đồ án kỹ thuật điện cơ tính toán lý thuyết và xây dựng Thiết bị thí nghiệm

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

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 dẫnnhá Èng nhiệt loại này thường được ứng dụng để giải nhiệt cho các thiết bịđiện tử Sau khi tính toán, thiết kế và chế tạo trên lý thuyết Qua thí nghiệmchạy thử thiết bị số liệu đo đạc được so sánh với kết quả lý thuyết và đánh giátính khả thi Với ống nhiệt mao dẫn khi xác định được các giới hạn nh: giớihạn về độ nhít, giới hạnh âm thanh, giới hạn sôi, giới hạn lôi cuốn và giới hạnmao dẫn Giới hạn mao dẫn là giới hạn nhỏ nhất trong các giới hạn của ốngnhiệt khi ống nhiệt có phần ngưng tụ thấp hơn phần bay hơi vì thế giới hạnnày là cơ sở để tính toán công suất lớn nhất mà ống nhiệt có thể đạt được Bêncạnh đó, việc xác định góc nghiêng ảnh hưởng đến công suất và phân bốnhiệt độ trên ống nhiệt là vô cùng quan trọng Dưới đây là nôi dung chínhcủa 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 còng 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

x

P dx

A ) r 2

) Re f C P

dx x

P

eff v v

2 r , h

v v v v

P

eff l w

l l

(Nếu ống nhiệt nằm ngang = 0) = 0)

Độ chênh áp suất mao dẫn từ (2.8 và 2.9)

c

l c

r

cos 2

P   

 với rc 21N Thay toàn bộ vào (3.1) ta có:

gd Q L ) KA ( Q L A

) 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

gd Q L ) 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:

( 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

v

2 r h

v v v eff

v l c

s- chiều dày khoảng trống, m.

Av- diện tích không gian hơi được xác định:

s w in

2

4

1 ) d ( 4

2 in

2 v

2

4

1 ) d d ( 4

K =   ) 2

 1 ( 122

d 2 3 w

, m 2 (3.7)

4

d N 05 , 1

3 w

N d 02 , 538

Nd 05 , 1 4 4

N d 05 , 1 ( 122

4

d N 05 , 1 1

Để xác định chọn số nót 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

líp lưới và đường kính dây là:

2

N

1 N 01207 , 0 1

( 122

Đường kính bay hơi:

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

3.2.2 Công suất nhiệt thay đổi theo số nót của bấc

q = f(N) =

3 4

2 5

) N 10 77 , 3 4 (

N 10 277 , 7 07 , 9

414 , 12 N 142 , 0

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 nót N = 3732/m = 44/in

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 xácđịnh được N và thay vào phương trình (3.2) và Q là một hàm của nhiệt độbiến thiên từ 0oC đến 100oC

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

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 nghiờng.

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

Q = 15,4 - 299,35(2,54.10-3cos + 280,00.10 = 0) -3sin ) (3.18) = 0)Sau khi khảo sát phương trình (3.18) ta thấy đối với loại ống nhiệt nàygóc tạo bởi ống nhiệt và phương nằm ngang (phần bay hơi cao hơi phầnngưng tụ) lên tới 10o thỡ lóc này lực mao dẫn bằng không Đồ thị này đượcthể hiện ở phụ lục 3

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

v v v

2

P A

d





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

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

-kilomol của hơi (=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

v i v

v eff

r

2 ) r / r ln(

T k L 2

(3.21)

Pc,m- áp suất mao dẫn trong cấu trúc bấc Nếu Pc<Pc,m thì áp suất này có thể

láy bằng áp suất mao dẫn lớn nhất,

rn- bán kính tõm sụi thỡ được lấy trong khoảng 2,54.105 đến 2,54.107

Trong trường hợp này rn = 2,54.107 m;

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

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

[m]

Q l

[W]

Đối với các chế độ nhiệt và góc nghiêng khác ta tính toán tương tự

3.3 SƠ LƯỢC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

ac

220V

7

13121110

96

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 trêntường Tấm gá này có thể xoay được để xác định góc nghiêng của ống nhiệtnhờ thước đo góc 13

Sau khi cấp nước vào phần ngưng tụ 10 của ống nhiệt Lưu lượng nướcđược cấp từ bể nước 7 qua ống nước cấp 8, lưu lượng nước có thể điều chỉnhđược nhờ van cấp nước 9 Do lưu lượng nước quỏ bộ nờn ta có thể xác địnhgia trị này bằng phương pháp truyền thống đó là: Lượng nước được xác địnhbằng 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 dòngđiện qua biến áp tụ ngẫu ta cho dòng điện này qua biến áp nguồn 14 Và điềuchỉnh công suất cần đo phù hợp qua máy biến áp tự ngẫu 15 Dòng điện saukhi 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 Cóthể xác định cống suất này bằng cách đo dòng điện bằng ampe kìm và hiệuđiện thế cấp vào cho dây điện trở

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

3.4 CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH VÀ LÙA CHỌN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

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 cầnthiết 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 thỡ nờn phải thật cận thận không cho tiếp xúc với tay

và các thành phần dầu mỡ Cỏc 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 vàmôi chất làm việc là nước nên chọn phương pháp và các bước được tiến hành

nh sau:

Bước 1: Nhóng 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 axớt

phosphoric và 50% axớt 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

ThiÕt bÞ

®un n íc

B¬m ch©n kh«ng èng nhiÖt

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 vìống 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 đồlắp ráp trước khi nạp môi chất thì được biểu diện ở hình 3.3

Thiết bị bao gồm:

- Thiết bị đun nước

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

- Èng puret

- Các đường ống nối

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

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

Bước 2: Hót 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 khôngngưng được thoát ra ngoài qua van V1 Quá trình này được tối ưu hoá bằngcách: ống ở trên đường thoỏt khớ không ngưng được làm cánh, hơi đượcngưng khi thổi không khí lạnh qua dàn cánh này Và khí không ngưng đượcthoát ra ngoài khi V1 mở

Bước 2: Hót chân không cho ống nhiệt;

Van V3 - V6 mở thực hiện hót 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 đuntràn 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 cómột Ýt lỏng có thể bị dính ở các van và đường ống nạp Sau khi nạp môi chấtvào ống nhiệt, bước cuối cùng mở ra và hàn ống Lượng lỏng có thể được xácđịnh bằng phương pháp cân trước và sau khi nạp

3.4.2 Lùa chọn và chế tạo đầu đo giây cặp nhiệt

Dây cặp nhiệt là thiờt 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 vậtliệu 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

Vậy theo mục đích nghiên cứu và phạm vi nhiệt độ cần đo ta chọn cặpnhiệt loại T có phạm vi nhiệt độ là -150.0 + 400.0. + 400.0.

Đường kính dây đồng: dcu = 0,02 mm

Đường kính dõy nhụm: 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 vàxoắn 2 dây trần lại với nhau Hàn theo phương pháp hàn than hoạt tính vớiđiện áp 100V Chất lượng mối hàn, độ tròn được kiểm tra bằng kính lúp vàbằng cơ khí Trước khi gắn vào ống nhiệt, các cặp nhiệt được đo thử , so sánhvới cặp nhiệt chuẩn là loại nhiệt kế điện trở SPR/UK với sai lệch 0,002 0,002 oC vàhiểu chuẩn ở Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lương Bộ đo và điều khiểnnhiệt độ hiện số (9 kênh) phô lục 53 Do đặc thù của ống nhiệt, phần ngưngnằm ngập trong nước và phần bay hơi có môi trường nhiệt độ biến đổi nênphần cặp nhiệt ở những phần này được bọc một líp nghen cách nhiệt

Phương pháp gắn cặp nhiệt:

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

Do vách ống bằng đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn ( = 102  = 102 W/mK ở 00C) vàkhá mỏng (d 1 1 mm) 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 vớiống đồng, bên trên được bôi một líp keo dẫn nhiệt và trên được phủ lên trên

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

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

mát

40 40

30 30

1-ống nhiệt4- Băng dính bạc2- Đầu cặp nhiệt5- Keo cách nhiệt3-

Keo dẫn nhiệtHình b- Bản vẽ chi tiết gắn cặp nhiệtHình 3.4 Sơ đồ

gắn vị trí cặp nhiệt

Vì nhược điểm này của việc giải nhiệt bằng không khí Ta chọn phương phápgiải nhiệt bằng nước Với hệ số dẫn nhiệt của nước ( = 102 n 0,599  1 W/m.K) lớn

hơn rất nhiều so với hệ số dẫn nhiệt của không khí ( = 102 k 0,0259  1 W/m.K) nờn

dùng nước làm mát ta có thể lấy đi lượng nhiệt lớn cần thiết (nhất là khinghiên cứu ống nhiệt tới hạn) Trong thí nghiệm này nước được chọn làm mátđược tính toán dựa trờn công suất tới hạn mà ống có thể đạt được Củ thể làgiới 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 kiểuống 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 trờn công suất lý thuyết lớn

nhất mà ống nhiệt đạt được Chế độ dòng nước đi qua ống chúng có thể chonước 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 dùa 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

Mn-Lưu lượng nước, kg/s

Cpn-Nhiệt dung riờng của nước, J/kgK;

t ''

n -nhiệt độ nước ra, o C;

t'

n -Nhiệt độ nước vào, o C;

Vỡ lưu lượng của nước quỏ bộ nờn cỏc thiết bị đo trờn thị trường khụngphự hợp nờn chỳng tụi đú phải sử dụng phương phỏp truyền thống là: Đolượng nước chảy thực tế kết hợp với thời gian Và gắn một cặp nhiệt để đonhiệt độ nước ra và một cặp nhiệt để đo nhiệt độ nước vào của bộ phận làmmỏt

b) Bộ phận đốt núng.

2

1 40

170 40

1- ống nhiệt2- Thiết bị làm má7- Bể nước14- Biến áp nguồnt (Vật liệu thuỷ tinh hữu

cơ)Hình 3.4 Bản vẽ thiết bị làm má7- Bể nước14- Biến áp nguồnt ống nhiệt