Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ 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
1
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, Việt Nam
a
;
c
;
TÓM TẮT
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
phỏng 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. GIỚI THIỆU
Công nghệ micro được rất nhiều nhà khoa học áp dụng nghiên cứu vào những bộ trao

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]:
∂ρ
+ ∇.( ρu ) = 0
∂t

ρ

∂u
2
2


+ ρ (u.∇)u = ∇.− pl + ( µ + µ T )(∇u + (∇u ) T ) − ( µ + µ T )(∇.u )l − ρkl  + F
∂t
3
3



ρ



µ
∂k
+ ρ (u.∇).k = ∇.( µ + T ).∇k  + Pk − ρε
∂t
σk

ε

2

 2
Pk = µ T ∇u : (∇u + (∇u ) T ) − (∇.u ) 2  − ρk∇.u
3

 3

Bảng 1: Các điều kiện biên
ρ (u.n)dS = m
−∫
Inlet 1

m_in

∂Ω

3/ 2
3
2
3/ 4 k
k = (lT ) , ε = C µ
2
LT

p = po ,
Outlet 1



Outlet 2

0 Pa

2
2


T
( µ + µ T )(∇u + (∇u ) ) − 3 ( µ + µ T )(∇.u )l − 3 ρkl  n = 0


∇k .n = 0, ∇ε .n = 0

Outflow 2

− n.(− k∇T ) = 0

Temperature 1 T_lq

T = To

Temperature 2 T_amb

T = To

Trong đó T là nhiệt độ, T o 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, Po là áp
suất ban đầu, k l à động năng dòng chảy rối, F là ngoại lực, ε là lượng tiêu tán năng lượng

Hình 3. Mô hình thiết bị kênh micro với ống góp đặt tại biên ngoài (chữ Z)
3. KẾT 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
640


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
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

[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] />THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

PGS.TS. Đặng Thành Trung, Khoa Cơ Khí Động Lưc, Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Tp.HCM
Email: , Phone: 0913.606.261

2.

NCS. Đoàn Minh Hùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM
Email: , Phone: 0908.318.456

3.