CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
a) Đo lưu lượng
Lưu lượng khối lượng của bơm được xác định bằng cách cân khối lượng nước ở đầu ra của kênh micro trong một khoảng thời gian. Tuy nhiên lưu lượng khối lượng thực tế đo được thì thấp hơn lưu lượng khối lượng của bơm cấp qua thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro vì do ảnh hưởng của đường ống, bình chứa, các van khóa. Trước khi đo lưu lượng khối lượng, thực hiện việc điều chỉnh dụng cụ đo là cân chính xác, để đảm bảo chắc chắn rằng giá trị của đĩa cân hiển thị 0,0000g. Sau đó, việc thử nghiệm được hoạt động trong 20 phút để đạt được trạng thái ổn định. Lưu lượng khối lượng đi qua thiết bị kênh micro được đo trong 10 lần, với khoảng thời gian giữa hai lần đo liên tiếp là một phút. Cuối cùng, chọn giá trị trung bình của lưu lượng khối lượng đã đo được.
b) Đo nhiệt độ
Khi tiến hành thực nghiệm, nhiệt độ được đo bằng cách sử dụng các đầu cảm biến nhiệt độ đặt ở các vị trí cần đo. Các đầu cảm biến này được kết nối với bộ xử lí XT100 để xử lí thơng tin đưa về, lưu trữ và hiển thị nhiệt độ lên màn hình máy tính. Trước khi đo nhiệt độ đầu vào và đầu ra, chúng ta chắc chắn rằng tất cả các cảm biến nhiệt độ đều ở nhiệt độ giống nhau và bằng nhiệt độ môi trường xung quanh. Sau đó, chu kì thử nghiệm hoạt động trong 20 phút để hệ thống đạt đến trạng thái ổn định. Sau đó, giá trị nhiệt độ được ghi trong 10 phút.
69
ChươngV
CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
5.1 Các kết quả mơ phỏng kênh hình chữ nhật và hình chữ nhật được bo trịn
5.1.1 Kênh hình chữ nhật 0,3x0,5 mm Kết quả độ khô và biên độ nhiệt độ
Tác giả đã thực hiện thời gian mô phỏng 350 giây, 300 giây, 250 giây, 200 giây, 150 giây với bước nhảy 1 giây và nhận thấy sau khoảng thời gian 150 giây trạng thái sôi đã đạt trạng thái ổn định. Vì thế tác giả chọn bước nhảy 1 giây, thời gian mô phỏng 150 giây. Các kết quả mơ phỏng thể hiện như các hình bên dưới.
(a) Độ khô
(b) Biên dạng nhiệt độ của hơi nước
70
Hình 5.1 thể hiện vị trí chuyển pha hồn toàn giữ pha 1 (lỏng) và pha 2 (hơi). Trên hình 5.1a ta thấy độ khô x tại đầu ra là 0,9896. Đồng thời xác định được vị trí chuyển pha của kênh có dạng vịng cung parabol. Hình 5.1b thể hiện giá trị nhiệt độ cực đại 99,701oC tại đầu ra.
Hình 5.2 Điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của kênh hình chữ nhật
Hình 5.3 Nhiệt độ ứng với điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của kênh hình chữ
nhật
Hình 5.2 thể hiện vị trí bắt đầu xảy ra q trình chuyển pha. Tại vị trí này các bong bóng đầu tiên được hình thành. Đồng thời theo hình 5.3 xác định được thời gian xảy ra quá trình quá trình chuyển pha là giây thứ 18. Nhiệt độ đo được lớn nhất ngay tại ví trí chuyển pha là 99,9oC.
71
Hình 5.4 Nhiệt độ đầu ra ứng với những bong bóng đầu tiên hình thành của kênh
hình chữ nhật ở giây thứ 18
Hình 5.4 thể hiện nhiệt độ lớn nhất tại đầu ra của kênh là 85oC ứng với giây thứ 18 của q trình mơ phỏng điều này phù hợp với hình số 5.5 bên dưới.
Hình 5.5 Biểu đồ thể hiện nhiệt độ đầu ra của hơi nước
Từ hình 5.5 cho ta thấy nhiệt độ đầu ra của lưu chất của bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật tăng dần và đạt trạng thái ổn định từ giây thứ 80 đến giây thứ 150.
5.1.2 Kênh hình chữ nhật được bo trịn 0,5x0,07mm Kết quả độ khô và biên độ nhiệt độ
Sau khi chạy mô phỏng ta sẽ thu được các kết quả về độ khô, biên dạng nhiệt độ của hơi nước, vị trí chuyển pha, nhiệt độ tại điểm chuyển pha như các hình bên dưới.
72 (a) Độ khơ
(b) Biên dạng nhiệt độ của hơi nước
Hình 5.6 Độ khơ và biên dạng nhiệt độ kênh hình chữ nhật được bo trịn tại
giây thứ 150
Hình 5.6 thể hiện vị trí chuyển pha hồn tồn giữ pha 1 (lỏng) và pha 2 (hơi). Trên hình 5.6a ta thấy độ khơ x tại đầu ra là 0,9956. Hình 5.6b thể hiện giá trị nhiệt độ cực đại 99,831oC tại đầu ra. Như vậy kết quả nhiệt độ đầu ra và độ khô bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật được bo trịn cao hơn bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật. Từ kết quả độ khơ kênh hình chữ nhật được bo trịn cao hơn kênh hình chữ nhật chứng minh hiệu quả trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật được bo trịn cao hơn kênh hình chữ nhật.
73
Hình 5.7 Điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của kênh hình chữ nhật được
bo trịn
Hình 5.8 Nhiệt độ ứng với điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của kênh hình chữ
nhật được bo trịn
Hình 5.7 thể hiện vị trí bắt đầu xảy ra q trình chuyển pha. Tại vị trí này các bong bóng đầu tiên được hình thành. Đồng thời theo hình 5.8 xác định được thời gian xảy ra quá trình chuyển pha là giây thứ 17. Nhiệt độ đo được lớn nhất ngay tại ví trí chuyển pha là 99,9oC. Kết quả cho ta thấy điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật được bo trịn sớm hơn bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật khoảng 1s.
74
Hình 5.9 Nhiệt độ đầu ra ứng với những bong bóng đầu tiên hình thành của
kênh hình chữ nhật được bo trịn ở giây thứ 17
Hình 5.9 thể hiện nhiệt độ lớn nhất tại đầu ra của kênh là 86oC ứng với giây thứ 17 của q trình mơ phỏng điều này phù hợp với hình số 5.10 bên dưới.
Hình 5.10 Biểu đồ thể hiện nhiệt độ đầu ra của hơi nước
Từ hình 5.10 cho ta thấy nhiệt độ đầu ra của lưu chất của bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật tăng dần và đạt trạng thái ổn định từ giây thứ 80 đến giây thứ 150.
75
Bảng 5.1 Bảng tổng hợp so sánh độ khơ đầu ra kênh hình chữ nhật và hình
chữ nhật (cn) được bo tròn Nhiệt độ
nước đầu vào
Nhiệt độ nước đầu ra Mô phỏng Độ khô Mô phỏng oC oC xe Kênh hình chữ nhật 0,3x0,5mm Kênh hình cn bo trịn 0,5x0,07 mm Kênh hình chữ nhật 0,3x0,5mm Kênh hình cn bo trịn 0,5x0,07 mm 60 99,701 99,831 0,9896 0,9956
Theo bảng 5.1 ta thấy nhiệt độ cực đại đầu ra, độ khơ kênh hình chữ nhật được bo tròn lần lượt là 99,8310C, 0,9956 cao hơn nhiệt độ kênh hình chữ nhật 99,7010C, 0,9813.
5.2 Các kết quả thực nghiệm và so sánh kết quả thực nghiệm với mơ phỏng của kênh hình chữ nhật và hình chữ nhật được bo trịn
Hình 5.11 So sánh nhiệt độ đầu ra của hai bộ trao đổi nhiệt bằng phương pháp
mơ phỏng
Dựa vào hình 5.11 ta thấy thời điểm bay hơi kênh hình chữ nhật ở giây thứ 18, thời điểm bay hơi kênh hình trịn ở giây thứ 17. Qua đó ta rút ra kết luận kênh hình chữ nhật được bo tròn bay hơi sớm hơn kênh hình chữ nhật. Từ kết quả này có thể kết luận hiệu quả trao đổi nhiệt của kênh hình chữ nhật bo trịn cao hơn kênh hình chữ nhật.
76
Hình 5.12 So sánh nhiệt độ đầu ra của hai bộ trao đổi nhiệt bằng phương
pháp thực nghiệm
Dựa vào hình 5.12 ta thấy ta thấy thời điểm bay hơi kênh hình chữ nhật ở giây thứ 19, thời điểm bay hơi kênh hình trịn ở giây thứ 18. Qua đó ta rút ra kết luận kênh hình chữ nhật được bo trịn bay hơi sớm hơn kênh hình chữ nhật và thời điểm bay hơi này gần đúng thời gian bay hơi trong mơ phỏng như hình 5.11 với sai lệch 5%.Tác giả kiến nghị khi sản xuất thiết bị trao đổi nhiệt micro nên chọn kênh hình chữ nhật được bo trịn thay vì kênh hình chữ nhật.
Bảng 5.2 Bảng tổng hợp so sánh nhiệt độ đầu ra kênh hình chữ nhật và hình
chữ nhật (cn) được bo trịn bằng phương pháp thực nghiệm Nhiệt độ nước
đầu vào
Nhiệt độ nước đầu ra Thực nghiệm oC oC Kênh hình chữ nhật 0.3x0.5mm Kênh hình chữ nhật bo trịn 0.5x0.07 mm 60 99,81 99,9
77
Theo bảng 5.2 ta thấy nhiệt độ cực đại đầu ra kênh hình chữ nhật được bo trịn 99,9oC cao hơn nhiệt độ kênh hình chữ nhật 99,81oC điều này phù hợp với kết quả mô phỏng theo bảng 5.1.
Bảng 5.3 Bảng tổng hợp so sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm
Nhiệt độ nước đầu vào oC
Nhiệt độ nước đầu ra oC Độ khơ xe Kênh hình chữ nhật 0,3x0,5mm Kênh hình trịn 0,5x0,07 mm Kênh hình chữ nhật 0,3x0,5mm Kênh hình trịn 0,5x0,07 mm Mơ phỏng Thực nghiệm Mơ phỏng Thực
nghiệm Mô phỏng Mô phỏng
60 99,701 99,81 99,831 99,9 0,9896 0,9956
Bảng 5.3 thể hiện kết quả nhiệt độ đầu ra giữa mơ phỏng và thực nghiệm. Kênh hình chữ nhật nhiệt độ đầu ra của phương pháp mô phỏng và thực nghiệm lần lượt là 99,701oC, 99,81oC, kênh hình chữ nhật được bo trịn nhiệt độ đầu ra của phương pháp mô phỏng và thực nghiệm lần lượt là 99,813oC, 99,9oC. Như vậy kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm rất gần nhau. Tiếp theo tác giả sẽ so sánh vị trí sơi của kênh hình chữ nhật giữa hai phương pháp thực nghiệm và mô phỏng.
Hình 5.13 Vị trí sơi của bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật bằng phương
78
Dựa trên kết quả mô phỏng sau 150 giây thể hiện ở hình 5.13, ta thấy được vị trí sơi của kênh có dạng hình parabol và lồi hướng về phía đầu vào.
Hình 5.14 Vị trí sơi của bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật bằng phương
pháp thực nghiệm
Hình 5.14 ta thấy được vị trí sơi bằng phương pháp thực nghiệm cũng có biên dạng hình parabol. Điều này phù hợp với kết quả mơ phỏng hình 5.13.
Hình 5.15 Điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của kênh hình chữ nhật bằng
phương pháp mơ phỏng
Hình 5.15 thể hiện vị trí bắt đầu xảy ra q trình chuyển pha. Tại vị trí này các bong bóng đầu tiên được hình thành. Đồng thời xác định được thời gian xảy ra quá trình chuyển pha là giây thứ 18.
Hình 5.16 Điểm bắt đầu quá trình chuyển pha của kênh hình chữ nhật bằng
phương pháp thực nghiệm
Sau nhiều lần làm thí nghiệm tác giả quan sát được vị trí bắt đầu hình thành các bong bóng đầu tiên như vùng được khoanh trịn trên hình 5.16, vị trí này phù
79
hợp với phương pháp mơ phỏng hình 5.15. Bằng phương pháp thực nghiệm tác giả không thể đo được nhiệt độ tại điểm bắt đầu hình thành các bong bóng đầu tiên trong kênh mà chỉ đo được nhiệt độ trên bề mặt tấm PMMA là 95oC. Tuy nhiên tác giả đo được nhiệt độ đầu ra của nước là 85 oC như thể hiện ở hình 5.12. Thơng số nhiệt độ này phù hợp với phương pháp mơ phỏng như thể hiện ở hình 5.4.
80
Chương VI
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Mô phỏng số và thực nghiệm của hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro với hai mặt cắt kênh khác nhau đã được nghiên cứu để tìm ra những ảnh hưởng của hình dáng hình học đến q trình chuyển pha cho dịng chảy hai pha.
Nghiên cứu chỉ ra rằng bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật được bo trịn có sự chuyển đổi pha sớm hơn hình chữ nhật trong cả mơ phỏng số và thực nghiệm khoảng 1 giây. Bên cạnh đó, nhiệt độ đầu ra và độ khơ hơi nước của bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật được bo tròn cao hơn kết quả thu từ bộ trao đổi nhiệt kênh hình chữ nhật. Các kết quả này cho thấy hiệu quả trao đổi nhiệt của kênh hình chữ nhật được bo trịn cao hơn kênh hình chữ nhật.
Đường cong chuyển pha thu được trong quá trình bốc hơi có dạng hình parabol. Nhiệt độ đầu ra đạt được được trạng thái ổn định với thời gian tối đa khoảng 2 phút, 30 giây.
Ngoài ra các kết quả mô phỏng số khá phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Những kết quả mô phỏng này vẫn chưa được công bố trong các bài báo tham khảo nào.
Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế về thời gian, độ chính xác của thiết bị đo, cơng nghệ gia công cũng như kiến thức chuyên sâu nghiên cứu . Nên khơng tránh những sai sót. Do đó, em rất cần sự góp ý và đánh giá của q thầy cơ để giúp đề tài được hồn thiện hơn.
Đây là một hướng nghiên cứu mới và có khả năng ứng dụng cao trong thực tế như sản xuất các bộ trao đổi nhiệt để giải nhiệt cho các thiết bị vi mạch điện tử, thiết bị trao đổi nhiệt của máy điều hịa khơng khí. Tác giả xin kiến nghị cho các nhóm nghiên cứu sau tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu này với các hình dáng kênh khác và các loại môi chất khác như gas R410, R32.
81
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Sui, Evaporative Modeling in a thin-film region of micro-channel, International Refrigeration and Air Conditioning Conference, 2002.
[2] K.Park, K.J.Noh, K.S.Lee, Evaporative Modeling in a thin-film region of micro-channel, International Refrigeration and Air Conditioning Conference, 2002.
[3] Matthew Law, Poh-Seng Lee, A comparative study of experimental flow boiling heat transfer and pressure characteristics in straight- and oblique- finned microchannels
[4] Satish G. Kandlikar, Scale effects on flow boiling heat transfer in microchannels: A fundamental perspective, International Journal of Thermal Sciences, 2009.
[6] Kandlikar, S.G., Garimella, S., Li, D.Q., Colin. S., and King, M.R., Heat transfer and fluid flow in minichannels and microchannels. Elsevier Pte Ltd., Singapore, 2006.
[7] Kew, P. A. and Cornwell, K., On pressure drop fluctuations during boiling in narrow channels, Proceedings of Second European Thermal Sciences and 14th UIT National Heat Transfer Conference, 1996.
[8] Ali Kosar, Chih-Jung Kuo, Yoav Peles, Boiling heat transfer in rectangular microchannels with reentrant cavities
[9] Daxiang Deng, Ruxiang Chen, Hao He, Junyuan Feng, Yong Tang, Wei Zhou, Effects of heat flux, mass flux and channel size on flow boiling performance of reentrant porous microchannels.
[10] J. Lee, I. Mudawar, Fluid flow and heat transfer characteristics of low temperature two-phase micro-channel heat sinksepart 2. subcooled boiling pressure drop and heat transfer, Int. J. Heat Mass Transf. 51 (2008)
[11] Zhang L., Banerjee S. S., Koo J-M., Laser D.J., Asheghi M., Goodson K. E., Juan G. Santiago J. G., Kenny T. W., Measurtác giảents and
82
Modeling of Two-Phase Flow in Microchannels With Nearly Constant Heat Flux Boundary Conditions, Journal of Microelectromechanical Systtác giảs 11, 2002.
[12] Henstroni G., Mosyak A., Pogrebnyak E., Segal Z., Explosive Boiling of Water in Parallel Microchannels, International Journal of Multiphase Flow 31, 2005.
[13] Kandlikar, S. G., Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and microchannels, Exp. Therm. Fluid Sci., 2002a.
[14] Lin Chen, X. R. Zhang, Heat transfer and various convection structures of near-critical CO2 flow in microchannels, Applied Thermal Engineering (2013) 1-8.
[15] E.R. Dario, L. Tadrist, J.C. Passos Review on two-phase flow distribution in parallel channels with macro and micro hydraulic diameters: Main results, analyses, trends Applied Thermal Engineering 59 (2013) 316-335.
[16] D.E. Kim, D. I. Yu, D. W. Jerng, M. H. Kim, H. S. Ahn Review of boiling heat transfer enhanctác giảent on micro/nanostructured surfaces Experimental Thermal and Fluid Science 66 (2015) 173-196.
[17] Sneha S. Gosai, Vivek C. Joshi [6] A Review on Two Phase Flow in Micro channel Heat, International Journal of Applied Research & Studies ISSN 2278 – 9480.
[18] Navin Raja Kuppusamy, R. Saidur, N.N.N. Ghazali, H.A. Mohammed, Numerical study of thermal enhancement in micro channel heat sink with secondary flow, 2014.
[19] Guodong Wang, Ping Cheng, A.E. Bergles, Effects of inlet/outlet configurations on flow boiling instability in parallel microchannels, 2007.
[20] Bruno Agostini, Re´mi Revellin, John R. Thome, Elongated bubbles in microchannels. Part I: Experimental study and modeling of elongated bubble velocity, 2007.
83
[21] S.G. Singh, A. Kulkarni, S.P. Duttagupta, B.P. Puranik, A. Agrawal, Impact of aspect ratio on flow boiling of water in rectangular microchannels, 2008.
[22] Boris Schilder, Simon Yu Ching Man, Nobuhide Kasagi, Steffen Hardt, Peter Stephan, Flow Visualization and Local Measurement of Forced Convection Heat Transfer in a Microtube, 2010.
[23] K. Balasubramanian, P.S. Lee,L.W.Jin, S.K. Chou, C.J. Teo, S. Gao, Experimental investigations of flow boiling heat transfer and pressure drop in straight and expanding microchannels e A comparative study, 2011.
[24] Ayman Megahed, Experimental investigation of flow boiling characteristics in a cross-linked microchannel heat sink, 2010.
[25] S. Barlak, S. Yapıcı, O.N. Sara, Experimental investigation of