Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dáng kênh đến áp suất và nhiệt độ của bộ trao

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Giảng viên hướng dẫn:

Thầy Ths. Lê Bá Tân

Sinh viên thực hiện:

Phạm Nguyên Chánh Luật

MSSV: 13147036

Nguyễn Minh Tân

MSSV: 13147058

Đề Tài:
NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG KÊNH ĐẾN ÁP
SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CỦA BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT KÊNH MICRO
Nhiệm vụ đề tài:





Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về bộ trao đổi nhiệt kênh micro
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tính tốn truyền nhiệt, tổn thất áp suất trong kênh micro.
Thiết kế - gia công mới 02 bộ trao đổi nhiệt kênh micro dạng tấm.
Làm thực nghiệm để tìm ra ảnh hưởng của hình dạng kênh đến hiểu quả truyền nhiệt
trong kênh

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Tên đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dáng kênh đến áp suất và nhiệt độ
của bộ trao đổi nhiệt kênh micro
Họ và tên sinh viên :

Phạm Nguyên Chánh Luật

MSSV: 13147036

Nguyễn Minh Tân

MSSV: 13147058

Ngành: CN KỸ THUẬT NHIỆT.
NHẬN XÉT:
Về hình thức trình bày và cấu trúc hợp lý đề tài:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Về nội dung (ưu và nhược điểm đề tài ) :
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Những nội dung cần điều chỉnh và bổ sung:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
 Đánh giá đề tài:
-Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không):................................................
-Điểm đánh giá (theo thang điểm 10):...................................................

TP. HCM, Ngày…Tháng…Năm 2017
(Giảng viên hướng dẫn)
Ký tên


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài : Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dáng kênh đến áp suất và nhiệt
độ của bộ trao đổi nhiệt kênh micro
Họ và tên sinh viên :

Phạm Nguyên Chánh Luật

MSSV: 13147036

Nguyễn Minh Tân

MSSV: 13147058

Ngành : CN KỸ THUẬT NHIỆT.
NHẬN XÉT :
Về hình thức trình bày và cấu trúc hợp lý đề tài :
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Về nội dung ( ưu và nhược điểm đề tài ) :
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

Những nội dung cần điều chỉnh và bổ sung :
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
 Đánh giá đề tài :
Đề nghị ( cho phép bảo vệ hay không ) :................................................
Điểm đánh giá (theo thang điểm 10 ) :...................................................

TP. HCM, Ngày…Tháng…Năm 2017
Giảng viên phản biện
Ký tên


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài : Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình dáng kênh đến áp suất và nhiệt
độ của bộ trao đổi nhiệt kênh micro
Họ và tên sinh viên :

Phạm Nguyên Chánh Luật

MSSV: 13147036

Nguyễn Minh Tân

MSSV: 13147058

Ngành : CN KỸ THUẬT NHIỆT.
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của giảng viên hướng dẫn, giảng viên phản

biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh
đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội đồng ..........................................................................................................
.........................................................................................................................................
Giảng viên hướng dẫn
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

Giảng viên phản biện
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

TP. HCM, Ngày…Tháng…Năm 2017
Giảng viên hướng dẫn
Ký tên


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, chúng em xin được gửi lời cám ơn tới thầy Th.s Lê Bá Tân, giảng
viên Bộ mơn Kỹ Thuật Cơ Khí Chế Tạo Máy, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo
chúng em trong suốt q trình thực hiện đồ án để nhóm có thể hoàn thành tốt bài đồ án
“NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG KÊNH ĐẾN ÁP SUẤT VÀ
NHIỆT ĐỘ CỦA BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT KÊNH MICRO”.
Chúng em cũng xin được chân thành cảm ơn tồn bộ các thầy cơ bộ mơn Cơng
nghệ Kỹ thuật Nhiệt, khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật TP
Hồ Chí Minh. Các thầy cô đã truyền đạt những kiến thức rất quý báu và luôn tạo điều
kiện tốt nhất để chúng em có thể nghiên cứu và hồn thành đồ án. Xin được cảm ơn
các anh chị sinh viên khóa trước và các bạn sinh viên cùng khóa đã hỗ trợ và góp ý
trong suốt q trình thực hiện đồ án.
Dù đã rất cố gắng để thực hiện đồ án nhưng do hạn chế về trình độ, thời gian và

nguồn tài liệu tham khảo nên nhóm khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Nhóm chúng
em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ thầy cơ, các bạn sinh viên để đồ án
được hồn thiện hơn.

Nhóm sinh viên thực hiện


MỤC LỤC


DANH MỤC HÌNH ẢNH


DANH MỤC BẢNG


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 mini, m.

m

:

Lưu lượng khối lượng, kg/s.

MCE

:

Microchannel Evaporator - Thiết bị bay hơi kênh micro.

NTU

:

Chỉ số truyền nhiệt đơn vị (Number of Transfer Unit).

Nu

:

Chỉ số Nusselt.

p

:

Áp suất, Pa.

P

:

Đường kính ướt, m.

Q

:

Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W.

q

:

Mật độ dòng nhiệt, W/m2.

Re

:

Chỉ số Reynolds.

T

:

Nhiệt độ, K.

µ

:

Độ nhớt động lực học, Ns/m2.

ρ

:

Khối lượng riêng, kg/m3.

λ

:

Hệ số dẫn nhiệt, W/mK.

ω

:

Vận tốc, m/s.

η

:

Hiệu suất, %.

ξ

:

Chỉ số hoàn thiện, W/kPa.

∆t

:

Nhiệt độ chênh lệch, K.


∆p

:

Tổn thất áp suất, Pa.

t_in

:

Nhiệt độ nước vào, oC.

t_out

:

Nhiệt độ hơi ra, oC.

G_in

:

Lưu lượng khối lượng, g/s.

t_out avg

:

Nhiệt độ trung bình hơi ra, oC.


LỜI NĨI ĐẦU
Với mục đích tập trung nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của dịng chảy đến q
trình bay hơi trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro khi tiến hành thay hình dạng kênh và giữ
nguyên các điều kiện đầu vào như nhiệt độ nước và lưu lượng nước cấp cho kênh bằng
phương pháp và thực nghiệm. Từ đó đánh giá và rút ra kết luận về kết quả đạt được.
Dựa trên cơ sở tài liệu bài báo nghiên cứu khoa học và các đề tài nghiên cứu khác
trong đầu thế kỉ XX, ta tiến hành cải tiến, xây dựng mơ hình thiết bị phù hợp với mục
tiêu nghiên cứu. Sau đó tiến hành đo đạc, tính tốn các kết quả số liệu kích thước và từ
những số liệu cụ đó ta có thể gia cơng, chế tạo mẫu thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro. Sau
khi có được mẫu sẽ tiến hành thí nghiệm đo đạc các số liệu để từ đó so sánh, đối chiếu
các số liệu thu được và đưa ra những nhận xét, kết luận đối với từng đại lượng có liên
quan như nhiệt độ, lưu lượng...ảnh hưởng như thế nào đến quá trình bay hơi đối với việc
thay đổi hình dạng kênh
Trong đề tài này kết quả thực nghiệm dùng để đánh giá sự hiệu quả khi thay đổi
hình dạng và kích thước kênh.

11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển ngày càng tiến bộ của khoa học kỹ thuật hiện nay, các thiết bị điện
tử ngày càng được sử đụng rộng rãi và cải tiến không ngừng. Do đó nhu cầu cấp thiết về
các vấn đề giải nhiệt cho các thiết bị linh kiện điện tử ngày càng cao. Kéo theo đó, vấn đề
về bảo vệ mơi trường và tiết kiệm năng lượng và nguyên liệu cũng trở thành mối quan
tâm hàng đầu để nâng cao chất lượng cuộc sống. Để thực hiện được điều đó, hiện nay đã
có rất nhiều các nghiên cứu để tìm ra phương pháp tối ưu giải quyết vấn đề trên. Một
trong số đó là việc cải tiến hình dáng, kích thước của các thiết bị trao đổi nhiệt trong
những thiết bị điện tử nhằm nâng cao hiệu quả, hiệu suất, tính thẩm mỹ và tuổi thọ của
thiết bị. Từ đó việc nghiên cứu và sử dụng các thiết bị giải nhiệt có kích thước micro với
các ưu điểm như hiệu suất truyền nhiệt cao, tiết kiệm chi phí sản xuất, tiết kiệm không
gian, làm giảm lượng môi chất lạnh trong hệ thống tức là giảm tác nhân gây hiệu ứng nhà
kính, phá hủy tầng ozone đã được phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây.
Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro thường được sử dụng phổ biến trong những
trường hợp có khơng gian, diện tích trao đổi nhiệt bị giới hạn nhưng cần đạt hiệu quả trao
đổi nhiệt cao như là giải nhiệt cho các linh kiện điện tử, vi mạch, chip… Và trong thời
gian gần đây đang dần hình thành xu hướng sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro
rộng rãi hơn trong công nghiệp và đời sống hàng ngày. Song song với các ưu điểm đó,
thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro vẫn còn những mặt hạn chế như tổn thất áp suất trên
thiết bị lớn, khả năng đọng sương và đóng băng bên ngồi bề mặt cao, khó gia cơng,…
Từ những ưu, nhược điểm và để đáp ứng nhu cầu hiện nay, thiết bị trao đổi nhiệt
kênh micro địi hỏi cần phải có những nghiên cứu về các đặc tính cũng như những yếu tố
ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt. Ảnh hưởng của áp suất
đến sự trao đổi nhiệt của kênh micro khi thay đổi kích thước và hình dạng kênh là một
hướng nghiên cứu cần quan tâm mà trong bài nghiên cứu này sẽ tập trung vào.
1.2. Các nghiên cứu liên quan
Sự gia tăng nhiệt tạo ra từ thiết bị vi điện tử đã dẫn đến vô số các đề xuất về phương

pháp làm mát. Ở đầu thế kỉ 20, đã có rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu sâu về vấn đề
này. Dưới đây là một số các nhà khoa học tiêu biểu:

12


Tản nhiệt kênh micro được nghiên cứu bởi Tuckerman và Pease [1] (1981, 1982)
cách đây 37 năm về trước. Trong công việc họ, họ đã chế tạo bằng chất liệu silicon wafer
và đạt được nhiệt độ bề mặt cực đại khoảng 71°C với dòng nhiệt 790 W.cm -2 và sử dụng
nước để làm mát. Họ thấy rằng hệ số truyền nhiệt đối lưu, h ở bề mặt làm mát là yếu tố
chính trong việc giảm nhiệt trở.
Kể từ khi có nghiên cứu này, nghiên cứu số và thực nghiệm đã được tiến hành. Wei
và cộng sự (2007) đã trình bày các kết quả thử nghiệm và số liệu của các bồn chứa nhiệt
kép được tổ hợp để làm mát chất lỏng. Trong nghiên cứu của họ, họ đã nghiên cứu hiệu
quả của hướng dòng chảy và tỷ lệ dòng chảy trong mỗi kênh micro và xác định rằng tốc
độ dòng chảy trong phạm vi quy định, lưu lượng vào đồng đều thì nhiệt độ tốt hơn, trong
khi dịng song song có hiệu suất tốt nhất trong việc giảm nhiệt độ.
Keyes [2] thực hiện phân tích lý thuyết của tản nhiệt kênh micro có cánh với trao
đổi nhiệt kênh micro thơng thường. Đó là lý thuyết và kết luận kích thước của cánh và
kích thước kênh có thể tối ưu hóa để cung cấp làm mát tối đa theo phạm vi rộng của ứng
dụng. Hiệu suất nhiệt đã được thử nghiệm tiến hành trên silicon và indium phosphate tản
nhiệt kênh micro của Phillips [3]. Ông thấy hiệu suất nhiệt của tản nhiệt kênh micro tốt
hơn hai lần so với kênh truyền thống thông thường. Missaggia và các đồng nghiệp [4] đã
phát triển tản nhiệt kênh micro (40 kênh của kích thước (W, H), (100, 400) μm thực hiện
trên miếng silicon) để làm mát công suất cao của hai chiều mật độ tia laser mảng diode,
việc sử dụng tản nhiệt kênh micro cung cấp tăng đáng kể trong sản lượng điện quang
Phân loại các kênh micro là vấn đề gây tranh cãi. Một số tác giả đã phân loại dựa
vào kích thước kênh, trong khi những người khác tin rằng nó dựa trên sự ổn định dòng
chảy. Sau đây là các báo cáo tiêu biểu để phân biệt giữa kênh micro và macrochannel.
Kandlikar và Grande [5],[6] với các đề xuất có phạm vi là 10 ≤ D ≤ 200 μm. Mehendale

và các cộng sự [7] đề nghị phạm vi 1≤ D ≤ 100 mm cho kênh micro, D là đường kính của
ống hoặc kích thước nhỏ nhất cho mặt cắt khác. Cornwell và Kew [8], [9] đã xác định số
(Co) để phân biệt dịng chảy sơi vĩ mơ đến vi mơ bởi phương trình (1.1)

(1.1)

13


Các đề xuất của họ theo tiêu chí, các kênh với Co ≥ 0.5 có thể phân loại là
microchannels, như ảnh hưởng của trọng lực bởi sức căng bề mặt ở trên mức này.
Chế tạo các kênh micro yêu cầu của hình dạng và kích thước được u cầu về vật
liệu là một vấn đề lớn. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật sản xuất khác nhau để
chế tạo các kênh micro. Kandlikar và Grande [5], [6] báo cáo rằng các công nghệ để sản
xuất kênh micro đã phát triển nhanh chóng từ việc thu nhỏ kích thước bằng kỹ thuật gia
công truyền thống (phay và cưa) đến việc áp dụng các kỹ thuật hiện đại (khắc khô plasma
và vi cơ bề mặt, cắt laser) Được sử dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất chất bán
dẫn.
Wang and Peng [10] đã xem xét về sự trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức một pha,
nghiên cứu sử dụng sáu thiết bị tản nhiệt kênh micro kích thước (W, H, N – rộng, cao, số
kênh) như sau: (800; 700; 4), (600; 700; 4), (400; 700; 4), (400; 700; 6), (200; 700; 4) và
(200; 700; 6) sử dụng lưu chất là nước. Họ nhận thấy có ba xu hướng thay đổi khác nhau
của các biến thể kênh micro trên về hệ số truyền nhiệt. Heat sink (800; 700; 4): hệ số
truyền nhiệt tăng đều cùng với nhiệt độ vách (mặt tản nhiệt). Các heat sink (600; 700; 4),
(400; 700; 4) và (400; 700; 6): ban đầu ở nhiệt độ vách thấp thì hệ số truyền nhiệt tăng
mạnh, đến nhiệt độ vách cao thì hệ số truyền nhiệt tăng vừa phải. Các heat sink (200;
700; 4) và (200; 700; 6): hệ số truyền nhiệt ban đầu giảm và sau đó tăng nhanh với nhiệt
độ vách tăng.
Qu và Mudawar [11] thực hiện nghiên cứu thực nghiệm và bằng số học với sự
truyền nhiệt của giai đoạn duy nhất bằng cách sử dụng 21 kênh giải nhiệt micro hình chữ

nhật (W, H) (231, 713). Họ đã so sánh kết quả của nghiên cứu số và với thực nghiệm, từ
đó dùng phương trình NaviereStokes và bảo tồn năng lượng để có thể dự đốn thành
cơng chế độ truyền nhiệt dịng 1 pha. Khơng giống như các nghiên cứu trước đây, họ đã
không quan sát được q trình chuyển đổi dịng chảy trong phạm vi thử nghiệm của hệ số
Reynolds từ 139 đến 1672.
Qi và các đồng nghiệp [12] thí nghiệm phân tích truyền nhiệt 1 giai đoạn trên ống
micro dùng nitơ lỏng để làm môi chất. Họ quan sát trái ngược để nước trong trường hợp
nitơ l hệ số truyền nhiệt và truyền nhiệt hệ số tại các vị trí đều giảm theo hướng dịng
chảy với tăng lưu lượng nhiệt mà họ cho là đảo lộn mối quan hệ giữa nhiệt độ và khả
năng dẫn nhiệt của nitơ. Điều đó kết luận rằng tính chất nhiệt của dịng chất lỏng làm
việc có vai trị quan trọng trên dòng chảy và đặc điểm truyền nhiệt của kênh micro. Sui
14


cùng cộng sự [13] sau khi thí nghiệm họ kết luận rằng kênh micro dạng sóng có hiệu suất
truyền nhiệt cao hơn kênh dạng thẳng.
Kosar và cộng sự [14] tiến hành kiểm tra sự thay đổi hệ số truyền nhiệt của hai pha
với dòng nhiệt và lưu lượng. Họ quan sát tại dòng lưu lượng thấp (G = 41 kg/m 2) và trung
bình (G = 83 và 166 kg/m2), hệ số truyền nhiệt hai pha giảm nhanh chóng sau khi lưu
lượng nhiệt đạt điều kiện giới hạn để hoàn toàn khô. Tuy nhiên, tại lưu lượng cao (G =
302 kg / m2), hệ số truyền nhiệt hai pha liên tục giảm từ nhân sơi đến điểm giới hạn của
dịng nhiệt. Họ cũng quan sát sự thay đổi lớn trong hệ số truyền nhiệt hai pha ở lưu lượng
hơi thấp với chất lượng hơi lối ra. Họ đưa chúng vào mô hình dịng chảy dao động. Mơ
hình dịng chảy dao động chuyển đổi liên tục giữa bong bóng di chuyển bị hạn chế trở lại
và ra dọc kênh. Cuối cùng, họ kết luận nhân sôi là chiếm ưu thế ở lưu lượng thấp dưới tất
cả các dòng nhiệt dòng lưu lượng trung bình và dịng nhiệt thấp trong cùng điều kiện.
Trong khi đó, cho khối lượng trung bình dưới dịng nhiệt cao và dòng lưu lượng cao đối
với tất cả các dịng nhiệt thì sự sơi đối lưu là cơ chế truyền nhiệt vượt trội hơn.
Steinke và Kandlikar [15] Thực hiện các thí nghiệm dịng chảy sơi trên sáu kênh
micro hình chữ nhật với Dh = 207 μm sử dụng nước được làm mát ở đầu vào. Họ thực

hiện các thí nghiệm trong dịng nhiệt với phạm vi từ 5 ÷ 950 kW/m 2 và dãy lưu lượng từ
157 ÷ 1782 kg/m2. Họ thấy rằng giá trị của hệ số truyền nhiệt tại đó rất cao khi chất
lượng hơi ra rất thấp (xe ≈ 0) điều mà họ kết luận được sự hình thành của bong bóng đầu
tiên xuất hiện tại vị trí đó. Tại đó hệ số truyền nhiệt của lỏng đang sôi giảm rất mạnh đi
cùng với việc lượng hơi khơng phân biệt giá trị dịng nhiệt tăng, điều đó làm cho các
bong bóng xuất hiện nhanh chóng.
Lee và Mudawar [16] đã đo đạt hệ số truyền nhiệt dọc theo kênh micro hai pha, chất
lượng hơi được giữ ổn định bằng cách thay đổi tỉ lệ lưu lượng khối lượng của môi chất
R134a. Họ chia ra 3 vùng để ước tính hệ số truyền nhiệt: Xe – Độ khơ.
1.

Xe <0,05: Giai đoạn tạo tâm sôi với công suất thấp.

2.

0,05< Xe <0,55: Giai đoạn bay hơi, công suất nhiệt và lưu lượng cao.

3.

Xe > 0,55: Giai đoạn bay hơi, công suất nhiệt cao và lưu lượng thấp.

Kết luận rằng vùng tạo sôi bọt hay sôi màng phụ thuộc vào đặc tính riêng biệt của
lưu chất.

15


Từ các nghiên cứu trên chúng ta có được cái nhìn tổng quát về quá trình truyền
nhiệt cũng như các tác động của dịng chảy đến q trình này trong kênh micro để đưa ra
các tính tốn, thiết kế, mơ phỏng, thực nghiệm, đánh giá và đưa ra các số liệu, kích thước

thiết kế tối ưu cho thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro.
1.3. Mục đích của đề tài
Đề tài này tập trung nghiên cứu, tính tốn để thiết kế và gia cơng bộ trao đổi nhiệt
kênh micro có kích thước kênh nhỏ hơn kích thước kênh truyền thống, đồng thời đánh
giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ và độ chênh lệch áp suất giữa hai đầu từ lúc gia nhiệt điện
trở cho đến lúc bay hơi trong bộ trao đổi nhiệt kênh micro. Từ cơ sở số liệu thu thập được
qua thực nghiệm, nhóm sẽ sử dụng các số liệu này để so sánh, đánh giá với bộ trao đổi
nhiệt kênh micro truyền thống, cũng như tìm ra mẫu thiết kế nào đạt kết quả tốt nhất
trong việc trao đổi nhiệt.
Cuối cùng có thể đưa ra được nhận xét chính xác nhất về những đặc tính của thiết bị
trao đổi nhiệt kênh micro mới, lựa chọn, đề xuất phương án tốt nhất khi ứng dụng các
thiết bị này vào thực tế cũng như có được kết quả có giá trị để có thể áp dụng cho những
nghiên cứu sâu về lĩnh vực giải nhiệt linh kiện điện tử có kích thước nhỏ, giá trị cao.
1.4. Giới hạn đề tài
Do hạn chế về mặt thời gian, trang thiết bị còn hạn chế nên nhóm chúng em chỉ tập
trung nghiên cứu một số thông số vật lý và khả năng truyền nhiệt trong một phạm vi có
giới hạn cụ thể là nghiên cứu sự truyền nhiệt và chuyển pha của nước trong quá trình bay
hơi bên trong kênh micro với lưu lượng nước cố định 0,3 g/s, nhiệt độ nước đầu vào là
40oC.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
 Tổng quan các bài báo, nghiên cứu liên quan.
 Thiết kế, gia công, xây dựng mơ hình thực nghiệm.
 Tiến hành nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm.
 Nhận xét đánh giá kết quả thực nghiệm.

16


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ sở truyền nhiệt

Trao đổi nhiệt là sự truyền dẫn nhiệt năng khi có sự chênh lệch nhiệt độ. Lượng nhiệt
năng trong quá trình trao đổi gọi là Nhiệt lượng và là một quá trình biến thiên. Quá trình
trao đổi nhiệt diễn ra theo hướng chuyển nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có
nhiệt độ thấp.
Dẫn nhiệt (hay là tán xạ nhiệt): là sự truyền động năng giữa các nguyên tử hay phân
tử lân cận mà không kèm theo sự trao đổi phần tử vật chất. Hình thức trao đổi nhiệt ln
diễn ra từ vùng có mức năng lượng cao hơn (với nhiệt độ cao hơn) đến vùng có mức năng
lượng thấp hơn (với nhiệt độ thấp hơn). Dẫn nhiệt không chỉ có mặt trong vật rắn, mà có
mặt cả trong chất lỏng và trong chất khí. Trong kim loại dẫn nhiệt chủ yếu nhờ quá trình
truyền dao động của các điện tử tự do, trong chất điện môi và chất lỏng dẫn nhiệt nhờ
sóng đàn hồi truyền dao động nhiệt, trong chất khí dẫn nhiệt nhờ q trình khuếch tán các
phân tử.
Trao đổi nhiệt đối lưu: là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động
của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự truyền nhiệt từ
một hệ rắn sang một hệ lỏng (hoặc khí) và ngược lại.
Bức xạ nhiệt: là quá trình biến đổi nhiệt năng nhận được từ bên ngoài thành nội năng của
vật; bức xạ nhiệt là dạng bức xạ phổ biến nhất tạo ra do các nguyên tử, phân tử của vật
chất bị kích thích bởi tác dụng nhiệt của các nguồn ngoài. Khi các nguyên tử, phân tử của
vật chất chuyển từ trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ bản lúc đầu, nó sẽ phát ra
sóng điện từ đến q trình trao đổi nhiệt qua lại giữa nhiệt năng và năng lượng sóng điện
từ.
Trong nghiên cứu này, nước đã được sử dụng làm chất lỏng hoạt động trong tấm
giải nhiệt kênh mirco. Kênh mirco có chiều rộng (W ch), độ sâu (H), khoảng cách giữa 2
kênh là Wfin. Thành phía trên của tấm mirco được cách nhiệt hiệu quả với môi trường nhờ
tấm mica trong khi thành phía dưới nhận thơng lượng nhiệt ổn định (q w). Dòng nhiệt này
biểu diễn lượng nhiệt thoát ra từ các thiết bị cần giải nhiệt như chip. Dòng nước làm mát
đi vào kênh để tản nhiệt theo phương x thể hiện như hình 2.1. W hs là tổng chiều rộng của
các kênh, trong khi Lhs là tổng chiều dài của các kênh.
17

Hình 2.1.1.1.1. Kênh micro truyền thống


Đối với một lưu chất, có phương trình nhiệt là:

Trong đó:
: Khối lượng riêng, kg/m3
: Nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.K
T

: Nhiệt độ tuyệt đối, K

u

: Vector vận tốc, m/s

q

: Khối lượng riêng dòng nhiệt bằng dẫn nhiệt, W/m2

p

:Áp suất, Pa
:Ứng suất nhớt tensor, Pa

S

:Biến dạng tensor, 1/s

Q

: Nguồn gia nhiệt, W/m3

Khối lượng riêng và vận tốc phải được liên hệ thông qua:

Sử dụng định luật Fourier về dẫn nhiệt, ta được:

18


k là hệ số dẫn nhiệt, W/(m.K)
Đối với chất rắn, hệ số dẫn nhiệt k có thể khác nhau theo các hướng khác nhau:

Và mật độ dòng nhiệt do dẫn nhiệt được cho bằng:

Bỏ qua gia nhiệt nhớt và áp suất làm việc ta được phương trình nhiệt có hình thức đơn
giản S:

2.2. Sự Trao đổi nhiệt trong kênh micro
Kandlikar và Balasubramanian (2004) dựa vào hệ số ReLO ta có được phương trình sau:
Với ReLO > 100:
hTP = lớn hơn của cả hTP, NBD và hTP, CBD

(2.1)

hTP, NBD = 0,6683Co0.2 (1 – x)0.8 hLO + 1058,0Bo0.7 (1 – x)0.8 FFl. hLO

(2.2)

hTP, CBD = 1,136Co-0.9 (1 – x)0.8 hLO + 667,2Bo0.7 (1 – x)0.8 FFl. hLO

(2.3)

Trong đó:
hTP: Hệ số trao đổi nhiệt dòng 2 pha
hTP, NBD: Hệ số trao đổi nhiệt dòng 2 pha, gia nhiệt bằng hạt nhân
hTP, CBD: : Hệ số trao đổi nhiệt dòng 2 pha, tỏa nhiệt đối lưu
FFl: Tỷ lệ diện tích bề mặt
x: Độ khơ
Với Co = [(1 – x)/x]0.8 (ρV/ρL)0.5 và Bo = q’’/GhLV. Hệ số truyền nhiệt hLO ở q trình 1 pha
có công thức:
19


Với 104 ≤ ReLO ≤ 5.106

(2.4)
Với 3000 ≤ ReLO ≤ 104

(2.5)
Với 100 ≤ ReLO ≤ 1600

(2.6)
Trong đó với f là Hệ số ma sát
Trong vùng chuyển tiếp giữa Reynolds số 1600 và 3000, một nội suy tuyến tính
được đề xuất cho hLO
Với Re LO ≤ 100,
hTP = hTP, NBD = 0,6683Co-0,2 (1 – x)0,8 hLO + 1058,0Bo0,7 (1 – x)0.8 FFl. hLO (2.7)
Bảng 2.2.1.1.1.1. FF1(diện tích bề mặt mơi chất) giá trị tương quan dịng chảy sơi của Kandlikar

(1990;1991)

Mơi chất
Nước
R-11
R-12
R-13B1
R-22
R-113
R-114
R-134a
R-152a
R-32/R-132
R-141b
R-124
Dầu hỏa

FF1
1.00
1.30
1.50
1.31
2.20
1.30
1.24
1.63
1.1
3.30
1.8
1.00

0.488

20


2.3. Hệ số truyền nhiệt
Đối với mỗi loại lưu chất, có hệ số truyền nhiệt khác nhau. Đối với hầu hết các
trường hợp, phương trình mơ tả hệ số h thay đổi đáng kể với các hình dáng hình học. Ví
dụ, cơng thức khác nhau cho dịng chảy tầng đối lưu cưỡng bức bên trong giữa một ống
và một cụm nhng tm song song.
Ta cú:
ã
ã
ã
ã

S Nusselt
S Reynolds
Cỏc s Prandtl
S Rayleigh

ã
ã
ã
ã
ã
ã
ã
ã
ã

ã
ã

h
L
T
g
k

U
à
Cp

Gr

: NuL(Re,Pr,Ra) = hL/k
: ReL = ρUL/µ
: Pr = µCp/k
: Ra = Gr.Pr =ρ2gCp∆TL3/(ƞk)

Trong đó
: Hệ số truyền nhiệt, W/(m2.K)
: Độ dài xác định, m
: Độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và chất tải lạnh, K
: Hằng số gia tốc trọng trường, m/s2
: Độ dẫn nhiệt của lưu chất, W/(m.K)
: Khối lượng riêng, kg/m3
: Vận tốc chất tải, m/s
: Độ nhớt động lực học, Pa.s
: Nhiệt dung riêng đẳng áp, (J/(kg.K)

: Độ giãn nỡ nhiệt, 1/K
: Được viết tắt bởi Grashof, được định nghĩa là tỷ số giữa lực

nâng và lực nhớt.
2.4. Hệ số nusselt
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu h có chứa đựng trong Module truyền nhiệt, nó được tính
tốn dựa trên hệ số Nusselt và được thể hiện như một hàm số của các đặc tính vật liệu,
nhiệt độ, lưu lượng dịng chảy và hình dáng hình học.
Đối với đối lưu tự nhiên:

Nu =C(Gr.Pr)n

(2.8)

Tham số C phụ thuộc vào hình học. Số mũ n lấy bằng 0,25 cho chảy tầng và 0,33
đối với dòng chảy rối. Quan hệ Nusselt cho đối lưu cưỡng bức thay đổi đáng kể và khơng
có cơng thức chung.
Có hai loại số Nusselt: trung bình Nu L và cục bộ Nuy. Loại trung bình là một hình
thức tích phân. Nó được xác định dựa trên tổng chiều dài của bề mặt làm mát và sinh ra
21


một hệ số truyền nhiệt trung bình have. Số Nusselt cục bộ đưa đến hệ số truyền nhiệt cục
bộ tùy thuộc vào vị trí. Trong trường hợp này, biến L trong các biểu thức được thay thế
bởi y, khoảng cách từ mép đầu (hoặc khoảng cách từ điểm tiếp xúc đầu tiên theo hướng
dòng chảy). Trong thư viện các hệ số truyền nhiệt cả hai loại Nusselt này đều được xem
xét.
2.5. Áp suất của dịng chảy sơi chênh lệch trong kênh micro
Sự chênh lệch áp suất ở kênh micro được thể hiện ở phương trình sau:
Δp = Δpc + Δpf,1-ph + Δpf,tp + Δpa + Δpg +Δpe

Trong đó:

(2.9)

Δpc: Tổn thất áp suất do co lại ở đầu vào;
Δpf,1-ph: Tổn thất áp suất do ma sát của dòng 1 pha
Δpf,tp: Tổn thất áp suất tổn thất của dòng 2 pha
Δpa: Tổn thất áp suất của gia tốc trong quá trình bay hơi
Δpg: Tổn thất áp suất của trọng lực
Δpe: Tổn thất áp suất do giãn nở ở đầu ra

2.5.1. Tổn thất đầu vào
Đầu vào của kênh micro có thể là 1 pha dạng lỏng hoặc 2 pha hịa trộn. Thơng
thường có chất lỏng ở đầu vào khi bơm chất lỏng và bình ngưng được sử dụng trong hệ
thống làm mát. Khi hệ thống môi chất là một phần hợp thành của hệ thống làm mát, chất
làm lạnh được điều chỉnh trước khi vào các kênh micro. Với sự cần thiết phải kết hợp các
yếu tố giảm áp lực trong mỗi kênh, chất lỏng ở đầu vào trong những trường hợp khả thi.
Tính chất của sự xâm nhập của chất lỏng vào các kênh là một yếu tố khác cần được xem
xét.
Tổn thất áp suất ở đầu vào do sự giảm đột ngột của hỗn hợp hai pha sử dụng mơ
hình dịng chảy tách biệt có phương trình dưới đây:
Δpc = ψ

(2.10)

Trong đó:
G: Thơng lượng tối đa
σc: Tỷ lệ bề mặt thu hẹp lại (đầu vào kênh > 1)
C0: Hệ số co lại được cho bởi:
C0 =

(2.11)

Và ψh: Hệ số nhân dòng hai pha
22


ψh = [ 1+ x(ρL/ρV 1)]

(2.12)

Với x là giá trị cố định.
2.5.2. Tổn thất đầu ra
Đầu ra cuối kênh micro với nhiều trạng thái khác nhau có thể cạn hơn hoặc sâu hơn.
Tổn thất áp suất đầu ra được tính từ công thức tổng quát:
Δpe = G2 σe(1σe) ψs

(2.13)

Với σe: Hệ số giản nỡ thể tích (từ kênh đến đầu ra < 1) và ψ s: Hệ số dòng chảy tách được
cho bởi phương trình:
Ψs = 1+ [ 0,25x(1-x) + x2]

(2.14)

Ở dịng chảy 2 pha, các phương trình được sử dụng để tính tốn ma sát, độ nghiêng, trọng
lực và gia tốc do tổn thất áp suất gây ra.
Tổn thất áp suất do lực ma sát được tính bằng cơng thức sau:
(2.15a)
Hệ số hai pha được cho bởi Chisholm có phương trình sau:

=1

+

(2.15b)

Giá trị của hằng số C phụ thuộc vào tính chất dịng chảy tầng hay chảy rối:

Cả hai pha chảy rối

C = 21

(2.16a)

Dòng chảy tầng, hơi chuyển động rối C = 12

(2.16b)

Dòng chảy rối, hơi chuyển động tầng C = 10

(2.16c)

Cả hai pha chảy tầng

(2.16d)

C=5

Tham số Martinelli X được cho bởi phương trình sau:
X2 =

(2.17)

Mishima và Hibiki (1996) phát hiện ra hằng số C phụ thuộc vào đường kính ống và đề
xuất ra phương trình:
C = 21(1)

(2.18)

Với Dh tính bằng m.
Khi nghiên cứu sâu hơn, họ thấy rằng sự điều chỉnh đường kính do Mishima và Hibiki đề
xuất (1996) nên được áp dụng cho hệ số C ở cơng thức (2.15b) Theo đó, giá trị của C sẽ
thay đổi tùy theo dòng chảy hỗn độn hoặc hỗn loạn của các pha riêng lẻ. Vì vậy, phương
23


trình biến đổi sau đây được sử dụng cho việc tính tốn giảm áp lực ma sát trong kênh
micro và kênh mini:

(2.19)
Tổn thất áp suất do gia tốc gây ra được tính từ phương trình sau:
(2.20)
Với vLV: Sự khác biệt giữa thể tích của hơi và pha lỏng, vLV = vV - vL. Phương trình trên giả
định đầu vào chỉ có chất lỏng và chất lượng ra là hệ số xe. Đối với đầu vào của dòng hai
pha, hệ số xe nên được thay thế bằng sự thay đổi về chất lượng giữa đầu ra và phần đầu
vào.
Tổn thất áp suất do trọng lực sẽ là một thành phần rất nhỏ. Nó có thể được tính từ
phương trình sau dựa trên mơ hình dịng chảy đồng nhất:

(2.21)

Cơng thức (2.21) cũng giả định một điều kiện đầu vào của chất lỏng. Trong trường hợp
dòng đầu vào hai pha, sự khác nhau giữa chất lượng đầu ra và đầu vào nên đưa vào tính
tốn bằng hệ số xe.

24


2.6. Dịng chảy lưu chất
Để phân tích những đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất, chúng ta đưa ra
một số giả thiết:
-

Lưu chất có tính liên tục.

-

Truyền nhiệt ổn định.

-

Bỏ qua truyền nhiệt bức xạ.
Với những điều kiện thực nghiệm trong nghiên cứu này, những đặc tính của lưu
chất như tổn thất áp suất, hiệu suất truyền nhiệt, mật độ dịng nhiệt và chỉ số hồn thiện
của bộ trao đổi nhiệt được tính tốn thơng qua các cơng thức:

Trong đó:
Q: Tốc độ truyền nhiệt.
mw: Khối lượng.
Cp: Nhiệt dung riêng đẳng áp.
Twi: Nhiệt độ đầu vào.

Tw0: Nhiệt độ đầu ra.
Lượng nhiệt truyền qua thiết bị Qw, được tính:
Qw = mw.cw.(Tw,0 – Tw,i)
Hiệu suất truyền nhiệt (Theo phương pháp NTU) được xác định:
η=
Mật độ dịng nhiệt được tính:

Hoặc:
25