Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dản

-1- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THÀNH SƠN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT MAO DẪN Chuyên ngành : Công Nghệ Nhiệt Mã số : 60.52.80 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2011 -2- Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN VĂN VANG Phản biện 1: …………………………………… Phản biện 2: …………………………………… Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật Đại học Đà Nẵng vào ngày … tháng … năm 2011. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. -3- MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn ñề tài Ống nhiệt là một phần tử truyền nhiệt kiểu mới có khả năng truyền nhiệt ñi lớn hơn nhiều lần so với các phần tử truyền nhiệt thông thường. Trong các loại ống nhiệt thì hiện nay trên thế giới loại ống nhiệt mao dẫn ñang ñược nghiên cứu và triển khai ứng dụng một cách mạnh mẽ, hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như: hàng không vũ trụ, ñiều hòa không khí, làm mát ñộng cơ ôtô, làm mát trong ngành ñiện-ñiện tử, tận dụng năng lượng mặt trời, nhiệt thải của các ngành công nghiệp hóa chất, luyện kim, trong thiết bị sấy, trong các ngành chế biến thực phẩm vv… Tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam, mặc dù trong sản xuất ñã có một số rất ít xí nghiệp, nhà máy sử dụng sản phẩm ứng dụng công nghệ ống nhiệt mao dẫn ñược nhập khẩu từ nước ngoài. Nhưng việc nghiên cứu về ống nhiệt mao dẫn mới chỉ là những bước ñi ñầu tiên tại các trường ñại học, nghiên cứu về mặt lý thuyết cũng như triển khai ứng dụng của ống nhiệt mao dẫn còn ít. Đứng trước tình hình tốc ñộ phát triển của các ngành công nghiệp diễn ra rất nhanh và nhu cầu về tiết kiệm năng lượng ngày càng ñược chú trọng thì việc nghiên cứu về ống nhiệt mao dẫn là hết sức cần thiết. Chính vì vậy, ñể góp phần phổ biến kiến thức khoa học và thúc ñẩy việc nguyên cứu về ống nhiệt mao dẫn tại Việt Nam, chúng tôi chọn ñề tài: “Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt làm b ằng ống nhiệt mao dẫn dùng ñể làm mát các linh kiện ñiện tử và tiến hành xây phần mềm nhằm giúp các nhà kỹ thuật thiết kế hoặc kiểm tra công suất các thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống mao dẫn -4- một cách nhanh chóng và chính xác. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về lĩnh vực ống nhiệt mao dẫn nói chung, cũng như tổng quan về nghiên cứu lý thuyết tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn nói riêng. - Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn: + Nghiên cứu các thông số của bấc mao dẫn. + Nghiên cứu sự phụ thuộc của công suất nhiệt Q của ống nhiệt mao dẫn vào ñộ chênh nhiệt ñộ phần sôi và phần ngưng ∆t ñể tìm công thức tính công suất nhiệt cho ống nhiệt mao dẫn. + Nghiên cứu công suất nhiệt tới hạn của ống nhiệt mao dẫn. + Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng tới công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn. - Từ ñó tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn. - Trên cơ sở tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn vừa thiết lập, chúng tôi xây dựng phần mềm tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn. 4. Phương pháp nghiên cứu Chúng tôi sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết. 5. Ý nghĩa thực tiễn Đưa ra phương pháp tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn ñể góp phần phổ biến kiến thức khoa học và thúc ñẩy việc nghiên cứu, ứng dụng ống nhiệt mao dẫn vào ñiều kiện thực tế ở Việt Nam. 6. B ố cục luận văn Ngoài phần mục lục và phụ lục; luận văn gồm có: Mở ñầu. -5- Chương 1 : Tổng quan về ống nhiệt mao dẫn. Chương 2 : Cơ sở lý thuyết tính toán ống nhiệt mao dẫn. Chương 3 : Phương pháp tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn. Chương 4 : Xây dựng phần mềm tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn. Kết luận và hướng phát triển ñề tài. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỐNG NHIỆT MAO DẪN 1.1. GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NHIỆT MAO DẪN 1.1.1. Nguyên lý hoạt ñộng của ống nhiệt mao dẫn 1.1.2. Ưu ñiểm của ống nhiệt mao dẫn 1.1.3. Ứng dụng của ống nhiệt mao dẫn 1.1.4. Lịch sử phát triển ống nhiệt mao dẫn 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỐNG NHIỆT MAO DẪN Hiện nay, trên nhiều lĩnh vực công nghiệp ứng dụng công nghệ ống nhiệt mao dẫn ñều quan tâm ñến vấn ñề làm sao gia tăng ñược công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn. Muốn nâng cao công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn cần phải xác ñịnh ñược bán kính lỗ mao dẫn hiệu dụng của bấc. Và trước ñây thì có các phương pháp của Adkins [4], [5], Gupta [24], Bichenkov [8]. Nhưng gần ñây, Pramod Chamarthy [33] ñã tiến hành phương pháp mới sử dụng ñèn cực tím và máy quay phim có tấm lọc tia cực tím ñể theo dõi chất lỏng có thuốc nhuộm huỳnh quang bay hơi qua c ấu trúc bấc, sau ñó sử dụng thuật toán xử lý và thiết lập công thức quan hệ giữa lượng bay hơi của thuốc nhuộm huỳnh quang theo thời gian, rồi từ ñó xác ñịnh ñược ñường kính trung bình của lỗ mao dẫn. -6- Để tận dụng ñược ñặc tuyệt vời của nước so với các môi chất khác nhằm nâng cao công suất nhiệt (ñối với nguồn phát nhiệt có nhiệt ñộ trên 150 o C), Sarraf và Anderson [24] ñã nghiên cứu vật liệu làm vỏ, bấc mới thay thế cho ñồng, ñó là Titanium và Monel (loại vật liệu có ñộ bền cao). Đồng thời ñể tận dụng ưu ñiểm của cấu trúc bấc dạng rãnh, Anderson [14] ñã nghiên cứu phát triển phương pháp gia công chế tạo ống nhiệt mao dẫn có bấc rãnh ñối với vật liệu Titanium, Monel; cụ thể với ống nhiệt mao dẫn có dài 1,2 m và ñường kính ngoài 1,27 cm thì có khả năng tải lượng nhiệt 300  400W tại nhiệt ñộ làm việc từ 425  475K, có thời gian làm việc từ 4000  9000 giờ ñược sử dụng ñể truyền tải nhiệt thải từ quá trình chuyển hoá nhiệt thành ñiện trong nhà máy ñiện hạt nhân. Và hiện nay, các nhà khoa học quan tâm ñến một loại môi chất mới, ñó là chất lỏng nano - loại chất lỏng truyền nhiệt kiểu mới với những hạt nano có khả năng phân tán một cách ổn ñịnh và ñồng ñều nên làm tăng khả năng dẫn nhiệt, chính vì ñặc tính chưa từng thấy ñó mà một số nhà nghiên cứu Chien [38], Wei [62], Kang [57], Yang [63] ñã sử dụng chất lỏng nano làm môi chất làm việc cho ống nhiệt mao dẫn ñể tăng công suất nhiệt cho ống nhiệt mao dẫn. Mặt khác, các tác giả Tsai [20], Chen [60] tiến hành nghiên cứu ñối với ống nhiệt mao dẫn có cấu trúc bấc lưới và ñều ñưa ra kết luận nhiệt trở của ống nhiệt mao dẫn khi dùng chất lỏng nano giảm hơn nhiều so với khi dùng nước làm môi chất làm việc. Gần ñây nhất, các tác giả [45], [48], [49] ñã ñưa ra phương pháp tính toán xác ñịnh công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn khi sử dụng ch ất lỏng nano (thường dùng các hạt nano Al 2 O 3 , CuO, TiO 2 ) làm môi chất làm việc, và họ ñã chỉ ra rằng ñể nâng công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn lên lớn nhất thì cần phải nạp một lượng hạt nano -7- tối ưu, và kích thước hạt nano càng nhỏ thì tác ñộng càng rõ ñến nhiệt trở của ống nhiệt mao dẫn. Và theo tác giả [46] thì với ống nhiệt mao dẫn (ñường kính ngoài 4 mm, chiều dày 1 mm, chiều dài 300 mm) có cấu trúc bấc lưới tròn (ñường kính sợi 50 µm và 7874 sợi/m) sử dụng chất lỏng nano gồm nước và các hạt nano Al 2 O 3 có tỷ lệ thể tích 3,0% thì ñạt công suất nhiệt lớn nhất (cao hơn xấp xỉ 65% so với khi dùng nước). CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỐNG NHIỆT MAO DẪN 2.1. CẤU TẠO ỐNG NHIỆT MAO DẪN 2.1.1. Môi chất nạp vào ống nhiệt mao dẫn 2.1.1.1. Các yêu cầu cơ bản của môi chất nạp vào ống nhiệt mao dẫn 2.1.1.2. Các loại môi chất nạp ống nhiệt mao dẫn 2.1.1.3. Tính phù hợp Tính phù hợp là sự tác dụng tương hỗ giữa môi chất nạp và vật liệu làm ống, làm bấc. Nó là một ñặc tính quan trọng cơ bản liên quan ñến việc lựa chọn môi chất, bấc và vỏ của ống nhiệt mao dẫn. 2.1.1.4. Hệ số ñặc trưng M của ống nhiệt mao dẫn Trong ống nhiệt mao dẫn, hệ số ñặc trưng M thể hiện tính chất vật lý của môi chất nạp, môi chất nào có giá trị M lớn sẽ cho công suất nhiệt lớn. Theo [2], hệ số ñặc trưng M ñược xác ñịnh theo công thức: l ll r M µ σρ = (2.1) 2.1.2. C ấu trúc bấc 2.1.2.1. Cấu trúc bấc ñồng nhất (Homogeneous structures) a) Cấu trúc bấc lưới (Mesh/Screen) -8- b) Cấu trúc bấc thiêu kết (Sintered metal power) c) Cấu trúc bấc rãnh (Grooves) d) Cấu trúc bấc hình vành khuyên hở (Open annulus) e) Cấu trúc bấc tích hợp với ñộng mạch chính (Integral Artery) 2.1.2.2. Cấu trúc bấc hỗn hợp (Composite wicks) a) Cấu trúc bấc kết hợp nhiều lưới (Composite Screen) b) Cấu trúc bấc lưới bao phủ rãnh (Screen covered grooves) c) Cấu trúc bấc ñộng mạch xoắn ốc (Spiral artery) d) Cấu trúc bấc một rãnh (Monogroove) 2.1.3. Vỏ ống nhiệt mao dẫn 2.2. TÍNH TOÁN ỐNG NHIỆT MAO DẪN 2.2.1. Tính trở kháng thuỷ lực Môi chất tuần hoàn ổn ñịnh trong ống nhiệt mao dẫn là nhờ áp suất mao dẫn của cấu trúc bấc. Vì vậy, ñể ống nhiệt mao dẫn làm việc bình thường thì thỏa mãn ñiều kiện: ∆P cap,max ≥ ∆P l + ∆P h + ∆P e,δ + ∆P c,δ + ∆P g (2.2) Và thông thường ∆P e,δ và ∆P c,δ không ñáng kể nên ta có thể viết lại như sau: ∆P cap,max ≥ ∆P l + ∆P h + ∆P g (2.3) 2.2.1.1. Áp suất mao dẫn lớn nhất ∆P cap,max do bấc tạo ra trong ống nhiệt mao dẫn eff l cap r P σ .2 max, =∆ (2.6) Trong ñó : r eff - bán kính lỗ mao dẫn hiệu dụng (m). 2.2.1.2. Tổn thất áp suất của dòng chất lỏng ngưng ∆P l - Đối với lưới, thiêu kết (theo công thức (2.32), [25]): wl effl l AK mL P ρ µ =∆ (2.7) -9- - Đối với cấu trúc rãnh (theo công thức (2.34), [25]): rNd LQ P ltd effl l .' 2 1 . .8 4 ρπ µ       =∆ (2.8) - Đối với cấu trúc bấc hỗn hợp (công thức (2.35), [25]): rr LQ P lh effl l . .6 3 ρϖπ µ =∆ (2.9) 2.2.1.3. Tổn thất áp suất của dòng hơi ∆P h ∆P h = ∆P hs + ∆P ha + ∆P hn         ++= 22 . 8 4 n a s hh h L L L r m ρπ µ (2.10) 2.2.1.4. Tổn thất áp suất do lực trọng trường ∆P g ∆P g = ρ 1 .g.L.sinΦ (2.11) 2.2.2. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc Khi coi truyền nhiệt qua bấc ở phần sôi và phần ngưng của ống nhiệt mao dẫn chỉ là dẫn nhiệt, ta ñưa khái niệm hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc λ eff . Và nếu gọi λ l là hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng (môi chất làm việc), λ r là hệ số dẫn nhiệt của phần chất rắn (vật liệu làm bấc) và ε là ñộ rỗng của bấc thì khi ñó có hai trường hợp dẫn nhiệt qua 2 pha (pha rắn, pha lỏng) : - Trường hợp song song: là trường hợp bấc và môi chất ảnh hưởng song song với nhau. Khi ñó hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc xác ñịnh theo công thức sau (theo công thức (4.30), [2]): λ eff = (1 - ε) λ r + ε. λ l (2.12) - Trường hợp nối tiếp: Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc xác ñịnh theo công thức (4.31), [2]: ( ) ελλε λλ λ −+ = 1 . lr rl eff (2.13) 2.2.2.1. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc lưới -10- 2.2.2.2. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc thiêu kết bột kim loại 2.2.2.3. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc rãnh 2.2.2.4. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc vành khuyên hở 2.2.2.5. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc lưới bao phủ rãnh 2.2.2.6. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc thiêu kết sợi kim loại 2.2.3. Tính công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn 2.2.3.1. Công suất nhiệt toàn bộ Công suất nhiệt toàn bộ của ống nhiệt mao dẫn Q [W] theo [25] ñược xác ñịnh theo ñộ chênh nhiệt ñộ toàn bộ ∆t và tổng nhiệt trở R. s wzwz RRRRRRRRRR tt R tt R t Q +++++++++ − = − = ∆ = 987654321 (2.31) Với: t z , t w – nhiệt ñộ của nguồn nhiệt ñốt nóng và làm mát, [ o C]. R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R s – các thành phần nhiệt trở của ống nhiệt mao dẫn, [ o C/W]. 2.2.3.2. Công suất nhiệt trong Theo các tác giả [2], [13] thì nhiệt trở chuyển pha R 4 , R 6 và R 5 có giá trị rất nhỏ so với các thành phần còn lại nên có thể coi chúng bằng 0. Vì vậy, ta có biểu thức tính công suất nhiệt trong như sau: 73 RR tt Q inis i + − = (2.46) Từ ñây ta có nhận xét như sau: công suất nhiệt trong của ống nhiệt mao dẫn khi có hiệu số nhiệt ñộ trong ống nhiệt mao dẫn ∆t i = t is - t in có giá trị nhỏ thì phụ thuộc vào ñộ chênh lệch nhiệt ñộ bề mặt trong giữa phần sôi và phần ngưng, phụ thuộc vào tính chất vật lý, kích thước, hình dạng của bấc mao dẫn và tính chất vật lý của môi ch ất nạp. Ngoài ra, khi ở chế ñộ nhiệt ổn ñịnh thì Q = Q i (công suất nhiệt toàn bộ bằng công suất nhiệt trong của ống nhiệt mao dẫn).