Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU 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 Trunga, NCS Đoàn Minh Hùngb, ThS Nguyễn Trọng Hiếuc, ThS Lê Bá Tând, Nguyễn Gia Đạt, Giang Kiến Cường, Hồ Tấn Thịnh Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, Việt Nam a trungdang@hcmute.edu.vn; bhungdm@hcmute.edu.vn c hieunt@hcmute.edu.vn; dlebatan@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng sơ đồ dòng chảy đến trình bay kênh micro thực phương pháp mô số thực nghiệm Các kết mô số đồng thuận với thực nghiệm, với sai số cực đại nhỏ 3% Những kết nghiên cứu có nghĩa quan trọng cho nghiên cứu dòng hai pha kênh micro Từ khóa: trao đổi nhiệt kênh micro, truyền nhiệt, bay hơi, sơ đồ dòng chảy, mô 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 GIỚI THIỆU Công nghệ micro nhiều nhà khoa học áp dụng nghiên cứu vào trao đổi nhiệt kết thu ngày tốt khả trao đổi nhiệt tăng lên, kích thước trao đổi nhiệt giảm xuống, hiệu suất truyền nhiệt ngày cải thiện Liên quan đến nghiên cứu này, Law cộng [1] khảo sát thực nghiệm so sánh dòng nhiệt sôi với đặc tính áp suất kênh micro cánh thẳng cánh xiên Ở kích thước kênh điều kiện hoạt động tương tự nhau, thí nghiệm so sánh cho thấy hiệu truyền nhiệt tăng đáng kể kênh micro sử dụng cánh thẳng dòng nhiệt trao đổi chậm giai đoạn đầu kênh micro sử dụng cánh xiên Dòng chảy không ổn định mối quan tâm lớn dòng chảy sôi kênh mini kênh micro Mô tả chi tiết không ổn định dòng chảy sôi cung cấp Kandlikar [2-4] Sự không ổn định xuất kênh có đường kính nhỏ nghiên cứu Sự tạo mầm tăng lực cản dòng chảy dòng hai pha kênh dẫn đến ổn định Những biến đổi áp suất với tần số cao báo cáo số nhà khảo sát Kew Cornwell [5], Pelescùng cộng [6] Ảnh hưởng dòng nhiệt, lưu lượng khối lượng kích thước kênh đến hiệu suất dòng nhiệt sôi kênh micro lõm, rỗng thực Deng cộng [7] Một loại kênh micro lõm nghiên cứu phát triển thử nghiệm hệ thống làm mát - tản nhiệt Kết thí nghiệm cho thấy, hiệu suất truyền nhiệt kênh micro lõm, rỗng 637 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV phụ thuộc nhiều vào dòng nhiệt lại phụ thuộc vào lưu lượng khối lượng Hardt cộng [8] nghiên cứu trình bay 2-propanol nước kênh cyclo polymer olefin (COP) kênh micro silicon có mặt cắt ngang hình vuông với nguồn nhiệt đồng cấp từ bên kênh Có thể nhận thấy rằng, nghiên cứu mô số thực nghiệm ảnh hưởng bố trí dòng chảy trình bay kênh micro không nhiều, đặc biệt cho mô số dòng pha 3D toàn thiết bị Do vậy, nghiên cứu cần thiết Đề tài thực hai mô hình có sơ đồ dòng chảy chữ Z chữ I cho phương pháp mô số thực nghiệm CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để mô số đặc tính truyền nhiệt lưu chất cho trình bay kênh micro, phương trình yếu hệ thống sử dụng [9-11]: ∂ρ + ∇.( ρu ) = ∂t ρ ∂u 2   + ρ (u.∇)u = ∇.− pl + ( µ + µ T )(∇u + (∇u ) T ) − ( µ + µ T )(∇.u )l − ρkl  + F ∂t 3   ρ   µ ∂k + ρ (u.∇).k = ∇.( µ + T ).∇k  + Pk − ρε ∂t σk   ρ   µ ∂ε ε2 ε + ρ (u.∇).ε = ∇.( µ + T ).∇ε  + C e1 Pk − C e ρ , ε = ep k k ∂t σε   ρC p ∂T + ρC p u.∇T = ∇.(k∇T ) + Q ∂t µ T = ρC µ k2 ε   Pk = µ T ∇u : (∇u + (∇u ) T ) − (∇.u )  − ρk∇.u   Bảng 1: Các điều kiện biên ρ (u.n)dS = m −∫ Inlet m_in ∂Ω 3/ 3/ k k = (lT ) , ε = C µ LT p = po , Outlet 38 MPa 2   T ( µ + µT )(∇u + (∇u ) ) − ( µ + µT )(∇.u )l − ρkl  n = ∇k n = 0, ∇ε n = − n.(−k∇T ) = Outflow u = −u o n Inlet v_air k= k 3/ (U o lT ) , ε = C µ3 / LT 638 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV p = po , Outlet Pa 2   T ( µ + µ T )(∇u + (∇u ) ) − ( µ + µ T )(∇.u )l − ρkl  n =   ∇k n = 0, ∇ε n = Outflow − n.(− k∇T ) = Temperature T_lq T = To Temperature T_amb T = To Trong T nhiệt độ, T o nhiệt độ ban đầu, t thời gian, c p nhiệt dung riêng đẳng áp, ρ khối lượng riêng, µ độ nhớt động lực học, u vận tốc, P áp suất, Po áp suất ban đầu, k l động dòng chảy rối, F ngoại lực, ε lượng tiêu tán lượng chảy rối, C µ số dòng chảy rối, Q nhiệt lượng, lT cường độ dòng chảy rối, n vector pháp tuyến, S diện tích LT chiều dài dòng chảy rối Trong nghiên cứu này, môi chất làm việc nước tinh khiết, phương trình yếu điều kiện biên (Bảng 1) giải phương pháp phần tử hữu hạn với lời giải PARDISO (PARallel DIrect Solver) [12] để tìm giá trị nhiệt độ, vận tốc, áp suất entalpy Mô hình giải phần mềm đa vật lý COMSOL, phiên 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 tạo xong có: 202 đỉnh, 9446 cạnh, 31998 biên 102800 phần tử lưới Với mô hình chữ I, lưới sau tạo xong có: 204 đỉnh, 9436 cạnh, 31932 biên 102198 phần tử lưới Lời giải hội tụ với sai số tương đối cho lời giải 10-6 Vật liệu thiết bị gia nhiệt kênh micro nhôm, sử dụng bề dày lớp với độ dẫn nhiệt k=160[W/mK], khối lượng riêng ρ=2700[kg/m3], nhiệt dung riêng đẳng áp C p =900[J/kgK] Bề dày lớp 1mm Hình cho thấy kích thước mô hình mô thực nghiệm Hình Kích thước thiết kế mô hình chữ I Quá trình mô thực với mẫu thí nghiệm có ống góp đặt kênh (chữ I) biên (chữ Z) phần kênh thể Hình Các thông số kích thước hai mô hình giống hoàn toàn, chúng khác vị trí đầu vào đầu ống góp lưu chất 639 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Mô hình thiết bị kênh micro với ống góp đặt phần kênh (chữ I) Hình Mô hình thiết bị kênh micro với ống góp đặt biên (chữ Z) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong điều kiện nghiên cứu với nhiệt độ môi trường 34,5oC, lưu lượng cố định 0,7g/s, ta thay đổi nhiệt độ nước đầu vào từ giá trị 40oC đến 60oC Một kết thu cho mẫu I thể Hình Hình Trường nhiệt độ nước trao đổi nhiệt với lưu lượng 0.7 g/s mẫu chữ I Hình So sánh kết mô thực nghiệm mẫu chữ I 640 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Khảo sát Hình cho thấy trình sôi lưu chất xảy substrate Nhiệt độ sôi lưu chất nằm phân nửa phía đầu tấm, nhiệt độ có giảm vị trí đầu ống góp Điều giải thích nguồn nhiệt gia nhiệt đoạn substrate không gia nhiệt substrate nên phần đầu bị tổn thất nhiệt Kết mô số thực nghiệm thể Hình cho mẫu chữ I Cần ý điều kiện cho thực nghiệm mô số thiết lập hoàn toàn giống Kết thực nghiệm cho thấy rằng: điều kiện nhiệt độ môi trường 34,5oC, lưu lượng 0,3g/s nhiệt độ nước đầu tăng nhiệt độ nước đầu vào tăng Sai lệch thực nghiệm mô số có sai số cực đại không 3% Quá trình mô thực với có ống góp đặt kênh (chữ I) biên (chữ Z) phần kênh thể Hình Mô thực với thông số nhiệt độ thay đổi từ 40 đến 600C, lần tăng 50C, công suất điện trở 176W, lưu lượng nước vào giữ mức 0.3g/s Hình Kết mô mẫu chữ I mẫu chữ Z Hình Đồ thị quan hệ nhiệt độ nhiệt độ nước vào hai mô hình So sánh nhiệt độ thay đổi lưu lượng cho hai mô hình thể Hình Kết cho thấy nhiệt độ đầu mô hình I cao mô hình Z, điều mô hình chữ Z có đường lưu chất dài nên trình bay xảy trước sau bị tổn thất nhiệt môi trường nhiều nên cuối nhiệt độ đầu ống góp mô hình Z thấp mô hình chữ I Những kết từ Hình đến kết mới, nhà khoa học mô thực nghiệm công bố kết này, đặc biệt cho kết mô trình hai pha mô hình 3D Những kết có nghĩa quan trọng nghiên cứu dòng hai pha kênh micro thiết kế dàn lạnh micro cho hệ thống điều hòa không khí dân dụng công nghiệp KẾT LUẬN Ảnh hưởng sơ đồ dòng chảy (chữ I chữ Z) đến trình bay kênh micro thực phương pháp mô số thực nghiệm Các mô hình mô phần mềm đa vật lý COMSOL phiên 4.3b 641 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Kết cho thấy rằng, bay sơ đồ chữ Z sớm chữ I, điều dẫn đến nhiệt độ đầu sơ đồ chữ Z thấp chữ I Những kết có nghĩa quan trọng nghiên cứu dòng hai pha kênh micro Các kết thu từ mô đồng thuận với thực nghiệm, sai số cực đại mô số thực nghiệm không 3% TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rin Yun, Yongchan Kim, Chasik Park, Numberical analysis on a microchannel evaporator designed for CO 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 GIẢ 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 NCS Đoàn Minh Hùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Email: hungdm@hcmute.edu.vn, Phone: 0908.318.456 ThS Nguyễn Trọng Hiếu, Khoa Cơ Khí Máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Email: hieunt@hcmute.edu.vn, Phone: 0989.620.635 ThS Lê Bá Tân, Trung tâm Việt Đức, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Email: lebatan@hcmute.edu.vn, Phone: 0906.818.204 642 ... nhiệt đồng cấp từ bên kênh Có thể nhận thấy rằng, nghiên cứu mô số thực nghiệm ảnh hưởng bố trí dòng chảy trình bay kênh micro không nhiều, đặc biệt cho mô số dòng pha 3D toàn thiết bị Do vậy, nghiên. .. Kết cho thấy rằng, bay sơ đồ chữ Z sớm chữ I, điều dẫn đến nhiệt độ đầu sơ đồ chữ Z thấp chữ I Những kết có nghĩa quan trọng nghiên cứu dòng hai pha kênh micro Các kết thu từ mô đồng thuận với thực... mô trình hai pha mô hình 3D Những kết có nghĩa quan trọng nghiên cứu dòng hai pha kênh micro thiết kế dàn lạnh micro cho hệ thống điều hòa không khí dân dụng công nghiệp KẾT LUẬN Ảnh hưởng sơ đồ