1.1. Nghiên cứu về ống nhiệt
1.1.2 Giới thiệu ống nhiệt vòng _ Loop Heat Pipe (LHP) [13]
i. Giới thiệu:
Ống nhiệt vòng (LHP) là thiết bị trao đổi nhiệt hiệu quả cao mà không cần bất kỳ sự bổ sung nguồn lực nào từ bên ngoài để duy trì khả năng hoạt động của nó. Như vậy, LHP có nhiều ưu điểm hơn so với thiết bị trao đổi nhiệt truyền thống, chẳng hạn như khả năng hoạt động chống lại trọng lực, trên đoạn đường ống dài với tổn thất nhiệt thấp nhất và không có bộ phận chuyển động của bơm chất lỏng, v.v. LHPs đã được sử dụng thành công trong kỹ thuật không gian. Để sự gia tăng mật độ năng lượng cho các thiết bị điện, công nghệ LHP tiếp tục đang là một đề tài quan trọng để nghiên cứu.
Các mLHP có dàn bay hơi hình trụ cũng như thiết bị bay hơi phẳng đã được phát triển và thử nghiệm thành công. So với LHPs có dàn bay hơi hình trụ thông thường, các thiết bị bay hơi LHPs phẳng có nhiều ưu điểm: Thứ nhất, thiết bị bay hơi phẳng tiện lợi hơn cho các thiết bị điện tử cần được làm mát bằng nước, bởi vì hầu hết các đối tượng được làm lạnh có một bề mặt tiếp xúc nhiệt. Thứ hai, gia tốc góc và gradient nhiệt độ của LHPs có thiết bị bay hơi hình trụ nhỏ hơn. Như vậy từ quan điểm của các nguyên lý truyền nhiệt ta thấy hiệu quả truyền nhiệt của thiết bị bay hơi phẳng là tốt hơn [1].
Vì vậy, khả năng của LHP với thiết bị bay hơi dạng tấm phẳng sẽ cho hiệu quả truyền nhiệt với dòng nhiệt cao dễ dàng hơn. Các LHPs với thiết bị bay hơi tấm phẳng có thể được coi như là một thiết kế tối ưu cho loại LHP công suất nhỏ vì nó có nhiều ưu điểm hơn.
LHPs vận chuyển nhiệt theo một cách duy nhất đó là sự biến đổi pha. Cấu trúc của LHPs có thể khác nhau về kích thước, hình dạng, vị trí lắp đặt, vật liệu, chất lỏng công tác, tỷ lệ nạp, v.v. Các đặc điểm về hiệu suất của LHPs rất phức tạp, mục tiêu chính của nghiên cứu này là thiết kế và kiểm tra các đặc điểm hiệu suất từ khi LHP bắt đầu làm việc đến khi LHP đạt đến trạng thái ổn định, đặc điểm vận hành tại các chu kỳ có phụ tải biến đổi và có sự thay đổi nhiệt độ của các ống nhiệt dạng tấm phẳng, có thân được làm bằng kim loại đồng, lưới thep không gỉ có bấc và môi chất công tác là methanol. Các dao động nhiệt được đặc trưng bởi sự biến đổi nhiệt độ liên tục tại các điểm khác nhau và do đó không có khả năng mLHP của thiết bị bay hơi để đạt được điều kiện hoạt động ổn định.
Những dao động được dự kiến sẽ là kết quả của sự trao đổi nhiệt và nhiệt động lực học giữa vùng đoạn nhiệt, bình ngưng và thiết bị bay hơi. Sự kết hợp giữa đồng, thép không gỉ và Methanol được chọn cho đến thời điểm hiện nay là do khả năng tồn tại và chịu đựng của các vật liêu cho các ứng dụng làm mát trong lĩnh vực điện tử. Các nghiên cứu hiện nay cũng đang nỗ lực để nghiên cứu tính tương thích của hệ thống các loại vật liệu đồng - thép không gỉ và methanol cho các ứng dụng của ống nhiệt vòng.
ii. Quá trình thí nghiệm và kiểm tra:
Một nhóm các nhà nghiên cứu của trường đại học kỹ thuật và năng lượng Hồ Bắc, thực hiện thí nghiệm một LHP loại nhỏ như thể hiện trong hình 1.4, thí nghiệm được tiến hành thực nghiệm để cho ra các kết quả này. Toàn bộ hệ thống được tạo thành bao gồm thiết bị bay hơi có bấc xốp, đường ống dẫn hơi, dàn ngưng có cánh tản nhiệt và đường ống chất lỏng. Thiết bị bay hơi có dạng của hình chữ nhật phẳng, kích thước 40x30 mm và độ dày 13,5 mm bên trong dàn có 15 rãnh theo chiều dọc và 18 rãnh theo chiều ngang cho môi chất nóng lưu thông để thực hiện dẫn nhiệt. Thiết bị bay hơi được làm từ đồng nguyên chất có tính dẫn nhiệt cao và nhiệt kháng nhỏ từ nguồn nhiệt đến bề mặt bấc mao dẫn.
Hình 1.4b mô tả mặt cắt ngang của thiết bị bay hơi, sơ đồ lắp đặt cho thấy vị trí của các kênh hơi, cấu trúc bấc và buồng bù nhiệt. Bấc xốp của thiết bị bay hơi có độ dày là 4 mm, được tạo thành từ 82 lớp 500 ô lưới thép không gỉ. Buồng bù nhiệt có độ dày 6 mm, có tác dụng như một bồn chứa chất lỏng và tách phần lỏng còn lại từ các bộ phận khác của vòng lặp trong suốt quá trình hoạt động và các điều kiện vận hành khác của vòng lặp. Giữa bấc xốp và buồng bù nhiệt người ta lắp Có một tấm thép không gỉ có rãnh để duy trì bấc thép không gỉ. Các đặc điểm hình học khác của mLHP được trình bày trong bảng 1.
Bảng 1.2 Các đặc điểm hình học thực nghiệm của ống nhiệt vòng loại nhỏ Dàn bay hơi
Vùng cấp nhiệt
Độ dày (mm) 1.5
Ngang/ sâu (mm) 40/30
Độ dày bấc (mm) 1
Chiều sâu bấc 1x1
Số lượng bấc 18x15
Vách
Độ dày (mm) 1.5
Độ dày tấm thép (mm) 0.5
Buồng bù nhiệt
Ngang/ sâu (mm) 34.5/30
Cao (mm) 6
Bấc sốp
Dài/ sâu/ cao (mm) 36.5/30/4
Môi chất 316L
Thông số của lưới thép 500#, 82 lớp Đường ống hơi
Đường kính O/I (mm) 6/4
Đường ống lỏng
Đường kính O/I (mm) 6/4
Chiều dài (mm) 530
Dàn ngƣng
Đường kính O/I (mm) 6/4
Chiều dài (mm) 810
Độ dày cánh (mm) 0.05
Chiều ngang/ sâu cánh 100/20
Tốc độ quay của quạt (rpm) 3000
Dàn ngưng của mLHP là loại ống - cánh tổng chiều dài ống 810 mm và mặt cắt ngang của 100x20 mm cho mỗi cánh. Quạt ly tâm được lắp đặt để đối lưu nhiệt cưỡng bức từ bình ngưng ra môi trường xung quanh bằng cách duy trì nhiệt độ ngưng tụ của không khí 20 ± 2C. Đường ống hơi của mLHP dài 320 mm, đường kính trong 4 mm.
Đường ống dẫn lỏng từ dàn ngưng trở về có chiều dài 530 mm và đường kính trong 4mm. Đường ống dẫn lỏng và cánh tản nhiệt dàn ngưng được làm bằng đồng nguyên chất (đồng đỏ). mLHP được làm kín bằng các mối nối răcco giữa các ống của thiết bị bay hơi. Để nạp chất công tác, trước tiên ta hút chân không hệ thống đến 3,2910-4 Pa và sau đó ta nạp môi chất methanol có độ tinh khiết là 99,5% với số lượng được xác định trước. Để kiểm tra hiệu suất nhiệt của mLHP, người ta sử dụng một tấm đồng bịt kín hai đầu , để bề mặt cấp nhiệt có kích thước là 40x30mm tượng trưng cho phần bay hơi. Để giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh, mô phỏng sử dụng vật liệu cách nhiệt nano đoạn nhiệt có độ dày 10mm, hệ số dẫn điện là 0,012 W / m K. Nhiệt độ của hai bên cách nhiệt sẽ được đo trong suốt quá trình thí nghiệm.
Theo định luật dẫn nhiệt của Fourier: nhiệt tổn thất Qloss = -kADT/ b, số lượng nhiệt tổn thất là 0,28 W khi phụ tải nhiệt lớn nhất đạt 120W. Vì vậy, mô phỏng phụ tải nhiệt tổng không cần phải cân bằng, và sai số tuyệt đối của nhiệt tải là ít hơn 0,3%.
Các bộ phận khác của mLHP không bảo quản nhiệt, ngoại trừ mô phỏng tải nhiệt và bề mặt làm việc của thiết bị bay hơi.
Người ta sử dụng một đồng hồ điện kỹ thuật số với độ chính xác ± 0,2 để đo lường và kiểm soát điện nguồn đầu vào. Mười hai đầu cảm biến nhiệt độ với độ chính xác ± 0.2 C được sử dụng để đo nhiệt độ tại các địa điểm khác nhau của mLHP và không khí xung quanh. Hình 1 cũng cho thấy vị trí của các đầu cảm biến nhiệt này. Tất cả các công cụ được kết nối với hệ thống nhiệt Keyence Pro 2700 thu thập dữ liệu, giúp theo dõi và ghi lại các dữ liệu thử nghiệm từ các mẫu thử nghiệm mLHP tại một khoảng thời gian của mỗi 1,5 giây.
Trong các thí nghiệm, mLHP được điều chỉnh ở góc nghiêng (h) ở 10, 50 và 90o, và tỷ lệ nạp là 50, 60 và 70%. Thông số thí nghiệm bao gồm đo nhiệt độ tại các điểm đặc trưng của mLHP với từng bước tăng – giảm phụ tải nhiệt mỗi lượt 12 W. Và phụ tải nhiệt của các thí nghiệm bắt đầu từ 12W (mật độ dòng nhiệt 1 W/cm2) tới 120
W (mật độ dòng nhiệt 10W/ cm2). Để quá trình thí nghiệm được an toàn phụ tải tối đa được điều chỉnh giới hạn ở giá trị nhiệt độ vách 75oC.
iii. Kết quả và bàn luận:
a. Nhiệt trở:
Nhiệt trở của mLHP (RmLHP) từ bề mặt ngoài thiết bị bay hơi đến thiết bị ngưng tụ được sử dụng để xác định hiệu suất truyền nhiệt của thiết bị.
RmLHP được tính như sau:
RmLHP=(Tevap- Tcond)/Q
Trong đó, Tevap là nhiệt độ bề mặt ngoài của dàn bay hơi được đo bằng cách lấy trung bình của nhiệt độ từ cặp cảm biến gắn bề mặt bên ngoàicủa dàn bay hơi(Tevap- vách); Tcond là nhiệt độ ngưng tụ tính bằng trung bình từ các giá trị nhiệt độ của các cảm biến ở đầu dàn ngưng (Tcond-in), nhiệt độ từ cánh tản nhiệt (Tcond- cánh) và nhiệt độ đầu ra bình ngưng (Tcond-out); Q là phụ tải nhiệt được áp dụng.
Quan sát trong hình 2 ta thấy nhiệt trở giảm khi phụ tải tăng. Hình 2a cho thấy ảnh hưởng của góc nghiêng với khả năng chịu nhiệt của mLHP, từ hình vẽ ta thấy tăng góc nghiêng có thể làm giảm có thể giảm nhiệt trờ ở cùng điều kiện phụ tải. khi RmLHP làm việc ở điều kiện tỉ lệ nạp 90 - 60% thì giá trị trung bình nhỏ hơn 13,85%
so với tỉ lệ nạp 10 -60%. Nguyên nhân là nhiệt độ ngưng tụ là gần như bằng nhau khi phụ tải nhiệt được áp dụng như nhau, nhưng nhiệt độ bay hơi là có ảnh hưởng với góc nghiêng.
Hình 1.6 Ảnh hưởng của góc nghiêng và tỉ lệ nạp tới nhiệt trở của mLHP
mLHP ở góc nghiêng lớn hơn có thể sử dụng trọng lực để đẩy chất lỏng làm việc vào buồng bù nhiệt, điều này sẽ làm tăng công suất nhiệt của thiết bị bay hơi, mặt khác khi cáng có ít lực điều khiển và càng ít môi chất lỏng công tác ở dàn ngưng thì trọng lực sẽ lớn hơn, điều này sẽ làm giảm áp suất bay hơi. Áp suất bay hơi của môi chất công tác càng thấp thì nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ bề mặt vách ngoài càng thấp.
b. Vận hành thực nghiệm:
Hiệu suất hoạt động là rất quan trọng trong việc đánh giá độ tin cậy của mLHP.
Hình 1.7a-d biểu diễn tương ứng quá trình hoạt động của mLHP tại các giá trị phụ tải nhiệt 12, 30, 60 và 120 W trong điều kiện góc nghiêng là 50o và tỉ lệ nạp 50%. Rõ ràng từ các đường vận hành, ta thấy mLHP có thể đạt đến điều kiện vận hành ổn định ở cả chế độ phụ tải nhiệt cao và thấp. Từ các đồ thị làm việc của mLHP ta thấy rằng mặc dù ở các điều kiện phụ tải nhiệt khác nhau nhưng nhiệt độ bề mặt dàn bay hơi ở điều kiện làm việc ổn định hầu như không đổi.
Từ việc so sánh các thông số làm việc, ta thấy hiệu suất làm việc của mLHP bao gồm ba quá trình chính như thể hiện trong hình 1.7a -d:
Hình 1.7 Đồ thị làm việc của ống nhiệt vòng
a) θ=50o, 50 vol.%, Q=12W; b) θ=50o, 50 vol.%, Q=36W; c) θ=50o, 50 vol.%, Q=60W; d) θ=50o, 50 vol.%, Q=120W; e) θ=50o, 60 vol.%, Q=60 W; f) θ=50o, 70 vol.%, Q=60W; g) θ=10o, 60 vol.%, Q=60W; h) θ=90o, 60 vol.%, Q=60 W.
(I) Loại bỏ phần lỏng từ các rãnh của dàn bay hơi, đường ống hơi và một phần dàn ngưng. Vùng I là phần đầu tiên đường hơi và một phần của bình ngưng, tôi khu là phần đầu tiên của thời gian vận hành.
(II) Tạo ra độ chênh áp suất đủ lớn để đi qua bấc là vấn đề cần thiết để điều khiển môi chất lỏng làm việc xung quanh vòng nhiệt – vùng II là thành phần làm việc thứ hai LHP.
(III) Hệ thống mLHP đạt đến trạng thái ổn định hoặc trạng thái nhiệt độ dao động.
Đối với ống nhiệt vòng, thời gian vận hành là thời gian thực tế cần thiết để thực hiện các quá trình này. Điều kiện đầu tiên cần phải đạt được là sự sinh hơi trong dàn bay hơi, điều này sẽ giúp lỏng được đẩy từ các rãnh qua đường ống dẫn lỏng và qua một phần dàn ngưng để vào buồng bù nhiệt. Điều này biểu diễn bằng đường cong mà thời gian đi từ lúc bắt đầu đến Tevap-in rồi giảm xuống đỉnh thấp nhất. Để nhận biết được điều kiện thứ hai, độ chênh nhiệt độ ở trạng thái ổn định của chất công tác đi qua bấc mao dẫn là vấn đề cần thiết. Gradient nhiệt độ đi qua bấc mao dẫn tùy thuộc vào tổn thất thủy lực bên trong ống nhiệt trừ bấc, đặc điểm nhiệt của bấc và các điều kiện thủy động lực bên trong buồng bù nhiệt bao gồm một phần hơi, phụ tải nhiệt phát sinh trong thiết bị bay hơi, độ quá lạnh lỏng của dòng môi từ bình ngưng và tổn thất nhiệt ra môi trường không khí xung quanh. Đường này được hiển thị trong đường cong theo thời
thành điều kiện đầu tiên phải đặt căn cứ để thỏa mãn điều kiện thứ hai. Sau khi vận hành, nhiệt độ vòng lặp tự điều chỉnh để đạt trạng thái ổn định hoặc đến một trạng thái dao động theo chu kỳ.
Ảnh hưởng của phụ tải
Hình 1.7a-d trình bày hoạt động của mLHP ở góc nghiêng 50o, tỉ lệ nạp 50%, và phụ tải nhiệt tương ứng là 12, 36, 60 và 120 W. Nhiệt độ của thiết bị bay hơi tăng lên cùng với sự gia tăng của phụ tải nhiệt. Rõ ràng là vùng I và vùng II thời gian hoạt động giảm với tải nhiệt tăng. Tại tải nhiệt độ thấp, quá trình tạo hơi bên trong khu vực sinh hơi chậm hơn so với tải nhiệt cao, làm tăng thời gian khởi động. Kết quả khởi cho thấy các mLHP có thể đạt được trạng thái ổn định trong tải nhiệt khác nhau.
Ảnh hưởng của lượng môi chất nạp vào
Tỷ lệ nạp của chất lỏng bên trong vòng lặp đóng một vai trò quan trọng trong việc phòng chống sự cố hoạt động của thiết bị mLHP. Theo kết quả thí nghiêm trong tài liệu [11] thấy tỷ lệ nạp lỏng từ 50-80% thể tích là chấp nhận được cho ống nhiệt hoạt động và hoạt động ổn định đáng tin cậy của các vòng lặp . Đối với tỉ lệ nạp thấp (< 50%), có những hậu quả của bấc bị khô do không đủ chất lỏng trong buồng bù nhiệt, khi tỉ lệ nạp cao hơn ( 80% ), diện tích dàn ngưng không đủ để thải nhiệt ra môi trường cho môi chất. Hình 3c – f trình bày hoạt động của mLHP tại phụ tải nhiệt 60W, và góc nghiêng tương ứng 50, 60, 70o. Rõ ràng là các giá trị nhiệt độ gần như bằng nhau, nhưng Tevap-out -70% > Tevap-out - 60%>Tevap - out - 50%. Nguyên nhân là các mLHP cần áp suất hơi lớn hơn để môi chất làm việc của ống nhiệt có công suất lớn hơn và tỉ lệ nạp cao hơn, do đó nhiệt độ bay hơi của tỷ lệ nạp cao sẽ lớn hơn so với tỷ lệ thấp. Có một độ quá nhiệt nhỏ trước khi đạt trạng thái ổn định trong hình 3f.
Nguyên nhân là quá trình thứ hai của hoạt động cần độ chênh lệch áp suất lớn hơn để điều khiển chu trình lặp làm tăng sự quá nhiệt của hơi. Kết quả thực nghiệm cho thấy thời gian hoạt động của ống nhiệt phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ nạp cao hơn là tỉ lệ nạp thấp.
Ảnh hưởng của sự biến đổi nhiệt độ
Nhiệt độ dao động là một hiện tượng khá phổ biến đối với sự hoạt động của mLHP.
Các cuộc thử nghiệm tiến hành để phân biệt ba giới hạn ảnh hưởng chính của nhiệt độ đến hoạt động của LHP.
- Độ chênh lệch không quá 1oC - Loại thứ hai không quá vài độ C
- Loại thứ ba được phân biệt bởi biên độ dao động nhiệt độ cao, mà đạt đến hàng chục độ C.
- Hình 4 cho thấy các dao động nhiệt độ của mLHP tại một số điều kiện hoạt động nhất định. Các giai đoạn hiển thị là giống nhau và biên độ khác nhau ở mỗi vùng của mLHP. Thực nghiệm quan sát thấy rằng sự dao động nhiệt độ tương đối so với phụ tải áp dụng, góc nghiêng và tỷ lệ nạp. Nói chung, hiện tượng nhiệt độ dao
động xảy ra tại chế độ tải thấp, nó biến mất khi tải nhiệt lớn hơn 48W như thể hiện trong Bảng 2. Sự dao động nhiệt độ yếu đi tại tỷ lệ nạp 50%. Sự biến đổi này sẽ tăng lên khi tỉ lệ nap tăng lên, tại tỉ lệ nạp 70% sụ dao động này rất lớn, đôi khi sự chênh lệch vượt quá 10oC.
Hình 1.8 Ảnh hưởng của sự biến đổi nhiệt độ bay hơi của ống nhiệt vòng a) θ=10o, 60 vol.%, Q=24 W; b) θ=10o, 60 vol.%, Q=30 W;
c) θ=10o, 60 vol.%, Q=36W; d) θ=50o, 60 vol.%, Q=30W;
e) θ=90o, 60 vol.%, Q=30W; f) θ=10o, 70 vol.%, Q=24W
Bảng 1.3. Biên độ và độ chênh nhiệt độ của nhiệt độ bề mặt dàn bay hơi tại các điều kiện vận hành khác nhau
Điều kiện vận
hành (W) Biên độ (°C) Thời gian
(s)
= 10° IN 4.05 320
60 vol.% 24 7.27 392
30 8.08 415
36 8.46 540
= 50° 24 3.73 135
60 vol.* 30 4.93 148
36 5.49 198
= 90° 24 4.85 212
60 vol.% 30 6.03 210
36 1.34 64
42 1.65 75
= 10° 24 2.81 605
50 vol.% 36 2.42 114
-is 1.32 55
= 50°. 90° 50 vol.* Chưa có thực nghiệm
= 10° 12 1.07 52
70 vol.% 24 12.54 540
= 50° 12 7.82 258
70 vol.% 24 8.3 290
36 II.1 520
= 90° 24 6.32 218
70 vol.% 36 7.66 162
Kiểm tra hiệu suất của mLHP ở các chế độ tải khác nhau:
Ở các chế độ phụ tải khác nhau, biến đổi theo mỗi bậc 12W, từ 12 đến 120W, hiệu suất của ống nhiệt tại các tỉ lệ nạp và góc nghiêng được hiển thị trên hình.1.9.