MÔ PHỎNG số QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG bộ TRAO đổi NHIỆT KÊNH MINI DÙNG để THAY THẾ két nước TRONG XE TAY GA

Mô hình bộ trao đổi nhi t kênh mini Minichannel Heat Exchanger ... Thực nghi m v i công ngh hàn tấm nhôm thay th công ngh dán UV Light tấm PMMA trên bộ trao đổi nhi t kênh mini 5 pass ..

vi

M C L C

TRANG

LÝ L CH KHOA H C i

L I CAM ĐOAN ii

C M T iii

TÓM T T iv

ABSTRACT v

DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ VI T T T x

DANH M C HÌNH NH xi

DANH M C B NG BI U xiv

CH NG 1 T NG QUAN 1

1.1 Tính cấp thi t c a đ tài 1

1.2 Tổng quan các nghiên c u liên quan 2

1.2.1 Nghiên c u ngoài nư c 2

1.2.2 Nghiên c u trong nư c 7

1.3 M c đích đ tài 7

1.4 Nhi m v và gi i h n đ tài 8

1.5 Phương pháp nghiên c u 8

CH NG 2 C SỞ LÝ THUY T 9

2.1 Lý thuy t truy n nhi t 9

2.2 Làm l nh ậ gia nhi t đối lưu và h số truy n nhi t 11

2.3 Đối lưu tự nhiên ậ h số Grashof 14

2.4 H số Nusselt 15

2.5 Dòng ch y lưu chất 16

vii

2.6 Mô hình dòng ch y rối k-ε 22

CH NG 3 PH NG PHÁP MỌ PH NG S B NG COMSOL MULTIPHYSICS 24

3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 24

3.1.1 Thi t k mô hình 24

3.1.2 V mô hình mô phỏng trên Inventor 25

3.2 Mô phỏng bằng COMSOL MULTIPHYSICS 4.3b 25

3.2.1 Nh p mô hình hình h c và phương trình gi i 25

3.2.2 Cài đặt mi n con và đi u ki n biên 26

3.2.3 Cài đặt v t li u cho mô hình 28

3.2.4 T o lư i và gi i mô hình 29

3.2.5 Xử lý và hi n th k t qu 30

CH NG 4 PH NG PHÁP TH C NGHI M 32

4.1 Mô hình bộ trao đổi nhi t kênh mini (Minichannel Heat Exchanger) 32

4.1.1 Kích thư c bộ trao đổi nhi t 32

4.1.2 Hoàn thi n mẫu thí nghi m 34

4.2 Mô hình thực nghi m 34

4.3 D ng c thí nghi m 36

4.3.1 Bơm 36

4.3.2 Bộ gia nhi t 36

4.3.3 Bộ thi t b đo lư ng nhi t độ 37

4.4 Đo đ t số li u 38

4.4.1 Đo nhi t độ 38

4.4.2 Đo lưu lư ng 38

4.5 Phân tích sai số 38

viii

CH NG 5 K T QU MÔ PH NG S VÀ TH C NGHI M 40

5.1 Các k t qu mô phỏng 40

5.1.1 V n tốc gió 0,8 m/s 41

5.1.2 V n tốc gió 1,2 m/s 43

5.1.3 V n tốc gió 2,2 m/s 45

5.1.4 V n tốc gió 3 m/s 46

5.1.5 V n tốc gió 3,5 m/s 48

5.2 K t qu thực nghi m 50

5.2.1 Lưu lư ng khối lư ng c a nư c 1,64 g/s 50

5.2.2 Lưu lư ng khối lư ng c a nư c 2,46 g/s 52

5.2.3 Lưu lư ng khối lư ng nư c 3,28 g/s 53

5.2.4 Lưu lư ng khối lư ng nư c 4,1 g/s 55

5.2.5 Thay đổi lưu chất làm vi c là hỗn h p nư c ethylene 57

5.2.6 So sánh giữa kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass v i lưu chất làm vi c là hỗn h p nư c-ethylene 58

5.3 So sánh k t qu thực nghi m và mô phỏng số 59

5.3.1 Lưu lư ng gió đư c giữ cố đ nh 3m/s 59

5.3.2 K t qu v i lưu lư ng khối lư ng nư c đư c giữ cố đ nh t i 4,1g/s 60

5.4 Thực nghi m v i công ngh hàn tấm nhôm thay th công ngh dán UV Light tấm PMMA trên bộ trao đổi nhi t kênh mini 5 pass 61

CH NG 6 K T LU N VÀ KI N NGH 64

6.1 K t lu n 64

6.2 Ki n ngh 65

TÀI LI U THAM KH O 66

L : chi u dài kênh mini, m

m : lưu lư ng khối lư ng, kg/s

NTU : ch số truy n nhi t đơn v (Number of Transfer Unit)

xi

DANH M C HÌNH NH

TRANG

Hình 1.1: Sự phân bố năng lư ng trong xe 3

Hình 2.1: Tám lo i làm mát đối lưu 13

Hình 3.1: Kích thư c thi t k mô hình 24

Hình 3.2: Bộ trao đổi nhi t đư c v bằng Inventor 25

Hình 3.3: K t qu quá trình nh p mô hình vào COMSOL 26

Hình 3.4: Cài đặt mi n con 26

Hình 3.5: Cài đặt giá tr ban đầu 27

Hình 3.6: Cài đặt đi u ki n biên cho mô hình truy n nhi t 28

Hình 3.7 Cài đặt v t li u cho mô hình 28

Hình 3.8 K t qu phân lư i 29

Hình 3.9 Lựa ch n l i gi i cho mô hình 29

Hình 3.10: Phân bố v n tốc trong các kênh mini 30

Hình 3.11: Trư ng nhi t độ các biên c a bộ trao đổi nhi t 30

Hình 3.12: Trư ng nhi t độ c a dòng nư c trong bộ trao đổi nhi t 31

Hình 3.13: Phân bố áp suất trong dòng nư c 31

Hình 4.1: Bộ trao đổi nhi t kênh Mini 32

Hình 4.2: So sánh kích thư c hai bộ trao đổi nhi t kênh mini 33

Hình 4.3: Bộ trao đổi nhi t kênh mini và két nư c dùng v t li u Nhôm 33

Hình 4.4: Bộ trao đổi nhi t sau khi đã hoàn thành và thử kín 34

Hình 4.5: Sơ đồ và l p đặt h thống thí nghi m 35

Hình 4.6: Màn hình đi u ch nh bộ gia nhi t 36

Hình 4.7 Màn hình hi n th và thi t b đo lư ng nhi t độ 37

Hình 5.1: Trư ng nhi t độ c a bộ t n nhi t kênh mini 5 pass 40

Hình 5.2: Biên d ng c a gradient nhi t độ c a bộ t n nhi t lo i 5 pass 41

Hình 5.3 Độ chênh l ch nhi t độ c a kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass v n tốc gió 0,8m/s 42

Hình 5.4: Nhi t lư ng trao đổi giữa nư c và không khí kênh mini 5 pass và kênh mini 3 pass cùng v n tốc gió 0,8 m/s 43

xiv

DANH M C B NG BI U

TRANG

B ng 2.1: Các hằng số mô hình dòng ch y rối 23

B ng 4.1: Độ chính xác và các d i thang đo c a d ng c thử nghi m 37

B ng 1.1: K t qu thực nghi m [1] 69

B ng 1.2: Tóm t t k t qu CFD 69

B ng 1.3: So sánh giữa k t qu thực nghi m và k t qu CFD 70

B ng 1.4: K t qu nh hư ng c a kho ng cách 71

B ng 2.2 K t qu mô phỏng số h c bằng COMSOL Multiphysics 71

B ng 2.3 Tổng h p k t qu thực nghi m 72

B ng 2.4 So sánh giữa k t qu thực nghi m và mô phỏng 73

1

1.1 Tính cấp thi t của đ tài

Hi n nay, giao thông Vi t Nam ch y u sử d ng xe máy đ di chuy n Trên th trư ng có rất nhi u lo i xe c a những hãng xe khác nhau nhưng có 2 lo i chính là: xe số và xe tay ga Xe tay ga đư c ưa chuộng hơn vì h thống truy n động

vô cấp cho phép ngư i sử d ng không cần sang số khi tăng tốc, d di chuy n trên

đư ng phố Đ có những ưu đi m đó thì h thống làm mát trên xe tay ga cũng có nhi u khác bi t so v i xe số Toàn bộ thân bao kín, động cơ đặt giữa, tốc độ lưu thông không khí thấp dù xe chuy n động tốc độ cao, không t n d ng đư c dòng không khí cưỡng b c từ chuy n động c a xe đ làm mát động cơ

Ngoài ra, hầu h t xe tay ga đ u sử d ng h truy n động vô cấp So v i lo i truy n động xích trên xe số thì h thống này sinh ra nhi u nhi t hơn Nhà s n xuất thư ng lựa ch n một trong hai gi i pháp: dùng qu t thổi gió cưỡng b c vào động cơ hoặc thi t k h thống làm mát bằng dung d ch

V i ki u thổi gió cưỡng b c, động cơ truy n công suất làm quay qu t Không khí từ bên ngoài đư c hút vào, ch y theo các đư ng hư ng gió làm mát thân máy Động cơ ho t động thì qu t quay do đó làm gi m công suất c a động cơ Nên

đ đ t đư c cùng một hi u suất động cơ thì lo i xe này thư ng có dung tích xylanh

l n hơn Tuy nhiên, h số tỏa nhi t đối lưu c a không khí nhỏ hơn rất nhi u so v i

h số tỏa nhi t đối lưu c a dung d ch Ngoài ra, nó cũng ph i tính đ n nh hư ng

c a lư ng hơi nóng tỏa ra khi động cơ đư c làm mát bằng gió

Trong khi đó, động cơ làm mát bằng dung d ch v i kh năng ki m soát quá trình đốt nhiên li u tốt hơn cũng như hi u suất ho t động và độ ổn đ nh cao hơn so

v i gi i pháp làm mát bằng gió cưỡng b c H thống làm mát bằng dung d ch đã

đư c sử d ng trên một số dòng xe m i như: Air Blade, SH, Lead, Nouvo LX…

Tuy nhiên trên thực t , két nư c làm mát trên xe tay ga vẫn còn một số như c đi m như: các cánh t n nhi t thì mỏng d b móp méo, d b bám bẩn Bên

2

c nh đó, các cánh t n nhi t này đư c hàn vào ống dẫn dung d ch nên kh năng truy n nhi t kém hơn so v i các cánh t n nhi t li n khối Thêm vào đó bộ t n nhi t két nư c c a các nhà s n xuất hi n nay ph i cần một qu t gió đ t n nhi t nên tiêu hao một phần công suất c a động cơ, làm gi m hi u suất c a động cơ Ngoài ra bộ

t n nhi t này vẫn dừng l i k t cấu d ng Macro nên còn cồng k nh, hi u qu truy n nhi t chưa cao và giá thành đ t Từ những như c đi m trên, công ngh truy n nhi t Mini/Microchannel th hi n rõ tính ưu vi t c a mình trong trư ng h p này Bộ t n nhi t két nư c c a nhà s n xuất s đư c thay th bằng bộ t n nhi t kênh

mini sử d ng công ngh dán UV light Bộ trao đổi nhi t kênh mini này s nhỏ g n hơn và t n d ng đư c dòng gió cưỡng b c từ chuy n động c a xe mà không cần

qu t gió và hi u qu truy n nhi t l i cao hơn hẳn so v i bộ trao đổi nhi t trên xe

d ng Macro

Dư i dự hư ng dẫn c a thầy PGS.TS Đặng ThƠnh Trung, h c viên quy t

đ nh thực hi n đ tài ắMô ph ng s quá trình truy n nhi t trong bộ trao đ i nhi t kênh mini dùng đ thay th két n c trong xe tay ga” Đ tài nghiên c u

và mô phỏng quá trình truy n nhi t trên bộ trao đổi nhi t kênh mini v i m c đích

c i ti n nâng cao hi u suất gi i nhi t c a két nư c xe tay ga, làm cho động cơ ho t động ổn đ nh, nâng cao hi u suất làm vi c c a động cơ, ti t ki m nhiên li u, t n

d ng đư c dòng gió cưỡng b c từ chuy n động c a xe đ thay th qu t làm mát,

k t cấu g n nhẹ và độ b n cao làm tăng độ tin c y cho h thống

1.2 T ng quan các nghiên c u liên quan

1.2.1 Nghiên cứu ngoài nước

Xuất phát từ quá trình làm vi c c a động cơ đốt trong, nhi t truy n cho các chi ti t máy ti p xúc v i khí cháy (piston, xéc măng, nấm xupap, thành xylanh) chi m kho ng 25%  35% nhi t lư ng do nhiên li u cháy trong buồng cháy tỏa ra

Vì v y các chi ti t thư ng b đốt nóng mãnh li t: nhi t độ đ nh piston có th lên t i

600oC, nhi t độ nấm xupap có th lên t i 900oC Hình 1.1 th hi n sự phân bố năng

lư ng trên xe Trong đó bao gồm 30% là t i nhi t làm mát, 35% là t i nhi t theo khí

th i và 35% là năng lư ng nhi t có ít

3

Hình 1.1: S ự phân bố năng lượng trên xe

Các k t qu nghiên c u liên quan đ n h thống làm mát trên xe ô tô và xe g n máy cũng đã đư c một số nhà khoa h c nghiên c u Trivedi và Vasava [1] sử d ng phần m m mô phỏng số ANSYS 12.1 đ phân tích dòng ch y lưu chất và truy n nhi t trong két nư c làm mát ô tô K t qu phân tích cho thấy rằng khi kho ng cách giữa các ống gi m hoặc tăng, gi m tốc độ truy n nhi t Hi u qu tối ưu cho h số truy n nhi t khi kho ng cách giữa các ống là 12 mm K t qu thực nghi m đư c th

4

Hình 1.3: Nhiệt độ đầu ra của ống 86,94 0 C

K t qu nhi t độ hai mặt bên c a két nư c đư c th hi n trong hình 1.4 và 1.5

v i các thông số th hi n b ng 1.2 - 1.4

Hình 1.4: Nhiệt độ mặt bên đầu vào 35 0 C

5

Hình 1.5: Nhiệt độ mặt bên đầu ra 61.25 0 C

Pawan và Sangram [3] đã xem xét ki m tra l i hi u suất c a bộ trao đổi nhi t trên ô tô K t qu cho thấy hi u suất c a h thống làm mát động cơ b nh hư ng nhi u b i các y u tố như không khí, lưu lư ng nư c gi i nhi t, nhi t độ không khí đầu vào, lo i nư c gi i nhi t, cánh, kích thư c cánh, ống và kích thư c ống,… Peyghambarzadeh [4] đã nghiên c u vi c nâng cao hi u qu truy n nhi t trong thi t

b gi i nhi t ô tô bằng cách sử d ng nư c/ethylene glycon trong vi c áp d ng lưu

chất ắnano” (nanofluids) như một lo i nư c gi i nhi t m i K t qu cho thấy rằng đối v i lưu chất nano bộ trao đổi nhi t có h số truy n nhi t tổng th l n hơn so v i

nư c lên đ n 9% Hơn nữa, vi c tăng m t độ h t nano, v n tốc không khí và v n tốc dòng ch y lưu chất s nâng cao đáng k hi u suất truy n nhi t Ngư c l i, khi tăng nhi t độ lưu chất đầu vào, s làm gi m h số truy n nhi t tổng th

nh hư ng c a kho ng cách cánh đ n hi u qu truy n nhi t đã đư c Jajja cùng cộng sự [5] nghiên c u K t qu cho thấy, vi c làm gi m kho ng cách cánh

c a bộ trao đổi nhi t kênh mini s làm tăng h số truy n nhi t và làm gi m nhi t tr

Có th làm gi m nhi t độ và nhi t tr c a bộ trao đổi nhi t bằng cách làm gi m kho ng cách giữa các cánh và tăng lưu lư ng khối lư ng nư c ch y qua kênh mini Một nghiên c u thực nghi m v hi u suất truy n nhi t c a động cơ dựa trên các h t nano Al2O3 và h t MEPCM (microencapsulated phase change material) trong bộ

6

trao đổi nhi t kênh mini đã đư c thực hi n b i Ho cùng cộng sự [6] Trong bài báo này, tác gi đã cho thấy hi u qu c a truy n nhi t đối lưu cưỡng b c dựa trên ho t động c a các h t nano oxit nhôm (nanofluids), MEPCE, và (PCM) đ thay th nư c tinh khi t trong bộ trao đổi nhi t kênh mini K t qu cho thấy hi u qu trao đổi nhi t ph thuộc đáng k vào lưu chất nano và PCM dựa trên tốc độ dòng ch y c a

nó trong bộ trao đổi nhi t

Myhren và Holmberg [7] sử d ng CFD mô phỏng và các phương pháp tính toán đ phân tích nh hư ng c a các dòng ch y khác nhau t i cơ ch truy n nhi t

Vi c mô phỏng truy n nhi t cho bộ trao đổi nhi t kênh mini và micro đã đư c Xie

và các cộng sự mô phỏng đặc tính truy n nhi t và áp suất rơi trên dòng ch y tầng [8] và dòng ch y rối c a bộ trao đổi nhi t kênh mini [9] K t qu cho thấy bộ trao đổi nhi t kênh mini có th cho một nhi t lư ng khá cao v i áp suất rơi nhỏ trên kênh Shahril cùng cộng sự [10] đã sử d ng CFD và phần m m ANSYS đ mô

phỏng đặc tính truy n nhi t c a cánh t n nhi t trên xe g n máy dư i các đi u ki n khí h u khác nhau K t qu cho thấy rằng hi u suất truy n nhi t và tùy thuộc và v n tốc c a phương ti n, d ng hình h c c a cánh và nhi t độ môi trư ng Dang và Teng [11] đã nghiên c u bằng phương pháp mô phỏng và thực nghi m c a bộ trao đổi nhi t kênh Micro ngư c chi u, k t qu thu đư c từ phương pháp thực nghi m đồng thu n v i k t qu thu đư c từ phương pháp mô phỏng v i sai số tối đa 9%

Pulkit cùng cộng sự [15] đã nghiên c u sự truy n nhi t bằng phương pháp mô phỏng số CFD Tốc độ truy n nhi t ph thuộc vào v n tốc c a xe, hình d ng cánh

t n nhi t và nhi t độ xung quanh v n tốc 40 km/h, 60 km/h và 72 km/h h số truy n nhi t đã đư c tính toán từ giá tr dòng nhi t 724 W, 933,56 W và 1123,03 W tương ng

Masao cùng cộng sự [16] đã nghiên c u nh hư ng c a số lư ng cánh, kho ng cách cánh và tốc độ gió làm mát bằng không khí cho xylanh động cơ xe máy K t qu cho thấy rằng nhi t độ tỏa ra từ xylanh không đư c c i thi n khi thân xylanh có quá nhi u cánh và kho ng cách giữa các cánh quá hẹp t i những tốc độ

7

gió quá thấp, do v y mà nhi t độ giữa chúng s tăng lên Ngoài ra kích thư c cánh tối ưu khi xe đ ng yên là 20 mm và khi xe di chuy n là 8 mm

Dựa trên tầm quan tr ng c a vi c gi i nhi t trên xe g n máy Dang cùng

cộng sự [2] đã nghiên c u c i ti n két nư c trên xe tay ga bằng bộ t n nhi t kênh mini 3 pass, sử d ng phương pháp thực nghi m K t qu cho thấy, bộ trao đổi nhi t kênh mini có giá tr nhi t lư ng cao hơn so v i két nư c nhà s n xuất nhưng kích thư c ch vào kho ng 64% so v i két nư c c a nhà s n xuất Tuy nhiên, do công ngh gia công còn chưa cao nên một lư ng nư c không đi theo kênh Ngoài ra mẫu thí nghi m ch có 3 pass nên th i gian lưu chất ch y trong bộ trao đổi nhi t không

đư c lâu, dẫn t i hi u qu trao đổi nhi t không đ t đư c như mong muốn

Trong các nghiên c u liên quan đã thực hi n Vi t Nam, Trung và Hùng [22] đã thực hi n một nghiên c u thực nghi m những nh hư ng c a lực tr ng trư ng đ n các đặc tính nhi t và dòng ch y lưu chất c a những bộ trao đổi nhi t microchannel Trong nghiên c u này, hai bộ trao đổi nhi t đã đư c dùng làm thực nghi m v i đi u ki n tăng lưu lư ng khối lư ng phía l nh Trung và Hùng [23] cũng đã nghiên c u nh hư ng tính chất v t lý c a lưu chất trong bộ trao đổi nhi t kênh micro Trong nghiên c u này, các đặc tính truy n nhi t và tổn thất áp suất c a lưu chất một pha bên trong bộ trao đổi nhi t kênh micro đã đư c xác đ nh Cho

những đi u ki n khác nhau đã đư c nghiên c u, ch số hoàn thi n đ t đư c 10,7 W/kPa giá tr lưu lư ng 0,2 g/s Xa hơn nữa, toàn bộ bộ trao đổi nhi t kênh micro

gồm các kênh, ống góp, tấm đ gia công kênh micro (substrate) cũng như tấm n p

phía trên đã đư c mô phỏng số b i sử d ng phần m m mô phỏng chuyên nghi p CFD ậ ACE+

1.3 M c đích đ tài

Đ tài này t p trung nghiên c u mô phỏng số quá trình truy n nhi t trong bộ trao đổi nhi t kênh mini khi thay th két nư c c a h thống làm mát bằng dung d ch trên xe tay ga Tìm ra sự nh hư ng c a lưu lư ng khối lư ng nư c và v n tốc gió

đ n quá trình truy n nhi t trong bộ t n nhi t kênh mini Dựa vào k t qu mô phỏng

1.4 Nhi m v và gi i h n đ tài

T p trung nghiên c u đánh giá quá trình mô phỏng số quá trình truy n nhi t trong bộ trao đổi nhi t kênh mini

Lựa ch n thi t k bộ trao đổi nhi t phù h p đ thay th cho bộ t n nhi t két

nư c trên xe tay ga hi n nay

Phân tích đánh giá quá trình trao đổi nhi t c a bộ t n nhi t kênh mini 5 pass

đã lựa ch n so v i bộ t n nhi t kênh mini 3 pass bằng phương pháp thực nghi m và

mô phỏng số

Dựa vào k t qu mô phỏng số bộ trao đổi nhi t kênh mini 5 pass đưa ra các

gi i pháp hoàn thi n bộ t n nhi t két nư c trên xe g n máy liên quan và các ng

Thực nghi m đánh giá k t qu mô phỏng

So sánh đánh giá, đi u ch nh, sửa chữa

V cơ b n có ba phương th c sau:

Dẫn nhi t: là quá trình trao đổi nhi t giữa các v t chất có nhi t độ khác nhau khi ti p xúc trực ti p nhau Trong quá trình này, nhi t lư ng truy n qua, còn v t

chất đ ng yên hoặc ti p xúc v i nhau (thư ng đ ng yên đối v i v t r n)

Trao đổi nhi t đối lưu: x y ra giữa lưu chất (lỏng, khí) và b mặt r n mà đó

có nhi t độ khác nhau Lúc này truy n nhi t g n li n v i dòng ch y

Trao đổi nhi t b c x : Ch y u là do trao đổi c a năng lư ng sóng đi n từ Trong trao đổi nhi t b c x không cần ti p xúc Nó là quá trình trao đổi nhi t qua

l i giữa năng lư ng sóng đi n từ và nhi t năng

Các đ nh lu t cơ b n chi phối tất c sự truy n nhi t là đ nh lu t th nhất c a nhi t động lực h c, thư ng đư c g i là nguyên t c b o toàn năng lư ng Tuy nhiên,

nội năng U là một đ i lư ng khá ph c t p đ đo lư ng và sử d ng trong mô

phỏng Vì v y, các đ nh lu t cơ b n thư ng đư c vi t l i trong đi u ki n nhi t độ

T Đối v i một lưu chất có phương trình nhi t là:

C : Nhi t dung riêng đẳng áp, J/kg.K

T : Nhi t độ tuy t đối, K

u: Vector v n tốc, m/s

sử d ng Phương trình cũng cho rằng khối lư ng luôn luôn đư c b o toàn, có nghĩa

là khối lư ng riêng và v n tốc ph i đư c liên h thông qua:

Ch độ ng d ng truy n nhi t tổng quát sử d ng lu t Fourier v dẫn nhi t, q

tỷ l thu n v i gradient nhi t độ:

Trong đó k là h số dẫn nhi t, W/ (m.K) Trong chất r n, h số dẫn nhi t có

th khác nhau theo các hư ng khác nhau Sau đó, k tr thành một tensor

Phần th ba đặc trưng cho áp suất làm vi c và mang ý nghĩa v t lý cho

vi c gia nhi t c a một lưu chất trong quá trình nén đo n nhi t và cho một số hi u

ng âm thanh nhi t Nói chung thành phần này có giá tr nhỏ đối v i các dòng ch y

Phương th c truy n nhi t th ba đó là truy n nhi t b c x Nhi t b c x

bi u th các dòng sóng đi n từ phát ra từ một v t nhi t độ nhất đ nh Phần này nghiên c u lý thuy t sau quá trình truy n nhi t b c x x y ra trên b mặt c a một v t

2.2 Làm l nh ậ gia nhi t đ i l u và h s truy n nhi t

Một trong các đi u ki n biên chung nhất c a mô hình truy n nhi t là làm mát hoặc gia nhi t đối lưu, trong đó một lưu chất làm mát b mặt bằng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng b c V nguyên t c, nó có th đ mô hình hóa quá trình này trong hai cách:

 Sử d ng một h số truy n nhi t trên b mặt làm mát bằng đối lưu

 M rộng mô hình đ mô t dòng ch y và truy n nhi t trong lưu chất làm mát

Phương pháp đầu tiên rất m nh và hi u qu Ngoài ra, ch độ ng d ng truy n nhi t tổng quát cung cấp xây dựng dựa trên vi c sử d ng h số truy n nhi t Đối v i hầu h t các m c đích kỹ thu t, sự sử d ng các h số này là một cách

12

ti p c n mô hình chính xác và hi u qu Sau đó b n mô hình hóa làm mát đối lưu bằng cách xác đ nh m t độ dòng nhi t trên biên ti p xúc v i các lưu chất làm mát,

nó tỷ l thu n v i độ chênh l ch nhi t độ trên một l p cách nhi t gi đ nh B n mô

t h số truy n nhi t h, theo phương trình:

Tuy nhiên, tính ph c t p c a mô hình tăng đáng k do sự cần thi t c a vi c

gi i các trư ng dòng ch y cũng như trư ng nhi t độ Thêm vào đó, yêu cầu bộ nh

và th i gian tính toán tăng đáng k Phần này t p trung vào phương pháp sử d ng h

số truy n nhi t đ mô t làm mát đối lưu

Khó khăn chính trong vi c sử d ng h số truy n nhi t là vi c tính toán hoặc

xác đ nh giá tr thích h p c a h số h H số này ph thuộc vào lưu chất làm mát,

đặc tính v t li u c a lưu chất, nhi t độ b mặt và đối lưu làm mát cưỡng b c, cũng như v v n tốc dòng ch y c a lưu chất Ngoài ra, sơ đồ hình h c cũng nh hư ng

đ n h số này

Nó có th chia làm mát đối lưu thành bốn lo i chính tùy thuộc vào lo i đi u

ki n đối lưu (tự nhiên hoặc cưỡng b c) và các lo i hình h c (bên trong hoặc bên ngoài dòng ch y đối lưu) Ngoài ra, bốn trư ng h p đ u có th là dòng ch y đối lưu

ch y tầng hoặc ch y rối, dẫn đ n có tổng số tám lo i đối lưu, như trong hình 2.1

13

Hình 2.1: Tám lo ại làm mát đối lưu

Sự khác bi t giữa đối lưu tự nhiên và cưỡng b c trong th hi n rõ khi có một lực bên ngoài như một qu t t o ra dòng ch y Đối lưu tự nhiên, lực nổi gây ra b i sự khác bi t nhi t độ và gi n n nhi t c a dòng ch y môi chất

Đối v i mỗi lo i, các mối quan h khác nhau cho h số truy n nhi t đã đư c đưa ra trong các tài li u liên quan Đối v i hầu h t các trư ng h p, phương trình mô

t h số h thay đổi đáng k v i các hình d ng hình h c Ví d , công th c khác nhau

cho dòng ch y tầng đối lưu cưỡng b c bên trong giữa một ống và một c m những

tấm song song

Thư vi n h số truy n nhi t [21] c a Module truy n nhi t bao gồm một t p

h p con c a chúng Thư vi n h số truy n nhi t sử d ng cuốn sổ tay bi u

th c dựa trên các thi t l p sau đây c a các số không th nguyên:

• Số Nusselt:Nu LRe,Pr,RahL k/

• Số Reynolds: ReL UL/

• Các số Prandtl: PrC p/k

lựa ch n các mô hình toán h c

Trong trư ng h p dòng ch y bên ngoài, chẳng h n như đối lưu cưỡng

b c, b n chất c a dòng ch y đư c đặc trưng b i h số Reynolds (Re), trong đó mô

t tỷ l c a lực quán tính và lực nh t Nó dựa trên v n tốc, độ nh t, khối lư ng riêng và kích thư c tính toán

Tuy nhiên, phần l n v n tốc là các bi n chưa bi t cho các dòng ch y bên trong như đối lưu tự nhiên Trong những trư ng h p như v y h số Grashof (Gr), đặc trưng cho dòng ch y Nó mô t tỷ l c a các lực bên trong (lực nâng) đ một

lực nh t tác động lên lưu chất Tương tự như v y v i h số Reynolds nó đòi hỏi xác

15

đ nh kích thư c tính toán, tính chất v t lý c a lưu chất và chênh l ch nhi t

độ Số Grashof đư c đ nh nghĩa là:

3 0 2

quanh, L là kích thư c tính toán, μ đặc trưng cho độ nh t động lực c a lưu

chất và ρ là khối lư ng riêng

Đối v i khí lý tư ng, h số giãn nỡ nhi t bằng:

1

T

Vi c chuy n đổi từ dòng ch y tầng đ n dòng ch y rối x y ra trong kho ng

giá tr Gr là 109, dòng ch y rối cho các giá tr l n hơn

2.4 H s Nusselt

H số tỏa nhi t đối lưu h có ch a đựng trong Module truy n nhi t, nó đư c

tính toán dựa trên h số Nusselt và đư c th hi n như một hàm số c a các đặc tính

v t li u, nhi t độ, lưu lư ng dòng ch y và hình dáng hình h c

Đối v i đối lưu tự nhiên, mối quan h cho h số Nusselt thư ng có d ng:

NuC Gr (2-8)

Tham số C ph thuộc vào hình h c Số mũ n lấy bằng 0,25 cho ch y tầng và

0,33 đối v i dòng ch y rối Quan h Nusselt cho đối lưu cưỡng b c thay đổi đáng

k và không có công th c chung

Có hai lo i số Nusselt: trung bình Nu L và c c bộNu y Lo i trung bình là một hình th c tích phân Nó đư c xác đ nh dựa trên tổng chi u dài c a b mặt làm mát

và sinh ra một h số truy n nhi t trung bình h ave Số Nusselt c c bộ đưa đ n h số truy n nhi t c c bộ tùy thuộc vào v trí Trong trư ng h p này, bi n L trong các

16

bi u th c đư c thay th b i y, kho ng cách từ mép đầu (hoặc kho ng cách từ đi m

ti p xúc đầu tiên theo hư ng dòng ch y) Trong thư vi n các h số truy n nhi t c hai lo i Nusselt này đ u đư c xem xét

- Bỏ qua truy n nhi t b c x

Những phương trình chính y u trong h thống này bao gồm phương trình liên t c, phương trình momentum và phương trình năng lư ng

17

V i những đi u ki n thực nghi m trong nghiên c u này, những đặc tính c a lưu chất như m t độ dòng nhi t, hi u suất truy n nhi t, tổn thất áp suất và ch số hoàn thi n c a bộ trao đổi nhi t s đư c đ c p như sau:

C p : Nhi t dung riêng đẳng áp

T wi: Nhi t độ đầu vào

M t độ dòng nhi t đư c tính

,o ,

m c (T -T )nL

Hay

lm lm

ln

lm

T T T

T T



(2 - 16)

18

Trong đó m là lưu lư ng khối lư ng, n là số kênh mini, c là nhi t dung riêng,

T w,i và T w,o là nhi t độ đầu vào và đầu ra, q là m t độ dòng nhi t, A là di n tích truy n nhi t, k là h số truy n nhi t tổng, và T lm độ chênh nhi t độ trung bình Logarit

Trong đó D h 4A c/P là đư ng kính quy ư c, w là v n tốc c a nư c theo

phương z, là độ nh t động lực h c,  là khối lư ng riêng, A c là di n tích mặt c t,

P là chu vi ư t, L là chi u dài kênh và f là h số ma sát Fanning

Đi u ki n áp d ng phương trình Navier-Stokes không nén đư c đư c gi

đ nh rằng lưu chất là không nén đư c, có nghĩa là ρ là hằng số hoặc gần như là hằng

số Đây là trư ng h p ng d ng cho tất c các lưu chất trong đi u ki n bình thư ng

và cũng có th ng d ng cho chất khí v n tốc thấp Đối v i ρ là hằng số phương

u u p I u u F t

Các phương trình trên đư c sử d ng đ thi t l p cho các đi u ki n c a các

mi n con trong ch độ ng d ng này

19

Các đi u ki n biên cho ch dộ ng d ng phương trình Navier-Stokes không nén đư c nén l i thành các lo i sau:

Đi u ki n biên này mô t sự tồn t i c a một vách r n:

Vách không trư t là đi u ki n biên chuẩn và mặc đ nh cho một vách r n ổn

đ nh Đi u ki n biên mô t lưu chất t i vách không di chuy n:

0

u Vách di chuy n, dòng lưu chất cũng ph i thay đổi Do đó, đi u ki n biên th

Đi u ki n vách trư t, vách đư c gi đ nh như là một băng chuy n Lúc đó, b

mặt vách trư t theo hư ng ti p tuy n c a nó Thực t , các vách không chuy n động trong một h tr c t a độ,

Trong không gian hai chi u (2D), hư ng này ti p tuy n không mơ hồ, đư c

đ nh nghĩa b i hư ng c a biên Tuy nhiên, hư ng này tr nên ph c t p hơn trong không gian ba chi u (3D) Vì lý do này, đi u ki n biên này đư c đ nh nghĩa khác nhau trong không gian khác nhau

Đi u ki n trư t gi đ nh rằng không có lực nh t tác d ng lên vách và do đó không có hình thành một l p biên Vấn đ này có th là một xấp x h p lý n u như tác d ng quan tr ng c a vách là ngăn chặn lưu chất r i khỏi mi n kh o sát Trong toán h c, sự ràng buộc có th đư c xây dựng như sau:

20

Lo i biên này có các lo i khác nhau đ ch rõ các đi u ki n v một biên, nơi lưu chất đư c gi đ nh đi vào mi n kh o sát Chú ý rằng các công th c đư c ch a trong tất c các lo i biên mô t , một số trong số chúng có thay đổi ít Do đó, nó không có các công th c toán h c ngăn chặn một lưu chất từ mi n đi qua biên

- Đi u ki n v n tốc cung cấp hai cách đ ch đ nh v n tốc đầu vào Cách th

nhất thi t l p giá tr v n tốc bằng v i một vector v n tốc cho trư c u0:

Chú ý rằng biên pháp tuy n n, hư ng ra phía ngoài c a mi n kh o sát

- Đi u ki n áp suất, không ng suất nh t ch rõ sự mất lực nh t cùng v i đi u

ki n Dirichlet trên vấn đ áp suất:

0.[ ( ) ].T 0,

u u n p p

- Đi u ki n lưu lư ng khối lư ng, đặt một đ i lư ng khối lư ng c th tích

h p lên đi u ki n biên Lưu lư ng đư c gi đ nh có phương song song v i đi u ki n biên, vì v y v n tốc ti p tuy n đư c thi t l p bằng 0

b n có một v n tốc đầu vào không theo phương pháp tuy n Nó có hai lựa ch n:

Hoặc là di chuy n biên ra xa hơn so v i v trí mà dòng ch y pháp tuy n đ n biên,

hoặc là sử d ng một đi u ki n biên ng suất Đi u ki n này giống như đối v i áp suất, không có đi u ki n v ng suất nh t cho đi u ki n biên đầu ra Do đó, tùy

21

thuộc vào trư ng áp suất phần còn l i c a mi n con, đi u ki n biên này tốt cho

đi u ki n biên đầu ra

Lo i biên này có các cách khác nhau đ xác đ nh đi u ki n trên một biên, t i đây lưu chất đi ra khỏi mi n kh o sát Chú ý rằng tất c các công th c trong lo i này

có th đư c tìm thấy, ch nh sửa đôi chút trong các lo i biên khác Do đó, nó không

có các công th c toán h c có th ngăn chặn một dòng lưu chất đi vào vùng ngang qua biên nơi b n thi t l p ki u biên đầu ra

Thi t l p đi u ki n đầu ra cho các phương trình Navier-Stokes không ph i là một công vi c đơn gi n N u có một vấn đ gì đó quan tr ng x y ra t i biên đầu ra, thì nó cần m rộng mi n kh o sát cho hi n tư ng này

Đi u ki n biên v v n tốc cung cấp hai cách đ xác đ nh v n tốc đầu ra Cách

Quan sát thấy rằng biên pháp tuy n n, hư ng ra phía ngoài c a mi n kh o sát

Đi u ki n biên v áp suất, không ng suất nh t ch rõ sự mất lực nh t cùng

v i đi u ki n Dirichlet v áp suất :

0.[ ( ) ].T 0,

Sử d ng đi u ki n biên này gi i h n cho dòng ch y có ch số Reynolds cao

Đi u ki n này có th hữu ít trong một số trư ng h p b i vì nó không áp đặt bất

kì sự ràng buộc nào v áp lực Một ví d đi n hình cho một mô hình v i lực khối làm tăng gradient áp suất thì khó th hi n trư c Tuy nhiên nó cần đư c k t h p v i một đi u ki n ràng buộc v áp suất đ có l i gi i số ổn đ nh

- Đi u ki n ng suất pháp: Tổng ng suất pháp trên biên đư c thi t l p bằng

một đ i lư ng vector ng suất f , đư c xác đ nh ngư c hư ng v i chi u pháp tuy n:

Mô hình k- ε là một trong những mô hình ch y rối đư c sử d ng nhi u nhất

trong các ng d ng công nghi p Conjugate Heat Transfer bao gồm mô hình tiêu chuẩn k-ε, mô hình này gi i thi u hai phương trình chuy n đổi và hai bi n ph

thuộc: năng lư ng động lực h c c a sự ch y rối k và lư ng tiêu tán năng lư ng ch y

rối ε Độ nh t ch y rối đư c mô hình hóa b i:

23

k k

Các hằng số mô hình trên các phương trình trên đư c xác đ nh từ các dữ li u

thực nghi m, giá tr c a chúng đư c li t kê trong b ng 2.1

B ng 2.1: Các hằng số mô hình dòng chảy rối

Mô hình ch y rối k-ε dựa trên các gi đ nh, gi đ nh quan tr ng nhất đó là số

Reynolds đ cao và đ rối tr ng thái cân bằng trên l p biên, đi u đó có nghĩa là sự sinh ra bằng sự hấp th vào Các gi đ nh gi i h n độ chính xác c a mô hình, vì v y

mô hình không ph i luôn luôn đúng Ví d , các phần m rộng không gian c a vùng

tuần hoàn không đư c dự đoán b i mô hình ch y rối k-ε Hơn nữa, trong mô t c a

các dòng ch y xoáy, nhi u mô hình thư ng cho k t qu ít kh p v i các dữ li u thực nghi m

24

MULTIPHYSICS3.1 Xây d ng mô hình mô ph ng

V t li u c a bộ t n nhi t kênh mini là nhôm, sử d ng như là b dày Subtracte

v i độ dẫn nhi t k=238[W/mK], khối lư ng riêng ρ=2700[kg/m 3

], nhi t dung riêng

đẳng áp C p =904[J/kgK], b dày substrate 1mm Hình 3.1 cho thấy kích thư c mô hình mô phỏng

Hình 3.1: Kích thước thiết kế mô hình

Mô hình đư c xây dựng bao gồm 48 kênh v i chi u dài kênh 110 mm đư c chia thành 5 pass Các kênh có mặt c t là hình chữ nh t chi u rộng kênh là 1 mm chi u sâu là 1 mm Kho ng cách giữa các kênh 1 mm, các vách chia pass có chi u rộng 2 mm đ thu n ti n cho vi c dán bộ trao đổi nhi t và tấm PMMA Các ống góp

25

có chi u rộng 10 mm độ sâu 1 mm Các cánh t n nhi t có mặt c t ngang là hình chữ

nh t, chi u cao 10 mm, chi u dài 140 mm kho ng cách giữa 2 cánh li n k là 1 mm

1 l p PMMA đư c g n phía trên c a bộ trao đổi nhi t bằng công ngh UV Light

Di n tích ch bằng 86% so v i bộ trao đổi nhi t kênh mini (3 pass) đã công bố trong [2] đã đư c nghiên c u trư c đó và ch bằng 55% so v i két nư c c a nhà s n xuất

Mô hình v bằng phần m m Inventor bao gồm 4 mi n con: bộ trao đổi nhi t,

tấm PMMA, phần nư c và khối không khí bao phía cánh t n nhi t

Hình 3.2: B ộ trao đổi nhiệt được vẽ bằng Inventor

3.2 Mô ph ng b ng COMSOL MULTIPHYSICS 4.3b

3.2.1 Nhập mô hình hình học và phương trình gi i

 Ch n l i gi i và phương trình

Kh i động COMSOL MULTIPHYSICS 4.3b và lựa ch n mô hình hình h c

mô phỏng 3D và áp d ng mô hình truy n nhi t k t h p dòng ch y rối (Turbulent Flow k- ε) v i l i gi i phương trình ổn đ nh bằng phương pháp PARDISO (Parallel

Direct Solver) V i lưu lư ng khối lư ng c a nư c thay đổi từ 1,6 đ n 4,1g/s, ch số

26

Reynolds c a nư c thì bé nhưng ch số Reynolds c a không khí l n hơn 104, do v y

mô hình áp d ng cho đi u ki n ch y rối trong trư ng h p này

 Nh p hình h c

Mô hình sau khi đư c v hoàn ch nh bằng phần m m INVENTOR đư c lưu

dư i tên g i Minichannel Heat Sink.sat Nh p mô hình vào phần m m Comsol

Multiphysics K t qu quá trình nh p file th hi n hình 3.3

Hình 3.3: K ết quả quá trình nhập mô hình vào COMSOL

3.2.2 Cài đặt miền con và điều kiện biên

 Cài đặt mi n con

Ti n hành cài đặt mi n con và cài đặt v t lý cho các lưu chất

Hình 3.4: Cài đặt miền con

27

Cài đặt các giá tr ban đầu: nhi t độ môi trư ng T_amb, nhi t độ nư c T_water

Hình 3.5: Cài đặt giá trị ban đầu

 Cài đặt đi u ki n biên

Ch n đi u ki n biên đầu vào c a dòng ch y và nh p lưu lư ng khối lư ng cho dòng ch y v i khối lư ng nư c đưa vào m_ in và giá tr nhi t độ nư c đầu vào

T 0 =T water

Ch n đi u ki n biên đầu ra c a dòng ch y đ cài đặt biên đầu ra cho mô

hình

Ch n đi u ki n biên đầu vào c a gió làm mát V i giá tr v n tốc gió đầu vào

U 0 = v_ in và giá tr nhi t độ không khí đầu vào T 0 =T air

Ch n đi u ki n biên và cài đặt đi u ki n biên đầu ra cho mô hình dòng không khí

28

Hình 3.6: Cài đặt điều kiện biên cho mô hình truyền nhiệt

3.2.3 Cài đặt vật liệu cho mô hình

Ch n các v t li u cho mô hình bao gồm Aluminum (Mi n con 2), PMMA (Mi n con 3), Air (Mi n con 1), Water, liquid (Mi n con 4)

Hình 3.7 Cài đặt vật liệu cho mô hình

31

Hình 3.12: Trường nhiệt độ của dòng nước trong bộ trao đổi nhiệt

Hi n th k t qu dư i d ng áp suất

Hình 3.13: Phân b ố áp suất trong dòng nước

Những k t qu nhi t độ đư c so sánh giữa mô phỏng số và thực nghi m đồng thu n v i nhau trong cùng đi u ki n so sánh, sai số cực đ i nhỏ hơn 10%