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

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của đề tài

Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, thiết bị điện tử ngày càng được cải tiến và sử dụng rộng rãi, dẫn đến nhu cầu giải nhiệt cho các linh kiện điện tử ngày càng cao Bên cạnh đó, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng trở thành mối quan tâm hàng đầu trong việc nâng cao chất lượng cuộc sống Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để tìm ra phương pháp tối ưu cho vấn đề này, trong đó cải tiến hình dáng và kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt là một giải pháp quan trọng Việc nghiên cứu và ứng dụng các thiết bị giải nhiệt có kích thước micro với ưu điểm như hiệu suất truyền nhiệt cao, tiết kiệm chi phí sản xuất, giảm không gian và lượng môi chất lạnh trong hệ thống đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro đang ngày càng trở nên phổ biến trong các ứng dụng yêu cầu hiệu quả trao đổi nhiệt cao trong không gian hạn chế, như làm mát cho linh kiện điện tử, vi mạch và chip Xu hướng sử dụng thiết bị này đang gia tăng trong cả công nghiệp và đời sống hàng ngày Tuy nhiên, thiết bị này cũng gặp phải một số hạn chế, bao gồm tổn thất áp suất lớn, khả năng đọng sương và đóng băng cao, cùng với độ khó trong gia công.

Để đáp ứng nhu cầu hiện nay, thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro cần được nghiên cứu kỹ lưỡng về các đặc tính và yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt Một trong những hướng nghiên cứu quan trọng là ảnh hưởng của áp suất đến hiệu quả trao đổi nhiệt khi kích thước và hình dạng kênh được thay đổi Bài nghiên cứu này sẽ tập trung vào vấn đề này.

Các nghiên cứu liên quan

Sự gia tăng nhiệt từ thiết bị vi điện tử đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu về phương pháp làm mát Vào đầu thế kỷ 20, nhiều nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu vấn đề này, trong đó có một số tên tuổi tiêu biểu.

Tản nhiệt kênh micro được Tuckerman và Pease nghiên cứu vào năm 1981 và 1982, cho thấy hiệu quả của nó trong việc giảm nhiệt Họ chế tạo hệ thống làm mát bằng silicon wafer, đạt nhiệt độ bề mặt tối đa khoảng 71°C với dòng nhiệt lên đến 790 W/cm², sử dụng nước làm chất lỏng làm mát Nghiên cứu chỉ ra rằng hệ số truyền nhiệt đối lưu, h, ở bề mặt làm mát là yếu tố quan trọng nhất trong việc giảm nhiệt trở.

Nghiên cứu của Wei và cộng sự (2007) đã trình bày kết quả thử nghiệm về các bồn chứa nhiệt kép dùng để làm mát chất lỏng Họ đã khảo sát hiệu quả của hướng dòng chảy và tỷ lệ dòng chảy trong từng kênh micro, kết luận rằng khi tốc độ dòng chảy được duy trì trong phạm vi quy định và lưu lượng vào đồng đều, nhiệt độ sẽ được cải thiện tốt hơn Đặc biệt, dòng chảy song song thể hiện hiệu suất tối ưu nhất trong việc giảm nhiệt độ.

Keyes đã tiến hành phân tích lý thuyết về tản nhiệt kênh micro có cánh và so sánh với hệ thống trao đổi nhiệt kênh micro thông thường, cho thấy rằng kích thước của cánh và kênh có thể được tối ưu hóa để đạt hiệu quả làm mát tối đa cho nhiều ứng dụng Thí nghiệm trên silicon và indium phosphate của Phillips cho thấy hiệu suất nhiệt của tản nhiệt kênh micro vượt trội hơn gấp đôi so với kênh truyền thống Missaggia và các đồng nghiệp đã phát triển tản nhiệt kênh micro với 40 kênh kích thước (100, 400) μm trên silicon, nhằm làm mát cho các diode laser có mật độ tia cao, dẫn đến việc tăng đáng kể sản lượng điện quang.

Phân loại kênh micro là một chủ đề gây tranh cãi, với một số tác giả phân loại dựa trên kích thước kênh, trong khi những người khác dựa vào sự ổn định dòng chảy Kandlikar và Grande đã đề xuất phạm vi kênh micro từ 10 đến 200 μm, trong khi Mehendale và các cộng sự định nghĩa kênh micro với kích thước từ 1 đến 100 mm Cornwell và Kew đã xác định số (Co) để phân biệt giữa dòng chảy sôi vĩ mô và vi mô thông qua một phương trình cụ thể.

Theo các đề xuất, các kênh có hệ số Co ≥ 0.5 được phân loại là microchannels, do ảnh hưởng của trọng lực và sức căng bề mặt tại mức này.

Chế tạo các kênh micro với hình dạng và kích thước yêu cầu là một thách thức lớn Nghiên cứu cho thấy rằng công nghệ sản xuất kênh micro đã tiến triển nhanh chóng, từ các phương pháp gia công truyền thống như phay và cưa, đến việc áp dụng các kỹ thuật hiện đại như khắc khô plasma, vi cơ bề mặt và cắt laser, chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất chất bán dẫn.

Wang và Peng đã nghiên cứu sự trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức một pha bằng cách sử dụng sáu thiết bị tản nhiệt kênh micro với các kích thước khác nhau: (800; 700; 4), (600; 700; 4), (400; 700; 4), (400; 700; 6), (200; 700; 4) và (200; 700; 6) với lưu chất là nước Kết quả cho thấy có ba xu hướng khác nhau về hệ số truyền nhiệt của các biến thể kênh micro Đối với heat sink (800; 700; 4), hệ số truyền nhiệt tăng đều theo nhiệt độ vách Trong khi đó, các heat sink (600; 700; 4), (400; 700; 4) và (400; 700; 6) có hệ số truyền nhiệt tăng mạnh ở nhiệt độ vách thấp, nhưng chỉ tăng vừa phải ở nhiệt độ vách cao Cuối cùng, các heat sink (200; 700; 4) và (200; 700; 6) cho thấy hệ số truyền nhiệt ban đầu giảm và sau đó tăng nhanh với nhiệt độ vách tăng.

Qu và Mudawar đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và số học về truyền nhiệt trong giai đoạn duy nhất, sử dụng 21 kênh giải nhiệt micro hình chữ nhật Họ so sánh kết quả giữa nghiên cứu số và thực nghiệm, áp dụng phương trình Navier-Stokes và bảo toàn năng lượng để dự đoán thành công chế độ truyền nhiệt dòng 1 pha Đặc biệt, khác với các nghiên cứu trước, họ không quan sát được quá trình chuyển đổi dòng chảy trong khoảng thử nghiệm của hệ số Reynolds từ 139 đến 1672.

Qi và các đồng nghiệp đã thực hiện thí nghiệm phân tích truyền nhiệt một giai đoạn trên ống micro sử dụng nitơ lỏng làm môi chất Họ nhận thấy rằng hệ số truyền nhiệt và khả năng dẫn nhiệt của nitơ giảm theo hướng dòng chảy khi lưu lượng nhiệt tăng, điều này làm đảo lộn mối quan hệ giữa nhiệt độ và khả năng dẫn nhiệt Kết quả cho thấy tính chất nhiệt của chất lỏng có vai trò quan trọng trong dòng chảy và đặc điểm truyền nhiệt của kênh micro Sui cùng cộng sự cũng kết luận rằng kênh micro dạng sóng có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn so với kênh dạng thẳng.

Kosar và cộng sự [14] đã nghiên cứu sự thay đổi hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt hai pha với các dòng lưu lượng khác nhau Họ nhận thấy rằng tại lưu lượng thấp (G = 41 kg/m²) và trung bình (G = 83 và 166 kg/m²), hệ số truyền nhiệt giảm nhanh chóng khi dòng nhiệt đạt điều kiện khô hoàn toàn Ngược lại, ở lưu lượng cao (G = 302 kg/m²), hệ số truyền nhiệt hai pha giảm dần từ giai đoạn sôi đến điểm giới hạn của dòng nhiệt Họ cũng ghi nhận sự biến đổi đáng kể trong hệ số truyền nhiệt ở lưu lượng hơi thấp với chất lượng hơi ra Mô hình dòng chảy dao động được áp dụng để mô tả sự chuyển động liên tục giữa bong bóng di chuyển và dòng chảy Cuối cùng, nghiên cứu chỉ ra rằng hiện tượng sôi chiếm ưu thế ở lưu lượng thấp trong tất cả các dòng nhiệt trung bình và thấp, trong khi sôi đối lưu là cơ chế truyền nhiệt vượt trội ở lưu lượng và dòng nhiệt cao.

Steinke và Kandlikar đã tiến hành thí nghiệm dòng chảy sôi trên sáu kênh micro hình chữ nhật với đường kính thủy lực Dh = 207 μm, sử dụng nước được làm mát ở đầu vào Các thí nghiệm được thực hiện trong dòng nhiệt với phạm vi từ 5 đến 950 kW/m² và dãy lưu lượng đa dạng.

Hệ số truyền nhiệt tại vị trí 157 ÷ 1782 kg/m² rất cao khi chất lượng hơi ra thấp (xe ≈ 0), dẫn đến sự hình thành bong bóng đầu tiên Tại đây, hệ số truyền nhiệt của lỏng đang sôi giảm mạnh, trong khi lượng hơi không phân biệt giá trị dòng nhiệt tăng, khiến các bong bóng xuất hiện nhanh chóng.

Lee và Mudawar đã đo đạt hệ số truyền nhiệt dọc theo kênh micro hai pha, với chất lượng hơi được giữ ổn định bằng cách thay đổi tỷ lệ lưu lượng khối lượng của môi chất R134a Họ chia ra ba vùng để ước tính hệ số truyền nhiệt: Xe – Độ khô.

1 Xe 100: the total heat transfer coefficient (hTP) is determined by the greater of hTP, NBD and hTP, CBD The equation for hTP, NBD is given by hTP, NBD = 0.6683Co^0.2(1 – x)^0.8 hLO + 1058.0Bo^0.7(1 – x)^0.8 FFl hLO, while the equation for hTP, CBD is hTP, CBD = 1.136Co^-0.9(1 – x)^0.8 hLO + 667.2Bo^0.7(1 – x)^0.8 FFl hLO.

Hệ số trao đổi nhiệt dòng 2 pha (hTP) là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất truyền nhiệt NBD đề cập đến hệ số trao đổi nhiệt trong các hệ thống gia nhiệt bằng hạt nhân, trong khi CBD liên quan đến hệ số trao đổi nhiệt trong quá trình tỏa nhiệt đối lưu Các hệ số này giúp tối ưu hóa hiệu quả của các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu.

FFl: Tỷ lệ diện tích bề mặt x: Độ khô

Với Co = [(1 – x)/x] 0.8 (ρ V/ρ L) 0.5 và Bo = q’’/Gh LV Hệ số truyền nhiệt hLO ở quá trình 1 pha có công thức:

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 + 1058,0Bo 0,7 (1 – x) 0.8 FFl hLO (2.7)

Bảng 2.1 F F1 (diện tích bề mặt môi chất) giá trị tương quan dòng chảy sôi của Kandlikar (1990;1991)

Hệ số truyền nhiệt

Mỗi loại lưu chất có hệ số truyền nhiệt riêng, và hệ số h thường thay đổi đáng kể tùy thuộc vào hình dáng hình học của hệ thống Chẳng hạn, có những công thức khác nhau để tính toán dòng chảy tầng đối lưu cưỡng bức giữa một ống và một cụm các tấm song song.

 Số Nusselt : Nu L (Re,Pr,Ra) = hL/k

 Cỏc số Prandtl : Pr = àC p /k

 Số Rayleigh : Ra = Gr.Pr =ρ 2 gCp∆TL 3 /(ƞk)

 ∆T : Độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và chất tải lạnh, K

 g : Hằng số gia tốc trọng trường, m/s 2

 k : Độ dẫn nhiệt của lưu chất, W/(m.K)

 à : Độ nhớt động lực học, Pa.s

 C p : Nhiệt dung riêng đẳng áp, (J/(kg.K)

 Gr : Được viết tắt bởi Grashof, được định nghĩa là tỷ số giữa lực nâng và lực nhớt.

Hệ số nusselt

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu h, nằm trong Module truyền nhiệt, được tính toán dựa trên hệ số Nusselt Nó là hàm số của các đặc tính vật liệu, nhiệt độ, lưu lượng dòng chảy và hình dáng hình học Đối với đối lưu tự nhiên, công thức tính là Nu = C(Gr.Pr) n (2.8).

Tham số C phụ thuộc vào hình học, với số mũ n bằng 0,25 cho chảy tầng và 0,33 cho dòng chảy rối Mối quan hệ Nusselt trong trường hợp đối lưu cưỡng bức có sự biến đổi đáng kể và không tồn tại công thức chung.

Có hai loại số Nusselt: trung bình (NuL) và cục bộ (Nuy) Số Nusselt trung bình là một hình thức tích phân, được xác định dựa trên tổng chiều dài bề mặt làm mát, từ đó tạo ra hệ số truyền nhiệt trung bình (h ave) Ngược lại, số Nusselt cục bộ cung cấp hệ số truyền nhiệt tùy thuộc vào vị trí, trong đó biến L trong các biểu thức được thay thế bởi y, đại diện cho khoảng cách từ mép đầu hoặc điểm tiếp xúc đầu tiên theo hướng dòng chảy Cả hai loại số Nusselt đều được xem xét trong thư viện các hệ số truyền nhiệt.

Áp suất của dòng chảy sôi chênh lệch trong kênh micro

Sự chênh lệch áp suất trong kênh micro được mô tả qua phương trình Δp = Δpc + Δpf,1-ph + Δpf,tp + Δpa + Δpg + Δpe Trong đó, Δpc đại diện cho tổn thất áp suất do co lại ở đầu vào, Δpf,1-ph là tổn thất áp suất do ma sát của dòng 1 pha, và Δpf,tp là tổn thất áp suất của dòng 2 pha Thêm vào đó, Δpa thể hiện tổn thất áp suất do gia tốc trong quá trình bay hơi, Δpg là tổn thất áp suất do trọng lực, và Δpe là 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 hòa trộn Thông 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 tại đầu vào xảy ra do sự giảm đột ngột của hỗn hợp hai pha, có thể được mô tả thông qua mô hình dòng chảy tách biệt với phương trình Δpc = G.

G: Thông lượng tối đa σc: Tỷ lệ bề mặt thu hẹp lại (đầu vào kênh > 1)

C0: Hệ số co lại được cho bởi:

Và ψh: Hệ số nhân dòng hai pha 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 = G 2 σe(1−σe) ψs (2.13)

Với σe: Hệ số giản nỡ thể tích (từ kênh đến đầu ra < 1) và ψs: Hệ số dòng chảy tách được cho bởi phương trình: Ψs = 1+ ( 𝜌 𝐿

𝜌 𝑉 − 1)[ 0,25x(1-x) + x 2 ] (2.14) Ở dòng chảy 2 pha, các phương trình được sử dụng để tính toán 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 công thức sau:

Hệ số hai pha được cho bởi Chisholm có phương trình sau:

Giá trị của hằng số C phụ thuộc vào tính chất dòng 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 C = 5 (2.16d)

Tham số Martinelli X được cho bởi phương trình sau:

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

Nghiên cứu cho thấy sự điều chỉnh đường kính do Mishima và Hibiki (1996) đề xuất cần áp dụng cho hệ số C trong công thức (2.15b), với giá trị C thay đổi tùy theo dòng chảy hỗn độn hoặc hỗn loạn của các pha riêng lẻ Do đó, phương trình biến đổi sau đây được sử dụng để tính toán giảm áp lực ma sát trong kênh micro và kênh mini.

Tổn thất áp suất do gia tốc gây ra được tính từ phương trình sau: a 2 LV e p G v x

Với v LV, sự khác biệt giữa thể tích của hơi và pha lỏng được xác định bởi công thức v LV = v V - v L Phương trình này giả định rằng đầu vào chỉ bao gồm chất lỏng, trong khi chất lượng đầu ra được biểu diễn bằng hệ số x e Đối với trường hợp đầu vào là dòng hai pha, hệ số x e cần được thay thế bằng sự thay đổi về chất lượng giữa đầu ra và phần đầu vào.

Tổn thất áp suất do trọng lực là một yếu tố nhỏ trong hệ thống, có thể được tính toán dựa trên phương trình từ mô hình dòng chảy đồng nhất.

Công thức (2.21) giả định điều kiện đầu vào của chất lỏng, và trong trường hợp dòng đầu vào hai pha, sự khác biệt giữa chất lượng đầu ra và đầu vào cần được tính toán thông qua hệ số x e.

Dòng 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

- Bỏ qua truyền nhiệt bức xạ

Trong nghiên cứu này, các đặc tính của lưu chất được xác định thông qua các công thức, bao gồm tổn thất áp suất, hiệu suất truyền nhiệt, mật độ dòng nhiệt và chỉ số hoàn thiện của bộ trao đổi nhiệt.

Q: Tốc độ truyền nhiệt m w : Khối lượng

C p : Nhiệt dung riêng đẳng áp

T wi : Nhiệt độ đầu vào

Lượng nhiệt truyền qua thiết bị Qw, được tính:

Hiệu suất truyền nhiệt (Theo phương pháp NTU) được xác định: η= 𝑄 𝑤

Mật độ dòng nhiệt được tính:

 Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit được xác định:

16 max min max min ln lm

Trong đó m là lưu lượng khối lượng, n là số kênh micro, c là nhiệt dung riêng,

T w,i và T w,o đại diện cho nhiệt độ đầu vào và đầu ra, trong khi q là mật độ dòng nhiệt và A là diện tích truyền nhiệt Hệ số truyền nhiệt tổng được ký hiệu là k, và ∆𝑇 𝑙𝑚 là độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit.

Chỉ số Reynolds được xác định:

 Tổn thất áp suất do ma sát được xác định bởi:

Đường kính quy ước được tính bằng công thức Dh = 4Ac/P, trong đó w đại diện cho vận tốc của nước theo phương z, 𝜇 là độ nhớt động lực học, và  là khối lượng riêng Diện tích mặt cắt được ký hiệu là Ac.

P là chu vi ướt, L là chiều dài kênh và f là hệ số ma sát Fanning Điều kiện áp dụng phương trình Navier-Stokes không nén được

Giả định : lưu chất không nén được  ρ là hằng số ta có phương trình:

Và tensor ứng suất trong phương trình trở thành:

Đặc điểm của quá trình bay hơi

Quá trình bay hơi, hay còn gọi là sôi, là sự chuyển đổi từ trạng thái lỏng sang hơi trong một khối chất lỏng Để quá trình này diễn ra, cần phải có những điều kiện nhất định Điều kiện đầu tiên là

Chất lỏng cần được quá nhiệt đến nhiệt độ tf cao hơn nhiệt độ bão hòa ts tại áp suất sôi ps Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy độ quá nhiệt Δt được tính bằng công thức Δt = tf – ts.

Quá trình sôi của chất lỏng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại chất lỏng, độ tinh khiết, áp suất và tính chất bề mặt trao đổi nhiệt Chất lỏng có độ tinh khiết cao thường có độ quá nhiệt ban đầu lớn khi bắt đầu sôi Để quá trình sôi diễn ra, cần có các tâm hóa hơi, thường xuất hiện ở những vùng có bề mặt trao đổi nhiệt nhấp nhô thấp Ngược lại, bề mặt trao đổi nhiệt rất nhẵn bóng sẽ có độ quá nhiệt tương đối thấp.

Sự phân bố nhiê ̣t đô ̣ trong nước khi sôi ở điều kiê ̣n áp suất khí quyển

THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Chuẩn bị thực nghiệm

3.1.1 Thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro được mô phỏng bằng Inventor

Dựa trên thiết kế về mẫu micro truyền thống có kích thước kênh là 0,5x0,3mm , hình 3.1

Mẫu kênh micro truyền thống có kích thước kênh 0,5mm Để giảm kích thước kênh xuống còn 0,1mm, cần cắt xuyên suốt bằng chỉ hoặc laser, đồng thời loại bỏ phần đầu nước vào và đầu nước ra Do đó, thiết kế tấm micro sẽ tách rời khỏi phần nước vào và ra.

Vật liệu kênh được làm từ tấm nhôm dày 2 mm, có kích thước hình chữ nhật với chiều rộng 0,25 mm và độ sâu 0,6 mm Tổng số kênh là 25, kèm theo 2 rãnh thoát keo kích thước 0,5x0,5 mm Khoảng cách giữa hai kênh là 0,55 mm, như thể hiện trong hình 3.2.

Hình ảnh và kích thước mô phỏng kênh chữ nhật

Vật liệu kênh được sử dụng là tấm nhôm với độ dày 2mm, kích thước kênh hình chữ nhật có chiều rộng 0,5mm và chiều sâu 0,08mm, cùng với một cung tròn có bán kính 0,25mm Tổng số kênh là 25, với khoảng cách giữa hai kênh là 0,29mm.

Hình ảnh và kích thước mô phỏng kênh cung tròn

Vâ ̣t liê ̣u cách điê ̣n, cách nhiê ̣t, có thể sử du ̣ng như vâ ̣t liê ̣u cách nhiê ̣t Tấm mica được sử dụng có kích thước như hình 3.4

Tấm mica b Bulong: Chúng ta có thể đơn giản hóa khối bulong thành khối trụ với chiều dài và đường kính tương ứng với kích thước của bulong, bao gồm 14 cái (hình 3.5).

Bulong c Tấm điện trở gia nhiệt:

Cấu tạo thực tế của khối điện trở bao gồm một tấm vật liệu tản nhiệt bên trong Nhiệt lượng chủ yếu được tỏa ra từ dây mayso, có cấu tạo gần giống với vonfram, quấn quanh thanh tản nhiệt Giữa thanh tản nhiệt và lớp nhôm có các tấm tản nhiệt bổ sung Nhiệt độ bề mặt tấm điện trở có sự khác biệt, với nhiệt độ ở giữa cao nhất và giảm dần về phía hai đầu của điện trở.

Để phù hợp với điều kiện thực tế trong mô hình mô phỏng, chúng ta coi khối điện trở như một khối nhôm, dựa trên các thông số kích thước đã đo và mô hình được minh họa trong hình 3.6.

Tấm điện trở gia nhiệt d Bộ góp:

Do kích thước kênh micro rất nhỏ, việc gia công bằng phương pháp cắt CNC không khả thi Vì vậy, quá trình gia công đầu vào và đầu ra của môi chất phải tách rời thành hai đầu góp phù hợp với kênh micro.

Bộ góp được gia công bằng nhựa và có kích thước như hình 3.7

3.1.3 Mẫu thực nghiệm sau khi gia công

Các kích thước và hình dáng của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro được chế tạo và gia công chính xác theo thiết kế mô phỏng, như thể hiện trong hình 3.2, 3.3 và 3.7.

Mẫu trao đổi nhiệt thực nghiệm

Hình ảnh dòng kênh của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro

3.1.4 Hoàn thiện mẫu thí nghiệm

Sau khi hoàn thiện mẫu thí nghiệm, tiến hành lắp ráp và dán keo cho tấm trao đổi nhiệt kênh micro với tấm mica bằng công nghệ keo Epoxy Keo Epoxy trong được chọn vì khả năng chịu nhiệt cao, chống xì tốt khi khô, và giúp dễ dàng quan sát kết quả thí nghiệm khi dán xong.

Các bước dán bộ gia nhiệt và tấm mica để hoàn thiện mẫu thí nghiệm:

Để bắt đầu, hãy hòa trộn keo Epoxy với dung dịch hóa rắn theo tỷ lệ phù hợp nhằm tạo ra một hỗn hợp keo đồng nhất, đảm bảo các đặc tính hóa học và vật lý đáp ứng yêu cầu thí nghiệm.

Hỗn hợp keo sau khi hòa trộn

Bước 2: Vệ sinh kênh micro thật kỹ lưỡng Kênh micro có rãnh thoát, vì vậy cần phết keo lên mép ngoài của kênh với lượng vừa đủ để tránh tình trạng keo bị tràn vào bên trong kênh.

Vệ sinh và quét keo lên tấm micro

Sau khi quét keo lên bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro, hãy đặt tấm mica lên trên bộ trao đổi nhiệt sao cho khớp với vị trí Tiếp theo, sử dụng bulông và đai ốc để siết chặt với độ cứng phù hợp, nhằm tăng cường độ kín giữa mica và kênh micro.

Mica và micro sau khi dán keo

Bước 4: Gắn bộ góp vào hai đầu kênh micro đã được dán với tấm mica Sử dụng bulông và đai ốc để cố định đầu góp, sau đó tra keo vào các lỗ nhằm đảm bảo độ kín.

Mẫu thực nghiệm sau khi hoàn thành

Thiết bị sau khi dán keo đầu góp

Mô hình thực nghiệm

Hệ thống thí nghiệm bao gồm bộ trao đổi nhiệt kênh micro, hệ thống bơm và đường ống, như minh họa trong hình 3.16 và 3.17 Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra với nước làm lưu chất làm việc, và nhiệt được truyền cho lưu chất thông qua điện trở gia nhiệt dạng tấm.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm

Bơm li tâm có công suất 20W được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, với thông số lưu lượng đạt 11,52 l/h Bơm hoạt động với nguồn điện xoay chiều 220-240V, 50Hz.

Bình chứa nước Điện trở

Bình điều áp được sử dụng nhằm ổn định lưu lượng dòng chảy, đảm bảo lưu lượng ổn định cho quá trình thực nghiệm (hình 3.19)

3.3.3 Điện trở Điện trở được sử dụng để gia nhiệt cho thiết bị micro đạt đến điểm sôi Điện trở có dải nhiệt độ từ 0-350 o C Điện trở dùng trong thí nghiệm có công suất 100W, sử dụng dòng điện xoay chiều 220-240V như hình 3.20 Điện trở gia nhiệt

Dimmer được sử dụng để điều chỉnh công suất điện trở

Dimmer có công suất 500W, sử dụng điện xoay chiều 220V (hình 3.21)

3.3.5 Bộ xử lí tín hiệu MX100 Đây là một bộ xử lí đa năng, có thể kết nối với nhiều loại cảm biến, đo đạc được nhiều loại số liệu như điện áp, nhiệt độ, áp suất…Một máy tính được cài đặt phần mềm sẽ kết nối với phần cứng bộ xử lí MX100 để có thể tiếp nhận, xử lí dữ liệu và hiện thị các giá trị như hình 3.22 Đầu vào và đầu ra của bộ gia nhiệt kênh Micro được gia công trên tấm mica để nối với các ống nước vào và ra Ở mỗi đầu vào và ra, có hai cảm biến nhiệt độ được đưa vào để ghi các giá trị nhiệt độ Ngoài ra, còn có hai cảm biến nhiệt độ được đặt hai mặt bên của bộ trao đổi nhiệt microchannel Vì vậy, có tổng cộng bốn cảm biến nhiệt độ được sử dụng để ghi giá trị nhiệt độ Để đo chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra của thiết bị trao đổi nhiệt kênh micro, nhóm tác giả còn sử dụng 2 cảm biến áp suất đặt ở 2 vị trí này Sau đó, sử dụng thuật toán có sẵn của phần mềm xử lí 2 giá trị áp suất đưa về, đưa ra được độ chênh áp suất đầu vào và đầu ra của kênh micro

Cân TP – 240 của Denver được sử dụng để xác định lưu lượng dòng chảy trong các thí nghiệm, với khả năng cân từ 0,0000g đến 210g và độ sai số là ± 0,0015g.

Bộ gia nhiệt nước AXW-5-Temp Controller của hãng Medillab được sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ nước đầu vào theo yêu cầu trong các thí nghiệm.

Dải nhiệt độ thiết bị có thể kiểm soát được là từ 10 o C đến 120 o C như hình 3.24

Keo tản nhiệt

Để cải thiện bề mặt tiếp xúc giữa kênh và tấm điện trở gia nhiệt, việc sử dụng keo tản nhiệt quanh mặt dưới tấm micro là rất cần thiết Điều này giúp đảm bảo quá trình gia nhiệt diễn ra đồng đều hơn trên toàn bộ kênh.

Cách thức thực nghiệm

3.5.1 Đo lưu lượng đầu ra

Khởi động bơm và đo lưu lượng nước đầu ra qua kênh micro bằng cân điện tử Điều chỉnh van của bình điều áp để đạt lưu lượng đầu ra 3g/s trong thời gian 10 giây.

3.5.2 Lấy số liệu thực nghiệm

Sau khi lưu lượng đầu ra ổn định, bộ gia nhiệt nước được khởi động lên 40 o C Sử dụng tấm micro hình cung tròn làm chuẩn, tiến hành gia nhiệt bằng tấm điện trở 100W Thời gian gia nhiệt cho đến khi nhiệt độ đầu ra ổn định ở 99 o C là 6 phút, trong khoảng thời gian này, hiện tượng hóa hơi trong kênh micro được quan sát và ghi chép bằng hình ảnh Khi hệ thống hoạt động ổn định, phần mềm Logger được sử dụng để lấy số liệu trung bình của nhiệt độ đầu ra, độ chênh lệch áp suất và vận tốc chất lỏng trong 2 phút Mỗi 10 phút, tiến hành đo lần tiếp theo và ghi lại giá trị trung bình sau 3 lần thực nghiệm.

Để nghiên cứu tấm micro hình chữ nhật, ta sử dụng tấm micro hình cung tròn làm chuẩn Gia nhiệt tấm điện trở 100W trong 8 phút, bắt đầu ghi nhận dữ liệu từ phút thứ 6 bằng phần mềm Logger Quan sát hiện tượng hóa hơi trong kênh micro và ghi chép lại bằng hình ảnh Mỗi 10 phút tiến hành đo lần tiếp theo và tính giá trị trung bình sau 3 lần thực nghiệm.

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Vị trí sôi của kênh

Để xác định ảnh hưởng của hình dáng kênh đến vị trí sôi của thiết bị ngưng tụ kênh micro, chúng tôi đã thực hiện thí nghiệm trên hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro với kích thước hình chữ nhật 0,25x0,6mm và hình cung tròn có chiều rộng 0,5mm, sâu 0,08mm cùng một cung tròn bán kính 0,25mm Các thông số đầu vào bao gồm nhiệt độ môi trường 30°C, nhiệt độ nước đầu vào 40°C và lưu lượng nước vào 0,3g/s được giữ cố định Mỗi mẫu được đo ba lần và kết quả thu được như sau:

Chiều của dòng chảy đi từ trái sang phải

Vị trí sôi thực tế trên kênh cung tròn

Vị trí sôi của kênh cung tròn biểu diễn trên tọa độ Oxy

Chiều của dòng chảy đi từ trái sang phải

Vị trí sôi thực tế trên kênh chữ nhật

Vị trí sôi của kênh chữ nhật biểu diễn trên tọa độ Oxy

37 c So sánh vị trí sôi giữa 2 kênh

So sánh vì trí sôi của 2 tấm thực tế

So sánh vị trí 2 tấm trên đồ thị

Nhận xét cho thấy đỉnh parapoll của cung tròn cao hơn so với kênh chữ nhật, điều này chỉ ra rằng quá trình chuyển pha trong cung tròn diễn ra nhanh hơn.

Nhiệt độ đầu ra của kênh

Nghiên cứu này nhằm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ nước đến quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị ngưng tụ kênh micro Thí nghiệm được thực hiện trên hai bộ trao đổi nhiệt kênh micro với kích thước hình chữ nhật 0,25x0,6mm và hình cung tròn có chiều rộng 0,5mm, sâu 0,08mm, cùng với một cung tròn bán kính 0,25mm Các thông số đầu vào được thiết lập với nhiệt độ môi trường là 30°C và nhiệt độ nước đầu vào.

40 o C, lưu lượng nước vào 0,3g/s được giữ không đổi Đối với mỗi mẫu ta thực hiện đo 3 lần và đạt được kết quả như sau: a Kênh cung tròn

Khi theo dõi đường cong nhiệt độ của kênh cung tròn, chúng ta nhận thấy rằng quá trình gia nhiệt đến khi nhiệt độ ổn định mất khoảng 4 phút, và sau thời gian này, nhiệt độ duy trì ổn định ở mức 99 độ C.

Khi quan sát đường cong nhiệt độ của kênh chữ nhật, chúng ta nhận thấy rằng thời gian gia nhiệt cho đến khi nhiệt độ ổn định mất khoảng 4 phút 30 giây Sau 5 phút, nhiệt độ duy trì ổn định ở mức 99 độ C.

Trong điều kiện nhiệt độ môi trường 30°C và nhiệt độ đầu vào 40°C, lưu lượng nước vào được duy trì ổn định ở mức 0,3 g/s Các giá trị thực nghiệm được tiến hành đo ba lần, với mỗi lần cách nhau một khoảng thời gian nhất định.

10 phút sau đó cộng chia trung bình thể hiện tại bảng 4.1

Bảng 4.1 Bảng tổng hợp giá tri ̣ nhiệt độ của 2 kênh micro

Biểu đồ so sánh nhiệt độ hóa hơi sau 3 lần đo của 2 kênh micro

Tấm micro hình cung tròn đạt nhiệt độ ổn định nhanh hơn và cao hơn so với tấm micro hình chữ nhật 0,25 trong cùng khoảng thời gian 8 phút, cho thấy khả năng bay hơi của kênh cung tròn vượt trội hơn hẳn so với kênh micro hình chữ nhật.

Biểu đồ so sánh nhiệt độ hóa hơi sau 3 lần đo

Chênh lệch áp suất của kênh

Nghiên cứu nhằm xác định ảnh hưởng của áp suất đến quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị ngưng tụ kênh micro đã được thực hiện trên hai bộ trao đổi nhiệt với kích thước hình chữ nhật 0,25x0,6mm và hình cung tròn có chiều rộng 0,5mm, sâu 0,08mm, cùng một cung tròn bán kính 0,25mm Các thông số đầu vào được giữ ổn định với nhiệt độ môi trường 30°C, nhiệt độ nước đầu vào 40°C và lưu lượng nước vào 0,3g/s Mỗi mẫu được đo ba lần, kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong hiệu suất trao đổi nhiệt giữa các thiết kế kênh.

Khi gia nhiệt trong kênh cung tròn, áp suất sẽ tăng lên cho đến khi đạt nhiệt độ ổn định sau khoảng 5 phút Từ thời điểm này trở đi, áp suất có xu hướng dao động trong khoảng từ 10.000 đến 11.000 Pa.

Khi gia nhiệt kênh chữ nhật, áp suất ban đầu có xu hướng giảm cho đến khi nhiệt độ ổn định sau khoảng 4 phút Sau thời điểm này, áp suất sẽ biến thiên trong khoảng từ 2000 đến 3000 Pa.

Trong điều kiện nhiệt độ môi trường 30 o C và nhiệt độ đầu vào 40 o C, lưu lượng nước vào là 0,3 g/s và được giữ ổn định Các giá trị thực nghiệm đã được đo ba lần, với mỗi lần cách nhau một khoảng thời gian nhất định.

10 phút sau đó cộng chia trung bình thể hiện tại bảng 4.1

Bảng 4.2 Bảng tổng hợp giá tri ̣ áp suất của 2 kênh micro

Lần 1, Lần 2, Lần 3, Chênh lệch áp suất trung bình

Biểu đồ so sánh chênh lệch áp suất sau 3 lần đo của 2 kênh

Biểu đồ cho thấy sự chênh lệch áp suất giữa hai tấm micro là rất đáng kể, với kênh cung tròn có áp suất cao hơn rõ rệt so với kênh chữ nhật.

Biểu đồ so sánh áp suất sau 3 lần đo

Sự tương quan giữa áp suất và nhiệt độ

Trong điều kiện nhiệt độ môi trường 30 o C, nhiệt độ đầu vào 40 o C, lưu lượng nước vào 0,3g/s được giữ không đổi a Kênh hình chữ nhật

Nhận xét: Ta thấy rằng, khi thể tích không thay đổi, thì đường nhiệt độ tăng và đường áp suất giảm b Kênh cung tròn

Nhận xét: Ta thấy rằng, khi thể tích không thay đổi, thì đường nhiệt độ tăng và đường áp suất cũng tăng

Nhiệt lượng cung cấp để gia nhiệt cho nước

Q = (m1.c1+m2.c2).ΔT m1: là khối lượng của nước, m1 = 0,3g/s= 0,3.10 -3 Kg/s m2: là khối lượng của nhôm, m2 = 3,15.0,2.12.2,7= 20,412 g = 0,020412 Kg c1: là nhiệt dung riêng của nước, c1 = 4200 J/Kg.K c2: là nhiệt dung riêng của nhôm, c2 = 880 J/Kg.K ΔT= T2 - T1

T1: nhiệt độ bắt đầu gia nhiệt, T1 = 40 o C

T2 : nhiệt độ sau khi gia nhiệt a Tấm micro có hình dáng kênh chữ nhật:

= 1060 (J) b Tấm micro có hình dáng kênh cung tròn: