Nghiên ứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn

Từ khi phát minh cho tới nay, ống nhiệt đã đợc nghiên cứu, ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp và nhiều ngành khoa học nh: chinh phục vũ trụ, hàng không, nhiệt lạnh và điện – điện tử …

dẫn của P GS.TS Bùi Hải Để hoàn thiện bản luận văn này, ngoài các tài liệu đã liệu tham khảo đợc kê, tôi cam đoan không sao chép các công trình hoặc thiết kế tốt nghiệp của ngời khác

Hà nội, ngày tháng năm 2008

Ngời cam đoan

Nguyễn Thị Hoa

Tổng quan về ống nhiệt 11

1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ống nhiệt 11

1.1.1 Cấu tạo của ống nhiệt 11

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt 12

1.2 Phân loại ống nhiệt 14

1.2.1 Theo lực tác dụng để đa chất lỏng ngng quay trở về phần bốc hơi 14

1.2.2 Theo phạm vi sử dụng 17

1.2.3 Theo môi chất nạp 18

1.2.4 Theo mục đích sử dụng ống nhiệt 18

1.2.5 Theo hình dạng ống 18

1.3 Ưu điểm ống nhiệt 19

1.4 ứng dụng của ống nhiệt 20

1.4.1 Tái sử dụng nhiệt thải 20

1.4.3 Trong hệ thống điều hòa không khí 23

1.5 Môi chất nạp ống nhiệt 31

1.5.1 Chọn môi chất theo nhiệt độ làm việc của ống 31

1.5.2 Chọn môi chất theo tính phù hợp 33

1.5.3 Chọn theo các yêu cầu khác của môi chất nạp 34

Chơng 2 37

ống nhiệt mao dẫn 37

2.1 Các khái niệm cơ bản về ống mao dẫn 37

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt mao dẫn 37

2.1.2.Môi chất làm việc trong ống mao dẫn 38

2.1.3 Bấc 39

2.2 Điều kiện hoạt động của ống nhiệt mao dẫn 44

2.2.1 Tổn thất áp suất của dòng chất lỏng 45

2.2.2 Tổn thất áp suất của dòng hơi 49

2.2.3 Tổn thất áp suất do lực trọng trờng 51

2.3 Truyền nhiệt trong ống nhiệt mao dẫn 52

2.3.1 Truyền nhiệt trong vùng sôi 52

2.3.2 Truyền nhiệt trong vùng ngng 55

2.3.3 Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc 56

2.4 Xác định công suất nhiệt của ống mao dẫn 61

Chơng 3 76

Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn với môI chất nạp là mêthanol bằng thực nghiệm 76

3.1.Mục đích nghiên cứu 76

3.2 Xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm 77

3.2.1 Chế tạo ống nhiệt và bấc mao dẫn 77

3.2.2 Bộ phận làm mát phần ngng: 81

3.2.3 Bộ phận Cấp nhiệt phần sôi: 82

3.2.4 Gắn các đầu cảm biến nhiệt độ : 83

3.2.5 Sử dụng phần mềm máy tính : 86

3.3 Phơng pháp tiến hành thí nghiệm 88

1 Phơng pháp đo 88

2 Trình tự tiến hành thí nghiệm : 89

3 Đánh giá sai số 92

Chơng 4 94

4.1.2 Số liệu kết quả thực nghiệm 95

4.2 Kết quả thu đợc từ thí nghiệm 99

4.2.1 Sự phân bố nhiệt độ trong ống nhiệt 99

4.2.2 ảnh hởng của lợng nạp ξξξξξ đến công suất nhiệt 101

4.3.3 ảnh hởng của góc nghiêng Φ đến công suất nhiệt 102

4.2.4 Xác định công suất nhiệt tới hạn của ống nhiệt 104

4.2.5 Xác định hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc mao dẫn bằng thực nghiệm 105

Tài liệu tham khảo 112

1 1-1 Môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc 33

4 3-2 Giá trị kiểm tra các đầu đo ở nhiệt độ thờng 87

8 4-5 Bảng kết quả đo 70°C và ϕ = 0° với Qc = 234W 1 01

9 4-6 Bảng tổng hợp kết quả tính toán k is = f(ϕ) ở nhiệt

độ hơi t h = 50°Cvà 70°C

104

11 4-8 Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc ở th = 50 0C 107

12 4-9 Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc ở th = 70 0C 107

13 4- 10 Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng theo các tác giả 110

1 Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo của ống nhiệt 14

2 Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt trên đồ thị T- s 16

7 Hình 1.7 Thiết bị trao đổi nhiệt Khói – không khí bằng ống nhiệt 25

9 Hình 1.9 các quá trình trên đồ thị I d khi đốt bỏ xung– 29

10 Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống điều hòa dùng ống nhiệt 30

11 Hình 1.11 Các quá trình điều hòa dùng ống nhiệt trên đồ thị I - d 31

12 Hình 1.12 Sử dụng ống nhiệt để làm mát tờng nhà 32

13 Hình 1.13 Sử dụng ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ của nguồn nhiệt 33

15 Hình 1.15 Sử dụng ống nhiệt làm bộ tích nhiệt thu năng lợng mặt trời 35

16 Hình 2.1 Bề mặt cong của chất lỏng tại mặt phân cách pha lỏng – hơi 44

21 Hình 2.6 Sự phục hồi áp suất theo hớng bán kính 57

22 Hình 2.7 Quá trình chất lỏng sôi trong thể tích 60

31 Hình 2.16 Quan hệ công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn và nhiệt độ hơi 83

32 Hình 2.17 Sự phụ thuộc của công suất nhiệt vào hiệu nhiệt độ toàn bộ ống nhiệt 83

35 Hình 3.3 Sơ đồ gắn các đầu đo lên ống nhiệt 95

37 Hình 3.5 cấu trúc chơng trình thu đo dữ liệu “ Thudonhietdo ÔN” 99

38 Hình 3.6 Giao diện chơng trình “ Thudonhietdo ÔN ” 99

40 Hình 4.1 Phơng pháp thay đổi góc nghiêng của ống nhiệt 108

42 Hình 4.3 Nhiệt độ bề mặt ống giảm dần theo chiều dài ống 114

43 Hình 4.4 ảnh hởng của lợng nạp ξ tới công suất nhiệt Qi 116

44 Hình 4.5 Đồ thị hàm kis = f(ϕ) ở nhiệt độ hơi th = 50°C và 70°C 117

45 Hình 4.6 Đồ thị hàm kis = f(ϕ) ở nhiệt độ hơi th = 50°C và 70°C 117

46 Hình 4.7 So sánh hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng với các kết quả khác 124

Mở đầu

ống nhiệt là một phần tử truyền nhiệt đã đợc các nhà phát minh, sáng chế ra từ rất lâu, nhng thực sự đợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu kể từ năm 1970 trở lại đây ống nh iệt ban đầu đợc chế tạo gồm

1 ống kim loại đợc hàn kín hai đầu, trong đó nạp một lợng môi chất xác

định Qúa trình truyền nhiệt từ đầu này đến đầu kia của ống xảy ra khi môi chất trong ống nhiệt liên tục biến đổi hai pha khép kín : bay hơi khi nhận nhiệt từ đầu nóng, ngng tụ khi nhả nhiệt cho đầu nguội hơn Từ khi phát minh cho tới nay, ống nhiệt đã đợc nghiên cứu, ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp và nhiều ngành khoa học nh: chinh phục vũ trụ, hàng không, nhiệt lạnh và điện – điện tử …

Thực tế có rất nhiều loại ống nhiệt nh : ống nhiệt trọng trờng, ống nhiệt mao dẫn, ống nhiệt ly tâm Trong đó ống nhiệt mao dẫn đã và đang …

đợc các nhà khoa học trên thế giới tiến hành nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong ngành điện - điện tử để làm mát các linh kiện điện tử

ở Việt nam việc nghiên cứu ống nhiệt nói chung và ống nhiệt mao dẫn nói riêng còn ít nên em chọn ống nhiệt mao dẫn là đối tợng nghiên cứu của luận văn Đã có một số nghiên cứu về ống nhiệt mao dẫn với môI chất nạp là nớc với khoảng nhiệt độ làm việc từ 60 0 C đến 250 0 C Trong khoảng nhiệt độ thấp hơn 60 0 C, một số các môi chất hữu cơ có tính chất nhiệt động tốt nh rợu methanol, rợu ethanol , ở đề tài này em chọn rợu …

Methanol là môi chất đợc sử dụng rộng rãi trong ống nhiệt ử khoảng nhiệt

độ thấp từ 20 0 C đến 70 0 C Do đó, đề tài luận văn của em là – Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn với môi chất nạp là rợu Methanol – với phơng pháp nghiên cứu chủ yếu là phơng pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

Chơng 1 Tổng quan về ống nhiệt

ống nhiệt đợc sáng chế từ rất lâu tuy nhiên việc ứng dụng ống nhiệt vào kỹ thuật chỉ mới đợc phát triển mạnh trong vài thập niên gần đây Về nguyên tắc quá trình truyền nhiệt của các loại ống nhiệt là giống nhau nhng công suất nhiệt của từng loại ống nhiệt thì phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo và phụ thuộc vào điều kiện làm việc của từng loại ống Bằng cách thay đổi cấu trúc của ống , lợng môi chất nạp và tùy thuộc từng loại môi chất trong ống các nhà khoa học đã chế tạo ra các loại ống nhiệt khác nhau

có khả năng ứng dụng hiệu quả trong cuộc sống

1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ống nhiệt

1.1.1 Cấu tạo của ống nhiệt

ống nhiệt thờng là một ống bằng kim loại hàn kín hai đầu trong đó

có chứa một lợng môi chất lỏng xác định Tùy theo từng loại ống nhiệt mà

bề mặt phía trong ống có thể trơn, xẻ rãnh hoặc gắn lới mao dẫn, bề mặt phía ngoài cũng có thể trơn hoặc làm cánh tản nhiệt

Cấu tạo ống nhiệt đợc chia làm ba phần : Phần sôi, phần đoạn nhiệt

và phần ngng ( hình 1.2 )

Hình 1 Sơ đồ cấu tạo của ống nhiệt 1

Phần sôi : Phần này đợc đốt nóng bằng các nguồn nhiệt khác nhau, môi chất lỏng trong ống sẽ sôi và hơi bão hòa đợc tạo thành

Phần đoạn nhiệt : Hơi bão hòa từ phần sôi sẽ chuyển động qua phần

đoạn nhiệt lên phần ngng Sở dĩ gọi là phần đoạn nhiệt vì phần này không thực hiện quá trình trao đổi nhiệt

Phần ngng : Hơi bão hòa lên tới phần ngng nhả nhiệt cho môi trờng làm mát và ngng lại nớc ngng sẽ quay về phần sôi nhờ lực trọng trờng, lực mao dẫn hay lực ly tâm

Bề mặt trong ống nhiệt có thể nhẵn , đợc xẻ rãnh hoặc có cấu trúc bấc Hơi môi chất di chuyển bên trong lòng ống, chất lỏng ngng di chuyển

về phần sôi ở bề mặt trong của ống Cánh có thể gắn vào bên ngoài phần sôi hoặc phần ngng tụ để tăng cờng quá trình nhiệt, tùy thuộc vào từng ứng dụng

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt

Tỏa nhiệt Tỏa nhiệt

thu nhiệt

thu nhiệt

Phần đoạn nhiệt Phần ngng

Phần sôi

Vách ống nhiệt

Dòng hơi môi chất

Dòng môi chất lỏng

Chất lỏng trong ống nhận nhiệt của nguồn nóng ( ví dụ khói lò, năng lợng bức xạ mặt trời ) trong phần sôi sẽ sôi và biến thành hơi, hơi chuyển …

động qua phần đoạn nhiệt tới phần ngng tại đây hơi tỏa nhiệt cho nguồn làm mát qua vách ống ( ví dụ : không khí, nớc, … ) Chất lỏng ngng tạo thành sẽ chảy về phần sôi nhờ một trong các lực sau đây : Lực trọng trờng, lực mao dẫn, lực li tâm, lực điện trờng, lực từ trờng,

áp suất và nhiệt độ bên trong ống nhiệt chính là áp suất và nhiệt độ hơi của chất lỏng nạp bên trong ống nhiệt

Các qúa trình làm việc của ống nhiệt đợc biểu diễn trên hình 1.2trong đó:

P1 - áp suất hơi ở phần sôi ( Pa )

Hình 1 Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt trên đồ thị T 2 - s

P2 - áp suất hơi ở phần ngng (Pa)

AB: quá trình sôi xảy ra trong phần sôi ở áp suất P1

BC : quá trình chuyển động của hơi từ phần sôi tới phần ngng, do ma sát, áp suất hơi giảm từ P1đến P2 Tuy nhiên sự giảm áp suất này rất nhỏ

CD : quá trình ngng tụ hơi tạo thành chất lỏng ngng ở áp suất P2

DA : quá trình chuyển động của chất lỏng ngng theo bề mặt trong của ống nhiệt, từ phần ngng qua phần đoạn nhiệt về phần sôi nhờ lực trọng trờng, lực mao dẫn,… và quá trình đợc lặp lại Nh vậy, môi chất trong ống nhiệt đã thực hiện một chu trình

Với ống nhiệt trọng trờng ( hình 1.3), chất lỏng ngng đợc đa trở

về phần sôi nhờ lực trọng trờng Loại ống nhiệt này khi hoạt động yêu cầu phần sôi bao giờ cũng phải đặt thấp hơn phần ngng

Bề mặt trong của ống nhiệt có thể nhẵn gọi ống nhiệt trơn hoặc làm rãnh gọi là ống nhiệt có rãnh hoặc đặt một bộ phận tách dòng ( hơi và chất

Nhiệt thải

Nhiệt cấp

lỏng) gọi là ống nhiệt tách dòng Mục đích của việc làm rãnh hay tách dòng nhằm tăng cờng khả năng truyền tải nhiệt từ vùng sôi đến vùng ngng

Để tạo ra lực mao dẫn có nhiều cách:

và hiệu quả giải nhiệt kém Khi sử dụng ống nhiệt làm mát, trục động cơ

đợc chế tạo có roto rỗng bên trong chính là ống nhiệt chứa nớc, nớc sẽ lấy nhiệt từ roto và stato truyền ra môi trờng ngoài qua các cánh tản nhiệt nhừ lực li tâm khi động cơ quay Khi dùng ống nhiệt nhiệt đợc lấy đi đợc nhiều hơn và động cơ không bị bám bẩn

Trong các ống nhiệt ly tâm, chất lỏng ở phần ngng trở về phần sôi nhờ lực tác dụng của lực ly tâm sinh ra khi ống quay với một tốc độ nào đó

Hình 1 ống nhiệt li tâm làm mát động cơ điện 6

1- Thân động cơ 2 Stato-

3 - Roto 4 - Trục và ống nhiệt

d ống nhiệt điện trờng;

Lực đa chất lỏng ngng trở về phần sôi là lực điện trờng

e.ống nhiệt từ trờng:

Lực đa chất lỏng ngng về phần sôi là lực từ trờng

1.2.2 Theo phạm vi sử dụng

Phạm vi nhiệt độ thờng sử dụng của ống nhiệt tơng đối rộng từ dới – 800 C đến trên 25000C, có thể chia phạm vi nhiệt độ sử dụng theo các mức độ thấp, trung bình và cao

- ống nhiệt nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc từ - 80 0C đến 500C

- ống nhiệt nhiệt độ vừa phải : nhiệt độ làm việc từ 50 0C đến 2800C

- ống nhiệt nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 280 0C đến

4800C

- ống nhiệt nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc từ 480 0C đến trên 15000C

1.2.3 Theo môi chất nạp

Căn cứ vào thành phần của môi chất nạp bên trong ống nhiệt , ống nhiệt đợc chia thành loại ống có môi chất nạp một thành phần và nhiều thành phần :

- ống nhiệt một thành phần là ống nhiệt chỉ sử dụng một loại môi chất nh H20, NH3, Freon, Na….Phần lớn các ống nhiệt đang sử dụng là loại này

- ống nhiệt nhiều thành phần là nhiều chất lỏng hòa trộn với nhau theo những tỉ lệ nhất định ng nhiệt loại này thờng đợc sử dụng trong ốcác điều kiện làm việc đặc biệt

1.2.4 Theo mục đích sử dụng ống nhiệt

- ống nhiệt truyền nhiệt một chiều đợc gọi là điôt nhiệt

- ống nhiệt tải nhiệt là ống nhiệt thực hiện quá trình truyền nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp

- ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ đợc sử dụng đề giữ cho nhiệt độ của môi chất có nhiệt độ thấp hơn không đổi khi lợng nhiệt cấp cho ống nhiệt thay đổi Hoạt động của ống nhiệt này nh là một thermostat

1.2.5 Theo hình dạng ống

- ống nhiệt hình trụ

- ống nhiệt hình hộp

- ống nhiệt dạng phức tạp

1.3 Ưu điểm ống nhiệt

So với các phần tử truyền nhiệt khác, ống nhiệt có nhiều u điểm, chính vì vậy ống nhiệt ngày càng đợc nghiên cứu ứng dụng nhiều trong thực tế

- ống nhiệt có tính siêu dẫn nhiệt Thí dụ : một ống nhiệt có đờng kính 14mm, chiều dài toàn bộ ống 600mm, làm bằng chất liệu Crom – niken chứa môi chất nạp là Na lỏng sẽ có hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng là 106W/ m.K, nghĩa là gấp 10.000 lần hệ số dẫn nhiệt của hợp kim đồng u

điểm này có đợc là quá trình truyền nhiệt bên trong ống đợc thực hiện bởi

sự biến đổi pha ( sôi và ngng ), do đó quá trình truyền nhiệt lớn gấp nhiều lần so với sự dẫn nhiệt của thanh kim loại

- ống nhiệt có khả năng truyền đợc một lợng nhiệt lớn cho dù khoảng cách khá xa trong khi hiệu nhiệt độ chỉ chênh vài độ Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng đều theo toàn bộ chiều dài ống , áp suất phần ngng và phần sôi không chênh nhau nhiều

- ống nhiệt không cần các thiết bị phụ nh bơm mà vẫn tải đợc lợng nhiệt lớn, vì vậy thiết bị làm việc với độ tin cậy cao, không gây tiếng

ồn

- Khi biết chọn môi chất nạp bên trong ống nhiệt thích hợp có thể

đảm bảo vận hành ống nhiệt an toàn trong khoảng nhiệt độ rất rộng từ –

800C đến 25000C

- Với thiết bị ống nhiệt trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt khí – khí ta có thể làm cánh bên ngoài ống nhiệt, phần tiếp xúc với khí nóng ( khói ), khí lạnh ( không khí ) nên thiết bị rất gọn nhẹ

- Khi ứng dụng trong thực tế, ống nhiệt thờng đợc lắp đặt thành từng cụm ống hoặc dàn ống.Vì vậy trong quá trình làm việc, nếu một vài ống nhiệt bị hỏng hóc thì hệ thống vẫn có thể làm việc Mặt khác ta có thể

dễ dàng thay thế các ống nhiệt bị hỏng trong khi hệ thống đang hoạt động

- Nguồn nhiệt cấp cho phần nóng của ống nhiệt rất đa dạng, có thể tận dụng sản phẩm cháy của nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng, tận dụng khí thải của các nhà máy, tận dụng hơi nớc, năng lợng mặt trời

- Khi sử dụng ống nhiệt, nhiệt từ một nguồn nóng có thể truyền tải

đến nhiều hộ dùng nhiệt những khoảng cách khác xa nhau mà hở iệu nhiệt

độ khá nhỏ

1.4 ứng dụng của ống nhiệt

ống nhiệt tuy đã đợc tìm ra từ rất lâu nhng gần đây ngời ta mới thấy hết các u điểm của nó và việc nghiên cứu lý thuyết cũng nh ứng dụng của ống nhiệt ngày càng đợc triển khai mạnh tại nhiều nớc trên thế giới Các nhà khoa học nghiên cứu về ống nhiệt trên thế giới khoảng một vài năm lại gặt nhau trong một hội nghị quốc tế về ống nhiệt gọi là IHPC ( Int heat pipes Conference ) Dới đây là một số ứng dụng điển hình của ống nhiệt

1.4.1 Tái sử dụng nhiệt thải

Thiết bị trao đổi nhiệt dùng ống nhiệt trọng trờng có nhiều u điểm trong đó một u điểm quan trọng nhất là có thể làm cánh nên có thể thỏa mãn nhu cầu về tận dụng nhiệt thải Nhiều nớc công nghiệp phát triển đã sản xuất hàng loạt thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt, điển hình là Nhật Bản, Hàn quốc, ở Trung quốc các thiết bị tận dụng nhiệt thải bằng ống nhiệt

đã đợc chế tạo và hoạt động tin cậy Hãng Furukawa của Nhật bản đã sử dụng 1700 ống nhiệt trọng trờng, mỗi ống dài 8.5m đã tận dụng đợc 2.1 triệu kcal/h của 250.000m3 khí SO2 ở nhiệt độ 1600C

- ở Hàn quốc năm 1990 1992 đã nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt - cho nhà máy nhiệt điện đốt than, thông thờng các nhà máy nhiệt điện ở Hàn quốc dùng bộ sấy không khí kiểu hồi nhiệt, nhợc điểm là dẫn đến rò

rỉ của khói sang không khí, khi sử dụng bộ sấy kiểu ống nhiệt không xảy ra

Hình 1.7 Thiết bị trao đổi nhiệt Khói không khí bằng ống nhiệt –

- Diện tích truyền nhiệt lớn, thiết bị gọn nhẹ, không chiếm nhiều không gian khi ta làm cánh bên trong ống nhiệt

- Đối với thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng khói thải bằng các ống nhiệt

có cánh bên ngoài ống, nhng khói có chứa nhiều bụi bẩn, các hãng sản xuất của Nhật đã chế tạo thiết bị ống nhiệt, trong đó cho toàn bộ thiết bị quay quanh trục Làm nh vậy vừa tránh đợc bụi bẩn bám trên bề mặt, vừa làm tăng hệ số tỏa nhiệt đối lu tại bề mặt ngoài của ống

- Một u điểm nữa là thiết bị không bị ảnh hởng của ứng suất nhiệt,

điều thờng xảy ra đối với các thiết bị khác

1.4.2 Trong nghành công nghiệp điện tử

Các thiết bị điện tử ngày càng có công suất lớn và thờng đợc chế tạo dới dạng tấm Trong trờng hợp nh vậy, việc giải quyết vấn đề tỏa nhiệt bằng phơng pháp cổ điển nh dẫn nhiệt qua thanh nhôm, đối lu cỡng bức ra bên ngoài không còn thích hợp nữa Trong thời gian gần đây, ống nhiệt mao dẫn nhỏ đợc sử dụng rộng rãi trong công nghệ làm mát các con chíp ( chíp vi xử lý, chíp đồ họa ) đem lại hiệu quả rất cao và hứa hẹn …

sẽ trở thành công nghệ chủ lực trong tơng lai

Chúng ta biết đợc trong động cơ điện do tác dụng của dòng Fuco, nhiệt chủ yếu sinh ra từ phần roto và stato Gần đây ống nhiệt li tâm đã

đợc ứng dụng để làm mát động cơ điện, trớc đây để làm mát động cơ ngời ta thổi không khí trực tiếp vào động cơ, cùng với không khí là lợng bụi bẩn nhất định gây ảnh hởng không tốt cho động cơ Nhờ làm ống nhiệt

li tâm, nó chính là trục roto của động cơ điện và nhờ đó có thể lấy đi lợng nhiệt từ roto và stato có hiệu quả cao Với loại động cơ này thì thiết bị gọn nhẹ rất nhiều

ống nhiệt mao dẫn còn cho phép lấy nhiệt từ những công tắc đổi nối công suất lớn và từ những máy biến thế Tại Hàn quốc, năm 1989 công ty

điện lực đã tích cực xem xét việc dùng ống nhiệt để làm mát máy biến thế

điện Ngời ta đã chế tạo ống nhiệt dạng “ L” cho máy biến áp 50kVAnhiệt độ giảm đi 6,50C và ống nhiệt dạng “ I ” cho biến áp 100kVA nhiệt độ giảm đi 4,5 0C

ống nhiệt cũng dùng để làm mát các dây cáp điện đặt trong kênh ngầm dới đất, ngời ta đặt ống nhiệt dọc theo dây cáp ở đầu và cuối ống

có bộ tỏa nhiệt tự nhiên vào môi trờng xung quanh và tỏa nhiệt xuống đất Hãng Furakawa đã chế tạo thành công ống nhiệt dài nhất thế giới ( 200m )

để làm mát dây cáp điện Bằng thực nghiệm ngời ta đã chứng minh đợc rằng : khi không đợc làm mát, 12 dây cáp ngầm có nhiệt độ 1070C, nhng khi đợc làm mát thì nhiệt độ giảm đi chỉ còn 80 0C

1.4.3 Trong hệ thống điều hòa không khí

1 Sử dụng ống nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí để tăng khă năng hút ẩm

Đối với các nơi có khí hậu nóng ẩm nh nớc ta, các nớc đông nam

á , bang Florida nớc Mỹ …thì các hệ thống điều hòa không khí thông thờng không đáp ứng đủ khả năng hút ẩm của công trình cần điều hòa Vì

đa số các công trình điều hòa điều đợc tính toán thiết kế với điều kiện nhiệt dộ ngoài trời của tháng nóng nhất, khi đó thờng lợng nhiệt hiện ( Sensible heat ) có giá trị lớn do nhiệt độ cao nhng lợng nhiệt ẩn ( Latent heat ) lại có giá trị nhỏ do độ ẩm thiết kế không lớn Do đó, hệ thống điều hòa này không đủ khả năng lấy ẩm khỏi không khí khi độ ẩm ngoài trời tăng lên Đó là khi chiều xuống hay về đêm khi nhiệt độ không khí ngoài trời giảm ( nhiệt hiện giảm ) còn độ ẩm ngoài trời tăng lên ( nhiệt ẩn tăng )

Để giải quết vấn đề này các hệ thống điều hòa không khí mới vó cách giải quyết nh sau:

Cách thứ nhất : Tăng năng suất lạnh của dàn lạnh để hạ thấp nhiệt

độ của không khí sau dàn lạnh, làm cho lợng ẩm tách khỏi không khí sẽ nhiều hơn Ví dụ: nếu không tăng năng suất lạnh thì nhiệt độ ra khỏi dàn lạnh là t0 = 170 C , thì nay khi tăng năng suất lạnh lên thì t0 = 12 0C Tuy nhiên lúc này nhiệt độ không khí ra khỏi dàn lạnh quá thấp so với nhiệt độ trong phòng điều hòa (tT = 26 0C) độ chênh nhiệt độ này không đảm bảo

điều kiện vệ sinh nên ta buộc phải trang bị thêm bộ đốt nóng bổ sung ( Reheat ) ( Hình 1.8 để đốt nóng không nhí ra khỏi dàn lạnh từ t) o = 120C lên nhiệt độ không khí thổi vào phòng là tV = 170C Cách giải quyết này làm tăng đợc khả năng hút ẩm của hệ thống điều hòa không khí nhng chi phí năng lợng lại tăng lên do tăng năng suất lạnh và tốn điện năng cho bộ đốt nóng không khí bổ sung ( dùng dây điện trở ) ( Hình 1.9)

O

12 0

Hình 1 8 Sơ đồ hệ thống điều hòa có đốt bổ sung

N - Không khí ngoài trời DL - dàn lạnh Q - quạt

V

O

Sau đó không khí qua dàn lạnh, nhiệt độ không khí sẽ giảm đi từ 23 0C xuống 12 0C Tại đây không khí đợc tách ẩm nhiều vì nhiệt độ ra của không khí thấp 12 0C

Tiếp theo không khí đi qua phần tỏa nhiệt ( Phần ngng ) của ống nhiệt và đợc đốt nóng bổ xung ( do gặp bề mặt ống nhiệt có nhiệt độ cao hơn 20 0C ) nhiệt độ sẽ tăng từ 12 0 C đến nhiệt độ thổi vào tv= 170C và đi vào phòng điều hòa

Vậy khi sử dụng ống nhiệt cho hệ thống điều hòa nh trên sẽ làm tăng khả năng tách ẩm ( giống nh phơng pháp 1) mà lại không cần tăng thêm năng lợng bổ xung ( do không cần tăng thêm năng suất lạnh, không cần điện năng để đốt nóng không khí ) Nếu phần nhận nhiệt ( phần sôi ) của ống nhiệt đặt thấp hơn phần tỏa nhiệt ta sẽ sử dụng ống nhiệt trọng

trờng Ngợc lại, nếu phần nhận nhiệt của ống nhiệt nằm ngang hoặc thấp hơn phần tỏa nhiệt ta sẽ dùng ống nhiệt mao dẫn.

Hình 1 10 Sơ đồ hệ thống điều hòa dùng ống nhiệt

N - Không khí ngoài trời DL - dàn lạnh Q - quạt

Hình 1 11 C ác quá trình điều hòa dùng ống nhiệt trên đồ thị I d -

2 - Sử dụng ống nhiệt để làm mát tờng nhà

Trong ngành điều hòa không khí, ống nhiệt còn đợc sử dụng để làm mát tờng, vách trần nhà bê tông của các tòa nhà trong mùa hè Hàng loạt ống nhiệt trọng trờng đợc cắm vào trong tờng nhà, đầu kia hở ra ngoài trời Vào buổi tối khi không còn ánh nắng và nhiệt độ không khí đã giảm xuống, đầu hở của ống nhiệt nhanh chóng tỏa nhiệt lấy bên trong tờng bê tông ra ngoài không khí Tòa nhà nhanh chóng đợc làm mát, phần còn lại

là nhiệm vụ của các máy Điều hòa nhiệt độ Nhờ vậy mà năng lợng tiêu tốn của các máy điều hòa sẽ giảm và toà nhà nhanh chóng đợc làm mát

Hình 1.12 Sử dụng ống nhiệt để làm mát tờng nhà

3- Sử dụng ống nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ của nguồn nhiệt

ống nhiệt còn đợc sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ của nguồn nhiệt nào đó, ví dụ điều chỉnh nhiệt độ bên trong một hòm kính, ngời ta có thể

sử dụng các ống nhiệt trọng trờng Phần nhận nhiệt ( phần sôi ) đợc gắn vào nắp trên của hòm kính, phần tỏa nhiệt đợc gắn vào nguồn lạnh ở tầng trên Khi nhiệt độ không khí trong hòm kính tăng sẽ truyền nhiệt cho chất lỏng bên trong ống nhiệt và nhiệt độ bên trong hòm kính sẽ giảm xuống

Hình 1 Sử dụng ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ của nguồn nhiệt 13

4 Các ứng dụng khác của ống nhiệt

ống nhiệt còn đợc sử dụng để chế tạo các máy sấy đối lu tự nhiên

Hình 1.14 Máy sấy dùng ống nhiệt

1 – Buồng đốt 2 – dàn ống nhiệt 3- ống thoát ẩm

4 – ống khói 5 – Khay sấy 6 – Buồng sấy

ống nhiệt sử dụng nh một bộ thu năng lợng mặt trời Các ống nhiệt trọng trờng bên ngoài đợc bọc bởi một ống thủy tinh hút chân không sử dụng làm bộ thu năng lợng mặt trời có hiệu quả cao Ngoài ra ống nhiệt trọng trờng còn đợc dùng cho bộ tích nhiệt của bộ thu năng lợng mặt trời

Hình 1.1 Sử dụng ống nhiệt làm bộ tích nhiệt thu năng lợng mặt 5 trời

- Sử dụng ống nhiệt để bảo quản thực phẩm trong các ôtô chuyên chở không có máy lạnh : ở đây thùng xe đợc chia làm hai phần ; phần nhỏ của thùng xe chứa nớc đá có cắm các ống nhiệt trọng trờng đặt nghiêng, phần còn lại của ống nhiệt đợc đặt trong phần chứa thực phẩm, ống nhiệt

có nhiệm vụ sẽ nhận nhiệt của thực phẩm để truyền cho nớc đá Nếu không dùng ống nhiệt mà để thực phẩm tiếp xú trực tiếp với nớc đá sẽ rất c

có thể làm giảm chất lợng của thực phẩm

Trong ngành ô tô ống nhiệt đợc dùng để điều chỉnh nhiệt độ của nớc làm mát động cơ, làm mát hay đốt nóng dầu trong cacte máy nén sởi ,

ấm ca bin nhờ lợng nhiệt thải qua ống xả

1.5 Môi chất nạp ống nhiệt

Môi chất nạp ( chất lỏng nạp vào ống ) của ống nhiệt cần phải đợc lựa chọn trên cơ sở nhiệt độ làm việc của ống nhiệt, dựa vào tính phù hợp của môi chất nạp đối với vật liệu làm ống Dựa vào tính chất nhiệt vật lý và hóa học của môi chất nạp v.v…

1.5.1 Chọn môi chất theo nhiệt độ làm việc của ống

Nhiệt độ làm việc của ống nhiệt đợc biểu hiện là nhiệt độ trung bình của hơi trong ống th Nhiệt độ trung bình của hơi đợc tính gần đúng nh sau:

th = 0,5( tis + tin) ≈ 0,5( tes + ten )

ở đây:

tis - nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần sôi ( 0C )

tin - nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần ngng ( 0C )

tes - nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài ống phần sôi ( 0C )

ten - nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài ống phần sôi ( 0 C )

Tùy theo nhiệt độ làm việc của ống nhiệt mà môi chất nạp trong ống

có thể là các chất sau:

Trong khoảng nhiệt độ thấp là các môi chất lạnh nh : R12, R22, R111, NH3…

Trong khoảng nhiệt độ vừa là nớc, rợu, …

Trong khoảng nhiệt độ cao là các kim loại lỏng nh Hg Na, K, … Bảng ( 1-1) chỉ ra các môi chất nạp đợc sử dụng trong ống nhiệt và khoảng nhiệt độ của nó Cũng cần phải lu ý đến khía cạnh nhiệt của môi chất nạp, đó là khả năng bị phân hủy của môi chất nạp dới tác dụng của ống nhiệt Với một số môi chất nạp là chất hữu cơ cần phải đợc duy trì nhiệt độ của chúng thấp hơn một nhiệt độ nào đó để cho chất hữu cơ đó không bị phân hủy thành các thành phần khác

Bảng 1 1 Môi chất nạp của ống nhiệt và khoảng nhiệt độ làm việc của nó

-Môi chất Nhiệt độ nóng chảy ( 0C ) ở p = 1at Nhiệt độ sôi

1.5.2 Chän m«i chÊt theo tÝnh phï hîp

Ngoµi tÝnh chÊt nhiÖt ta cßn ph¶i chó ý t¸c dông t¬ng hç gi÷a m«i chÊt n¹p vµ vËt liÖu lµm èng TÝnh chÊt nµy ®îc gäi lµ tÝnh phï hîp cña èng nhiÖt Khi ta chän m«i chÊt n¹p kh«ng phï hîp víi v¸ch èng nhiÖt , rÊt dÔ x¶y ra ph¶n øng gi÷a m«i chÊt n¹p vµ v¸ch èng : mét mÆt lµm háng v¸ch èng, mÆt kh¸c t¹o khÝ kh«ng ngng tô l¹i ë phÇn ngng cña èng lµm gi¶m

Tình phù hợp của ống nhiệt đã đợc nghiên cứu trong tài liệu[7], kết quả đợc trình bày trong bảng 1.2

1.5.3 Chọn theo các yêu cầu khác của môi chất nạp

a, Theo tính chất vật lý, hóa học của môi chất nạp

- Có hệ số sức căng bề mặt (σ) lớn ( đối với ống nhiệt mao dẫn)

- Có góc dính ớt (θ) với thành ống nhỏ ( đối với ống nhiệt mao dẫn)

- có nhiệt ẩn hóa hơi ( r ) lớn

- Có độ nhớt (à) nhỏ

- Có hệ số dẫn nhiệt (λ) cao

- Có khối lợng riêng ( ) lớn ( Đối với ống nhiệt trọng trờngρ )

- Môi chất nếu là đơn chất phải tinh khiết, phải không độc

Ví dụ khi thiết kế ống nhiệt mao dẫn phải làm sao cho σ càng lớn càng tốt để ống nhiệt có thể làm việc ngợc chiều với lực trọng trờng và tạo ra độ chênh áp suất mao dẫn lớn Ngoài ra môi chất nạp cũng phải dính

ớt bấc và thành ống Nhìn chung góc dính ớt càng nhỏ cành tốt Vì trong ống nhiệt xảy ra hai quá trình sôi và ngng nên môi chất có nhiệt ẩn hóa hơi

r càng lớn càng tốt

Nên dùng môi chất nạp có hệ số dẫn nhiệt ( ở pha lỏng ) lớn để λ giảm đến mức tối đa độ chênh nhiệt độ theo hớng bán kính và làm giảm khả năng xuất hiện chế độ sôi bọt trên ranh giới giữa bấc và vách ống Việc

sử dụng môi chất nạp với hệ số nhớt nhỏ ( ở cả pha lỏng và pha hơi ) sẽ làm giảm tới mức tối đat rở kháng thủy lực của dòng lỏng và dòng hơi chuyển

động bên trong ống

Một điểm cần chú ý là trong khoảng nhiệt độ làm việc, áp suất của hơi bão hòa tơng ứng phải có gí trị nhỏ để tốc độ của hơi không lớn, tránh gây ra độ chênh nhiệt độ lớn làm cản trở chuyển động ổn định của nớc ngng trở về phần sôi trong trờng hợp hai dòng hơi và chất lỏng chuyển

động ngợc chiều Tuy nhiên áp suất không đợc chọn quá bé, vì nếu áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển thì dễ bị không khí bên ngoài lọt vào trong ống nhiệt Mặt khác áp suất bão hòa không đợc quá lớn để tránh dùng ống nhiệt có vách dày

b T , iêu chuẩn khác

Ngoài các tiêu chuẩn trên cũng cần phải chú ý đến giá thành của môi chất nạp, giá thành của vật liệu làm ống để hoạch toán giá thành kinh tế của ống nhiệt

Chơng 2 ống nhiệt mao dẫn

ống nhiệt trọng trờng có cấu tạo đơn giản, dễ dàng chế tạo và có khả năng chuyển tải nhiệt lớn, tuy nhiên nhợc điểm lớn nhất của ống nhiệt trọng trờng là sự hạn chế của vị trí đặt ống nhiệt Do việc chất lỏng ngng

tụ quay trở về phần bay hơi nhờ lực trọng trờng nên luôn luôn yêu cầu phải

đặt ống nhiệt trọng trờng sao cho phần sôi thấp hơn phần ngng, đặc điểm này gây ra sự hạn chế trong các ứng dụng của ống nhiệt trọng trờng

ống nhiệt mao dẫn đợc nghiên cứu và đa vào sử dụng đã khắc phục

đợc nhợc điểm này Thực tế đã và đang chứng minh tính hiệu quả cũng nh xu hớng phát triển mạnh của ống nhiệt mao dẫn

2.1 Các khái niệm cơ bản về ống mao dẫn

Trong ống nhiệt mao dẫn nhiệt nhận ở phần sôi sẽ làm bay hơi môi chất và lợng hơi này di chuyển ề phần ngng tụ của ống nhiệt Tại đây, vnhiệt ẩn đợc lấy đi nhờ sự ngng tụ Hơi của môi chất ngng tụ lại và quay trở lại phần sôi nhờ tác động của lực mao dẫn

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt mao dẫn ống nhiệt hoạt động trên một chu trình 2 pha khép kín Có sự cân bằng lỏng và hơi bên trong ống nhiệt Khi nhận nhiệt ở phần sôi, sự cân bằng này bị phá vỡ khi chất lỏng bay hơi

Hơi sinh ra áp suất cao hơn so với chất lỏng và nó di chuyển về phần ngng tụ trong không gian ống nhiệt

Hơi ngng tụ lập tức giải phóng nhiệt ẩn của quá trình ngng tụ, áp suất mao dẫn đợc tạo ra trên các bề mặt cong của bấc đa chất lỏng quay trở lại phần bay hơi Chu trình này lặp đi lặp lại và nhiệt liên tục đợc