự khác biệt cực đại là 40 Pa trong khoảng áp suất làm việc từ 910 đến 982 Pa

Hình 9 Kết quả thực nghiệm về ảnh hưởng của lực trọng trường đến tổn thất áp suất của

BTĐN kênh micro T1 [22]

Trong trường hợp nghiên cứu tiếp theo, hai BTĐN microchannel T1 và T2 lần lượt đựơc đưa vào hệ thống để làm thí nghiệm: Hai BTĐN này có cùng các hình dáng và kích thước như substrate, ống gốp và chiều dài kênh; chúng chỉ khác nhau diện tích mặt cắt của kênh Các kênh micro của T1 có tiết diện cắt hình chữ nhật với chiều rộng là 500 µm và chiều sâu là 300 µm; các kênh micro của T2 cũng có tiết diện cắt hình chữ nhật với chiều rộng là 500 µm và chiều sâu là 180

µm Những thông số hình học của hai thiết bị trao đổi nhiệt này được liệt kê chi tiết trong bảng 2 Chi tiết những kết quả nghiên cứu này có thể tham khảo trong [28, 29]

Với điều kiện thực nghiệm cho hai BTĐN này, nhiệt độ đầu vào và lưu lượng khối lượng của phía nóng được duy trì không đổi tương ứng ở 70  C và 0,2308 g/s; về phía lạnh, nhiệt độ nước đầu vào được duy trì ở 22,5  C và lưu lượng khối lượng thay đổi từ 0,2135 đến 0,401 g/s Trong phần nghiên cứu này, ảnh hưởng của lực trọng trường cũng được nghiên cứu trong hai trường hợp giống nghiên cứu

trên, đó là các kênh micro đặt theo phương nằm ngang và theo phương thẳng đứng

Hình 9 So sánh nhiệt độ đầu ra của phía nóng [28, 29]

Hình 9 thể hiện một sự so sánh về nhiệt độ đầu ra của phía nóng của hai BTĐN này dưới tác động của lực trọng trường Qua khảo sát từ hình trên cho thấy rằng sự khác biệt bởi nhiệt độ đầu ra của nước nóng thu được từ kênh nằm ngang

và kênh thẳng đứng là nhỏ không đáng kể Một so sánh về nhiệt độ đầu ra của nước lạnh của hai BTĐN được mô tả ở hình 10 Nhiệt độ đầu ra cho cả hai phía nóng và lạnh là hàm của lưu lượng khối lượng phía lanh; nhiệt độ đầu ra giảm khi lưu lượng khối lượng của phía lạnh tăng

Hình 10 So sánh nhiệt độ đầu ra của phía lạnh [28, 29]

Nhiệt độ đầu ra của phía nóng thu được từ BTĐN microchannel T1 cao hơn giá trị tương ứng thu được từ BTĐN microchannel T2; tuy nhiên, nhiệt độ đầu ra của phía lạnh thu được từ BTĐN microchannel T1 thấp hơn thu được từ BTĐN microchannel T2 Điều đó dẫn đến một kết quả đó là lượng nhiệt thu được từ BTĐN microchannel T2 cao hơn giá trị thu được từ BTĐN microchannel T1, như thể hiện trên hình số 11 Những kết quả thu được từ nghiên cứu này cũng đồng thuận cao với những kết quả thu được từ Foli cùng cộng sự [31] Foli cùng cộng

sự đã thể hiện rằng trong điều kiện lưu lượng khối lượng không đổi, tỉ số kích thước càng nhỏ thì mật độ dòng nhiệt càng cao Ở đây, tỉ số kích thước được xác định bởi tỉ số giữa chiều sâu và chiều rộng của kênh

Hình 11 So sánh lượng nhiệt truyền qua thiết bị [28, 29]

Hình 11 cũng chỉ ra rằng sự khác biệt của lượng nhiệt truyền qua thiết bị thu được từ các kênh nằm ngang và kênh thẳng đứng là nhỏ không đáng kể Lượng nhiệt truyền qua hai BTĐN này là hàm của lưu lượng khối lượng phía lạnh Cho BTĐN microchannel T2, lượng nhiệt tăng từ 24,8 đến 29,92 W với lưu lượng khối lượng phía lạnh tăng từ 0,2043 đến 0,401 g/s

Bởi vì đường kính quy ước của các kênh trong BTĐN microchannel T2 nhỏ hơn đường kính của các kênh trong BTĐN microchannel T1, điều này đã dẫn đến vận tốc nước trong các kênh của BTĐN microchannel T2 cao hơn trong các kênh của BTĐN microchannel T1, dẫn đến tổn thất áp suất trong T2 cao hơn T1, như được thể hiện ở hình 12 Bên cạnh đó, hình 12 thể hiện rằng tổng tổn thất áp suất như là một hàm của Reynolds phía lạnh Tổng tổn thất áp suất tăng với sự gia tăng chỉ số Reynold của phía lạnh

Những kết quả thực nghiệm về ảnh hưởng của lực trọng trường đến tổn thất

áp suất cho BTĐN cũng thể hiện ở hình 12 Khảo sát cho thấy rằng sự thay đổi về tổn thất áp suất giữa hai trường hợp (kênh nằm ngang và thẳng đứng) là nhỏ không đáng kể; khác biệt cực đại về tổn thất áp suất là 7,2% cho áp suất trong khoảng từ 1060 đến 2044 Pa

Hình 12 So sánh về tổng tổn thất áp suất [28, 29]

Nó cũng đã được tìm ra rằng tổn thất áp suất của BTĐN microchannel T2 cao hơn hai lần so với tổn thất áp suất của BTĐN microchannel T1, trong khi lượng nhiệt truyền qua của T2 cao hơn của T1 1,06 lần Nó như một kết quả, chỉ số hoàn thiện thu được từ T1 cao hơn thu được từ T2, như thể hiện ở hình 13 Với BTĐN microchannel T1, chỉ số hoàn thiện là 21,68 W/kPa đạt được từ nước có nhiệt độ đầu vào 70  C và lưu lượng khối lượng 0,2308 g/s và với nước từ phía lạnh có nhiệt độ đầu vào là 22,5  C và lưu lượng khối lượng là 0,2135 g/s Nó cũng được tìm thấy rằng sự khác biệt về chỉ số hoàn thiện giữa hai trường hợp kênh đặt nằm ngang và kênh thẳng đứng là nhỏ không đáng kể; sự khác biệt cực đại của các chỉ

hoàn thiện cực đại là 5,5% trong khoảng nghiên cứu chỉ số hoàn thiện từ 13,69 đến 21,68 W/kPa, như thể hiện ở hình 13

2 6 10 14 18 22

PHẦN 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Một công việc thực nghiệm đã được tiến hành cho hai BTĐN microchannel

để đánh giá chỉ số hoàn thiện của chúng trong điều kiện thay đổi lưu lượng khối lượng phía lạnh Hai BTĐN này có cùng hình dáng kích thước như subtrate, kênh góp và chiều dài kênh, chúng chỉ khác nhau diện tích mặt cắt của kênh

Với BTĐN kênh micro T1, chỉ số hoàn thiện 21,68 W/kPa đạt đựơc với nước phía nóng có nhiệt độ đầu vào là 70  C và lưu lượng khối lượng là 0,2308 g/s và với nước phía lạnh có nhiệt độ đầu vào là 22,5  C và lưu lượng khối lượng là 0,2135 g/s

Tác động của lực trọng trường đến dòng chảy chảy trong các BTĐN kênh micro đã được tìm thấy là nhỏ không đáng kể, với sự khác biệt cực đại giữa trường hợp các kênh đặt thẳng đứng và nằm ngang nhỏ hơn 8% Thêm vào đó, trong nghiên cứu này, một sự đồng thuận cao đã đạt được giữa các kết quả thu đựơc từ nghiên cứu hiện tại và những kết quả thu được từ các các tài liệu tham khảo liên quan

Mô phỏng số học cho BTĐN microchannel là một trong những nghiên cứu có giá trị khoa học hiện nay, hầu hết các nghiên cứu số đều bỏ qua ảnh hưởng của lực trọng trường Do vậy, đề tài này có thể đựợc mở rộng tiếp bởi những kết quả từ mô phỏng số để so sánh

Đề tài này cũng có thể nghiên cứu mở rộng với nhiều trường hợp/vị trí ảnh hưởng của lực trọng trường đến đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất của các BTĐN microchannel

LỜI CẢM ƠN

Nhóm tác giả cảm ơn sâu sắc đến sự hỗ trợ cho nghiên cứu này bởi đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường trọng điểm (T2011-07TĐ/KHCN-GV) của ĐH

Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bowman, W.J & Maynes D (2001) A review of micro-heat exchanger flow physics, fabrication methods and application Proceedings of ASME IMECE 2001, New York, USA, Nov 11-16, 2001, HTD-24280, 385-407

[2] T.T Dang, J.T Teng, and J.C Chu, Pressure drop and heat transfer characteristics of microchanel heat exchangers: A review of numerical simulation and experimental data, International Journal of Microscale and Nanoscale Thermal and Fluid Transport Phenomena, 2011, Vol 2, Issue 3

[3] Morini, G.L (2004) Single-phase convective heat transfer in microchannels: a review of experimental results International Journal of Thermal Sciences Volume

43, Issues 7, 631-651

[4] Dang, T.T (2010) A study on the heat transfer and fluid flow phenomena of microchannel heat exchanger Ph.D thesis, Chung Yuan Christian University, Chung-Li, Taiwan

[5] Brandner, J.J.; Bohn, L.; Henning, T.; Schygulla, U., & Schubert, K (2006) Microstructure heat exchanger applications in laboratory and industry Proceedings

of ICNMM2006, Limerick , Ireland, June 19-21, 2006, ICNMM2006-96017,

1233-1243

[6] Kang, S.W & Tseng, S.C (2007) Analysis of effectiveness and pressure drop in micro cross-flow heat exchanger Applied Thermal Engineering Volume 27, Issues 5-6, 877-885

[7] Henning, T.; Brandner, J.J., & Schubert, K (2004) Characterization of electrically powered micro-heat exchangers Chemical Engineering Journal Volume 101, Issues 1-3, 339-345

[8] Brandner, J.J.; Anurjew, E.; Bohn, L.; Hansjosten, E.; Henning, T.; Schygulla, U.; Wenka, A., & Schubert, K (2006) Concepts and realization of microstructure heat exchangers for enhanced heat transfer Experimental Thermal and Fluid Science Volume 30, Issue 8, 801-809

[9] Alm, B.; Imke, U.; Knitter, R.; Chygulla, U., & Zimmermann, S (2008) Testing and

Journal Volume 135, Supplement 1, S179-S184

[10] Hallmark, B.; Hornung, C.H.; Broady, D.; Price-Kuehne, C., & Mackley, M.R (2008) The application of plastic microcapillary films for fast transient micro-heat exchange International Journal of Heat and Mass Transfer Volume 51, Issues 21-

22, 5344-5358

[11] Jiang, P.X.; Fan, M.H.; Si, G.S., & Ren, Z.P (2001) Thermal–hydraulic performance of small scale micro-channel and porous-media heat-exchangers International Journal of Heat and Mass Transfer Volume 44, Issue 5, 1039-1051

[12] Schulz, A.; Akapiev, G.N.; Shirkova, V.V.; Rösler, H., & Dmitriev, S.N (2005) A new method of fabrication of heat transfer surfaces with micro-structured profile Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms Volume 236, Issues 1-4, 254-258

[13] Lee, H.; Jeong, Y.; Shin, J.; Baek, J.; Kang, M., & Chun, K (2004) Package embedded heat exchanger for stacked multi-chip module Sensors and Actuators A: Physical Volume 114, Issues 2-3, 204-211

[14] Wei, X (2004) Stacked microchannel heat sinks for liquid cooling of microelectronics devices Ph.D thesis, Academic Faculty, Georgia Institute of Technology

[15] Hasan, M.I.; Rageb, A.A.; Yaghoubi, M., & Homayoni, H (2009) Influence of channel geometry on the performance of a counter flow microchannel heat exchanger International Journal of Thermal Sciences Volume 48, 1607-1618

[16] Ameel, T.A.; Warrington, R.O.; Wegeng, R.S., & Drost, M.K (1997) Miniaturization technologies applied to energy systems Energy Conversion and Management Volume 38, 969–982

[17] Dang, T.T.; Chang, Y.J., & Teng, J.T (2009) A study on the simulations of a trapezoidal shaped micro heat exchanger Journal of Advanced Engineering Volume

04, 397-402

[18] Dang, T.T.; Teng, J.T., & Chu, J.C (2010) Effect of flow arrangement on the heat transfer behaviors of a microchannel heat exchanger Proceedings of the

International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2010 (IMECS2010), Hongkong, 2209-2214 (Best student paper award)

[19] Dang, T.T.; Teng, J.T., & Chu, J.C (2010) Effect of flow arrangement on the heat transfer behaviors of a microchannel heat exchanger Lecture Notes in Engineering and Computer Science Volume 2182, 2209-2214

[20] Dang, T.T & Teng, J.T (2010) Effect of the substrate thickness of counter-flow microchannel heat exchanger on the heat transfer behaviors Proceedings of the International Symposium on Computer, Communication, Control and Automation

2010 (3CA2010), Taiwan, 17-20

[21] Dang, T.T & Teng, J.T (2011) The effects of configurations on the performance of microchannel counter-flow heat exchangers-An experimental study, Applied Thermal Engineering, Vol 31, Issue 17-18, pp 3946-3955

[22] Dang, T.T.; Teng, J.T., & Chu, J.C (2010) A study on the simulation and experiment of a microchannel counter-flow heat exchanger Applied Thermal Engineering Volume 30, 2163-2172

[23] Dang, T.T & Teng, J.T (2011) Comparison on the heat transfer and pressure drop

of the microchannel and minichannel heat exchangers, Heat and Mass Transfer, Vol

47, pp 1311-1322

[24] Dang, T.T & Teng, J.T (2010) Numerical and experimental studies of the impact of flow arrangement on the behavior of heat transfer of a microchannel heat exchanger IAENG International Journal of Applied Mathematics Volume 40, 207-213

[25] Dang, T.T & Teng, J.T (2010) Influence of flow arrangement on the performance for an aluminium microchannel heat exchanger IAENG Transactions on Engineering Technologies Volume 5, the American Institute of Physics (AIP) Volume 1285, 576-590

[26] Dang, T.T & Teng, J.T (2010) Numerical simulation of a microchannel heat exchanger using steady-state and time-dependent solvers ASME 2010 International Mechanical Engineering Congress & Exposition (IMECE2010), Vancouver, Canada, 1-10

[27] S.G Kandlikar, S Garimella, D.Q Li, S Colin and M.R King, Heat transfer and fluid flow in minichannels and microchannels Elsevier Pte Ltd., Singapore, 2006