Nghiên cứu sử dụng ống nhiệt làm mát máy biến áp

Tại Việt Nam, nhu cầu về điện là rất lớn, đặc biệt là mùa hè, các máy biến áp luôn phải làm việc với công suất tối đa, tuy nhiên, do đặc điểm khí hậu, nước ta là một nước nhiệt đới, khí hậu nóng và ẩm, vào mùa hè nhiệt độ môi trường rất cao, làm giảm khả năng giải nhiệt cho máy biến áp, dẫn đến giảm hiệu suất làm việc của thiết bị, thậm chí gây là những sự cố nghiêm trọng. Theo một nghiên cứu do Tổng công ty Điện lực Hàn quốc thực hiện năm 1990 thì các sự cố của máy biến áp xảy ra do nguyên nhân làm mát dầu không tốt chiếm đến 40% tổng các sự cố. Tổng công ty Điện lực Hàn quốc cũng tiến hành nghiên cứu phương pháp làm mát máy biến áp sử dụng ống nhiệt, kết quả công bố rất khả quan: Máy biến áp loại 50 kVA: Nhiệt độ dầu giảm hơn so với loại cũ 30C. Máy biến áp loại 100 kVA: Nhiệt độ dầu giảm hơn so với loại cũ 40C. Trong thời gian gần đây, xu thế nghiên cứu và ứng dụng trong các ngành khoa học công nghệ trên thế giới ngày càng phát triển, phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng. Các hãng công nghệ lớn, các nhà sản xuất có tên tuổi như ABB, Honeywell, Carrier… đã quan tâm đầu tư, nghiên cứu và phát triển công nghệ này. Từ những lý do trên, tác giả của đề tài mong muốn nghiên cứu, chế tạo ống nhiệt, và ứng dụng để làm mát cho máy biến áp ngâm dầu

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 3

ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP, KHẢ NĂNG LÀM VIỆC, ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC LÀM MÁT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT MÁY BIẾN ÁP 3

1.1 ĐẠI CƯƠNG 3

1.1.1 Nguyên lý làm việc của máy Biến Áp 3

1.1.2 Các đại lượng định mức 5

1.1.3 Các loại máy biến áp chính 6

1.1.4 Cấu tạo của máy biến áp 7

1.2 KHẢ NĂNG LÀM VIỆC, CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT VÀ TUỔI THỌ CỦA MÁY BIẾN ÁP 13

1.2.1 Đặt vấn đề 13

1.2.2 Khả năng tải của máy biến áp 14

1.3 ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC LÀM MÁT ĐẾN HIỆU SUẤT LÀM VIỆC VÀ TUỔI THỌ CỦA MÁY BIẾN ÁP 16

1.3.1 Quá nhiệt do quá tải 17

1.3.2 Quá nhiệt do nhiệt độ môi trường quá cao 18

1.3.3 Quả nhiệt do mức dầu quá thấp 18

1.3.4 Quá nhiệt do sự đối lưu của dầu kém 18

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT MÁY BIẾN ÁP 19

1.4.1 Cơ cấu truyền nhiệt trong máy biến áp 19

1.4.2 Phương pháp đối lưu tự nhiên 20

1.4.3 Phương pháp đối lưu cưỡng bức 21

1.4.4 Phương pháp mới làm mát máy biến áp bằng ống nhiệt 22

CHƯƠNG 2 24

TỔNG QUAN VỀ ỐNG NHIỆT, CÁC ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT 24

2.1 TỔNG QUAN VỀ ỐNG NHIỆT 24

2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG NHIỆT 24

2.2.1 Cấu tạo của ống nhiệt 24

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt 25

2.3.1 Theo lực tác dụng để đưa chất lỏng ngưng quay trở về phần sôi 27

2.3.2 Theo phạm vi nhiệt độ sử dụng 29

2.3.3 Theo môi chất nạp 29

2.3.4 Theo mục đích sử dụng ống nhiệt 30

2.3.5 Theo hình dạng ống 30

2.4 ƯU ĐIỂM CỦA ỐNG NHIỆT 30

2.5 ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT 31

2.6 LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG CÓ BỀ MẶT NHẴN BÊN TRONG 35

2.6.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 35

2.6.2 Chọn môi chất nạp ống nhiệt 37

1 Chọn môi chất theo nhiệt độ làm việc của ống nhiệt 37

2 Chọn môi chất theo tính phù hợp 38

3 Chọn theo các yêu cầu khác của môi chất 39

2.6.3 Tính toán ống nhiệt trọng trường có bề mặt trong nhẵn 40

2.6.4 Ảnh hưởng của lượng nạp môi chất và góc nghiêng tới công suất nhiệt trong Qi của ống nhiệt 48

2.6.5 Các loại giới hạn công suất nhiệt của ống nhiệt trọng trường 49

2.6.6 Chọn chiều dài phần sôi và phần ngưng của ống nhiệt trọng trường 51

2.7 XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT CỦA MỘT ỐNG NHIỆT Q1 52

CHƯƠNG 3 57

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢI TIẾN LÀM MÁT MÁY BIẾN ÁP BẰNG ỐNG NHIỆT 57

3.1 GIỚI THIỆU 57

3.2 PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT MÁY BIẾN ÁP MỚI 57

3.3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢI TIẾN BỘ LÀM MÁT MÁY BIẾN ÁP SỬ DỤNG ỐNG NHIỆT 58

3.4 THÍ NGHIỆM LÀM MÁT BẰNG ỐNG NHIỆT TRÊN MÔ HÌNH 64

3.5 ĐÁNH GIÁ VỀ MẶT KỸ THUẬT 67

3.6 ĐÁNH GIÁ VỀ MẶT KINH TẾ 68

KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

MỤC LỤC HÌNH Hình 1-1: Sơ đồ mạng truyền tải đơn giản 3

Hình 1-2: Nguyên lý làm việc của Máy Biến Áp 3

Hình 1-3: Máy Biến Áp kiểu lõi 7

Hình 1-4: Máy Biến Áp kiểu bọc 7

Hình 1-5: Máy Biên Áp kiểu trụ bọc 8

Hình 1-6: Tiết diện của trụ thép 8

Hình 1-7: Các dạng thiết diện của trụ thép và gông từ phía dưới 8

Hình 1-8: Dây cuốn hình trụ 9

Hình 1-9: Dây cuốn hình xoắn 10

Hình 1-10: Dây cuốn hình xoắn ốc liên tục 10

Hình 1-11: Dây cuốn xen kẽ 10

Hình 1-12: Thùng dầu kiểu ống 11

Hình 1-13: Thùng dầu có bộ tản nhiệt 11

Hình 1-14: Bộ tản nhiệt hai hàng ống có quạt gió riêng biệt 11

Hình 1-15: Sứ 35 kV chứa dầu 12

Hình 1-16: 1) Bình giãn dầu 2) Ống bảo hiểm 12

Hình 1-17: Máy biến áp dầu ba pha 12

Hình 1-18: Nguyên lý truyền nhiệt trong máy biến áp 19

Hình 1-19: Phương pháp làm mát máy biến áp bằng đối lưu tự nhiên……….20

Hình 1-20a/b: Phương pháp làm mát máy biến thế bằng đối lưu cưỡng bức của dầu máy 21

Hình 1-21: Phương pháp cũ làm mát dầu Hình 1-22: Ống nhiệt làm mát dầu 23

Hình 2-2 Quá trình hoạt động của ống nhiệt trên biển đồ T-s 26

Hình 2-3:Ống nhiệt trọng trường 27

Hình 2-4:Ống nhiệt mao dẫn 28

Hình 2-5:Ống nhiệt ly tâm làm mát động cơ điện 29

Hình 2-6: Sử dụng ống nhiệt làm mát các thiết bị điện tử 32

Hình 2-7:Hệ thống chân đỡ bằng ống nhiệt để làm mát đường ống 33

Hình 2-8:Sử dụng ống nhiệt làm bộ thu năng lượng mặt trời cho bình nước nóng 33

Hình 2-9:Sử dụng ống nhiệt trong ngành công nghiệp ô tô dùng để làm mát động cơ, làm mát đèn pha chiếu sáng, sưởi ấm ca bin… 34

Hình 2-10:Ứng dụng của ống nhiệt cho việc tiết kiệm năng lượng 35

trong hệ thống điều hoà không khí trung tâm 35

Hình 2-11: Cấu tạo ống nhiệt 36

Bảng 2-1.Môi chất nạp của ống nhiệt và khoảng nhiệt độ làm việc 38

Bảng 2-2 Tính phù hợp của ống nhiệt 39

Hình 2-12: Nhiệt trở của ống nhiệt trọng trường 41

Hình 2-13.Giá trị của một số môi chất theo nhiệt độ 46

Hình 2-14: Ống nhiệt 53

Hình 3-1: Hệ thống làm mát kiểu mới 57

Hình 3-2: Cấu tạo của máy biến áp 50kVA 59

Hình 3-3: Máy biến áp 50kVA làm mát bằng ống nhiệt 61

Hình 3-4: Ống nhiệt (dạng hộp) 63

Hình 3-5: Mô hình thí nghiệm làm mát máy biếp thế bằng ống nhiệt………64

Hình 3-6: Làm mát máy biến áp bằng ống nhiệt ………65

1 GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên

A Hằng số kích thước

S Diện tích tiến diện m2

C Nhiệt dung riêng J/kg.K

LỜI NÓI ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài: Tại Việt Nam, nhu cầu về điện là rất lớn, đặc biệt là mùa hè,

các máy biến áp luôn phải làm việc với công suất tối đa, tuy nhiên, do đặc điểm khí hậu, nước ta là một nước nhiệt đới, khí hậu nóng và ẩm, vào mùa hè nhiệt độ môi trường rất cao, làm giảm khả năng giải nhiệt cho máy biến áp, dẫn đến giảm hiệu suất làm việc của thiết bị, thậm chí gây là những sự cố nghiêm trọng Theo một nghiên cứu do Tổng công ty Điện lực Hàn quốc thực hiện năm 1990 thì các

sự cố của máy biến áp xảy ra do nguyên nhân làm mát dầu không tốt chiếm đến 40% tổng các sự cố Tổng công ty Điện lực Hàn quốc cũng tiến hành nghiên cứu phương pháp làm mát máy biến áp sử dụng ống nhiệt, kết quả công bố rất khả quan: Máy biến áp loại 50 kVA: Nhiệt độ dầu giảm hơn so với loại cũ 30C Máy biến áp loại 100 kVA: Nhiệt độ dầu giảm hơn so với loại cũ 40C Trong thời gian gần đây, xu thế nghiên cứu và ứng dụng trong các ngành khoa học công nghệ trên thế giới ngày càng phát triển, phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng Các hãng công nghệ lớn, các nhà sản xuất có tên tuổi như ABB, Honeywell, Carrier… đã quan tâm đầu tư, nghiên cứu và phát triển công nghệ này Từ những lý do trên, tác giả của đề tài mong muốn nghiên cứu, chế tạo ống nhiệt, và ứng dụng để làm mát cho máy biến áp ngâm dầu

2 Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu, đề xuất giải pháp sử dụng ống nhiệt để

nâng cao hiệu quả làm mát máy biến áp ngâm dầu 50kVA-22/0,4 kV Phân tích, đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết và khả năng ứng dụng tại Việt Nam

3 Nhiệm vụ nghiên cứu: Nghiên cứu một giải pháp mới nhằm nâng cao hiệu quả

làm việc của máy biến áp ngâm dầu trong điều kiện Việt Nam

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Máy biến áp ngâm

dầu làm mát kiểu mới – Sử dụng ống nhiệt Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu mô hình thiết bị trong phòng thí nghiệm, chế tạo thiết bị thực tế và đánh giá khả năng ứng dụng trong thực tế

5 Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, tham khảo kết quả của các

công trình khoa học đã công bố, đo đạc, khảo sát các thiết bị đang sử dụng trong thực tế, chế tạo mô hình thiết bị, thực hiện các thí nghiệm, tổng hợp, phân tích

số liệu thí nghiệp, xử lý hiệu chỉnh kết quả

6 Dự kiến đóng góp mới: Giới thiệu phương pháp tính toán, sử dụng một thiết bị

trao đổi nhiệt kiểu mới - Ống nhiệt, sử dụng trong việc nâng cao hiệu suất làm việc của máy biến áp

CHƯƠNG 1

ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP, KHẢ NĂNG LÀM VIỆC, ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC

LÀM MÁT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT MÁY BIẾN ÁP

Hình 1-1: Sơ đồ mạng truyền tải đơn giản

1.1.1 Nguyên lý làm việc của máy Biến Áp

Dựa vào nguyên lí làm việc của máy biến áp 1 pha gồm một lõi thép và có hai cuộn dây w1 và w2 vòng Khi đặt một máy xoay chiều U1 vào dây quấn 1 xuất hiện dòng điện I1 Trong lõi thép sinh ra từ thông  móc vòng cả

hai dây quấn 1 và 2 sinh ra suất điện động cảm ứng e1 và e2

trong cả hai dây quấn Dây quấn 2 sinh ra từ trường dòng

điện U2 đưa ra tải với điện áp U2 Như vậy năng lượng của Hình 1-2: Nguyên lí làm việc

dòng điện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2

Giả sử điện áp đặt vào có dạng hình sin thì từ thông do nó sinh ra cũng là hình sin:  = m.sinω.t Theo định luật cảm ứng điện từ, suất điện động cảm ứng trong dây quấn 1 và 2 là:

1 1 m 1 m 1

2

w f 2 2

w 2

E

(2-3)

m 1 m

2 1 m 2 m 2

2

w f 2 2

w 2

1 w

w E

U1

U 2

1 w

w p U p U



Với w1số vòng dây pha sơ cấp, w2 số vòng dây pha thứ cấp

- Tỉ số điện áp dây không những chỉ phụ thuộc vào tỉ số vòng dây giữa sơ cấp và thứ cấp mà còn phụ thuộc cách nốI hình sao hay tam giác:

+ Khi nối /Y:

k =

2 3

1 2

3

1 2

1

w

w p

U

p U d

1 2

1 2

1

w

w p U p U d

1 3 2

1

w

w p U p U d

1 2

1

w

w p

U

p U d

1.1.2 Các đại lượng định mức

1 Công suất định mức Sđm:

Là công suất toàn phần (hay công suất biểu kiến hay dung lượng) đưa ra ở dây quấn thứ cấp máy biến áp, tính bằng VA hoặc KVA Công thức tổng quát như sau

Sđm = m Ufđm.I fđm với m là số pha của máy biến áp hoặc

2 Điện áp định mức ở các cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp:

- Điện áp dây sơ cấp định mức U1đm là điện áp dây quấn sơ cấp tính bằng V hay

đm đm

đm 3U I

- Điện áp dây thứ cấp định mức U2đm là điện áp dây của dây quấn thứ cấp khi máy biến áp không tải và điện áp đặt vào dây sơ cấp là định mức, tính bằng V hay

kV

3 Dòng điện định mức ở các cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp:

Dòng diện dây định mức sơ cấp I1đm và thứ cấp I2đm là những dòng điện dây của dây quấn sơ cấp và thứ cấp ứng với công suất và điện áp định mức, tính bằng ampe (A) hay kilôampe (KA)

- Đối với mba 1 pha:

- Đối với mba 3 pha:

4 Tần số định mức:

fđm tính bằng Hz Các loại máy biến áp có tần số công nghiệp là 50 Hz

Ngoài ra trên nhãn mba còn ghi các số liệu khác như: số pha (m); tổ nối dây quấn; điện áp ngắn mạch Un%; chế độ làm việc; cấp cách điện; phương pháp làm nguội

1.1.3 Các loại máy biến áp chính

Theo công dụng , máy biến áp có thể gồm những loại chính sau đây:

1 Máy biến áp điện lực dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực

2 Máy biến áp chuyên dùng dùng cho các lò luyện kim, cho các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn điện, …

3 Máy biến áp tự ngẫu biến đổi điện áp trong một phạm vi không lớn, dùng để

mở máy các động cơ điện xoay chiều

4 Máy biến áp đo lường dùng để giảm các điện áp và dòng điện lớn khi đưa vào các đồng hồ đo

đm

đm đm

U

S I

1 1

3



đm

đm đm

U

S I

2 2

3



đm

đm đm U

S I

2

2 

đm

đm đm U

S I

1

1 

5 Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm các điện áp cao

Máy biến áp có rất nhiều, song thực chất các hiện tượng xảy ra trong chúng đều giống nhau Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, sau đây chủ yếu xét đến máy biến áp điện lực hai dây quấn một pha và ba pha

1.1.4 Cấu tạo của máy biến áp

Cấu tạo mba gồm lõi thép dây quấn và vỏ máy

1 Lõi thép:

Lõi thép: dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn theo hình dáng lõi thép người ta chia ra:

Mba kiểu lõi hay kiểu hay kiểu trụ (Hình 1-3): Dây quấn bao quanh lõi thép

Loại này sử dụng rất thông dụng cho mba 1 pha và 3 pha có dung lượng nhỏ và trung bình

 Mba kiểu bọc (Hình 1-4): Mạch từ được phân mạch nhánh ra hai bên và bọc

lấy

một phần dây quấn Loại này dung trong lò luyện kim,

các máy biến áp 1 pha công suất nhỏ dùng trong kĩ tuật

vô tuyến điện, truyền thanh

Ở các máy biến áp hiện đại, dung lượng mba này lớn và

cực lớn (80 đến 100 MVA trên 1 pha), điện áp thật cao

Hình 1-3: Mba kiểu lõi: a một pha; b ba pha

Hình 1-4: mba kiểu bọc

Hình 1-6: Tiết điện của trụ thép

a Không có rãnh dầu

b Có rãnh dầu

Hình 1-7: Các dạng thiết diện của trụ thép

(phía trên) và gông từ phía dưới

tiện lợi cho việc vận chuyển, mạch từ của mba kiểu trị được phân nhánh sang hai bên nên mba hình dáng vừa kiểu bọc vừa kiểu trụ gọi là mba kiểu trụ bọc

(H1-5b) Trình bày kiểu mba trụ bọc 3 pha, trường hợp này có dây quấn ba pha nhưng có 5 trụ nên gọi là mba 3 pha 5 trụ Lõi thép mba gồm: 2 phần (Hình 1-3)

Phần trụ: kí hiệu chữ T Phần gông: kí hiệu chữ G Trụ là phần lõi thép có quấn dây quấn, gông là phần lõi thép nối các trụ lại với nhau thành mạch từ kín có dây quấn

Do dây quấn thường quấn thành hình tròn nên thiết diện ngang của trụ thép có dạng

hình gần tròn (Hình 1-6) Gông từ vì không quấn dây nên để dơn giản trong việc

chế tạo tiết dịên ngang của gông có thể làm: hình vuông, hình chữ nhật, hình T

(Hình 1-7)

Hiện nay các mba điện lực, người ta dung thiết diện gông từ hình bậc thang Vì lí do

an toàn, toàn bộ lõi thép được nối đất cùng với vỏ máy

2 Dây quấn:

Hình 1-5: mba kiểu trụ bọc: a một pha; b ba pha

Dây quấn là bộ phận dẫn điện của mba làm nhiệm vụ: thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra Chúng thường làm bằng Cu (đồng) hoặc Al (nhôm) Theo cách sắp xếp

dây quấn cao áp và hạ áp chia làm hai loại: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ

a Dây quấn đồng tâm:

Tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm Dây quấn HA (hạ áp) thường quấn phía trong gần trụ thép còn dây quấn CA ( cao áp) quấn phía ngoài bọc lấy dây quấn HA Với các dây quấn này có thể giảm bớt điều kiện cách điện của dây quấn

CA, vì dây quấn HA được cách điện dây quấn CA và trụ

Những kiểu dây quấn đồng tâm chính bao gồm:

Hình 1-11: Dây quấn xen kẽ

1 Dây quấn hạ áp

2 Dây quấn cao áp

 Dây quấn hình xoắn:

Gồm nhiều dây bẹt chập lại với nhau quấn theo đường xoắn ốc, giửa các vòng

dây có rảnh hở (Hình 1-9) Kiểu này thường dùng cho dây quấn HA của mba dung

lượng trung bình và lớn

 Dây quấn xoắn ốc liên tục:

Làm bằng dây bẹt và khác với dây quấn hình xoắn ở chổ, dây quấn này được

quấn thành những bánh dây phẳng cách nhau bằng những rảnh hở (Hình 1-10)

Bằng cách hoán vị đặc biệt trong khi quấn dây, các bánh dây được nối tiếp một cách liên tục mà không cần mối hàn giữa chúng nên gọi là xoắn ốc liên tục Dây quấn này chủ yếu dùng cuôn CA, điện áp 35 KV trở lên và dụng lượng lớn

b Dây quấn xen kẽ:

Các dây quấn CA và HA lần lượt xen kẽ

nhau dọc theo trụ thép (Hình 1-11) Để cách điện dễ

dàng, các bánh dây sát gông thường thuộc dây quấn

HA Kiểu dây này thường dùng trong mba kiểu bọc

Vì chế tạo và cách điện khó khăn nên các mba kiểu

trụ không dùng dây quấn xen kẽ

3 Vỏ máy:

a Thùng mba:

Làm bằng thép, hình bầu dục Khi mba làm

việc, một phần năng lượng, bị tiêu hao, thoát ra dưới dạng nhiệt đốt nóng lõi thép, dây quấn và các bộ phận khác làm nhiệt độ của chúng tăng lên Do đó giữa mba và

Hình 1-9: Dây quấn hình xoắn Hình 1-10: Dây quấn hình xoắn ốc liên tục

môi trường xung quanh có sự chênh lệch nhiệt độ Giá trị nhiệt độ vượt quá mức qui định làm giảm tuổi thọ hoạc có thể gây ra sự cố cho mba

Nếu mba vận hành với tải liên tục thì thời gian sử dụng từ (15 đến 20 năm) và nó không bị sự cố và làm lạnh bằng cách ngâm trong thùng dầu Nhờ sự đối lưu trong

dầu nhiệt từ các bộ phận bên trong truyền sang dầu rồi qua vách thùng ra môi trường xung quanh Lớp dầu sát vách thùng nguội dần sẽ chuyển xuống phía dưới

và lại tiếp tục làm nguội một cách tuần hoàn các bộ phận bên trong máy Dầu còn làm nhịêm vụ tăng cường cách điện

Tùy theo dung lượng máy biến áp mà

hình dáng mà hình dáng và kết cấu

thùng dầu khác nhau.Loại thùng đơn

giản nhất là thùng dầu phẳng thường

dùng cho mba dung lượng từ 30 KVA

trở xuống loại mba cỡ lớn và trung

bình dùng thùng dầu có ống (Hình

12) hoặc thùng có bộ tản nhiệt (Hình

1-13)

Những mba dung lượng 104 kVA người ta dùng bộ tản nhiệt có thêm quạt gió để

tăng cường làm lạnh (Hình 2-14) Các mba dùng trong trạm thủy điện, dầu được

bơm qua một hệ thống ống nước để tăng cường làm lạnh

Hình 1-15: Sứ 35 kV chứa dầu

Hình 1-17: Máy biến áp đầu 3 pha

Hình 1-16: 1) Bình giãn dầu; 2) Ống bảo hiểm

- Các sứ ra của dây quấn HA và CA: làm nhiệm vụ

cách điện giữa dây dẫn với vỏ máy Tùy theo điện áp

mba người ta có sứ cách điện thường hoặc có dầu

Hình 1-15 vẽ một sứ đầu ra 35 KV chứa dầu Điện áp càng cao thì kích thước và

do, ống chỉ mức dầu đặt bên cạnh

bình giãn dầu dùng để theo dõi

Nếu áp suất trong thùng tăng lên

đột ngột thì đỉa thủy tinh sẽ vỡ, dầu theo đó thoát ra ngoài bảo vệ mba

1 Thép dẫn từ; 2 Má sắt ép gông 3 Dây quấn điện áp thấp (HA) 4 Dây quấn cao

áp (CA) 5 Ống dẫn dây ra của cao áp 6 Ống dẫn dây ra của hạ áp 7 Bộ chuyển mạch để điều khiển điện áp của dây quấn cao áp 8 Bộ phận truyền động của bộ chuyển mạch; 9 Sứ ra của cao áp; 10 Sứ ra của hạ áp 11 Thùng dầu kiểu ống; 12 Ống nhập dầu; 13 Quai để nâng ruột máy ra; 14 Mặt bích để nốI với bơm chân không; 15 Ống có màng bảo hiểm; 16 Rơle hơi; 17 Bình giãn dầu; 18 Giá đỡ góc

ở đáy thùng dầu; 19 Bulông dọc để bắt chặt má ép gông; 20 Bánh xe lăn; 21 Ống

Nhưng trong thực tế máy biến áp thường làm việc khác chế độ định mức, Phụ tải của máy biến áp luôn luôn thay đổi theo thời gian, có lúc nhỏ hơn có lúc lại lớn hơn công suất định mức Sđm, nghĩa là có khi non tải có khi quá tải Cả hai chế độ vận hành này đều không kinh tế Thực tế cho thấy rằng máy biến áp có thể mang tải quá định mức trong một thời gian nào đó của ngày hoặc của năm mà tuổi thọ của máy biến áp không giảm, nếu trong phần thời gian còn lại của ngày hoặc năm đó máy biến áp làm việc non tải so với định mức Máy biến áp cho phép làm việc ở chế độ này hay chế độ khác không phải được quyết định bởi công suất định mức mà phải căn cứ chủ yếu vào độ hủy hoại cách điện, nhiệt độ cực đại của cuộn dây và của dầu trong giai đoạn được xét

1.2.2 Khả năng tải của máy biến áp

Khả năng tải của máy biến áp là tập hợp các chế độ mang tải bình thường và quá tải của máy biến áp Khả năng tải của máy biến áp không thể biểu diễn bằng đơn vị KVA được, vì nó được xác định bằng một loạt các điều kiện như: đồ thị phụ tải, thời gian tồn tại chế độ vận hành, nhiệt độ môi trường làm mát, …

Vì vậy muốn xác định một chế độ làm việc nào đấy của máy biến áp ở một nhiệt

độ môi trường nào đó thì cần phải xác định được nhiệt độ của cuộn dây, nhiệt độ dầu và mức hủy hoại cách điện

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất và tuổi thọ của máy biến áp

Thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc và tuổi thọ của máy biến áp như:

-Khiếm khuyết ở khâu thiết kế

-Các vấn đề liên quan đến việc chế tạo

-Các khuyết tật về vật liệu

-Các vấn đề về vận chuyển và bảo quản

-Bảo dưỡng không đúng

-Quá tải bất thường

-Quá tải mạch từ

-Sét

-Ngắn mạch bên ngoài

-Làm mát kém

Tuy nhiên, các hư hỏng ở các máy biến áp được phân loại như sau:

-Điểm yếu về tính năng kỹ thuật, thiết kế/chế tạo kém hiệu quả

-Lắp đặt/Vận hành/Bảo dưỡng kém hiệu quả

-Các điều kiện vận hành bất lợi

-Do quá trình lão hoá

Tuy nhiên trong bản luận văn này tôi chỉ muốn nhấn mạnh đến yếu tố môi trường đặc thù của nước ta tác động đến hiệu suất làm việc và tuổi thọ của máy biến áp

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, các mba thường đặt ngoài trời nên luôn chịu tác động của môi trường như: mưa, gió, nắng, bão lụt… và đặc biệt nhiệt

độ và độ ẩm thường rất cao Chính những yếu tố môi trường này cũng góp phần làm tăng nhiệt độ dầu và cuộn dây máy biến áp

Những yếu tố cơ bản của thời tiết ảnh hưởng đến các thiết bị điện nói chung cũng như máy biến áp nói riêng là: áp suất không khí, nhiệt độ cao, sự thay đổi đột ngột nhiệt độ trong một ngày-đêm, cường độ bức xạ mặt trời, độ ẩm không khí cao

a Tác động của bức xạ mặt trời

Tia cực tím làm tăng độ già hóa của các vật liệu cách điện hữu cơ (ví dụ: cao su) làm giảm thời gian vận hành của các thiết bị điện Trong bức xạ mặt trời, trong khí quyển 45% là các tia hồng ngoại Các tia này làm tăng nhiệt độ khí quyển và tăng nhiệt độ bề mặt các thiết bị điện, bị đốt nóng nhất là lớp không khí cao 1,5m so với mặt đất Các bề mặt của vật liệu thiết bị điện màu sáng tăng nhiệt độ thêm từ 10÷15oC, còn đối với bề mặt của vật liệu thiết bị điện màu tối tăng nhiệt độ thêm từ 25÷30oC Nhiệt độ không khí tăng cao là nguyên nhân phá hỏng các kết cấu hóa lý của vật liệu, làm tăng nhanh độ già hóa cách điện của các thiết bị điện Nhiệt độ môi trường tăng thêm lên 10oC so với giá trị trung bình, điện trở cách điện giảm xuống 50% Đốt nóng thiết bị vượt quá khả năng cho phép sẽ làm tăng tổn hao điện.Tổn hao điện môi của cách điện sứ ở 50oC sẽ tăng lên 2 lần, ở 80oC sẽ lên 4 lần so với tại nhiệt độ tiêu chuẩn 20oC

b Tác động của độ ẩm không khí

Độ ẩm không khí làm tăng sự đọng nước trên bề mặt cách điện Độ ẩm và nhiệt

độ cao làm tăng dòng rò của cách điện (dòng rò qua bề mặt cách điện) Tác động liên tục và lâu dài của độ ẩm làm tăng hằng số điện môi và làm giảm độ bền cách điện Kết đọng - ẩm – khô lặp lại có thể làm rạn nứt bên trong vật liệu, làm giảm không những các đặt tính về độ bền điện mà còn làm giảm độ bền cơ của vật liệu và thiết bị máy biến áp Sự ẩm thấp do sương muối làm tăng độ han gỉ của các kết cấu kim loại

1.3 ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC LÀM MÁT ĐẾN HIỆU SUẤT LÀM VIỆC VÀ TUỔI THỌ CỦA MÁY BIẾN ÁP

Trong vận hành nếu máy biến áp khi nhiệt độ máy biến áp tăng cao quá nhiệt độ cho phép thì phản ứng hóa học tăng, làm cách điện bị xơ cứng, độ bền cơ và độ bền vật điện của vật liệu cách điện giảm và ta gọi cách điện bị già cỗi, làm giảm hiệu suất làm việc và tuổi thọ của máy biến áp

Theo định luật Arenius, khi nhiệt độ biến thiên trong khoảng từ 80oC đến 140 oC thì tuổi thọ trung bình của vật liệu cách điện cấp A phụ thuộc vào nhiệt độ theo biểu thức sau:

V = A.e-aϑ

Trong đó A,a là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu cách điện

ϑ là nhiệt độ ở điểm nóng nhất của cuộn dây MBA (oC)

Người ta xác định được đối với cách điện cấp A:

A=(1,5÷7,5).104 năm; a=0,115 (1/ oC)

Ở chế độ định mức, nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây bằng định mức và bằng 98 oC thì tuổi thọ sẽ bằng tuổi thọ định mức:

Vđm= A.e-aϑđm

Tuổi thọ tương đối của cách điện sẽ là:

e V

V V

dm a đm

) ( 2

ln ) ( ) (

Thực tế cho thấy MBA có thể bị quá nhiệt do các nguyên nhân sau:

1.3.1 Quá nhiệt do quá tải

- Quá tải có thể do công suất đặt của máy không đủ nên gây ra sự cố quá tải thường xuyên ở mức độ nào đó Trường hợp này máy bị quá nhiệt trong thời gian dài thường gây ra sự phá hủy cách điện toàn diện (thường gọi là máy biến áp bị om)

từ trong ra ngoài Ở phía ngoài do tản nhiệt tốt nên màu sắc cuộn dây có thể vẫn tươi nhưng bên trong cách nhiệt bị ròn, chuyển thành màu sẫm, các thông số về điện trở, cơ, lý, hóa tính đều thay đổi theo xu hướng xấu đi Các đặc tính dầu máy biến

áp cũng thay đổi: điện áp đánh thủng giảm, hàm lượng axit trong dầu tăng, nhiệt độ chớp cháy giảm, dầu bị đổi màu thành màu sẫm Mức độ hủy hoại cách điện phụ thuộc vào mức độ quả tải, nếu quá tải ít thì có thể coi là chế độ làm việc bình thường vì máy biến áp nào cũng có một năng lực quá tải nhất định Tất nhiên điều kiện này còn phụ thuộc vào các điều kiện khác, chẳng hạn nhiệt độ môi trường, điều làm mát của trạm…Để duy trì sự làm việc của máy lâu dài cần tăng cường làm mát cho máy hoặc trạm (đặt them quạt gió, mở them cửa làm mát, làm thông thoáng trạm, cố gắng phân tải đều cho các pha tránh quá tải cục bộ)

1.3.2 Quá nhiệt do nhiệt độ môi trường quá cao

- Nhiệt độ môi trường quá cao có thể do máy đặt trong phòng kín, điều kiện thông gió kém (các cửa thông gió lâu ngày bị bui bặm hoặc mạng nhện bám…) Cần tiến hành đo nhiệt độ ở các khu vực cánh máy biến áp 1,5 đến 2m trên chiều cao lưng chừng máy Nếu nhiệt độ này cao hơn nhiệt độ môi trường ngoài trạm 8 đến 100C thì phải có biện pháp thông gió kịp thời Đối với máy biến áp dưới 1000 kVA có thể đặt quạt thông gió cưỡng bức đối lưu không khí trong và ngoài trạm, đối với máy biến áp hơn 1000 kVA cần phải có hệ thống thông gió đặc biệt Thường việc thông gió được tính toán sao cho độ tăng nhiệt độ của không khí giữa đầu vào và đầu ra trạm không quá 150C (chỉ tiêu này ở các nước phát triển là 90C) Quá nhiệt độ đối với các máy biến áp ngoài trời thường là do nắng nóng hoặc trạm

bị che khuất, không có gió thổi hoặc gần một nguồn thải nhiệt nào đó Cách khắc phục trong trường hợp này là đặt thêm quạt gió cho các bộ tản nhiệt của máy

1.3.3 Quả nhiệt do mức dầu quá thấp

Mức dầu trong máy biến áp giảm dần do bị dò rỉ ở đáy thùng mà không biết, do

bị trào ra ngoài trong những lần tải quá mức Khi mức dầu xuống, dưới một mức độ nào đó, một phần lõi thép nhô lên trên dầu, sự làm mát sẽ kém đi làm cho máy bị quá nhiệt Nếu mức dầu xuống dưới miệng ống tản nhiệt, sự làm mát do đối lưu của dầu không còn nửa, máy sẽ bị quá nhiệt Biện pháp khắc phục duy nhất là đổ thêm dầu cho đến mức quy định

1.3.4 Quá nhiệt do sự đối lưu của dầu kém

Trong cuộn dây của máy biến áp có rãnh dầu ngang và dọc, nếu các rãnh dầu này bị tắc sẽ làm cho quá trình đối lưu của dầu bị hạn chế và máy biến áp lúc đó sẽ

bị quá nhiệt Sự quá nhiệt trong trường hợp này thường xảy ra cục bộ (một galet hoặc một cuộn dây, một pha nào đó) Sự đối lưu của dầu bị hạn chế còn do tắc một phần trong ống hoặc bộ tản nhiệt Cách khắc phục là kiểm tra tất cả các rãnh thông dầu trên cuộn dây và trong các bộ tản nhiệt

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT MÁY BIẾN ÁP

1.4.1 Cơ cấu truyền nhiệt trong máy biến áp

2 Cuén d©y ®iÖn

3 DÇu m¸y biÕn ¸p

4 èng táa nhiÖt

Hình 1-18: Nguyên lý truyền nhiệt trong máy biến áp

Nhiệt sinh ra từ cuộn dây Q, nếu không lấy nhiệt này đi sẽ làm nhiệt độ cuộn dây tăng cao và làm hỏng lớp cách điện của dây và cuộn dây bị chập mạch Vậy cần phải tỏa nhiệt Q này ra ngoài không khí ngoài trời

Để tỏa nhiệt Q người ta dùng dầu máy biến áp có tính cách điện nhưng lại dẫn nhiệt tốt Dầu này sẽ lấy nhiệt Q của cuộn dây và tỏa nhiệt này ra ngoài không khí

Để thực hiện quá trình truyền nhiệt này cho tới nay có thể bằng phương pháp sau:

- Đối lưu tự nhiên của dầu và không khí

- Đối lưu cưỡng bức (dùng bơm) của dầu và không khí (dùng quạt)

- Phương pháp mới mà luận văn này để cập là dùng thiết bị ống nhiệt để tỏa nhiệt từ dầu ra ngoài không khí

1.4.2 Phương pháp đối lưu tự nhiên

Hình 1-19 thể hiện phương pháp đối lưu tự nhiên để tải nhiệt Q từ cuộn dây ra ngoài không khí Ở đây dầu máy nhận nhiệt Q sẽ nóng lên và nhẹ hơn nên sẽ chuyển động tự nhiên lên phía trên và vào các ống rồi đi xuống dưới sau khi tỏa nhiệt Q cho không khí, dầu sẽ nguội đi nhiệt từ dầu máy trong ống sẽ truyền nhiệt qua vách ống và tỏa nhiệt bằng đối lưu tự nhiên (không dùng quạt) cho không khí bên ngoài Ưu điểm của phương pháp này là cấu tạo thiết bị đơn giản (không dùng bơm, không dùng quạt), nhưng nhược điểm là nhiệt Q truyền đi không được nhiều

vì là quá trình đối lưu tự nhiên (hệ số tỏa nhiệt  của dầu và không khí đều nhỏ) Vì vậy phương pháp này chỉ dùng cho máy biến áp có công suất nhỏ và vừa

Hình 1-19: Phương pháp làm máy biến thế bằng đối lưu tự nhiên

1.4.3 Phương pháp đối lưu cưỡng bức

a)

b)

Hình 1-20a/b: Phương pháp làm mát máy biến thế bằng đối lưu cưỡng bức của dầu máy

Hình 1-20 thể hiện phương pháp làm mát máy biến thế bằng đối lưu cưỡng bức của dầu máy (có dùng bơm) và đối lưu cưỡng bức của không khí (có dùng quạt không khí) Ở đây do chuyển động cưỡng bức của dầu và không khí nên hệ số tỏa nhiệt đối lưu của dầu và không khí lớn có giá trị lớn và kết quả là nhiệt Q lấy đi từ

cuộn dây điện và tỏa ra ngoài môi trường sẽ lớn Vậy phương pháp làm mát này dùng cho máy biến áp có công suất lớn

1.4.4 Phương pháp mới làm mát máy biến áp bằng ống nhiệt

- Theo thống kê về các sự cố máy biến thế điện của Tổng Công ty Điện lực Hàn Quốc (năm 1990) sự cố do làm mát dầu máy không được tốt là một trong những nguyên nhân chính (chiếm 40% tổng các sự cố)

- Phương pháp cũ làm mát dầu (hình 1-21): Dầu lấy nhiệt Q của cuộn dây điện tỏa nhiệt Q bằng đối lưu cho không khí (kém hiệu quả) Hệ số tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên của dầu nhỏ:  = 20 W/m2.K

cuén d©y

Q

Q

Kh«ng khÝ

+ Loại 50 kVA: Nhiệt độ dầu giảm hơn với loại cũ 30C

+ Loại 100 kVA: Nhiệt độ dầu giảm hơn so với loại cũ 40C

- Việt Nam với khí hậu nóng hơn Hàn Quốc nên việc thoát nhiệt ra ngoài của dầu còn khó khăn hơn, nên chắc chắn sự cố của các máy biến thế do làm mát dầu không tốt sẽ còn lớn hơn

- Vì vậy, ở đề tài nghiên cứu này của chúng tôi cũng đề ra phương án dùng thiết

bị nhiệt kiểu mới - ống nhiệt để làm mát máy biến thế điện

100(chiÒu dµi

phÇn n g-ng)

§Çu cÆp nhiÖt

2

1

3 4

Q

Q

- Sè l-îng c¸nh lµ 9 chiÒu dµi c¸nh lµ 1mm kho¶ng c¸ch gi÷a hai c¸nh lµ 9mm

èng nhiÖt cu c¸nh cu l-îng n¹p 50% (thÓ tÝch phÇn s«i) Ethanol

Hình 1-22: Ống nhiệt làm mát dầu Nguyên lý: Chất lỏng bên trong ống (nước …) nhận nhiệt Q của dầu nóng sẽ sôi

và hóa hơi, hơi đi lên phía trên tỏa nhiệt Q cho không khí qua các cánh sẽ ngưng tụ lại thành chất lỏng và chảy xuống phía dưới Hệ số tỏa nhiệt của chất lỏng (sôi, ngưng) bên trong ống nhiệt sẽ rất lớn  =10.000 W/m2.K Do đó nhiệt Q lấy đi sẽ lớn và nhiệt độ dầu giảm nhiều hơn

Hiện nay nhu cầu sử dụng công nghệ ống nhiệt trong công nghệ làm mát các máy móc thiết bị đã được ứng dụng khá rộng rãi Trong cuốn luận văn này tôi xin trình bày cải tiến đưa ứng dụng công nghệ ống nhiệt vào làm mát cho máy biến áp

2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG NHIỆT

2.2.1 Cấu tạo của ống nhiệt

Ống nhiệt là một ống thường làm bằng kim loại hàn kín hai đầu trong đó có chứa một lượng môi chất lỏng xác định (hình 2-1) Tuỳ theo từng loại ống mà phía trong ống có thể trơn, xẻ rãnh hoặc gắn lưới mao dẫn, phía ngoài cũng có thể trơn hoặc làm cánh tản nhiệt

Hình 2-1: Ống nhiệt

Một ống nhiệt điển hình được chia làm 3 phần:

Phần sôi, phần đoạn nhiệt và phần ngưng

Phần sôi: Phần này được đốt nóng bằng các nguồn nhiệt khác nhau, môi chất

lỏng trong ống nhận nhiệt sẽ sôi và hơi bão hoà được tạo thành

Phần đoạn nhiệt: Hơi bão hoà của môi chất từ phần sôi sẽ chuyển động qua

phần đoạn nhiệt lên phần ngưng Sở dĩ gọi là phần đoạn nhiệt vì ở phần này không thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ( nghĩa là ống được bọc cách nhiệt bên ngoài ở

phần này), phần này có thể có hoặc không có

Phần ngưng : Hơi bão hòa của môi chất lên tới phần ngưng nhả nhiệt cho môi

chất làm mát ở môi trường bên ngoài ống (không khí, nước…) và ngưng tụ lại, trờ

về trạng thái lỏng Môi chất lỏng ngưng sẽ quay về phần sôi nhờ lực trọng trường , lực mao dẫn hay lực ly tâm,…

Bề mặt bên trong ống nhiệt có thể nhẵn, được xẻ rãnh hoặc có cấu trúc bấc Hơi môi chất di chuyển bên trong lòng ống, chất lỏng ngưng di chuyển về phần sôi ở bề mặt trong của ống Cánh có thể được gắn vào bên ngoài phần sôi và phần ngưng tụ

để tăng diện tích bề mặt và tăng cường quá trình truyền nhiệt, tùy thuộc vào từng ứng dụng

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt

Môi chất lỏng trong ống nhận nhiệt của nguồn nóng (khói lò, năng lượng bức xạ mặt trời, ) trong phần sôi sẽ sôi và biến thành hơi, hơi môi chất chuyển động qua phần đoạn nhiệt tới phần ngưng Tại đây hơi môi chất toả nhiệt cho nguồn làm mát qua vách ống (không khí, nước, ) Môi chất lỏng ngưng tạo thành sẽ chảy về phần sôi nhờ một trong những lực sau đây: lực trọng trường, lực mao dẫn, lực ly tâm, lực điện trường, lực từ trường

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

Các quá trình làm việc của ống nhiệt được biểu diễn trên đồ thị T-s (Hình 2-2), trong đó:

AB - quá trình sôi xảy ra trong phần sôi ở áp suất P

BC - quá trình chuyển động của hơi từ phần sôi tới phần ngưng, ở đây do ma sát, áp suất của hơi giảm từ Pl đến P2 (P2 - áp suất hơi trong phần ngưng) Tuy nhiên thông thường sự giảm áp này là rất nhỏ

CD - quá trình ngưng tụ hơi tạo thành chất lỏng ngưng ở áp suất P2

DA - quá trình chuyển động của chất lỏng ngưng theo bề mặt trong của ống nhiệt, từ phần ngưng qua phần đoạn nhiệt về phần sôi nhờ lực trọng trường, lực mao dẫn, và quá trình được lặp lại (trong quá trình này áp suất của chất lỏng tăng lên

do lực trọng trường…để thắng sức cản ma sát giữa chất lỏng và bề mặt trong của ống) Như vậy môi chất trong ống nhiệt đã thực hiện một chu trình hay một vòng tuần hoàn kín mà không cần tới ngoại lực do bơm hay do quạt tạo ra như ở các phần

tử trao đổi nhiệt khác

Hình 2-2 Quá trình hoạt động của ống nhiệt trên biển đồ T-s

Pl - áp suất hơi ở phần sôi

P2 - áp suất hơi ở phần ngưng

2.3 PHÂN LOẠI ỐNG NHIỆT

Có thể phân loại ống nhiệt theo nhiều cách: Theo lực tác dụng lên chất lỏng, theo nhiệt độ hơi, theo mục đích sử dụng, theo hình dạng ống…

2.3.1 Theo lực tác dụng để đưa chất lỏng ngưng quay trở về phần sôi

1 Ống nhiệt trọng trường

Với ống nhiệt trọng trường (hình 2-3), chất lỏng ngưng được đưa về phần sôi nhờ lực trọng trường Loại ống nhiệt này khi hoạt động yêu cầu phần sôi bao giờ cũng phải đặt thấp hơn phần ngưng

Hình 2-3:Ống nhiệt trọng trường

Bề mặt trong của ống nhiệt có thể nhẵn gọi là ống nhiệt trơn hoặc làm rãnh (các rãnh này có kích thước tương đối lớn) gọi là ống nhiệt có rãnh hoặc có đặt một bộ tách dòng (hơi và chất lỏng) gọi là ống nhiệt tách dòng Mục đích của việc làm rãnh cũng như đặt bộ tách dòng nhằm tăng cường khả năng truyền tải nhiệt từ vùng sôi đến vùng ngưng tụ, đặc biệt nhằm tăng công suất tới hạn của ống nhiệt trọng trường (công suất nhiệt lớn nhất) Ta nhận thấy ống nhiệt trọng trường có bề mặt nhẵn bên trong là loại có cấu tạo đơn giản và dễ chế tạo nhất bởi vậy có nhiều khả năng ứng dụng cho những trường hợp thông thường

2 Ống nhiệt mao dẫn

Hình 2-4:Ống nhiệt mao dẫn

Trong ống nhiệt mao dẫn (hình 2-4), lực tác dụng để đưa chất lỏng ngưng về phần sôi là lực mao dẫn Ống nhiệt mao dẫn có thể được đặt ngược hướng trọng trường nghĩa là phần sôi nằm cao hơn phần ngưng Chúng ta nhận thấy ống nhiệt mao dẫn có cấu tạo phức tạp hơn ống nhiệt trọng trường, tuy nhiên có những tính năng tốt hơn nhất là ống có thể làm việc ở vị trí đặt nằm ngang hoặc phần sôi (đốt nóng) cao hơn phần ngưng (tỏa nhiệt) tức ngược hướng trọng trường

3 Ống nhiệt ly tâm

Ống nhiệt ly tâm được ứng dụng thành công trong việc làm mát các động cơ cơ điện Phương pháp cổ điển là dùng không khí thổi vào stato động cơ ( thiết bị dễ bị bụi bẩn và khó lấy nhiệt từ rôto) Khi sử dụng ống nhiệt, trục động cơ trên có rôto

sẽ là trục rỗng bên trong là ống nhiệt chứa nước, nước sẽ lấy nhiệt từ rôto và stato truyền ra ngoài qua các cánh tản nhiệt được nhiều hơn và động cơ không bị bụi bẩn Trong các ống nhiệt ly tâm, chất lỏng ở phần ngưng trở về phần sôi nhờ tác dụng của lực li tâm sinh ra khi ống quay với một tốc độ nào đó (hình 2-5)

Hình 2-5:Ống nhiệt ly tâm làm mát động cơ điện

1 - Thân động cơ 2- Stato

3 - Rôto 4- Trục và ống nhiệt

4 Một số loại ống nhiệt khác

- Ống nhiệt điện trường: Lực đưa chất lỏng ngưng trở về phần sôi là lực điện trường

- Ống nhiệt từ trường: Lực đưa chất lỏng về phần sôi là lực từ trường

- Ống nhiệt thẩm thấu: Lực đưa chất lỏng ngưng về vùng sôi là lực thẩm thấu

2.3.2 Theo phạm vi nhiệt độ sử dụng

Phạm vi nhiệt độ thường sử dụng của ống nhiệt tương đối rộng từ -800C 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 -800C đến 500C

- Ống nhiệt nhiệt độ vừa phải: nhiệt độ làm việc từ 500C đến 2800C

- Ống nhiệt nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 2800C đến 4800C

- Ống nhiệt nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc từ 4800C đến trên 15000C

2.3.3 Theo môi chất nạp

Căn cứ vào thành phần của môi chất nạp trong ống, ống nhiệt được chia thành:

- Ống nhiệt một thành phần (chỉ gồm một môi chất như H20, NH3, Frêon, Na ) Phần lớn các ống nhiệt đang sử dụng đều thuộc loại này

- Ống nhiệt nhiều thành phần (nhiều chất lỏng hoà trộn với nhau), ống nhiệt thuộc loại này thường được sử dụng trong những điều kiện làm việc đặc biệt

- Ống nhiệt truyền nhiệt một chiều gọi là diot nhiệt

2.3.5 Theo hình dạng ống

- Ống nhiệt hình trụ

- Ống nhiệt hình hộp

- Ống nhiệt dạng phức tạp

2.4 ƯU ĐIỂM CỦA ỐNG NHIỆT

So với các phần tử truyền nhiệt khác, ống nhiệt có những ưu điểm sau:

Ống nhiệt có tính siêu dẫn nhiệt Ví dụ một ống nhiệt đường kính 14mm, dài 600mm, làm bằng crom - niken chứa natri lỏng có hệ số dẫn nhiệt tương đương bằng l06 W/m.K, nghĩa là gấp 10.000 lần hệ số dẫn nhiệt của hợp kim đồng Ưu điểm này là do quá trình truyền nhiệt bên trong ống nhiệt thực hiện bởi sự biến đổi pha (sôi và ngưng), do đó quá trình truyền nhiệt lớn gấp nhiều lần so với sự dẫn nhiệt bằng thanh kim loại dù là bằng bạc

Ống nhiệt truyền được một lượng nhiệt lớn cả ở 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 trong phần ngưng và phần sôi không chênh lệch nhau nhiều Ống nhiệt có thể truyền tải lượng nhiệt lớn mà không cần đến các thiết bị phụ như bơm, vì vậy thiết bị làm việc với độ tin cậy cao, không gây tiếng ồn

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

Khi chọn môi chất nạp bên trong ống nhiệt thích hợp có thể bảo đảm vận hành ống nhiệt an toàn trong khoảng nhiệt độ rộng từ -800C bến 25000C

Trên thực tế ống nhiệt thường được lắp đặt thành dàn ống hoặc thành cụm ống Trong quá trình làm việc giả sử có một vài ống nhiệt bị hỏng thì hệ thống vẫn làm việc được Mặt khác ta có thể dễ dàng thay thế các ống nhiệt bị hỏng ngay cả khi hệ thống đang hoạt động

Nguồn nhiệt cấp cho phần nóng của ống nhiệt rất đa dạng, có thể là sản phẩm cháy của nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng, các khí thải, hơi nước, năng lượng mặt trời Nhiệt từ một nguồn nóng có thể truyền tải đến nhiều hộ dùng nhiệt ở những khoảng cách khác nhau khá xa mà cần hiệu nhiệt độ khá nhỏ

2.5 ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT

Ống nhiệt tuy đã được tìm ra từ lâu nhưng gần đây người ta mới thấy được hết những ưu điểm của nó và việc nghiên cứu lý thuyết cũng như ứng dụng của ống nhiệt ngày càng được triển khai mạnh tại nhiều nước trên thế giới Ống nhiệt có thể được sử dụng trong một số ứng dụng như sau:

Đã từ lâu do ưu điểm của ống nhiệt là nhiệt độ bề mặt phần toả nhiệt (phần ngưng của ống) đồng đều và ít thay đổi, nên ống nhiệt trọng trường với môi chất nạp là nước đặt nghiêng (góc nghiêng so với phương nằm ngang khoảng 50 ) được ứng dụng để làm các lò nướng bánh dùng nhiên liệu than, dầu khí

Các ống nhiệt trọng trường có cánh bên ngoài đã được ứng dụng rất có hiệu quả

để tận dụng nhiệt thải (khói) từ các nhà máy nhất là trong công nghiệp hoá chất, bởi

vì thiết bị gọn hoạt động lâu bền có độ tin cậy cao Ví dụ, hãng Furakawa của Nhật Bản đã sử dụng 1700 ống nhiệt trọng với môi chất nạp là H2O, mỗi ống dài 8,5 m, bên ngoài ống phủ một lớp chì để chống hiện tượng ăn mòn của SO2 Kết quả đã tận dụng được 2.1 triệu kW của 250.l03 3

Hình 2-6: Sử dụng ống nhiệt làm mát các thiết bị điện tử

Ống nhiệt mao dẫn dạng hình hộp được ứng dụng có hiệu quả để làm mát các linh kiện điện tử có công suất lớn, thay cho phương pháp cổ điển là dẫn nhiệt qua thanh nhôm Ở đây nhiệt từ các linh kiện điện tử truyền cho môi chất trong ống nhiệt rồi toả ra ngoài qua các cánh toả nhiệt gắn ở phần đuôi dưới của ống nhiệt Ống nhiệt ly tâm được ứng dụng thành công trong việc làm mát các động cơ điện Phương pháp cổ điển là dùng không khí thổi vào stato để làm mát động cơ (thiết bị dễ bị bụi bẩn và khó lấy nhiệt từ rôto) Khi sử dụng ống nhiệt, trục động cơ trên có rôto rỗng bên trong (là ống nhiệt) chứa H2O Nước sẽ lấy nhiệt từ rôto và stato truyền ra ngoài qua các cánh tỏa nhiệt Nhiệt sẽ lấy đi được nhiều hơn và động

cơ không bị bụi bẩn

Ống nhiệt với chiều dài tới hàng trăm mét đã được ứng dụng để làm mát các đường cáp điện đặt ngầm dưới đất thay cho phương pháp cổ điển dùng nước làm mát (chảy trong ống đặt cạnh dây cáp nhờ hệ thống bơm) Hãng Furakawa đã chế tạo ống nhiệt mao dẫn dài 200 m đặt dọc theo đường cáp điện để làm mát dây cáp Kết quả thí nghiệm cho thấy nếu không làm mát, 12 dây cáp ngầm đặt trong kênh dẫn sẽ có nhiệt độ 107oC, nếu dùng một ống nhiệt thì nhiệt độ của dây cáp giảm còn

82oC ( khi dùng ống nhiệt không cần dùng tới hệ thống bơm nước như trường hợp dùng nước làm mát)