Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn Chơng Lý thuyết tính toán ống nhiệt 2.1 Chu trình nhiệt động ống nhiệt Theo phân tích ống nhiệt thông thờng, lợng nhiệt hấp thụ phần bay thờng cho lợng nhiệt thải phần ngng tụ tổn thất nhiệt vùng đoạn nhiệt Bởi ống nhiệt đợc hoạt động chu trình nhiệt động khép kín gây công hệ thống Vì tổng lợng nhiệt thải phần ngng tụ phải nhỏ tổng lợng nhiệt hấp thụ vùng bay Theo định luật nhiệt động học ta có: ww= wq Trong phơng trình này: Tích phân vòng công công sinh thực chu trình cần thiết để di chuyển chất lỏng ống nhiệt Với công đợc sinh ra, nhiệt đầu vào phần bay phải hớn nhiệt thải phần ngng tụ Bởi công không vợt đờng bao hệ thống Nó đợc sử dụng hết hệ đợc chuyển đổi trở lại thành nội môi chất làm việc, tăng entropy phần ngng tụ Bởi lý lợng nhiệt hấp thụ vùng bay thực tế phải lợng nhiệt thải vùng ngng tụ cộng với lợng nhiệt tổn thất phần đoạn nhiệt Mặt khác, lợng nhiệt thải phần ngng tụ phải lợng nhiệt đợc chuyển môi chất cộng với lợng nhiệt phát độ nhớt đợc tạo chuyển động ngợc dòng chất lỏng Hiệu suất nhiệt ống nhiệt: Năng lợng yêu cầu để đa dòng môi chất làm việc ống nhiệt theo biến đổi từ nhiệt thành công Theo định luật hai cđa nhiƯt ®éng häc HiƯu st nhiƯt cđa èng nh động nhiệt giới hạn hiệu suất nhiệt chu trình Carnot theo công thức sau: ηt =1− Tl Th (2.1) Trong ®ã: Th- nhiƯt ®é nguồn nóng, K; Tl nhiệt độ nguồn lạnh, K; 23 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn Trong trình ống nhiệt vận hành chênh lệch nhiệt độ vùng vùng ngng tụ nhỏ, nên hiệu suất nhiệt bé Vì hiệu suất ống nhiệt đợc xác định: l = công thực/ nguồn nhiệt Hiệu suất nhiệt không lớn hiệu suất nhiệt chu trình carnot mà giới hạn vật lý, đặc tính vận hành ống nhiệt 2.2 Phân tích chu trình động lực học Các trạng thái: T 1-Lỏng bÃo hòa vùng ngng tụ trạng thái áp suất nhỏ nhất; 2-Trạng thái lỏng bị nén phần Pcao bay sau đợc nén cấu trúc bấc; 5s 3-Trạng thái lỏng bÃo hòa vùng Pthấp 1,6 bay sau đợc nung nóng bắt đầu trình biến đổi pha; s 4-Hơi bÃo hòa phần bay hơi, tổn thất áp suất biến đổi pha; 5-Điểm ớt, đợc đa từ phần bay tới phần ngng tụ Năng lợng nhiệt đợc biến đổi thành lợng động lực Và tiếp tục chu trình theo định luật 6-Lỏng bÃo hòa đợc chuyển từ phần ngng tới phần bay Hình 2.1 Chu trình động lực học ống nhiệt hoạt động 2.3 Lựa chọn môi chất- vật liệu tính toán thiết kế 2.3.1 Môi chất làm việc a) Phạm vi sử dụng Môi chất nạp ống nhiệt đợc lựa chọn dựa sở nhiệt độ làm việc ống nhiệt, dựa vào tính phù hợp môi chất nạp vật liệu ống tính chất vật lý môi chất Về nguyên tắc môi chất nạp ống nhiệt chất nhiệt độ hoạt động ống nhiệt nằm nhiệt độ điểm thể nhiệt độ điểm tới hạn Trên nhiệt độ tới hạn, môi chất làm việc tồn trạng thái Hoạt động mao dẫn đợc tạo cấu 24 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn trúc bấc ngừng hoạt động Một cách tơng tự, nhiệt độ vận hành dới điểm thể, môi chất làm việc trạng thái rắn Quá trình thăng hoa xẩy đà đợc nghiên cứu [14] Không nên hoạt động ống nhiệt phạm vi nhiệt độ Trên thực tế đặc điểm trình nhiệt vật lý hoá học xẩy bên ống nhiệt, nên môi chất nạp phải thoả mÃn yêu cầu sau: - Có sức căng bỊ mỈt lín (èng nhiƯt mao dÉn) - Cã gãc dÝnh víi thµnh èng nhá (èng nhiƯt mao dẫn) - Có nhiệt ẩn hoá r lớn - Cã ®é dÝnh nhá - Cã hƯ số dẫn nhiệt cao - Có khối lợng riên lớn (ống nhiệt trọng trờng) Môi chất nạp đơn chất, phải tinh thiết, bề mặt hoá học không độc cần đợc khử khí không ngng lẫn môi chất trớc đa vào sử dụng Tuỳ theo nhiệt độ làm việc ống nhiệt mà môi chất nạp chất nh sau: Trong khoảng nhiệt độ thấp là: môi chất lạnh (R12, R22, R111, NH2, ) -Trong khoảng nhiệt độ vừa là: nớc, riệu, -Trong khoảng nhiệt độ cao là: Hg, Na, K Bảng 2.1 môi chất nạp đợc sử dụng ống nhiệt khoảng nhiệt độ làm việc [9] Cần ý đến khía cạnh nhiệt môi chất nạp Đó khả bị phân huỷ môi chất nạp dới tác dụng nhiệt Với số môi chất nạp hữu cần phải trì nhiệt độ chúng thấp nhiệt độ chất hữu không bị phân huỷ thành cách thành phần khác Nh độ bền nhiệt môi chất nạp khoảng nhiệt độ làm việc đợc coi tính chất cần thiết Đối với ống nhiệt mao dẫn ta phải cho sức căng bề mặt lớn tôt để ống nhiệt làm việc ngợc chiều với lực trọng trờng tạo độ chênh áp mao dẫn Ngoài môi chất làm việc phải dính ớt bấc vật liệu thành ống, nhìn chung góc dính ớt nhỏ tốt Trong khoảng nhiệt độ làm việc, áp suất bÃo hoà tơng ứng phải có giá trị nhỏ để tốc độ không lớn, tránh gây độ chênh nhiệt độ lớn 25 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn cản trở làm ổn định cho nớc ngng trở phần sôi trờng hợp hai dòng chất lỏng chuyển động ngợc chiều Vì ống nhiệt xẩy trình sôi ngng nên môi chất làm việc có nhiệt ẩn hoá lớn tốt Nên dùng môi chất làm việc có hệ số dẫn nhiệt (ở pha lỏng) lớn để giảm đến mức tối đa độ chênh nhiệt độ theo phơng bán kính giảm khả xuất chế độ sôi bọt danh dới bấc vách ống Việc sử dụng môi chất làm việc với hệ số nhớt pha lỏng pha nhỏ làm giảm tới mức tối đa trở kháng thuỷ lực dòng lỏng dòng chuyển động ống Bảng 2.1 Môi chất nạp ống nhiệt nhiệt độ làm việc Môi chất Nhiệt độ nóng Nhiệt độ sôi Khoảng nhiêt độ chảy[0C] (p=1at) [0C] làm việc [0C] Heli -272 -279 -271 -269 Nitơ -210 -169 -203 -160 Amôniac -78 -33 -60 +100 R11 -111 24 -40 +120 Pentan -130 28 -20 +120 R113 -35 48 -10 +100 Axeton -95 57 120 Methanol -98 64 10 130 Ethanol -112 78 130 Heptan -90 98 150 Níc 100 30 200 Thủ ng©n -39 361 250 650 Xedi 29 670 450 900 Kali 62 774 500 1000 Natri 98 892 600 1200 Liti 179 1340 1000 1800 Bạc 960 2212 1800 2300 b) Tính phù hợp Ngoài tính chất nhiệt ra, ta tính đến tác dụng tơng hỗ môi chất làm việc vách ống Tính chất gọi tính phù hợp ống nhiệt Điều có ảnh hởng trực tiếp đến ti thä cđa èng nhiƯt Khi ta chän m«i chÊt làm việc không phù hợp với vật liệu làm thành ống có nghĩa ta đà tạo điều 26 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn kiện cho môi chất làm việc tác dụng vào vách ống, mặt làm hỏng vách ống, mặt khác tạo khí không ngng tụ lại phần ngng ống, giảm khả truyền nhiệt Đối với ống nhiệt mao dẫn gặp phải trờng hợp phản ứng hoá học môi chất làm việc vách ông sẻ gây sản phẩm phụ, chúng sẻ đợc chuyển vùng sôi, tụ lại làm cho trở kháng thuỷ lực cấu trúc mao dẫn tăng lên, lỗ mao dẫn có nguy bị bịt lại phần bị bịt hoàn toàn.Theo nh nghiên cứu [9] khí không ngng tác dụng môi chất vách ống xuất ống nhiệt làm băng thép không gỉ, dùng môi chất nớc Tính phù hợp ống nhiệt đà đợc nghiên cứu [9] kết đợc trình bày bảng 2.2 Bảng 2.2 Tính phù hợp môi chất vật liệu làm ống Môi chất làm Vật liệu làm ống Đồng Nhôm Thép không gỉ Thép Ni-Cr việc Nớc Tốt Không Không Đợc Amôniac Không Tốt Tốt Tốt Axetôn Tốt Tốt Tốt Đợc Methanol Tốt Đợc đợc Đợc Ethanol Tốt đợc Đợc Freon-11 Tèt Tèt Tèt Freon-113 Tèt Tèt Tèt Freon-502 Tèt Tèt Tốt Trong bảng này: Tốt: Tính phù hợp tốt Đợc: Tính phù hợp cho phép Không: Tính phù hợp không cho phép -: Tính phù hợp cha xác định 2.3.2 Cấu trúc bấc Bấc đợc dùng ống nhiệt gồm hai mục đính nh sau: -Tạo nên áp suất mao dẫn đa chất lỏng từ phần ngng tụ phần bay - Đảm bảo lỏng phân bố đồng xung quanh ống nhiệt phần bay Hình 2.2 dới số cấu trúc hình dạng cấu trúc bấc 27 1-Lới chồng lên 2-Kim loại nung 3-Vòng xoắn Hình 2.2 Một số cấu trúc bấc thờng gặp Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn Loại bấc đợc sử dụng phổ biến cấu trúc lới, lới đợc đan từ sợi kim loại mảnh Trong bÊc cã thĨ mét líp hc nhiỊu líp Khi sử dụng loại nên ý số Nút (N) N đợc định nghĩa số mắt inch dài Với mục đích làm giảm cản trở lỏng phần bay nhiều cấu trúc bấc xốp với độ thấm cao mục tiêu đặt nhà thiết kế chế tạo Để tăng áp suất mao dẫn cần chế tạo lới với đờng kính dây nhỏ tốt Các cấu trúc bấc composite bấc chia dòng đợc nghiên cứu đề cập [17] Đặc tính cấu trúc số cấu trúc bấc đà đợc nghiên cứu [16] đa bảng 2.3 Bảng 2.3 Đặc tính vật lý cđa mét sè cÊu tróc bÊc (Anon, 1979) 28 M« hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định c«ng st nhiƯt lín nhÊt KiĨu Mét líp líi BÊc rÃnh hình tam giác Bấc rÃnh hình chữ nhật Nhiều lớp lới Độ dẫn nhiệt Độ xốp Bán kính mao dẫn Tính thấm đợc (keff) rc K kl ( ∀ ) 1/2N t w /12 0,85kw(k1/kwsin)0,63 0,5 φtt 2w ∀ ∀ k +(1−∀ )k w b/(b+c) φtbt ∀ kinh nghiƯm hc k 1[ k +k w −(1-∀ )(k -k w )] k +k w +(1-∀ )(k -k w ) 1− M¶nh nhåi hình cầu không vững (d-bán kính trung bình mảnh) Nung kết, cấu trúc sợi kim loại (d-đờng kính sỵi) 2 3 1/2N d ∀ 122(1−∀ )2 0,21d d 150(1)2 Nd Đơn giản: k [2k +k w -2(1- ∀ )(k -k w )] 2k 1+k w +(1- ∀ )(k -k w ) Nung kÕt: k [2k w +k1 -2∀ (k w -k1 )] 2kw+k l+∀(k w -k ) Phụ thuộc vào kiều nhồi (hình lập phơng lấy b»ng 0,48) C1[(y Theo kinh ∀ (1−∀ )k k wnghiêm đợc k +(1 )2 k w + cấp nhà k +k w sản xuÊt d [2(1−∀ )] −1]/[ y 2+1] )] C d2 ∀3 2.3.3 VËt liƯu lµm èng Khi thiÕt kế chế tạo nên chọn vật liệu làm ống cách phù hợp Tuỳ vào mục đích sử dụng thiết bị mà lựa chọn thông số mét 29 y=1+ (1−∀ ) C1=6.0x1010m2 C2 = 3,3x103m-2 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn cách phù hợp nh: Nhiệt độ làm việc, cấu trúc bấc môi chất làm việc, áp suất làm việc, chiều dài bay hơi, chiều dài ngng tụ hình dáng ống nhiệt Nh đà ®Ị cËp ë tríc chän vËt liƯu cho kh«ng tác dụng, phản ứng mòn môi chất Nếu xẩy làm tăng nhiệt trở môi chất vách ống làm giảm sức căng bề mặt góc dính ớt ống nhiệt không bị cháy hoạt ®éng NhiỊu n¬i ®· ®a m· cđa èng [5] Một số tiêu chuẩn ống lĩnh vực hàng không, vệ tinh đông lạnh đà đợc nghiên cứu [5] 2.4 Giới hạn mao dẫn 2.4.1 Sức căng bề mặt Xét thể tích chất lỏng bình chứa hình 2.3, phía mặt chất lỏng (hoặc khí), ta nhận thấy phân tử A chất lỏng bên bị phần tử bên cạnh tác dụng liên kết theo hớng nên kết lực tác dụng tới phân tử A Ngợc lại phân tử B bề mặt phân pha lỏng - (khí) chịu tác dụng lực từ phân tử chất lỏng bên Fl kéo xuống dới lực phân tử F g kéo lên phía trên; lực Fl>Fg (vì nồng độ phân tử chất lỏng lớn hơn) Lực dính kết đà làm cho phần tử sát bề mặt chất lỏng bị kéo xuống phía dới chất lỏng.Mặt chất lỏng có khuynh híng tù co l¹i ta cã thĨ coi nh màng cao su bị căng Lực tạo công (năng lợng E) làm căng bề mặt chất lỏng Từ ta có định nghĩa sức căng bề mặt : công (hay lợng E) làm căng bề mặt ứng với đơn vị diện tích bề mặt S 30 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn Hình 2.3 Sức căng bề mặt chất lỏng Vậy: sức căng bề mặt lực tác dụng tới bề mặt ứng với đơn vị chiều dài bề mặt = E ∂S , N/m (2-2) E – c«ng, N.m; S – diện tích, m2 2.4.2 Hiện tợng dính ớt không dÝnh XÐt mét ph©n tè thĨ tÝch níc ë vật rắn thể hình 2.4 Ta thấy có ba ranh giới chất rắn, chất lỏng, (chất khí) Vì góc dính ớt bề mặt chất lỏng đại lợng phơ thc vµo tÝnh chÊt vËt lý cđa pha tác nhân tiếp xúc (pha rắn, lỏng, (khí)) Hình 2-4 thể dính ớt bề mặt chất rắn với chất lỏng Góc dính ớt đợc định nghĩa góc bề mặt phân pha rắn lỏng phân pha lỏng Ta có cân lực: σ s, v =σ s ,l +σ l , v cos Trong đó: s,v- sức căng bề mặt rắn - hơi, N/m; s,l- sức căng bề mặt rắn lỏng, N/m; l,v- sức căng bề mặt lỏng - hơi, N/m 31 Mô hình toán học ống nhiệt nhỏ xác định công suất nhiệt lớn Hình 2.4 Gãc dÝnh cđa chÊt láng a) ChÊt láng dÝnh ớt bề mặt chất rắn b) Chất lỏng không dính ớt chất rắn Từ góc dính ớt bề mặt chÊt r¾n cđa chÊt láng : θ=cos−1 ( σ s , v −σ s, l σ l, v ) (2.3) NÕu σ s, v >σ s, l chÊt láng sÏ dính ớt bề mặt chất rắn (ví dụ nớc dính bỊ mỈt thđy tinh) NÕu σ s, v