NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG VỚI MÔI CHẤT NẠP LÀ ETHANOL

Việc nghiên cứu môi chất nạp trong ống nhiệt trọng trường cũng được các nhà khoa học quan tâm trong đó sử dùng các loại rượu hữu cơ cho vùng nhiệt độ không cao từ 300C đến 800C đã được c

-

NGUYỄN THIÊN HOÀNG

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG VỚI

-

NGUYỄN THIÊN HOÀNG

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG VỚI

PGS TS BÙI hẢI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản Luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các

số liệu tính toán và tham khảo trong luận văn là trung thực Nếu có gì sai phạm tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Nguyễn Thiên Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Tôi mong muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với:

Lãnh đạo Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm bồi dưỡng và đào tạo sau đại học cùng tập thể các thầy cô Bộ môn Kỹ Thuật Nhiệt, Viện KH&CN Nhiệt Lạnh mà đặc biệt là thầy giáo PGS.TS Bùi Hải đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này

Trung tâm Đo lường/ Viện Công nghệ/ Tổng cục CNQP nơi tôi công tác

đã tạo điều kiện thuận lợi về mặt thời gian cũng như cơ sở vật chất

Nhân dịp này tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên và giúp đỡ tôi tôi hoàn thành bản luận văn

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Nguyễn Thiên Hoàng

TT Họ và tên Đơn vị công tác Ghi chú

1 PGS.TS Trần Gia Mỹ Viện trưởng Viện Khoa học

3 PGS TS Hoàng Văn Chước Hội Nhiệt Việt Nam Phản biện 2

4 PGS TS Trần Thế Sơn Viện Khoa học và Công

nghệ Nhiệt lạnh

Thư ký

5 PGS TS Bùi Hải Hội Nhiệt Việt Nam Ủy viên

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỈ SỐ

1 GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU

A Hằng số kích thước

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2-1: Môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc 26

Bảng 2-2: Tính phù hợp của ống nhiệt 28

Bảng 3-1: Quan hệ điện trở - nhiệt độ của đầu đo Pt 100……… 45

Bảng 3-2: Các giá trị kiểm tra các điểm đo tại nhiệt độ thường………48

Bảng 4-1: Kết quả đo tại Qi tại th = 400C……….……….55

Bảng 4-2: Kết quả đo tại Qi tại th = 600C……… ……55

Bảng 4-3: Kết quả đo tại Qi phụ thuộc góc nghiêng tại th = 400C, ξ = 50% 55

Bảng 4-4: Kết quả đo tại Qi phụ thuộc góc nghiêng tại th = 600C, ξ = 50% 56

Bảng 4-5: Kết quả đo tại Qi phụ thuộc ξ tại th = 400C……… … 56

Bảng 4-6: Kết quả đo tại Qi phụ thuộc ξ tại th = 600C……….56

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Tản nhiệt RAM máy tính của hãng OCZ và Xigmatek………… …13

Hình 1-2: Tản nhiệt CPU máy tính của hãng Noctua……… 13

Hình 1-3: Tản nhiệt Setsugen VGA - cạc đồ họa máy tính 14

Hình1- 4: Bộ thu năng lượng mặt trời……… ………… 15

Hình 1-5: Bức xạ mặt trời làm nóng các ống năng lượng 15

Hình 1- 6: Các chi tiết của ống năng lượng 16

Hình 1- 7: Ống nhiệt trên đường ống dẫn dầu alaska……… ……… 17

Hình 1-8: Cấu tạo ống nhiệt trọng trường…… ……… …………19

Hình 1-9: Cấu tạo ống nhiệt mao dẫn……… ……… ……21

Hình 1-10: Ống nhiệt ly tâm (dùng làm mát động cơ điện)……… 21

Hình 2-1: Ống nhiệt trọng trường có bề mặt nhẵn ở bên trong…… ……….…24

Hình 2-2: Các thành phần nhiệt trở của ống nhiệt……….30

Hình 2-3: Giá trị ξ của một số môi chất theo nhiệt độ……… … 23

Hình 2-4: Ảnh hưởng của lượng nạp ξ đối với Qi……… ………36

Hình 2-5: Ảnh hưởng của góc nghiêng đối với Qi……… ………36

Hình 3-1: Bộ đốt gia nhiệt………… 43

Hình 3-2: Bộ đốt được gắn trên thành ống nhiệt ……… 44

Hình 3-3: Bộ làm mát phần ngưng 45

Hình 3-4: Sơ đồ gắn đầu cảm biến nhiệt độ trên ống nhiệt………… 46

Hình 3-5: Mặt cắt bố trí đầu cảm biến nhiệt………47

Hình 3-6: Các thiết bị cảm biến và điều khiển nhiệt độ………49

Hình 4-1: Phương pháp thay đổi góc nghiên của ống nhiệt……… 54

Hình 4.2: Cảm biến nhiệt độ tại vùng đoạn nhiệt gắn theo chu vi ống ……….57

Hình 4-3: Phân bố nhiệt độ bề mặt ống theo chiều dài của ống nhiệt……… 58

Hình 4-4: Thể hiện quan hệ Qi phụ thuộc vào ∆t i tại th = 400C……….…… 59

Hình 4-5: Thể hiện quan hệ Qi phụ thuộc vào ∆t i tại th = 600C……… …….60

Hình 4-6 Ảnh hưởng của lượng nạp ξ tới công suất nhiệt Qi……… 61

MỤC LỤC

Lời cam đoan………

Mục lục………

Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t

Danh mục các bảng……….……

Danh mục các hình vẽ, đồ thị………

PHẦN MỞ ĐẦU………

1 2 5 7 8 9 CHƯƠNG I - GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NHIỆTVÀ ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT……… 10

1.1 Ống nhiệt lịch sử và sự phát triển 10

1.2 Ứng dụng của ống nhiệt……… 12

1.2.1 Làm mát linh kiện điện tử……… 12

1.2.2 Làm nóng nước sử dụng năng lượng mặt trời………… 15

1.2.3 Chống tan băng các trụ của đường ống dẫn dầu……… 17

1.2.4 Tái sử dụng nhiệt thải……… 17

1.2.5 Một số ứng dụng khác của ống nhiệt……… 18

1.3 Phân loại ống nhiệt 19

1.3.1 Phân loại theo lực tác dụng……… 19

1.3.2 Phân loại theo nhiệt độ của hơi bên trong ống nhiệt (theo nhiệt độ cần sử dụng)………

22 1.3.3 Phân loại theo hình dạng ống……… 22

1.3.4 Phân loại theo môi chất nạp trong ống……… 22

1.3.5 Phân loại theo công dụng……… 22

1.4 Ưu điểm của ống nhiệt 22

CHƯƠNG II -LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG CÓ BỀ MẶT NHẴN BÊN TRONG……… 24

2.1 Cầu tạo và nguyên lý hoạt động của ống nhiệt trọng trường……… 24

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt đồng…… 24

2.1.2 Môi chất nạp và vật liệu làm ống nhiệt……… 25

2.2 Tính công suất nhiệt của ống nhiệt trọng trường……… 29

2.3 Ảnh hưởng của lượng nạp môi chất và góc nghiêng tới công suất nhiệt trong Qi của ống nhiệt……… 35

2.3.1 Ảnh hưởng của lượng nạp……… 35

2.3.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng……… 36

2.4 Giới hạn công suất nhiệt của ống nhiệt trọng trường… 37 2.4.1 Các loại giới hạn công suất……… 37

2.4.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng Φ và lượng nạp ζ tới giới hạn lôi cuốn Qc.max……… 40

2.5 Chọn chiều dài phần sôi và phần ngưng của ống nhiệt trọng trường……… 40

CHƯƠNG III - XÂY DỰNG CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÚ NGHIỆM VỀ ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG……… 42

3.1 Xây dựng hệ thống thiết thị thí nghiệm ống nhiệt…… 42

3.1.1 Chọn và chế tạo ống nhiệt……… 42

3.1.1.1 Chọn ống nhiệt……… 42

3.1.1.2 Chế tạo ống……… 48

3.1.2 Chọn môi chất nạp……… 48

3.1.3 Sử dụng các thiết bị đo lường để ghi lại kết quả đo nhiệt độ……… 48

3.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm……… 49

3.2.1 Phương pháp đo……… 49

3.2.2 Trình tự thí nghiệm……… 50

3.2.3 Đánh giá sai số……… 51

CHƯƠNG IV XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM……… 53

4.1 Xử lý số liệu thí nghiệm……… 53

4.1.1 Cơ sở lý thuyết………

4.1.2 Số liệu thí nghiệm……… 54

4.2 Kết quả thí nghiệm……… 57

4.2.1 4.2.2 Phân bố nhiệt độ trong ống nhiệt………

Công suất nhiệt trong Qi của ống nhiệt phụ thuộc nhiệt độ………

57 57 4.2.3 Ảnh hưởng lượng nạp……… 60

4.2.4 Ảnh hưởng góc nghiêng……… 61

Kết luận 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Më ®Çu

Ống nhiệt là một phần tử truyền nhiệt kiểu mới mà ngày nay được nhiều nhà khoa học của các nước trên thế giới quan tâm nghiên cứu Ống nhiệt được nghiên cứu về mặt lý thuyết cũng như về mặt ứng dụng của nó trong các ngành công nghiệp và đời sống

Có nhiều loại ống nhiệt như: ống nhiệt trọng trường (sử dụng trọng trường), ống nhiệt mao dẫn ( sử dụng mao dẫn), ống nhiệt ly tâm (sử dụng lực ly tâm)… Ống nhiệt trọng trường có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo nên được nghiên cứu và ứng dụng khá nhiều ở các nước và cả ở Việt Nam Việc nghiên cứu môi chất nạp trong ống nhiệt trọng trường cũng được các nhà khoa học quan tâm trong đó sử dùng các loại rượu hữu cơ cho vùng nhiệt độ không cao từ 300C đến

800C đã được chú ý Ở đề tài luận văn này em chọn rượu ethanol làm môi chất

nạp trong ống nhiệt trọng trường Đề tài của em là “Nghiên cứu tính chất nhiệt

của ống nhiệt trọng trường với môi chất nạp là Ethanol” Phương pháp nghiên

cứu chủ yếu là thực nghiệm kết hợp với lý thuyết

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NHIỆT

VÀ ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT 1.1 ỐNG NHIỆT LỊCH SỬ VÀ SỰ PHÁT TRIỂN

Vào năm 1944, Gaugler đã chế tạo ra một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu

mới và là bước khởi đầu cho ống nhiệt hiện nay Tuy nhiên, do yếu tố công

nghệ của thời kỳ đó, thiết bị đã bị lãng quên trong hai thập kỷ Ý tưởng này đã

được phục hồi trong ứng dụng cho các chương trình chinh phục vũ trụ theo

gợi ý của Trefethen vào năm 1962 và sau đó là một vài ứng dụng được cấp

bằng sáng chế của Wyatt vào năm 1963 Nhưng chỉ đến khi Grover và đồng

nghiệp của ông tại phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos đã khám phá và

đưa ra các khái niệm, nguyên lý hoạt động thiết bị ống nhiệt vào cuối năm

1963; đây được coi là động lực cho việc phát triển công nghệ ống nhiệt sau

này Grover cũng đặt ra cái tên "Ống dẫn nhiệt", các ống dẫn nhiệt đầu tiên

mà Grover xây dựng sử dụng nước là chất lỏng nạp vào trong ống làm việc ở

nhiệt độ vừa phải và natri cho ống nhiệt có nhiệt độ cao khoảng 1.100

K Trong những năm tiếp theo lý thuyết và công nghệ về ống nhiệt đã được

phát triển rất mạnh

Ống nhiệt đầu tiên làm việc ở nhiệt độ thấp do Naskim phát triển vào

năm 1966 tại phòng thí nghiệm Air Force Flight Dynamic, Wright-Patterson

Air Force Base Người ta dùng ống nhiệt như là một dụng cụ để điều chỉnh

nhiệt độ lần đầu tiên 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 loại ống nhiệt

điều khiển nhiệt đã được phát triển một cách khá kỹ lưỡng bởi Bienert,

Brennan tại Dynatherm Corp và Marcus Ý tưởng đầu tiên của việc dùng ống

nhiệt với môi chất là nước ở trạng thái không trọng lực được đưa ra bởi

Deverall và những cộng sự của ông tại phòng thí nghiệm khoa học Los

Alamos [7]

Sau đó một thời gian ống nhiệt được sử dụng nhiều trong ngành hàng

không, vũ trụ Ứng dụng đầu tiên trong ngành điện tử được phát triển bởi hội

vô tuyến Mỹ khi dùng ống nhiệt mao dẫn làm mát các transistor Sau đó, ống

nhiệt được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong việc làm mát những thiết bị

điện tử và dây cáp điện ngầm dưới đất, và trong nhiều ngành công nghiệp

khác

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

thế giới khoảng 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 ở

Đức năm 1973, sau đó ở Bologna 1976, Palo Alto 1978 [6]

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 1997 ở Đức,

- IHPC 11 tiến hành năm 1998 ở Nhật,

- IHPC 12 tiến hành năm 2002 ở Nga,

- IHPC 13 tiến hành năm 2005 ở Tung Quốc,

- IHPC 14 tiến hành năm 2007 ở Brazil

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 hạn chế Mới chỉ có một vài công trình nghiên cứu ứng

dụng và xây dựng mô hình thí nghiệm về ống nhiệt trọng trường và mao dẫn

được triển khai tại Viện KH&CN Nhiệt Lạnh, ĐHBK Hà nội, ở Khoa Nhiệt

Lạnh tại ĐHBK Đà Nẵng và ở Bộ môn Nhiệt ĐHBK TP HCM Các nhà khoa

học ở đây đã bước đầu thu được một số kết quả khả quan trong quá trình

nghiên cứu

1.2 ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT

Ống nhiệt đã và đang được nghiên cứu cho nhiều ứng dụng khác nhau

của nhiều ngành công nghiệp, bao gồm ứng dụng ở lĩnh vực nhiệt độ cao như

việc sử dụng các ống nhiệt heli lỏng để hỗ trợ cho việc làm mát trong máy gia

tốc hạt, để làm mát cho hệ thống “nước nặng” của lò phản ứng hạt nhân và

ứng dụng trong kỹ thuật đo lường ở nhiệt độ cao (khoảng 20000C đến 30000C,

đến những ứng dụng khác ở nhiệt độ vừa phải và nhiệt độ thấp Dưới đây là

một số ứng dụng của ống nhiệt

1.2.1 Làm mát linh kiện điện tử

Hiện nay các ứng dụng lớn nhất của ống nhiệt về số lượng sử dụng là

làm mát của các thành phần điện tử như bóng bán dẫn, các thiết bị bán dẫn, và

các gói mạch tích hợp (hình 1.1, hình1.2 và hình 1.3)

Hình 1.1 Tản nhiệt RAM máy tính của hãng OCZ và Xigmatek

Một bộ tản nhiệt cho RAM bao gồm hai phiến kim loại được bắt chặt vào

RAM Mỗi một phiến kim loại này truyền nhiệt đến những fin tản nhiệt bằng

nhôm phía trên Điểm đặc biệt ở đây là những ống nhiệt bằng đồng chạy

xuyên suốt phiến kim loại Ống nhiệt tiếp xúc trực tiếp với chip bộ nhớ, và

dẫn nhiệt đến các fin tản nhiệt ở trên.

Hình 1.2 Tản nhiệt CPU máy tính của hãng Noctua

Hình 1.3 Các loại tản nhiệt VGA - cạc đồ họa máy tính

1.2.2 Làm nóng nước sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 1.4 Bộ thu năng lượng mặt trời

Hình 1.4, hình 1.5, hình 1.6 thể hiện bộ thu năng lượng mặt trởi kiểu ống

nhiệt

Đây là hệ thống làm việc quanh năm với chi phi thấp và hiệu quả cao

Bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi các ống năng lượng mặt trời và chuyển đổi

thành nhiệt Lượng nhiệt này được ống nhiệt ở bên trong ống năng lượng

chuyển về phía đầu ống và làm nóng nước chảy qua

Hình 1.5 Bức xạ mặt trời làm nóng các ống năng lượng

Ống năng lượng được làm từ hai ống kính bằng thủy tinh borosilacate,

ống bên ngoài trong suốt cho phép ánh sáng đi qua ít phản xạ nhất, lớp bên

trong được phủ lớp hấp thụ bức xạ Phần đầu của hai ống được hàn với nhau

và rút chân không giữa hai ống kính

Ống nhiệt

ống nhiệt nằm trong ống năng lượng Tụ chuyền nhiệt

Hình 1.6 Các chi tiết của ống năng lượng

Các ống nhiệt được sử dụng trong bộ thu năng lượng mặt trời có một

nhiệt độ sôi ở 30oC Vì vậy, khi các ống nhiệt được làm nóng trên 30oC môi

chất sẽ bay hơi Hơi môi chất tăng lên nhanh chóng và chuyển động đến trên

cùng của ống dẫn nhiệt rồi truyền nhiệt cho nước Khi nhiệt bị mất tại các tụ

(trên),hơi môi chất ngưng tụ thành chất lỏng và trở về phía dưới của ống nhiệt

để rồi một lần nữa lặp lại chu trình

1.2.3 Chống tan băng các trụ của đường ống dẫn dầu

Hình 1.7 Ống nhiệt trên đường ống dẫn dầu alaska

Ống nhiệt cũng được sử dụng để giảm sức nóng trên hệ thống ống dẫn

dầu ở vùng lạnh như Alaska Trong quá trình vận chuyển dầu, phát sinh lượng

nhiệt nóng từ dầu truyền xuống dưới chân đế là vùng đất có nước đóng băng

gây ảnh hưởng đến kết cấu của hệ thống, dẫn đến đường ống lún, sụt

xuống Để ngăn chặn điều này mỗi bệ đỡ ống được gắn với 4 ống dẫn nhiệt

thẳng đứng Gần 100.000 ống nhiệt trọng trường được dùng cho đường ống

dẫn dầu Alaska ở Mỹ Đường kính của ống nhiệt được sử dụng là 5cm và 7,5

cm, và độ dài khác nhau từ 8cm đến 18 cm

1.2.4 Tái sử dụng nhiệt thải

Thiết bị trao đổi nhiệt dùng ống nhiệt trọng trường có nhiều ưu điểm

trong đó ưu điểm quan trọng nhất là có thế làm cánh nên hoàn toàn thỏa 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, Hàn Quốc Ở Trung Quốc các thiết bị tận dụng nhiệt thải bằng ống nhiệt

đã được chế tạo và đưa vào vận hành với độ tin cậy khá cao

Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khí –khí bằng ống nhiệt trọng trường 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

- Diện tích bề mặt truyền nhiệt lớn, thiết bị nhỏ gọn, không chiếm nhiều

không gian, đặc biệt khi 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 hòa trộn hai dòng khí nóng và lạnh

- Thiết bị không cần dùng thêm ngoại lực nào ngoài việc dùng quạt cho

hai dòng chất khi 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

thỏa mãn độ tăng, 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 được bụi bẩn , vừa tăng hệ số toải nhiệt đối lưu

bề mặt ngoài của ống

- Ngoài ra, thiết bị này còn không bị ảnh hưởng của ứng suất nhiệt

Vấn đề đặt ra ở đây là phải tăng độ chịu ăn mòn của ống nhiệt khi

chúng làm việc trong môi trường khắc nghiệt, điều này cũng đã được giải

quyết bằng cách phủ một lớp chì lên bề mặt ngoài của ống nhiệt

1.2.5 Một số ứng dụng khác của ống nhiệt:

- Các ống nhiệt trọng trường có cánh bên ngoài đã được ứng dụng rất

có hiệu quả để tận dụng nhiệt thải (khói) từ các nhà máy nhất là trong công

nghiệp hoá chất do thiết bị gọn hoạt động lâu bền và có độ tin cậy cao

- Ống nhiệt được ứng dụng để làm mát các đường cáp điện đặt ngầm

dưới đất thay cho phương pháp cổ điển là dùng nước làm mát

- Ống nhiệt trọng trường được sử dụng trong việc chống đóng băng mặt

đường cao tốc và bãi đỗ xe ô tô bằng cách cắm một đầu ống nhiệt sâu xuống

đất để lấy nhiệt, còn đầu kia (phần ngưng, toả nhiệt của ống) đặt nằm ngang

dưới mặt đường và làm tan tuyết

- Trong ngành vũ trụ, người ta dùng ống nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ

của thân tàu vũ trụ Một bên con tàu bị đốt nóng bởi mặt trời còn bên kia nằm

trong bóng tối ít bị đốt nóng

1.3 PHÂN LOẠI ỐNG NHIỆT

1.3.1 Phân loại theo lực tác dụng:

Ống nhiệt trọng trường (Gravitatinal Heat pipe ):

Hình 1- 8 Cấu tạo ống nhiệt trọng trường

Phần đoạn

Phần sôiP

PQ

Trên hình 1- 8 trình bày cấu tạo ống nhiệt trọng trường (còn gọi là

xiphông nhiệt Thermosyphon) Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt này là nhờ

lực trọng trường, chất lỏng ngưng được đưa về phần bốc hơi Như vậy, phần

bốc hơi bao giờ cũng được đặt thấp hơn phần ngưng Bề mặt trong của ống

nhiệt có thể nhẵn gọi là ống nhiệt trơn hoặc làm rãnh gọi là ống nhiệt có rãnh

Bên trong ống nhiệt có thể đặt các bộ tách dòng kiểu đục lỗ hoặc giao pha gọi

là ống nhiệt tách dòng Mục đích của việc làm rãnh cũng như đặt bộ tách

dòng nhằm tăng cường khả năng truyền tải từ vùng sôi đến vùng ngưng tụ [6],

đặc biệt nhằm tăng công suất nhiệt tới hạn của ống nhiệt trọng trường (công

suất nhiệt lớn nhất ) Loại ống nhiêt trọng trường có bề mặt nhẵn bên trong sẽ

được nghiên cứu trong luận văn này

Ống nhiệt mao dẫn (Capillary Heat pipe):

Trên hình 1- 9 trình bày cấu tạo ống nhiệt mao dẫn Ở đây lực tác dụng

để đưa chất lỏng ngưng về phần bốc hơi là lực mao dẫn Ống nhiệt mao dẫn

thường được đặt ngược hướng trọng trường, phần bốc hơi sẽ nằm cao hơn

phần ngưng [1]

Để tạo ra lực mao dẫn có nhiều cách khác nhau cụ thể là:

- Làm rãnh nhỏ bên trong

- Đặt các tấm lưới bằng kim loại sát bề mặt bên trong ống, những tấm

lưới này được gọi là bấc

- Hoặc là kết hợp cả hai loại trên

Hình 1- 9 Cấu tạo ống nhiệt mao dẫn

Ống nhiệt ly tâm (Rotating Heat pipe ):

Trên hình 1- 10 trình bày ống nhiệt ly tâm dùng để làm mát động cơ

điện [10] Ở 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- 10 Ống nhiệt ly tâm (dùng làm mát động cơ điện)

1- Thân động cơ 2- Stato 3- Rôto 4- Trục rỗng (ống nhiệt)

1.3.2 Phân loại theo nhiệt độ của hơi bên trong ống nhiệt (theo nhiệt độ

cần sử dụng)

Ống nhiệt nhiệt độ rất thấp (nhỏ hơn -73 oC)

Ống nhiệt nhiệt độ thấp (từ -73 oC đến 277 oC)

Ống nhiệt nhiệt độ trung bình (từ 277 oC đến 477 oC)

Ống nhiệt nhiệt độ cao ( trên 477 oC )

1.3.3 Phân loại theo hình dạng ống

Ống nhiệt hình trụ (có chiều dài lớn gấp nhiều lần đường kính ống ),

ống nhiệt hình hộp, ống nhiệt dạng phức tạp

1.3.4 Phân loại theo môi chất nạp trong ống

Ống nhiệt một thành phần (chỉ gồm một chất lỏng như nước, amôniăc,

freon, kim loại lỏng, …) và ống nhiệt nhiều thành phần (nhiều chất lỏng hoà

trộn với nhau)

1.3.5 Phân loại theo công dụng

Ống nhiệt được sử dụng để truyền tải nhiệt từ môi chất có nhiệt độ cao

hơn đến môi chất có nhiệt độ thấp hơn gọi là ống nhiệt tải nhiệt

Ống nhiệt được sử dụng để giữ cho nhiệt độ của môi chất không đổi khi

lượng nhiệt cấp cho ống nhiệt thay đổi gọi là ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ

Ống nhiệt chỉ truyền nhiệt theo một chiều gọi là điôt - nhiệt

1.4 ƯU ĐIỂM CỦA ỐNG NHIỆT

- Độ chênh nhiệt độ giữa phần ống bị đốt nóng (phần sôi) và phần ống

để lấy nhiệt đi (phần ngưng) chỉ cần nhỏ (vài độ oC) là đủ tải lượng nhiệt lớn

từ nguồn nhiệt đến nơi cần đốt nóng Đó là do bên trong ống xảy ra quá trình

sôi và ngưng ở áp suất gần như bằng nhau (P1 ≈P2) nên nhiệt độ cũng gần như

nhau Điều này có thể nói ống nhiệt là vật truyền nhiệt hầu như không cần độ

chênh nhiệt độ hay là vật siêu dẫn, có độ dẫn nhiệt lớn hơn hàng trăm lần so

với dùng thanh kim loại để tải nhiệt

- Nhiệt từ phần sôi truyền tới phần ngưng nhờ hơi mang đi và lỏng

ngưng quay về một cách tự nhiên mà không cần nhờ tới bơm hay quạt, do vậy

độ tin cậy của ống nhiệt cao và không gây ồn Đây là ưu điểm hơn hẳn so với

truyền tải nhiệt bằng chất lỏng khi không có truyển pha (chất lỏng chảy trong

ống nhờ bơm nhận nhiệt của nguồn nhiệt nóng rồi nhả nhiệt cho vật cần đốt

nóng)

- Khi chọn môi chất nạp thích hợp, ống nhiệt có thể hoạt động an toàn

lâu dài trong dải nhiệt độ rộng, từ -80 oC đến 2500 oC

- Các ống nhiệt riêng biệt có thể được kết hợp để tạo ra cụm ống (thiết

bị ống nhiệt), trong quá trình làm việc nếu có ống nào đó bị hỏng thì toàn bộ

thiết bị vẫn hoạt động bình thường (công suất có giảm đi đôi chút do ống

hỏng), bởi vì mỗi ống nhiệt là một phần tử truyền nhiệt riêng biệt không bị

ảnh hưởng lẫn nhau

- Có khả năng tải nhiệt đi khá xa (hàng trăm mét), đó là do ống tải nhiệt

chỉ cần mức chênh nhiệt độ nhỏ và ta có thể kéo dài phần đoạn nhiệt của ống

- Khi cần tải nhiệt từ nguồn nhiệt là khói (sản phẩm cháy nhiên liệu)

đến không khí (hay chất khí nào đó), nếu dùng thiết bị kiểu vách ngăn bằng

ống vì không thể làm cánh bên trong ống nên cũng không có tác dụng khi chỉ

làm cánh bên ngoài ống, thiết bị sẽ không gọn và tốn nhiều ống Ngược lại,

nếu dùng ống nhiệt thiết bị sẽ rất gọn, người ta sẽ dễ dàng làm cánh bên ngoài

ống của phần sôi (tiếp xúc với khói) và phần ngưng (tiếp xúc với không khí)

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Ống nhiệt trọng trường có bề mặt nhẵn ở bên trong được thể hiện ở hình

2.1

Hình 2.1 Ống nhiệt trọng trường có bề mặt nhẵn ở bên trong

1 – Nắp dưới; 2- Vách ống; 3- Vách ngăn phần sôi; 4- Vách ngăn phần ngưng;

5- Nắp trên; 6- Lỗ nạp môi chất và vít; Ls, La, Ln – chiều dài phần sôi, phần

đoạn nhiệt, phần ngưng

Ống nhiệt thường có dạng hình trụ, thân ống và các nắp thường bằng kim

loại Ở nắp trên có một lỗ để nạp môi chất vào trong ống, sau đó có vít để bịt

chặt và hàn lại Ống nhiệt được chia làm ba phần, phần dưới là phần sôi (nhận

nhiệt), ở giữa là phần đoạn nhiệt (được bọc cách nhiệt), ở trên cùng là phần

ngưng tụ (thải nhiệt) Bề mặt ngoài của ống có thể làm cánh khi môi trường có

hệ số tỏa nhiệt lớn và ngược lại không làm cánh hoặc khi hệ số tỏa nhiệt nhỏ

Khi ống nhiệt nhận nhiệt tại phần sôi của ống, môi chất bên trong ống sẽ

sôi và tạo ra hơi có áp suất p1 Hơi sẽ chuyển động lên phía trên là phần ngưng

hay phần tỏa nhiệt, tại đây hơi tỏa nhiệt cho môi trường có nhiệt độ thấp hơn và

ngưng tụ lại thành chất lỏng có áp suất p2 Khi dòng hơi chuyển động lên phía

trên có tổn thất áp suất, nhưng thực tế tổn thất này rất nhỏ nên hầu hết trong đa

số các trường hợp ta coi p1 = p2 = p là áp suất hơi bão hòa trong ống nhiệt Hơi

ngưng tụ thành lỏng trên bề mặt trong ống sẽ chảy về phía phần sôi dưới tác

dụng của lực trọng trường Vì thế để ống nhiệt trọng trường hoạt động được là

phần sôi phải đặt thấp hơn phần ngưng để tạo ra lực trọng trường đưa chất lỏng

ngưng quay trở về phần sôi

2.1.2 Môi chất nạp và vật liệu làm ống nhiệt

a Chọn môi chất nạp

Môi chất nạp (chất lỏng nạp vào ống) của ống nhiệt cần phải được lựa

chọn dựa trên cơ sở nhiệt độ làm việc của ống nhiệt (nhiệt độ trung bình của hơi

trong ống th) và còn dựa vào tính phù hợp của môi chất nạp đối với vật liệu làm

ống, tính chất nhiệt vật lý và hoá học của môi chất nạp v.v…

Nhiệt độ trung bình của hơi được tính gần đúng như sau (khi ống bằng

kim loại có chiều dầy mỏng và hệ số dẫn nhiệt lớn) [4]:

th = 0,5 (tis + tin) ≈ 0,5 (tns + tnn) Trong đó:

tis - Nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần sôi (oC),

tin - Nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần ngưng (oC),

tns - Nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài ống phần sôi (oC),

tnn - Nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài ống phần ngưng (oC)

Tuỳ theo nhiệt độ làm việc của ống nhiệt mà môi chất nạp có thể là những

chất sau:

Nhiệt độ làm việc Thấp Vừa Cao

Môi chất R12, R22, NH3 Nước, rượu Hg, Na, K

- Bảng dưới đây đưa ra các môi chất nạp được sử dụng trong ống nhiệt và

khoảng nhiệt độ của nó [1]

Bảng 2-1: Môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc

Cũng cần phải lưu ý đến khía cạnh chịu nhiệt của môi chất nạp, đó là khả

năng bị phân huỷ của môi chất nạp dưới tác dụng của nhiệt Với một số môi chất

nạp là chất hữu cơ cần phải duy trì nhiệt độ của chúng thấp hơn một nhiệt độ

nào đó để cho chất hữu cơ đó không bị phân huỷ thành các thành phần khác

Như vậy, độ bền về nhiệt của môi chất nạp trong khoảng nhiệt độ làm việc cũng

được coi là tính chất cần thiết

Các yêu cầu khác của môi chất nạp:

- Có hệ số sức căng bề mặt σ lớn (đối với ống nhiệt mao dẫn)

- Có góc dính ướt θ với thành ống nhỏ (đối với ống nhiệt mao dẫn)

- Có nhiệt ẩn hoá hơi r lớn

- Có độ nhớt µ nhỏ

- Có hệ số dẫn nhiệt λ cao

- Có khối lượng riêng ρ lớn

- Môi chất nạp nếu là đơn chất phải tinh khiết, về mặt hoá học phải không

độc

Một điểm cần lưu ý là trong khoảng nhiệt độ làm việc, áp suất của hơi bão

hoà tương ứng phải có giá trị nhỏ để tốc độ của hơi không lớn, tránh gây ra độ

chênh nhiệt độ lớn làm cản trở chuyển động ổn định của nước ngưng trở về phần

sôi trong trường hợp hai dòng hơi và chất lỏng chuyển động ngược chiều Tuy

nhiên, áp suất không được quá bé, vì nếu quá bé (nhỏ hơn áp suất khí quyển) thì

dễ bị không khí bên ngoài lọt vào trong ống nhiệt Mặt khác áp suất bão hoà

không được quá lớn để tránh dùng ống nhiệt có vách dày

Ngoài các tiêu chuẩn trên cũng cần phải chú ý đến giá thành của môi chất nạp,

giá thành của vật liệu làm ống trong việc lựa chọn các môi chất nạp

b Vật liệu làm ống nhiệt

Ngoài tính chất nhiệt còn phải chú ý tác dụng tương hỗ giữa môi chất nạp

và vật liệu làm ống nhiệt Tính chất này gọi là tính phù hợp của ống nhiệt Khi ta

chọn môi chất nạp không phù hợp với việc chọn vách ống nhiệt, có nghĩa là ta

đã tạo điều kiện cho môi chất nạp tác dụng với vách ống: một mặt làm hỏng

vách ống, mặt khác tạo ra các khí không ngưng tích tụ lại ở phần ngưng của ống,

làm giảm khả năng truyền nhiệt

Tính phù hợp của ống nhiệt được thể hiện trong bảng 2-2 theo [1]

Bảng 2-2: Tính phù hợp của ống nhiệt

Vật liệu làm ống nhiệt Môi chất

Tốt : Phù hợp tốt Được :Tương đối phù hợp

Không được : Không phù hợp “- - -“ : Chưa xác định

c Cách nạp môi chất vào ống nhiệt

Sau khi đã chọn được môi chất và vật liệu làm ống, ta tiến hành bước tiếp

theo là nạp môi chất lỏng vào trong ống Ống nhiệt có hai nắp: nắp dưới và nắp

trên, nắp trên có một lỗ nhỏ để nạp chất lỏng vào trong ống Trước khi nạp, ống

nhiệt phải được cọ rửa sạch sẽ để tránh làm bẩn chất lỏng trong ống Sau khi đã

hàn nắp trên và nắp dưới vào ống nhiệt ta tiến hành nạp môi chất

Có hai phương pháp nạp môi chất vào ống như sau:

- Phương pháp hút chân không (thường dùng trong phòng thí nghiệm):

Sau khi hút chân không, ta bơm chất lỏng vào ống rồi đốt nóng và lại hút chân

không lần nữa để bảo đảm hút cả khí không ngưng có lẫn trong môi chất Cuối

cùng hàn ống lại

- Phương pháp bốc hơi (thường dùng trong công nghệ chế tạo ống nhiệt):

Sau khi bơm chất lỏng vào ống, ta đốt nóng ống đến khi chất lỏng trong ống sôi

và bốc hơi để đuổi khí không ngưng ra ngoài rồi hàn ống lại

2.2 TÍNH CÔNG SUẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG

Công suất nhiệt toàn bộ của ống được xác định theo độ chênh nhiệt độ

toàn bộ ∆t và tổng nhiệt trở R, từ hình 2.1 và theo [4] ta có:

tz: Nhiệt độ trung bình của nguồn đốt nóng (khói v.v…) khi qua bên

ngoài phần sôi của ống

tw : Nhiệt độ trung bình của môi chất lấy nhiệt (không khí v.v…) khi

qua bên ngoài phần ngưng của ống

Rz: Nhiệt trở của nguồn đốt nóng với vách ngoài ống phần sôi

Rw: Nhiệt trở của môi chất lấy nhiệt và vách ngoài ống phần ngưng

Rvs: Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống phần sôi

Rvn: Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống phần ngưng

Rs : Nhiệt trở chất lỏng sôi trong ống phần sôi

Rn : Nhiệt trở hơi ngưng tụ trong ống phần ngưng

Rh : Nhiệt trở hơi chuyển động từ phần sôi tới phần ngưng

R: Tổng nhiệt trở (K/W)

Hình 2-2 Các thành phần nhiệt trở của ống nhiệt

Nhiệt trở của từng bộ phận của ống được xác định bằng các biểu thức sau:

es z z

F

1R

α

= ;

w

1

=

.L 2d

dlnR

s i e

λπ

=

.L 2d

dlnR

n i e

vn

(2-3)

is s s F

R

1α

= ;

in n n

F

R

1α

i h

hn hs h h

Q.r

)PP(TR

ρ

−

=Trong đó: