NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của sơ đồ DÒNG CHẢY đến QUÁ TRÌNH BAY hơi TRONG KÊNH MICRO

Lê Bá Tân d , Nguy ễn Gia Đạt, Giang Kiến Cường, Hồ Tấn Thịnh 1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, Việt Nam a trungdang@hcmute.edu.vn; b hungdm@hcmute.edu.vn c hieunt@hcmute.edu.vn

NGHIÊN C ỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SƠ ĐỒ DÒNG CHẢY ĐẾN QUÁ TRÌNH

BAY HƠI TRONG KÊNH MICRO

A STUDY ON EFFECTS OF CONFIGURATION TO VAPORIZATION IN

MICROCHANNELS

PGS.TS Đặng Thành Trung a , NCS Đoàn Minh Hùng b , ThS Nguy ễn Trọng Hiếu c ,

ThS Lê Bá Tân d , Nguy ễn Gia Đạt, Giang Kiến Cường, Hồ Tấn Thịnh

1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, Việt Nam

a trungdang@hcmute.edu.vn; b hungdm@hcmute.edu.vn

c hieunt@hcmute.edu.vn; d lebatan@hcmute.edu.vn

TÓM T ẮT

Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của sơ đồ dòng chảy đến quá trình bay hơi trong kênh micro được thực hiện bởi phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm Các kết quả mô phỏng

số đồng thuận với thực nghiệm, với sai số cực đại nhỏ hơn 3% Những kết quả trong nghiên

cứu này còn có nghĩa rất quan trọng cho các nghiên cứu về dòng hai pha trong kênh micro

Từ khóa: bộ trao đổi nhiệt kênh micro, truyền nhiệt, sự bay hơi, sơ đồ dòng chảy, mô

ph ỏng số

ABSTRACT

In this study, effects of configuration on vaporization of microchannels were done, for both numerical and eperimental methods The results obtained from the numerical simulation are in good agreement with those obtained from experimental data, with the maximum percentage error is less than 3% The results in this study are very important for investigations

of two-phase microchannels

Keywords: microchannel heat exchanger, heat transfer, vaporization, configuration,

numerical simulation

1 GI ỚI THIỆU

Công nghệ micro được rất nhiều nhà khoa học áp dụng nghiên cứu vào những bộ trao đổi nhiệt và kết quả thu được ngày càng tốt hơn như khả năng trao đổi nhiệt tăng lên, kích thước của những bộ trao đổi nhiệt giảm xuống, hiệu suất truyền nhiệt ngày càng cải thiện Liên quan đến các nghiên cứu này, Law cùng cộng sự [1] đã khảo sát thực nghiệm và so sánh dòng nhiệt khi sôi cùng với đặc tính áp suất của kênh micro cánh thẳng và cánh xiên Ở kích thước kênh và điều kiện hoạt động tương tự nhau, các thí nghiệm so sánh đã cho thấy hiệu

quả truyền nhiệt tăng đáng kể đối với kênh micro sử dụng cánh thẳng và dòng nhiệt trao đổi

chậm hơn ở giai đoạn đầu đối với kênh micro sử dụng cánh xiên

Dòng chảy không ổn định là mối quan tâm lớn đối với dòng chảy sôi trong kênh mini và kênh micro Mô tả chi tiết của sự không ổn định của dòng chảy sôi được cung cấp bởi Kandlikar [2-4] Sự không ổn định xuất hiện trong những kênh có đường kính nhỏ cũng đã được nghiên cứu Sự tạo mầm do tăng lực cản dòng chảy bởi dòng hai pha trong kênh dẫn đến

sự mất ổn định Những biến đổi áp suất với tần số cao đã được báo cáo bởi một số nhà khảo sát như Kew và Cornwell [5], Pelescùng cộng sự [6]

Ảnh hưởng của dòng nhiệt, lưu lượng khối lượng và kích thước kênh đến hiệu suất dòng nhiệt khi sôi trong kênh micro lõm, rỗng được thực hiện bởi Deng cùng cộng sự [7] Một loại kênh micro lõm trong nghiên cứu này được phát triển và thử nghiệm trong các hệ thống làm mát - tản nhiệt Kết quả thí nghiệm cho thấy, hiệu suất truyền nhiệt của kênh micro lõm, rỗng

phụ thuộc nhiều vào các dòng nhiệt nhưng lại ít phụ thuộc vào lưu lượng khối lượng Hardt và

cộng sự [8] cũng đã nghiên cứu quá trình bay hơi của 2-propanol và nước trong kênh cyclo polymer olefin (COP) và kênh micro silicon có mặt cắt ngang là hình vuông với nguồn nhiệt đồng đều được cấp từ bên dưới của kênh

Có thể nhận thấy rằng, các nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm sự ảnh hưởng của

bố trí dòng chảy trong quá trình bay hơi trong kênh micro không nhiều, đặc biệt cho mô

phỏng số dòng 2 pha 3D toàn thiết bị Do vậy, nghiên cứu này rất cần thiết Đề tài sẽ được

thực hiện trên hai mô hình có sơ đồ dòng chảy chữ Z và chữ I cho cả phương pháp mô phỏng

số và thực nghiệm

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Để mô phỏng số các đặc tính về truyền nhiệt và lưu chất cho quá trình bay hơi trong kênh micro, những phương trình chính yếu trong hệ thống này đã được sử dụng [9-11]:

0 ) ( =

∇

+

∂

∂

u

ρ

F kl l

u u

u pl

u u t

u

T T



∇

=

∇ +

∂

ρ

3

2 ) )(

( 3

2 ) ) ( )(

(

) (

ρε σ

µ µ ρ











∇ +

∇

=

∇ +

∂

∂

k k

T

P k k

u t

k

)

( )

(

ep k

C P k C u











∇ +

∇

=

∇ +

∂

σ

µ µ ε

ρ

ε

ρ

ε

, )

( )

(

2 2 1

Q T k T

u C t

T

∂

∂

) (

ρ ρ

ε ρ

µT = Cµ k2

u k u

u u u

3

2 ) ( 3

2 ) ) ( (



∇ ∇ + ∇ − ∇

Bảng 1: Các điều kiện biên

∫

Ω

∂

=

− ρ(u ).n dS m

T T

L

k C l

k

2 / 3 4 / 3 2

, ) ( 2

3

µ

ε =

=

Outlet 1 38 MPa

,

o p

p=

0 3

2 ) )(

( 3

2 ) ) ( )(



n kl l

u u

µ µ

0 , 0 = ∇ =

∇k n εn

Outflow 1 −n.(−k∇T)=0

Inlet 2 v_air

n u

u =− o

T T

o

L

k C l

U k

2 / 3 4 / 3 2

, ) ( 2

3

µ

ε =

=

Outlet 2 0 Pa 0

3

2 ) )(

( 3

2 ) ) ( )(

(

,

=







=

n kl l

u u

u

p p

T T

T

o

ρ µ

µ µ

µ

0 , 0 = ∇ =

∇k n εn

Outflow 2 −n.(−k∇T)=0

Temperature 1 T_lq T =T o

Temperature 2 T_amb T =T o

Trong đó T là nhiệt độ, To là nhiệt độ ban đầu, t là thời gian, c p là nhiệt dung riêng đẳng

áp, ρ là khối lượng riêng, µ là độ nhớt động lực học, u là vận tốc, P là áp suất, P là áp o

suất ban đầu, k l à động năng dòng chảy rối, F là ngoại lực, εlà lượng tiêu tán năng lượng

chảy rối, Cµ là hằng số dòng chảy rối, Q là nhiệt lượng, l là cường độ dòng chảy rối, n T

là vector pháp tuyến, S là diện tích và L là chiều dài dòng chảy rối T

Trong nghiên cứu này, môi chất làm việc là nước tinh khiết, các phương trình chính yếu

và các điều kiện biên (Bảng 1) được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn với lời giải PARDISO (PARallel DIrect Solver) [12] để tìm ra các giá trị nhiệt độ, vận tốc, áp suất và entalpy Mô hình này được giải bởi phần mềm đa vật lý COMSOL, phiên bản 4 3b Cấu hình máy tính để giải cho mô hình này: Xeon Quad Core E5430 2.66 GHz 12M/1333; DDRAM ECC CORSAIR 16GB SP/32G; HDD SATA3 160GB; VGA rời QUAD PRO FX 285 2GB/12bBIT Với mô hình chữ Z, lưới sau khi được tạo xong có: 202 đỉnh, 9446 cạnh, 31998 biên và 102800 phần tử lưới Với mô hình chữ I, lưới sau khi được tạo xong có: 204 đỉnh,

9436 cạnh, 31932 biên và 102198 phần tử lưới Lời giải đã hội tụ với sai số tương đối cho lời

giải này là 10-6

Vật liệu của thiết bị gia nhiệt kênh micro là nhôm, sử dụng như là bề dày lớp nền với độ

dẫn nhiệt k=160[W/mK], khối lượng riêng ρ=2700[kg/m 3 ], nhiệt dung riêng đẳng áp

C p =900[J/kgK] Bề dày lớp nền 1mm Hình 1 cho thấy kích thước mô hình mô phỏng và thực nghiệm

Hình 1 Kích thước thiết kế mô hình chữ I

Quá trình mô phỏng được thực hiện với mẫu thí nghiệm có ống góp đặt tại giữa kênh (chữ I) và ở biên ngoài (chữ Z) của phần kênh như thể hiện ở Hình 2 và 3 Các thông số kích thước của hai mô hình này giống nhau hoàn toàn, chúng chỉ khác vị trí đầu vào và đầu ra ống góp của lưu chất

Hình 2 Mô hình thiết bị kênh micro với ống góp đặt tại phần giữa kênh (chữ I)

Hình 3 Mô hình thiết bị kênh micro với ống góp đặt tại biên ngoài (chữ Z)

3 K ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Trong điều kiện nghiên cứu với cùng nhiệt độ môi trường 34,5oC, lưu lượng cố định 0,7g/s, ta lần lượt thay đổi nhiệt độ nước đầu vào từ giá trị 40oC đến 60oC Một trong những kết

quả thu được cho mẫu I được thể hiện ở Hình 4

Hình 4 Trường nhiệt độ nước trong bộ trao đổi nhiệt với lưu lượng 0.7 g/s trong mẫu chữ I

Hình 5 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm trong mẫu chữ I

Khảo sát Hình 4 cho thấy rằng quá trình sôi của lưu chất xảy ra ở giữa tấm substrate Nhiệt độ sôi của lưu chất nằm quá phân nửa về phía đầu ra của tấm, nhiệt độ này có giảm ở vị trí đầu ra của ống góp Điều này được giải thích rằng do nguồn nhiệt chỉ gia nhiệt đoạn giữa

của substrate chứ không gia nhiệt cả substrate nên phần đầu ra bị tổn thất nhiệt

Kết quả mô phỏng số và thực nghiệm được thể hiện ở Hình 5 cho mẫu chữ I Cần chú ý

rằng các điều kiện cho thực nghiệm và mô phỏng số được thiết lập hoàn toàn giống nhau Kết

quả thực nghiệm cho thấy rằng: khi ở cùng các điều kiện nhiệt độ môi trường là 34,5oC, lưu lượng 0,3g/s thì nhiệt độ hơi nước đầu ra tăng khi nhiệt độ nước đầu vào tăng Sai lệch giữa

thực nghiệm và mô phỏng số có sai số cực đại không quá 3%

Quá trình mô phỏng được thực hiện với có ống góp đặt tại giữa kênh (chữ I) và ở biên ngoài (chữ Z) của phần kênh được thể hiện ở Hình 6 Mô phỏng được thực hiện với các thông

số nhiệt độ thay đổi từ 40 đến 600C, mỗi lần tăng 50C, công suất điện trở 176W, lưu lượng nước vào giữ ở mức 0.3g/s

Hình 6 Kết quả mô phỏng mẫu chữ I và mẫu chữ Z

Hình 7 Đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ hơi ra và nhiệt độ nước vào của hai mô hình

So sánh nhiệt độ hơi ra khi thay đổi lưu lượng hơi cho hai mô hình được thể hiện ở Hình 7 Kết quả cho thấy rằng nhiệt độ đầu ra của mô hình I cao hơn mô hình Z, điều này là do mô hình chữ Z có đường đi của lưu chất dài hơn nên quá trình bay hơi xảy ra trước nhưng sau đó bị tổn thất nhiệt ra môi trường ngoài nhiều hơn nên cuối cùng nhiệt độ đầu ra ở ống góp của mô hình Z thấp hơn mô hình chữ I Những kết quả từ Hình 4 đến 6 là những kết quả mới, rất ít nhà khoa học mô phỏng và thực nghiệm công bố ra những kết quả này, đặc biệt cho kết quả mô phỏng quá trình hai pha trong mô hình 3D Những kết quả này còn có nghĩa rất quan trọng trong các nghiên cứu về dòng hai pha trong kênh micro như thiết kế dàn lạnh micro cho các hệ thống điều hòa không khí dân dụng và công nghiệp

4 K ẾT LUẬN

Ảnh hưởng về sơ đồ dòng chảy (chữ I và chữ Z) đến quá trình bay hơi trong kênh micro

đã được thực hiện bởi cả phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm Các mô hình được mô

phỏng bởi phần mềm đa vật lý COMSOL phiên bản 4.3b

Kết quả cho thấy rằng, sự bay hơi trong sơ đồ chữ Z sớm hơn chữ I, điều này đã dẫn đến nhiệt độ đầu ra của sơ đồ chữ Z thấp hơn chữ I Những kết quả này còn có nghĩa rất quan

trọng trong các nghiên cứu về dòng hai pha trong kênh micro

Các kết quả thu được từ mô phỏng đồng thuận với thực nghiệm, sai số cực đại giữa mô

phỏng số và thực nghiệm không quá 3%

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Rin Yun, Yongchan Kim, Chasik Park, Numberical analysis on a microchannel

evaporator designed for CO 2 air-conditioning systems, Applied Thermal Engineering,

2006

[2] Satish G Kandlikar, Scale effects on flow boiling heat transfer in microchannels: A

fundamental perspective, International Journal of Thermal Sciences, 2009

[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] 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

[5] Hardt S., Schilder B., Tiemamn D., Kolb G., Hessel V., Stephan P., Analysis of flow

patterns emerging during evaporation in parallel microchannels, International Journal of

Heat and Mass Transfer 50, 2007

[6] Henstroni G., Mosyak A., Pogrebnyak E., Segal Z., Explosive Boiling of Water in Parallel

Microchannels, International Journal of Multiphase Flow 31, 2005

[7] Zhang L., Banerjee S S., Koo J-M., Laser D.J., Asheghi M., Goodson K E., Juan G

Santiago J G., Kenny T W., Measurements and Modeling of Two-Phase Flow in

Microchannels With Nearly Constant Heat Flux Boundary Conditions, Journal of

Microelectromechanical Systems 11, 2002

[8] Kandlikar, S G., Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and

microchannels, Exp Therm Fluid Sci., 2002a

[9] COMSOL Multyphysics version 4.3b, Heat Transfer Module - Model Library, June 2013 [10] COMSOL Multyphysics version 4.3b, MEMS Module - Model Library, June 2013

[11] COMSOL Multyphysics version 4.3b, Modeling Guide, June 2013

[12] https://engineering.purdue.edu/~ragu/jpapers/CBK10.pdf

THÔNG TIN TÁC GI Ả

1 PGS.TS Đặng Thành Trung, Khoa Cơ Khí Động Lưc, Trường Đại học Sư phạm Kỹ

thuật Tp.HCM

Email: trungdt@hcmute.edu.vn, Phone: 0913.606.261

2 NCS Đoàn Minh Hùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Email: hungdm@hcmute.edu.vn, Phone: 0908.318.456

3 ThS Nguy ễn Trọng Hiếu, Khoa Cơ Khí Máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Email: hieunt@hcmute.edu.vn, Phone: 0989.620.635

4 ThS Lê Bá Tân, Trung tâm Việt Đức, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Email: lebatan@hcmute.edu.vn, Phone: 0906.818.204