Chuyên đề ống nhiệt toàn tập Tiến sĩ Trần Văn Vang

Dùng ống nhiệt như là 1 phần tử kiểm soát nhiệt độ, lần đầu tiên được sử dụng bởi hội vô tuyến Mỹ trong một bằng sáng chế ứng dụng năm 1964.. DA- Quá trình chuyển động của chất lỏng ngưn

CHƯƠNG 1 GIớI THIệU ốNG NHIệT

1.1 Lịch sử phát triển ống nhiệt

Trong vài thập kỷ vừa qua, nghiên cứu lý thuyết về ống nhiệt đã được phát triển mạnh mẽ và ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và đời sống ngày càng đa dạng và hữu hiệu

ứng dụng đầu tiện của ống nhiệt trọng trường dùng để nướng bánh mỳ Lò bánh mỳ Perkin sử dụng ống nhiệt được phát minh vào năm 1836 và phổ biến rộng rãi trong thời gian này Các ống trao đổi nhiệt dùng nướng bánh trong kiểu lò này là các ống nhiệt làm từ vật liệu thép cácbon dày, trơn, bên trong nạp nước chiếm khoảng 1/3 dung tích ống và được hàn kín ống nhiệt trong lò Perkin được đốt nóng bằng dầu, khí hoặc than (hình1.1) Chiều dài ống khoảng L=3m, đường kính ống Φ = 3cm, chiều dài đốt nóng khoảng 3cm

4

Khói

3 2

1

Hình 1.1 Lò bánh mì đốt khí với 80 ống Perkin

1- Hàng ống nhiệt 2- ống cung cấp khí đốt 3- Buồng đốt 4- Buồng nướng bánh

Năm 1929, Gay đã sử dụng ống nhiệt để tận dụng nhiệt khói thải gia nhiệt cho không khí Đó là một xy phông nhiệt 2 pha, sử dụng ống nhiệt trọng trường, có làm cánh ở bên ngoài để tăng cường truyền nhiệt, ống nhiệt đặt thẳng đứng, dòng khí nóng chuyển động phía dưới, khí lạnh chuyển động phía trên (hình 1.2) Phát minh này cho phép ứng dụng để tận dụng nhiệt thải các lò cao rất tốt

4 3 2

Khói

Không khí 1

Hình 1.2 Bộ trao đổi nhiệt dùng ống nhiệt trọng trường

1- Kênh không khí 2- Dãy ống nhiệt có cánh 3- Vách ngăn 4- Kênh khói

Năm 1942, Gaugler đã phát minh ra ống nhiệt ứng dụng hiện tượng mao dẫn ống nhiệt ở đây là các bấc mao dẫn cho phép chất lỏng từ vùng ngưng có thể di chuyển đến vùng sôi nằm ở phía trên mà không cần bơm và không có truyền nhiệt

đối lưu tự nhiên

Phát minh này đã được ứng dụng để làm lạnh một phòng nhỏ Chất lỏng trong ống mao dẫn được làm lạnh ở ngăn dưới (đá đập nhỏ) chuyển động lên trên phòng lạnh nhờ lực mao dẫn (hình 1.3) và làm lạnh không khí trong phòng

Sự quay trở về của chất lỏng ngưng từ vùng ngưng tụ đến vùng sôi được giải quyết hoàn toàn bằng một cấu trúc mao dẫn như bấc liên kết cứng Bằng sáng chế

được thừa nhận năm 1944 sau đó đã bị quên lãng Tuy nhiên với chương trình không gian của US Trefethen đề nghị sử dụng sức căng bề mặt để bơm chất lỏng và năm 1963 nguyên lý bơm mao dẫn đã được phát minh lại một cách độc lập bởi Grover và cộng sự của ông tại phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos ống nhiệt mao dẫn đầu tiên chế tạo bởi Grover và cộng sự của ông dùng nước làm môi chất công tác, tiếp đến là Na, sau đó Litium và Bạc cũng được dùng làm môi chất công tác Những năm tiếp theo, sự đầu tư vào ống nhiệt nhiệt độ thấp và cao được sự quan tâm, chú ý trên quy mô toàn cầu

Ngăn bảo quản lạnh

ống nhiệt

Vỏ thùng lạnh Lớp cách nhiệt

Đá nghiền nhỏ Ngăn chứa đá

Hình 1.3 Sử dụng ống nhiệt để làm lạnh phòng bảo quản

ống nhiệt đầu tiên làm việc ở nhiệt độ rất thấp được phát triển năm 1966 bởi Naskim tại phòng thí nghiệm air Force Flight Dynamic, Wright-Patterson air Force Base Dùng ống nhiệt như là 1 phần tử kiểm soát nhiệt độ, lần đầu tiên được sử dụng bởi hội vô tuyến Mỹ trong một bằng sáng chế ứng dụng năm 1964 Sự phát triển về công nghệ và lý thuyết cơ bản cho phần tử điều khiển nhiệt độ hay những ống nhiệt có độ dẫn rộng đã được phát triển một cách đặc biệt bởi Bienert và Brennan tại Dynatherm Corp và bởi Marcus ở TRW Sự thể hiện đầu tiên của ống nhiệt dùng môi chất là nước ở trạng thái không trọng lực được đưa ra bởi Deverall

và những người cộng sự của ông tại phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos Ngày nay, ống nhiệt đã trở thành một phần tử nhiệt tiêu chuẩn trong công nghệ vệ tinh và

vũ trụ

Phải mất nhiều thời gian để tìm ra những ứng dụng của ống nhiệt trên mặt đất ứng dụng đầu tiên được phát triển bởi hội vô tuyến Mỹ dùng làm mát các transistor Sau đó, ống nhiệt đã có những ứng dụng rộng rãi trong việc làm mát những thiết bị

điện tử rất hiệu quả (bộ trao đổi nhiệt ống nhiệt)

Những tài liệu về ống nhiệt và xi phông nhiệt 2 pha kín đã trở nên rất nhiều Báo cáo đầu tiên về lý thuyết ống nhiệt và sự hoạt động đã được viết bởi Cotter và Marcus vào năm 1965 Sau đó là 1 số báo cáo khác Sổ tay thiết kế ống nhiệt đầu tiên được viết bởi Shrabek và Bienert ở Dynatherm Corp và xuất bản bởi Trung tâm

vũ trụ có người điều khiển NASA, Houston năm 1972 Cuốn thứ 2, một sự cập nhật của sổ tay thiết kế ống nhiệt được viết bởi Brennan và Krolizek ở B&K Engineering

và xuất bản bởi Trung tâm vũ trụ NASA Godddard, Greenbelt vào năm 1978 Nhiều sách giáo khoa và những bài tổng kết cũng đã được viết

Do sự phát triển nhanh chóng của ống nhiệt mà các nhà khoa học trên thế giới

cứ 3 năm 1 lần tổ chức riêng một hội nghị khoa học về ống nhiệt gọi là IHPC (Int.Heat.Pipes Conference) Hội nghị đầu tiên tại Stuttgart 1973, Bologna 1976, Palo Alto 1978,

Một số hội nghị gần đây nhất:

+ IHPC 4 tiến hành năm 1981 ở Anh

+ IHPC 5 tiến hành năm 1984 ở Nhật

+ IHPC 6 tiến hành năm 1987 ở Pháp

+ IHPC 7 tiến hành năm 1990 ở Nga

+ IHPC 8 tiến hành năm 1992 ở Trung Quốc

+ IHPC 9 tiến hành năm 1995 ở Mỹ

+ IHPC 10 tiến hành năm 1998 ở Nhật

+ IHPC 11 tiến hành năm 2000 ở Thái lan

Đặc điểm của các hội nghị IHPC là số báo cáo khoa học ngày càng tăng, số các nhà khoa học tới dự ngày càng đông và số nước tham dự ngày càng lớn

ở Việt Nam, việc nghiên cứu ống nhiệt về mặt lý thuyết cũng như triển khai ứng dụng còn rất ít Mới chỉ có một vài công trình nghiên cứu và xây dựng mô hình thí nghiệm về ống nhiệt đã được triển khai tại bộ môn Nhiệt - Lạnh Viện Khoa học công nghệ Nhiệt - Lạnh, ĐHBK Hà nội Các nhà khoa học ở đây bước đầu đã đạt

được một số kết quả nhất định

1.2 Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt

1.2.1 Khái niệm

ống nhiệt là một phần tử trao đổi nhiệt có không gian khép kín, bên trong chứa môi chất (đơn chất hoặc hỗn hợp) và xảy ra hai quá trình chuyển pha là sôi và ngưng (hình 1.4) Vách ống thường bằng kim loại có dạng bất kỳ, nhưng thường có dạng hình ống

Phần ngưng Phần đoạn nhiệt Phần sôi

Toả nhiệt

Nhận nhiệt Dòng chất lỏng

Hơi

sôi

Nắp phần

ngưng

Bấc ngưng

Nắp phần

Hình 1.4 Cấu tạo ống nhiệt

1.2.2 Cấu tạo

ống nhiệt được chia làm ba phần: phần bốc hơi (còn gọi là phần sôi, ở đây ống nhận nhiệt); phần đoạn nhiệt (trong phần này ống không trao đổi nhiệt với bên ngoài, phần này có thể có hoặc không có); phần ngưng (ở đây ống toả nhiệt)

1.2.3 Nguyên lý hoạt động

Chất lỏng trong ống nhận nhiệt của nguồn nóng (ví dụ khói lò ) trong phần bốc hơi sẽ sôi và biến thành hơi, hơi chuyển động qua phần đoạn nhiệt tới phần ngưng Tại đây hơi toả nhiệt cho nguồn lạnh qua vách ống (ví dụ không khí ) Chất lỏng ngưng tạo thành sẽ chảy về phần bốc hơi nhờ một trong những lực sau đây: lực trọng trường, lực mao dẫn, lực ly tâm, lực điện trường, lực từ trường

Ta có thể biểu diễn quá trình làm việc của ống nhiệt trên đồ thị T- s (hình 1.5):

B

D a T

C

s

P 2

P 1

Hình 1.5 Chu trình hoạt động của môi chất trong ống nhiệt

AB- Quá trình bốc hơi xảy ra trong phần sôi ở áp suất P1

BC- Quá trình chuyển động của hơi từ phần sôi tới phần ngưng, ở đây do ma sát áp suất của hơi giảm từ P1 đến P2 (P2 áp suất hơi trong phần ngưng) Tuy nhiên

sự giảm áp suất nói chung rất nhỏ

CD- Quá trình ngưng tụ hơi tạo thành chất lỏng ngưng ở áp suất P2

DA- Quá trình chuyển động của chất lỏng ngưng theo bề mặt trong của ống nhiệt, từ phần ngưng về phần sôi nhờ lực trọng trường, lực mao dẫn, trong quá trình này chất lỏng ngưng sẽ được đốt nóng đến nhiệt độ sôi và quá trình được lặp lại

Như vậy môi chất trong ống nhiệt có thể xem đã thực hiện một chu trình

1.3 Phân loại ống nhiệt

Người ta có thể phân loại ống nhiệt theo nhiều cách

1.3.1 Theo lực tác dụng, để đưa chất lỏng ngưng quay trở lại về phần bốc hơi ta

có

a ống nhiệt trọng trường (còn gọi là xiphông nhiệt)

Trong ống nhiệt trọng trường thông thường có bề mặt bên trong nhẵn nhưng gần

đây các nhà nghiên cứu đã làm rãnh trên bề mặt bên trong ống, với mục đích tăng cường khả năng truyền tải nhiệt của ống nhiệt (hình1.6)

Phần ngưng

Phần đoạn nhiệt

Phần sôi

Toả nhiệt

Dòng chất

Nhận nhiệt

lỏng ngưng

Hơi

Hình 1.6 Mặt cắt ngang một số ống nhiệt trọng trường

Nhờ lực trọng trường, chất lỏng ngưng được đưa về phần bốc hơi Như vậy phần bốc hơi bao giờ cũng thấp hơn phần ngưng

Bề mặt trong của ống nhiệt có thể nhẵn hoặc làm rãnh Bên trong ống nhiệt có thể đặt các bộ tách dòng kiểu đục lỗ hoặc bộ tách dòng kiểu giao nhau Mục đích nhằm tăng cường khả năng trao đổi nhiệt ở các vùng sôi và vùng ngưng tụ; tăng cường khả năng truyền tải nhiệt từ vùng sôi đến vùng ngưng tụ

b ống nhiệt mao dẫn

ở đây lực tác dụng để đưa chất lỏng ngưng về phần bốc hơi là lực mao dẫn ống nhiệt thường đặt ngược hướng trọng trường: phần bốc hơi nằm cao hơn phần ngưng

Hình 1.7 Mặt cắt ngang một số ống nhiệt mao dẫn

Để tạo ra lực mao dẫn có nhiều cách:

- Làm rãnh bên trong (hình 1.7a)

- Đặt các tấm lưới kim loại sát bề mặt bên trong ống, những tấm lưới này được gọi là bấc (hình 1.7b)

- Hoặc là kết hợp cả hai loại trên (hình 1.7c)

c ống nhiệt ly tâm

ở các ống nhiệt ly tâm, chất lỏng ở phần ngưng trở về phần bốc hơi nhờ tác dụng của lực ly tâm sinh ra khi ống quay với một tốc độ nào đó (hình 1.8)

Hơi

Thân động cơ

Lỏng ngưng

Không khí Trục rỗng

Hình 1.8 ống nhiệt ly tâm

d ống nhiệt điện trường

Lực đưa chất lỏng ngưng trở về phần bốc hơi là lực điện trường

e ống nhiệt từ trường

Lực đưa chất lỏng trở về phần bốc hơi là lực từ trường

1.3.2 Theo công dụng của ống nhiệt

- ống nhiệt truyền tải nhiệt từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp hơn Trong trường hợp này ống nhiệt được coi như phần tử truyền tải nhiệt

- ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ, mục đích là giữ nhiệt độ cho một vật nào đó luôn luôn không đổi

- ống nhiệt chỉ làm nhiệm vụ truyền nhiệt một chiều (còn gọi là điôt- nhiệt)

- ống nhiệt dùng làm công tắc nhiệt

1.3.3 Theo nhiệt độ sử dụng

- ống nhiệt nhiệt độ rất thấp: nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 2000K

- ống nhiệt nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc từ 2000K đến 5500K

- ống nhiệt nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 5500K đến 7500K

- ống nhiệt nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc trên 7500K

1.3.4 Theo hình dạng ống nhiệt

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

- ống nhiệt bình hơi: chiều dài ống tương đương với đường kính ống

- ống nhiệt dạng phức tạp

1.3.5 Theo môi chất nạp

- ống nhiệt một thành phần (chỉ gồm một môi chất, tinh khiết như H20, NH3 , Frêon, Na ) Phần lớn các ống nhiệt đang sử dụng đều thuộc loại này

- ống nhiệt nhiều thành phần (nhiều chất lỏng hoà trộn với nhau) ống nhiệt thuộc loại này thường được sử dụng trong những điều kiện làm việc đặc biệt

1.4 Ưu điểm của ống nhiệt

ở đây chúng ta so sánh ưu điểm của ống nhiệt với các phần tử truyền nhiệt khác

1.4.1 Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng đều theo toàn bộ chiều dài ống Ta biết rằng

bên trong ống nhiệt xảy ra hai quá trình sôi và ngưng, áp suất trong phần ngưng và phần sôi không chênh lệch nhau nhiều, do vậy nhiệt độ ở hai vùng trên gần như nhau

1.4.2 ống nhiệt truyền tải nhiệt từ vùng nóng tới vùng lạnh không phải dùng bơm

Như vậy độ tin cậy của thiết bị tăng và trong quá trình làm việc thiết bị không gây

ồn Như ta đã biết hơi từ vùng sôi do độ chênh lệch áp suất dễ dàng chuyển động

đến vùng ngưng, ngược lại chất lỏng ngưng do tác dụng (ví dụ lực trọng trường) lại

tự chảy về vùng sôi Rõ ràng bên trong ống nhiệt xảy ra quá trình khép kín nên môi chất không cần phải có ngoại lực tác dụng

1.4.3 So với sự dẫn nhiệt bằng thanh kim loại cùng tiết diện, khả năng truyền nhiệt

từ nguồn nhiệt tới nơi tiêu thụ của ống nhiệt lớn hơn hàng chục lần Ưu điểm này là

do quá trình truyền nhiệt bên trong ống nhiệt thực hiện bởi sự biến đổi pha (sôi và

ngưng), do đó quá trình truyền nhiệt lớn gấp hàng chục lần so với sự dẫn nhiệt bằng thanh kim loại, dù là bằng bạc

1.4.4 Khi chọn môi chất thích hợp có thể bảo đảm vận hành ống nhiệt an toàn

trong khoảng nhiệt độ rộng từ -800C đến 25000C

1.4.5 Trên thực tế ống nhiệt thường được lắp đặt thành dàn hoặc thành cụm ống

Trong quá trình làm việc giả sử có một vài ống nhiệt bị hỏng thì hệ thống vẫn làm việc được Mặt khác ta có thể thay thế ống nhiệt bị hỏng ngay cả khi hệ thống đang hoạt động

1.4.6 Dùng ống nhiệt để vận chuyển nhiệt thì nhiệt từ một nguồn nóng có thể

truyền tải đến nhiều hộ dùng nhiệt ở những khoảng cách khác nhau

Chính vì những ưu điểm trên mà ngay từ khi ống nhiệt mới được phát minh, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu về lý thuyết cũng như ứng dụng

1.5 ứng dụng của ống nhiệt

Mặc dù ống nhiệt đã được tìm ra rất lâu, nhưng mới đầu chỉ ứng dụng duy nhất trong các lò nướng mì (hình 1.1), rồi sau đó nó bị lãng quên, và chỉ vào năm 1961 Groven lại phát minh ra ống nhiệt, kể từ đó đến nay nó đã được phát triển chưa từng thấy trên thế giới và việc ứng dụng nó vào kỹ thuật cũng như trong công nghiệp ngày càng đa dạng

Đầu tiên ống nhiệt được sử dụng nhiều trong công nghiệp hàng không vũ trụ, sau đó mới lần lượt thâm nhập vào các ngành công nghiệp khác nhau

Sau đây là những ứng dụng của ống nhiệt trong công nghiệp và các lĩnh vực khác

1.5.1 Sử dụng nhiệt thải của ống nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt có ưu việt và hoàn toàn thoả mãn các nhu cầu về tận dụng nhiệt thải Nhiều nước 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 bằng ống nhiệt đã được chế tạo và hoạt động tin cậy Tiệp khắc cũng đã sản xuất được hai loại thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt: Loại

N với môi chất là NH3 sử dụng trong khoảng nhiệt độ từ -250C đến 800C và loại W với môi chất nạp là H2O sử dụng trong khoảng nhiệt độ từ 500C đến 3200C

ở đây loại thiết bị trao đổi nhiệt chất lỏng - chất khí bằng ống nhiệt ít được sử dụng vì giá thành tương đối cao so với thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn đối lưu (dòng bên trong ống và dòng bên ngoài ống) Ngược lại, loại thiết bị trao đổi nhiệt loại khí- khí bằng ống nhiệt (hình 1.2) lại được ứng dụng nhiều do những ưu điểm nổi bật của nó so với loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng vách ngăn đối lưu

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

- Diện tích bề mặt truyền nhiệt rất lớn, nhưng thiết bị lại gọn, không chiếm nhiều không gian, ưu điểm này đạt được khi ta làm cánh trên bề mặt ngoài ống nhiệt

- Dòng khí nóng và dòng khí lạnh được tách riêng bởi một bề mặt cố định Do

đó tránh được hiện tượng 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 lưu động

- Khi môi chất nạp và vật liệu ống được 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, như 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 như vậy vừa tránh bụi bẩn bám trên bề mặt, vừa làm tăng hệ số toả nhiệt đối lưu tại bề mặt ngoài của ống

- Một ưu điểm nữa là thiết bị không bị ảnh hưởng của ứng suất nhiệt, điều thường 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 trường bị ăn mòn Điều này cũng đã được 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 trường, 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 được 2,1 triệu kcal/h của 250.000 m3 khí chứa SO2 ở nhiệt độ 1600C

1.5.2 Trong ngành công nghiệp điện- điện tử

Các thiết bị điện tử ngày càng có công suất lớn và thường được sản xuất dưới dạng tấm Trong trường hợp như vậy, việc giải quyết vấn đề toả nhiệt bằng phương pháp cổ điển như dẫn nhiệt qua thanh nhôm, đối lưu cưỡng bức ra môi trường bên ngoài là không còn thích hợp nữa Để giải quyết vấn đề này người ta sử dụng ống nhiệt, nó hoàn toàn đáp ứng được các nhu cầu đặt ra với thiết bị gọn nhẹ, và ống

nhiệt ở đây là ống nhiệt mao dẫn (hình 1.9)

Chúng ta biết rằng trong động cơ điện do tác dụng của dòng Fuco, nhiệt chủ yếu sinh ra từ phần rôto và stato Trước đây để làm mát động cơ người ta thổi không khí trực tiếp vào động cơ, cùng với không khí là lượng bụi bẩn nhất định gây ảnh hưởng không tốt cho động cơ

Gần đây ống nhiệt ly tâm đã được ứng dụng và thu được kết quả tốt đẹp ống nhiệt ly tâm, nó chính là trục rôto (hình 1.8) của các loại máy điện, động cơ, quạt, bơm, tua-bin và nhờ đó ta có thể lấy đi lượng nhiệt một cách có hiệu quả Với loại

động cơ này thì thiết bị gọn nhẹ đi rất nhiều

Còn 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 máy biến thế lớn

ống nhiệt cũng được dùng để làm mát các dây cáp điện Trước đây các dây cáp

điện được làm mát bằng nước nhờ hệ thống bơm Vì đường dây cáp dài, để độ chênh nhiệt độ giữa nước làm mát và dây cáp lớn thì nhiệt độ nước vào phải thấp