Chng 1 M« h×nh to¸n häc cña èng nhiÖt nhá vµ x¸c ®Þnh c«ng suÊt nhiÖt lín nhÊt Ch¬ng 1 Giíi thiÖu, ph©n lo¹i vµ øng dông èng nhiÖt 1 1 CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña èng nhiÖt 1 1 1 CÊu t¹o èng[.]
Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn Chơng Giới thiệu, phân loại ứng dụng ống nhiệt 1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động ống nhiệt 1.1.1 Cấu tạo ống nhiệt ống có không gian khép kín (ống đợc bịt kín hai đầu) Bên chứa chất lỏng thực hai trình chuyển pha sôi ngng (hình 1.1) Vách ống thờng kim loại, thông thờng ống có dạng hình trụ có dạng khác nh hình hộp, 1.Phần bay hơi; 2.Dỏng hơi; 3.Phần ngng tụ; 4.Dòng lỏng Hình 1.1 Cấu trúc ống nhiệt ống nhiệt đợc chia thành ba phần: phần bốc gọi phần bay hơi, ống nhiệt nhận nhiệt, phần đoạn nhiệt, phần ống không trao đổi nhiệt với bên ngoài, phần có không; phần ngng ống toả nhiệt 1.1.2 Nguyên lý hoạt động Trong phần bèc h¬i chÊt láng nhËn nhiƯt cđa ngn nãng (vÝ dụ khói ) sẻ sôi biến thành hơi, chuyển động qua phần đoạn nhiệt tới phần ngng Tại nhả nhiệt qua 12 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn vách ống (ví dụ: không khí ) ngng tụ lại thành chất lỏng ngng, chất lỏng ngng tạo thành sẻ chảy phần bốc nhờ lực sau đây: Lực trọng trờng, lực mao dẫn, lực ly tâm, lực từ trờng 1.2 Phân loại ống nhiệt Có nhiều cách phân loại ống nhiệt: 1.2.1 Theo lực tác dụng đa lỏng phần bay a) ống nhiệt trọng trờng - Lực tác dụng để đa lỏng phần bay lực lực trọng trờng nên gọi ống nhiệt trọng trờng, phần sôi buộc phải đặt thấp phần ngng để lỏng chảy từ xuống dới (hình 1.1) - Để nâng cao khả truyền tải nhiệt lớn nhất, ngời thiết kế đặt bên ống vật để tách riêng dòng dòng chất lỏng ngng èng nhiƯt nµy gäi lµ èng nhiƯt träng trêng cã thiết bị tách dòng bên b) ống nhiệt mao dÉn - NÕu lµ lùc mao dÉn gäi lµ èng nhiệt mao dẫn, lực mao dẫn hút chất lỏng ngng từ phân ngng phần bốc ống nhiệt mao dẫn thờng đợc sử dụng phần sôi đặt cao phần ngng (ngợc hớng trọng trờng), để tạo lực mao dẫn làm rÃnh bên ống, đặt lới kim loại sát bề mặt ống tạo nên vật gọi bấc kết hợp vừa làm rÃnh vừa đặt kim loại 13 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn Vùng ngng tụ; Vùng bay hơi; Dòng lỏng; Dòng hơi; Bấc; Q-Nhiệt nhận vào nhiệt thải c) ống nhiệt ly tâm - Nếu lực tác dụng lên chất lỏng ngng lực ly tâm gọi èng nhiƯt ly t©m, nhê sù quay èng nhiƯt víi vận tốc xác định Hình 1.3 cấu ống nhiệt ly tâm để Hình 1.2 Cấu tạo trúccủa ống nhiệt dẫn làm mát động cơmao điện Hình 1.3 ống nhiệt ly tâm làm mát động điện Thân động cơ; Rôto; Stato; Trục rỗng (ống nhiệt ly 14 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn tâm) d) ống nhiệt điện trờng - Nếu lực tác dụng lên chất lỏng ngng lực điện trờng, ống nhiệt gọi ống nhiệt điện trờng e) ống nhiệt từ trờng - Nếu lực tác dụng lên chất láng ngng lùc tõ trêng, èng nhiƯt gäi lµ èng nhiƯt tõ trêng 1.2.2 Theo mơc ®Ých sư dơng cđa èng nhiƯt - èng nhiƯt trun t¶i nhiƯt tõ vïng cã nhiƯt ®é cao sang vïng cã nhiƯt ®é thÊp, ống nhiệt đợc coi nh phần tử truyền tải nhiệt - ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ; Múc đích giữ nhiệt độ không đổi - ống nhiệt truyền nhiệt chiều; điốt-nhiệt - ống nhiệt dùng làm công tắc nhiƯt 1.2.3 Theo nhiƯt ®é sư dơng - èng nhiƯt nhiệt độ thấp: Nhiệt độ làm việc nhỏ 200 K - ống nhiệt nhiệt độ thấp: Nhiệt độ làm việc từ 200K đến 550K 15 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công st nhiƯt lín nhÊt - èng nhiƯt nhiƯt ®é trung bình: Nhiệt độ làm việc từ 550K đến 750K - ống nhiệt nhiệt độ cao: Nhiệt độ làm việc 750K, 1.2.4 Theo hình dáng ống Về hình dạng bên ngoài, phân ống nhiệt thành: - ống nhiệt đơn giản hình trụ: Chiều dài ống lớn nhiều so với đờng kính ống - ống nhiệt hình hơi: Chiều dài ống tơng đơng với đờng kính ống - ống nhiệt phức tạp 1.2.5 Theo môi chất nạp Phần lớn ống nhiệt đợc sử dụng với việc nạp môi chất lỏng tinh thiết đó, nhng gần với mục đích tăng khả truyền tải nhiệt sử dụng ống nhiệt điều kiện làm việc đặc biệt, ngời ta sử dụng ống nhiệt với môi chất nạp gồm nhiều chất lỏng tinh khiết hỗn hỵp 1.3 øng dơng cđa èng nhiƯt 1.3.1 Sư dụng nhiệt thải Thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt có nhiều u việt hoàn toàn thoả mÃn nhu câu tận dụng nhiệt thải Nhiều nớc công nghiệp phát triển đà sản xuất hàng loạt thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt điển hình Nhật Bản, 16 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn Mỹ Trung Quốc thiết bị tận dụng nhiệt thải đà đợc chế tạo hoạt động tin cậy Tiệp khắc đà sản xuất loại thiết bị trao đổi nhiệt băng ống nhiệt loại N loại W Loại N với môi chất nạp NH sử dụng khoảng nhiệt độ từ -25 đến 80oC Loại W với môi chất nạp H 2O sử dụng khoảng nhiệt độ 50 đến 320oC Thiết bị trao đổi nhiệt loại khí- khí ống nhiệt trọng trờng đợc ứng dụng nhiều u điểm bật so với loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng vách ngăn đối lu Hình 1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt khói-không khí ống nhiệt Kênh không khí; Vách ngăn; Hàng ống nhiệt có Kênh khói cánh; 17 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn Sau u điểm thiết bị trao đổi nhiệt loại khí - khí dùng ống nhiệt - Diện tích bề mặt truyền nhiệt lớn, nhng thiết bị lại gọn, không chiếm nhiều không gian, u điểm đạt đợc ta làm cánh bề mặt ống nhiệt - Dòng khí nóng dòng khí lạnh đợc tách riêng bề mặt cố định Do tránh đợc tợng hoà trộn hai dòng khí nóng lạnh, gây bẩn cho - Thiết bị không cần dùng thêm ngoại lực việc dùng quạt cho hai dòng chất khí nóng lạnh lu động - Khi môi chất nạp vật liệu ống đợc chọn thích hợp, thiết bị làm việc khoảng nhiệt độ rộng với độ tin cậy cao tuổi thọ lâu dài - Thiết bị dễ dàng chế tạo lắp đặt, phù hợp với không gian lắp đặt thoả mÃn độ giảm áp cho phép - Đối với thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng khói thải ống nhiệt có cánh bên ống, nh khói có chứa nhiều bụi bẩn, hÃng sản xuất Nhật đà chế tạo thiết bị ống nhiệt, cho toàn thiết bị quay quanh trục Làm nh vừa tránh bụi bẩn bám bề mặt, vừa làm tăng hệ số toả nhiệt đối lu bề mặt ống - Một u điểm thiết bị không bị ảnh hởng ứng suất nhiệt, điều thờng xảy với thiết bị khác Vấn đề lại phải giải khả chịu ăn mòn ống nhiệt chúng làm việc môi trờng bị ăn mòn Điều đà đợc giải cách phủ lớp chì 18 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn lên bề mặt ống nhiệt H·ng Furukawa NhËt b¶n sư dơng 1700 èng nhiƯt trờng, ống dài 8,5m bên ống bọc lớp chì để chống ăn mòn SO2 Kết đà tận dụng lại đợc 2,1 triệu kCal/h cđa 250.000 m3 khÝ chøa SO2 ë nhiƯt ®é 1600C 1.3.2 Sử dụng ngành công nghiệp điện-điện tử Các thiết bị điện tử ngày có công suất lớn thờng đợc sản xuất dới dạng lớn Trong trờng hợp nh giải vấn để toả nhiệt phơng pháp cổ truyền nh dẫn nhiệt qua nhôm đối lu qua cỡng môi trờng không thích hợp ống nhiệt đợc ứng dụng hoàn toàn đáp ứng nhu cầu đặt với thiết bị gọn nhẹ Trong ngành công nghiệp ống nhiệt thờng đợc sử dụng ống nhiệt mao dẫn ống nhiệt mao dẫn đợc ứng dụng để giải nhiệt cho thiết bị máy tính, nh card âm thanh, card hình loại chíp vi xử lý với tốc độ xử lý cao Hình 1.5 ống nhiệt đợc ứng dụng để làm mát thiết bị điện 19 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn tử Chúng ta đà biết động điện tác động dòng Fucô nhiệt chủ yếu sinh rôto stato Trớc để làm mát động ngời ta làm mát cách thổi không khí trực tiếp vào động Cùng với không khí lợng bụi bẩn định gây ảnh hởng không tốt cho động Gần ống nhiệt ly tâm đà đợc ứng dụng thu đợc kết tốt ẩng nhiệt ly tâm trục rôto máy điện, động cơ, quạt, bơm, tuabin nhờ ta lấy lợng nhiệt cách hiệu Loại động nh thiết bị gọn nhẹ ®i rÊt nhiỊu èng nhiƯt mao dÉn cho phÐp lÊy nhiệt từ chi tiết stato động điện từ công tắc đổi nối công suất lớn, từ cụm biến lơn Làm mát dây cáp điện Trớc dây cáp điện đợc làm mát nớc nhờ hệ thống bơm Vì đờng dây cáp dài, để độ chênh nớc làm mát phải lớn nên nhiệt độ nớc vào phải thấp, cáp dài nên hiệu ứng làm mát không đồng theo chiều dài Nhợc điểm đà đợc khắc phục cách sử dụng ống nhiệt mao dẫn Ngời ta đặt ống nhiệt dọc theo dây cáp ỏ đầu cuối ống có toả nhiệt tự nhiên vào môi trờng xung quanh xuống đất ậ không cần dùng tới bơm mà khắc phục đợc nhợc điểm phơng pháp cổ truyền HÃng Furakawa đà chế tạo thành công ống nhiệt dài 20 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn nhất giới (200m) để làm mát dây cáp điện Bằng thực nghiệm ngời ta chứng minh đợc rằng: Khi không đợc làm mát, 12 dây cáp ngầm nhiệt độ 107oC, nhng đợc làm mát ống nhiệt nhiệt độ 82oC 1.3.3 Sử dụng để cao hiệu suất công nghệ hút ẩm điều hoà không khí Hút ẩm thờng dùng phơng pháp sau: Sử dụng hệ thống lạnh để để giảm nhiệt độ không khí đến nhiệt độ ngng tụ nớc lúc lợng nớc không khí đợc tách không khí lạnh đợc hồi dàn ngng hệ thống để nhận nhiệt để nâng cao nhiệt độ không khí hệ thống sử dụng chất hút ẩm tách ẩm phơng pháp nhiệt Cả hai phơng pháp có chi phí ban đầu cao tiêu tốn lợng điện Hình 1.6 ống nhiệt đợc ứng dụng để hút ẩm Công nghệ ống nhiệt đời cải thiện nâng cao hiệu suất trình hút ẩm Giảm độ ẩm cải thiệt điều 21 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn kiện sức khoẻ nhà cũ ®iỊu kiƯn Èm thÊp dƠ g©y nÊm mèc Khi sư dụng cải thiện đợc không khí nâng cao suất làm việc Công nghệ đợc sử dụng để lắp đặt thêm hệ thống điều hoà không khí Hình 1.7 Sử dụng ống nhiệt hệ thống điều hòa không khí Ngoài tăng khả hút ẩm chúng làm cho hệ thống tiết kiệm đợc công suất điện tiêu thụ Công nghệ đợc sáng chế Khánh Đinh thuộc Heat Pipe Technology, Inc Công nghệ đợc áp dụng nhiều vào hệ thống điều hoà không khí đợc nâng cấp phổ biến hệ thống điều hoà cũ Mỹ 1.3.4 Sử dụng nghành công nghiệp khác nớc nhiệt đới, không khí mùa hè nóng, nhng ban đêm không khí lại trở nên mát Tuy nhiệt độ tờng bê tông nhà nóng Để tiết kiệm 22 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn lợng, nh trớc đây, hệ thống điều hoà nhiệt độ đợc sử dụng cho mục đích này, số sở ống nhiệt đà đợc chôn vào bê tông nhà, nh vào buổi đêm, phần chìa bên đợc sử dụng nh phận làm mát không khí, mang nhiệt tích từ tờng ống nhiệt đợc sử dụng collector thu lợng mặt trời Nhờ có ống nhiệt tổn thất lợng trờng hợp nhiều mây nhỏ nhất, điều cho phép mét sè trêng hỵp cã thĨ bá qua hƯ thèng điều khiển tự động điều chỉnh lu lợng chất tải nhiệt collector lợng mặt trời, nâng cao độ tin cËy cđa bé thu, gi¶m chi phÝ tõ 5-7 lần chi phí lợng để bơm nơc so với trờng hợp collector mặt trời cổ truyền Việc dùng ống nhiệt với lợng môi chất nhỏ cho phép giảm trọng lợng nhiệt dung collector, làm tăng độ ®èt nãng cđa nã Ngoµi èng nhiƯt träng trêng đợc dùng để sử dụng lợng địa nhiệt, chế tạo caloriphe kỹ thuật sấy, dùng để chống đóng băng đờng cao tốc xứ lạnh, chống đóng băng bÃi đỗ xe ôtô ống nhiệt đợc sử dụng hệ thống lạnh, trì nhiệt độ lạnh định ôtô để bảo quản thực phẩm Trong công nghiệp ôtô, máy kéo, ống nhiệt đợc dùng để điều chỉnh nhiệt độ nớc làm mát động đốt trong, để làm mát hay đốt nóng dầu cacte, sởi tuabin lái xe nhở lợng nhiệt thải qua ống xả, cải thiện bay 23 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn xăng cacbuarator, tiết kiệm nhiên liệu giảm tốc độ độc hại sản phẩm cháy Nhiều thiết bị trao đổi nhiệt công nghiƯp s¶n xt thÐp nh bé sÊy khèng khÝ nãng, lò dùng ống nhiệt giúp tiết kiệm 10 kW với phần bay cách phần ngng 59-70m Trong kü tht vị trơ, èng nhiƯt mao dẫn điều chỉnh nhiệt độ đợc dùng để điều hoà nhiệt độ, điều hoà nhiệt độ thân tàu vũ trụ, tàu bên đợc đốt nóng mặt trời, bên lại nằm bóng đêm vũ trụ, ống nhiệt đợc dùng để điều hoà chế độ nhiệt thiết bị, máy móc tàu, trạm vũ trụ hay vệ tinh, dùng để thải nhiệt hay làm đồng nhiệt độ panel, pin mỈt trêi 24 ... 1.2 Phân loại ống nhiệt Có nhiều cách phân loại ống nhiệt: 1.2.1 Theo lực tác dụng đa lỏng phần bay a) ống nhiệt trọng trờng - Lực tác dụng để đa lỏng phần bay lực lực trọng trờng nên gọi ống nhiệt. .. hơi; Bấc; Q -Nhiệt nhận vào nhiệt thải c) ống nhiệt ly tâm - Nếu lực tác dụng lên chất lỏng ngng lực ly tâm gọi ống nhiệt ly tâm, nhờ quay ống nhiệt với vận tốc xác định Hình 1.3 cấu ống nhiệt ly... đà sản xuất loại thiết bị trao đổi nhiệt băng ống nhiệt loại N loại W Loại N với môi chất nạp NH sử dụng khoảng nhiệt độ từ -25 đến 80oC Loại W với môi chất nạp H 2O sử dụng khoảng nhiệt độ 50