Nghiên cứu này thực hiện tối ưu hóa chiều dài bộ ngưng tụ của ống nhiệt dạng vòng kín dựa trên giới hạn về chiều dài tối đa của nó, nhiệt độ tối đa của nguồn nhiệt, hay điều kiện ngưng tụ. Mô hình số một chiều, giả thiết nhiệt chỉ truyền theo một phương và bỏ qua các phương còn lại, được sử dụng để thực hiện tính toán.
BÀI BÁO KHOA HỌC TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ BỘ NGƯNG TỤ CỦA ỐNG NHIỆT DẠNG VỊNG KÍN SỬ DỤNG MƠ HÌNH SỐ MỘT CHIỀU Phan Bình Ngun1 Tóm tắt: Nghiên cứu thực tối ưu hóa chiều dài ngưng tụ ống nhiệt dạng vịng kín dựa giới hạn chiều dài tối đa nó, nhiệt độ tối đa nguồn nhiệt, hay điều kiện ngưng tụ Mơ hình số chiều, giả thiết nhiệt truyền theo phương bỏ qua phương cịn lại, sử dụng để thực tính tốn Để thực việc tối ưu, lưu đồ thuật toán đề xuất bổ sung ba điều kiện chiều dài ống nhiệt, đường kính lỗ xốp, giới hạn nhiệt độ nguồn nhiệt bên cạnh điều kiện khác cân lượng nhiệt điều kiện áp suất ống nhiệt Khi chạy mơ hình số đảm bảo hội tụ cho kết hợp lý cách định tính điều kiện ngưng tụ cần chiều dài ngưng tụ lớn hơn, giảm chiều dài ngưng tụ cần cấu trúc xốp với đường kính nhỏ Tuy nghiên cứu thực nghiệm cần thực bước để xác nhận xác kết tính tốn Từ khóa: Ống nhiệt dạng vịng kín, ngưng tụ, mơ hình số chiều GIỚI THIỆU CHUNG * Ống nhiệt dạng vịng kín (Loop heat pipe, LHP) sử dụng để làm mát tận dụng nhiệt thải kiểu thụ động có chuyển pha qua lại lỏng – khí Cấu tạo ống nhiệt gồm có (1) bay để nhận nhiệt, (2) ngưng tụ để phát tán nhiệt (3) đường vận chuyển chất lỏng/khí nối bay ngưng tụ (Ku, 1999) Trong bay cấu trúc xốp hay gọi bơm mao dẫn, với lỗ rỗng kích cỡ micro chí nano mét, chứa chất lỏng Khi nhận nhiệt từ nguồn nhiệt cần làm mát tái sử dụng, chất lỏng bay đẩy đến ngưng tụ nhờ vào áp suất mao dẫn cấu trúc xốp mà không cần sử dụng bơm hay nguồn lượng bổ sung (thụ động) Tại ngưng tụ, nhiệt từ phát tán ngoài, chuyển lại pha lỏng đẩy trở lại phận chứa bay cấp cho cấu trúc xốp Nhờ áp suất mao dẫn mà ống nhiệt hoạt động điều kiện chống lại tác dụng trọng lực (Hình Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi 12 1) Ống nhiệt dạng sử dụng làm mát thiết bị điện, điện tử không gian (vệ tinh) thiết bị mặt đất (ơtơ, tàu điện, máy tính, đèn led, …), tận dụng nguồn nhiệt thải từ thiết bị để sử dụng cho mục đích khác (Nakamura et al., 2016; Ku et al., 2012; Zhou et al., 2016) Để thiết kế kiểm chứng hiệu làm việc ống nhiệt, nhà nghiên cứu đề xuất sử dụng mô hình số khác Một số mơ hình số chiều mơ trạng thái hoạt động ổn định ống nhiệt (Watanabe et at., 2020) Mô hình tương đối đơn giản với giả thiết nhiệt truyền theo phương hướng kính ống, bỏ qua nhiệt truyền theo phương khác, hiệu cao sai khác kết mô liệu thực nghiệm không nhiều, khoảng vài phần trăm Một số mơ hình phức tạp gồm: mơ hình số chiều phận chứa chất lỏng (trong bay hơi), mô hình mạng lỗ rỗng chiều để phân tích cấu trúc xốp bay hơi, mơ hình sử dụng phương pháp chuyển pha tiên tiến Lattice KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) Boltzmann để mơ truyền nhiệt q trình bay hơi, mơ hình chiều mơ q trình truyền nhiệt truyền khối với thay đổi pha cấu trúc xốp (Nishikawara et al., 2017; Li et al., 2019; Boubaker et al., 2016) Mặc dù có mơ hình số chiều mơ phần ống nhiệt (Shioga et al., 2020) chưa có mơ hình số chiều để mơ tồn hệ thống tính chất phức tạp Hình Ngun lý hoạt động ống nhiệt dạng vịng kín Các nghiên cứu ống nhiệt dạng vịng kín từ trước đến chủ yếu tập trung vào tính tốn, thiết kế, cải thiện hiệu bay Tuy nhiên nghiên cứu tập trung vào giải vấn đề nâng cao hiệu tối ưu hóa phận ngưng tụ Chiều dài ngưng tụ thường chọn lớn theo kích thước thiết bị dẫn đến làm tăng kích thước thiết bị khó chế tạo Do sử dụng ngưng tụ với chiều dài thích hợp cần thiết Bên cạnh chiều dài ngưng tụ ảnh hưởng đến khả tản nhiệt tổn thất áp suất nên gián tiếp tác động đến yêu cầu cấu trúc xốp, dẫn đến khó chế tạo Với xu hướng ngày nhỏ gọn thiết bị điện, điện tử ngày vấn đề thu nhỏ thiết bị làm mát ngày cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu tính tốn chiều dài tối ưu phận ngưng tụ ống nhiệt dạng vịng kín điều kiện làm việc xác định Để đạt điều đó, tác giả xây dựng mơ hình số chiều lưu đồ giải thuật cho phép tính chiều dài thích hợp phận ngưng tụ điều kiện khác hệ thống điều kiện ngưng tụ, kích thước lỗ xốp, lực chế tạo ống nhiệt Nghiên cứu tập trung vào mơ hình hóa tính tốn trước tiên Các nghiên cứu thực nghiệm tiến hành nghiên cứu sau để so sánh với kết từ mơ hình tính tốn MƠ HÌNH SỐ MỘT CHIỀU CỦA ỐNG NHIỆT DẠNG VỊNG KÍN 2.1 Trạng thái pha chất lỏng ống nhiệt Hình trạng thái pha điển hình chất lỏng vị trí ống nhiệt (Ku, 1999) Tại vị trí số 1, chất lỏng tác dụng nhiệt truyền từ bên vào bay hơi, nhiệt độ bão hịa ví trí coi nhiệt độ làm việc hệ thống Do áp suất mao dẫn, đẩy rãnh dẫn nhận thêm nhiệt từ bên trở thành q nhiệt (khơng bão hịa) bắt đầu vào đường dẫn vị trí Khi di chuyển hết đường dẫn (vị trí 3), nhiệt độ giảm trao đổi nhiệt đường dẫn với mơi trường bên ngồi Khi di chuyển vào ngưng tụ, khả tản nhiệt tốt nhiệt giảm nhiệt độ trở lại pha lỏng (bão hịa) vị trí số Từ vị trí số đến vị trí KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) 13 ngưng tụ tồn pha lỏng pha khí bão hịa, q trình ngưng tụ kết thúc vị trí Từ vị trí đến vị trí 6, chất lỏng bị làm mát khơng cịn trạng thái bão hịa Chất lỏng tiếp tục đẩy qua đường dẫn trở phận chứa vị trí số 8, tồn hai pha lỏng (do nhiệt truyền qua cấu trúc xốp đến phận chứa) trạng thái bão hòa Chất lỏng thẩm thấu qua cấu trúc xốp đến vị trí số để nhận nhiệt lặp lại quy trình Khi di chuyển hệ thống tổn thất áp suất xuất tương ứng với phần Tổng áp suất tổn thất ống nhiệt tính phải nhỏ áp suất mao dẫn để ống nhiệt hoạt động (cơng thức 1-3) Hình Trạng thái pha chất lỏng vị trí ống nhiệt ( tổn thất áp suất) (1) (2) (3) áp suất mao dẫn tạo cấu trúc xốp, sức căng mặt chất lỏng ống nhiệt, góc tiếp xúc chất lỏng ống nhiệt bề mặt cấu trúc xốp, đường kính lỗ xốp, tổng áp suất tổn thất (suy giảm) ống nhiệt, áp suất tổn thất rãnh hơi, áp suất tổn thất đường dẫn hơi, áp suất tổn thất ngưng tụ, áp suất tổn thất đường dẫn chất lỏng, áp suất tổn thất qua cấu trúc xốp, áp suất tổn thất trọng lực Tổng áp suất tổn thất nhỏ hiệu ống nhiệt tốt Khi lượng nhiệt cần truyền đi/làm mát lớn khoảng cách truyền xa tổng áp suất suy giảm lớn cấu trúc xốp cần có lỗ vi xốp với đường kính nhỏ cỡ micromet chí nhỏ Tuy nhiên, đường kính lỗ nhỏ dẫn đến giá thành sản xuất cao, mức độ thấm chất lỏng qua cấu trúc xốp đi, chất lỏng cung cấp khơng đủ dẫn đến tượng cấu trúc xốp bị khô ống nhiệt dừng hoạt động Vì tìm chiều dài tối ưu ngưng tụ ứng với kích thước phù hợp lỗ xốp cần thiết 2.2 Mơ hình số chiều Trong nghiên cứu này, tác giả phát triển mơ hình số chiều mơ trạng thái hoạt động ổn định ống nhiệt dựa mơ hình phát triển trước (Watanabe et al., 2020) Cấu tạo mơ hình mạch nhiệt ống nhiệt với bay dạng phẳng có hình Hình Mơ hình mạch nhiệt bay – bình chứa (CC) 14 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) Phương trình cân nhiệt nguồn nhiệt sử dụng mơ hình mạch nhiệt sau: (4) (5) (6) nhiệt vào lượng nhiệt truyền từ nguồn nhiệt đến bay hệ số truyền nhiệt tiếp xúc diện tích tiếp xúc nguồn nhiệt bay nhiệt bay tính sau: (7) hệ số truyền nhiệt bay vỏ bay cấu trúc xốp diện tích tiếp xúc vỏ bay cấu trúc xốp tốc độ khối dòng chảy bay đường dẫn ống nhiệt, nhiệt hóa (nhiệt ẩn) chất lỏng ống nhiệt Các hệ số truyền nhiệt and bị ảnh hưởng chủ yếu điều kiện thực nghiệm, ví dụ chất lượng bề mặt nguồn nhiệt vỏ bay hơi, áp suất tiếp xúc hai bề mặt, vật liệu dẫn nhiệt hai bề mặt Vì hệ số đánh giá dựa số liệu thí nghiệm lượng nhiệt rãnh dẫn tính tốn dựa truyền nhiệt đối lưu cưỡng lượng nhiệt thất từ vỏ bay đến vỏ bình chứa lượng nhiệt thất thoát từ vỏ bay qua cấu trúc xốp đến hơi/chất lỏng bình chứa tính tốn dựa truyền nhiệt dẫn nhiệt truyền nhiệt đối lưu lượng nhiệt thất từ vỏ bay mơi trường Lượng nhiệt thất thoát từ bay đường dẫn đường dẫn chất lỏng dẫn nhiệt bỏ qua mơ hình Điều kiện cân nhiệt dành cho bình chứa thể sau: (8) lượng nhiệt thất từ hơi/chất lỏng bình chứa đến vỏ bình chứa tính tốn dựa tỉ lệ pha khí mơi trường hai pha (khí)/lỏng lượng nhiệt thất từ hơi/chất lỏng bình chứa đến dịng chất lỏng quay lại từ đường dẫn chất lỏng Môi trường bình chứa phần tiếp xúc vỏ bay cấu trúc xốp (điểm hình 1) giả thiết trạng thái bão hòa Đường dẫn hơi, ngưng tụ, đường dẫn chất lỏng chia thành đoạn nhỏ với số đoạn thích hợp (Hình 4) Phương trình lượng điểm có tọa độ đường dẫn sau: (9) độ dẫn nhiệt đơn vị chiều dài đường dẫn hơi, chất lỏng, ngưng tụ với mơi trường bên ngồi, góc nghiêng đường dẫn hơi/chất lỏng theo hướng chống lại chiều trọng lực, hệ số ma sát Darcy phụ thuộc chế độ dòng chảy (chảy tầng/chảy rối) Hình Mơ hình mạch nhiệt ngưng tụ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) 15 Với dòng pha, tổn thất áp suất xác định dựa phương trình Lockhart-Martinelli (Chisholm, 1967) Tổn thất nhiệt tiếp xúc ống ngưng tụ vây tản nhiệt bỏ qua khơng đáng kể khó xác định Chế độ dòng chảy vùng hai pha giả thiết trì dạng dịng chảy hình khun 2.3 Giải thuật tính tốn Hình lưu đồ giải thuật mơ hình số nghiên cứu Đầu tiên thông số đầu vào thiết lập nhiệt vào, điều kiện ngưng tụ (trong tính tốn đối lưu cưỡng bức), thơng số hình học ống nhiệt Tiếp đến chiều dài ngưng tụ đường kính lỗ xốp chọn sơ Sau bước chọn sơ nhiệt độ làm việc lưu lương khối dịng chảy bước tính tốn thơng số vật lý bay hơi, đường dẫn, ngưng tụ, bình chứa Tiếp đến bước kiểm tra điều kiện cân lượng (1) nguồn nhiệt điều kiện cân lượng (2) bình chứa Nếu điều kiện khơng thỏa mãn quay lại điều chỉnh nhiệt độ làm việc lưu lượng khối đạt (hội tụ) Tiếp theo bước kiểm tra nhiệt độ nguồn nhiệt, nhỏ nhiều nhiệt độ giới hạn quay lại giảm chiều dài ngưng tụ ngươc lại lớn nhiệt độ giới hạn tăng chiều dài ngưng tụ Sau bước kiểm tra chiều dài ngưng tụ Hai bước điểm nghiên cứu giúp tính chiều dài tối ưu ngưng tụ Bước kiểm tra kiểm tra áp suất Cuối đưa thơng số cuối ống nhiệt Hình Lưu đồ giải thuật để tối ưu hóa chiều dài ngưng tụ đường kính lỗ xốp KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ống nhiệt tính tốn nghiên cứu dự kiến chế tạo theo phương pháp ép nhiệt độ áp suất cao để tạo liên kết kim loại mỏng (Shioga et al., 2020), chiều dài ngưng tụ kích thước ống nhiệt bị hạn chế giới hạn khả máy công nghệ Điều kiện ngưng tụ đối lưu cưỡng với tốc độ khơng khí lưu thơng 10 m/s đối lưu tự nhiên nhiệt độ môi trường 50 C (nhiệt độ thiết bị trời vào mùa hè) nhiệt độ giới hạn nguồn nhiệt 130 C Bảng đưa thơng số kĩ thuật ống nhiệt sử dụng tính tốn với giới hạn chiều dài ngưng tụ 10 m Bảng Thông số kĩ thuật ống nhiệt theo vịng kín Bộ phận Thơng số Bộ bay LWH (mm) 90903 Đường dẫn LD (mm) 1606 16 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) Bộ phận Thơng số Bộ ngưng tụ 10 Đường dẫn chất lỏng 3605 LWH (mm) Cấu trúc xốp 80802.8 Đường kính lỗ xốp (µm) Chất lỏng ống nhiệt d Ethanol Điều kiện ngưng tụ Đối lưu cưỡng bức/Đối lưu tự nhiên Khi sử dụng đối lưu cưỡng kết tính toán thể Bảng Với nhiệt vào giá trị nhỏ 300 W giá trị chiều dài tối ưu ngưng tụ nhỏ 0,2 m đường kính lỗ xốp cần 600 m đủ đáp ứng điều kiện áp suất Kích thước lỗ xốp hồn tồn đạt nhiều phương pháp chế tạo khác với giá thành thấp mà khơng gặp khó khăn đáng kể Ở mức nhiệt vào 500 W, kích thước đường kính 600 m hay 120 m không đủ để thỏa mãn điều kiện áp suất Chiều dài tối ưu ngưng tụ 4,0 m với đường kính lỗ xốp 60 m, đạt đường kính lỗ xốp 20 m chiều dài tối ưu giảm xuống 3,5 m Ở mức nhiệt vào tối đa 600 W cấu trúc xốp với đường kính 20 m đáp ứng u cầu chiều dài tối ưu 8,5 m Kết chiều dài ngưng tụ giảm tổn thất áp suất ngưng tụ có giảm theo khả nhiệt ngưng tụ nên nhiệt độ làm việc ống nhiệt tăng lên tổn thất áp suất tổng cộng tăng phải sử dụng cấu trúc xốp với đường kính nhỏ để đáp ứng u cầu Kết tính tốn sử dụng đối lưu tự nhiên thể Bảng Lúc khả làm tản nhiệt giảm (hệ số trao đổi nhiệt nhỏ hơn) ngưng tụ, chiều dài tối ưu phận tăng lên so với sử dụng đối lưu cưỡng Ví dụ mức nhiệt vào 300 W cần chiều dài 0,30 m với đường kính lỗ xốp 600 m Lượng nhiệt vào tối đa mà ống nhiệt làm mát điều kiện 400 W, ứng với chiều dài tối ưu ngưng tụ 0,90 m đường kính lỗ xốp 20 m Bảng Kết tính toán với đối lưu cưỡng Nhiệt vào 100 200 300 400 500 600 (m) 0,1 0,15 0,2 d (m) 600 (m) 0,1 0,15 0,2 1,5 d (m) 120 (m) 0,1 0,15 0,2 1,4 d (m) 60 (m) 0,1 0,15 0,2 1,4 3,5 8,5 d (m) (m) 0,15 d (m) 20 Bảng Kết tính tốn với đối lưu tự nhiên Nhiệt vào 100 (m) 0,15 d (m) 600 (m) 0,15 d (m) 120 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) (m) 0,15 d (m) 60 20 17 Nhiệt vào 200 300 400 (m) 0,20 0,30 d (m) (m) 0,20 0,30 d (m) KẾT LUẬN Bài báo đưa tính toán tối ưu chiều dài ngưng tụ ống nhiệt dạng vịng kín số điều kiện khác Để làm điều đó, tác giả sử dụng mơ hình số chiều ống nhiệt xây dựng lưu đồ thuật toán bổ sung hai điều kiện chiều dài ống nhiệt đường kính lỗ xốp Khi chạy mơ hình số đảm bảo hội tụ cho kết hợp lý cách định tính điều kiện ngưng tụ (m) 0,20 0,30 d (m) (m) 0,20 0,30 0,90 d (m) cần chiều dài ngưng tụ lớn hơn, giảm chiều dài ngưng tụ cần cấu trúc xốp với đường kính nhỏ Tuy nghiên cứu thực nghiệm cần thực bước để xác nhận xác kết tính tốn LỜI CẢM ƠN Xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi tài trợ nghiên cứu (CS2022-24) TÀI LIỆU THAM KHẢO Boubaker R, Platel V, Harmand S (2016) A numerical comparative study of the effect of working fluids and wick properties on the performance of capillary pumped loop with a flat evaporator Appl Therm Eng 100:564–76 https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.02.034 Chisholm D (1967) A theoretical basis for the Lockhart-Martinelli correlation for two phase flow Int J Heat Mass Transfer 10(12):1767–78 https://doi.org/10.1016/0017-9310(67)90047-6 Ku, J (1999) ‘Operating Characteristics of loop heat pipes’, SAE Technical Paper, 1999-01-2007, https://doi.org/10.4271/1999-01-2007 Ku, J., Ottenstein, L., Douglas, D (2012) Validation design for a multi-evaporator miniature loop heat pipe for spacecraft applications, J Spacecraft Rock 49 1008–1018, https://doi.org/10.2514/1.51349 Li J, Hong F, Xie R, Cheng P (2019) Pore scale simulation of evaporation in a porous wick of a loop heat pipe flat evaporator using Lattice Boltzmann method Int Commun Heat Mass Transfer 102:22–33 https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2019.01.008 Nakamura, K., Odagiri, K., Nagano, H (2016) ‘Study on a loop heat pipe for a long-distance heat transport under anti-gravity condition’, Appl Therm Eng 107, 167–174, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.06.162 Nishikawara M, Nagano H, Prat M (2017) Numerical study on heat-transfer characteristics of loop heat pipe evaporator using three-dimensional pore network model Appl Therm Eng 126:1098–106 https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.02.050 Shioga, T., Mizuno, Y., Nagano, H (2020) Operating characteristics of a new ultra-thin loop heat pipe, Int J Heat Mass Transfer 151 119436, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119436 Watanabe, N et al (2020) Operating characteristics of an anti-gravity loop heat pipe with a flat evaporator that has the capability of a loop thermosyphon, Energy Convers Manage 205 112431, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.112431 18 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) Zhou, G., Li, J., Lv, L (2016) An ultra-thin miniature loop heat pipe cooler for mobile electronics, Appl Therm Eng 109 514–523, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.138 Abstract: DESIGN OPTIMIZATION OF THE CONDENSER OF LOOP HEAT PIPE USING A 1-DIMENSIONAL NUMERICAL MODEL This paper reports the optimal calculation of loop heat pipe condensers length based on the maximum length of the condenser, the maximum heater temperature, and the condensation condition A 1-dimensional numerical model, which assumes heat is transferred through direction, was used for the calculation A new solution algorithm was proposed using additional conditions of condensers length, the pore diameter of the wick, and temperature limitation of the heat source besides the other conditions of thermal energy balance and capillary/loss pressure The calculation converged and the results were suitable qualitatively, for example, the condensers length was smaller in case of worsening condensation condition (natural convection) than in case of better condensation condition (forced convection) or to obtain shorter condensers length smaller pore diameter was required However, experimental researches have to be carried out in the next step to confirm these results quantitatively Keywords: Loop heat pipe (LHP), condenser, 1-dimensional numerical model Ngày nhận bài: 28/12/2022 Ngày chấp nhận đăng: 08/01/2023 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 83 (3/2023) 19