Chương I : TỔNG QUAN
1.2. Tổng quan các nghiên cứu liên quan
Hiện nay các nhà khoa học trên thế giới cũng như các nhà khoa học ở Việt Nam đã có những nghiên cứu về lĩnh vực micro. Dưới đây là tổng quan các bài báo của các nhà khoa học trong và ngoài nước liên quan đến đề tài tác giả đang thực hiện để có thêm cơ sở thực hiện đề tài.
1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước
Sui cùng cộng sự [1] tiến hành thí nghiệm bằng cách sử dụng nước đã khử ion trên ba kênh micro lượn sóng kích thước (W, H) (205, 404) với cường độ gợn sóng khác nhau (0, 138 và 259mm). Họ so sánh hiệu suất truyền nhiệt của các kênh micro lượn sóng với kênh microchannels thẳng và kết luận rằng kênh micro lượn sóng có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn so với kênh micro thẳng.
Nghiên cứu về mơ hình bay hơi ở vùng màng mỏng của kênh micro cũng đã được thực hiện bởi Park cùng cộng sự [2]. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra và phân tích một mơ hình tốn học có thể ước tính được lưu lượng cũng như đặc tính trao đổi nhiệt cho sự bay hơi ở vùng màng mỏng. Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất bay hơi trên dòng chảy màng của chất lỏng là có đáng kể. Từ bài nghiên cứu cũng có thể thấy rằng khi dịng nhiệt tăng, chiều dài của vùng màng mỏng và độ dày màng giảm, lưu lượng khối lượng bay hơi tăng một cách tuyến tính.
Law cùng cộng sự [3] đã khảo sát thực nghiệm và so sánh dịng nhiệt khi
sơi cùng với đặc tính áp suất của kênh micro cánh thẳng và cánh xiên. Ở kích thước kênh và điều kiện hoạt động tương tự nhau, các thí nghiệm so sánh đã cho thấy hiệu quả truyền nhiệt tăng đáng kể đối với kênh micro sử dụng cánh thẳng và dòng nhiệt trao đổi chậm hơn ở giai đoạn đầu đối với kênh micro sử dụng cánh xiên.
Dịng chảy khơng ổn định là mối quan tâm lớn đối với dịng chảy sơi trong kênh mini và kênh micro. Mô tả chi tiết của sự không ổn định của dịng chảy sơi
18
được cung cấp bởi Kandlikar [4-6]. Sự không ổn định xuất hiện trong những
kênh có đường kính nhỏ cũng đã được nghiên cứu bởi Bergles và Kandlikar. Sự tạo mầm do tăng lực cản dòng chảy bởi dòng hai pha trong kênh dẫn đến sự mất ổn định. Những biến đổi áp suất với tần số cao đã được báo cáo bởi một số nhà khảo sát như Kew cùng cộng sự [7]và Kosar cùng cộng sự [8].
Ảnh hưởng của dịng nhiệt, lưu lượng khối lượng và kích thước kênh đến hiệu suất dịng nhiệt khi sơi trong kênh micro lõm, rỗng được thực hiện bởi Deng
cùng cộng sự [9]. Một loại kênh micro lõm trong nghiên cứu này được phát triển
và thử nghiệm trong các hệ thống làm mát - tản nhiệt. Những ảnh hưởng của dòng nhiệt, lưu lượng khối lượng và kích thước kênh đến hiệu suất dịng sơi được khảo sát. Kết quả thí nghiệm cho thấy, hiệu suất truyền nhiệt của kênh micro lõm, rỗng phụ thuộc nhiều vào các dòng nhiệt nhưng lại ít phụ thuộc vào lưu lượng khối lượng.
Lee và Mudawar[10] đã nghiên cứu sự thay đổi của hệ số truyền nhiệt
của HFE 7100 với nhiệt độ vách và mật độ dịng nhiệt cho các vi kênh hình chữ nhật khác nhau (W, H), (123,4,304,9), (123,4,526,9), (235,2,576,8) và (259,9, 1041,3). Họ kết luận rằng kích thước vi kênh nhỏ giúp cải thiện các đặc tính truyền nhiệt bằng cách tăng vận tốc khối lượng và vùng ẩm ướt. Tuy nhiên, kênh có chiều rộng nhỏ hơn có khả năng phải đối mặt với vấn đề ổn định sớm do để quá trình chuyển đổi đầu từ bong bóng từ dạng bubbly qua dạng slug.
Hai thí nghiệm dịng chảy sơi riêng biệt đã được tiến hành trong tám kênh micro song song và một kênh micro duy nhất. Zhang cùng các cộng sự [11] đã phát triển các thiết bị kiểm tra silicon với điều kiện biên thông lượng nhiệt gần như khơng đổi để nghiên cứu q trình sơi đối lưu cưỡng bức trong kênh micro. Kênh có hình chữ nhật với đường kính thủy lực từ 25 – 60 µm và tỉ lệ cạnh từ 1 đến 3,5 được chế tạo và thử nghiệm, và ghi lại các giá trị áp suất và nhiệt độ phân bố trên vách trong quá trình chuyển pha. Nghiên cứu cho thấy có một sự hình thành bong bóng nhỏ trong kênh micro cắt bằng plasma có đường kính thủy lực dưới 60 µm, từ đó có thể cho thấy sức căng bề mặt có thể tác động đáng kể đến hoạt động của dịng hai pha ở một quy mơ nhất định.
19
Henstroni cùng cộng sự [12] đã nghiên cứu mơ hình dịng chảy và hệ số
truyền nhiệt trong kênh micro dạng tam giác song song với đầu vào Reynolds là 25. Nghiên cứu dịng chảy cho thấy hình dạng của bong bóng hơi dài, xuất hiện trong kênh micro khi hệ số Reynolds thấp, khơng tương tự như dịng hình khun với sự gián đoạn xen kẽ giữa dịng lỏng và hai dòng hơi dài. Sự nghiên cứu đồng thời mơ hình thực nghiệm và đo lường đã được thực hiện để khảo sát sự không ổn định của dịng chảy sơi của nước trong kênh micro với dòng nhiệt và khối lượng khác nhau.
Kandlikar [13] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của kích thước kênh đến
dịng nhiệt khi sơi trong kênh micro. Bài nghiên cứu cũng đã phân tích cơ bản các yếu tố tác động tương đối đến q trình sơi ở kích thước micro.
Việc nghiên cứu về trao đổi nhiệt đối lưu trong kênh micro đã được Chen
và Zhang [14] thực hiện dựa trên mơ hình vật lý kết hợp với mơ phỏng. Nghiên
cứu này đưa ra nguyên nhân chính gây ra các nhiễu loạn của dịng lưu chất trong các thiết bị nhiệt là do các bavia rất nhỏ từ bề mặt thiết bị trong quá trình thiết kế, đã tạo ra dòng chảy rối và làm cho quá trình truyền nhiệt được tăng cường rất nhiều.
Dario cùng cộng sự [15] nghiên cứu ảnh hưởng của việc phân phối dòng
chảy hai pha trong các kênh song song với đường kính thủy lực macro và micro. Khi dòng lưu chất phân phối không đồng đều trong các kênh sẽ làm giảm hiệu suất nhiệt và sự lưu động của dòng, trong nhiều trường hợp là do thiết kế của thiết bị gây ra. Bằng phương pháp mô phỏng số, nghiên cứu đã đưa ra các mơ hình dịng chảy dạng sương mù mang lại sự phân phối dòng lưu chất vào các kênh ở mức tốt nhất. Ngoài ra, kết luận của đề tài cũng nêu ra rằng, yếu tố hình học, điều kiện vận hành và các thuộc tính chất lỏng đều có ảnh hưởng đến sự phân bố dòng chảy hai pha trong các kênh song song.
Liên quan đến ảnh hưởng của hình dáng đến quá trình truyền nhiệt khi sôi,
Kim [16] đã tổng quan các nghiên cứu về tăng cường truyền nhiệt khi sôi của bề
mặt cấu trúc nano/micro. Một nghiên cứu trên bề mặt cấu trúc nano/micro đã được thực hiện để tăng cường truyền nhiệt khi sôi của bề mặt cấu trúc
20
nano/micro. Tác giả đã thực hiện nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về truyền nhiệt khi sơi mầm và mật độ dịng nhiệt.
Joshi[17] đã nghiên cứu tổng quan về trao đổi nhiệt của dòng hai pha
trong kênh micro. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, kênh micro và bộ tản nhiệt kênh micro đã được nghiên cứu rộng rãi nhưng lại ít có nghiên cứu liên quan đến hiệu suất trao đổi nhiệt kênh micro sử dụng mơ hình CFD. Lĩnh vực dịng hai pha vẫn còn mới mẽ và cần được sự quan tâm nghiên cứu nhiều hơn nữa. Tuy nhiên nghiên cứu cũng đưa ra đề xuất rằng, cần có một nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của hình dáng hình học trên mơ hình dịng hai pha để tìm ra một loại hình dạng mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt tốt nhất.
Kuppusamy và cộng sự [18] đã nghiên cứu dòng thứ cấp trong kênh
micro được xẻ rãnh. Kết quả cho thấy rằng hiệu suất tăng 146% và nhiệt trở giảm 76.8% so với kênh micro có rãnh thẳng.
Wang và các cợng sự [19] đã tiến hành thí nghiệm dịng chảy sơi khơng
ổn định trong kênh micro song song với 3 loại đầu vào/ra. Loại A nước đi vào ống góp và ra cũng là ống góp, loại B là nước đi vào không bị giới hạn. Loại C là giới hạn ngõ vào. Tất cả các kênh có đường kính thủy lực là 187µm và kích thước bộ tản nhiệt dài 30mm, rộng 5.945mm. Nghiên cứu đã đưa ra kết quả cho thấy loại C có mật độ dịng nhiệt là cao nhất, nhưng tổn thất áp suất cũng là cao nhất.
Agostini và cợng sự [20] đã thí nghiệm vận tốc bóng trong 2 thiết bị bay
hơi kênh micro có đường kính kênh lần lượt là 509 và 790µm, vận tốc khối lượng
từ 200 đến 1500kg/m2s, môi chất sử dụng là R 134A. Để kiểm tra các thông số,
các tác giả đã sử dụng cặp nhiệt và thiết bị truyền tín hiệu áp suất ở ngõ vào và ra của kênh micro, sử dụng máy ảnh tốc độ cao chụp trạng thái của dòng chảy trong kênh. Kết quả cho thấy vận tốc bong bóng tăng khi tăng đường kính kênh và tăng vận tốc khối lượng. Vận tốc bong bóng giảm khi tổn thất áp suất tăng.
Singh và cợng sự [21] đã tiến hành thí nghiệm về sự tác động của tỷ số
cạnh của kênh micro hình chữ nhật, qua đó tổng quan về tổn thất áp suất trong q trình sơi. Trong bài báo này kênh micro hình chữ nhật được chế tạo với sự
21
thay đổi về tỷ số cạnh (W, H) nhưng đường kính thủy lực khơng thay đổi là Dh = 142 ± 2 µm, chiều dài là 20mm.
Schilder và cợng sự [22] đã thí nghiệm về đặc điểm truyền nhiệt và tổn
thất áp suất trong kênh micro ống trịn có đường kính 600 µm, lưu chất là ethanol. Thí nghiệm tiến hành với dòng 1 pha và dòng 2 pha trong cùng một kênh. Kết quả cho thấy tổn thất áp suất của dòng 2 pha cao hơn 3 lần so với dòng 1 pha. Số Nusselt cho dòng sơi phụ thuộc vào mật độ dịng nhiệt, tăng khi tăng mật độ khối lượng và truyền nhiệt tăng 8 lần so với dòng 1 pha.
Balasubramanian và cộng sự [23] đã tiến hành thí nghiệm kênh micro
thẳng và kênh micro mở rộng để chọn ra được kênh micro có đặc tính về truyền nhiệt và tổn thất áp suất là tốt nhất. Cả kênh thẳng và kênh micro được chế tạo gồm 40 kênh, bề rộng kênh 300 µm, tỷ số cạnh là 3,25, mặt đế là 25mm x 25mm, để thuận tiện cho việc so sánh với kênh micro thẳng và đơn giản trong việc chế tạo, kênh mở rộng được định hình từ kênh thẳng sau đó bỏ các đoạn như hình dưới. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi so sánh các đầu vào với mật độ khối lượng
100kg/m2s, 110kg/m2s, 121kg/m2s, 133kg/m2s cho kênh micro mở rộng thì với
mật độ khối lượng 133kg/m2s là cho kết quả có tổn thất áp suất thấp nhất. Trường
hợp so sánh kênh micro thẳng với kênh micro mở rộng thì kênh micro mở rộng có tổn thất áp suất qua kênh thấp hơn 30% so với kênh thẳng. Đặc tính truyền nhiệt kênh mở rộng tốt hơn kênh thẳng. Tuy nhiên bài báo chưa nêu rõ được là kênh loại gì là tốt nhất, khoảng thí nghiệm về mật độ lưu lượng là khơng đồng đều.
Megahed và cộng sự [24] đã nghiên cứu về đặc điểm của dịng sơi trong
kênh micro có rãnh cắt ngang tại mật độ lưu lượng thấp và cao. Kênh gồm có 45 kênh thẳng có đường kính thủy lực là 248µm, bề rộng rãnh cắt ngang là 500 µm, mặt đế dài 30mm, chiều dài được gia nhiệt là 25mm. Môi chất sử dụng là FC-72.
Mật độ dòng nhiệt là 7,2 đến 104,2 kW/m2, mật độ khối lượng 99 đến 290 kg/m2s
và lượng hơi ra là 0.01 đến 0.71.
Barlak và cộng sự [25] đã khảo sát 5 kênh micro với lưu chất là nước có
22
đưa ra là số Reynold nằm trong khoảng 100 – 10000 và tỷ số chiều dài với đường kính kênh (L/d) trong khoảng từ 16 đến 265. Tổn thất áp suất tăng khi Re tăng. Kết quả cũng cho thấy tỷ số L/d <100 thì Re nằm trong khoảng 2000 đến 2500. Qua bài báo này ta có đưa ra một số nhận xét sau. Tác giả chưa đưa ra được tổn thất áp suất cho từng trường hợp cụ thể và trường hợp nào là cho tổn thất áp suất thấp nhất và hiệu quả truyền nhiệt cao nhất. Tỷ số L/d nào là tổn thất áp suất và truyền nhiệt là tốt nhất. Mơ hình dựa theo tính tốn và thực nghiệm, chưa có mơ phỏng.
Lee và cộng sự [26] đã phát triển bộ tản nhiệt kênh micro có kích thước
khác nhau có chiều rộng từ 102µm đến 997µm và độ sâu là 400 µm. Đế của bộ tản nhiệt có kích thước 1,27cm x 1,27cm. Thí nghiệm sử dụng 25 cảm biến nhiệt độ được tích hợp trong kênh micro để đưa ra giá trị nhiệt độ chính xác hơn. Mơi chất được sử dụng là nước cất. Kết quả cho thấy được tổn thất áp suất tăng nhanh khi mật độ dòng nhiệt bắt đầu tăng. Tuy bài báo này có đưa ra được thơng số mật độ dòng nhiệt và tổn thất áp suất theo một dải có quy luật nhưng chưa nêu rõ lưu lượng thí nghiệm thay đổi như thế nào, lưu lượng ảnh hưởng tới tổn thất áp suất như thế nào.
Megahed và Hassan [27] tập trung nghiên cứu tổn thất áp suất thiết bị tản
nhiệt kênh micro bằng silicon. Kênh là hình chữ nhật có kích thước 276µm x
225µm, chiều dài là 16mm. Mật độ khối lượng là 341 đến 531 kg/m2s, mật độ
dòng nhiệt 60,4 đến 130,6 kW/m2 và sử dụng FC-72 là lưu chất làm việc. Kết quả
cho thấy tổn thất áp suất phụ thuộc vào mật độ khối lượng và tổn thất áp suất tăng tuyến tính với lượng hơi ra khỏi kênh tại một mật độ khối lượng là hằng số.
Ling và cộng sự [28] nghiên cứu dịng nước cất trong một dãy kênh micro
hình trịn có đường kính 13µm, 20µm và chiều dài từ 40mm đến 100mm. Qua nghiên cứu thì cho thấy quan hệ giữa tổn thất áp suất và lưu lượng là tuyến tính.
23
1.2.2. Nghiên cứu trong nước
Dang cùng cộng sự [29] 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 17,4 W/cm2. Cũng trong nghiên cứu này, khi nhiệt độ của nước tăng thì
độ sụt áp giảm. Khi độ sụt áp tăng từ 800 đến 4400Pa, lưu lượng khối lượng tăng từ 0,1812 đến 0,8540g/s. Kết quả đạt được từ phân 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%.
Trung cùng cộng sự [30] đã thực hiện phương pháp thực nghiệm để
nghiên cứu ảnh hưởng của lực trọng trường đến các đặc tính nhiệt và dịng chảy lưu chất của những bộ trao đổi nhiệt microchannel. Các kết quả này thu được thông qua đề tài nghiên cứu khoa học (NCKH) cấp trường trọng điểm (TĐ) 2011.
Trung cùng cộng sự [31,32] đã thực hiện phương pháp thực nghiệm để
nghiên cứu hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng mơi chất lạnh CO2. Kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng khi diện tích mặt cắt ngang của van tiết lưu giảm từ 3,825 xuống 0,091 mm2 thì nhiệt độ bay hơi giảm (từ 18,4 đến 7,3°C) và nhiệt độ quá nhiệt giảm (từ 3,4 đến 1,1° C). Ngoài ra trong nghiên cứu này cịn cho thấy cơng suất lạnh đạt được là 168,45 kJ/kg tương ứng với công nén là 23.99 kJ/kg.
Doan và cộng sự [33] đã thực hiện phương pháp mô phỏng số về sự
truyền nhiệt trong quá trình bay hơi trong kênh micro thuộc hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng mơi chất CO2. Chu trình này làm việc với áp suất giải nhiệt giàn nóng là 85 bar, áp suất bay hơi giàn lạnh là 37 bar và tốc độ dòng chảy CO2 là 5,2 g/s. Nhiệt độ và áp suất trong các kênh micro giống nhau. Kết quả mô phỏng số cho thấy khi thay đổi lưu lượng khối lượng của môi chất CO2 tại đầu vào kênh micro tăng từ 2 - 8 g/s đồng thời cố định nhiệt độ bay hơi là 50°C thì độ