Nghiên cứu sử dụng công nghệ ống nhiệt làm mát máy biến thế điện

Grover cũng đặt ra cái tên "Ống dẫn nhiệt", các ống dẫn nhiệt đầu tiên mà Grover xây dựng sử dụng nước là chất lỏng nạp vào trong ống làm việc ở nhiệt độ vừa phải và natri cho ống nhiệt

-

HOÀNG ANH TUẤN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ỐNG NHIỆT

LÀM MÁT MÁY BIẾN THẾ ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ NHIỆT LẠNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản Luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu tính toán và tham khảo trong luận văn là trung thực Nếu có gì sai phạm tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả luận văn

Hoàng Anh Tuấn

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT 2

1.1 Ống nhiệt lịch sử và sự phát triển 2

1.2 Ứng dụng của ống nhiệt 4

1.2.1 Làm mát linh kiện điện tử 4

1.2.2 Làm nóng nước sử dụng năng lượng mặt trời 7

1.2.3 Chống tan băng các trụ của đường ống dẫn dầu 9

1.2.4 Tái sử dụng nhiệt thải 10

1.2.5 Một số ứng dụng khác của ống nhiệt: 11

1.3 Phân loại ống nhiệt 12

1.3.1 Phân loại theo lực tác dụng: 12

1.3.2 Phân loại theo nhiệt độ của hơi bên trong ống nhiệt (theo nhiệt độ cần sử dụng) 14

1.3.3 Phân loại theo hình dạng ống 14

1.3.4 Phân loại theo môi chất nạp trong ống 14

1.3.5 Phân loại theo công dụng 15

1.4 Ưu điểm của ống nhiệt 15

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN ỐNG NHIỆT 17

TRỌNG TRƯỜNG CÓ BỀ MẶT NHẴN Ở BÊN TRONG 17

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ống nhiệt trọng trường 17

2.1.2 Môi chất nạp và vật liệu làm ống nhiệt 18

2.2 Tính công suất nhiệt của ống nhiệt trọng trường 22

2.3 Ảnh hưởng của lượng nạp môi chất và góc nghiêng tới công suất nhiệt trong Qi của ống nhiệt 28

2.3.1 Ảnh hưởng của lượng nạp: 28

2.3.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng : 29

2.4 Giới hạn công suất nhiệt của ống nhiệt trọng trườn 31

2.4.1 Các loại giới hạn công suất: 31

2.4.2.Ảnh hưởng của góc nghiêng  và lượng nạp  tới giới hạn lôi cuốn Qc.max 33

2.5 Chọn chiều dài phần sôi và phần ngưng của ống nhiệt trọng trường 34

CHƯƠNG 3: ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY BIẾN ÁP VÀ PHƯƠNG PHÁP LÀM MÁT DẦU MÁY BIẾN ÁP 35

3.1 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp 35

3.2 Kết cấu máy biến áp 36

3.2.1 Mạch từ của máy biến áp 36

3.2.2.Dây quấn máy biến áp 37

3.3.Vỏ máy biến áp 38

3.4 Máy biến áp bị quá nhiệt 40

3.4.1.Qúa nhiệt do quá tải 40

3.4.3.Quá nhiệt do mức dầu quá thấp 41

3.4.4.Quá nhiệt do sự đối lưu của dầu kém 41

3.5 Các phương pháp làm mát máy biến áp 41

3.5.1 Cơ cấu truyền nhiệt trong máy biến áp 41

3.5.2 Phương pháp đối lưu tự nhiên 42

3.5.3 Phương pháp đối lưu cưỡng bức 43

3.5.5 Tính toán thiết kế làm mát máy biến áp bằng ống nhiệt 45

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM LÀM MÁT MÁY BIẾN THẾ BẰNG ỐNG NHIỆT 50

4.1 Mô hình thí nghiệm làm mát máy biến thế bằng ống nhiệt 50

4.2 Chi tiết các bộ phận 51

4.2.1 Vỏ hộp và nắp 51

4.2.2 Ống nhiệt 52

4.2.3 Bộ đốt 54

4.2.4 Đầu đo nhiệt độ 54

CHƯƠNG 5: THÍ NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 55

5.1 Phương pháp đo và xử lí kết quả thí nghiệm 55

5.1.1 Phương pháp đo 55

5.1.2 Kết quả đo 55

5.2 Đánh giá sai số và kết quả thí nghiệm 57

5.2.1 Đánh giá sai số thí nghiệm 57

5.2.2 Kết quả thí nghiệm 58

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỈ SỐ

1 GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2-1: Môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc 19 Bảng 2-2: Tính phù hợp của ống nhiệt 21

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Dùng ống nhiệt làm mát linh kiện điện tử 4

Hình 1 2 Tản nhiệt RAM máy tính của hãng OCZ và Xigmatek 5

Hình 1 3 Tản nhiệt CPU máy tính của hãng Noctua 5

Hình 1.4 Các loại tản nhiệt VGA - cạc đồ họa máy tính 6

Hình 1.5 Bộ thu năng lượng mặt trời 7

Hình 1.6 Bức xạ mặt trời làm nóng các ống năng lượng 7

Hình 1.7 Các chi tiết của ống năng lượng 8

Hình 1.8 Ống nhiệt trên đường ống dẫn dầu alaska 9

Hình 1- 9 Cấu tạo ống nhiệt trọng trường 12

Hình 1- 10 Cấu tạo ống nhiệt mao dẫn 13

Hình 1- 11 Ống nhiệt ly tâm (dùng làm mát động cơ điện) 14

Hình 2.1 Ống nhiệt trọng trường có bề mặt nhẵn ở bên trong 17

Hình 2-2 Các thành phần nhiệt trở của ống nhiệt 23

Hình 2-3 Giá trị  của một số môi chất theo nhiệt độ 27

Hình 2-4 Ảnh hưởng của lượng nạp  đối với Qi 29

Hình 2-5 Ảnh hưởng của góc nghiêng đối với Qi 30

Hình 3-1: Nguyên lý làm việc của máy biến áp 36

Hình 3-2: Vỏ máy biến áp 630kVA ;10kVA 39

Hình 3-3: Bình giãn dầu của máy biến áp 40

Hình 3-4 Nguyên lý truyền nhiệt trong máy biến áp 41

Hình 3 – 5 Phương pháp làm mát máy biến thế bằng đối lưu cưỡng bức của dầu máy 43

Hình 3 -6: Phương pháp cũ làm mát dầu 44

Hình 3-7: Ống nhiệt làm mát dầu 45

Hình 3-8: Máy biến áp 50kVA làm mát bằng ống nhiệt 46

Hình 3-9: Ống nhiệt dạng hộp 48

Hình 4 – 1 Mô hình thí nghiệm làm mát máy biến thế bằng ống nhiệt 50

Hình 4 - 2 Vỏ và nắp hộp chứa dầu 51

Hình 4 - 4 Nắp hộp chứa dầu 52

Hình 4 – 5 Hộp dầu máy và ống nhiệt (4 ống) 53

Hình 4 - 6 Ống nhiệt 53

Hình 4 - 7 Bộ đốt 54

Hình 4 - 8 Vị trí gắn cặp nhiệt 54

LỜI NÓI ĐẦU

Ống nhiệt là một phần tử truyền nhiệt kiểu mới mà ngày nay được nhiều nhà khoa học của các nước trên thế giới quan tâm nghiên cứu Ống nhiệt được nghiên cứu về mặt lý thuyết cũng như về mặt ứng dụng của nó trong các ngành công nghiệp và đời sống

Có nhiều loại ống nhiệt như: ống nhiệt trọng trường ( sử dụng trọng trường), ống nhiệt mao dẫn ( sử dụng mao dẫn), ống nhiệt ly tâm (sử dụng lực ly tâm)… Ống nhiệt trọng trường có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo nên được nghiên cứu và ứng dụng khá nhiều ở các nước và cả ở Việt Nam Việc nghiên cứu sử dụng ống nhiệt làm mát máy biến thế điện cũng được các nhà khoa học quan tâm Ở đề tài luận văn

này em sử dụng ống nhiệt làm mát máy biến thế điện Đề tài của em là “Nghiên

cứu sử dụng công nghệ ống nhiệt làm mát máy biến thế điện” Phương pháp

nghiên cứu chủ yếu là thực nghiệm kết hợp với lý thuyết

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NHIỆT

VÀ ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT

1.1 LỊCH SỬ VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA ỐNG NHIỆT

Vào năm 1944, Gaugler đã chế tạo ra một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu mới và

là bước khởi đầu cho ống nhiệt hiện nay Tuy nhiên, do yếu tố công nghệ của thời

kỳ đó, thiết bị đã bị lãng quên trong hai thập kỷ Ý tưởng này đã được phục hồi trong ứng dụng cho các chương trình chinh phục vũ trụ theo gợi ý của Trefethen vào năm 1962 và sau đó là một vài ứng dụng được cấp bằng sáng chế của Wyatt vào năm 1963 Nhưng chỉ đến khi Grover và đồng nghiệp của ông tại phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos đã khám phá và đưa ra các khái niệm, nguyên lý hoạt động của ống nhiệt vào cuối năm 1963; đây được coi là động lực cho việc phát triển công nghệ ống nhiệt sau này Grover cũng đặt ra cái tên "Ống dẫn nhiệt", các ống dẫn nhiệt đầu tiên mà Grover xây dựng sử dụng nước là chất lỏng nạp vào trong ống làm việc ở nhiệt độ vừa phải và natri cho ống nhiệt có nhiệt

độ cao khoảng 1100 K Trong những năm tiếp theo lý thuyết và công nghệ về ống nhiệt đã được phát triển rất mạnh

Ống nhiệt đầu tiên làm việc ở nhiệt độ thấp do Naskim phát triển vào năm

1966 tại phòng thí nghiệm Air Force Flight Dynamic, Wright-Patterson Air Force Base Người ta dùng ống nhiệt như là một dụng cụ để điều chỉnh nhiệt độ lần đầu tiên bởi hội vô tuyến Mỹ trong một bằng sáng chế ứng dụng năm 1964 Sự phát triển về công nghệ và lý thuyết cơ bản cho loại ống nhiệt điều khiển nhiệt đã được phát triển một cách khá kỹ lưỡng bởi Bienert, Brennan tại Dynatherm Corp và Marcus Ý tưởng đầu tiên của việc dùng ống nhiệt với môi chất là nước ở trạng thái không trọng lực được đưa ra bởi Deverall và những cộng sự của ông tại phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos [7]

Sau đó một thời gian ống nhiệt được sử dụng nhiều trong ngành hàng không,

vũ trụ Ứng dụng đầu tiên trong ngành điện tử được phát triển bởi hội vô tuyến Mỹ khi dùng ống nhiệt mao dẫn làm mát các transistor Sau đó, ống nhiệt được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong việc làm mát những thiết bị điện tử và dây cáp điện ngầm dưới đất, và trong nhiều ngành công nghiệp khác

Do sự phát triển nhanh chóng của ống nhiệt mà các nhà khoa học trên thế giới khoảng 3 năm 1 lần tổ chức riêng một hội nghị khoa học về ống nhiệt gọi là IHPC (Int Heat Pipes Conference) Hội nghị đầu tiên tại Stuttgart ở Đức năm

1973, sau đó ở Bologna 1976, Palo Alto 1978 [6]

Một số hội nghị gần đây nhất:

- IHPC 4 tiến hành năm 1981 ở Anh,

- IHPC 5 tiến hành năm 1984 ở Nhật,

- IHPC 6 tiến hành năm 1987 ở Pháp,

- IHPC 7 tiến hành năm 1990 ở Nga,

- IHPC 8 tiến hành năm 1992 ở Trung Quốc,

- IHPC 9 tiến hành năm 1995 ở Mỹ,

- IHPC 10 tiến hành năm 1997 ở Đức,

- IHPC 11 tiến hành năm 1999 ở Nhật,

- IHPC 12 tiến hành năm 2002 ở Nga,

- IHPC 13 tiến hành năm 2005 ở Tung Quốc,

- IHPC 14 tiến hành năm 2007 ở Brazil

Đặc điểm của các hội nghị IHPC là số báo cáo khoa học ngày càng tăng, số các nhà khoa học tới dự ngày càng đông và số nước tham dự ngày càng lớn

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ống nhiệt về mặt lý thuyết cũng như triển khai ứng dụng còn rất hạn chế Mới chỉ có một vài công trình nghiên cứu ứng dụng và

tại Viện KH&CN Nhiệt Lạnh, ĐHBK Hà nội, ở Khoa Nhiệt Lạnh tại ĐHBK Đà Nẵng và ở Bộ môn Nhiệt ĐHBK TP HCM Các nhà khoa học ở đây đã bước đầu thu được một số kết quả khả quan trong quá trình nghiên cứu

1.2 ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT

Ống nhiệt đã và đang được nghiên cứu cho nhiều ứng dụng khác nhau của nhiều ngành công nghiệp, bao gồm ứng dụng ở lĩnh vực nhiệt độ cao như việc sử dụng các ống nhiệt heli lỏng để hỗ trợ cho việc làm mát trong máy gia tốc hạt, để làm mát cho hệ thống “nước nặng” của lò phản ứng hạt nhân và ứng dụng trong kỹ thuật đo lường ở nhiệt độ cao (khoảng 20000C đến 30000C), đến những ứng dụng khác ở nhiệt độ vừa phải và nhiệt độ thấp Dưới đây là một số ứng dụng của ống nhiệt

1.2.1 Làm mát linh kiện điện tử

Hiện nay các ứng dụng lớn nhất của ống nhiệt về số lượng sử dụng là làm mát của các thành phần điện tử như bóng bán dẫn, các thiết bị bán dẫn, và các gói mạch tích hợp (hình 1.1, hình1.2 và hình 1.3)

Hình 1.1 Dùng ống nhiệt làm mát linh kiện điện tử

Một bộ tản nhiệt cho RAM bao gồm hai phiến kim loại được bắt chặt vào RAM Mỗi một phiến kim loại này truyền nhiệt đến những fin tản nhiệt bằng nhôm phía trên Điểm đặc biệt ở đây là những ống nhiệt bằng đồng chạy xuyên suốt phiến kim loại Ống nhiệt tiếp xúc trực tiếp với chip bộ nhớ, và dẫn nhiệt đến các fin tản nhiệt ở trên.

Hình 1 3 Tản nhiệt CPU máy tính của hãng Noctua

Hình 1.4 Các loại tản nhiệt VGA - cạc đồ họa máy tính

1.2.2 Làm nóng nước sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 1.5 Bộ thu năng lượng mặt trời

Hình 1.5, hình 1.6, hình 1.7 thể hiện bộ thu năng lượng mặt trởi kiểu ống nhiệt Đây là hệ thống làm việc quanh năm với chi phi thấp và hiệu quả cao

Bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi các ống năng lượng mặt trời và chuyển đổi thành nhiệt Lượng nhiệt này được ống nhiệt ở bên trong ống năng lượng chuyển về phía đầu ống và làm nóng nước chảy qua

Hình 1.6 Bức xạ mặt trời làm nóng các ống năng lượng

Ống năng lượng được làm từ hai ống kính bằng thủy tinh borosilacate, ống bên ngoài trong suốt cho phép ánh sáng đi qua ít phản xạ nhất, lớp bên trong được phủ lớp hấp thụ bức xạ Phần đầu của hai ống được hàn với nhau và rút chân không giữa hai ống kính

Ống nhiệt

ống nhiệt nằm trong ống năng lượng Tụ chuyền nhiệt

Hình 1.7 Các chi tiết của ống năng lượng

Các ống nhiệt được sử dụng trong bộ thu năng lượng mặt trời có một nhiệt

độ sôi ở 30oC Vì vậy, khi các ống nhiệt được làm nóng trên 30oC môi chất sẽ bay hơi Hơi môi chất tăng lên nhanh chóng và chuyển động đến trên cùng của ống dẫn nhiệt rồi truyền nhiệt cho nước Khi nhiệt bị mất tại các tụ (trên),hơi môi chất ngưng

tụ thành chất lỏng và trở về phía dưới của ống nhiệt để rồi một lần nữa lặp lại chu trình

1.2.3 Chống tan băng các trụ của đường ống dẫn dầu

Hình 1.8 Ống nhiệt trên đường ống dẫn dầu alaska

Ống nhiệt cũng được sử dụng để giảm sức nóng trên hệ thống ống dẫn dầu ở vùng lạnh như Alaska Trong quá trình vận chuyển dầu, phát sinh lượng nhiệt nóng

từ dầu truyền xuống dưới chân đế là vùng đất có nước đóng băng gây ảnh hưởng đến kết cấu của hệ thống, dẫn đến đường ống lún, sụt xuống Để ngăn chặn điều này mỗi bệ đỡ ống được gắn với 4 ống dẫn nhiệt thẳng đứng Gần 100.000 ống nhiệt trọng trường được dùng cho đường ống dẫn dầu Alaska ở Mỹ Đường kính của ống nhiệt được sử dụng là 5cm và 7,5 cm, và độ dài khác nhau từ 8cm đến 18

cm

1.2.4 Tái sử dụng nhiệt thải

Thiết bị trao đổi nhiệt dùng ống nhiệt trọng trường có nhiều ưu điểm trong

đó ưu điểm quan trọng nhất là có thế làm cánh nên hoàn toàn thỏa mãn các nhu cầu

về tận dụng nhiệt thải Nhiều nước công nghiệp phát triển đã sản xuất hàng loạt thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt, điển hình là Nhật Bản, Mỹ, Hàn Quốc Ở Trung Quốc các thiết bị tận dụng nhiệt thải bằng ống nhiệt đã được chế tạo và đưa vào vận hành với độ tin cậy khá cao

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khí –khí bằng ống nhiệt trọng trường được ứng dụng nhiều do những ưu điểm nổi bật của nó so với loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng vách ngăn đối lưu

- Diện tích bề mặt truyền nhiệt lớn, thiết bị nhỏ gọn, không chiếm nhiều không gian, đặc biệt khi làm cánh trên bề mặt ngoài ống nhiệt

- Dòng khí nóng và dòng khí lạnh được tách riêng bởi một bề mặt cố định

Do đó tránh được hiện tượng hòa trộn hai dòng khí nóng và lạnh

- Thiết bị không cần dùng thêm ngoại lực nào ngoài việc dùng quạt cho hai dòng chất khi nóng và lạnh lưu động

- Khi môi chất nạp và vật liệu ống được chọn thích hợp, thiết bị có thể làm việc trong khoảng nhiệt độ rộng với độ tin cậy cao và tuổi thọ lâu dài

- Thiết bị dễ dàng chế tạo và lắp đặt, phù hợp với không gian lắp đặt và thỏa mãn độ tăng, giảm áp cho phép

- Đối với thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng khói thải bằng ống nhiệt có cánh bên ngoài ống, như 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 như vậy vừa tránh được bụi bẩn , vừa tăng hệ số toải nhiệt đối lưu bề mặt ngoài của ống

- Ngoài ra, thiết bị này còn không bị ảnh hưởng của ứng suất nhiệt

Vấn đề đặt ra ở đây là phải tăng độ chịu ăn mòn của ống nhiệt khi chúng làm việc trong môi trường khắc nghiệt, điều này cũng đã được giải quyết bằng cách phủ một lớp chì lên bề mặt ngoài của ống nhiệt

1.2.5 Một số ứng dụng khác của ống nhiệt:

- 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

do thiết bị gọn hoạt động lâu bền và có độ tin cậy cao

- Ống nhiệt được ứng dụng để làm mát các đường cáp điện đặt ngầm dưới đất thay cho phương pháp cổ điển là dùng nước làm mát

- Ống nhiệt trọng trường được sử dụng trong việc chống đóng băng mặt đường cao tốc và bãi đỗ xe ô tô bằng cách cắm một đầu ống nhiệt sâu xuống đất để lấy nhiệt, còn đầu kia (phần ngưng, toả nhiệt của ống) đặt nằm ngang dưới mặt đường và làm tan tuyết

- Trong ngành vũ trụ, người ta dùng ống nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ của thân tàu vũ trụ Một bên con tàu bị đốt nóng bởi mặt trời còn bên kia nằm trong bóng tối ít bị đốt nóng

1.3 PHÂN LOẠI ỐNG NHIỆT

1.3.1 Phân loại theo lực tác dụng:

Ống nhiệt trọng trường (Gravitatinal Heat pipe ):

Hình 1- 9 Cấu tạo ống nhiệt trọng trường

Trên hình 1- 8 trình bày cấu tạo ống nhiệt trọng trường (còn gọi là xiphông nhiệt Thermosyphon) Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt này là nhờ lực trọng trường, chất lỏng ngưng được đưa về phần bốc hơi Như vậy, phần bốc hơi bao giờ cũng được đặt thấp hơn phần ngưng Bề mặt trong của ống nhiệt có thể nhẵn gọi là ống nhiệt trơn hoặc làm rãnh gọi là ống nhiệt có rãnh Bên trong ống nhiệt có thể đặt các bộ tách dòng kiểu đục lỗ hoặc giao pha 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

từ vùng sôi đến vùng ngưng tụ [6], đặc biệt nhằm tăng công suất nhiệt tới hạn của ống nhiệt trọng trường (công suất nhiệt lớn nhất ) Loại ống nhiêt trọng trường có

bề mặt nhẵn bên trong sẽ được sử dụng trong luận văn này

Phần đoạn nhiệt

Phần sôi

P

PQ

4

5

Ống nhiệt mao dẫn (Capillary Heat pipe):

Trên hình 1- 10 trình bày cấu tạo ống nhiệt mao dẫn Ở đây lực tác dụng để đưa chất lỏng ngưng về phần bốc hơi là lực mao dẫn Ống nhiệt mao dẫn thường được đặt ngược hướng trọng trường, phần bốc hơi sẽ nằm cao hơn phần ngưng [1]

Để tạo ra lực mao dẫn có nhiều cách khác nhau cụ thể là:

- Làm rãnh nhỏ bên trong

- Đặt các tấm lưới bằng kim loại sát bề mặt bên trong ống, những tấm lưới này được gọi là bấc

- Hoặc là kết hợp cả hai loại trên

Hình 1- 10 Cấu tạo ống nhiệt mao dẫn

Ống nhiệt ly tâm (Rotating Heat pipe ):

Trên hình 1- 11 trình bày ống nhiệt ly tâm dùng để làm mát động cơ điện [10] Ở ống nhiệt ly tâm, chất lỏng ở phần ngưng trở về phần bốc hơi nhờ tác dụng của lực ly tâm sinh ra khi ống quay với một tốc độ nào đó

Hình 1- 11 Ống nhiệt ly tâm (dùng làm mát động cơ điện)

1- Thân động cơ 2- Stato 3- Rôto 4- Trục rỗng (ống nhiệt)

1.3.2 Phân loại theo nhiệt độ của hơi bên trong ống nhiệt (theo nhiệt độ cần sử dụng)

Ống nhiệt nhiệt độ rất thấp (nhỏ hơn -73 oC)

Ống nhiệt nhiệt độ thấp (từ -73 oC đến 277 oC)

Ống nhiệt nhiệt độ trung bình (từ 277 oC đến 477 oC)

Ống nhiệt nhiệt độ cao ( trên 477 oC )

1.3.3 Phân loại theo hình dạng ống

Ống nhiệt hình trụ (có chiều dài lớn gấp nhiều lần đường kính ống ), ống nhiệt hình hộp, ống nhiệt dạng phức tạp

1.3.4 Phân loại theo môi chất nạp trong ống

Ống nhiệt một thành phần (chỉ gồm một chất lỏng như nước, amôniăc, freon, kim loại lỏng, …) và ống nhiệt nhiều thành phần (nhiều chất lỏng hoà trộn với nhau)

1.3.5 Phân loại theo công dụng

Ống nhiệt được sử dụng để truyền tải nhiệt từ môi chất có nhiệt độ cao hơn đến môi chất có nhiệt độ thấp hơn gọi là ống nhiệt tải nhiệt

Ống nhiệt được sử dụng để giữ cho nhiệt độ của môi chất không đổi khi lượng nhiệt cấp cho ống nhiệt thay đổi gọi là ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ

Ống nhiệt chỉ truyền nhiệt theo một chiều gọi là điôt - nhiệt

1.4 ƯU ĐIỂM CỦA ỐNG NHIỆT

- Độ chênh nhiệt độ giữa phần ống bị đốt nóng (phần sôi) và phần ống để lấy nhiệt đi (phần ngưng) chỉ cần nhỏ (vài độ oC) là đủ tải lượng nhiệt lớn từ nguồn nhiệt đến nơi cần đốt nóng Đó là do bên trong ống xảy ra quá trình sôi và ngưng ở

áp suất gần như bằng nhau (P1P2) nên nhiệt độ cũng gần như nhau Điều này có thể nói ống nhiệt là vật truyền nhiệt hầu như không cần độ chênh nhiệt độ hay là vật siêu dẫn, có độ dẫn nhiệt lớn hơn hàng trăm lần so với dùng thanh kim loại để tải nhiệt

- Nhiệt từ phần sôi truyền tới phần ngưng nhờ hơi mang đi và lỏng ngưng quay về một cách tự nhiên mà không cần nhờ tới bơm hay quạt, do vậy độ tin cậy của ống nhiệt cao và không gây ồn Đây là ưu điểm hơn hẳn so với truyền tải nhiệt bằng chất lỏng khi không có truyển pha (chất lỏng chảy trong ống nhờ bơm nhận nhiệt của nguồn nhiệt nóng rồi nhả nhiệt cho vật cần đốt nóng)

- Khi chọn môi chất nạp thích hợp, ống nhiệt có thể hoạt động an toàn lâu dài trong dải nhiệt độ rộng, từ -80 oC đến 2500 oC

- Các ống nhiệt riêng biệt có thể được kết hợp để tạo ra cụm ống (thiết bị ống nhiệt), trong quá trình làm việc nếu có ống nào đó bị hỏng thì toàn bộ thiết bị vẫn hoạt động bình thường (công suất có giảm đi đôi chút do ống hỏng), bởi vì mỗi ống nhiệt là một phần tử truyền nhiệt riêng biệt không bị ảnh hưởng lẫn nhau

- Có khả năng tải nhiệt đi khá xa (hàng trăm mét), đó là do ống tải nhiệt chỉ

- Khi cần tải nhiệt từ nguồn nhiệt là khói (sản phẩm cháy nhiên liệu) đến không khí (hay chất khí nào đó), nếu dùng thiết bị kiểu vách ngăn bằng ống vì không thể làm cánh bên trong ống nên cũng không có tác dụng khi chỉ làm cánh bên ngoài ống, thiết bị sẽ không gọn và tốn nhiều ống Ngược lại, nếu dùng ống nhiệt thiết bị sẽ rất gọn, người ta sẽ dễ dàng làm cánh bên ngoài ống của phần sôi (tiếp xúc với khói) và phần ngưng (tiếp xúc với không khí)

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Ống nhiệt trọng trường có bề mặt nhẵn ở bên trong được thể hiện ở hình 2.1

Hình 2.1 Ống nhiệt trọng trường có bề mặt nhẵn ở bên trong

1 – Nắp dưới; 2- Vách ống; 3- Vách ngăn phần sôi; 4- Vách ngăn phần ngưng; 5- Nắp trên; 6- Lỗ nạp môi chất và vít; Ls, La, Ln – chiều dài phần sôi, phần đoạn

Phần đoạn nhiệt

Phần sôi

P1

P2 Q

Ống nhiệt thường có dạng hình trụ, thân ống và các nắp thường bằng kim loại Ở nắp trên có một lỗ để nạp môi chất vào trong ống, sau đó có vít để bịt chặt

và hàn lại Ống nhiệt được chia làm ba phần, phần dưới là phần sôi (nhận nhiệt), ở giữa là phần đoạn nhiệt (được bọc cách nhiệt), ở trên cùng là phần ngưng tụ (thải nhiệt) Bề mặt ngoài của ống có thể làm cánh khi môi trường có hệ số tỏa nhiệt lớn

và ngược lại không làm cánh hoặc khi hệ số tỏa nhiệt nhỏ

Khi ống nhiệt nhận nhiệt tại phần sôi của ống, môi chất bên trong ống sẽ sôi

và tạo ra hơi có áp suất p1 Hơi sẽ chuyển động lên phía trên là phần ngưng hay phần tỏa nhiệt, tại đây hơi tỏa nhiệt cho môi trường có nhiệt độ thấp hơn và ngưng

tụ lại thành chất lỏng có áp suất p2 Khi dòng hơi chuyển động lên phía trên có tổn thất áp suất, nhưng thực tế tổn thất này rất nhỏ nên hầu hết trong đa số các trường hợp ta coi p1 = p2 = p là áp suất hơi bão hòa trong ống nhiệt Hơi ngưng tụ thành lỏng trên bề mặt trong ống sẽ chảy về phía phần sôi dưới tác dụng của lực trọng trường Vì thế để ống nhiệt trọng trường hoạt động được là phần sôi phải đặt thấp hơn phần ngưng để tạo ra lực trọng trường đưa chất lỏng ngưng quay trở về phần sôi

2.1.2 Môi chất nạp và vật liệu làm ống nhiệt

a Chọn môi chất nạp

Môi chất nạp (chất lỏng nạp vào ống) của ống nhiệt cần phải được lựa chọn dựa trên cơ sở nhiệt độ làm việc của ống nhiệt (nhiệt độ trung bình của hơi trong ống th) và còn dựa vào tính phù hợp của môi chất nạp đối với vật liệu làm ống, tính chất nhiệt vật lý và hoá học của môi chất nạp v.v…

Nhiệt độ trung bình của hơi được tính gần đúng như sau (khi ống bằng kim loại có chiều dầy mỏng và hệ số dẫn nhiệt lớn) [4]:

th = 0,5 (tis + tin)  0,5 (tns + tnn)

Trong đó:

tis - Nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần sôi (oC),

tin - Nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần ngưng (oC),

tns - Nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài ống phần sôi (oC),

tnn - Nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài ống phần ngưng (oC)

Tuỳ theo nhiệt độ làm việc của ống nhiệt mà môi chất nạp có thể là những chất sau:

Môi chất R12, R22, NH3 Nước, rượu Hg, Na, K

- Bảng dưới đây đưa ra các môi chất nạp được sử dụng trong ống nhiệt và khoảng nhiệt độ của nó [1]

Bảng 2-1: Môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc

Cũng cần phải lưu ý đến khía cạnh chịu nhiệt của môi chất nạp, đó là khả năng bị phân huỷ của môi chất nạp dưới 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

Như vậy, độ bền về nhiệt của môi chất nạp trong khoảng nhiệt độ làm việc cũng được coi là tính chất cần thiết

Các yêu cầu khác của môi chất nạp:

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

- Có góc dính ướt  với thành ống nhỏ (đối với ống nhiệt mao dẫn)

- Có nhiệt ẩn hoá hơi r lớn

- Có độ nhớt  nhỏ

- Có hệ số dẫn nhiệt  cao

- Có khối lượng riêng  lớn

- Môi chất nạp nếu là đơn chất phải tinh khiết, về mặt hoá học phải không độc Một điểm cần lưu ý là trong khoảng nhiệt độ làm việc, áp suất của hơi bão hoà tương ứng phải có giá 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 nước ngưng trở về phần sôi trong trường hợp hai dòng hơi và chất lỏng chuyển động ngược chiều Tuy nhiên,

áp suất không được quá bé, vì nếu quá bé (nhỏ hơn áp suất khí quyển) thì dễ bị không khí bên ngoài lọt vào trong ống nhiệt Mặt khác áp suất bão hoà không được quá lớn để tránh dùng ống nhiệt có vách dày

Ngoài các tiêu chuẩn trên cũng cần phải chú ý đến giá thành của môi chất nạp, giá thành của vật liệu làm ống trong việc lựa chọn các môi chất nạp

b Vật liệu làm ống nhiệt

Ngoài tính chất nhiệt còn phải chú ý tác dụng tương 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 ngưng tích tụ lại ở phần ngưng của ống, làm giảm khả năng truyền nhiệt

Tính phù hợp của ống nhiệt được thể hiện trong bảng 2-2 theo [1]

Bảng 2-2: Tính phù hợp của ống nhiệt

Môi chất

nạp

Vật liệu làm ống nhiệt

Tốt : Phù hợp tốt Được :Tương đối phù hợp

Không được : Không phù hợp “- - -“ : Chưa xác định

c Cách nạp môi chất vào ống nhiệt

Sau khi đã chọn được môi chất và vật liệu làm ống, ta tiến hành bước tiếp theo là nạp môi chất lỏng vào trong ống Ống nhiệt có hai nắp: nắp dưới và nắp trên, nắp trên có một lỗ nhỏ để nạp chất lỏng vào trong ống Trước khi nạp, ống nhiệt phải được cọ rửa sạch sẽ để tránh làm bẩn chất lỏng trong ống Sau khi đã hàn nắp trên và nắp dưới vào ống nhiệt ta tiến hành nạp môi chất

Có hai phương pháp nạp môi chất vào ống như sau:

- Phương pháp hút chân không (thường dùng trong phòng thí nghiệm): Sau khi hút chân không, ta bơm chất lỏng vào ống rồi đốt nóng và lại hút chân không

lần nữa để bảo đảm hút cả khí không ngưng có lẫn trong môi chất Cuối cùng hàn ống lại

- Phương pháp bốc hơi (thường dùng trong công nghệ chế tạo ống nhiệt): Sau khi bơm chất lỏng vào ống, ta đốt nóng ống đến khi chất lỏng trong ống sôi và bốc hơi để đuổi khí không ngưng ra ngoài rồi hàn ống lại

2.2 TÍNH CÔNG SUẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG

Công suất nhiệt toàn bộ của ống được xác định theo độ chênh nhiệt độ toàn

Rz: Nhiệt trở của nguồn đốt nóng với vách ngoài ống phần sôi

Rw: Nhiệt trở của môi chất lấy nhiệt và vách ngoài ống phần ngưng

Rvs: Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống phần sôi

Rvn: Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống phần ngưng

Rs : Nhiệt trở chất lỏng sôi trong ống phần sôi

Rn : Nhiệt trở hơi ngưng tụ trong ống phần ngưng

Rh : Nhiệt trở hơi chuyển động từ phần sôi tới phần ngưng

R: Tổng nhiệt trở (K/W)

Hình 2-2 Các thành phần nhiệt trở của ống nhiệt

Nhiệt trở của từng bộ phận của ống được xác định bằng các biểu thức sau:

es z z

F

1R



 ;

w

1

dlnR

s i e

dlnR

n i e

vn

(2-3)

is s s

hn hs h h

Q.r

)PP(TR

Fes: Diện tích mặt ngoài ống phần sôi (m2)

Fen: Diện tích mặt ngoài ống phần ngưng (m2)

de : Đường kính ngoài của ống (m)

di : Đường kính trong của ống (m)

Ls : Chiều dài phần sôi của ống (m)

Ln: Chiều dài phần ngưng của ống (m)

 : Hệ số dẫn nhiệt của vách ống (W/m.K)

s: Hệ số toả nhiệt khi sôi của chất lỏng trong ống (W/m2.K);

n: Hệ số toả nhiệt khi ngưng của chất lỏng trong ống (W/m2.K);

Fis: Diện tích bề mặt trong phần sôi của ống (m2);

Fin: Diện tích bề mặt trong phần ngưng của ống (m2);

ths: Nhiệt độ hơi trong ống ở phần sôi (0C);

thn: Nhiệt độ hơi trong ống ở phần ngưng (0C);

Th: Nhiệt độ trung bình của hơi trong ống (K);

h: Khối lượng riêng của hơi (kg/m3);

r : Nhiệt hoá hơi của chất lỏng (J/kg);

Qi : Công suất nhiệt bên trong của ống nhiệt (W)

Khi ống nhiệt không quá dài (L< 6m) thì nhiệt trở hơi có giá trị nhỏ so với các thành phần khác và ta có thể bỏ qua ( Rh = 0 ) Khi kí hiệu RE là tổng nhiệt trở bên ngoài và Ri là tổng nhiệt trở bên trong, ta có:

RE = Rz + Rvs+ Rvn+ R w

Ri = Rs + Rn

R = RE + Ri

i

E R R

t Q

tis : Nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần sôi

tin : Nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần ngưng

Ở chế độ nhiệt ổn định (sau một thời gian thiết bị làm việc), ta có:

2 3 N

n

L)tt(4

r g.3

 : Khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3);

r : Nhiệt ẩn hoá hơi (J/kg);

 : Độ nhớt của chất lỏng (Ns/m2);

th: Nhiệt độ hơi trong ống (0C);

tin: Nhiệt độ vách ống bên trong phần ngưng (0C);