Chuyên đề ống nhiệt toàn tập Tiến sĩ Trần Văn Vang

CHƯƠNG GIớI THIệU ốNG NHIệT 1.1 Lịch sử phát triển ống nhiệt Trong vài thập kỷ vừa qua, nghiên cứu lý thuyết ống nhiệt đợc phát triển mạnh mẽ ứng dụng chúng lĩnh vực khoa học, kỹ thuật đời sống ngày đa dạng hữu hiệu. ứng dụng đầu tiện ống nhiệt trọng trờng dùng để nớng bánh mỳ. Lò bánh mỳ Perkin sử dụng ống nhiệt đợc phát minh vào năm 1836 phổ biến rộng rãi thời gian này. Các ống trao đổi nhiệt dùng nớng bánh kiểu lò ống nhiệt làm từ vật liệu thép cácbon dày, trơn, bên nạp nớc chiếm khoảng 1/3 dung tích ống đợc hàn kín. ống nhiệt lò Perkin đợc đốt nóng dầu, khí than (hình1.1). Chiều dài ống khoảng L=3m, đờng kính ống = 3cm, chiều dài đốt nóng khoảng 3cm. Khói Hình 1.1. Lò bánh mì đốt khí với 80 ống Perkin 1- Hàng ống nhiệt 2- ống cung cấp khí đốt 3- Buồng đốt 4- Buồng nớng bánh Năm 1929, Gay sử dụng ống nhiệt để tận dụng nhiệt khói thải gia nhiệt cho không khí. Đó xy phông nhiệt pha, sử dụng ống nhiệt trọng trờng, có làm cánh bên để tăng cờng truyền nhiệt, ống nhiệt đặt thẳng đứng, dòng khí nóng chuyển động phía dới, khí lạnh chuyển động phía (hình 1.2). Phát minh cho phép ứng dụng để tận dụng nhiệt thải lò cao tốt. -1- Không khí Khói Hình 1.2 Bộ trao đổi nhiệt dùng ống nhiệt trọng trờng 1- Kênh không khí 3- Vách ngăn 2- Dãy ống nhiệt có cánh 4- Kênh khói Năm 1942, Gaugler phát minh ống nhiệt ứng dụng tợng mao dẫn. ống nhiệt bấc mao dẫn cho phép chất lỏng từ vùng ngng di chuyển đến vùng sôi nằm phía mà không cần bơm truyền nhiệt đối lu tự nhiên. Phát minh đợc ứng dụng để làm lạnh phòng nhỏ. Chất lỏng ống mao dẫn đợc làm lạnh ngăn dới (đá đập nhỏ) chuyển động lên phòng lạnh nhờ lực mao dẫn (hình 1.3) làm lạnh không khí phòng. Sự quay trở chất lỏng ngng từ vùng ngng tụ đến vùng sôi đợc giải hoàn toàn cấu trúc mao dẫn nh bấc liên kết cứng. Bằng sáng chế đợc thừa nhận năm 1944 sau bị quên lãng. Tuy nhiên với chơng trình không gian US Trefethen đề nghị sử dụng sức căng bề mặt để bơm chất lỏng năm 1963 nguyên lý bơm mao dẫn đợc phát minh lại cách độc lập Grover cộng ông phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos. ống nhiệt mao dẫn chế tạo Grover cộng ông dùng nớc làm môi chất công tác, tiếp đến Na, sau Litium Bạc đợc dùng làm môi chất công tác. Những năm tiếp theo, đầu t vào ống nhiệt nhiệt độ thấp cao đợc quan tâm, ý quy mô toàn cầu. -2- Ngăn bảo quản lạnh ống nhiệt Vỏ thùng lạnh Lớp cách nhiệt Đá nghiền nhỏ Ngăn chứa đá Hình 1.3 Sử dụng ống nhiệt để làm lạnh phòng bảo quản ống nhiệt làm việc nhiệt độ thấp đợc phát triển năm 1966 Naskim phòng thí nghiệm air Force Flight Dynamic, Wright-Patterson air Force Base. Dùng ống nhiệt nh phần tử kiểm soát nhiệt độ, lần đợc sử dụng hội vô tuyến Mỹ sáng chế ứng dụng năm 1964. Sự phát triển công nghệ lý thuyết cho phần tử điều khiển nhiệt độ hay ống nhiệt có độ dẫn rộng đợc phát triển cách đặc biệt Bienert Brennan Dynatherm Corp Marcus TRW. Sự thể ống nhiệt dùng môi chất nớc trạng thái không trọng lực đợc đa Deverall ngời cộng ông phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos. Ngày nay, ống nhiệt trở thành phần tử nhiệt tiêu chuẩn công nghệ vệ tinh vũ trụ. Phải nhiều thời gian để tìm ứng dụng ống nhiệt mặt đất. ứng dụng đợc phát triển hội vô tuyến Mỹ dùng làm mát transistor. Sau đó, ống nhiệt có ứng dụng rộng rãi việc làm mát thiết bị điện tử hiệu (bộ trao đổi nhiệt ống nhiệt). Những tài liệu ống nhiệt xi phông nhiệt pha kín trở nên nhiều. Báo cáo lý thuyết ống nhiệt hoạt động đợc viết Cotter Marcus vào năm 1965. Sau số báo cáo khác. Sổ tay thiết kế ống nhiệt đợc viết Shrabek Bienert Dynatherm Corp xuất Trung tâm vũ trụ có ngời điều khiển NASA, Houston năm 1972. Cuốn thứ 2, cập nhật sổ tay thiết kế ống nhiệt đợc viết Brennan Krolizek B&K Engineering xuất Trung tâm vũ trụ NASA Godddard, Greenbelt vào năm 1978. Nhiều sách giáo khoa tổng kết đợc viết. -3- Do phát triển nhanh chóng ống nhiệt mà nhà khoa học giới năm lần tổ chức riêng hội nghị khoa học ống nhiệt gọi IHPC (Int.Heat.Pipes Conference). Hội nghị Stuttgart 1973, Bologna 1976, Palo Alto 1978, Một số hội nghị gần nhất: + IHPC tiến hành năm 1981 Anh + IHPC tiến hành năm 1984 Nhật + IHPC tiến hành năm 1987 Pháp + IHPC tiến hành năm 1990 Nga + IHPC tiến hành năm 1992 Trung Quốc + IHPC tiến hành năm 1995 Mỹ + IHPC 10 tiến hành năm 1998 Nhật + IHPC 11 tiến hành năm 2000 Thái lan Đặc điểm hội nghị IHPC số báo cáo khoa học ngày tăng, số nhà khoa học tới dự ngày đông số nớc tham dự ngày lớn. Việt Nam, việc nghiên cứu ống nhiệt mặt lý thuyết nh triển khai ứng dụng ít. Mới có vài công trình nghiên cứu xây dựng mô hình thí nghiệm ống nhiệt đợc triển khai môn Nhiệt - Lạnh Viện Khoa học công nghệ Nhiệt - Lạnh, ĐHBK Hà nội. Các nhà khoa học bớc đầu đạt đợc số kết định. 1.2 Nguyên lý hoạt động ống nhiệt 1.2.1. Khái niệm ống nhiệt phần tử trao đổi nhiệt có không gian khép kín, bên chứa môi chất (đơn chất hỗn hợp) xảy hai trình chuyển pha sôi ngng (hình 1.4). Vách ống thờng kim loại có dạng bất kỳ, nhng thờng có dạng hình ống. Phần ngng Phần sôi Phần đoạn nhiệt Nắp phần sôi Hơi Bấc Nắp phần ngng Toả nhiệt Dòng chất lỏng Nhận nhiệt ngng Hình 1.4 Cấu tạo ống nhiệt -4- 1.2.2. Cấu tạo ống nhiệt đợc chia làm ba phần: phần bốc (còn gọi phần sôi, ống nhận nhiệt); phần đoạn nhiệt (trong phần ống không trao đổi nhiệt với bên ngoài, phần có không có); phần ngng (ở ống toả nhiệt). 1.2.3. Nguyên lý hoạt động Chất lỏng ống nhận nhiệt nguồn nóng (ví dụ khói lò .) phần bốc sôi biến thành hơi, chuyển động qua phần đoạn nhiệt tới phần ngng. Tại toả nhiệt cho nguồn lạnh qua vách ống (ví dụ không khí .). Chất lỏng ngng tạo thành chảy phần bốc nhờ lực sau đây: lực trọng trờng, lực mao dẫn, lực ly tâm, lực điện trờng, lực từ trờng . Ta biểu diễn trình làm việc ống nhiệt đồ thị T- s (hình 1.5): T P1 B P2 a C D s Hình 1.5 Chu trình hoạt động môi chất ống nhiệt AB- Quá trình bốc xảy phần sôi áp suất P1 BC- Quá trình chuyển động từ phần sôi tới phần ngng, ma sát áp suất giảm từ P1 đến P2 (P2 áp suất phần ngng). Tuy nhiên giảm áp suất nói chung nhỏ. CD- Quá trình ngng tụ tạo thành chất lỏng ngng áp suất P2. DA- Quá trình chuyển động chất lỏng ngng theo bề mặt ống nhiệt, từ phần ngng phần sôi nhờ lực trọng trờng, lực mao dẫn, . trình chất lỏng ngng đợc đốt nóng đến nhiệt độ sôi trình đợc lặp lại. Nh môi chất ống nhiệt xem thực chu trình. -5- 1.3 Phân loại ống nhiệt Ngời ta phân loại ống nhiệt theo nhiều cách. 1.3.1 Theo lực tác dụng, để đa chất lỏng ngng quay trở lại phần bốc ta có a. ống nhiệt trọng trờng (còn gọi xiphông nhiệt) Trong ống nhiệt trọng trờng thông thờng có bề mặt bên nhẵn nhng gần nhà nghiên cứu làm rãnh bề mặt bên ống, với mục đích tăng cờng khả truyền tải nhiệt ống nhiệt (hình1.6). Toả nhiệt Phần ngng Dòng chất lỏng ngng Phần đoạn nhiệt Hơi Nhận nhiệt Phần sôi Hình 1.6 Mặt cắt ngang số ống nhiệt trọng trờng Nhờ lực trọng trờng, chất lỏng ngng đợc đa phần bốc hơi. Nh phần bốc thấp phần ngng. Bề mặt ống nhiệt nhẵn làm rãnh. Bên ống nhiệt đặt tách dòng kiểu đục lỗ tách dòng kiểu giao nhau. Mục đích nhằm tăng cờng khả trao đổi nhiệt vùng sôi vùng ngng tụ; tăng cờng khả truyền tải nhiệt từ vùng sôi đến vùng ngng tụ. b. ống nhiệt mao dẫn lực tác dụng để đa chất lỏng ngng phần bốc lực mao dẫn. ống nhiệt thờng đặt ngợc hớng trọng trờng: phần bốc nằm cao phần ngng. -6- a) b) c) Hình 1.7 Mặt cắt ngang số ống nhiệt mao dẫn Để tạo lực mao dẫn có nhiều cách: - Làm rãnh bên (hình 1.7a). - Đặt lới kim loại sát bề mặt bên ống, lới đợc gọi bấc (hình 1.7b). - Hoặc kết hợp hai loại (hình 1.7c). c. ống nhiệt ly tâm ống nhiệt ly tâm, chất lỏng phần ngng trở phần bốc nhờ tác dụng lực ly tâm sinh ống quay với tốc độ (hình 1.8). Thân động Stato Rô to Trục rỗng Không khí Lỏng ngng Hơi Hình 1.8 ống nhiệt ly tâm d. ống nhiệt điện trờng Lực đa chất lỏng ngng trở phần bốc lực điện trờng e. ống nhiệt từ trờng Lực đa chất lỏng trở phần bốc lực từ trờng. 1.3.2 Theo công dụng ống nhiệt -7- - ống nhiệt truyền tải nhiệt từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp hơn. Trong trờng hợp ống nhiệt đợc coi nh phần tử truyền tải nhiệt. - ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ, mục đích giữ nhiệt độ cho vật luôn không đổi. - ống nhiệt làm nhiệm vụ truyền nhiệt chiều (còn gọi điôt- nhiệt). - ống nhiệt dùng làm công tắc nhiệt. 1.3.3 Theo nhiệt độ sử dụng - ống nhiệt nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc nhỏ 2000K. - ống nhiệt nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc từ 2000K đến 5500K. - ống nhiệt nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 5500K đến 7500K. - ống nhiệt nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc 7500K. 1.3.4 Theo hình dạng ống nhiệt - ống nhiệt đơn giản hình trụ: chiều dài ống lớn nhiều so với đờng kính ống. - ống nhiệt bình hơi: chiều dài ống tơng đơng với đờng kính ống. - ống nhiệt dạng phức tạp. 1.3.5 Theo môi chất nạp - ống nhiệt thành phần (chỉ gồm môi chất, tinh khiết nh H20, NH3 , Frêon, Na .). Phần lớn ống nhiệt sử dụng thuộc loại này. - ống nhiệt nhiều thành phần (nhiều chất lỏng hoà trộn với nhau). ống nhiệt thuộc loại thờng đợc sử dụng điều kiện làm việc đặc biệt. 1.4 Ưu điểm ống nhiệt so sánh u điểm ống nhiệt với phần tử truyền nhiệt khác. 1.4.1 Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng theo toàn chiều dài ống. Ta biết bên ống nhiệt xảy hai trình sôi ngng, áp suất phần ngng phần sôi không chênh lệch nhiều, nhiệt độ hai vùng gần nh nhau. 1.4.2 ống nhiệt truyền tải nhiệt từ vùng nóng tới vùng lạnh dùng bơm. Nh độ tin cậy thiết bị tăng trình làm việc thiết bị không gây ồn. Nh ta biết từ vùng sôi độ chênh lệch áp suất dễ dàng chuyển động đến vùng ngng, ngợc lại chất lỏng ngng tác dụng (ví dụ lực trọng trờng) lại tự chảy vùng sôi. Rõ ràng bên ống nhiệt xảy trình khép kín nên môi chất không cần phải có ngoại lực tác dụng. 1.4.3 So với dẫn nhiệt kim loại tiết diện, khả truyền nhiệt từ nguồn nhiệt tới nơi tiêu thụ ống nhiệt lớn hàng chục lần. Ưu điểm trình truyền nhiệt bên ống nhiệt thực biến đổi pha (sôi -8- ngng), trình truyền nhiệt lớn gấp hàng chục lần so với dẫn nhiệt kim loại, dù bạc. 1.4.4 Khi chọn môi chất thích hợp bảo đảm vận hành ống nhiệt an toàn khoảng nhiệt độ rộng từ -800C đến 25000C. 1.4.5 Trên thực tế ống nhiệt thờng đợc lắp đặt thành dàn thành cụm ống. Trong trình làm việc giả sử có vài ống nhiệt bị hỏng hệ thống làm việc đợc. Mặt khác ta thay ống nhiệt bị hỏng hệ thống hoạt động. 1.4.6 Dùng ống nhiệt để vận chuyển nhiệt nhiệt từ nguồn nóng truyền tải đến nhiều hộ dùng nhiệt khoảng cách khác nhau. Chính u điểm mà từ ống nhiệt đợc phát minh, nhà khoa học tập trung nghiên cứu lý thuyết nh ứng dụng. 1.5 ứng dụng ống nhiệt Mặc dù ống nhiệt đợc tìm lâu, nhng đầu ứng dụng lò nớng mì (hình 1.1), sau bị lãng quên, vào năm 1961 Groven lại phát minh ống nhiệt, kể từ đến đợc phát triển cha thấy giới việc ứng dụng vào kỹ thuật nh công nghiệp ngày đa dạng. Đầu tiên ống nhiệt đợc sử dụng nhiều công nghiệp hàng không vũ trụ, sau lần lợt thâm nhập vào ngành công nghiệp khác nhau. Sau ứng dụng ống nhiệt công nghiệp lĩnh vực khác. 1.5.1 Sử dụng nhiệt thải ống nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt có u việt hoàn toàn thoả mãn nhu cầu tận dụng nhiệt thải. Nhiều nớc công nghiệp phát triển sản xuất hàng loạt thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt, điển hình Nhật bản, Mỹ . Trung Quốc thiết bị tận dụng nhiệt thải ống nhiệt đợc chế tạo hoạt động tin cậy. Tiệp khắc sản xuất đợc hai loại thiết bị trao đổi nhiệt ống nhiệt: Loại N với môi chất NH3 sử dụng khoảng nhiệt độ từ -250C đến 800C loại W với môi chất nạp H2O sử dụng khoảng nhiệt độ từ 500C đến 3200C. loại thiết bị trao đổi nhiệt chất lỏng - chất khí ống nhiệt đợc sử dụng giá thành tơng đối cao so với thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn đối lu (dòng bên ống dòng bên ống). Ngợc lại, loại thiết bị trao đổi nhiệt loại khí- khí ống nhiệt (hình 1.2) lại đợc ứng dụng nhiều u điểm bật so với loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng vách ngăn đối lu. Sau u điểm loại 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. -9- - 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 nhau. - Thiết bị không cần dùng thêm ngoại lực nào, 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 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 đợc giải cách phủ lớp chì lên bề mặt ống nhiệt. Hãng Furukawa Nhật sử dụng 1700 ống nhiệt trờng, ống dài 8.5m, bên ống bọc lớp chì để chống ăn mòn SO2 . Kết tận dụng lại đợc 2,1 triệu kcal/h 250.000 m3 khí chứa SO2 nhiệt độ 1600C. 1.5.2 Trong ngành công nghiệp điện- điện tử Các thiết bị điện tử ngày có công suất lớn thờng đợc sản xuất dới dạng tấm. Trong trờng hợp nh vậy, việc giải vấn đề toả nhiệt phơng pháp cổ điển nh dẫn nhiệt qua nhôm, đối lu cỡng môi trờng bên không thích hợp nữa. Để giải vấn đề ngời ta sử dụng ống nhiệt, hoàn toàn đáp ứng đợc nhu cầu đặt với thiết bị gọn nhẹ, ống nhiệt ống nhiệt mao dẫn (hình 1.9). Chúng ta biết động điện tác dụng dòng Fuco, nhiệt chủ yếu sinh từ phần rôto stato. Trớc để làm mát động ngời ta thổi không khí trực tiếp vào động cơ, với không khí lợng bụi bẩn định gây ảnh hởng không tốt cho động cơ. Gần ống nhiệt ly tâm đợc ứng dụng thu đợc kết tốt đẹp ống nhiệt ly tâm, trục rôto (hình 1.8) loại máy điện, động cơ, quạt, bơm, tua-bin nhờ ta lấy lợng nhiệt cách có hiệu quả. Với loại động thiết bị gọn nhẹ nhiều. Còn ống nhiệt mao dẫn cho phép lấy nhiệt từ chi tiết stato động điện, từ công tắc đổi nối công suất lớn, từ máy biến lớn. ống nhiệt đợc dùng để 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 nhiệt độ nớc làm mát dây cáp lớn nhiệt độ nớc vào phải thấp. - 10 - Ngoài cáp dài nên hiệu làm mát không đồng theo chiều dài. Nhợc điểm đợc khắc phục cách sử dụng ống nhiệt mao dẫn. Ngời ta đặt ống nhiệt dọc theo dây cáp đầu cuối ống có toả nhiệt tự nhiên vào môi trờng xung quanh xuống đất. không dùng tới bơm mà khắc phục đợc nhợc điểm phơng pháp cổ điển. Hãng Furakawa chế tạo thành công ống nhiệt dài giới (200m) để làm mát dây cáp điện. Bằng thực nghiệm ngời ta chứng minh đợc rằng: không đợc làm mát, 12 dây cáp ngầm có nhiệt độ 1070C, nhng đợc làm mát ống nhiệt nhiệt độ giảm 800C. 1.5.3 Các ứng dụng khác ống nhiệt - Sử dụng ống nhiệt để làm mát tờng, vách, trần nhà bê tông nhà mùa hè. Hàng loạt ống nhiệt trọng trờng đợc cắm vào tờng nhà, đầu hở trời. Vào buổi tối không ánh nắng nhiệt độ không khí giảm xuống, đầu hở ống nhiệt nhanh chóng toả nhiệt lấy từ bên tờng bê tông không khí. Toà nhà nhanh chóng đợc làm mát, phần lại nhiệm vụ máy điều hoà nhiệt độ. Nh nhờ có ống nhiệt mà lợng tiêu tốn máy điều hoà nhiệt độ giảm nhà nhanh chóng đợc làm mát. - Sử dụng ống nhiệt thu lợng mặt trời (hình 1.9). Nhờ có ống nhiệt, tổn thất lợng trờng hợp trời nhiều mây nhỏ nhất, điều cho phép số trờng hợp bỏ qua hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh lu lợng chất tải nhiệt thu lợng mặt trời, nâng cao độ tin cậy thu, giảm từ 5-7 lần chi phí lợng để bơm nớc so với trờng hợp thu lợng mặt trời cổ điển. Việc dùng ống nhiệt với lợng môi chất nhỏ cho phép giảm trọng lợng nhiệt dung thu, làm tăng độ nóng nó. Hình 1.9 Sử dụng ống nhiệt thu NLMT - Sử dụng ống nhiệt trọng trờng việc chống đóng băng mặt đờng cao tốc bãi đỗ xe ôtô (hình 1.10) thay cho phơng pháp cũ phải dùng hệ thống nớc nóng tốn lợng. đầu ống nhiệt đợc cắm sâu xuống đất để lấy nhiệt (vì nhiệt độ lòng đất cao nhiệt độ bề mặt vào - 11 - mùa đông) đầu (phần ngng, toả nhiệt ống) đợc đặt nằm ngang dới mặt đờng toả nhiệt làm nóng mặt đờng tan tuyết. - Sử dụng ống nhiệt để bảo quản thực phẩm (hình 1.3) ôtô chuyên chở máy lạnh. thùng xe đợc chia làm hai phần: phần nhỏ chứa nớc đá có cắm ống nhiệt trọng trờng đặt nghiêng, phần lớn chứa thực phẩm có phần lại ống nhiệt. ống nhiệt nhận nhiệt thực phẩm cần bảo quản truyền cho nớc đá. Còn không dùng ống nhiệt phải cho nớc đá tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm nh làm hỏng thực phẩm. Hình 1.10 Sử dụng ống nhiệt sởi ấm bãi đỗ xe - Sử dụng ống nhiệt trọng trờng để chế tạo calorife thiết bị sấy (hình 1.2). - Trong ngành ôtô ống nhiệt đợc dùng để điều chỉnh nhịêt độ nớc làm mát động cơ, làm mát hay đốt nóng dầu cácte, sởi ấm cabin lái xe nhờ lợng nhiệt thải qua ống xả. - Ngoài ống nhiệt đợc sử dụng rộng rãi kỹ thuật vũ trụ. Chẳng hạn, ngời ta dùng ống nhiệt mao dẫn điều chỉnh nhiệt độ để điều hoà nhiệt độ thân tàu vũ trụ, tàu bên đợc đốt nóng mặt trời, bên lại nằm bóng đêm vũ trụ. 1.6 Môi chất nạp ống nhiệt Môi chất nạp (chất lỏng nạp vào ống) ống nhiệt cần phải đợc lựa chọn sở nhiệt độ làm việc ống nhiệt, dựa vào tính phù hợp môi chất nạp vật liệu làm ống, dựa vào tính chất nhiệt vật lý hoá học môi chất nạp v.v . - 12 - 1.6.1 Nhiệt độ làm việc ống nhiệt Nhiệt độ làm việc ống nhiệt đợc hiểu nhiệt độ trung bình ống th . Theo [1] th = 0.5(tis + tin) 0.5(tes + ten) đây: tis - nhiệt độ trung bình bề mặt ống phần sôi tin- nhiệt độ trung bình bề mặt ống phần ngng tes - nhiệt độ trung bình bề mặt phần sôi ten - nhiệt độ trung bình bề mặt phần ngng Tuỳ theo nhiệt độ làm việc ống nhiệt mà môi chất nạp chất sau: - Trong khoảng nhiệt độ thấp môi chất lạnh nh: R12, R22, R111, NH3 - Trong khoảng nhiệt độ vừa nớc, rợu v.v . - Trong khoảng nhiệt độ cao Hg, Na, K, . Bảng 1.1 môi chất nạp đợc sử dụng ống nhiệt khoảng nhiệt độ làm việc nó. Cũng cần phải lu ý đến khía cạnh nhiệt môi chất nạp, khả bị phân huỷ môi chất nạp dới tác dụng nhiệt. Với số môi chất nạp chất hữu cần phải trì nhiệt độ chúng thấp nhiệt độ chất hữu không bị phân huỷ thành thành phần khác. Nh độ bền nhiệt môi chất nạp khoảng nhiệt độ làm việc đợc coi tính chất cần thiết. Bảng 1-1: Môi chất nạp ống nhiệt nhiệt độ làm việc Môi chất Nhiệt độ Nhiệt độ sôi Khoảng nhiệt độ nóng chảy, (0C) p=1at (0C) làm việc, (0C) Heli -272 -269 -271 -269 Nitơ -210 -169 -203 -160 Amôniăc -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 Etanol -112 78 130 Heptan -90 98 150 100 30 200 -39 361 250 650 Nớc Thuỷ ngân - 13 - 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 1.6.2 Tính phù hợp Ngoài tính chất nhiệt ta phải ý tác dụng tơng hỗ môi chất nạp vật liệu làm ống nhiệt. Tính chất gọi tính phù hợp ống nhiệt. Khi ta chọn môi chất nạp không phù hợp với việc chọn vách ống nhiệt, có nghĩa ta tạo điều kiện cho môi chất nạp tác dụng với vách ống: mặt làm hỏng vách ống, mặt khác tạo khí không ngng tụ phần ngng ống, làm giảm khả truyền nhiệt. Đối với ống nhiệt mao dẫn, gặp phải trờng hợp phản ứng môi chất nạp vách ống gây sản phẩm phụ. Những sản phẩm chuyển vùng sôi tu lại làm cho trở kháng thuỷ lực cấu trúc mao dẫn tăng lên, lỗ mao dẫn có nguy bị bịt kín phần hay bịt kín hoàn toàn. Tính phù hợp ống nhiệt đợc trình bày bảng 1-2. Bảng 1-2: Tính phù hợp ống nhiệt Môi chất Vật liệu làm ống nhiệt nạp Đồng Nhôm Thép không gỉ Nớc Tốt Không Không Amôniăc Không Tốt Tốt axeton Tốt Tốt Tốt Methanol Tốt Đợc Đợc Ethanol Tốt -Đợc Freon 11 Tốt Tốt -Freon 113 Tốt Tốt Tốt Freon 502 Tốt Tốt Tốt Thép Ni-Cr Đợc Tốt Đợc Đợc Đợc Tốt --- Trong bảng này:- Tốt: Tính phù hợp tốt - Đợc: Tính phù hợp cho phép - Không đợc: Tính phù hợp không đợc cho phép - "--" : Tính phù hợp cha xác định Ví dụ: ống nhiệt đồng nạp nớc làm việc lâu dài với đặc tính nhiệt tốt. - 14 - 1.6.3 Các yêu cầu khác môi chất nạp 1.6.3.1 Tính chất vật lý, hóa học môi chất nạp - Có hệ số sức căng bề mặt lớn (đối với ống nhiệt mao dẫn). - Có góc dính ớt () với thành ống nhỏ (đối với ống nhiệt mao dẫn). - Có nhiệt ẩn hoá r lớn. - Có độ nhớt nhỏ. - Có hệ số dẫn nhiệt lớn. - Có khối lợng riêng lớn (đối với ống nhiệt trọng trờng). - Môi chất nạp đơn chất phải tinh khiết, mặt hoá học phải không độc. Chẳng hạn thiết kế ống nhiệt mao dẫn ta phải cho lớn tốt để ống nhiệt làm việc ngợc chiều với lực trọng trờng tạo độ chênh áp suất mao dẫn lớn. Ngoài môi chất nạp phải dính ớt bấc thành ống. Nhìn chung góc dính ớt nhỏ tốt. Vì ống nhiệt xảy hai trình sôi ngng nên môi chất nạp có nhiệt ẩn hoá r lớn tốt. Nên dùng môi chất nạp có hệ số dẫn nhiệt (ở pha lỏng) lớn để giảm đến mức tối đa độ chênh nhiệt độ theo hớng bán kính giảm khả xuất chế độ sôi bọt ranh giới bấc vách ống. Việc sử dụng môi chất nạp với hệ số nhớt pha lỏng pha nhỏ làm giảm tới mức tối đa trở kháng thuỷ lực dòng lỏng dòng chuyển động ống. Một điểm cần ý 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 làm cản trở chuyển động ổn định nớc ngng trở phần sôi trờng hợp hai dòng chất lỏng chuyển động ngợc chiều. Tuy nhiên áp suất không đợc chọn bé, bé (nhỏ áp suất khí quyển) dễ bị không khí bên lọt vào ống nhiệt. Mặt khác áp suất bão hoà không đợc lớn để tránh dùng ống nhiệt có vách dày. 1.6.3.2 Tiêu chuẩn khác Ngoài tiêu chuẩn cần phải ý đến giá thành môi chất nạp, giá thành vật liệu làm ống việc lựa chọn môi chất nạp. - 15 - [...]... cáp ngầm có nhiệt độ 1070C, nhng khi đợc làm mát bằng ống nhiệt thì nhiệt độ giảm chỉ còn 800C 1.5.3 Các ứng dụng khác của ống nhiệt - Sử dụng ống nhiệt để làm mát tờng, vách, trần nhà bê tông của các toà nhà trong mùa hè Hàng loạt ống nhiệt trọng trờng đợc cắm vào trong tờng 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... 12 - 1.6.1 Nhiệt độ làm việc của ống nhiệt Nhiệt độ làm việc của ống nhiệt đợc hiểu là nhiệt độ trung bình của hơi trong ống th Theo [1] th = 0.5(tis + tin) 0.5(tes + ten) ở đây: tis - nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần sôi tin- nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần ngng tes - nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài phần sôi ten - nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài phần ngng Tuỳ theo nhiệt độ làm... Sử dụng ống nhiệt sởi ấm bãi đỗ xe - Sử dụng ống nhiệt trọng trờng để chế tạo các calorife của thiết bị sấy (hình 1.2) - Trong ngành ôtô ống nhiệt đợc dùng để điều chỉnh nhịêt độ của nớc làm mát động cơ, làm mát hay đốt nóng dầu trong cácte, sởi ấm cabin của lái xe nhờ lợng nhiệt thải qua ống xả - Ngoài ra ống nhiệt còn đợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vũ trụ Chẳng hạn, ngời ta dùng ống nhiệt mao... mao dẫn điều chỉnh nhiệt độ để điều hoà nhiệt độ thân tàu vũ trụ, khi con tàu một bên đợc đốt nóng bởi mặt trời, còn bên kia lại nằm trong bóng đêm vũ trụ 1.6 Môi chất nạp ống nhiệt Môi chất nạp (chất lỏng nạp vào ống) của ống nhiệt cần phải đợc 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 hoá... mặt đờng và tan tuyết - Sử dụng ống nhiệt để bảo quản thực phẩm (hình 1.3) trong các ôtô chuyên chở không có máy lạnh ở đây thùng xe đợc chia làm hai phần: phần nhỏ chứa nớc đá có cắm các ống nhiệt trọng trờng đặt nghiêng, phần lớn chứa thực phẩm có phần còn lại của ống nhiệt ống nhiệt sẽ nhận nhiệt của thực phẩm cần bảo quản truyền cho nớc đá Còn nếu không dùng ống nhiệt thì phải cho nớc đá tiếp xúc... trọng trờng trong việc chống đóng băng mặt đờng cao tốc và bãi đỗ xe ôtô (hình 1.10) thay cho phơng pháp cũ là phải dùng hệ thống hơi nóc hoặc nớc nóng rất tốn kém năng lợng ở đây một đầu ống nhiệt đợc cắm sâu xuống đất để lấy nhiệt (vì nhiệt độ trong lòng đất cao hơn nhiệt độ bề mặt vào - 11 - mùa đông) đầu kia (phần ngng, toả nhiệt của ống) đợc đặt nằm ngang dới mặt đờng toả nhiệt làm nóng mặt đờng... tác dụng của nhiệt Với một số môi chất nạp là chất hữu cơ cần phải duy trì nhiệt độ của chúng thấp hơn một nhiệt độ nào đó để cho chất hữu cơ đó không bị phân huỷ thành các thành phần khác Nh vậy độ bền về nhiệt của môi chất nạp trong khoảng nhiệt độ làm việc cũng đợc coi là tính chất cần thiết Bảng 1-1: Môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc Môi chất Nhiệt độ Nhiệt độ sôi ở Khoảng nhiệt độ nóng... tính chất nhiệt ta còn phải chú ý tác dụng tơng hỗ giữa môi chất nạp và vật liệu làm ống nhiệt Tính chất này gọi là tính phù hợp của ống nhiệt Khi ta chọn môi chất nạp không phù hợp với việc chọn vách ống nhiệt, có nghĩa là ta đã tạo điều kiện cho môi chất nạp tác dụng với vách ống: một mặt làm hỏng vách ống, mặt khác tạo ra các khí không ngng tụ tại phần ngng của ống, làm giảm khả năng truyền nhiệt Đối... nên hiệu quả làm mát sẽ không đồng đều theo chiều dài Nhợc điểm này đã đợc khắc phục bằng cách sử dụng ống nhiệt mao dẫn Ngời ta đặt ống nhiệt dọc theo dây cáp ở đầu và cuối ống có bộ toả nhiệt tự nhiên vào môi trờng xung quanh và xuống đất ở đây không dùng tới bơm mà vẫn khắc phục đợc những nhợc điểm của phơng pháp cổ điển Hãng Furakawa đã chế tạo thành công ống nhiệt dài nhất thế giới (200m) để làm... lâu dài với những đặc tính nhiệt tốt - 14 - 1.6.3 Các yêu cầu khác của môi chất nạp 1.6.3.1 Tính chất vật lý, hóa học của môi chất nạp - Có hệ số sức căng bề mặt lớn (đối với ống nhiệt mao dẫn) - Có góc dính ớt () với thành ống nhỏ (đối với ống nhiệt mao dẫn) - Có nhiệt ẩn hoá hơi r lớn - Có độ nhớt à nhỏ - Có hệ số dẫn nhiệt lớn - Có khối lợng riêng lớn (đối với ống nhiệt trọng trờng) - Môi chất . Theo nhiệt độ sử dụng - ống nhiệt nhiệt độ rất thấp: nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 200 0 K. - ống nhiệt nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc từ 200 0 K đến 550 0 K. - ống nhiệt nhiệt độ trung bình: nhiệt. của ống nhiệt ở đây chúng ta so sánh u điểm của ống nhiệt với các phần tử truyền nhiệt khác. 1.4.1 Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng đều theo toàn bộ chiều dài ống. Ta biết rằng bên trong ống nhiệt. 750 0 K. - ống nhiệt nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc trên 750 0 K. 1.3.4 Theo hình dạng ống nhiệt - ống nhiệt đơn giản hình trụ: chiều dài ống lớn hơn rất nhiều so với đờng kính ống. - ống nhiệt