Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất

Giới hạn mao dẫn là giới hạn nhỏ nhất trong các giới hạn của ống nhiệt khi ống nhiệt có phần ngưng tụ thấp hơn phần bay hơi vì thế giới hạn này là cơ sở để tính toán công suất lớn nhất m

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1 MỤC ĐÍCH

Luận văn với mục đích nghiên cứu các đặc tính của ống nhiệt mao dẫn nhỏ Èng nhiệt loại này thường được ứng dụng để giải nhiệt cho các thiết bị điện tử Sau khi tính toán, thiết kế và chế tạo trên lý thuyết Qua thí nghiệm chạy thử thiết bị số liệu đo đạc được so sánh với kết quả lý thuyết và đánh giá tính khả thi Với ống nhiệt mao dẫn khi xác định được các giới hạn nh: giới hạn về độ nhớt, giới hạnh âm thanh, giới hạn sôi, giới hạn lôi cuốn và giới hạn mao dẫn Giới hạn mao dẫn là giới hạn nhỏ nhất trong các giới hạn của ống nhiệt khi ống nhiệt có phần ngưng tụ thấp hơn phần bay hơi vì thế giới hạn này là cơ sở để tính toán công suất lớn nhất mà ống nhiệt có thể đạt được Bên cạnh đó, việc xác định góc nghiêng ảnh hưởng đến công suất và phân bố nhiệt độ trên ống nhiệt là vô cùng quan trọng Dưới đây là nôi dung chính của luận văn cần thực hiện:

Công việc chính của luận văn gồm các nội dụng sau:

- Xác định công suất lớn nhất khi ống nhiệt hoạt động

- Sù thay đổi nhiệt độ trên toàn bộ ống nhiệt

- Ảnh hưởng của góc nghiêng tới công suất nhiệt của ống

Như đã nói ở chương trước, để tối ưu hoá về công suất truyền tải nhiệt

và thuận lợi cho việc thiết kế và chế tạo ống nhiệt để giải nhiệt cho ngành điện tử cũng nh sau khi chế tạo xong để thuận lợi cho việc lắp đặt là loại ống nhiệt mao dẫn nhỏ Chọn vật liệu chế tạo, thông số và kính thước ống nhiệt

nh sau:

- Chiều dài ống: L = 280 mm;

- Đường kính ngoài của ống: do = 4 mm;

- Đường kính trong của ống: din =3 mm;

- Chiều dài phần ngưng tự: Lc = 160 mm;

- Chiều dài đoạn nhiệt: La = 60 mm;

- Chiều dài phần bay hơi Le = 60 mm.

Môi chất làm việc.

Nước

Xuất phát từ giới hạn khi vận hành ống nhiệt mao dẫn là giới hạn mao dẫn là tiêu chuẩn cơ bản để xác định công suất lớn nhất khi vận hành ống nhiệt

Vì vậy từ công thức (2.11):

(∆Pc)m≥ ph , e ph , c II

Leff

l Leff

x

P dx

∆ +

∆ +

∂

∂ +

) Re f C P

dx x

P

eff v v

2 r h

v v v v

P

eff l w

l l

c

l c

r

cos2

N 2

1

rc =

Thay toàn bộ vào (3.1) ta có:

Ψ ρ

± Ψ ρ

+ λρ

µ +

) r 2

) Re f C

r

cos

2

l v

l eff l w

l eff

v v

2 r h

v v v c

µ

=

KA ( Q L A

) r 2

) Re f C r

2

l v

l eff l w

l eff

v v

2 r h

v v v c

Vậy:

ψ

± ψ ρ

− σ

ψ

± ψ ρ

−

σ

) KA

( A

) r 2

) Re f C L

r

sin L cos d g r 2 )

KA

( A

)

r

2

) Re

f

C

L

sin L cos d g

r

2

l w

l v

v

2 r h

v v v eff

c

v l c

l w

l v

eff

v l

δs- chiều dày khoảng trống, m.

Av- diện tích không gian hơi được xác định:

Av = [ ]2

s w in

2

4

1 ) d ( 4

1 π = π − δ + δ , m 2 (3.5)

Aw - diện tích dòng lỏng được xác định:

s w in

2 in

2 v

2

4

1 ) d d ( 4

1 π − = π − − δ + δ , m 2 (3.6)

K- độ thấm của bấc được xác định:

K = − ∀ ) 2

∀

1 ( 122

d 2 3

w , m 2 (3.7)

4

d N 05 , 1

3 w w

3 w

N d 02 , 538

Nd 05 , 1 4

4

N d 05 , 1 ( 122

4

d N 05 , 1 1

, m 2 (3.9)

Để xác định chọn số nút một cách hiệu quả ta phải căn cứ vào mục đích

sử dụng và nhiệt độ hoạt động của ống nhiệt Ta tiến hành thí nghiệm với nhiệt độ bay hơi đoạn nhiệt ở ba chế độ khác nhau là 30, 40 và 50oC ở các góc nghiêng khác nhau Ta tiến hành tính toán cho một chế độ với nhiệt độ môi chất làm việc 30oC và góc nghiêng là 0o Các thông số vật lý của môi chất cho ở bảng 3.1

Chọn bấc:

Chọn vật liệu làm bấc là đồng sợi được thể hiện chi tiết ở hình 3.1, vì ống nhiệt nhỏ, để thuận tiện cho việc cho bấc vào trong ống ta sử dông một lớp lưới và đường kính dây là:

2

N

1 N 01207 , 0 1

( 122

Diện tích bay hơi (3.5):

Av = 2 ( 2 , 5428 10 3 ) 2

4

1 ) ( 4

1 π d v = π − = 5,078.10-6 m 2 (3.14)Diện tích dòng lỏng (3.6):

2 5 ) N 10 77 , 3 4 (

N 10 277 , 7 07 , 9

414 , 12 N 142 , 0

−

−

− +

−

(3.16)

Từ phương trình (3.16) ta xây dựng đồ thị thể hiện ở phụ lục 1.Từ đồ thị

ta tìm được giá trị công suất lớn nhất Q=Qmax khi số nút N = 3732/m = 44/in

B-B

H×nh 3.1 B¶n vÏ chi tiÕt cÊu tróc bÊc

3.2.3 Công suất nhiệt thay đổi theo nhiệt độ bay hơi của môi chất

- Để tìm hàm công suất nhiệt thay đổi theo nhiệt độ từ (3.16) ta ta xác định được N và thay vào phương trình (3.2) và Q là một hàm của nhiệt độ biến thiên từ 0oC đến 100oC

-Từ phương trình (3.2) sau khi chọn N=3732/m = 44/in và ống nhiệt đặt vị

trí nằm ngang (Ψ=0o) ta có:

λ ρ

µ +

λ ρ µ

ρ

− σ

l

l 10 v

v 7

l 6 10 085 , 1 10

2465 , 5

10 0344 , 7 2 Q

3.2.4 Công suất nhiệt thay đổi theo góc nghiêng.

Với chế độ này ta chỉ xét khi phần bay hơi cao hơi phần ngưng tụ và khi nhiệt độ bay hơi ở 30oC Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở bảng 3.1 và các thông số khác không thay đổi từ phương trình (3.1) sau khi tính toán ta có:

Q = 15,4 - 299,35(2,54.10-3cosΨ + 280,00.10-3sinΨ ) (3.18)Sau khi khảo sát phương trình (3.18) ta thấy đối với loại ống nhiệt này góc tạo bởi ống nhiệt và phương nằm ngang (phần bay hơi cao hơi phần ngưng tụ) lên tới 10o thì lúc này lực mao dẫn bằng không Đồ thị này được thể hiện ở phụ lục 3

Bảng 3.1 Các thống số vật lý của nước thay đổi theo nhiệt độ

l

ρ[kg/m3]

v

µ[N.s/m2]

l

µ[N.s/m2]

v v v

2 v

L 64

P A

d

µ

ρ

Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở bảng 3.1

Đường kính bay hơi theo (3.13) là:

v

v v v

2 v

P A 10 68 , 1 L 64

P A

d

µ

ρ λ

= µ

ρ

, W (3.19)

Đồ thị phương trình (3.19) được được biểu diễn ở phụ lục 4.

b) Giới hạn âm thanh:

Từ phương trình (2.35):

Qs =

2 / 1

v

o v v o v

) 1 ( 2

T R

γ λ

=

= µ

µ

J/kg.K

[R µ hằng số chất khí lý tưởng (R µ = 8,314.103 J/kg.mol.K);

µ-kilomol của hơi (µ=18)]

Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở bảng 3.1

) 1 ( 2

T R

2 / 1

v

o v v o

γ λ

Phương trình được được biểu diễn ở phụ lục 4

c) Giới hạn sôi:

Từ công thức (2.38)

Qb,e = λρ  σ−∆ 

π

m , c n v i v

v eff

r

2 ) r / r ln(

T k L 2

Le- chiều dài phần bay hơi (Le = 0.6 m);

keff - hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc-lỏng:

keff = k k [k + k - (1 (1 - - )(k )(k - - k k ) )]

w 1

w 1 w

1 1

∀ + +

∀

w

1 k

∀- độ xốp của bấc tính theo (3.8)

kw- hệ số dẫn nhiệt của bấc tra theo [6] (kw = 402 W/m.K)

Từ các thông số trên ta tính toán và được thể hiện ở bảng sau:

Đồ thị của phương trình (3.21) được được biểu diễn ở phụ lục 4

d) Giới hạn lôi cuốn:

Giới hạn lôi cuốn có thể xác định theo phương trình (2.39):

Ql =

2 / 1

w , h

v v

r 2

r h , w- bỏn kớnh thuỷ tĩnh của cấu trỳc bấc

T

[oK]

w , h r

Đối với cỏc chế độ nhiệt và gúc nghiờng khỏc ta tớnh toỏn tương tự

3.3 SƠ LƯỢC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

ac

220V

7

13121110

96

Tes

60 C o type: T

EnergyTest 2020e

ψ

1-Tấm gá7- Bể nước14- Biến áp nguồn2- Nước xả8- Nước cấp15- Biến

áp tự ngẫu3- Giá đỡ9- Van cấp nước16- Đồng hồ vạn năng4- Dây điện

trở10- Phần thải nhiệt17- Đồng hồ đo nhiệt độ5- Phần cấp nhiệt11- Thiết

bị làm mát18- Bộ chuyển đổi6- Phần đoạn nhiệt12- Dây cặp nhiệt19-

8

Toàn bộ thiết bị được định vị trên tường, sau khi tiến hành lắp lắp thiết

bị đầu đo, phần ngưng tụ, phần bay hơi và phần đoạn nhiệt được gắn lên giá

đỡ 3 Toàn bộ được gắn lên tấm gá 1, tấm gá này được cố định bằng vít trên tường Tấm gá này có thể xoay được để xác định góc nghiêng của ống nhiệt nhờ thước đo góc 13

Sau khi cấp nước vào phần ngưng tụ 10 của ống nhiệt Lưu lượng nước được cấp từ bể nước 7 qua ống nước cấp 8, lưu lượng nước có thể điều chỉnh được nhờ van cấp nước 9 Do lưu lượng nước quá bé nên ta có thể xác định gia trị này bằng phương pháp truyền thống đó là: Lượng nước được xác định bằng bình đo nước 19 và đồng hồ bấm giây Hai thiết bị này cùng hoạt động

ở một mốc thời gian

Sau đó ta bật nguồn AC Để cho dòng điện ổn định trước khi cho dòng điện qua biến áp tụ ngẫu ta cho dòng điện này qua biến áp nguồn 14 Và điều chỉnh công suất cần đo phù hợp qua máy biến áp tự ngẫu 15 Dòng điện sau khi được điều chỉnh đi qua dây điện trở 4 và nung nóng phần bay hơi của ống nhiệt Công suất cấp vào cho ống nhiệt thực là công suất đã được hiểu chỉnh

do tốn thất ra môi trường ngoài được hiện thị trên đồng hồ vạn năng 16 Có thể xác định cống suất này bằng cách đo dòng điện bằng ampe kìm và hiệu điện thế cấp vào cho dây điện trở

Khi hệ thống vận hành ở trạng thái cân bằng ứng với các điều kiện cho trước nh góc nghiêng, công suất nhiệt cấp vào ta xác định nhiệt độ trên ống nhiệt bằng các cặp nhiệt 12 được gắn trên ống nhiệt qua bộ chuyển đổi 18 tương ứng với cắp nhiệt và được hiện thị trên đồng hồ đo nhiệt độ số 17 tương ứng

3.4.1 Làm sạch và nạp môi chất vào ống

a) Làm sạch ống

Phương pháp làm sạch ống nhiệt trước khi nạp môi chất phụ thuộc vào đặc tính của loại ống nhiệt nh: Vật liệu làm ống, cấu trúc bấc và môi chất làm việc được sử dụng Phương pháp chung nhất bao gồm các thứ tù sau:

Lau chùi và loại bỏ các mảnh vụt và các mạt dũa

Loại trừ các giọt nước, dầu và mỡ chứa trong ống và cấu trúc bấc

Cuối cùng là loại bỏ tất cả các dung môi, các chất hoá học mà được sử dụng

để loại bỏ và tẩy ra các chất trên

Sử dông dung môi để làm sạch các chất mỡ dầu hoặc các chất không cần thiết khác có thể được giải quyết bằng các chất dung môi hữu cơ hoặc vô cơ.Làm sạch có thể được thực hiện trước hoặc sau khi lắp ráp Nếu làm sạch trước khi lắp vào thì nên phải thật cận thận không cho tiếp xúc với tay và các thành phần dầu mỡ Các thành phần của ống nhiệt có thể lau chùi, tẩy rửa bằng dung môi phù hợp Phương pháp làm sạch ống nhiệt sau khi lắp ráp thường được sử dụng nhiều hơn

Có rất nhiều phương pháp để làm sạch ống nhiệt trước khi nạp môi chất Nhưng với luận văn này, ống nhiệt, cấu trúc bấc đều có vật liệu bằng đồng và môi chất làm việc là nước nên chọn phương pháp và các bước được tiến hành

nh sau:

Bước 1: Nhúng và rữa ống nhiệt với dung dịch acetone để loại bỏ các chất dầu, mỡ,

Bước 2: Nhúng toàn bộ ống nhiệt vào trong dung dịch 50% là axít

phosphoric và 50% axít nitric ở nhiệt độ phòng trong vòng 15 phót

Bước 3: Ngâm bằng nước cất ở nhiệt độ 50oC trong vào 1 giê

Bước 4: Rửa bằng nước cất và sấy khô toàn bộ bằng không khí hoặc khí nitơ.b) Nạp môi chất

Hình 3.3 Sơ đồ nạp môi chất làm việc cho ống nhiệt

Nạp môi chất làm việc cho ống nhiệt nhỏ là một thử thách rất lớn, bởi vì ống nhiệt loại này có không gian bên trong rất bé Trong luận văn này, phương pháp để nạp môi chất làm việc (nước) vào ống nhiệt là đun sôi Sơ đồ lắp ráp trước khi nạp môi chất thì được biểu diện ở hình 3.3

Thiết bị bao gồm:

- Bơm hút chân không

- Thiết bị đun nước

- Van điện từ (dùng cho áp suất chân không)

Quá trình khử khí không ngưng và nạp môi chất làm việc được thực hiện qua bốn bước sau:

Bước 1: Đuổi khí không ngưng trong nước bằng phương pháp đun sôi;

Bước 2: Hút chân không cho ống nhiệt;

Bước 3: Nạp môi chất vào ống puret;

Bước 4: Nạp môi chất vào ống nhiệt;

Bước 1: Đuổi khí không ngưng trong nước bằng phương pháp đun sôi;

Tất cả các van điện từ (V1 đến V6) được đóng lại, nước được đun ở

120oC trong vòng khoảng 30 phót Sau đó van V1 được mở ra và khí không ngưng được thoát ra ngoài qua van V1 Quá trình này được tối ưu hoá bằng cách: ống ở trên đường thoát khí không ngưng được làm cánh, hơi được ngưng khi thổi không khí lạnh qua dàn cánh này Và khí không ngưng được thoát ra ngoài khi V1 mở

Bước 2: Hút chân không cho ống nhiệt;

Van V3 - V6 mở thực hiện hút chân không bởi bơm và thường ở áp suất

pck = 10-5 mbar thì dừng lại

Bước 3: Nạp môi chất vào ống puret;

Trước tiên V6 đóng, V4 đóng và V2 và V3 mở ra cho lượng nước ở thiết bị đun tràn qua và đóng V2 và V3

Bước 4: Nạp môi chất vào ống nhiệt;

Mở V4 và V4 lượng lỏng tràn vào ống nhiệt

Trong quá trình nạp môi chất, chúng ta nên nạp thừa môi chất bởi vì có một Ýt lỏng có thể bị dính ở các van và đường ống nạp Sau khi nạp môi chất vào ống nhiệt, bước cuối cùng mở ra và hàn ống Lượng lỏng có thể được xác định bằng phương pháp cân trước và sau khi nạp

3.4.2 Lựa chọn và chế tạo đầu đo giây cặp nhiệt

Dây cặp nhiệt là thiêt bị dùng để dẫn nhiệt ở đầu do (sensor) mà chiều

mà chiều dài của dây không bị ảnh hưởng Dây thường được chế tạo bởi 2 vật liệu kim loại riêng biệt, thường được bọc plastic Một đầu được đưa đến thiết

bị đo (đồng hồ hiện thị) còn đầu bên kia được hàn kín tiếp xúc với nhau Trên đồng hồ hiện thị nhiệt độ đầu đo nay Hiện thị trường có rất nhiều loại dây cặp nhiệt, mỗi loại đều có giải đo phủ hợp với nó Bảng 3.1 là một số cặp nhiệt và phạm vi nhiệt độ đo

Bảng 3.1 Một sè loại cặp nhiệt và phạm vi nhiệt độ đi kèm

Đường kính dây nhôm: dAl = 0,02 mm

Phương pháp hàn đầu cặp nhiệt:

Sau khi tước bỏ plastic bọc ở 2 dây cặp nhiệt ở đầu hàn khoảng 5 mm và xoắn 2 dây trần lại với nhau Hàn theo phương pháp hàn than hoạt tính với điện áp 100V Chất lượng mối hàn, độ tròn được kiểm tra bằng kính lúp và bằng cơ khí Trước khi gắn vào ống nhiệt, các cặp nhiệt được đo thử , so sánh với cặp nhiệt chuẩn là loại nhiệt kế điện trở SPR/UK với sai lệch ± 0,002oC và hiểu chuẩn ở Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lương Bộ đo và điều khiển

nhiệt độ hiện số (9 kênh) phụ lục 53 Do đặc thù của ống nhiệt, phần ngưng nằm ngập trong nước và phần bay hơi có môi trường nhiệt độ biến đổi nên phần cặp nhiệt ở những phần này được bọc một lớp nghen cách nhiệt.

Phương pháp gắn cặp nhiệt:

Sau khi hàn và hiệu chuẩn cặp nhiệt (tổng số 9 cặp nhiệt) Với 5 cặp nhiệt được gắn trên ống nhiệt thể hiện ở hình 3.4 Các cặp nhiệt còn lại là đo nhiệt độ môi trường, nhiệt độ nước vào, nước ra và nhiệt độ trên bể mặt cách nhiệt ở phần bay hơi

Do vách ống bằng đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn (λ = 102 W/mK ở 00C) và khá mỏng (d ≅ 1mm) nên nhiệt trở dẫn nhiệt của vách ống rất nhỏ, và độ

chênh nhiệt độ của vách ống giữa mặt trong và mặt ngoài coi nh bằng nhau

Và đầu đo cặp nhiệt được gắn vào bề mặt ống đồng, phía dưới tiếp xúc với ống đồng, bên trên được bôi một lớp keo dẫn nhiệt và trên được phủ lên trên

bề mặt một lớp keo cách nhiệt được thể hiện chi tiết ở hinh 3.4

Phần đoạn nhiệt của ống nhiệt được bọc ba lớp amiăng cách nhiệt bên trong và để giảm tổn thất đối lưu, bức xạ

40 40

30 30

Vì nhược điểm này của việc giải nhiệt bằng không khí Ta chọn phương pháp giải nhiệt bằng nước Với hệ số dẫn nhiệt của nước (λn ≅ 0,599 W/m.K) lớn

hơn rất nhiều so với hệ số dẫn nhiệt của không khí (λk ≅ 0,0259 W/m.K) nên

dùng nước làm mát ta có thể lấy đi lượng nhiệt lớn cần thiết (nhất là khi nghiên cứu ống nhiệt tới hạn) Trong thí nghiệm này nước được chọn làm mát được tính toán dựa trên công suất tới hạn mà ống có thể đạt được Củ thể là giới hạn mao dẫn của ống nhiệt với môi chất là nước

Thiết bị trao đổi nhiệt phần ngưng được coi nh thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng ống được thể hiện ở hình 3.5 ống trong là phần ngưng của ống nhiệt (ống đồng) có chiều dài là LC = 160 mm, và đường kính ngoài dout = 4 mm

ống ngoài được làm bởi tấm thủy tinh hữu cơ trong suốt, chiều dài L = 160

mm, đường kính d = 12 mm Được thiết kế dựa trên công suất lý thuyết lớn

nhất mà ống nhiệt đạt được Chế độ dòng nước đi qua ống chúng có thể cho nước chảy tự nhiên hoặc cường bức Để đễ dàng trong việc chuẩn bị thiết bị

và công suất nhiệt không lớn Chế độ nước chảy trong thí nghiệm này là chế

độ tự nhiên dựa vào cơ sở thế năng của dòng nước

Để xác định lượng nước mang đi, chúng ta có thể dùng công thức:

Qn = MnCn(t''

n-t'

n), W