Tính toán tối ưu khả năng trao đổi nhiệt và dòng chảy của kênh micro thẳng dòng hai pha bằng phương pháp ma trận trực giao taguchi

TÓM TẮTĐề tài nghiên cứu mô hình mô phỏng kênh micro bằng phần mềm Ansys để tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trôi đổi nhiệt và dòng chảy hay vịtrí chuyển pha của môi chất trong k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPCHUYÊN NGÀNH: NHIỆT ĐIỆN - LẠNH

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN TỐI ƯU KHẢ NĂNG TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ DÒNG CHẢY CỦA KÊNH MICRO THẲNG DÒNG HAI PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP

MA TRẬN TRỰC GIAO TAGUCHI GVHD: ThS LÊ BÁ TÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm ……

Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt Mã ngành đào tạo: 147

Hệ đào tạo: Chính quy

2 Thông tin đề tài

Tên của đề tài: Tính toán tối ưu khả năng trao đổi nhiệt và dòng chảy của kênhmicro thẳng dòng hai pha bằng phương pháp ma trận trực giao Taguchi

Mục đích của đề tài: Tính toán và tối ưu khả năng trao đổi nhiệt và dòng chảycủa kênh micro thẳng dòng hai pha bằng ma trận trực giao Taguchi

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ Môn Công Nghệ Kĩ Thuật Nhiệt, Khoa

Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: Từ ngày 02/05/2019 đến 25/07/2019

2.1 Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài

- Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu tổng quan về các nghiên cứu về kênh micro

- Nhiệm vụ 2: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng trao đổi nhiệt và dòng chảy của kênh micro bằng ma trận trực giao Taguchi

- Nhiệm vụ 3: Xây dựng model và tiến hành mô phỏng kiểm tra các yếu tố gây ảnh và đưa ra phương hướng tối ưu

2.2 Lời cam đoan của sinh viên

Chúng tôi cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới

sự hướng dẫn của ThS Lê Bá Tân

Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị)

TP HCM VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Dành cho giảng viên hướng dẫn) Tên đề tài: Tính toán tối ưu khả năng trao đổi nhiệt và dòng chảy của kênh micro thẳng dòng hai pha bằng phương pháp ma trận trực giao Taguchi

Họ tên sinh viên:

1 Nguyễn Văn Hùng MSSV: 15147097

4 Nguyễn Thanh Tùng MSSV: 15147141

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt

Họ và tên GV hướng dẫn: ThS Lê Bá Tân

I.Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

2 Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG

III ĐÁNH GIÁ

IV Kết luận:

 Được phép bảo vệ

 Không được phép bảo vệ

Điểm tối đa

Điểm đạt được

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của

các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

thuật, khoa học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần,

hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng

buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

ngành…

5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

TP.HCM, ngày tháng 07 năm 2019

Giảng viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn: Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên phản biện)

Tên đề tài: Tính toán tối ưu khả năng trao đổi nhiệt và dòng chảy của kênh micro

thẳng dòng hai pha bằng phương pháp ma trận trực giao Taguchi

Họ tên sinh viên

1 Nguyễn Văn Hùng MSSV: 15147097

2 Trần Minh Lộc MSSV: 15147106

3 Hồ Hữu Phước MSSV: 15147117

4 Nguyễn Thanh Tùng MSSV: 15147141

Chuyên ngành: Nhiệt – điện lạnh

Họ và tên GV phản biện: GV Đoàn Minh Hùng

I NHẬN XÉT

1 Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài

2 Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG

III CÂU HỎI

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các

mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

thuật, khoa học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần,

hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng

buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm, 5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

TP.HCM, ngày tháng 07 năm 2019 Giảng viên phản biện

(Ký, ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH V DANH MỤC BẢNG VIII DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT V

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1 GIỚI THIỆU KÊNH MICRO 3

1.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ 3

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 3

1.2.2 Ứng dụng công nghệ 3

1.2.2.1 Ứng dụng vi kênh trong giải nhiệt các linh kiện điện tử 3

1.2.2.2 Ứng dụng của vi kênh trong giải nhiệt máy tính 5

1.2.2.3 Ứng dụng của tản nhiệt vi kênh trên sử dụng cho các thiết bị điện tử có công suất lớn và các thiết bị quân sự 6

1.3 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 7

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước 7

1.3.1.1 Nghiên cứu về dòng chảy 7

1.3.1.2 Nghiên cứu về kích thước và môi chất dùng trong kênh 8

1.3.1.3 Nghiên cứu về hình dạng, kích thước khác nhau của kênh 10

1.3.1.4 Nghiên cứu về tổn thất áp suất 12

1.3.1.5 Nghiên cứu về truyền nhiệt 14

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước 15

1.4 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 16

1.5 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 17

1.6 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 17

CHƯƠNG II: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU 18

2.1 NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC 18

2.1.1 Nghiên cứu về kích thước kênh 18

2.1.2 Nghiên cứu về biên dạng hình học kênh 19

2.1.3 Tổn thất áp suất và hệ số truyền nhiệt 25

2.2 NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 30

2.2.1 Nghiên cứu về đặc tính truyền nhiệt 30

2.2.2 Nghiên cứu về sự ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng đến quá trình bay hơi 32 2.2.3 Nghiên cứu về sự ảnh hưởng của áp suất đến sự truyền nhiệt 32

2.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng kênh đến quá trình chuyển pha 33

CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 35

3.1 PHẦN MỀM ANSYS FLUENT 35

3.2 LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT 36

3.2.1 Dòng chảy lưu chất 37

3.2.2 Mô hình dòng chảy k – ε 40

3.2.3 Đặc điểm quá trình bay hơi của môi chất 41

3.3 MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN TỎA NHIỆT KHI SÔI 42

3.4 GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP TAGUCHI 44

3.4.1 Hình thành phương pháp 45

3.4.2 Ưu điểm và nhược điểm 45

3.4.3 Các bước thí nghiệm 46

3.4.4 Xây dựng bảng Taguchi cho việc mô phỏng 48

3.5 PHÂN TÍCH PHƯƠNG SAI ANOVA (ANALYSIS OF VARIANCE) 49

3.6 GIỚI THIỆU PHẦM MỀM MATLAB 49

3.7 GIỚI THIỆU PHẦN MỀN MINITAB 51

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG SỐ XỬ LÝ DỮ LIỆU 53

4.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH 53

4.1.1 Thiết kế model trên phần mền Inventor Professional 2020 54

4.1.2 Cấu tạo model 55

4.2 QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG SỰ CHUYỂN PHA TRONG KÊNH MICRO BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 2014 59

4.2.1 Khởi chạy phần mềm Ansys 2014 59

4.2.2 Các bước setup trong Ansys 59

4.3 XỬ LÝ SỐ LIỆU 67

4.3.1 Cơ sở mô phỏng số 67

4.3.2 Xử lý số liệu theo Taguchi 68

4.4 KẾT QUẢ XỬ LÝ 80

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

5.1 KẾT LUẬN 85

5.2 KIẾN NGHỊ 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một thẻ nhớ flash với một tản nhiệt màu đen 4

Hình 1.2 Hệ thống làm mát của card đồ họa Asus GTX - 650 5

Hình 1.3 Đèn LED công suất cao của Công ty Chiếu sáng Philips Lumileds gắn trên PCB lõi nhôm hình sao 21mm 5

Hình 1.4 Tản nhiệt trên bộ xử lý của máy tính cá nhân 6

Hình 1.5 Sự biến đổi định kỳ của các dòng chảy theo thời gian (Chen và Garimella) 8 Hình 2.1 Mô hình kênh micro của Tuckerman và Pease 19

Hình 2.2 Biên dạng kênh micro của Megahed và Hassan 21

Hình 2.3 Kích thước kênh micro hình thang 22

Hình 2.4 Tổn thất áp suất ở năm lưu lượng khối lượng khác nhau 23

Hình 2.5 Mặt cắt ngang kênh biên dạng kênh Micro trong mô phỏng của Perret, Schaeffer, Boussey 24

Hình 2.6 Biên dạng kênh lần lượt là zigzag, curvy, step trong mô phỏng của Mohammed 24

Hình 2.7 Hình dạng mặt cắt trong mô phỏng của Mohammed và cộng sự 25

Hình 2.8 Mô hình thiết bị bay hơi ống micro 31

Hình 2.9 Kích thước dàn bay hơi micro 32

Hình 2.10 Bộ làm mát thông thường và bộ làm mát kênh micro 33

Hình 2.11 Kích thước của bộ tản nhiệt kênh micro 34

Hình 2.12 Biểu đồ so sánh giữa các kênh micro hình chữ nhật và kênh micro hình chữ nhật cạnh tròn 34

Hình 3.1 Phần mềm mô phỏng Ansys work bench 2014 35

Hình 3.2: Sự phân bố nhiệt độ trong nước khi sôi ở điều kiện áp suất khí quyển 42

Hình 3.3 Phần mềm MatLab 49

Hình 3.4 Phần mền Minitab 19 52

Hình 4.1 Mô hình kênh micro 53

Hình 4.2 Phần mềm Inventor Professional 2020 54

Hình 4.3 Model được thiết kế trên phần mền Inventor 2020 55

Hình 4.4 Đế nhôm 56

Hình 4.5 Kênh dẫn micro hình chữ nhật 56

Hình 4.6 Tấm PMMA 58

Hình 4.7 Khối lưu chất (nước) 58

Hình 4.8 Giao diện Ansys 14.0 59

Hình 4.9 Part Geometry 59

Hình 4.10 Part Mesh 60

Hình 4.11 Thông số Skewness và Aspect Ratio 60

Hình 4.12 Chỉ số skewness 60

Hình 4.13 Giao diện part setup 61

Hình.4.14 Setup General 62

Hình 4.15 Part Model 62

Hình 4.16 Part Materials 63

Hình 4.17 Part Phases 63

Hình 4.18 Part Cell Zone Conditions 64

Hình 4.19 Setup heat flux 64

Hình 4.20 Thiết lập vận tốc nước đầu vào 65

Hình 4.21 Thiết lập phương pháp tính toán 65

Hình 4.22 Khởi tạo tính toán 66

Hình 4.23 Calculation 66

Hình 4.24 Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị means theo yếu tố nhiệt độ 71

Hình 4.25 Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị SN 71

Hình 4.26 Kết quả nhiệt độ sau khi mô phỏng bằng Ansys 14.0 72

Hình 4.27 Mặt cắt biểu đồ nhiệt độ 73

Hình 4.28 Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị Means theo yếu tố áp suất 75

Hình 4.29 Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị SN 76

Hình 4.30 Kết quả áp suất sau khi mô phỏng bằng Ansys 14.1 77

Hình 4.31 Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị means theo giá trị vị trí sôi 78

Hình 4.32 Đồ thị ảnh hưởng theo giá trị SN 79

Hình 4.33 Kết quả vị trí chuyển pha sau khi mô phỏng bằng Ansys 14.0 80

Hình 4.34 Kết quả nhiệt độ 81

Hình 4.35 Mặt cắt biều đồ nhiệt độ 81

Hình 4.36 Kết quả áp suất 82

Hình 4.37 Kết quả nhiệt độ 82

Hình 4.38 Kết quả áp suất 83

Hình 4.39 Kết quả nhiệt độ 83 Hình 4.40 Kết quả áp suất 84 Hình 4.41 Kết quả vị trí sôi 84

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng các nghiên cứu về vật liệu chế tạo và môi chất dùng trong kênh 10

Bảng 1.2 Nghiên cứu về hình dạng, kích thước khác nhau của kênh 12

Bảng 1.3 Nghiên cứu về sự giảm áp suất 13

Bảng 1.4 Nghiên cứu về sự truyền nhiệt 15

Bảng 2.1 Thông số kích thước thí nghiệm biên dạng kênh 19

Bảng 2.2 Tóm tắt một số thí nghiệm sự giảm áp suất dòng hai pha [37] 27

Bảng 2.3 Thông số kích thước của thiết bị bay hơi 31

Bảng 2.4 Tóm tắt kênh micro cho một mặt cắt khác nhau 34

Bảng 3.1: Bảng thông số lựa chọn bảng Taguchi 47

Bảng 3.2 Bảng Taguchi L9 47

Bảng 3.3 Bảng giá trị MatLab 50

Bảng 4.1 Bảng số liệu chi tiết model 53

Bảng 4.2: Bảng thông số các yếu tố ảnh hưởng 67

Bảng 4.3 Bảng Taguchi L9 67

Bảng 4.4 Bảng ấn định thông số của các yếu tố 68

Bảng 4.5 Dữ liệu nhiệt độ mô phỏng số 68

Bảng 4.6 Bảng kết quả mô phỏng số liệu thu thập được theo độ chênh lệch nhiệt độ. 69

Bảng 4.7 Bảng số liệu và kết quả tính toán các giá trị do phần mềm thực hiện theo yếu tố là hiệu nhiệt độ 70

Bảng 4.8 Tính toán Anova theo yếu tố nhiệt độ từ Minnitap19 Analysis of Variance71 Bảng 4.9 Dữ liệu áp suất mô phỏng số 73

Bảng 4.10 Bảng mô phỏng số liệu thu thập được theo áp suất (Pa) 74

Bảng 4.11 Bảng số liệu và kết quả tính toán các giá trị do phần mềm thực hiện theo yếu tố là hiệu áp suất 74

Bảng 4.12 Tính toán Anova theo yếu tố áp suất từ Minnitap19 Analysis of Variance 76

Bảng 4.13 Bảng thí nghiệm số liệu thu thập được theo vị trí sôi 77

Bảng 4.14 Bảng số liệu và kết quả tính toán các giá trị do phần mềm thực hiện theo yếu tố vị trí sôi 77

Bảng 4.15 Tính toán Anova theo giá trị vị trí sôi từ Minnitap19 Analysis of Variance

79

Bảng 4.16 Kết quả của model tối ưu theo nhiệt độ 80

Bảng 4.17 Kết quả của model tối ưu theo giá trị áp suất 81

Bảng 4.18 Kết quả của model tối ưu theo vị trí chuyển pha 82

Bảng 5.1 Bảng kết quả 85

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Q : Nhiệt lượng truyền (W)

G: Lưu lượng khối lượng (kg/s)

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này một cách tốt đẹp, nhóm chúng em đãnhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ rất lớn từ thầy cô, gia đình và bạn bè Cho phépchúng em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến với tất cả các thầy cô đã tậntình tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài.Lời đầu tiên, nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến tất

cả Thầy, Cô trong khoa Cơ Khí Động Lực đã hết lòng dạy dỗ và truyền đạt kiếnthức cho chúng em trong suốt bốn năm qua Cảm ơn gia đình và bạn bè đã hỗ trợcũng như tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em thực hiện tốt đồ án nghiên cứu này

Đặc biệt chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy ThS Lê BáTân, thầy bỏ biết bao công sức, cũng đã tạo điều kiện tốt nhất để giúp chúng emhoàn thành tốt quá trình nghiên cứu Khi được làm việc với thầy, nhóm chúng em đãhọc được những kinh nghiệm quý giá không chỉ là kiến thức mà còn là kỹ năng, thái

độ nghiên cứu cũng như tác phong làm việc của thầy, những điều vô cùng cần thiếtđối với chúng em trong quá trình nghiên cứu cũng như là đối với công việc sau này

Sau cùng cũng không thể không kể đến sự giúp đỡ từ phía lãnh đạo khoa đãtạo điều kiện về cơ sở vật chất giúp chúng em có một môi trường tốt để thực hiện đềtài

Do kinh nghiệm còn hạn chế, trong quá trình thực hiện đề tài chúng em khó

có thể tránh được những thiếu sót Vì vậy, nhóm chúng em mong nhận được sự chỉbảo, đóng góp ý kiến từ các thầy cô để chúng em có điều kiện bổ sung, nâng caokiến thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu mô hình mô phỏng kênh micro bằng phần mềm Ansys

để tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng trôi đổi nhiệt và dòng chảy hay vịtrí chuyển pha của môi chất trong kênh (nước trong kênh) Đưa ra nhận xétđánh giá các yếu tố nhằm lựa chọn ra phương án tốt nhất để tiến hành xây dựngmodel thực tế, để tiết kiệm được thời gian và tiền bạc

Nghiên cứu về những yếu tố tác động đến vị trí chuyển pha trong kênhmicro Nhóm em chọn 3 yếu tố tác động đến vị trí chuyển pha của kênh gồmcác giá trị nhiệt độ nước vào, vận tốc nước đầu vào và vật liệu chế tạo kênh đểtiến hành mô phỏng Từ đó, tiến hành xây dựng mô hình, mô phỏng và xử lí sốliệu bằng cách dùng các phương pháp kiểm định có uy tính trong thống kê học:Taguchi và Anova Và ba phần mềm hỗ trợ build model – Inventer, phần mềm

mô phỏng – Ansys 14.0 và phần mềm thống kê Minitab

Sau khi thực hiện mô phỏng và kiểm định bằng các phương pháp ma trậntrực giao, thống kê Nhóm đi tới kết luận về các yếu tố ảnh hưởng đến khả năngtrao đổi nhiệt và hiệu suất của kênh micro như sau:

Yếu tố

Nhiệt độ nước đầu vào ( o C)

Vận tốc (m/s)

Vật liệu chế tạo

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU KÊNH MICRO

Do sự phát triển nhanh chóng trong một loạt các công nghệ trong thế kỷ XX, cácyêu cầu tản nhiệt đã tăng rất nhanh, đặc biệt là từ các hệ thống nhỏ gọn cần phải loại

bỏ dòng nhiệt cao khỏi các hệ thống này như chip máy tính hiệu suất cao, điot laser và

lò phản ứng tổng hợp hạt nhân và phản ứng phân hạch để đảm bảo sự hoạt động ổnđịnh và kéo dài tuổi thọ của chúng, việc sử dụng các thiết bị làm mát đối lưu cưỡngbức thì bị hạn chế bỡi các yêu cầu về tốc độ của dòng chảy quá cao, vấn đề về tiếng ồn

và rung động, cho nên kênh tản nhiệt kênh micro dường như là công nghệ làm mátđáng tin cậy nhất về khả năng tản nhiệt vì chúng cung cấp diện tích bề mặt trao đổinhiệt lớn trên một đơn vị lưu lượng chất lỏng Do đó, tạo điều kiện cho tốc độ trao đổinhiệt nhanh, việc sử dụng vi mạch có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khácnhau, ví dụ như cánh tuabin, động cơ tên lửa, xe hybrid, kho hydro, làm lạnh, điềukhiển nhiệt trong các vòng bơm vi trọng lực và mao dẫn

1.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu

Kênh micro được hiểu một cách đơn giản là một kênh vi mạch với các kênh vàcánh trao đổi nhiệt có kích thước nhỏ được chế tạo từ silicon, nhôm, đồng, …đượcdùng cho việc tản nhiệt trong các hệ thống và các thiết bị điện tử

Ứng dụng của kênh micro trong tản nhiệt ngày càng phát triền, công nghệ chếtạo, vật liệu dùng để chế tạo kênh micro từ việc thu nhỏ kỹ thuật gia công (khắc hóaướt bất đẳng hướng, khắc khô plasma và micromachining bề mặt, cắt laser) và pháttriển nghiên cứu vật liệu chế tạo kênh micro (silicon, nhôm, glass, …)

1.2.2 Ứng dụng công nghệ

Bộ trao đổi nhiệt kênh micro có ứng dụng trong một số lĩnh vực quan trọng và đadạng bao gồm: Hàng không vũ trụ, ô tô, kỹ thuật sinh học, làm mát các cánh tuabinkhí, công nghiệp điện và quá trình, điện lạnh và điều hòa không khí, máy dò hồngngoại và gương laser và chất siêu dẫn mạnh mẽ, vi điện tử

1.2.2.1 Ứng dụng vi kênh trong giải nhiệt các linh kiện điện tử.

Một trong những kỹ thuật làm mát chất lỏng đầy hứa hẹn cho vi điện tử là gắntản nhiệt vi mạch vào hoặc chế tạo trực tiếp vi mạch trên mặt không hoạt động của

chip Một tản nhiệt vi kênh xếp chồng lên nhau tích hợp nhiều lớp vi mạch và các lớp

đa tạp thành một chồng So với các vi mạch đơn lớp, các vi kênh xếp chồng cung cấpcác dòng chảy lớn hơn, do đó, đối với một tải nhiệt cố định, việc giảm áp suất cần thiếtđược giảm đáng kể Độ đồng đều nhiệt độ tốt hơn có thể đạt được bằng cách sắp xếpdòng chảy ngược trong các lớp vi mạch liền kề Các ống góp chuyên dụng giúp phânphối chất làm mát đồng đều cho vi mạch Trong công việc hiện tại, một tản nhiệt vikênh xếp chồng lên nhau được chế tạo bằng cách sử dụng các kỹ thuật vi mô silicon.Hiệu suất nhiệt của tản nhiệt vi kênh xếp chồng lên nhau được đặc trưng thông qua cácphép đo thử nghiệm và mô phỏng số Ảnh hưởng của hướng dòng nước làm mát, phân

bổ tốc độ dòng giữa các lớp và gia nhiệt không đồng nhất được nghiên cứu Hồ sơnhiệt độ tường được đo bằng cách sử dụng một loạt chín máy phát hiện nhiệt độ điệntrở màng mỏng bạch kim lắng đọng đồng thời với máy sưởi bạch kim màng mỏng ởmặt sau của cấu trúc xếp chồng lên nhau Hiệu suất làm mát tổng thể tuyệt vời (0,09

°C/W cm2 ) cho các tản nhiệt vi kênh xếp chồng lên nhau đã được hiển thị trong các thínghiệm Người ta cũng đã xác định rằng trong phạm vi tốc độ dòng chảy được thửnghiệm, sự sắp xếp dòng chảy mang lại sự đồng đều nhiệt độ tốt hơn, trong khi dòngchảy song song có hiệu suất tốt nhất trong việc giảm nhiệt độ đỉnh Các hiệu ứngtruyền nhiệt liên hợp cho các vi kênh xếp chồng cho các điều kiện dòng chảy khácnhau được nghiên cứu thông qua các mô phỏng số Dựa trên các kết quả, một sốhướng dẫn thiết kế chung cho các tản nhiệt vi kênh xếp chồng được cung cấp

Hình 1.1 Một thẻ nhớ flash với một tản nhiệt màu đen

Hình 1.2 Hệ thống làm mát của card đồ họa Asus GTX - 650

Hình 1.3 Đèn LED công suất cao của Công ty Chiếu sáng Philips Lumileds gắn trên

PCB lõi nhôm hình sao 21mm

1.2.2.2 Ứng dụng của vi kênh trong giải nhiệt máy tính.

Hệ thống làm mát sử dụng các rãnh nhỏ song song được gọi là các vi rãnh(microchannel) được cắt trên bề mặt chip và được bao phủ lên trên bằng một tấm kimloại Hydrofluorocarbon, một loại chất lỏng được sử dụng trong máy điều hóa khôngkhí để làm mát không khí, sẽ được đẩy qua các lổ nhỏ của tấm kim loại gọi là microjet

và đi vào các rãnh để đưa nhiệt ra khỏi chip

Khi đi theo các rãnh, bọt của chất lỏng và một phần bị bốc hơi sẽ làm tăng thêmkhả năng làm mát Sau mỗi lần đi qua chip, chất lỏng và hơi lại quay trở về vị trí cũ đểbắt đầu một vòng lặp mới, tại đó tất cả sẽ được chuyển về trạng thái chất lỏng hoàntoàn để rồi sau đó tiếp tục đi đến các rãnh để làm mát chip.

Và khi các con chip được dùng trong các hệ thống máy tính hiện đại đó trở nênnhỏ hơn và mạnh hơn, các nhà khoa học phải tìm cách để loại bỏ lượng nhiệt phát sinh

vì đó là mối nguy cơ gây nóng chảy đối với các thiết bị điện tử

Hình 1.4 Tản nhiệt trên bộ xử lý của máy tính cá nhân

1.2.2.3 Ứng dụng của tản nhiệt vi kênh trên sử dụng cho các thiết bị điện tử có

công suất lớn và các thiết bị quân sự.

Các nhà khoa học của đại học Purdue (Mĩ) đã “mượn” công nghệ của máy điềuhòa nhiệt độ để áp dụng vào việc hạ nhiệt liên tục cho các chip máy tính, đây đượcxem là một phương pháp đột phá để duy trì sự ổn định trong vận hành các hệ thốngmáy tính lớn dành cho quân sự

Các hệ thống thí nghiệm của các nhà khoa học, “thổi” chất làm lạnh đi qua cácrãnh nhỏ trong các chip, sẽ được sử dụng cho các thiết bị điện tử có công suất lớnthường thấy trong các máy radar và các hệ thống vũ khí hiện đại như vũ khí laser,Issam Mudawar, giáo sư ngành kỹ thuật cơ khí tại đại học Purdue cho biết

Mudawar, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu, nói rằng hệ thống làm mát mới cóthể làm mát các con chip, thường tỏa nhiệt hơn 1.000 Watt, trên mỗi 0,5 inch vuôngcủa hệ thống mạch.

Giáo sư nói điều này sẽ đem lại hiệu quả “giải nhiệt” gấp năm lần cho các hệthống vốn đang dùng phương pháp làm mát bằng không khí để tản nhiệt cho các bộ vi

xử lí, “Về cơ bản, những gì chúng tôi đang làm là nhằm mở ra một cơ hội mới cho vấn

đề tản nhiệt, từ đó các nhà phát triển chip có thể chế tạo nên các con chip mạnh mẽhơn, đáp ứng được những yêu cầu, đòi hỏi khắt khe hơn”

Những lợi thế của bộ trao đổi nhiệt vi kênh bao gồm thông lượng nhiệt thể tíchcao, nhỏ gọn cho các ứng dụng quan trọng trong không gian nhỏ hẹp, phân phối dòngchảy hiệu quả, … Chương này sẽ bao gồm các ví dụ công nghiệp được lựa chọn chocác bộ trao đổi nhiệt vi kênh, ống dẫn nhiệt vi mạch và các tấm nhiệt vi mạch

1.3 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Kênh micro là đề tài rất được quan tâm, mang tính thực tiễn trong và ngoài nước,tuy nhiên hướng nghiên cứu hiện nay tập trung chủ yếu vào các hướng chính sau:

- Nghiên cứu về dòng chảy

- Nghiên cứu về các loại hình dạng, kích thước khác nhau của kênh

- Nghiên cứu về vật liệu chế tạo và môi chất sử dụng trong kênh

- Nghiên cứu về tổn thất áp suất

- Nghiên cứu về hệ số truyền nhiệt trong kênh

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước

1.3.1.1 Nghiên cứu về dòng chảy

Sobierska cùng với cộng sự [3] đã tiến hành thực hiện thí nghiệm sử dụng môichất là nước trong kênh micro hình chữ nhật với vật liệu là đồng có kích thước (

W =860 µm , H=2000 µm , L=330 mm) và quan sát thấy được sự sủi bọt và nước bắt đầu

có sự sôi và chuyển pha

Chen và Garimella [4] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm với 24 kênh microvuông có kích thước cạnh 389 mm Họ đã thực hiện các thí nghiệm trong phạm vi củathông lượng nhiệt và thông lượng khối lượng Họ quan sát thấy rằng ở thông lượngnhiệt thấp, dòng chảy sủi bọt chiếm ưu thế, với các bong bóng kết hợp lại tạo thành

các sên hơi với sự gia tăng của thông lượng nhiệt Ở các dòng nhiệt cao, các chế độdòng chảy sau khi dòng chảy sên ở phần hạ lưu của vi mạch có đặc điểm của dòng

chảy hình khuyên xen kẽ và dòng chảy hỗn hợp Hình 1.4 trong khi dòng chảy ngược

được quan sát thấy ở đầu vào vi mạch Họ gắn các mô hình dòng chảy xen kẽ chodòng chảy ngược về phía đầu vào và thấy rằng sự đảo chiều dòng chảy tiếp tục khidòng nhiệt được tăng lên và nó kéo dài cho đến khi đạt được sự bay hơi hoàn toàn củakênh

Hình 1.5 Sự biến đổi định kỳ của các dòng chảy theo thời gian (Chen và Garimella) 1.3.1.2 Nghiên cứu về kích thước và môi chất dùng trong kênh

Tuckerman và Pease [5] đã phát triển hệ thống tản nhiệt vi mạch cho các conchíp được tạo thành từ silicon với mô hình tản nhiệt (chiều rộng kênh W c=50 μmm,chiều dày vách Z=50 μmm, chiều cao kênh H=302 μmm) và thu được kết quả là loại bỏđược nhiệt lượng Q = 790 W/cm2 và nhiệt trở θ=0,09 là tương đối thấp với lưu chất lànước

Các môi chất khác nhau tạo ra các dòng chảy khác nhau trong kênh micro và sựtruyền nhiệt cũng khác nhau Nomura và Kumano [6] đã nghiên cứu bằng thực nghiệm

về dòng chảy của thể sữa (emulsion) dầu trong nước trong kênh micro Thể sữa là hỗnhợp của hai chất không trộn lẫn và được dùng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp Cácđặc tính dòng chảy và đặc tính truyền nhiệt của dòng được đo đạc và cho thấy thể sữanày trong kênh micro có thể được xem như một chất lỏng Newton Đặc tính truyềnnhiệt của thể sữa này trong kênh micro gia tăng khi các phân tử dầu có kích thước lớn.Người ta cũng tìm ra điều kiện để cho thể sữa này có thể được xem như dòng một pha.Môi chất nano hiện rất được quan tâm vì có nhiều đặc tính ưu việt so với các môichất thông thường Halelfadl cùng với cộng sự [7] đã nghiên cứu việc tối ưu hóa kênhmicro hình chữ nhật bằng việc sử dụng môi chất nano carbon lỏng như chất làm lạnh

Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng môi chất nano làm giảm nhiệt trở toàn phần và cóthể gia tăng đáng kể hiệu quả truyền nhiệt của môi chất ở nhiệt độ cao.

Abubakar cùng với cộng sự [8] đã nghiên cứu sự truyền nhiệt trong kênh micro

ba chiều hình chữ nhật bằng mô phỏng số với phần mềm Ansys 14.0 Kích thước củakênh là dài L=10 mm, rộng W =5 µmvà sâu H=180 µm Mật độ dòng nhiệt không đổi

9000000 W /m 2 được áp vào mặt trên của thiết bị Môi chất được sử dụng là nước vàFe3O4 - H2O4 với tỷ lượng theo thể tích (volume fraction) từ 0,4 % đến 0,8 % Kết quảcho thấy đối với Fe3O4 - H2O4, lưu chất gần tường có nhiệt độ cao hơn lưu chất ở giữakênh Do đó, sự có mặt của các phân tử nano Fe3O4 - H2O4 có tác dụng giảm nhiệt độ

bề mặt khi tỷ lượng theo thể tích tăng lên nhờ vào độ nhớt động lực (dynamicviscosity) cao hơn và công suất nhiệt (heat capacity) thấp hơn so với nước nguyênchất

Nimmagadda cùng với cộng sự [9] đã nghiên cứu bằng mô phỏng số dòng chảy

và các đặc tính truyền nhiệt của các môi chất nano nhôm oxit (Al2O3), bạc (Ag) và hỗnhợp Al2O3 + Ag trong một kênh micro rộng hình chữ nhật Kích thước kênh là dài

L=50 mm, rộng 14 mm và cao 295 µm Hiện tượng truyền nhiệt của vùng rắn cho thấytác dụng đáng kể của môi chất nano lên các đặc tính truyền nhiệt Một mô hình truyềnnhiệt liên hợp một pha hai chiều đã được phát triển và kết quả được trình bày cho các

số Reynolds khác nhau từ 200 đến 600 và mật độ dòng nhiệt không đổi 150000 W /m2.Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt đối lưu trung bình tăng cùng với số Reynolds vànồng độ thể tích (volume concentration) của phân tử nano Hơn nữa, các môi chấtnano làm gia tăng đáng kể hệ số truyền nhiệt đối lưu so với nước nguyên chất Ngoài

ra, việc sử dụng môi chất nano hỗn hợp (như Al2O3+Ag) với nồng độ thể tích lớn (3%)làm giảm giá thành của môi chất và gia tăng các đặc tính truyền nhiệt so với các môichất nano kim loại thuần (như Ag)

Bảng 1.1 Bảng các nghiên cứu về vật liệu chế tạo và môi chất dùng trong kênh Các nghiên

W =50 μmm Z=50 μmm H=302 μmm

Thể sữa dầutrong nước Không rõ

Nước nguyênchất,

Môi chất nano

Al2O3, Ag và

Al2O3+Ag

Không rõ

1.3.1.3 Nghiên cứu về hình dạng, kích thước khác nhau của kênh

Singh cùng các cộng sự [10] đã nghiên cứu các kênh micro hình chữ nhật đượcchế tạo với các kích thước (chiều rộng đến độ sâu) khác nhau nhưng đường kính thủylực không thay đổi và có giá trị là Dh = 142 mm ÷ 2 µm và chiều dài L=20 mm Trongnghiên cứu này, môi chất làm việc là nước Họ tập trung vào tác động kích thước trên

sự sụt giảm áp suất tổng thể liên quan nước sôi trong kênh micro của dòng chảy haipha

Wan cùng với cộng sự [11] đã nghiên cứu dòng trong kênh micro nửa dập sóngbằng đồng có mặt cắt hình chữ nhật kích thước 45 mm x 20 mm x 2 mm với chiều rộng vàsâu của các mấu kênh lần lượt là 0,5 mm và 0,6 mm và đáy có dạng sóng hình sin với sốReynolds thấp (nhỏ hơn 900) Kết quả cho thấy kênh micro nửa dập sóng có tổn thất

áp suất lớn hơn so với các kênh micro có đáy phẳng tại cùng số Reynolds, và bướcsóng của đáy có tác động quan trọng tới việc giảm áp suất nhưng ảnh hưởng của biên

độ sóng có thể được bỏ qua với chỉ số Reynolds trong khoảng 153 ÷ 814 Kết quả cũngcho thấy nhìn chung hệ số truyền nhiệt trong kênh micro tăng cùng với mật độ dòngnhiệt, và khi mật độ dòng nhiệt vượt qua 150 kW /m2 thì hệ số truyền nhiệt trong kênhmicro có đáy nửa dập sóng lớn hơn trong kênh micro có đáy phẳng Kênh micro nửadập sóng cũng cho hiệu quả tốt hơn so với các loại kênh micro dập sóng khác.

Sakanova và cộng sự [12] đã nghiên cứu việc cải tiến công suất truyền nhiệttrong thiết bị tản nhiệt kênh micro bằng cách sử dụng hình dạng kênh gợn sóng và cácloại môi chất nano Kênh có kích thước rộng W =85 µm, cao H=700 µm và dài

L=10 mm ba loại biên độ sóng 25 µm, 50 µm và 75 µmvới hai loại bước sóng 250 µm và

500 µmvới lưu lượng thể tích từ 0,152 l/ phút đến 0,354 l/ phút được khảo sát Ba loạimôi chất nano là: Đồng- nước, oxit silic-nước và oxit nhôm-nước với nồng độ thể tích

từ 1 % đến 5 % được sử dụng Kết quả cho thấy rằng năng suất truyền nhiệt của kênhmicro 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 songkhông còn đáng chú ý nữa

Anbumeenakshi và cộng sự [13] đã nghiên cứu bằng thực nghiệm kênh microhình chữ nhật có đường kính thủy lực Dh = 763µm, chiều rộng W =0,42 mm, chiều dài

L=100 mm với nước khử ion với chỉ số Reynolds trong khoảng 200 ÷ 650 để tìm sự kếthợp tốt cho hình dạng và cấu hình của đầu vào dòng chảy để giảm thiểu tác động củaviệc dòng chảy phân bổ kém Nghiên cứu được tiến hành với ba hình dạng kênh: hìnhchữ nhật, hình thang và tam giác và hai loại cổ góp đầu vào: đứng và ngang Kết quảcho thấy các hình dạng kênh tam giác và hình thang tạo ra ít sự phân bố kém của dòngchảy hơn khi lưu lượng nhỏ trong khi hình chữ nhật tạo ra ít sự phân bố kém của dòngchảy hơn khi lưu lượng lớn

Bảng 1.2 Nghiên cứu về hình dạng, kích thước khác nhau của kênh

W=0,5 ÷ 0,6 mm

D h=0,55 mm L=45 mm

Nước và 3 loạimôi chất nano:đồng - nước,oxit silic - nước

và oxit nhôm nước

H=4,2 mm

Nước khử ion

1.3.1.4 Nghiên cứu về tổn thất áp suất

Yun et al [14] cùng với cộng sự đã thực hiện hai thí nghiệm pha trên các kênhsiêu nhỏ có đường kính thủy lực 1,44 mm Họ phát hiện ra rằng sự giảm áp suất chắcchắn tăng lên khi tăng lưu lượng khối ở nhiệt độ bão hòa không đổi Ở lưu lượng khốilượng nhất định, áp suất giảm khi tăng nhiệt độ bão hòa, điều này được cho là do thayđổi độ nhớt và mật độ của R410a

Lee và Mudawar [15] đã thực hiện các thí nghiệm sử dụng R134a để nghiên cứucác đặc tính giảm áp suất trong vi mạch Dựa trên dữ liệu giảm áp suất kết hợp củaR134a và nước Qu và Mudawar [16], họ đã phát triển hai mối quan hệ nhân số giảm

áp pha cho mô hình dòng chảy tách biệt kết hợp độ nhớt và hiệu ứng căng bề mặt.Schilder [17] cùng các cộng sự đã nghiên cứu giảm áp suất và các đặc tính truyềnnhiệt đối lưu trong một ống tròn có đường kính 600 µm, chiều dài L=110 mm chất lỏng

làm việc là ethanol Các thí nghiệm được thực hiện cho cả hai pha và dòng pha Kếtquả cho thấy áp suất giảm trung bình của dòng chảy hai pha là khoảng ba lần cao hơn

so với giai đoạn một pha Số Nusselt cho dòng chảy hai pha không phụ thuộc vào nhiệtđộ

Pan cùng với cộng sự [18] đã tiến hành nghiên cứu bằng thực nghiệm các đặc

tính tổn thất áp suất sôi của dòng môi chất trong một đa kênh micro có chứa nhiềukênh micro song song Kết quả cho thấy rằng sự tổn thất áp suất giảm nhẹ và tăng vọtcùng với sự gia tăng của mật độ dòng nhiệt dưới điều kiện nhiệt độ đầu vào và lưulượng khối lượng không đổi Hơn nữa, lưu lượng khối lượng, mật độ dòng nhiệt vànhiệt độ đầu vào là những tham số quan trọng nhất cho sự biến động của tổn thất ápsuất

Bảng 1.3 Nghiên cứu về sự giảm áp suất

Bài báo Vật liệu/hình

Dh = 1440 µm(N = 7)

H=713 µm

W =213 µm N=21 µm

D h=600 µm L=110 mm

Ethanol vànước G = 158 ÷ 317 kg/m

2s

1.3.1.5 Nghiên cứu về truyền nhiệt

Al-Zaidi và cộng sự [19] đã nghiên cứu bằng thực nghiệm các kiểu dòng chảyngưng tụ và sự truyền nhiệt trong đa kênh micro ngang có đường kính thủy lực

0,57 mm với môi chất HFE -7100 Kết quả cho thấy hệ số truyền nhiệt ngưng tụ tăngcùng với lưu lượng khối lượng và giảm cùng với chất lượng hơi Kiểu dòng chảy chính

là dòng chảy hình khuyên, trong khi dòng chảy chậm và dòng chảy bọt xảy ra tại một

số điều kiện vận hành

Keepaiboon và cộng sự [20] đã nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt và các kiểudòng chảy trong quá trình sôi trong kênh micro đơn hình chữ nhật với mật độ dòngnhiệt trong khoảng 7,63÷49,46 kW /¿m2, lưu lượng khối lượng trong khoảng

600 ÷ 1400 kg/¿m2, và nhiệt độ bão hòa trong khoảng 23 ÷ 31ºC Kết quả cho thấy có 6kiểu dòng chảy khác nhau xảy ra trong quá trình sôi và kiểu dòng chảy có liên quanmật thiết tới hệ số truyền nhiệt

Bảng 1.4 Nghiên cứu về sự truyền nhiệt

Bài báo Vật liệu/hình dạng Môi

Kosar cùng với

cộng sự [15]

Vật liệu: SiliconHình dạng: Hình chữ

nhật

W =200 H=264 L=10 mm

R134a G = 600 ÷ 1400 kg/m2 .s

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước

Liên quan đến các kết quả nghiên cứu về truyền nhiệt micro, Đặng Thành Trungcùng cộng sự [21] đã đề cập đến các thiết bị trao đổi nhiệt dòng lưu chất ngược chiều.Theo kết quả thí nghiệm, lượng nhiệt trao đổi trong các thiết bị đạt được 17,4W Cũngtrong nghiên cứu này, độ sụt áp giảm khi nhiệt độ của nước tăng Khi độ sụt áp tăng từ

800 đến 4400 Pa, lưu lượng khối lượng tăng từ 0,1812 đến 0,8540 g /s Kết quả đạt được từphân tích số học tương đối phù hợp với kết quả từ thực nghiệm với độ chênh lệch hệ

số truyền nhiệt được ước tính khoảng 9%

Đoàn Minh Hùng [22] cùng các cộng sự đã dùng phương pháp mô phỏng số để

pha từ hơi sang lỏng Từ các kết quả số về biên dạng ngưng hơi, sự thay đổi mật độ, vànhiệt độ của nước ngưng, các tác giả đã đề xuất một hàm số để dự đoán mối tươngquan giữa nhiệt độ của nước ngưng và lưu lượng hơi vào từ 0,01 g/s ÷ 0,1 g/ s Hơn nữa,kết quả số rất phù hợp với dữ liệu thực nghiệm

Lê Bá Tân cùng các cộng sự [23] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nướcđầu vào đến nhiệt bay hơi trong kênh micro hình chữ nhật Các nhiệt độ đầu vào thayđổi từ 400C÷ 600C và nhiệt độ đầu vào của 400C là sự lựa chọn tốt nhất để thiết kế bộtản nhiệt kênh micro và mật độ dòng nhiệt 57,74 W /cm2 Nhiệt độ đầu ra tăng khi nướcđầu vào tăng nhiệt độ trong cả dữ liệu mô phỏng số và thực nghiệm Độ khô cũng tăngkhi tăng đầu nhiệt độ vào trong mô phỏng số

Trần Ngọc Tân và cộng sự [24] đã nghiên cứu sự truyền nhiệt của kênh microbằng cả phương pháp số và thử nghiệm Mỗi kênh có mười hai kênh, được thiết kế vớichiều rộng kênh 500 µm, chiều dài kênh 33 mm và độ sâu kênh thay đổi từ 200 µm ÷

900 µm Nước được sử dụng làm chất lỏng làm việc và số Reynold, như các biến độclập, nằm trong phạm vi từ 100 ÷ 1000 Nghiên cứu này, người ta thấy rằng sự truyềnnhiệt của các bộ tản nhiệt kênh micro bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ sâu của kênh

Từ các nghiên cứu liên quan trên, các nghiên cứu về quá trình bay hơi từ lỏngsang hơi quá nhiệt trong kênh micro dẹp chưa được đề cập cụ thể Do vậy việc nghiêncứu quá trình bay hơi trong kênh micro dẹp là hết sức cần thiết

1.4 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Khoa học công nghệ ngày nay đang có những bước phát hết sức mạnh mẽ, đóngmột vai trò rất quan trọng trong việc phát triển của một quốc gia và đặc biệt là nhữngnước đang phát triển như nước ta hiện nay Cùng với sự phát triển của khoa học côngnghệ, đời sống con người cũng ngày một nâng cao nên đòi hỏi các yêu cầu về kỹ thuậtkhông ngừng cải tiến và tối ưu, các thiết bị công nghệ khi hoạt động luôn sinh ra mộtlượng nhiệt nhất định nên việc nghiên cứu và tạo ra các thiết bị làm mát để giải nhiệtluôn được các nhà khoa học quan tâm Các tiêu chí đưa ra cho việc nghiên cứu cácthiết bị làm mát hiện nay là đặc tính nhỏ gọn, hiệu suất nhiệt cao và giá thành cũngphải được đảm bảo Để đáp ứng được những yêu cầu trên, các nhà khoa học trongnước cũng như thế giới đã đưa ra rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau và đều manglại những kết quả rất khả quan

Từ những nghiên cứu trước đây, nhóm chúng em quyết định tìm hiểu và nghiêncứu các yếu tố ảnh hưởng quá trình chuyển pha của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro vàtối ưu hiệu quả làm việc của kênh bằng các công cụ thống kê và các phần mềm môphỏng dòng chất lỏng Thêm vào đó, nhờ phương pháp ma trận trực giao và cácphương pháp tối ưu hóa quá trình sản xuất nay được áp dụng vào nghiên cứu khoa họcnhóm chúng em đã từng bước nâng cao được hiệu suất của thiết bị mô phỏng và tiếtkiệm được một khoản chi phí lớn đầu tư cho nghiên cứu Với định hướng nghiên cứuđược đặt ra, nhóm chúng em cần chứng minh rõ các yếu tố nào ảnh hưởng đến quátrình chuyển pha của môi chất (nước) trong kênh micro Vì thời gian có hạn nên nhóm

em chọn phương pháp nghiên cứu bằng việc mô phỏng qua phần mền chuyên dụng làAnsys 14.0

1.5 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

 Do sự phát triển của khoa học công nghệ nên đòi hỏi các yêu cầu về kỹ thuậtkhông ngừng cải tiến và tối ưu, các thiết bị công nghệ khi hoạt động luôn sinh ramột lượng nhiệt nhất định nên việc nghiên cứu và tạo ra các thiết bị làm mát đểgiải nhiệt luôn được các nhà khoa học quan tâm

Từ những nghiên cứu trước thường tập trung vào việc nghiên cứu theo thựcnghiệm Nên nhóm em quyết định dựa trên những nghiên cứu đó nhưng theophương pháp mô phỏng số và ma trận trực giao từ phần mền để tìm hướng đimới

Do thời gian làm đề tài có hạn nên nhóm chúng em chỉ tập trung nghiên cứu môphỏng số quá trình chuyển pha kênh micro và đưa ra các yếu tố ảnh hưởng đến thờiđiểm chuyển pha và đề xuất phương hướng tối ưu

CHƯƠNG II: CƠ SỞ NGHIÊN CỨU

2.1 NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC

2.1.1 Nghiên cứu về kích thước kênh

Tuckerman và Pease [25] là những người đi đầu trong lĩnh vực thiết kế biên dạngkênh micro ứng dụng trong tản nhiệt hiệu suất cao cho các con chip máy tính Theo họthì hiệu suất của tản nhiệt được xác định dựa vào nhiệt trở θ=∆ T / ´Q

Trong đó:

∆ T là độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ đầu vào của môi chất và nhiệt độ củabiên dạng kênh Micro

´

Q là công suất tiêu hao

Điện trở nhiệt θ có thể được coi là tổng của ba thành phần

+ θcond : Do dẫn từ các mạch thông qua chất nền

+θconv : Do sự đối lưu từ tản nhiệt đến chất lỏng làm mát

+θheat : Do chất lỏng nóng lên khi nó hấp thụ năng lượng đi qua bộ trao đổinhiệt

Tuckerman và Pease nhận thấy rằng để giải nhiệt tốt thì cần phải giảm θ, mà cụthể là giảm 3 thành phần θcond, θconv, θheat Theo họ thì θcond sẽ được giảm dựa trên chấtliệu sử dụng để tạo nên biên dạng kênh Silicon là sự lựa chọn tối ưu với họ vì độ dẫnnhiệt cao của nó Nếu đế của con chip có thể làm mỏng đến 100 μmm và mặt sau tiếpxúc trực tiếp với bộ tản nhiệt thì θcond lúc này chỉ là 0,007℃ /W cho 1 c m2 mạch θheat

thấp thì chỉ cần chọn chất lỏng có nhiệt dung tích lớn Và nước là chất lỏng được tácgiả chọn vì có C p=4,18kJ/kg độ là tương đối lớn và một lưu lượng vừa phải khoảng

10cm3¿s θheat sẽ có giá trị chỉ là 0,024℃ /W Cuối cùng thì θconv là giá trị phức tạp đángquan tâm nhất Trị sốθconv phụ thuộc vào việc ta thiết kế biên dạng kênh như thế nào

Hình 2.1 Mô hình kênh micro của Tuckerman và Pease

Ww

(µm)

Z(µm)

P(psi) f(cm

Cuối cùng với các thông số ở mô hình thứ ba (với chiều rộng kênh W c=50 µm

chiều dày vách W w=50 µmchiều cao kênh Z=302 µm) tác giả đã thu được công suấttiêu hao Q lên đến ´ 790 W /c m2, và nhiệt trở θ=0,09 (℃ /W¿là tương đối thấp

2.1.2 Nghiên cứu về biên dạng hình học kênh

Hình dạng kênh cũng là một vấn đề thú vị trong sự nghiên cứu kênh Micro Cácdạng hình học cơ bản đã được các tác giả nghiên cứu, phần lớn là hình chữ nhật, hìnhtròn, hình vuông, hình thang, hình tam giác

a Hình chữ nhật

Peng và cộng sự (1996) [26] đã nghiên cứu các đặc tính truyền nhiệt khi sôi củadòng hỗn hợp đã được xử lý của các hỗn hợp trong cấu trúc Mesochannel có bốn đếntám kênh song song và đường kính thủy lực Dh¿133 ÷343 μmm Dòng lưu chất chảy quacác kênh được làm nóng bằng điện trở từ các cạnh và đáy của kênh micro Hỗn hợplưu chất nước - metanol có nồng độ khác nhau được sử dụng làm chất lỏng thử

Kết quả

Việc tăng số lượng kênh cho cùng một dòng đã cải thiện đáng kể việc truyền nhiệt,tuy nhiên sự gia tăng này giảm dần khi các kênh trở nên nhỏ hơn Cần lưu ý rằng hệ sốtruyền nhiệt được dựa trên nhiệt độ chất lỏng đầu vào Hệ số truyền nhiệt khi bắt đầuđun sôi dòng chảy và trong vùng sôi hạt nhân một phần bị ảnh hưởng rất lớn bởi nồng

độ môi chất, kích thước kênh micro, tốc độ dòng chảy và quá trình nung nóng Tuynhiên, các thông số này có rất ít ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt trong chế độ đun sôihoàn toàn

b Hình tròn

Các thí nghiệm truyền nhiệt khi sôi được thực hiện trong một kênh micro hìnhtròn (Dh = 2,4mm) bởi Tran và các cộng sự (1996) [27] Các kênh được làm bằng đồngthau được làm nóng bằng cách truyền một dòng điện một chiều qua tường kênh Sựtruyền nhiệt làm sôi môi chất R12 qua dòng nhiệt từ 3,6 đến 129 k W /m2, lưu lượngkhối lượng từ 44 đến 832 kg /¿m2s, và chất lượng lên tới 94% đã được nghiên cứu.Ngoại trừ các vách có độ quá nhiệt thấp nhất (lớn hơn 2,75°C), sự truyền nhiệt đượctìm thấy phụ thuộc vào thông lượng nhiệt chứ không phụ thuộc vào thông lượng khối.Kết quả này ngụ ý rằng việc tạo vị trí tâm sôi chiếm ưu thế so với cơ chế đối lưu đốivới chất lượng hơi ra nằm trong khoảng từ 20% đến 80% Đối với quá nhiệt quá thấp,

sự truyền nhiệt phụ thuộc vào thông lượng khối lượng chứ không phải thông lượngnhiệt, ngụ ý một vùng chiếm ưu thế đối lưu Các tác giả cũng so sánh dữ liệu với các

dự đoán về tương quan sôi kênh có kích thước thông thường của Kandlikar (1991)[28], Jung và Radermacher (1991) [29] và Liu và Winterton (1990) [30] Tất cả ba mốitương quan đều đánh giá thấp dữ liệu và đánh giá quá cao sự quá nhiệt của tường khichuyển sang truyền nhiệt do tâm sôi chi phối Mối tương quan giữa Stephan vàAbdelsalam (1980) [31] đã dự đoán dữ liệu tốt ở nhiệt độ quá nhiệt trên vách tường