Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1. MỤC ĐÍCH Luận văn với mục đích nghiên cứu các đặc tính của ống nhiệt mao dẫn nhỏ. Èng nhiệt loại này thường được ứng dụng để giải nhiệt cho các thiết bị điện tử. Sau khi tính toán, thiết kế và chế tạo trên lý thuyết. Qua thí nghiệm chạy thử thiết bị số liệu đo đạc được so sánh với kết quả lý thuyết và đánh giá tính khả thi. Với ống nhiệt mao dẫn khi xác định được các giới hạn : giới hạn về độ nhớt, giới hạnh âm thanh, giới hạn sôi, giới hạn lôi cuốn và giới hạn mao dẫn. Giới hạn mao dẫn là giới hạn nhỏ nhất trong các giới hạn của ống nhiệt khi ống nhiệt có phần ngưng tụ thấp hơn phần bay hơi vì thế giới hạn này là cơ sở để tính toán công suất lớn nhất mà ống nhiệt có thể đạt được. Bên cạnh đó, việc xác định góc nghiêng ảnh hưởng đến công suất và phân bố nhiệt độ trên ống nhiệt là vô cùng quan trọng. Dưới đây là nôi dung chính của luận văn cần thực hiện: Công việc chính của luận văn gồm các nội dụng sau:  Xác định công suất lớn nhất khi ống nhiệt hoạt động.  Sù thay đổi nhiệt độ trên toàn bộ ống nhiệt  Ảnh hưởng của góc nghiêng tới công suất nhiệt của ống 3.2. TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT Tính toán lý thuyết ống nhiệt mao dấn với các thông số đầu vào  kích thước, vật liệu làm ống và làm bấc, môi chất làm việc được cho  sau: 3.2.1. Vật liệu chế tạo: Èng: Đồng Kích thước ống.  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất Như đã nói ở chương trước, để tối ưu hoá về công suất truyền tải nhiệt và thuận lợi cho việc thiết kế và chế tạo ống nhiệt để giải nhiệt cho ngành điện tử cũng  sau khi chế tạo xong để thuận lợi cho việc lắp đặt là loại ống nhiệt mao dẫn nhỏ. Chọn vật liệu chế tạo, thông số và kính thước ống nhiệt  sau:  Chiều dài ống: L = 280 mm;  Đường kính ngoài của ống: d o = 4 mm;  Đường kính trong của ống: d in =3 mm;  Chiều dài phần ngưng tự: L c = 160 mm;  Chiều dài đoạn nhiệt: L a = 60 mm;  Chiều dài phần bay hơi L e = 60 mm. Môi chất làm việc. Nước Xuất phát từ giới hạn khi vận hành ống nhiệt mao dẫn là giới hạn mao dẫn là tiêu chuẩn cơ bản để xác định công suất lớn nhất khi vận hành ống nhiệt. Vì vậy từ công thức (2.11): (∆P c ) m ≥ IIc,phe,ph Leff l Leff v PPPPdx x P dx x P ∆±∆+∆+∆+ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∫∫ , Pa (3.1) Với giả thiết dòng một chiều và điểm ướt ở cuối phần ngưng tụ. Từ (2.12) QL A)r(2 )Ref(C Pdx x P eff vv 2 r,h vvv v Leff v         λρ µ =∆= ∂ ∂ ∫ Từ (2.30) QL) KA (Pdx x P eff lw l l Leff l λρ µ =∆= ∂ ∂ ∫ Từ (2.31) + ∆P = ψρ cosgd vl Từ (2.32) II P∆ = ψρ singL l ; (Nếu ống nhiệt nằm ngang Ψ = 0) Độ chênh áp suất mao dẫn từ (2.8 và 2.9)  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất c l c r cos2 P θσ =∆ với N2 1 r c = Thay toàn bộ vào (3.1) ta có: Ψρ±Ψρ+ λρ µ +         λρ µ ≥ θσ singLcosgdQL) KA (QL A)r(2 )Ref(C r cos2 lvleff lw l eff vv 2 r,h vvv c hay: Ψρ±Ψρ+ λρ µ +         λρ µ = σ singLcosgdQL) KA (QL A)r(2 )Ref(C r 2 lvleff lw l eff vv 2 r,h vvv c Vậy: Q = ( ) ( )         λρ µ +         λρ µ ψ±ψρ−σ =         λρ µ +         λρ µ ψ±ψρ− σ ) KA ( A)r(2 )Ref(C L.r sinLcosdgr2 ) KA ( A)r(2 )Ref(C L sinLcosdg r 2 lw l vv 2 r,h vvv effc vlc lw l vv 2 r,h vvv eff vl c ,W (3.2) Với: L eff - chiều dài hiệu dụng của ống nhiệt được xác định: L eff = 0,5L e + L a + 0,5L v , m (3.3) d v - đường kính không gian hơi được xác định: d v = d in -2(δ w + δ s ), m (3.4) Trong đó: δ w - chiều dày lớp bấc, m; δ s - chiều dày khoảng trống, m. A v - diện tích không gian hơi được xác định: A v = [ ] 2 swin 2 v )(2d 4 1 )d( 4 1 δ+δ−π=π , m 2 (3.5) A w - diện tích dòng lỏng được xác định: A w = [ ] [ ] 2 swin 2 in 2 v 2 in )(2dd 4 1 )dd( 4 1 δ+δ−−π=−π , m 2 (3.6)  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất K- độ thấm của bấc được xác định: K = 2 )∀− ∀ 1(122 d 32 w , m 2 (3.7) 4 d.N 05,1 1 w π −=∀ (độ xốp của bấc) (3.8) K = [ ] ( ) 2 w 3 w w 3 w Nd02,538 Nd05,14 4 N.d 05,1 (122 4 d.N 05,1 1 π π− = π       π − 2 ) , m 2 (3.9) Để xác định chọn số nút một cách hiệu quả ta phải căn cứ vào mục đích sử dụng và nhiệt độ hoạt động của ống nhiệt. Ta tiến hành thí nghiệm với nhiệt độ bay hơi đoạn nhiệt ở ba chế độ khác nhau là 30, 40 và 50 o C ở các góc nghiêng khác nhau. Ta tiến hành tính toán cho một chế độ với nhiệt độ môi chất làm việc 30 o C và góc nghiêng là 0 o . Các thông số vật lý của môi chất cho ở bảng 3.1 Chọn bấc: Chọn vật liệu làm bấc là đồng sợi được thể hiện chi tiết ở hình 3.1, vì ống nhiệt nhỏ, để thuận tiện cho việc cho bấc vào trong ống ta sử dông một lớp lưới và đường kính dây là: d w = 0,0045 inch = 1,143.10 -4 m (3.10) Khoảng trống từ vách trong ống nhiệt tới bấc bằng đường kính dây đồng sợi là: δ w = δ s = d w = 1,143.10 -4 m (3.11) Từ (3.8) ta có: 4 d.N 05,1 1 w π −=∀ = 4 10.143,1.N.14,3.05,1 1 4 − − = 1- 9,42.10 -5 N Thay vào (3.7): K = 3 5 32 w 10.42,9 N 1 N01207,0 1(122 d       −= ∀− ∀ − 2 ) (3.12) Đường kính bay hơi: d v = d in -2(δ w + δ s ) = 3.10 -3 - 2(2.1,143.10 -4 ) = 2,5428.10 -3 m (3.13)  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất Diện tích bay hơi (3.5): A v = 232 )10.5428,2( 4 1 )( 4 1 − = ππ v d = 5,078.10 -6 m 2 (3.14) Diện tích dòng lỏng (3.6): A w = [ ] 23232 v 2 in )10.5428,2()10.3( 4 1 )dd( 4 1 −− −π=−π =1,99.10 -6 m 2 (3.15) Thay (3.9), (3.10), (3.11), (3.12), (3.13), (3.14) và (3.15) vào (3.2) ta có: 3.2.2. Công suất nhiệt thay đổi theo số nút của bấc q = f(N) = 34 25 )N10.77,34( N10.277,7 07,9 414,12N142,0 − − − + − (3.16) Từ phương trình (3.16) ta xây dựng đồ thị thể hiện ở phụ lục 1.Từ đồ thị ta tìm được giá trị công suất lớn nhất Q=Q max khi số nút N = 3732/m = 44/in        δ  δ  δ  δ   δ  δ  w W/ 2    θ    B-B B B H×nh 3.1. Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất 3.2.3. Công suất nhiệt thay đổi theo nhiệt độ bay hơi của môi chất  Để tìm hàm công suất nhiệt thay đổi theo nhiệt độ từ (3.16) ta ta xác định được N và thay vào phương trình (3.2) và Q là một hàm của nhiệt độ biến thiên từ 0 o C đến 100 o C. -Từ phương trình (3.2) sau khi chọn N=3732/m = 44/in và ống nhiệt đặt vị trí nằm ngang (Ψ=0 o ). ta có: λρ µ + λρ µ ρ−σ = − l l 10 v v 7 l 6 10.085,110.2465,5 10.0344,72 Q , W (3.17) Các thông số vật lý của nước phụ thuộc vào nhiệt độ biến thiên trong khoảng 10 o C đến 100 o C được cho ở bảng 3.1 Đồ thị của phương trình (3.17) và các thông số đầu vào cho ở bảng 3.1. được thể hiện ở phụ lục 2. 3.2.4. Công suất nhiệt thay đổi theo góc nghiêng. Với chế độ này ta chỉ xét khi phần bay hơi cao hơi phần ngưng tụ và khi nhiệt độ bay hơi ở 30 o C. Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở bảng 3.1 và các thông số khác không thay đổi từ phương trình (3.1) sau khi tính toán ta có: Q = 15,4 - 299,35(2,54.10 -3 cosΨ + 280,00.10 -3 sinΨ ) (3.18) Sau khi khảo sát phương trình (3.18) ta thấy đối với loại ống nhiệt này góc tạo bởi ống nhiệt và phương nằm ngang (phần bay hơi cao hơi phần ngưng tụ) lên tới 10 o thì lúc này lực mao dẫn bằng không. Đồ thị này được thể hiện ở phụ lục 3.  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất Bảng 3.1. Các thống số vật lý của nước thay đổi theo nhiệt độ T [ o C]  J/kg σ [N/m] v ρ [kg/m 3 ] l ρ [kg/m 3 ] v µ [N.s/m 2 ] l µ [N.s/m 2 ] Q [W] 10 2,49.10 6 0,0750 0,0080 1,42.10 -3 8,29.10 -6 1,42.10 -3 5.1367 20 2,45.10 6 0,0730 0,0173 1,00.10 -3 8,85.10 -6 1,00.10 -3 9.1153 25 2,35.10 6 0,0729 0,0240 9,47.10 -4 1,03.10 -6 9,47.10 -4 9.9996 30 2,43.10 6 0,0709 0,0350 7,69.10 -4 9,29.10 -6 7,69.10 -4 14.7605 40 2,41.10 6 0,0690 0,0510 6,51.10 -4 9,66.10 -6 6,51.10 -4 18.6245 50 2,49.10 6 0,0693 0,0830 5,50.10 -4 1,12.10 -5 5,50.10 -4 25.2714 60 2,36.10 6 0,0660 0,1300 4,63.10 -4 1,05.10 -5 4,63.10 -4 31.7712 75 2,49.10 6 0,0620 0,2470 3,93.10 -4 1,12.10 -5 3,93.10 -4 43.4122 80 2,31.10 6 0,0630 0,2930 3,51.10 -4 1,13.10 -5 3,51.10 -4 46.5857 100 2,25.10 6 0,0590 0,5970 2,79.10 -4 1,21.10 -5 2,79.10 -4 59.6833 3.2.5. Các giới hạn của ống nhiệt a) Giới hạn về độ nhớt: Từ công thức (2.33) ta có: Q v = ev vv v 2 v L64 P Ad µ ρ λ Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở bảng 3.1. Đường kính bay hơi theo (3.13) là: d v = 2,5428.10 -3 m Chiều dài phần bay hơi là: L e = 0.6 m Vậy ta có: Q v = v vv v 7 ev vv v 2 v P A.10.68,1 L64 P Ad µ ρ λ= µ ρ λ − , W (3.19)  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất T [ o K] P v [N/m 2 ] Q v [W] 283,15 1,23.10 3 25,049 293,15 2,34.10 3 95,299 298,15 3,17.10 3 147,192 303,15 4,24.10 3 329,397 313,15 7,38.10 3 796,577 323,15 9,58.10 3 1507,035 333,15 1,99.10 4 4944,042 348,15 3,86.10 4 17990,936 353,15 4,74.10 4 24104,200 373,15 1,01.10 5 95672,021 Đồ thị phương trình (3.19) được được biểu diễn ở phụ lục 4. b) Giới hạn âm thanh: Từ phương trình (2.35): Q s = 2/1 v ovv ov )1(2 TR A       +γ γ λρ ρ o -khối lượng riêng của hơi γ v -chỉ số đoạn nhiệt (γ v =1,33) R v -hằng sè hơi: R v = 462 18 10.314,8 R 3 == µ µ J/kg.K [ µ R hằng số chất khí lý tưởng ( µ R = 8,314.10 3 J/kg.mol.K); µ -kilomol của hơi ( µ =18)] Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở bảng 3.1. Vậy ta có: Q s = TA265,130 )1(2 TR A ov 2/1 v ovv ov λρ=       +γ γ λρ (3.20) Phương trình được được biểu diễn ở phụ lục 4. c) Giới hạn sôi: Từ công thức (2.38)  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất Q b,e =         ∆− σ         λρ π m,c nviv veffe P r 2 )r/rln( TkL2 (3.21) P c,m - áp suất mao dẫn trong cấu trúc bấc. Nếu P c <P c,m thì áp suất này có thể láy bằng áp suất mao dẫn lớn nhất, r n - bán kính tâm sôi thì được lấy trong khoảng 2,54.10 5 đến 2,54.10 7 . Trong trường hợp này r n = 2,54.10 7 m; L e - chiều dài phần bay hơi (L e = 0.6 m); k eff - hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc-lỏng: k eff = )k-)(k -(1k )]k-)(k -(1-k+[kk w1 w1w11 ∀++ ∀ w1 k ∀ - độ xốp của bấc tính theo (3.8) k w - hệ số dẫn nhiệt của bấc tra theo [6] (k w = 402 W/m.K) Từ các thông số trên ta tính toán và được thể hiện ở bảng sau: T [ o K] ∀ k eff [W/m.K] P c,m [N/m2] Q b,e [W] 283,15 0,837 0,833 1181,102 1397,962 293,15 0,837 0,837 1149,606 663,558 298,15 0,837 0,847 1148,031 513.815 303,15 0,837 0,861 1116,535 342,737 313,15 0,837 0,920 1086,614 2572,009 323,15 0,837 0,888 1091,339 151,573 333,15 0,837 0,901 1039,370 101,609 348,15 0,837 0,902 976,378 49,861 353,15 0,837 0,927 992,126 47,960 373,15 0,837 0,944 929,134 24,319 Đồ thị của phương trình (3.21) được được biểu diễn ở phụ lục 4. d) Giới hạn lôi cuốn: Giới hạn lôi cuốn có thể xác định theo phương trình (2.39): Q l = 2/1 w,h v v r2 A         σρ λ (3.22)  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất w,h r - bán kính thuỷ tĩnh của cấu trúc bấc T [ o K] w,h r [m] Q l [W] 283,15 2,250.10 -4 14,531 293,15 2,250.10 -4 20,800 298,15 2,250.10 -4 23,417 303,15 2,250.10 -4 28,815 313,15 2,250.10 -4 34,052 323,15 2,250.10 -4 44,991 333,15 2,250.10 -4 52,108 348,15 2,250.10 -4 73,412 353,15 2,250.10 -4 74,826 373,15 2,250.10 -4 100,779 Đồ thị của phương trình (3.22) được được biểu diễn ở phụ lục 4. d) Giới hạn mao dẫn Giới hạn này là giới hạn cơ bản nhất để tính xác định công suất lớn nhất của ống nhiệt mao dẫn khi ống nhiệt có phần bay hơi năm trên phần ngưng tụ. Giới hạn mao dẫn được trình bày chi tiết ở mục 2.4 và phương trình (3.2). Giới hạn này được biểu diện ở hình 4 Đối với các chế độ nhiệt và góc nghiêng khác ta tính toán tương tự 3.3. SƠ LƯỢC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ! 17 16 14 1519 18 ac V A AC 220V 7 13 12 11 10 9 6 5 4  2 1 V U=20 V I =625. m A P=12.5W Tes 1313 60 C o type: T EnergyTest 2020e ψ V A  !" #$%&'()*+,-./012'3 45673-'83'9"673 :;<!92'=,67'8.3012>3) ?'8%'8@H×nh 3.2A:B3 8 [...]... ca ng nhit nh v xỏc nh cụng sut nhit ln nht 160 40 40 60 40 40 60 30 i 30 m c là nuớ -Vị mát trí cặp nhiệt Hình a Bản vẽ vị trí gắn cặp nhiệt 3 5 1 0,5 4 3 2 1 1 -ống nhiệt4 - Băng dính bạc2- Đầu cặp nhiệt5 - Keo cách nhiệt3 Keo dẫn nhiệtHình b- Bản vẽ chi tiết gắn cặp nhiệtHình 3.4 Sơ đồ gắn vị trí cặp nhiệt 77 Mụ hỡnh toỏn hc ca ng nhit nh v xỏc nh cụng sut nhit ln nht 3.4.3 Ch to b lm mỏt, t núng a)... 1 11 14 2020e EnergyTest U=20 V Tes I =625 1313 60 C o 13 type: T 1 -ống nhiệt 2-Mêca mềm 3-Dây điện trở 4-Amiăng 5-Polyurêthan (PU) m A P=12.5W 12 6-Amiăng 7-Giấy bạc 8-Giây cặp nhiệt 9-Đầu cặp nhiệt 10-Máy ổn áp 11-Máy biến áp tự ngẫu 12-Đồng hồ vạn năng 13-Bộ chuyển đổi 14-Đồng hồ đo nhiệt độ Hình 3.6 Bộ phận đốt nóng của ống nhiệt 81 10 ... vi thi gian V gn mt cp nhit o nhit nc ra v mt cp nhit o nhit nc vo ca b phn lm mỏt 1 160 40 2 5 18 40 5 40 170 40 40 5 40 36 12 62 Nước làm mát 170 1- ống nhiệt2 - Thiết bị làm mát (Vật liệu thuỷ tinh hữu cơ )Hình 3.4 Bản vẽ thiết bị làm mát ống nhiệt 79 Mụ hỡnh toỏn hc ca ng nhit nh v xỏc nh cụng sut nhit ln nht b) B phn t núng Dựng cp nhit cho phn sụi ca ng nhit, lm cho mụi cht np trong ng l nc... trong vo 1 giờ Bc 4: Ra bng nc ct v sy khụ ton b bng khụng khớ hoc khớ nit b) Np mụi cht 72 Mụ hỡnh toỏn hc ca ng nhit nh v xỏc nh cụng sut nhit ln nht Khí không ngưng v1 v3 v2 Không khí ống puret Thiết bị đun nước v4 ống nhiệt v5 v6 Bơm chân không Hỡnh 3.3 S np mụi cht lm vic cho ng nhit Np mụi cht lm vic cho ng nhit nh l mt th thỏch rt ln, bi vỡ ng nhit loi ny cú khụng gian bờn trong rt bộ Trong lun . 3.1. Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất 3.2.3. Công suất nhiệt thay đổi theo nhiệt độ bay hơi của môi chất  Để tìm hàm công suất nhiệt thay đổi theo nhiệt độ. HÀNH VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.4.1. Làm sạch và nạp môi chất vào ống a) Làm sạch ống  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất Phương pháp làm sạch ống nhiệt. mở ra và hàn ống. Lượng lỏng có thể được xác định bằng phương pháp cân trước và sau khi nạp.  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất 3.4.2. Lựa chọn và chế