3.1.2.1.Kích thước
Trong mục này, tôi tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của nhiệt độ vào kích thƣớc của ống dẫn với công suất đèn LED là 300W. Hình dạng ống có thể là tam giác, vuông, tròn, lục giác nhƣng thực tế thì hình tròn là dễ chế tạo nhất nên chúng tôi chỉ khảo sát cho trƣờng hợp ống hình tròn. Vấn đề đặt ra là kích thƣớc, hay nói cách khác là đƣờng kính hình tròn nhƣ thế nào là phù hợp.
Hình 3.6: Phân bố nhiệt của đèn LED v môi trƣờng xung quanh tại v=1.2 m/s, công suất P=300 W, đƣờng kính ống dẫn d=5 mm (a) và d=10 mm (b).
Hình 3.6 cho thấy sự khác nhau trong phân bố nhiệt của LED và môi trƣờng xung quanh khi đƣờng kính ống dẫn thay đổi, nhiệt phân bố tỏa ra xung quanh heatsink và môi trƣờng, do chịu ảnh hƣởng của dòng chất lỏng nên phân bố nhiệt có xu hƣớng dịch về bên phải theo chiều của dòng chảy chất lỏng. Khi đƣờng kính ống dẫn d = 5 mm lƣợng nhiệt tiêu hao chậm nên nhiệt phân bố tập trung trên heatsink mạnh hơn so với trƣờng hợp khi d = 10 mm. Giá trị nhiệt độ khảo sát tại chip LED trong hai trƣờng hợp lần lƣợt là 49
0
Hình 3.7: Phân bố nhiệt của đèn LED tại v=1.2 m/s với các đƣờng kính khác nhau:
d=5 mm (a); d=10 mm (b).
Tiến hành khảo sát đối với các ống dẫn có đƣờng kính khác nhau thu đƣợc kết quả phân bố nhiệt trên Hình 3.7. Các kích thƣớc ống dẫn khảo sát lần lƣợt d=5 mm; và d=10 mm. Khi đƣờng kính ống càng lớn thì nhiệt tiêu hao nhanh nên sự phân bố nhiệt càng khác biệt rõ rệt. Cụ thể, nhiệt độ giảm một cách đáng kể từ 95.7 0C tại d=5 mm xuống còn 83.2 0C tại d=10 mm. Điều này có thể đƣợc giải thích là khi đƣờng kính tăng thì lƣu lƣợng dòng chảy trong ống cũng tăng lên, nên lƣợng nhiệt truyền qua tiết diện ống lớn, do đó nhiệt độ trong đèn cũng giảm dần. Hình 3.8 cho thấy nhiệt độ giảm mạnh khi tăng đƣờng kính từ 5 mm lên 10 mm, tuy nhiên từ 10 mm lên đến 15 mm thì sự giảm nhiệt độ bắt đầu chậm lại. Mặc dù khi tăng đƣờng kính thì lƣu lƣợng nƣớc trong ống cũng tăng nhƣng vận tốc dòng nƣớc không thay đổi nên
nhiệt độ giảm chậm. Hơn nữa, khi tăng đƣờng kính ống dẫn thì độ dày thành ống sẽ giảm và sự dẫn nhiệt trong nƣớc là kém hơn so với heatsink và ống dẫn nên làm cho lƣợng nhiệt bị giữ lại một phần trong ống làm cho nhiệt độ giảm chậm.
Hình 3.8: Đồ thị Tmax phụ thuộc v o đƣờng kính với vận tốc dòng chảy v = 1.2 m/s.
Tiếp theo, chúng tôi khảo sát tƣơng tự sự phụ thuộc của Tmax vào đƣờng kính ống dẫn với các giá trị vận tốc dòng chảy khác, kết quả sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đƣợc trình bày trong hình 3.9.
Hình 3.9: Đồ thị Tmax phụ thuộc v o đƣờng kính ống dẫn với các vận tốc dòng chảy khác nhau.
lên 15 mm. Sự thay đổi của Tmax đều có kết quả tƣơng tự đối với các giá trị vận tốc khác nhau.
Thay đổi các giá trị công suất của đèn và tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của nhiệt độ vào kích thƣớc ống dẫn (hình 3.10), kết quả khảo sát chỉ ra rằng giá trị Tmax giảm mạnh khi đƣờng kính d < 10 mm, nhƣng sự giảm là không giống nhau, tại giá trị công suất thấp thì Tmax giảm ít hơn so với các giá trị công suất cao, cụ thể khi P = 200 W thì độ giảm nhiệt độ chỉ 4.9 0C (giảm từ 68.9 0C còn 64 0C), trong khi tại P = 300 W thì độ giảm là 11.0 0C (giảm từ 95.7 0C còn 84.7 0C) và tại P = 400 W thì độ giảm là 9.7 0C (giảm từ 112.7 0C còn 103 0C). Tuy nhiên, khi đƣờng kính d > 10 mm thì giá trị Tmax giảm chậm và cũng ít phụ thuộc vào công suất của đèn. Khi tăng đƣờng kính từ 10 mm lên đến 15 mm thì tại P = 200 W nhiệt độ giảm 2.10C, tại P = 300 W nhiệt độ giảm 1.9 0C vàtại P = 400 W độ giảm nhiệt độ là 1.4 0C.
Hình 3.10: Đồ thị Tmax phụ thuộc v o đƣờng kính ống dẫn với các công suất khác nhau.
3.1.2.2. Vật liệu
Để đánh giá ảnh hƣởng của vật liệu làm heatsink vào hiệu quả tản nhiệt chúng tôi cố định đƣờng kính ống d=10 mm và hệ số bức xạ bề mặt ε =0.8, cố định vận tốc dòng chảy v = 1.2 m/s, công suất nguồn vẫn là 300 W (tƣơng
ứng công suất nhiệt là 180 W) và tiến hành khảo sát heatsink làm từ các vật liệu khác nhau. Yếu tố đƣợc chọn khảo sát là độ dẫn nhiệt (kí hiệu k) của vật liệu làm heatsink. Các vật liệu điển hình và độ dẫn nhiệt tƣơng ứng đƣợc thể hiện trong hình 3.11.
Hình 3.11: Đồ thị Tmaxphụ thuộc v o độ dẫn nhiệt của vật liệu làm heatsink.
Trƣờng hợp hình 3.11 khi đƣờng kính ống dẫn d= 10 mm và vận tốc đƣợc đặt cố định tại v= 1.2 m/s thì nhiệt độ của LED giảm nhanh đáng kể khi
k < 167 W/mK, theo đồ thị tại k = 14.4W/mK (Thép không gỉ) thì Tmax = 179
0
C còn kết quả nhiệt tại k = 167 W/mK (nhôm 6061-T6) thì Tmax = 83.5 0C, nhiệt độ giảm hơn một nửa. Nhƣng khi k > 167 W/mK thì nhiệt độ thay đổi không nhiều, cụ thể tại k = 167 W/mK (nhôm 6061-T6) thì Tmax = 83.5 0C ; còn tại k = 387.6 W/mK (đồng) thì Tmax = 82 0C, nghĩa là đối với các vật liệu có độ dẫn nhiệt lớn (trên 167 W/mK) thì đều cho hiệu quả tản nhiệt nhƣ nhau. Trong thực tế vật liệu chọn làm heatsink thƣờng là nhôm vì các đặc tính vật lí và tính thông dụng của nó trong đời sống.
3.1.2.3. Bề mặt
Tiếp theo sẽ khảo sát ảnh hƣởng của bề mặt vật liệu đến hiệu quả tản nhiệt bằng cách cố định d=10 mm và vật liệu làm heatsink là Al và cố định vận tốc dòng chảy v = 1.2 m/s. Hệ số bức xạ bề mặt đƣợc chọn tƣơng ứng là ε=0.03
(nhôm bóng), ε=0.35 (nhôm oxi hóa) và ε=0.8 (nhôm anode) tuy nhiên giá trị
Tmax thể hiện trong hình 3.12 gần nhƣ là không thay đổi điều này cho thấy hiệu suất tản nhiệt không phụ thuộc vào bức xạ bề mặt của vật liệu.
Hình 3.12: Đồ thị Tmax phụ thuộc vào bề mặt vật liệu làm heatsink.