Giới thiệu phân loại và ứng dụng ống nhiệt

Ch­ng 1 M« h×nh to¸n häc cña èng nhiÖt nhá vµ x¸c ®Þnh c«ng suÊt nhiÖt lín nhÊt Ch­¬ng 1 Giíi thiÖu, ph©n lo¹i vµ øng dông èng nhiÖt 1 1 CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña èng nhiÖt 1 1 1 CÊu t¹o èng[.]

Chơng 1 Giới thiệu, phân loại và ứng dụng ống nhiệt

1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ống nhiệt

1.1.1 Cấu tạo

ống nhiệt là một ống có không gian khép kín (ống đợc bịt kín hai đầu) Bên trong chứa chất lỏng thực hiện hai quá trình chuyển pha là sôi và ngng (hình 1.1) Vách ống thờng bằng kim loại, thông thờng ống có dạng hình trụ ngoài ra có dạng khác nh hình hộp,

1.Phần bay

hơi;

2.Dỏng hơi;

3.Phần ngng

tụ;

4.Dòng lỏng

ống nhiệt đợc chia thành ba phần: phần bốc hơi còn gọi

là phần bay hơi, ở đây ống nhiệt nhận nhiệt, phần đoạn nhiệt, trong phần này ống không trao đổi nhiệt với bên ngoài, phần này có thể có hoặc không; phần ngng ở đây ống toả nhiệt

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Trong phần bốc hơi chất lỏng nhận nhiệt của nguồn nóng (ví dụ khói ) sẻ sôi và biến thành hơi, hơi chuyển động qua phần đoạn nhiệt tới phần ngng Tại đây hơi nhả nhiệt qua

Hình 1.1 Cấu trúc

ống nhiệt

vách ống (ví dụ: không khí ) và ngng tụ lại thành chất lỏng ngng, chất lỏng ngng tạo thành sẻ chảy về phần bốc hơi nhờ trong một những lực sau đây: Lực trọng trờng, lực mao dẫn, lực ly tâm, lực từ trờng

1.2 Phân loại ống nhiệt

Có nhiều cách phân loại ống nhiệt:

1.2.1 Theo lực tác dụng đa lỏng về phần bay hơi

a) ống nhiệt trọng trờng

- Lực tác dụng để đa lỏng về phần bay hơi là lực là lực trọng trờng nên gọi là ống nhiệt trọng trờng, ở đây phần sôi buộc phải đặt thấp hơn phần ngng để lỏng chảy từ trên xuống dới (hình 1.1)

- Để nâng cao khả năng truyền tải nhiệt lớn nhất, ngời thiết

kế còn đặt bên trong ống một vật để tách riêng dòng hơi

và dòng chất lỏng ngng ống nhiệt này gọi là ống nhiệt trọng trờng có thiết bị tách dòng bên trong

b) ống nhiệt mao dẫn

- Nếu là lực mao dẫn gọi là ống nhiệt mao dẫn, ở đây lực mao dẫn sẽ hút chất lỏng ngng từ phân ngng về phần bốc hơi ống nhiệt mao dẫn thờng đợc sử dụng khi phần sôi đặt cao hơn phần ngng (ngợc hớng trọng trờng), để tạo lực mao dẫn có thể làm rãnh bên trong ống, đặt các tấm lới kim loại sát bề mặt trong ống tạo nên vật gọi là bấc hoặc kết hợp vừa làm rãnh vừa đặt tấm kim loại

1 Vùng ngng tụ;

2 Vùng bay hơi;

3 Dòng lỏng;

4 Dòng hơi;

5 Bấc;

6 Q-Nhiệt nhận vào và

nhiệt thải

c) ống nhiệt ly tâm

- Nếu lực tác dụng lên chất lỏng ngng là lực ly tâm gọi là ống nhiệt ly tâm, nhờ sự quay ống nhiệt với một vận tốc xác

định nào đó Hình 1.3 là cấu tạo của ống nhiệt ly tâm để làm mát động cơ điện

Hình 1.3 ống nhiệt ly tâm làm mát động cơ điện

1 Thân động cơ; 3 Rôto;

2 Stato; 4 Trục rỗng (ống nhiệt ly

Hình 1.2 Cấu trúc ống nhiệt

mao dẫn

d) ống nhiệt điện trờng

- Nếu lực tác dụng lên chất lỏng ngng là lực điện trờng, ống nhiệt gọi là ống nhiệt điện trờng

e) ống nhiệt từ trờng

- Nếu lực tác dụng lên chất lỏng ngng lực từ trờng, ống nhiệt gọi là ống nhiệt từ trờng

1.2.2 Theo mục đích sử dụng của ống nhiệt

- ống nhiệt truyền tải nhiệt từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp, ống nhiệt đợc coi nh phần tử truyền tải nhiệt

- ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ; Múc đích giữ nhiệt độ không đổi

- ống nhiệt chỉ truyền nhiệt một chiều; điốt-nhiệt

- ống nhiệt dùng làm công tắc nhiệt

1.2.3 Theo nhiệt độ sử dụng

- ống nhiệt ở nhiệt độ rất thấp: Nhiệt độ làm việc nhỏ hơn

200 K

- ống nhiệt nhiệt độ thấp: Nhiệt độ làm việc từ 200K đến 550K

- ống nhiệt nhiệt độ trung bình: Nhiệt độ làm việc từ 550K

đến 750K

- ống nhiệt nhiệt độ cao: Nhiệt độ làm việc trên 750K,

1.2.4 Theo hình dáng ống

Về hình dạng bên ngoài, có thể phân ống nhiệt thành:

- ống nhiệt đơn giản hình trụ: Chiều dài ống lớn hơn rất nhiều so với đờng kính ống

- ống nhiệt hình hơi: Chiều dài ống tơng đơng với đờng kính ống

- ống nhiệt phức tạp

1.2.5 Theo môi chất nạp

Phần lớn ống nhiệt đang đợc sử dụng với việc nạp môi chất lỏng tinh thiết nào đó, nhng gần đây với mục đích tăng khả năng truyền tải nhiệt hoặc sử dụng ống nhiệt trong những điều kiện làm việc đặc biệt, ngời ta sử dụng ống nhiệt với môi chất nạp gồm nhiều chất lỏng tinh khiết hỗn hợp nhau

1.3 ứng dụng của ống nhiệt

1.3.1 Sử dụng nhiệt thải

Thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt có nhiều u việt

và hoàn toàn thoả mãn các nhu câu về tận dụng nhiệt thải Nhiều nớc công nghiệp phát triển đã sản xuất hàng loạt thiết

bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt điển hình là Nhật Bản,

Mỹ ở Trung Quốc các thiết bị tận dụng nhiệt thải đã đợc chế tạo và hoạt động rất tin cậy Tiệp khắc cũng đã sản xuất 2 loại thiết bị trao đổi nhiệt băng ống nhiệt đó là loại

N và loại W

Loại N với môi chất nạp là NH3 sử dụng trong khoảng nhiệt

độ từ -25 đến 80oC Loại W với môi chất nạp là H2O sử dụng trong khoảng nhiệt độ 50 đến 320oC

Thiết bị trao đổi nhiệt loại khí- khí bằng ống nhiệt trọng trờng đợc ứng dụng nhiều do những u điểm nổi bật của nó so với loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng vách ngăn đối lu

Hình 1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt khói-không khí

bằng ống nhiệt

1 Kênh không khí; 3 Vách ngăn;

2 Hàng ống nhiệt có

cánh;

4 Kênh khói

Sau đây là những u điểm của thiết bị trao đổi nhiệt loại khí - khí dùng các ống nhiệt

-Diện tích bề mặt truyền nhiệt rất lớn, nhng thiết bị lại gọn, không chiếm nhiều không gian, u điểm này đạt

đợc khi ta làm cánh trên bề mặt ngoài ống nhiệt

-Dòng khí nóng và dòng khí lạnh đợc tách riêng bởi một

bề mặt cố định Do đó tránh đợc hiện tợng hoà trộn hai dòng khí nóng và lạnh, gây bẩn cho nhau

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

-Khi môi chất nạp và vật liệu ống đợc 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 thoả mãn độ giảm áp cho phép

-Đối với thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng khói thải bằng ống nhiệt có cánh bên ngoài ống, nh 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 nh vậy vừa tránh bụi bẩn bám trên bề mặt, vừa làm tăng hệ số toả nhiệt đối lu tại bề mặt ngoài của ống

-Một u điểm nữa là thiết bị không bị ảnh hởng của ứng suất nhiệt, điều thờng xảy ra với các thiết bị khác

Vấn đề còn lại phải giải quyết là khả năng chịu ăn mòn của ống nhiệt khi chúng làm việc trong môi trờng bị ăn mòn

Điều này cũng đã đợc giải quyết bằng cách phủ một lớp chì

lên bề mặt ngoài của ống nhiệt Hãng Furukawa Nhật bản sử dụng 1700 ống nhiệt trong trờng, mỗi ống dài 8,5m bên ngoài ống bọc một lớp chì để chống sự ăn mòn của SO2 Kết quả

là đã tận dụng lại đợc 2,1 triệu kCal/h của 250.000 m3 khí

chứa SO2 ở nhiệt độ 1600C

1.3.2 Sử dụng trong ngành công nghiệp điện-điện tử

Các thiết bị điện tử ngày càng có công suất lớn và thờng

đợc sản xuất dới dạng tấm lớn Trong trờng hợp nh vậy giải quyết vấn để toả nhiệt bằng phơng pháp cổ truyền nh dẫn nhiệt qua thanh nhôm và đối lu qua cỡng bức ra môi trờng ngoài là không còn thích hợp nữa ống nhiệt đợc ứng dụng và hoàn toàn đáp ứng các nhu cầu đặt ra với thiết bị gọn nhẹ Trong ngành công nghiệp này ống nhiệt thờng đợc sử dụng là ống nhiệt mao dẫn

ống nhiệt mao dẫn đợc ứng dụng để giải nhiệt cho các thiết bị máy tính, nh card âm thanh, card màn hình và các loại chíp vi xử lý với tốc độ xử lý cao

Hình 1.5 ống nhiệt đợc ứng dụng để làm mát thiết bị điện

Chúng ta đã biết rằng trong động cơ điện do tác động của dòng Fucô nhiệt chủ yếu sinh ra ở rôto và stato Trớc

đây để làm mát động cơ ngời ta làm mát bằng cách thổi không khí trực tiếp vào trong động cơ Cùng với không khí là lợng bụi bẩn nhất định gây ảnh hởng không tốt cho động cơ

Gần đây ống nhiệt ly tâm đã đợc ứng dụng thu đợc kết quả tốt ẩng nhiệt ly tâm chính là trục rôto của các máy

điện, động cơ, quạt, bơm, tuabin và nhờ đó ta có thể lấy

đi một lợng nhiệt một cách hiệu quả Loại động cơ nh vậy thiết bị gọn nhẹ đi rất nhiều

ống nhiệt mao dẫn cho phép lấy nhiệt từ những chi tiết của stato của động cơ điện từ những công tắc đổi nối công suất lớn, từ những cụm biến thế lơn

Làm mát các dây cáp điện

Trớc đây các dây cáp điện đợc làm mát bằng nớc nhờ hệ thống bơm Vì đờng dây cáp dài, để độ chênh của nớc làm mát phải lớn nên nhiệt độ của nớc vào phải thấp, ngoài ra do cáp dài nên hiệu ứng làm mát sẽ không đồng đều theo chiều dài Nhợc điểm này đã đợc khắc phục bằng cách sử dụng ống nhiệt mao dẫn Ngời ta đặt ống nhiệt dọc theo dây cáp ỏ

đầu và cuối ống có bộ toả nhiệt tự nhiên vào môi trờng xung quanh và xuống đất ậ đây không cần dùng tới bơm mà vẫn khắc phục đợc những nhợc điểm của phơng pháp cổ truyền Hãng Furakawa đã chế tạo thành công ống nhiệt dài

nhất thế giới (200m) để làm mát dây cáp điện Bằng thực nghiệm ngời ta chứng minh đợc rằng: Khi không đợc làm mát,

12 dây cáp ngầm ở nhiệt độ 107oC, nhng khi đợc làm mát bằng ống nhiệt thì nhiệt độ chỉ còn 82oC

1.3.3 Sử dụng để năng cao hiệu suất trong công nghệ hút ẩm và điều hoà không khí

Hút ẩm hiện nay thờng dùng 2 phơng pháp sau: Sử dụng

hệ thống lạnh để để giảm nhiệt độ của không khí đến nhiệt độ ngng tụ của nớc và lúc này lợng nớc trong không khí

đợc tách ra và không khí lạnh này đợc hồi về dàn ngng của

hệ thống để nhận nhiệt để nâng cao nhiệt độ của không khí hoặc hệ thống sử dụng các chất hút ẩm và tách ẩm bằng phơng pháp nhiệt Cả hai phơng pháp này đều có chi phí ban đầu cao và tiêu tốn năng lợng điện

Hình 1.6 ống nhiệt đợc ứng dụng để hút ẩm

Công nghệ ống nhiệt ra đời cải thiện và nâng cao hiệu suất của quá trình hút ẩm Giảm độ ẩm và cải thiệt điều

kiện sức khoẻ và các toà nhà cũ trong điều kiện ẩm thấp dễ gây nấm mốc Khi sử dụng có thể cải thiện đợc không khí nâng cao năng suất làm việc

Công nghệ này hiện nay đang đợc sử dụng để lắp đặt thêm trong các hệ thống điều hoà không khí

Hình 1.7 Sử dụng ống nhiệt trong hệ thống điều hòa

không khí

Ngoài tăng khả năng hút ẩm ra chúng còn làm cho hệ thống tiết kiệm đợc công suất điện tiêu thụ Công nghệ này

đợc sáng chế bởi Khánh Đinh thuộc Heat Pipe Technology, Inc Công nghệ này hiện nay đang đợc áp dụng nhiều vào hệ thống điều hoà không khí và đợc nâng cấp phổ biến hệ thống điều hoà cũ ở Mỹ

1.3.4 Sử dụng trong các nghành công nghiệp khác

ở các nớc nhiệt đới, không khí mùa hè rất nóng, nhng ban

đêm không khí lại trở nên mát hơn Tuy vậy nhiệt độ của các bức tờng bê tông của các toà nhà còn rất nóng Để tiết kiệm

năng lợng, nếu nh trớc đây, các hệ thống điều hoà nhiệt độ

đợc sử dụng cho mục đích này, thì hiện nay tại một số cơ

sở ống nhiệt đã đợc chôn ngay vào trong các tấm bê tông của các toà nhà, nh vậy vào buổi đêm, phần chìa ra bên ngoài

sẽ đợc sử dụng nh bộ phận làm mát trong không khí, mang nhiệt tích từ trong các bức tờng ra ngoài

ống nhiệt đợc sử dụng trong các collector thu năng lợng mặt trời Nhờ có ống nhiệt tổn thất năng lợng trong trờng hợp nhiều mây là nhỏ nhất, điều này cho phép trong một số tr-ờng hợp có thể bỏ qua hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh lu lợng chất tải nhiệt trong collector năng lợng mặt trời, nâng cao độ tin cậy của bộ thu, giảm chi phí từ 5-7 lần chi phí năng lợng để bơm nơc so với trờng hợp của collector mặt trời cổ truyền Việc dùng ống nhiệt với lợng môi chất nhỏ cho phép giảm trọng lợng và nhiệt dung của collector, làm tăng

độ đốt nóng của nó

Ngoài ra ống nhiệt trọng trờng cũng đợc dùng để sử dụng năng lợng địa nhiệt, chế tạo các caloriphe trong kỹ thuật sấy, dùng để chống đóng băng trên các đờng cao tốc ở các xứ lạnh, chống đóng băng trên các bãi đỗ xe ôtô

ống nhiệt còn đợc sử dụng trong các hệ thống lạnh, duy trì nhiệt độ lạnh nhất định trong ôtô để bảo quản thực phẩm Trong công nghiệp ôtô, máy kéo, ống nhiệt đợc dùng

để điều chỉnh nhiệt độ của nớc làm mát động cơ đốt trong, để làm mát hay đốt nóng dầu trong cacte, sởi tuabin của lái xe nhở lợng nhiệt thải qua ống xả, cải thiện sự bay hơi

của xăng trong cacbuarator, tiết kiệm nhiên liệu và giảm tốc

độ độc hại trong các sản phẩm cháy

Nhiều thiết bị trao đổi nhiệt trong công nghiệp sản xuất thép nh bộ sấy khống khí nóng, lò hơi dùng ống nhiệt

có thể giúp tiết kiệm hơn 104 kW với phần bay hơi cách phần ngng 59-70m

Trong kỹ thuật vũ trụ, ống nhiệt mao dẫn điều chỉnh nhiệt độ đợc dùng để điều hoà nhiệt độ, điều hoà nhiệt

độ thân tàu vũ trụ, khi con tàu một bên đợc đốt nóng bởi mặt trời, một bên lại nằm trong bóng đêm vũ trụ, ống nhiệt còn đợc dùng để điều hoà các chế độ nhiệt các thiết bị, máy móc trên con tàu, các trạm vũ trụ hay trên các vệ tinh, dùng để thải nhiệt hay làm đồng đều nhiệt độ các panel, pin mặt trời