NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG về bố TRÍ DÒNG CHẢY đến CHỈ số HOÀN THIỆN của các bộ tản NHIỆT KÊNH MINI (MINICHANNEL HEAT SINKS)

Mục tiêu: - Tìm ra sự ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm; nghiên cứu đưa ra những điều kiện

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG VỀ BỐ TRÍ DÒNG CHẢY ĐẾN CHỈ SỐ HOÀN THIỆN CỦA CÁC BỘ TẢN NHIỆT

KÊNH MINI (MINICHANNEL HEAT SINKS)

MÃ SỐ: T2015-48TĐ

S 0 9

S KC 0 0 4 7 7 9

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

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đặng Thành Trung Thành viên đề tài: NCS Đoàn Minh Hùng

TP HCM, 11/2015

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG VỀ BỐ TRÍ DÒNG CHẢY ĐẾN CHỈ SỐ HOÀN THIỆN CỦA CÁC BỘ TẢN NHIỆT KÊNH MINI (MINICHANNEL HEAT SINKS)

Mã số: T2015-48TĐ/KHCN-GV

MỤC LỤC

1.2.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 16

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Mô hình thực nghiệm

Hình 2.2 Kích thước mẫu 3 và 5 pass

Hình 2.3 Kích thước mẫu 7 và 9 pass

Hình 2.4 Hình 3D của mẫu 03 pass

Hình 2.5 Hình thật của bộ tản nhiệt kênh mini 5 pass

Hình 2.6 Bộ thiết bị 54 – 11 –CT/HD – CTTB

Hình 2.7 Sơ đồ nối dây của cụm thu dữ liệu

Hình 2.8 Ảnh kết nối hệ thống thí nghiệm

Hình 2.9 Phân bố lưới cho bộ tản nhiệt loại 7 pass

Hình 2.10 Biểu đồ hội tụ của lời giải

Hình 2.11 Trường nhiệt độ của bộ tản nhiệt loại 5 pass

Hình 2.12 Trường nhiệt độ của bộ tản nhiệt loại 7 pass

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng số cho số Pass

Hình 2.14 Phân bố áp suất trong các kênh mini của các bộ tản nhiệt

Hình 2.15 Kết quả mô phỏng số về tổn thất áp suất trong các bộ tản nhiệt

Hình 2.16 So sánh kết quả mô phỏng số và thực nghiệm cho nhiệt độ nước ra

Hình 2.17 Số pass ảnh hưởng đến nhiệt lượng và chỉ số hoàn thiện

Hình 2.18 Bộ tản nhiệt loại hàn Nhôm và dán PMMA

Hình 2.19 So sánh giữa bộ tản nhiệt hàn Nhôm và dán PMMA cho độ chênh nhiệt độ Hình 2.20 So sánh giữa bộ tản nhiệt hàn Nhôm và dán PMMA cho nhiệt lượng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số của các bộ tản nhiệt

Bảng 2.2 Độ chính xác và các dải thang đo của dụng cụ thử nghiệm

Bảng 2.3 Thông số lưới

Bảng 2.4 So sánh kết quả mô phỏng số và thực nghiệm cho tổn thất áp suất

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ac diện tích mặt cắt, m2

Dh đường kính quy ước, m

h hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2K

k hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K

m lưu lượng khối lượng, kg/s

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh mini (minichannel heat sinks)

- Mã số: T2015-48TĐ/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: 01/01/2015 đến 30/12/2015

2 Mục tiêu:

- Tìm ra sự ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản

nhiệt kênh mini bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm; nghiên cứu đưa ra những điều kiện hoạt động của bộ tản nhiệt kênh mini để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt

- Đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu về lĩnh vực truyền nhiệt Mini/micro 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

4 Kết quả nghiên cứu: Đạt yêu cầu đặt ra

Một nghiên cứu số và thực nghiệm đã được thực hiện cho bốn bộ tản nhiệt kênh mini với số pass thay đổi từ 3 đến 9 Các bộ tản nhiệt này có cùng kích thước

và diện tích mặt cắt của các kênh Các đặc tính truyền nhiệt, tổn thất áp suất và chỉ

số hoàn thiện đã được đề cập

Trong nghiên cứu này, bộ tản nhiệt kênh mini 7 pass tốt nhất về truyền nhiệt

và tổn thất áp suất hay chỉ số hoàn thiện tương đối chấp nhận Độ chênh nhiệt độ lớn nhất 12,7 đã đạt được cho bộ tản nhiệt 7 pass ở lưu lượng nước vào 1,64 g/s và

vận tốc gió 3 m/s Ở tại lưu lượng khối lượng nước 1,64 g/s, tổn thất áp suất là 2550

Pa và chỉ số hoàn thiện là 34,1 W/kPa đã đạt được cho bộ tản nhiệt 7 pass

Thêm vào đó, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng công nghệ hàn Nhôm cho các bộ tản nhiệt này kém hiệu quả hơn so với công nghệ dán PMMA trong trường hợp lưu lượng khối lượng nước lớn Các kết quả này có ý nghĩa quan trọng và hữu ích cho thiết kế các bộ tản nhiệt kênh mini

Xa hơn nữa, các kết quả thu được từ mô phỏng số phù hợp với các kết quả

từ thực nghiệm với sai số cực đại nhỏ hơn 3 %

5 Sản phẩm: Ba bộ tản nhiệt minichannel,

01 bài báo đăng tạp chí quốc tế EI,

02 bài báo khoa học đăng ở hội nghị quốc tế GTSD14

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 được trích lục

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Study on Effects of Flow Configuration to Performance Index of Minichannel Heat Sinks

Code number: T2015-48TĐ/KHCN-GV

Coordinator: Assoc Prof Dr Thanhtrung Dang

Implementing institution: Hochiminh city University of Technology and Education

Duration: from January 01, 2015 to December 30, 2015

2 Objective(s):

Find out effects of flow configuration to performance index of the minichannel heat sinks, for both numerically and experimetally; carry out working conditions of

minichannel heat sinks to enhance heat transfer efficiency

Build the research on Micro/Nano heat transfer areas at the Department of Heat and Refrigeration Technology, Hochiminh city University of Technology and 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

Numerical and experimental studies have been performed on four minichannel heat exchangers with varying the pass number from 3 to 9 The minichannel heat exchangers have the same total dimension and cross-sectional area of channels The heat transfer, pressure drop, and performance index have discussed also

In this study, the minichannel heat exchanger with seven pass has the best heat transfer and the fair pressure drop The maximum temperature difference of 12.7 C was achieved for minichannel heat exchanger with seven pass having water flow rate

of 1.64g/s and air velocity of 3 m/s At the mass flow rate of water is 1.64 g/s, the pressure drop of 2550 Pa and performance index were achieved for the minichannel heat sink with seven pass

In addition, the welding Aluminum method for MNHE is less efficiency than the bonding PMMA method These results are essential and useful for design and fabrication of minichannel heat exchanger

Furthermore, the results obtained from the numerical simulation were in good agreement with those obtained from the experimental data, with the discrepancies estimated to be less than 3 %

5 Products:

Three minichannel heat sinks,

One paper published on EI journal,

Two paper published on GTSD14 proceeding

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

The results publishing on international journals will be cited by scientists

Các nghiên cứu về phân bố dòng chảy đến truyền nhiệt và tổn thất áp suất qua các bộ trao đổi nhiệt kênh mini được thực hiện trong [2, 3] Luo cùng cộng sự [2] đã đề cập một ý tưởng mới của các bộ phân phối trong một bộ trao đổi nhiệt để cải thiện sự hoàn thiện về nhiệt Ảnh hưởng của sự phân bố đầu vào trên vấn đề phân phối lạnh trong các bộ trao đổi nhiệt kênh mini cùng chiều đã được nghiên cứu bởi Kim cùng cộng sự [3]; tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ đề cập đến môi chất lạnh R134a là môi chất làm việc chứ không phải là nước Hernando cùng cộng sự [4] đã nghiên cứu về tổn thất áp suất, nhiệt lượng và hệ số truyền nhiệt tổng trong một bộ trao đổi nhiệt kênh micro dòng một pha cho cả mô phỏng số và thực nghiệm Hasan cùng cộng sự [5] đã đánh giá ảnh hưởng của hình dáng kích thước kênh đến đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất của một bộ trao đổi nhiệt

kênh micro ngược chiều Trong nghiên cứu này, hiệu suất bộ trao đổi nhiệt và chỉ

số hoàn thiện như một hàm số của kích thước kênh, chỉ số Reynolds và tỉ số dẫn nhiệt Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ thực hiện bằng phương pháp mô phỏng số.

Tổng quan các kết quả thực nghiệm liên quan đến truyền nhiệt đối lưu một pha trong các kênh micro được thực hiện bởi Morini [6] Trong nghiên cứu này, các kết quả tổng quan đã thu được cho hệ số ma sát, quá độ từ chế độ chảy tầng sang chảy rối, chỉ số Nusselt trong các kênh có kích thước nhỏ hơn 1 mm Trong các công trình liên quan trên, các nghiên cứu đã đề cập đến ảnh hưởng của hình dáng kích thước của bộ trao đổi nhiệt kênh micro hay mini dạng chữ I, S, Z và thường chỉ có một pass chứ không có đề cập đến sự bố trí dòng chảy theo nhiều pass Thêm vào đó, các nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng chỉ mô phỏng phần lưu chất và kênh chứ không mô phỏng toàn bộ của bộ tản nhiệt

Một tổng quan về các bộ tản nhiệt và bộ truyền nhiệt cho các lưu chất một pha đã được thực hiện bởi Dixit và Ghosh [7] Các bộ trao đổi nhiệt mini này có nhiều tiềm năng cung cấp hệ thống năng lượng hiệu quả; các đặc điểm như độ chắc chắn, nhỏ gọn và nhẹ là những điểm mạnh hấp dẫn các ứng dụng liên quan Trong bài tổng quan này, các công nghệ gia công cũng như những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau hiện nay đã được tổng kết lại Họ đã thực hiện một tổng quan về các nghiên cứu nhiệt động một pha trong các bộ trao đổi nhiệt kênh micro hay mini một pha Nhiều bài báo liên quan đến các bộ trao đổi nhiệt kênh micro hay mini cho sơ đồ ngược chiều hay sơ đồ cắt nhau cũng đã được đề cập Đánh giá đặc tính dòng hai pha trong các kênh mini cho các bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn đã được thực hiện bởi Masiukiewicz và Anweiler [8] Sự đánh giá hỗn hợp dòng hai pha (hỗn hợp khí – lỏng) đã được nghiên cứu bởi phương pháp phân tích hình ảnh Những hình ảnh này thu được với kỹ thuật ghi hình tốc độ cao Một số hình ảnh của dòng chảy (sử dụng kỹ thuật ghi hình độc lập) có thể được xử lý bởi phương pháp stereology Stereology là một sự phiên ra mô hình 3D của các mặt cắt 2D của một vật Các kết quả đã thể hiện rằng các đặc tính thay đổi xảy ra trong hỗn hợp

có thể được dùng cho sự điều chỉnh hằng số cho các hệ thống hai pha khác nhau

như khí – lỏng hay khí – rắn Dixit và Ghosh [9] đã nghiên cứu một bộ trao đổi nhiệt kênh mini dòng cắt nhau Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng hiệu suất của lưu chất lạnh trội hơn hiệu suất của lưu chất nóng khi nguồn nhiệt bên ngoài cấp cho lưu chất lạnh Hiệu suất của lưu chất nóng giảm khi tăng hiệu suất của lưu chất lạnh với sự tăng tổn thất nhiệt Dang và Teng [10] đã so sánh các đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của các bộ trao đổi nhiệt kênh micro và mini bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm Các kết quả chỉ ra rằng các bộ trao đổi nhiệt kênh micro nên được lựa chọn sử dụng cho những hệ thống cần nhiệt lượng trao đổi lớn Thêm vào đó, hiệu suất thu được từ bộ trao đổi nhiệt kênh micro gấp 1,2 đến 1,5 lần hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt kênh mini

Piasecka và Maciejewska [11] đã nghiên cứu hệ số tỏa nhiệt đối lưu cho quá trình sôi trong kênh mini khi thay đổi các hướng trong không gian Các giá trị của

hệ số tỏa nhiệt đã được phân tích độc lập cho các vùng sôi hạt quá lạnh và bão hòa Các kết quả chỉ ra rằng giá trị hệ số toả nhiệt đối lưu cao nhất đã được khảo sát trong vùng sôi bão hòa ở vị trí thẳng đứng (900) và trong vùng sôi quá lạnh cho các kênh nghiêng một góc 450 Ảnh hưởng của đầu vào cho việc phân phối gas lạnh trong một bộ trao đổi nhiệt kênh mini sơ đồ dòng chảy cùng chiều đã được thực hiện bởi Kim cùng cộng sự [12] Sự phân phối gas R134a trong một thiết bị trao đổi nhiệt đã được nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng cho ba sơ đồ đầu vào khác nhau (song song, pháp tuyến và thẳng đứng) Kết quả cho thấy rằng giá trị giống nhau cho phương pháp tuyến và thẳng đứng Phân phối dòng chảy xấu nhất cho phương song song

Dang cùng cộng sự [13, 14] đã nghiên cứu các bộ trao đổi nhiệt kênh mini để thay thế cho két nước xe tay ga bằng phương pháp thực nghiệm Các kết quả của nghiên cứu đã chỉ ra rằng các bộ trao đổi nhiệt kênh mini có nhiệt lượng cao hơn giá trị thu được từ két nước xe tay ga; tuy nhiên, kích thước của các bộ trao nhiệt nhiệt kênh mini chỉ bằng 64% két nước của nhà sản xuất Các bộ trao đổi nhiệt đã được dùng là loại nhôm hàn và loại PMMA Liên quan đến ảnh hưởng của số pass đến quá trình truyền nhiệt của bộ trao đổi nhiệt kênh mini, Byun và Kim [15] đã

nghiên cứu bộ trao đổi nhiệt kênh mini sơ đồ cùng chiều có hai hàng / bốn pass bằng phương pháp thực nghiệm Trong nghiên cứu này, các kết quả tìm ra rằng đường kính lỗ vào của ống góp tối ưu là 4 mm Yadav và Singh [16] đã phân tích

so sánh giữa các chất làm mát khác nhau trên két nước xe ô tô Chất làm mát đã sử dụng là nước và các hỗn hợp của nước trong propylene glycol với tỉ lệ 40:60 Kết quả thử nghiệm trên két nước cho thấy rằng nước vẫn là chất làm mát tốt nhất nhưng nó làm ăn mòn và chứa muối không tan làm thoái hóa đường ống dẫn Hỗn hợp nước với ethylenglycol nhiệt dung riêng của nó giảm nhưng tính chất chống

ăn mòn của nó được tăng cường Hỗn hợp này làm tăng nhiệt độ sôi của nước và giảm nhiệt độ đóng băng Hiệu suất của hỗn hợp bằng hiệu suất nước thì tăng lưu lượng của hỗn hợp Khot và Santosh [17] đã sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD để đánh giá và so sánh tính năng của hai áo nước làm mát khác nhau của động cơ Diesel 6 xylanh thẳng hàng Từ phân tích cho thấy rằng model thứ hai có vận tốc qua áo nước được cải thiện và tổn thất áp suất giảm Nhiệt độ dầu động cơ

có thể được điều khiển bằng cách cải tiến thiết kế phù hợp trong hệ thống làm mát

đã được thực hiện bởi Singh cùng cộng sự [18] Kết quả cho thấy rằng tấm ngăn trên nắp máy sau khi cải tiến đã làm cho nhiệt độ dầu giảm khoảng 7oC, tiếp tục cải tiến thiết kế nắp máy để dòng chảy trực tiếp trên thân máy thì nhiệt độ dầu giảm 12,5oC Thêm vào đó, sau khi thiết kế lại các cánh quạt ly tâm thì nhiệt độ dầu giảm tổng thể khoảng 24oC

Paul cùng cộng sự [19] đã nghiên cứu việc dùng không khí để giải nhiệt cho động cơ xylanh bằng cách giả định tập hợp các cánh là hình vành khuyên gắn trên một xilanh Mô phỏng số đã được thực hiện để xác định các đặc tính truyền nhiệt của các thông số cánh khác nhau như: cánh, độ dày cánh, sự thay đổi vận tốc dòng không khí khi độ dày của cánh tăng lên Khoảng cách giữa các cánh giảm dần, ảnh hưởng đến quá trình tạo rối giúp tăng sự truyền nhiệt Số lượng cánh lớn tương ứng độ dày cánh nhỏ để giải nhiệt cho xe phân khối lớn thì dùng khá phổ biến, kết quả làm cho khả năng trao đổi nhiệt cao hơn

Agarwal cùng cộng sự [20] đã nghiên cứu sự truyền nhiệt bằng phương pháp

mô phỏng số CFD (Computational Fluid Dynamic) Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc của xe, hình dạng cánh tản nhiệt và nhiệt độ xung quanh Ở vận tốc 40km/h, 60km/h và 72km/h hệ số truyền nhiệt đã được tính toán từ giá trị dòng nhiệt 724W, 933,56W và 1123,03W tương ứng

Dang cùng cộng sự [21, 22] đã nghiên cứu nâng cao hiệu quả truyền nhệt của các bộ trao đổi nhiệt kênh mini bởi tăng số pass Trong nghiên cứu này, khi số pass tăng từ ba đến năm, nhiệt lượng của bộ trao đổi nhiệt tăng Tuy nhiên, các kết quả trong [15, 21, 22] đã không nghiên cứu tối ưu của số pass, chỉ số hoàn thiện cũng như tổn thất áp suất của các bộ trao đổi nhiệt này

1.1.2 Trong nước

Truyền nhiệt Mini/Micro là một hướng rất mới ở Việt Nam Hiện nay, rất ít các nhà khoa học chuyên ngành về công nghệ nhiệt lạnh nghiên cứu về mini/micro heat transfer, mini/micro heat exchanger hay mini/micro heat sink Trong các nghiên cứu liên quan đã thực hiện ở Việt Nam, Trung và Hùng [23] 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 Các kết quả này thu được thông qua đề tài nghiên cứu khoa học (NCKH) cấp trường trọng điểm (TĐ) 2011

Trung và Hùng [24] cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng tính chất vật lý của lưu chất trong bộ tản nhiệt kênh micro qua đề tài NCKH cấp Trường TĐ 2012 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 công kênh micro (substrate) cũng như tấm nắp phía trên đã được

mô phỏng số bởi sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên nghiệp CFD – ACE+ Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dáng bộ trao đổi nhiệt kênh micro đến quá trình

ngưng tụ nhằm nâng cao hiệu quả truyền nhiệt cũng đã được thực hiện thông qua

đề tài NCKH cấp Trường TĐ 2013 [25] Nhóm tác giả cũng đang nghiên cứu cải tiến nâng cao giải nhiệt của két nước xe tay ga bằng bộ tản nhiệt kênh mini (minichannel heat sink) dùng công nghệ UV Light qua đề tài NCKH cấp trường

TĐ 2014 [26] Tuy nhiên, nghiên cứu này chỉ tập trung vào nghiên cứu phần đặc tính truyền nhiệt chứ không đề cập đến dòng chảy lưu chất cũng như chỉ số hoàn thiện Bên cạnh đó, đề tài này chỉ thực hiện bởi phương pháp thực nghiệm chứ không dùng phương pháp mô phỏng số

Từ những tài liệu liên quan như trên, các nghiên cứu về nâng cao giải nhiệt

bộ tản nhiệt vẫn đang dừng lại ở kết cấu macro truyền thống Thêm vào đó, một chỉ số rất quan trọng đánh giá hiệu quả sử dụng nhiệt của một thiết bị trao đổi nhiệt đó là chỉ số hoàn thiện Chỉ số hoàn thiện liên quan đến cả đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp suất của thiết bị Trong đó, bố trí dòng chảy là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến chỉ số hoàn thiện Do vậy, nó rất quan trọng để nghiên cứu về ảnh hưởng của việc bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các

bộ tản nhiệt kênh mini Bố trí dòng chảy được đề cập trong nghiên cứu này thông qua số pass Nghiên cứu được thực hiện bởi cả phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm với các bộ trao đổi nhiệt có số pass lần lượt là 3, 5,7 và 9

Mục đích của nghiên cứu này là thực hiện một nghiên cứu mô phỏng số

và thực nghiệm để thiết kế chế tạo các bộ trao đổi nhiệt mới dùng kênh mini với

số pass thay đổi từ 3 đến 9; tìm ra sự ảnh hưởng về bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của các bộ tản nhiệt kênh kênh mini, nghiên cứu đưa ra kết quả tối

ưu về hiệu quả truyền nhiệt trong những điều kiện hoạt động của bộ trao đổi nhiệt kênh mini

1.2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Mục tiêu tổng quát

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

1.2.2 Cách tiếp cận

Từ các nghiên cứu liên quan, đi đến nghiên cứu một đối tượng cụ thể

Từ các nghiên cứu liên quan đã được công bố trên các tạp chí uy tín trên thế giới đã được xếp hạng như SCI, SCIE hay EI, nhóm tác giả thực hiện một nghiên cứu tổng quan những đối tượng liên quan đến đề tài, từ đó thấy được những vấn đề các nghiên cứu trước đã giải quyết, những vấn đề chưa giải quyết và cần giải quyết

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bởi sự kết hợp giữa lý thuyết nền tảng, mô phỏng số và thực nghiệm

Từ kết quả nghiên cứu tổng quan, nhóm nghiên cứu đưa ra đối tượng nghiên cứu, thiết kế mô hình, dùng phần mềm mô phỏng số học (COMSOL) để giải các phương trình toán học Tiếp theo đó, nhóm nghiên cứu thực hiện thực nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng số và đồng thời cũng so sánh kết quả với các công

bố liên quan khác Các kết quả có giá trị được công bố trên một số hội nghị quốc

tế có phản biện và đăng trên các tạp chí quốc tế uy tín thuộc ISI

1.2.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Quá trình truyền nhiệt, tổn thất áp suất và chỉ số hoàn thiện của bộ tản nhiệt kênh mini Môi chất làm việc: Nước cất

Mô phỏng số về truyền nhiệt và tổn thất áp suất cho bốn bộ tản nhiệt có số pass là 3, 5, 7 và 9

Thiết kế chế tạo ba bộ tản nhiệt mới dùng kênh mini với số pass là 3, 5, 7 và

9

Nghiên cứu ảnh hưởng của bố trí dòng chảy đến chỉ số hoàn thiện của bộ tản nhiệt có kênh mini

1.2.5 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan các nghiên cứu liên quan

- Đưa ra động lực nghiên cứu

- Đưa ra đối tượng và phương pháp nghiên cứu

- Mô phỏng số mô hình

- Thiết kế mô hình

- Thí nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực tế

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

PHẦN 2 CƠ SỞ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

- Bỏ qua truyền nhiệt bức xạ

Những phương trình chính yếu trong hệ thống này bao gồm phương trình liên tục, phương trình mômentum và phương trình năng lượng [26, 27]

v x

u z

w y

v x

u v x

u u

21

z

u y

u x

u x

v v x

v u

21

z

v y

v x

v y

w v x

w u

2 2

2

1

z

w y

w x

w z

chảy p=p 0 , và μ((∂u/∂x)+(∂v/∂y)+(∂w/∂z)+((∂u/∂x)+(∂v/∂)+(∂w/∂z)) T =0 Trong

những phương trình này, µ là độ nhớt động lực học, ρ là khối lượng riêng, u là vận tốc theo phương x, v là vận tốc theo phương y, w là vận tốc theo phương z, p là áp suất và p 0 là áp suất ở đầu ra

Cho sự chuyển đổi năng lượng, các vách có điều kiện áp dụng cho vận tốc và nhiệt

độ tại vách [23-27], những điều kiện này được thể hiện bởi

u=0

T wall =T fluid at wall

Phương trình năng lượng

z

T w y

T v x

T u

Q z

T y

T x

Ql = Qa = Q

Trong đó:

Q là nhiệt lượng

m là lưu lượng khối lượng

c là nhiệt dung riêng đẳng áp

Lượng nhiệt cực đại truyền qua thiết bị, Qmax, được tính

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

Q

q

c

a,i o a, a anL

)T-(Tcm

  

 



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

T,i và T,o là nhiệt độ đầu vào và đầu ra, q là mật độ dòng nhiệt, A là diện tích truyền nhiệt, k là hệ số truyền nhiệt tổng và T lm độ chênh nhiệt độ trung bình

m wD

L w f

p

h h

2 2

Re 2





(11) Chỉ số hoàn thiện  được xác định bởi:

2.2 LẮP ĐẶT HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM

Trong hệ thống thí nghiệm này, ba bộ phận chính đã được sử dụng: mẫu thí

nghiệm (Các bộ tản nhiệt kênh mini - Minichannel heat sinks), hệ thống bơm và

hệ thống đường ống, như được thể hiện ở hình 2.1 Trong nghiên cứu này, các bộ

tản nhiệt minichannel đã được dùng làm thí nghiệm Quá trình truyền nhiệt của

những thiết bị này được thực hiện bởi nước cất và không khí Nhiệt được truyền

cho nước từ nguồn gia nhiệt Sau đó nước được bơm vào bộ tản nhiệt kênh mini

Phía cánh tản nhiệt của bộ tản nhiệt kênh mini được giải nhiệt bằng gió

Hình 2.1 Mô hình thực nghiệm

Vật liệu của bộ tản nhiệt kênh mini là nhôm, sử dụng làm bề dày substrate

với hệ số dẫn nhiệt là 237 W/(m.K), khối lượng riêng là 2700 kg/m3, nhiệt dung

riêng đẳng áp là 904 J/(kg.K)

Các bộ tản nhiệt kênh mini giống nhau về kích thước ngoài với chiều dài,

chiều rộng và chiều dày của substrate tương ứng là 140 mm, 100 mm và 12 mm

Trong đó, phía giải nhiệt của 4 mẫu cũng giống nhau gồm 48 cánh, với chiều dày

cánh là 1mm và chiều cao cánh là 10 mm Hình 2.2, Hình 2.3 và Bảng 2.1 thể hiện

kích thước của bốn mẫu nghiên cứu

a) Kích thước mẫu 3 pass

b) Kích thước mẫu 5 pass

Hình 2.2 Kích thước mẫu 3 và 5 pass

a) Kích thước mẫu 7 pass

b) Kích thước mẫu 9 pass

Hình 2.3 Kích thước mẫu 7 và 9 pass

Bảng 2.1 Các thông số của các bộ tản nhiệt

Trong các bộ tản nhiệt kênh mini, về phía nước, các kênh mini có chiều dài kênh là 110 mm Các kênh mini có mặt cắt ngang là hình chữ nhật với chiều rộng kênh là 1mm và chiều sâu là 1 mm Khoảng cách giữa hai kênh mini kề nhau là 1mm Tất cả các kênh được kết nối bởi các ống gốp ở đầu vào và đầu ra Các ống gốp có dạng hình chữ nhật với chiều rộng là 10 mm và chiều sâu là 1 mm Một lớp

PMMA (polymethyl methacrylate) đã được dán phía trên của substrate bằng công

nghệ dán tia UV Hình 2.4 là hình vẽ 3D của mẫu 3 pass Các mẫu thí nghiệm này

đã được chế tạo bởi công nghệ gia công mini chính xác Mỗi đầu vào và đầu ra của

bộ tản nhiệt này có diện tích mặt cắt ngang là 25 mm2 PMMA có hệ số dẫn nhiệt

là 0,19 (W/mK) và khối lượng riêng là 1420 kg/m3 Hình thực của bộ tản nhiệt kênh mini 05 pass được thể hiện ở hình 2.5

Hình 2.4 Hình 3D của mẫu 03 pass

Kích thước substrate

Bộ tản

Chiều dài kênh

(mm)

Số kênh/pass

Tổng số kênh