Tổng quan về thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng kênh dẫn nhiệt có kích thước nhỏ và siêu nhỏ

Trong các thiết bị trao đổi nhiệt thông thường, các kênh trao đổi nhiệt có kích thước lớn làm cho thiết bị trao đổi nhiệt trở nên cồng kềnh. Kích thước và khối lượng lớn là một trong những hạn chế của thiết bị trao đổi nhiệt trong một số ứng dụng cụ thể như hệ thống trao đổi nhiệt của tua bin khí, hệ thống lạnh sâu, các thiết bị trao đổi nhiệt trong nhà máy nhiệt điện, tàu ngầm hạt nhân… Đồng thời đối với các thiết bị trao đổi nhiệt làm việc trong môi trường áp suất cao, đòi hỏi kênh dẫn nhiệt phải chịu được ứng suất rất cao làm gia tăng chi phí sản xuất và vận hành. Để khắc phục những khó khăn đó, thiết bị trao đổi nhiệt nhỏ gọn sử dụng kênh trao đổi nhiệt nhỏ và siêu nhỏ được ra đời.

Hình 1: Ống đa kênh ứng dụng trong điều hòa không khí

Thực nghiệm đã chứng minh rằng, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của môi chất trong kênh nhỏ và siêu nhỏ (mini/micro channels) cao hơn rất nhiều so với các kênh trao đổi nhiệt có kích thước thông thường (conventional channels), đồng thời hoàn toàn thích hợp sử dụng cho các hệ thống làm việc ở áp suất cao. Với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu vượt trội, chiều dài kênh trao đổi nhiệt cho cùng một công suất nhiệt giảm đi đáng kể, do đó giảm kích thước và trọng lượng tổng thế của thiết bị trao đổi nhiệt. Điều này làm cho các thiết bị trao đổi nhiệt ngày càng nhỏ hơn, nhẹ hơn và hiệu quả trao đổi nhiệt cao hơn, đáp ứng cho các ứng dụng như tản nhiệt cho các thiết bị điện thoại, máy tính…

Dòng chất lỏng chuyển động trong các kênh dẫn có ở khắp mọi nơi, trong tự nhiên và cả trong các hệ thống nhân tạo. Truyền nhiệt và chuyển khối xuất hiện trong các hệ thống sinh học như hệ tuần hoàn, hệ hô hấp, hệ tiêu hóa… cũng như trong nhiều hệ thống nhân tạo như thiết bị trao đổi nhiệt của lò phản ứng hạt nhân, nhà máy nhiệt điện và trong các ứng dụng của hệ thống lạnh và điều hòa không khí. Với những tiến bộ trong công nghệ máy tính và điện toán trong vài thập kỷ quá, các thiết bị điện tử đã trở nên nhanh hơn, nhỏ hơn và mạnh hơn. Điều này dẫn đến tốc độ sinh nhiệt ngày càng cao, đòi hỏi những thiết bị trao đổi nhiệt có công suất lớn hơn những thiết bị trao đổi nhiệt truyền thống.

Trong các hệ thống sinh học, các kênh dẫn nhỏ và siêu nhỏ xuất hiện trong hầu hết các bộ phận của cơ thể. Các dòng chất lỏng và chuyển khối bên trong cơ thể con người như các phế nang phổi trong hệ hô hấp, các tĩnh mạch trong hệ tuần hoàn… Tương tự, những thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng ống nhỏ và siêu nhỏ với hiệu suất rất cao được sử dụng cho các thiết bị đầu phát lazer hay trong trong vi xử lý máy tính.

Hình 2: Mặt cắt kênh dẫn nhiệt trong microchip

Để có thể phân loại theo kích thước của các kênh dẫn nhiệt, Satish G. Kandlikar đã đưa ra những hướng dẫn cụ thể như sau:

Bảng 1: Phân loại kênh dẫn theo kích thước

Conventional Channels

Dh > 3mm

Minichannels

200µm <Dh ≤ 3mm

Microchannels

10µm <Dh ≤ 20µm

Transitional Microchannels

1µm <Dh ≤ 10µm

Transitional Nanochannels

0.1µm <Dh ≤ 1µm

Molecular Nanochannels

Dh ≤ 0.1µm

Hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng kênh dẫn nhiệt nhỏ và siêu nhỏ vượt trội so với các thiết bị trao đổi nhiệt truyền thống, nhưng vẫn có những yếu tố ảnh hưởng đến nó như: tính chất vật liệu, chất tải nhiệt, sắp xếp dòng chảy và các thông số làm việc. Vì vậy, hiện nay có rất nhiều nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu, thử nghiệm nhằm tối ưu các tham số để có thể chế tạo những thiết bị trao đổi nhiệt ngày càng nhỏ, nhẹ và hiệu suất cao hơn.

TS, Giảng viên. Phạm Quang Vũ, Khoa CNNL.