(Đề tài NCKH) NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của HÌNH DÁNG KÊNH bộ TRAO đổi NHIỆT MICRO đến QUÁ TRÌNH NGƯNG tụ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUYỀN NHIỆT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH
PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DÁNG KÊNH
BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT MICRO ĐẾN QUÁ TRÌNH
NGƯNG TỤ NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUYỀN
NHIỆT

MÃ SỐ: T2013-22TĐ

SKC004276

Tp. Hồ Chí Minh, 2013


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ
CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA
HÌNH DÁNG KÊNH BỘ
TRAO ĐỔI NHIỆT MICRO ĐẾN
QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ NHẰM
NÂNG CAO HIỆU QUẢ TRUYỀN
NHIỆT
Mã số: T2013-22TĐ/KHCN-GV

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Đặng Thành Trung
Thành viên đề tài: GVC.ThS. Lê Kim Dưỡng
KS. Đoàn Minh Hùng

TP. HCM, 12/2013


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến q trình ngưng tụ

MỤC LỤC

Thơng tin kết quả nghiên cứu
Information on research results
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Phần 1
Phần 2
Phần 3
Lời cảm ơn
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

-1-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến q trình ngưng tụ

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt

micro đến quá trình ngưng tụ nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt

- Mã số: T2013-22TĐ/KHCN-GV
- Chủ nhiệm: PGS.TS. Đặng Thành Trung
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM
- Thời gian thực hiện: 01/01/2013 đến 30/12/2013
2. Mục tiêu:
- Tìm ra sự ảnh hưởng về hình dáng kênh của bộ trao đổi nhiệt micro đến
quá trình ngưng tụ. Từ những kết quả này, nghiên cứu đưa ra những điều kiện hoạt
động của bộ trao đổi nhiệt kênh micro để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt.
-

Đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu về lĩnh vực truyền nhiệt Micro/nano

tại Bộ môn công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói
riêng và các trường đại học khác trên cả nước nói chung.
-

Cố gắng bắt kịp các nước tiên tiến một trong những hướng nghiên cứu

hiện tại và tương lai về lĩnh vực cơ khí nhiệt và lưu chất.
3. Tính mới và sáng tạo:
Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên trong nước và cũng là một trong
những nghiên cứu mới trên thế giới.

1

4.

Kết quả nghiên cứu: Đạt yêu cầu đặt ra

5.

Sản phẩm: Hai BTĐN microchannel và một số cảm biến nhiệt độ.

bài báo khoa học đăng ở ISEPD2014 và sẽ được đăng ở nhà xuất bản

Springer, 01 bài báo đăng tạp chí quốc tế EI.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng
áp dụng: Các kết quả nghiên cứu đăng ở các tạp chí uy tín sẽ được trích lục.
Trưởng Đơn vị
(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

-2-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Effect of Configuration on Condensation Heat Transfer
Efficiency in Microchannel Heat Exchangers.
Code number: T2013-22TĐ/KHCN-GV
Coordinator: Assoc. Prof. Dr. Thanhtrung Dang.
Implementing institution: Hochiminh city University of Technical
Education
Duration: from January 01, 2013 to December 30, 2013

2. Objective(s):
Study the effect of configuration on efficiency of condensation heat transfer
in microchannel heat exchangers.
Build the research on Micro/Nano heat transfer areas at the Department of
Heat and Refrigeration Technology, Hochiminh city University of Technical
Education in specially and other universities of Vietnam in generally.
Try to follow several developed countries about one of present and future
researches regarding themo-fluidics.
3. Creativeness and innovativeness:
The study is the first research in Vietnam and is also one of the new
researches on the world.
4. Research results:
The proposed objectives have been achieved.
5. Products:
Two microchannel heat exchangers
An accepted paper will be published in Springer and an EI journal.
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
The results publishing on international journals will be cited by scientists.

-3-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ac

diện tích mặt cắt, m

2

BTĐN bộ trao đổi nhiệt
Dh

đường kính quy ước, m
2

h hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m K
khệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K
Lchiều dài kênh micro, m
mlưu lượng khối lượng, kg/s
Pđường kính ướt, m
Qlượng nhiệt truyền qua thiết bị, W
q mật độ dòng nhiệt, W/m

2

Rnhiệt trở, m2K/W
Re

chỉ số Reynolds

T

nhiệt độ, K

Greek symbols
 độ nhớt động lực học, Ns/m
 khối lượng riêng, kg/m

3

 hệ số dẫn nhiệt, W/m K
 vận tốc, m/s
 hiệu suất
T

nhiệt độ chênh lệch, K.

-4-

2


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến q trình ngưng tụ

PHẦN 1

GIỚI THIỆU

Cơng nghệ Mico/Nano đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ
thuật trong những năm gần đây. Trong đó, thiết bị truyền nhiệt microchannel là
một trong những ứng dụng của cơng nghệ này, nó được ứng dụng trong lĩnh vực
giải nhiệt các linh kiện điện tử, trong kỹ thuật hóa học, trong các nhà máy điện
nguyên tử micro,... Bộ trao đổi nhiệt (BTĐN) microchannel có ý nghĩa quan trọng
trong những phạm vi sử dụng cần không gian hẹp, mật độ dòng nhiệt cao hay thiết
bị truyền nhiệt nhỏ gọn. Có rất nhiều nghiên cứu về các BTĐN micro như cho
dòng chảy một pha, dòng hai pha, một số BTĐN micro dùng trong hệ thống điều
hịa khơng khí với mơi chất lạnh là C0 2, tối ưu hóa cho các BTĐN micro, những
ứng dụng của BTĐN micro,.. Trong các nghiên cứu đó, nghiên cứu liên quan đến

BTĐN micro cho dịng chảy một pha được đề cập nhiều trong khi nghiên cứu cho
dòng chảy hai pha còn khá khiêm tốn.
Một nghiên cứu tổng quan về BTĐN microchannel liên quan đến vật lý dịng
chảy, các phương pháp gia cơng và các ứng dụng đã được thực hiện bởi Bowman
and Maynes [1]. Trước tiên, nghiên cứu này đã giới thiệu những kết quả thực
nghiệm và mơ phỏng số học của dịng chảy lưu chất trong kênh micro. Xa hơn
nữa, một số phương pháp gia công cho các thiết bị micro như gia công micro, khắc
hóa chất, gia cơng laze, gia cơng bởi máy chính xác,.. cũng đề cập. Tổng quan về
đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trong BTĐN micro cũng đã thực hiện
bởi Dang cùng cộng sự [2]. Tổng quan của kết quả thực nghiệm liên quan đến
truyền nhiệt đối lưu của dòng chảy một pha trong kênh micro cũng đã được thực
hiện bởi Morini [3], với những kết quả thu được cho hệ số ma sát, trạng thái quá
độ từ chảy tầng đến chảy rối và hệ số Nusselt trong kênh có đường kính quy ước
nhỏ hơn 1 mm. Dang [4] đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt và dịng chảy lưu
chất cho những BTĐN micro có kênh hình chữ nhật cho cả mô phỏng số học lẫn
thực nghiệm.
-5-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

Brandner cùng cộng sự [5] đã mô tả những BTĐN micro và ứng dụng của nó
trong phịng thí nghiệm và ngồi cơng nghiệp. Trong nghiên cứu của họ, một số bộ
trao đổi nhiệt micro đã được giới thiệu như BTĐN micro dùng vật liệu là polymer,
nhôm, gốm ceramic,.. Với BTĐN micro được mô tả trên hình 1, mật độ lưu lượng
2

khối lượng có thể đạt được 2000 kg/m s được đo với môi chất làm việc là nước và
có tổn thất áp suất là 0,5 MPa trên mỗi pass. Để lưu lượng khối lượng qua BTĐN
micro lớn, nhiều BTĐN có thể được ghép song song với nhau. Hình 2 mơ tả một

BTĐN micro được ghép từ 5 BTĐN riêng lẻ. BTĐN này được làm từ thép không
gỉ; công suất nhiệt cực đại của bộ này có thể đạt tới 1 MW [5].

Hình 1. BTĐN micro ngược chiều dùng vật liệu thép không gỉ [5]

Hình 2. BTĐN micro hợp thành bởi 5 BTĐN riêng lẻ [5]
-6-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

Hình 3. Hệ số truyền nhiệt đối lưu và kích thước kênh [6]

Ảnh hưởng của đường kính quy ước đến q trình truyền nhiệt trong kênh
micro được mơ tả trong hình 3 cho mơi chất làm việc là nước và khơng khí dưới
điều kiện dịng chảy tầng đã phát triển hồn tồn. Sự tăng nhanh hệ số truyền nhiệt
đối lưu với sự giảm kích thước kênh đã minh chứng rõ ràng trên hình 3.
Một phân tích về hiệu suất và tổn thất áp suất trong BTĐN micro có dịng
chảy cắt nhau được thực hiện bởi Kang và Tseng [7]. Henning cùng cộng sự [8] đã
chế tạo 3 BTĐN micro với dạng kênh chuẩn và thẳng, dạng kênh ngắn và thẳng và
dạng kênh hình sóng. Kết quả thực nghiệm thể hiện rẳng kênh chuẩn thẳng là lựa
chọn tốt nhất cho dịng chảy có lưu lượng cao.
Bộ trao đổi nhiệt micro làm từ thép không gỉ W316L được nghiên cứu bởi
Brandner [9]. Trong nghiên cứu này, truyền nhiệt trong BTĐN micro có thể được
nâng lên bởi sử dụng những dãy cột micro sắp so le để đạt được trạng thái chảy
quá độ hay chảy rối. Các BTĐN loại ngược chiều và cắt nhau dùng vật liệu
ceramic đã được gia công bởi Alm cùng cộng sự [10]. Những thiết bị này được
dùng trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt và hóa học. Hệ số truyền nhiệt của BTĐN loại
2

cắt nhau đã đạt được 22 kW/(m K). Hallmark cùng cộng sự [11] đã nghiên cứu
thực nghiệm trên BTĐN dạng màng ống mao micro làm từ plastic. Năng lượng
được lấy đi bởi BTĐN này như là một hàm của năng lượng điện cấp vào khi tăng
lưu lượng dòng chảy. Jiang cùng cộng sự [12] đã nghiên cứu về dòng chảy lưu
-7-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

chất và truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức trong BTĐN microchannel. Trạng thái quá
độ từ chảy tầng sang chảy rối được tìm thấy trong khoảng hệ số Reynolds ≈ 600.
Một phương pháp gia công mới cho bề mặt truyền nhiệt của BTĐN micro
được thực hiện bởi Schulz cùng cộng sự [13]. Bởi phương pháp khắc axít kết hợp
với mạ điện kim loại, dãy các thanh Đồng được tạo nên trên bề mặt truyền nhiệt
của ống, ở cùng nhiệt độ, mật độ dòng nhiệt hoặc hệ số truyền nhiệt thu được từ
ống micro cao hơn giá trị thu được từ ống trơn. Lee cùng cộng sự [14] đã nghiên
cứu các BTĐN micro sử dụng vật liệu Polimer. Kết quả mô phỏng số học và thực
nghiệm đã được so sánh với sự sai lệch nhiệt độ trên bề mặt con chip là 2C.
Wei [15] đã chế tạo bộ tản nhiệt ghép sử dụng công nghệ gia công micro.
Hasan [16] đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước và hình dạng kênh cho
BTĐN micro ngược chiều bởi sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD
FLUENT. Chỉ số hoàn thiện đạt giá trị cao nhất cho kênh hình trịn, đạt giá trị thứ
hai cho kênh hình vuông. Ameel cùng cộng sự [17] đã thực hiện một tổng quan về
công nghệ thiết bị nhỏ và ứng dụng của nó. Dựa trên cơng nghệ MEMS
(Microelectromechanical systems), các phương pháp gia công (máy micro dựa
trên nền Silicon, khắc quang bằng tia X, máy gia công micro,…) đã được thảo
luận dựa trên những ứng dụng đến dòng chảy lưu chất, truyền nhiệt và hệ thống
năng lượng.
Một nghiên cứu số học cho BTĐN micro có kênh hình thang được thực hiện
bởi Dang [18]. Những ảnh hưởng của sơ đồ dòng chảy đến đến các đặc tính truyền

nhiệt của BTĐN micro được thực hiện bởi Dang cùng cộng sư [19-20]. Cho tất cả
những trường hợp nghiên cứu, mật độ dòng nhiệt thu được từ sơ đồ ngược chiều
thu được luôn cao hơn sơ đồ cùng chiều: giá trị thu được từ sơ đồ ngược chiều cao
hơn sơ đồ cùng chiều từ 1,1 đến 1,2 lần.
Dang và Teng [21-27] đã nghiên cứu những ảnh hưởng của hình học (như là
-8-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

bề dày tấm gia cơng BTĐN, tiết diện cắt và vị trí dịng chảy vào/ra) đến trạng thái
truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trên những BTĐN micro. Nó được tìm thấy
rằng nhiệt lượng thực tế truyền qua thay đổi không đáng kể với bề dày substrate từ
1,2 đến 2 mm. Thêm vào đó, một so sánh các đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy
lưu chất giữa BTĐN micro và mini đã được thực hiện. Nghiên cứu cũng đã đưa ra
những kết quả mô phỏng số học sử dụng lời giải ổn định và bất ổn định. Các kết
quả mô phỏng số học 3D cho các BTĐN micro với dòng chảy một pha trong [1921, 23-27] được thực hiện bởi phần mềm đa vật lý COMSOL, phiên bản 3.5.
Thuật toán của phần mềm này dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả thu
được từ mô phỏng số khớp với kết quả thu được từ thực nghiệm, với phần trăm sai
số tối đa là 9%.
Bảng 1 đã liệt kê những đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất cho
những BTĐN micro một pha. Trong đó nước là mơi chất làm việc phổ biến nhất.

-9-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

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

Brandner [6]
Kang [7]

Vật liệu/
Hình dạng
Polymer
Silicon/Rect

Copper/Rect

Henning [8]

Metal

Brandner [9]

Stainless steel/
Rect

Alm [10]

Ceramic

Hallmark [11]

Plastic

Jiang [12]

Copper/ Rect

Schulz [13]

Copper/ tube

Lee [14]

PDMS/ Rect

Wei [15]

Silicon/Rect

Hasan [16]

Silicon
Silicon/
Trapezoidal
Aluminum/Rect

Dang [18-27]
Aluminum/Rect


(Chú thích: Rect- Hình chữ nhật, Q-Nhiệt lượng, q-Mật độ dòng nhiệt, R-Nhiệt trở, h-Hệ số truyền nhiệt đối lưu, Kv- Hệ số truyền nhiệt đối lưu theo thể
tích,

Nu - Số Nusselt trung bình, SLM-Lít/phút chuẩn, m-Lưu lượng khối lượng, V-Lưu lượng thể tích, PDMS- polydimethylsiloxane)

-10-

Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

Liên quan đến quá trình truyền nhiệt ngưng tụ trong kênh micro, Hu và Chao
[28] đã nghiên cứu trên năm mơ hình ngưng tụ của nước với thiết bị ngưng tụ
micro dùng vật liệu silicon. Với đường kính quy ước 73m và dịng khối lượng
2

của hơi từ 5 đến 45 kg/(m s), hệ số tỏa nhiệt đối lưu thu được từ 220 đến 2400 W/
2

(m K), tương ứng với tổn thất áp suất từ 100 đến 750 kPa/m. Trong nghiên cứu
2

này, mật độ dòng nhiệt cực đại là 40 kW/m . Nghiên cứu thể hiện rằng cơng suất
giải nhiệt và chỉ số hồn thiện (COP) của thiết bị ngưng tụ kênh micro cao hơn giá
trị thu được từ thiết bị ngưng tụ truyền thống khi cùng điều kiện thí nghiệm. Thêm
vào đó, lượng lưu chất đã sử dụng trong hệ thống dùng thiết bị ngưng tụ kênh
micro cũng ít hơn thiết bị ngưng tụ truyền thống.
Hai hệ thống điều hịa khơng khí dân dụng dùng môi chất R410A (một cái
dùng thiết bị ngưng tụ kênh micro và một cái dùng thiết bị ngưng tụ ống xoắn) đã
được nghiên cứu bởi Park and Hrnjak [29]. Cơng suất giải nhiệt và chỉ số hồn
thiện (COP) của hệ thống dùng thiết bị ngưng tụ micro cao hơn của thiết bị ngưng
tụ ống xoắn tương ứng là 3,4% và 13,1%. Lượng môi chất làm việc nạp vào hệ
thống ít hơn 9,2 lần so với thiết bị ngưng tụ ống xoắn. Mơ hình số học cũng đã
được sử dụng để tính tốn q trình phân bố khơng đồng đều của khơng khí và
mơi chất lạnh. Kết quả mơ phỏng số học đã đưa ra khơng có khác biệt nhiều trong
việc dự đốn cơng suất nhiệt của thiết bị ngưng tụ.
Mơ hình số học cho những thiết bị ngưng tụ kênh micro và cho những bộ làm

mát khí đã được thực hiện bởi Martínez-Ballester cùng cộng sự [30]. Kết luận
chính cho nghiên cứu này đó là nó có tính khả thi để mang một lượng nhiệt do dẫn
nhiệt giữa các ống trong cách tính nhiệt cơ bản hơn là cách tiếp cận dựa vào hiệu
suất cánh. Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ thực hiện ở mức độ lý thuyết.
Cho cùng cộng sự [31] đã nghiên cứu chế tạo thiết bị ngưng tự micro loại
ống bằng phương pháp ép trực tiếp. Vật liệu chế tạo là hợp kim nhôm A1100 và
A3003. Bởi vì hợp kim A3003 bền khi sử dụng cho việc chế tạo một bộ trao đổi
nhiệt làm việc với áp suất cao, do vậy hợp kim A3003 phù hợp hơn hợp kim
A1100 cho thiết bị ngưng tụ dạng ống. Một sự so sánh về truyền nhiệt và tổn thất
-11-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

áp suất trong quá trình ngưng tụ của CO2 trong các kênh micro hình chữ nhật đã
được nghiên cứu bởi Heo cùng cộng sự [32]. Hệ số truyền nhiệt ngưng tụ của CO 2
trong kênh micro chữ nhật với 7, 23 và 19 đầu nối đã được nghiên cứu bằng
phương pháp thực nghiệm trong điều kiện thay đổi mật độ khối lượng. Hệ số
truyền nhiệt ngưng tụ tăng với sự giảm đường kính quy ước trong khoảng nhiệt độ
ngưng tụ ở 0 và -5C. Sự tăng hoặc giảm hệ số truyền nhiệt tại độ khơ tới hạn đạt
được cho loại kênh micro có 23 đầu nối. Mơ hình này đã ước tính hệ số truyền
nhiệt vượt quá giá trị thực nghiệm liên quan lên đến 47,7%.
Nghiên cứu sự ngưng tụ của bộ trao đổi nhiệt nhỏ được thực hiện bởi GarcíaCascales cùng cộng sự [33]. Trong nghiên cứu này, một thuật toán lặp đã được đề
xuất cho các bộ trao đổi nhiệt loại có hai hàng. Một nghiên cứu mới đã được thực
hiện cho quá trình ngưng tụ trong các kênh micro và mini; trong đó, một số mối
liên quan chính yếu đã được đề cập. Nhóm tác giả cũng đã so sánh dưới những
điều kiện làm việc khác nhau. Một số bộ trao đổi nhiệt như thiết bị ngưng tụ hay
bay hơi đã được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm; sau đó, các kết quả
này được so sánh với các kết quả từ mơ hình vừa đề xuất.
Hrnjak và Litch [34] đã thực hiện một nghiên cứu cho hai thiết bị ngưng tụ

làm bằng nhôm: Cái thứ nhất là thiết bị ngưng tụ ống có kênh micro có đường
kính quy ước 700 m và cái thứ hai là thiết bị ngưng tụ ống uốn khúc có kênh
macro có đường kính quy ước 4,04 mm. Tỉ số giữa lượng môi chất nạp và công
suất của thiết bị ngưng tụ kênh micro nhỏ hơn thiết bị ngưng tụ có ống uốn khúc
76%.
Goss và Bassoc [35] đã nghiên cứu quá trình ngưng tụ của R134a trong tám
kênh micro song song. Nghiên cứu đã thể hiện rằng sự ảnh hưởng của nhiệt độ bão
hòa của lưu chất và mật độ dòng nhiệt trong khoảng thực nghiệm là không rõ nét.
Mặc khác, hệ số truyền nhiệt tăng với vận tốc lưu lượng. Nó cũng đã được chứng
minh rằng nhiệt trở là do dẫn nhiệt qua màng chất lỏng có giá trị ước lượng tốt.
Tổn thất áp suất ở mặt phân cách và chổ tách có thể bỏ qua ở vùng độ khô cao.

-12-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

Trong các nghiên cứu liên quan đã thực hiện ở Việt Nam, Trung và Hùng [36] đã
thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm những ảnh hưởng của lực trọng trường đến các
đặc tính nhiệt và dòng chảy lưu chất của những bộ trao đổi nhiệt microchannel. Trong
nghiên cứu này, hai bộ tản nhiệt đã được dùng làm thực nghiệm với điều kiện tăng lưu
lượng khối lượng ở phía lạnh. Trung và Hùng [37] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng
tính chất vật lý của lưu chất trong bộ tản nhiệt kênh micro. Trong nghiên cứu này, các
đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của lưu chất một pha bên trong bộ tản nhiệt
kênh micro đã được xác định. Cho những điều kiện khác nhau đã được nghiên cứu,
chỉ số hoàn thiện đạt được 10,7 W/kPa ở giá trị lưu lượng 0,2 g/s. Xa hơn nữa, toàn
bộ bộ tản nhiệt kênh micro gồm các kênh, ống góp, tấm đế gia cơng kênh micro
(substrate) cũng như tấm nắp phía trên đã được mơ phỏng số bởi sử dụng phần mềm
+

mô phỏng chuyên nghiệp CFD – ACE .

Từ những tài liệu liên quan như trên về thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro
(microchannel heat exchanger) cũng như bộ tản nhiệt kênh micro (microchannel
heat sink), nó rất cần thiết để nghiên cứu hiệu quả của quá trình truyền nhiệt
ngưng tụ trong các bộ trao đổi nhiệt kênh micro (microchannel heat exchangers).
Mục đích của nghiên cứu này là thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm những
ảnh hưởng của hình dạng kênh (đường kính quy ước) tới hiệu quả truyền nhiệt
ngưng tụ trong các kênh micro. Thêm vào đó, một số yếu tố như nhiệt độ, lưu
lượng khối lượng nước giải nhiệt,… cũng sẽ được nghiên cứu. Trong nghiên
cứu này, hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro với hình dáng kích thước khác nhau
sẽ được thảo luận.
Mục tiêu:
Tìm ra sự ảnh hưởng của hình dáng kích thước (đường kính thuỷ lực) kênh
micro đến các đặc tính truyền nhiệt ngưng tụ của bộ microchannel heat exchanger.
Đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu về lĩnh vực truyền nhiệt Micro/nano tại
Bộ môn công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói riêng
-13-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

và các trường đại học khác trên cả nước nói chung.
Cố gắng bắt kịp các nước tiên tiến một trong những hướng nghiên cứu hiện
tại và tương lai về lĩnh vực cơ khí nhiệt và lưu chất.
Cách tiếp cận:
Từ các nghiên cứu liên quan, đi đến nghiên cứu một đối tượng cụ thể.
Phương pháp nghiên cứu:
Đề tài được thực hiện bởi sự kết hợp giữa lý thuyết nền tảng và thực nghiệm.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Trong phần nghiên cứu này, hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro được dùng làm
thực nghiệm với điều kiện thay đổi lưu lượng khối lượng từ 1,9401 đến 3,2876
g/s. Lưu chất làm việc là nước lọc sạch. Nhiệt độ hơi cấp vào các TBTĐN này ở
khoảng 101 C. Nghiên cứu chỉ tập trung đề cập đến các đặc tính trình truyền
nhiệt của TBTĐN này.
Nội dung nghiên cứu:
-

Thiết kế mơ hình.

-

Thí nghiệm kiểm chứng trên mơ hình thực tế.

-

So sánh những kết quả này với các bài báo quốc tế SCI, SCIE hay EI liên

quan.

-14-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

PHẦN 2 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ
2.1 LẮP ĐẶT HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
Trong hệ thống thí nghiệm này, bốn bộ phận chính đã được sử dụng: mẫu thí
nghiệm (BTĐN microchannel), hệ thống bơm, lò hơi mini và hệ thống đường ống,
như được thể hiện ở hình 4. Trong nghiên cứu này, hai bộ trao đổi nhiệt

microchannel đã được dùng làm thí nghiệm. Quá trình truyền nhiệt của những
thiết bị này được thực hiện bởi hơi cấp từ lò hơi mini và nước giải nhiệt. Hơi nước
từ lò hơi mini đi qua thiết bị ngưng tụ kênh micro, ở đây nó được làm mát bởi
nước giải nhiệt nên được ngưng tụ lại. Hình 5 thể hiện kích thước của các mẫu thí
nghiệm. Nhôm được dùng làm vật liệu để chế tạo những BTĐN microchannel này,
3

với hệ số dẫn nhiệt 237 W/(mK), khối lượng riêng 2700 kg/m và nhiệt dung riêng
đẳng áp 904 J/(kgK). Mỗi đầu vào hoặc đầu ra của thiết bị ngưng tụ đều được gắn
cảm biến nhiệt độ để lưu dữ liệu. Cảm biến được sử dụng là loại T có kích thước
rất nhỏ với đường kính dây và đầu cảm biến khoảng 200 µm; do vậy, những cảm
biến này có thể chèn vào bên trong của các ống dẫn đi vào các thiết bị ngưng tụ.
Do vậy, trong hệ thống thí nghiệm này, bốn cảm biến nhiệt độ đã được sử dụng.

-15-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

S1

S
4

Hơi vào

P

Nước vào

Nước ra

S2

S
3

Hơi đã ngưng tụ

Hơi vào

Nước ra

2
7
Hơi ngưng tụ

Nước vào

1
6

5

4

4
3

3

Hình 4. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm các BTĐN kênh micro
4.

1.
Bộ trao đổi nhiệt; 2. Lị hơi mini; 3. Bơm mini;
Bình chứa nước; 5. Van xả nước ngưng; 6. Van điều chỉnh; 7. Bình chứa phụ

Với mỗi BTĐN microchannel, phía cho hơi đi qua có 10 kênh và phía cho
nước giải nhiệt đi qua cũng có 10 kênh micro. Chiều dài của mỗi kênh là 32 mm.
Về cơ bản, hai thiết bị ngưng tụ này có cùng kích thước. Tuy nhiên, chúng chỉ
khác ở chổ chiều dày substrate của thiết bị ngưng tụ T1 là 1,2 mm trong khi chiều
dày của thiết bị ngưng tụ T2 là 1 mm. Tuy nhiên, trong truyền nhiệt micro, với
chiều dày substrate thay đổi nhỏ khơng đáng kể thì ảnh hưởng của chiều dày này

-16-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

đến quá trình truyền nhiệt này là không đáng kể, như đã được kiểm chứng trong
[21]. Bên cạnh đó, chiều sâu của kênh micro trong T1 là 300m tương ứng với
đường kính quy ước là 375m; trong khi đó, chiều sâu của kênh micro trong T2 là
180 m tương ứng với đường kính quy ước là 265m. Trong một BTĐN kênh
micro, tất cả những kênh được nối với nhau bởi một kênh góp cho đầu vào và một
kênh góp cho đầu ra, tương ứng cho cả hai phía hơi và nước. Những kênh góp này
cũng có cùng diện tích mặt cắt: Mặt cắt có hình dạng hình chữ nhật với bề rộng 3
mm và bề sâu 300 µm. Các thơng số kích thước của hai thiết bị ngưng tụ này thể
hiện ở Bảng 2.
T

L
3 mm

A

8.5 mm
9.5 mm
14

mm

A

26.5 mm

Dc

Wc

Cross-sectional view A-A

Hình 5. Kích thước của các mẫu thí nghiệm

-17-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

Bảng 2. Các thơng số hình học của các BTĐN kênh micro

STT
T1
T2

Bảng 3. Tính chất vật lý của PMMA và bơng thuỷ tinh [27]
Vật liệu
PMMA
Bơng thuỷ tinh

Hình 5 mơ tả các kích thước của mẫu thí nghiệm. Trong nghiên cứu này, hai
BTĐN đã được thiết kế và chế tạo, với các kích thước được liệt kê ở Bảng 2. Hình
6 thể hiện một hình ảnh của một BTĐN microchannel. Mẫu thực nghiệm này được
gia cơng bởi phương pháp gia cơng micro chính xác [3] ở trên mặt trên và mặt
2

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

-18-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

PMMA

Substrate

Hình 6. Một BTĐN micro dùng vật liệu bằng nhơm

Hình 7. Ảnh của hệ thống thí nghiệm

Dữ liệu thực nghiệm cho BTĐN microchannel đã thu được dưới điều kiện
nhiệt độ trong phịng thí nghiệm không đổi từ 30 32 ºC. Nước lọc sạch đã được
sử dụng như là môi chất làm việc. Mỗi đầu vào hoặc đầu ra của BTĐN đều được
gắn cảm biến nhiệt độ để lưu trữ liệu nhiệt độ, do vậy tổng cộng có bốn cảm biến

-19-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

được sử dụng để ghi nhiệt độ. Ở mỗi phía (phía hơi và phía nước) có gắn bộ cảm
biến áp suất để đo tổn thất áp suất. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ tập trung
vào phân tích q trình truyền nhiệt nên giá trị thu được do tổn thất áp suất không
đề cập đến. Sai số của các cảm biến và thiết bị đo được liệt kê trong Bảng 4. Thêm
vào đó, sai số của các kích thước kênh micro đựơc kiểm tra bởi máy quét laze của
hãng Mitaka/Ryokosha, mã hiệu NH-3. Sai số của máy quét laze này khi đo kích
thước được ước lượng khoảng ± 0,03 µm. Các thiết bị đã được sử dụng để làm
thực nghiệm được liệt kê như sau [4, 22-26]:
1. Cảm biến nhiệt độ loại T
2. Lò hơi mini, mã hiệu EMB-S-9, sản xuất bởi Electromn
3. Bơm, mã hiệu VSP-1200, sản xuất bởi Tokyo Rikakikai
4. Cảm biến áp suất, mã hiệu UNIK 5000, sản xuất bởi Duck
6. Cân điện tử, mã hiệu TP-214, sản xuất bởi Denver.
Bảng 4. Sai số của dụng cụ đo

Các thông số
Nhiệt độ
Áp suất
Lưu lượng khối lượng
Chiều sâu kênh
Chiều rộng kênh
Chiều dài kênh

Trước khi đo nhiệt độ đầu vào, chúng ta đảm bảo rằng tất cả các cảm biến
nhiệt độ hiển thị giá trị giống nhau ở nhiệt độ môi trường. Tiếp theo đó, hệ thống
được hoạt động ổn định khoảng 20 phút mới bắt đầu lấy số liệu. Sau đó, giá trị
nhiệt ghi trong khoảng 10 phút, giá trị nhiệt độ này được tính bởi trung bình cộng
giá trị của các cảm biến nhiệt tại cùng vị trí đó của 10 lần ghi. Mỗi đầu vào/đầu ra
của BTĐN đều được gắn một cảm biến nhiệt [24].

-20-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến quá trình ngưng tụ

Lưu lượng khối lượng của bơm được ghi bởi máy tính và kiểm tra bởi cân
điện tử chính xác. Trước khi đo lưu lượng khối lượng, chúng ta đảm bảo rằng giá
trị cân bằng 0,0000 gam. Tiếp theo đó, hệ thống được hoạt động ổn định khoảng
20 phút mới bắt đầu lấy số liệu. Sau đó, giá trị lưu lượng ghi trong khoảng 10
phút, giá trị nhiệt độ này đựơc tính bởi trung bình cộng giá trị của 10 lần ghi.

-21-


Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng kênh bộ trao đổi nhiệt micro đến q trình ngưng tụ

2.2. PHÂN TÍCH DỮ LIỆU
Để tính tốn thiết kế bộ trao đổi nhiệt cũng như phân tích những đặc tính
truyền nhiệt và dịng chảy lưu chất của thiết bị này, những phương trình chính yếu
sẽ được đề cập như sau.
Phương trình cân bằng nhiệt được tính:
Qv = Qw
Hay
mv(hvi – hvo) = mw(hwo – hwi)
Lượng nhiệt tối đa, Qmax, được tính bởi

Q

mcminTviTwi

max

Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, Q, được tính
Q = Qw mwhwo hwi

Hiệu suất truyền nhiệt (Theo phương pháp NTU) được xác định
Q



Q
max

Mật độ dịng nhiệt được tính
Q

A

q

mwh wo hwi

Hay
q = kTlm
Nhiệt trở tổngR được xác định



R  R



cond

 R

conv

Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit được xác định
Tlm
ln

Trong đó m là lưu lượng khối lượng (ký hiệu v và w tương ứng thể hiện cho phía hơi
và phía nước), n là số kênh micro, c là nhiệt dung riêng, hvi,hvo, hwi, and hwo là