Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn

Ống nhiệt là một thiết bị truyền nhiệt hiệu quả giúp vận chuyển một lượng nhiệt lớn giữa hai vùng có độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ. Bài viết này trình bày nghiên cứu tính chất nhiệt (hiệu suất nhiệt η, tổng trở nhiệt R) của ống nhiệt mao dẫn có cánh khi thay đổi góc nghiêng và nhiệt cấp cho phần sôi.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT MAO DẪN STUDY ON THERMAL PROPERTIES OF WICKED HEAT PIPE Bùi Mạnh Tú TÓM TẮT Ống nhiệt thiết bị truyền nhiệt hiệu giúp vận chuyển lượng nhiệt lớn hai vùng có độ chênh lệch nhiệt độ nhỏ Vấn đề ống nhiệt mơi chất làm việc có đặc tính truyền nhiệt hạn chế Bài báo trình bày nghiên cứu tính chất nhiệt (hiệu suất nhiệt η, tổng trở nhiệt R) ống nhiệt mao dẫn có cánh thay đổi góc nghiêng nhiệt cấp cho phần sơi Thí nghiệm tiến hành với nhiệt cấp cho phần sôi giá trị 100W, 150W, 200W, 250W 300W; góc nghiêng giá trị 00, 150, 300, 450, 600, 750, 900 Từ khóa: Ống nhiệt, hiệu suất nhiệt, tổng trở nhiệt, góc nghiêng, nhiệt cấp ABSTRACT Heat pipe is an effective heat transfer device which transports huge amount of heat between the two temperature limits with minimum temperature gradient The main problem with heat pipe working fluids is poor heat transfer characteristics of working fluids This paper presents study of thermal properties (thermal efficiency η, thermal resistance R) of the wicked heat pipe with wings when changing inclination angle and heat supplied at evaporator region The experiments are conducted for various heat inputs 100W, 150W, 200W, 250W, and 300W; various inclination angles 00, 150, 300, 450, 600, 750, and 900 Keywords: Heat pipe, thermal efficiency, thermal resistance, inclination angle, heat supplied Trường Đại học Điện lực Emai: tubm@epu.edu.vn Ngày nhận bài: 03/8/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 28/9/2020 Ngày chấp nhận đăng: 21/10/2020 GIỚI THIỆU Ống nhiệt sáng chế từ lâu nhiên việc nghiên cứu ứng dụng phát triển mạnh vài thập kỷ gần Nguyên tắc trình truyền nhiệt giống loại ống nhiệt công suất nhiệt phụ thuộc vào cấu tạo ống nhiệt điều kiện làm việc Bằng cách thay cấu trúc ống, lượng loại môi chất nạp ống nhà khoa học chế tạo loại ống nhiệt khác có khả ứng dụng hiệu công nghiệp sống 1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 1.1.1 Cấu tạo Ống nhiệt ống thường làm kim loại hàn kín hai đầu có chứa lượng mơi chất lỏng xác định (hình 1) Tuỳ theo loại ống mà phía ống trơn, xẻ rãnh gắn lưới mao dẫn, phía ngồi trơn làm cánh tản nhiệt Hình Ống nhiệt Ống nhiệt chia làm phần: Phần sôi, phần đoạn nhiệt phần ngưng [1, 2] Phần sôi: Phần đốt nóng nguồn nhiệt khác nhau, mơi chất lỏng ống nhận nhiệt sôi bão hoà tạo thành Phần đoạn nhiệt: Hơi bão hoà môi chất từ phần sôi chuyển động qua phần đoạn nhiệt lên phần ngưng Sở dĩ gọi phần đoạn nhiệt phần khơng thực trình trao đổi nhiệt (nghĩa ống bọc cách nhiệt bên phần đoạn nhiệt), phần đoạn nhiệt có khơng có Phần ngưng: Hơi bão hịa mơi chất lên tới phần ngưng nhả nhiệt cho chất làm mát môi trường bên ngồi ống (khơng khí, nước…) ngưng tụ lại, trở trạng thái lỏng Môi chất lỏng ngưng quay phần sôi nhờ lực trọng trường, lực mao dẫn hay lực ly tâm,… Bề mặt bên ống nhiệt nhẵn, xẻ rãnh có cấu trúc bấc Hơi mơi chất di chuyển bên lịng ống, chất lỏng ngưng di chuyển phần sôi bề mặt ống Cánh gắn vào bên ngồi phần sơi phần ngưng tụ để tăng diện tích bề mặt tăng cường q trình truyền nhiệt, tùy thuộc vào ứng dụng 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… mà người ta phân ống nhiệt mao dẫn, ống nhiệt ly tâm, ống nhiệt trọng trường, ống nhiệt chiều, ống nhiệt nhiệt độ thấp, ống nhiệt hình trụ, ống nhiệt hình hộp,… 1.1.2 Ngun lý hoạt động Mơi chất lỏng ống nhận nhiệt nguồn nóng (khói lị, lượng xạ mặt trời, ) phần sôi sôi biến thành hơi, môi chất chuyển động qua phần đoạn nhiệt tới phần ngưng Tại môi chất toả nhiệt cho nguồn làm mát qua vách ống (khơng khí, nước, ) Mơi chất lỏng ngưng tạo thành chảy phần sôi nhờ lực sau đây: lực trọng trường, lực mao dẫn, lực ly tâm, lực điện trường, lực từ trường 92 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Áp suất nhiệt độ làm việc bên ống nhiệt áp suất nhiệt độ chất lỏng nạp bên ống nhiệt Các trình làm việc ống nhiệt biểu diễn hình 2, đó: AB - q trình sôi xảy phần sôi áp suất P1 BC - trình chuyển động từ phần sôi tới phần ngưng, ma sát, áp suất giảm từ Pl đến P2 (P2 - áp suất phần ngưng) Tuy nhiên thông thường giảm áp nhỏ CD - trình ngưng tụ tạo thành chất lỏng ngưng áp suất P2 DA - trình chuyển động chất lỏng ngưng theo bề mặt ống nhiệt, từ phần ngưng qua phần đoạn nhiệt phần sôi nhờ lực trọng trường, lực mao dẫn, trình lặp lại (trong trình áp suất chất lỏng tăng lên lực trọng trường…để thắng sức cản ma sát chất lỏng bề mặt ống) Như môi chất ống nhiệt thực chu trình hay vịng tuần hồn kín mà khơng cần tới ngoại lực bơm hay quạt tạo phần tử trao đổi nhiệt khác CHẾ TẠO ỐNG NHIỆT MAO DẪN CĨ CÁNH Tính tốn thiết kế, chế tạo ống nhiệt mao dẫn trình bày chi tiết tài liệu tham khảo [1-8] Trong nội dung báo này, tác giả không sâu vào phần tích tốn, thiết kế ống nhiệt Ống nhiệt sử dụng nghiên cứu chế tạo có cánh phần ngưng ống nhiệt, ống nhiệt gia nhiệt phần sôi thiết bị đốt nóng dạng điện trở điều chỉnh cơng suất nhiệt Thông số, vật liệu chế tạo ống nhiệt sau: - Vật liệu làm ống : Đồng - Chiều dài ống : L = 1m - Đường kính ngồi ống : de = 0,032m - Đường kính ống : di = 0,030m - Chiều dài phần sôi : Ls = 0,4m - Chiều dài phần ngưng : Ln = 0,4m - Vật liệu làm cánh : Đồng - Đường kính cánh : dc = 85mm - Lớp lưới kim loại : Lưới đồng, 100 mesh/inch - Môi chất nạp : Nước a) Các thành phần chu trình b) Biểu đồ T-s Hình Quá trình hoạt động ống nhiệt biển đồ T-s Pl - áp suất phần sôi P2 - áp suất phần ngưng 1.2 Ống nhiệt mao dẫn Ống nhiệt trọng trường có hạn chế vị trí đặt ống, để tạo lực trọng trường yêu cầu bắt buộc phần ngưng ống nhiệt phải có vị trí cao phần sơi Để khắc phục điều này, ống nhiệt mao dẫn (hình 3) đời, nghiên cứu ứng dụng Chất lỏng ngưng di chuyển phần sôi nhờ lực mao dẫn Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình Ống nhiệt mao dẫn Ống nhiệt mao dẫn có đặt lớp bấc sát bề mặt ống làm rãnh nhỏ chạy theo chu vi dọc theo chiều dài ống Lớp bấc mao dẫn phải đảm bảo có tính dẫn nhiệt tốt, tính mao dẫn cao, tính thẩm thấu chất lỏng cao Môi chất sử dụng cho ống nhiệt mao dẫn chất lỏng Bên ngồi ống nhiệt nhẵn có cánh để tăng cường khả trao đổi nhiệt Trong nghiên cứu này, tác giả tiến hành chế tạo, nghiên cứu tính chất nhiệt ống nhiệt mao dẫn với bấc lớp lưới kim loại cuộn trịn áp quanh mặt ống, bên ngồi ống nhiệt có cánh, sử dụng mơi chất nước Nạp môi chất vào ống nhiệt Để nạp môi chất vào ống nhiệt, trước tiên ống nhiệt sau làm sạch, phải hút chân không bơm hút chân khơng với áp suất 760mmHg Sau mơi chất nạp đưa vào ống nhiệt qua xi lanh, lượng mơi chất nạp vào ống nhiệt 40% thể tích phần sơi Để hút chân khơng (để khử khí khơng ngưng khơng khí…) ta sử dụng hai biện pháp hút chân khơng đốt nóng để đuổi khí khơng ngưng ngồi Chế tạo cánh tản nhiệt phần ngưng tụ (hình 4) Để lấy nhiệt từ phần ngưng ống nhiệt, dùng nước khơng khí làm mát, nghiên cứu lựa chọn khơng khí để làm mát Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 93 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 điện trở đốt Việc điều chỉnh thực máy biến áp vô cấp, điện áp đầu vào 220V, điện áp đầu - 300V Hình Cấu tạo phần ngưng tụ ống nhiệt trọng trường Cánh tản nhiệt làm đồng, với chiều dày cánh c = 1mm (tương đối dày) để đảm bảo việc chế tạo, hàn cánh, cánh không bị cong vênh hay gây thủng ống đồng, cánh kín khít với thân ống toàn chu vi ống Cánh chế tạo có đường kính dc = 85mm, số lượng cánh n = 20 gắn toàn chiều dài phần ngưng ống nhiệt (Ln = 400mm) Dùng quạt để thổi khơng khí qua phần ngưng ống, lưu lượng khơng khí thay đổi cách điều chỉnh tốc độ quạt gió vào trao đổi nhiệt với bình ngưng Lựa chọn, lắp ghép phận đốt nóng (hình 5) Bộ đốt nóng dùng để cấp nhiệt cho phần sôi ống nhiệt, làm cho môi chất nạp ống nhiệt sôi, bốc chuyển động lên phần ngưng Có nhiều cách khác để cấp nhiệt cho phần sôi ống nhiệt, điều phụ thuộc vào cơng suất nhiệt cần cấp Hiện có hai phương pháp cấp nhiệt dùng phổ biến: - Cấp nhiệt dây điện trở (trao đổi nhiệt hình thức đối lưu) - Cấp nhiệt phương pháp cảm ứng (trao đổi nhiệt hình thức xạ) Xét tiện lợi mục đích nghiên cứu, tác giả lựa chọn phương pháp cấp nhiệt dây điện trở Hình Kết cấu mơ hình ống nhiệt có cánh 1- Van xả (mơi chất, khí…) 4- Áp kế 2- Ống đồng trơn 5- Khố đóng mở van nạp 3- Cánh tản nhiệt 6- Van nạp Để giảm tổn thất nhiệt môi trường, đảm bảo độ xác cần thiết cho thí nghiệm, phía ngồi đốt nóng bọc cách nhiệt: lớp bơng khống chịu nhiệt độ cao dày 30mm sau quấn lớp amiang chịu nhiệt, bọc lớp giấy bạc mỏng chống xạ nhiệt MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Mơ hình thí nghiệm Để đo nhiệt độ sử dụng đầu đo PT100 - loại nhiệt điện trở, đặc tính nhiệt - điện trở xác định tiêu chuẩn quốc tế IEC-751, DIN 43760, BS 1904 hay ASTM E1137 Hình Bố trí đầu đo nhiệt độ mơ hình ống nhiệt Vì vách ống đồng (có hệ số dẫn nhiệt lớn), chiều dày mỏng (1mm) nên nhiệt trở dẫn nhiệt vách ống nhỏ, độ chênh nhiệt độ vách vách ống nhỏ ( khoảng 0,010C), coi giá trị nhiệt độ đo bề mặt ngồi ống nhiệt độ mặt ống, nhiệt độ phần sôi, ngưng tương ứng ống nhiệt Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm hình Hình Lắp đặt cấp nhiệt cho phần sôi ống nhiệt Bộ phận đốt nóng bao gồm 03 điện trở với thông số sau: Vật liệu chế tạo: Dây Crom - Niken Cơng suất tối đa Pmax = 450W Kích thước 35, chiều dài 60mm Các điện trở bố trí tồn phần sơi ống nhiệt (Ls = 400mm) Việc bố trí cụm điện trở trải dài tồn phần sơi (bay hơi) ống nhiệt giúp cho việc cấp nhiệt đồng đều, môi chất ống nhận nhiệt Để thay đổi công suất điện trở cấp nhiệt cho phần sôi, ta điều chỉnh cách thay đổi điện áp cấp cho Hình Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm nghiên cứu tính chất nhiệt ống nhiệt 94 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 56 - Số (10/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 3.2 Kết thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm nghiên cứu tính chất nhiệt ống nhiệt mao dẫn có cánh bên ngồi bố trí hình Ống nhiệt gá đặt giá điều chỉnh góc nghiêng ống nhiệt từ 00 - 900 Hình Hệ thống thiết bị thí nghiệm nghiên cứu tính chất nhiệt ống nhiệt Tác giả tiến hành thay đổi góc nghiêng góc 00, 15 , 300, 450, 600, 750 900; nhiệt cấp cho phần sôi ống nhiệt thay đổi mức 100W, 150W, 200W, 250W 300W để nghiên cứu, tính tốn tính chất nhiệt (hiệu suất nhiệt η tổng nhiệt trở R) ống nhiệt Hiệu suất nhiệt η tỷ số nhiệt tỏa phần ngưng nhiệt cấp cho phần sôi ống nhiệt Tổng nhiệt trở R tỷ số độ chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ trung bình phần sơi phần ngưng với nhiệt cấp cho phần sôi ống nhiệt Độ chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ trung bình phần sơi phần ngưng ống nhiệt thể hình 10 Hiệu suất nhiệt η tổng nhiệt trở R ống nhiệt thay đổi góc nghiêng ống nhiệt nhiệt cấp cho phần sôi thể hình 11, 12 Hình 10 Độ chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ trung bình phần sơi phần ngưng thay đổi góc nghiêng ống nhiệt nhiệt cấp cho phần sơi ống nhiệt Hình 11 Hiệu suất nhiệt η ống nhiệt thay đổi góc nghiêng ống nhiệt nhiệt cấp cho phần sơi ống nhiệt Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hình 12 Tổng nhiệt trở R ống nhiệt thay đổi góc nghiêng ống nhiệt nhiệt cấp cho phần sôi ống nhiệt Kết hình 11 cho thấy, tăng góc nghiêng ống nhiệt hiệu suất nhiệt tăng đạt giá trị lớn góc nghiêng 450 Sau đó, tiếp tục tăng góc nghiêng ống nhiệt, hiệu suất nhiệt giảm xuống Nguyên nhân ảnh hưởng lực trọng trường trình hình thành lớp chất lỏng tiếp giáp với thành ống nhiệt môi chất ngưng tụ, di chuyển từ phần ngưng phần sơi Hình 12, cho thấy, lượng nhiệt cấp cho phần sôi ống nhiệt tăng tổng nhiệt trở ống nhiệt tăng Nguyên nhân hình thành lớp bong bóng bề mặt phân cách lỏng mơi chất thành ống nhiệt Khi tăng nhiệt trình hóa mơi chất phần sơi diễn nhanh lượng bong bóng hình thành nhiều hơn, qua tạo thành lớp ngăn cản q trình truyền nhiệt mơi chất thành ống nhiệt KẾT LUẬN Trong báo này, tác giả tiến hành tính tốn, chế tạo ống nhiệt mao dẫn có cánh phần ngưng tụ Đồng thời, tác giả bố trí hệ thống thí nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng góc nghiêng nhiệt cấp cho phần sơi đến tính chất nhiệt ống nhiệt Qua số liệu thu được, tác giả tính tốn, xác định hiệu suất nhiệt η tổng nhiệt trở R ống nhiệt Kết cho thấy, hiệu suất nhiệt η đạt giá trị lớn ống nhiệt nghiêng góc 450 so với phương ngang; tổng nhiệt trở R tăng tăng nhiệt cấp cho phần sôi ống nhiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Hải, Trần Văn Vang, 2008 Ống nhiệt ứng dụng ống nhiệt NXB Bách khoa [2] Faghri, A., 1995 Heat pipe science and technology Taylor & Francis, Washington [3] Bùi Hải, 1984 Nghiên cứu tính chất nhiệt chưa tới hạn tới hạn ống nhiệt trọng trường Luận án Tiến sĩ, Praha [4] Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư, 2001 Thiết bị trao đổi nhiệt NXB Khoa học Kỹ thuật [5] Bùi Hải, 2002 Tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt NXB GTVT [6] P D Dunn, D A Reay, 1994 Heat pipes Pergramon [7] G P Peterson, 1994 An introduction to heat pipes John Willey-sons, Inc [8] Andrews, A Akabarzadeh, 1997 Heat pipes Technology Pergramon AUTHOR INFORMATION Bui Manh Tu Electric Power University Vol 56 - No (Oct 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 95 ... có tính dẫn nhiệt tốt, tính mao dẫn cao, tính thẩm thấu chất lỏng cao Môi chất sử dụng cho ống nhiệt mao dẫn chất lỏng Bên ống nhiệt nhẵn có cánh để tăng cường khả trao đổi nhiệt Trong nghiên cứu. .. tạo, nghiên cứu tính chất nhiệt ống nhiệt mao dẫn với bấc lớp lưới kim loại cuộn tròn áp quanh mặt ống, bên ngồi ống nhiệt có cánh, sử dụng môi chất nước Nạp môi chất vào ống nhiệt Để nạp môi chất. .. thống thí nghiệm nghiên cứu tính chất nhiệt ống nhiệt mao dẫn có cánh bên ngồi bố trí hình Ống nhiệt gá đặt giá điều chỉnh góc nghiêng ống nhiệt từ 00 - 900 Hình Hệ thống thiết bị thí nghiệm nghiên