Nghiên cứu sử dụng ống nhiệt trong bộ thu năng lượng mặt trời đun nước

Ống nhiệt được chia làm 3 phần: Phần sôi, phần đoạn nhiệt và phần ngưng Hình 1.2 Phần sôi: Phần này được đốt nóng bằng các nguồn nhiệt khác nhau, môi chất lỏng trong ống nhận nhiệt sẽ s

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới các thầy giáo trong Viện khoa học và Công nghệ Nhiệt lạnh- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ trợ về mặt thiết bị, thời gian khi tôi thực hiện bản luận văn này

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình cùng bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thiện bản luận văn này

Hà nội, ngày 29 tháng 9 năm 2008

Vũ Văn Minh

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sỹ này do tôi nghiên cứu và thực hiện với sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Hải Để hoàn thiện bản luận văn này, ngoài các tài liệu đã liệu tham khảo được kê, tôi cam đoan không sao chép các công trình hoặc luận văn tốt nghiệp của người khác

Hà nội, ngày 29 tháng 9 năm 2008

Người cam đoan

Vũ Văn Minh

TỔNG QUAN VỀ ỐNG NHIỆT……… 2

1.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ỐNG NHIỆT……… 2

.1.1 CẤU TẠO CỦA ỐNG NHIỆT……… 2

1.1.2 NGU YÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG NHIỆT……… ………… 4

1.2 PHÂN LOẠI ỐNG NHIỆT……… ………… 6

1.2.1 THEO LỰC TÁC DỤNG ĐỂ ĐƯA CHẤT LỎNG NGƯNG QUAY TRỞ VỀ PHẤN SÔI………

6 1.2.2 THEO PHẠM VI NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG……… 9

1.2.2 THEO MÔI CHẤT NẠP……….……… 9

CHƯƠNG 2………

ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG CÓ BỀ MẶT NHẴN BÊN TRONG…… 18

2.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG………

18 2.1.1 CẤU TẠO……… ……… ……… ………… 18

2.1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ……….……… ……… ……… 19

2.1.3 CHON MÔI CHẤT NẠP CHO ỐNG NHIỆT ……… ……… ……… 20

2.2 TÍNH TOÁN ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG CÓ BÈ MẶT NHẴN BÊN TRONG……… ………

25 2.2.1 TRỞ KHÁNG THỦY LỰC……… ……… 25

2.2.2 CÔNG SUẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT.……… 25

2.2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG NẠP MÔI CHẤT VÀ GÓC NGHIÊNG TỚI CÔNG SUẤT NHIỆT TRONG Q I CỦA ỐNG NHIỆT.………

36

TRỌNG TRƯỜNG ……… ………

CHƯƠNG 3………

BỨC XẠ MẶT TRỜI……….……… 43

3.1 TỔNG QUAN BỨC XẠ MẶT TRỜI……… 43

3.1.1 MẶT TRỜI……… 43

3.1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ BỨC XẠ……… 45

3.2 BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI(COLLECTOR).……… 58

3.2.1 BỘ THU DẠNG TẤM PHẲNG……… ……… 58

3.2.2 BỘ THU DẠNG TẬP TRUNG.……… ……… 69

3.2.3 BỘ THU DẠNG TẤM HÚT CHÂN KHÔNG… ……… 73

3.2.4 BỘ THU KIỂU ỐNG NHIỆT……… ……… 76

3.3 TÍNH TOÁN NHIỆT BỨC XẠ……… 78

3.3.1 NHIỆT BỨC XẠ MẶT TRỜI TỚI BÈ MẶT NGHIÊNG………… 78

3.3.2 BỨC XẠ MẶT TRỜI XUYÊN QUA KÍNH VÀO KHÔNG KHÍ BÊN TRONG……… ……… 85

3.3.3 BỨC XẠ MẶT TRỜI BÊN TRONG NHẬN ĐƯỢC TỪ BỀ MẶT HẤP THỤ CỦA BỘ HẤP THỤ (COLLECTOR).……… 86

CHƯƠNG 4………

TÍNH TOÁN BỘ THU ỐNG NHIỆT CHÂN KHÔNG ……… 87

4.3 HIỆU SUẤT NHIỆT CỦA BỘ THU NĂNG LƯỢNG ỐNG NHIỆT

CHÂN KHÔNG……….….…

93 4.4 XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT NHIỆT CỦA MỘT ỐNG Q1……… 93

4.5 XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT HẤP THỤ BỨC XẠ ……… 100

CHƯƠNG 5………

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ỐNG NHIỆT CHÂN KHÔNG ………

101 5.1 THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ THU ỐNG NHIỆT CHÂN KHÔNG……… 101

5.1.1 CÁC BỘ PHẬN CỦA BỘ THU……… 101

5.1.2 THÙNG CHỨA NƯỚC……….……… 102

5.1.3 ỐNG NHIỆT……….……….……… 102

5.1.4 GIÁ ĐỠ……….……….……… 104

5.1.5 TẤM PHẢN XẠ ……….……….……… 104

5.2 THÍ NGHIỆM BỘ THU ỐNG NHIỆT CHÂN KHÔNG……… 105

5.2.1 ĐO NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT NGOÀI ỐNG NHIỆT VÀ NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ NGOÀI TRỜI ……….………

105 5.2.2 ĐO NHIỆT ĐỘ CỦA NƯỚC TRONG THÙNG.….……… 106

5.3 XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ỐNG NHIỆT CHÂN KHÔNG………

107

M Ở ĐẦU

Ống nhiệt là một phần tử truyền nhiệt mới có nhiều tính năng tốt hơn so với các phần tử truyền nhiệt cũ Bởi vậy ngày nay ống nhiệt ngay càng được các nhà khoa học của nhiều nước trên thế giới tiến hành nghiên cứu và triển khai ứng

dụng Một trong những lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của ống nhiệt là sử

dụng trong bộ thu năng lượng mặt trời

Ở Việt Nam ta nguồn năng lượng mặt trời khá nhiều chúng ta đã và đang nghiên cứu tận dụng nguồn năng lượng mặt trời này cho qúa trình sấy, cho máy

lạnh hấp thụ và cho bộ cấp nước nóng mặt trời của các gia đình Với mục đích nâng cao hiệu quả và hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời, em đã tiến hành nghiên cứu sử dụng ống nhiệt chân không cho bộ thu với đề tài “ Nghiên cứu sử dụng ống nhiệt chân không cho bộ thu năng lượng mặt trời” Phương pháp nghiên cứu em chọn là kết hợp lý thuyết và thực nghiệm Mục tiêu trước mắt là nghiên cứu chế tạo bộ thu năng lượng mặt trời dùng ống nhiệt chân không cho bình nước nóng mặt trời của các hộ gia đình, sau đó sẽ triển khai nghiên cứu dùng bộ thu ống nhiệt chân không này cấp không khí nóng cho thiết bị sấy, cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thụ

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ỐNG NHIỆT

Ống nhiệt được sáng chế từ rất lâu tuy nhiên việc nghiên cứu ứng dụng nó mới chỉ phát triển mạnh trong vài thập kỷ gần đây Nguyên tắc của quá trình truyền nhiệt cơ bản giống nhau ở các loại ống nhiệt nhưng công suất nhiệt phụ thuộc vào cấu tạo của ống nhiệt và điều kiện làm việc của nó Bằng cách thay cấu trúc của ống, lượng và loại môi chất nạp trong ống các nhà khoa học chế tạo

ra các loại ống nhiệt khác nhau có khả năng ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp và cuộc sống

1.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG NHIỆT

1.1.1 C ẤU TẠO CỦA ỐNG NHIỆT

Ống nhiệt là một ống thường làm bằng kim loại hàn kín hai đầu trong đó

có chứa một lượng môi chất lỏng xác định (Hình 1.1) Tuỳ theo từng loại ống mà phía trong ống có thể trơn, xẻ rãnh hoặc gắn lưới mao dẫn, phía ngoài cũng có

thể trơn hoặc làm cánh tản nhiệt

Hình 1.1. Ống nhiệt

Ống nhiệt được chia làm 3 phần:

Phần sôi, phần đoạn nhiệt và phần ngưng (Hình 1.2)

Phần sôi: Phần này được đốt nóng bằng các nguồn nhiệt khác nhau, môi

chất lỏng trong ống nhận nhiệt sẽ sôi và hơi bão hoà được tạo thành

Phần đoạn nhiệt: Hơi bão hoà từ phần sôi sẽ chuyển động qua phần đoạn

nhiệt lên phần ngưng Sở dĩ gọi là phần đoạn nhiệt vì ở phần này không thực hiện quá trình trao đổi nhiệt nghĩa là ống được bọc cách nhiệt bên ngoài ở phần

này Phần này có thể có hoặc không có

Phần ngưng : Hơi bão hòa lên tới phần ngưng nhả nhiệt cho môi chất làm

mát ở bên ngoài ống và ngưng lại Nước ngưng sẽ quay về phần sôi nhờ lực trọng trường , lực mao dẫn hay lực ly tâm,…

Bề mặt bên trong ống nhiệt có thể nhẵn, được xẻ rãnh hoặc có cấu trúc bấc Hơi môi chất di chuyển bên trong lòng ống, chất lỏng ngưng di chuyển về phần sôi ở bề mặt trong của ống Cánh có thể được gắn vào bên ngoài phần sôi

và phần ngưng tụ để tăng diện tích bề mặt và tăng cường quá trình truyền nhiệt, tùy thuộc vào từng ứng dụng

thu nhiÖt

Hình 1 2 Sơ đồ cấu tạo của ống nhiệt

Táa nhiÖt Táa nhiÖt

thu nhiÖt

PhÇn ®o¹n nhiÖt PhÇn ng­ng

PhÇn

V¸ch èng Dßng h¬i Dßng m«i chÊt

1.1.2 NGUYÊN LÝ HO ẠT ĐỘNG CỦA ÔNG NHIỆT

Chất lỏng trong ống nhận nhiệt của nguồn nóng (ví dụ khói lò, năng lượng bức xạ mặt trời, ) trong phần sôi sẽ sôi và biến thành hơi, hơi chuyển động qua

phần đoạn nhiệt tới phần ngưng Tại đây hơi toả nhiệt cho nguồn làm mát qua vách ống (ví dụ không khí, nước, ) Chất lỏng ngưng tạo thành sẽ chảy về phần sôi nhờ một trong những lực sau đây: lực trọng trường, lực mao dẫn, lực ly tâm, lực điện trường, lực từ trường

Áp suất và nhiệt độ làm việc bên trong ống nhiệt chính là áp suất và nhiệt

độ hơi của chất lỏng nạp bên trong ống nhiệt

Các quá trình làm việc của ống nhiệt được biểu diễn trên đồ thị T-s (Hình l.3), trong đó:

AB - quá trình sôi 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 Pl đến P2 (P2 - áp suất hơi trong phần ngưng) Tuy nhiên thông thường sự giảm áp này là 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 qua phần đoạn nhiệt về phần sôi nhờ lực trọng trường, lực mao

dẫn, và quá trình được lặp lại (trong quá trình này áp suất của chất lỏng tăng lên do lực trọng trường…để thắng sức cản ma sát giữa chất lỏng và bề mặt trong của ống) Như vậy môi chất trong ống nhiệt đã thực hiện một chu trình hay một

vòng tuần hoàn kín mà không cần tới ngoại lực do bơm hay do quạt tạo ra như ở các phần tử trao đổi nhiệt khác

Hình 1.3 Quá trình ho ạt động của ống nhiệt trên biển đồ T-s

1.2 PHÂN LOẠI ỐNG NHIỆT

Có thể phân loại ống nhiệt theo nhiều cách: Theo lực tác dụng lên chất

lỏng, theo nhiệt độ hơi, theo mục đích sử dụng, theo hình dạng ống…

1.2.1 THEO L ỰC TÁC DỤNG ĐỂ ĐƯA CHẤT LỎNG NGƯNG QUAY TRỞ

Bề mặt trong của ống nhiệt có thể nhẵn gọi là ống nhiệt trơn hoặc làm rãnh (các rãnh này có kích thước tương đối lớn) gọi là ống nhiệt có rãnh hoặc có đặt một bộ tách dòng (hơi và chất lỏng) 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 nhiệt từ vùng sôi đến vùng ngưng tụ, đặc biệt nhằm tăng công suất tới hạn của ống nhiệt trọng trường (công suất nhiệt lớn nhất) Ta nhận thấy ống nhiệt trọng

trường có bề mặt nhẵn bên trong là loại có cấu tạo đơn giản và dễ chế tạo nhất

bởi vậy có nhiều khả năng ứng dụng cho những trường hợp thông thường

2 )Ống nhiệt mao dẫn ( Capillary heat pipe )

Hình 1.5 Ống nhiệt mao dẫn

Trong ống nhiệt mao dẫn (Hình l.5), lực tác dụng để đưa chất lỏng ngưng

về phần sôi là lực mao dẫn ống nhiệt mao dẫn có thể được đặt ngược hướng

trọng trường nghĩa là phần sôi nằm cao hơn phần ngưng Chúng ta nhận thấy ống nhiệt mao dẫn có cấu tạo phức tạp hơn ống nhiệt trọng trường, tuy nhiên có những tính năng tốt hơn nhất là ống có thể làm việc ở vị trí đặt nằm ngang hoặc

phần sôi (đốt nóng) cao hơn phần ngưng (tỏa nhiệt) tức ngược hướng trọng trường

3) Ống nhiệt ly tâm (Rotating heat pipe)

Ống nhiệt ly tâm được ứng dụng thành công trong việc làm mát các động

cơ cơ điện Phương pháp cổ điển là dùng không khí thổi vào stato động cơ ( thiết

bị dễ bị bụi bẩn và khó lấy nhiệt từ rôto) Khi sử dụng ống nhiệt, trục động cơ trên có rôto sẽ là trục rỗng bên trong là ống nhiệt chứa nước, nước sẽ lấy nhiệt từ rôto và stato truyền ra ngoài qua các cánh tản nhiệt được nhiều hơn và động cơ không bị bụi bẩn

Trong các ống nhiệt ly tâm, chất lỏng ở phần ngưng trở về phần sôi nhờ tác dụng của lực li tâm sinh ra khi ống quay với một tốc độ nào đó (Hình 1.7)

Hình1 7 Ống nhiệt ly tâm làm mát động cơ điện

1 - Thân động cơ 2- Stato

3 - Rôto 4- Trục và ống nhiệt

4) Ống nhiệt điện trường(Electrohydrodynamic heat pipe)

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

5) Ống nhiệt từ trường(Magnetohydrodynamic heat pip )

Lực đưa chất lỏng về phần sôi là lực từ trường

6) Ống nhiệt thẩm thấu (Osmotic heat pipe)

Lực đưa chất lỏng ngưng về vùng sôi là lực thẩm thấu

1.2.2.THEO PH ẠM VI NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG

Phạm vi nhiệt độ thường sử dụng của ống nhiệt tương đối rộng từ -800C đến trên 25000C, Có thể chia phạm vi nhiệt độ sử dụng theo các mức độ thấp, trung bình và cao

• Ống nhiệt nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc từ -800C đến 500C

• Ống nhiệt nhiệt độ vừa phải: nhiệt độ làm việc từ 500C đến 2800C

• Ống nhiệt nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 2800C đến 4800C

• Ống nhiệt nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc từ 4800C đến trên 15000C

1.2.4 THEO MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG ỐNG NHIỆT

• Ống nhiệt tải nhiệt thực hiện quá trình truyền nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn

• Ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ sử dụng để giữ cho nhiệt độ của môi chất có nhiệt độ thấp hơn không đổi khi lượng nhiệt cấp cho ống nhiệt thay đổi Hoạt động của loại ống nhiệt này như là một Thermostat

• Ống nhiệt truyền nhiệt một chiều gọi là diot nhiệt

1.2.5 THEO HÌNH DẠNG ỐNG

• Ống nhiệt hình trụ

• Ống nhiệt hình hộp

• Ống nhiệt dạng phức tạp

1.3 ƯU ĐIỂM CỦA ỐNG NHIỆT

So với các phần tử truyền nhiệt khác, ống nhiệt có những ưu điểm sau:

• Ống nhiệt có tính siêu dẫn nhiệt Thí dụ một ống nhiệt đường kính 14mm, dài 600mm, làm bằng crom - niken chứa natri lỏng có hệ số dẫn nhiệt tương đương bằng l06w/m.K, nghĩa là gấp 10.000 lần hệ số dẫn nhiệt của hợp kim đồng 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 nhiều lần so với sự dẫn nhiệt bằng thanh kim loại dù là bằng

bạc

• Ống nhiệt truyền được một lượng nhiệt lớn cả ở khoảng cách khá xa trong khi hiệu nhiệt độ chỉ chênh vài độ Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng đều theo toàn bộ chiều dài ống, áp suất trong phần ngưng và phần sôi không chênh lệch nhau nhiều

• Ống nhiệt có thể truyền tải lượng nhiệt lớn mà không cần đến các thiết bị phụ như bơm, vì vậy thiết bị làm việc với độ tin cậy cao, không gây tiếng

ồn

• Với thiết bị trao đổi nhiệt loại khí - khí nếu dùng ống nhiệt ta có thể làm cánh ở bên ngoài ống, phần tiếp xúc với khí nóng (khói), khí lạnh (không khí) nên thiết bị rất gọn

• Khi chọn môi chất nạp bên trong ống nhiệt thích hợp có thể bảo đảm vận hành ống nhiệt an toàn trong khoảng nhiệt độ rộng từ -800C bến 25000C

• Trên thực tế ống nhiệt thường được lắp đặt thành dàn ống 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 dễ dàng thay thế các ống nhiệt bị hỏng ngay cả khi hệ thống đang hoạt động

• Nguồn nhiệt cấp cho phần nóng của ống nhiệt rất đa dạng, có thể là sản

phẩm cháy của nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng, các khí thải, hơi nước, năng lượng mặt trời

• Nhiệt từ một nguồn nóng có thể truyền tải đến nhiều hộ dùng nhiệt ở

những khoảng cách khác nhau khá xa mà cần hiệu nhiệt độ khá nhỏ

1.4 ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT

Ống nhiệt tuy đã được tìm ra từ lâu nhưng gần đây người ta mới thấy được

hết những ưu điểm của nó và việc nghiên cứu lý thuyết cũng như ứng dụng của ống nhiệt ngày càng được triển khai mạnh tại nhiều nước trên thế giới Các nhà khoa học nghiên cứu về ống nhiệt trên thế giới khoảng 2 hoặc 3 năm lại gặp nhau trong hội nghị quốc tế về ống nhiệt gọi là IHPC (In Heat Pipes Conference ) IHPC lần thứ 14 được tổ chức tại Brazil năm 2007

Dưới đây chúng ta nêu lên một số ứng dụng của ống nhiệt

• Đã từ lâu do ưu điểm của ống nhiệt là nhiệt độ bề mặt phần toả nhiệt (phần ngưng của ống) đồng đều và ít thay đổi, nên ống nhiệt trọng trường với môi chất

nạp là nước đặt nghiêng (góc nghiêng so với phương nằm ngang khoảng 50 ) được ứng dụng để làm các lò nướng bánh dùng nhiên liệu than, dầu khí

• 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, bởi vì thiết bị gọn hoạt động lâu bền có độ tin cậy cao Ví dụ, hãng Furakawa của Nhật Bản đã sử dụng 1700 ống nhiệt trọng với môi chất nạp là

H2O, mỗi ống dài 8,5 m, bên ngoài ống phủ một lớp chì để chống hiện tượng ăn mòn của SO2 Kết quả đã tận dụng được 2.1 triệu kcal/h của 250.l03 m3 khí thải

của các nhà máy hoá chất chứa SO2ở nhiệt độ khói thải l60oC

• Ống nhiệt mao dẫn dạng hình hộp được ứng dụng có hiệu quả để làm mát các linh kiện điện tử có công suất lớn, thay cho phương pháp cổ điển là dẫn nhiệt qua thanh nhôm Ở đây nhiệt từ các linh kiện điện tử truyền cho môi chất trong ống nhiệt rồi toả ra ngoài qua các cánh toả nhiệt gắn ở phần đuôi dưới của ống nhiệt

• Ống nhiệt ly tâm được ứng dụng thành công trong việc làm mát các động

cơ điện Phương pháp cổ điển là dùng không khí thổi vào stato để làm mát động

cơ (thiết bị dễ bị bụi bẩn và khó lấy nhiệt từ rôto) Khi sử dụng ống nhiệt, trục động cơ trên có rôto rỗng bên trong (là ống nhiệt) chứa H2O Nước sẽ lấy nhiệt

từ rôto và stato truyền ra ngoài qua các cánh tỏa nhiệt Nhiệt sẽ lấy đi được nhiều hơn và động cơ không bị bụi bẩn

• Ống nhiệt với chiều dài tới hàng trăm mét đã được ứng dụng để làm mát các đường cáp điện đặt ngầm dưới đất thay cho phương pháp cổ điển dùng nước làm mát (chảy trong ống đặt cạnh dây cáp nhờ hệ thống bơm) Hãng Furakawa

đã chế tạo ống nhiệt mao dẫn dài 200 m đặt dọc theo đường cáp điện để làm mát dây cáp Kết quả thí nghiệm cho thấy nếu không làm mát, 12 dây cáp ngầm đặt trong kênh dẫn sẽ có nhiệt độ 107oC, nếu dùng một ống nhiệt thì nhiệt độ của dây cáp giảm còn 82oC ( khi dùng ống nhiệt không cần dùng tới hệ thống bơm nước như trường hợp dùng nước làm mát)

• Ống nhiệt được sử dụng trong các bộ thu năng lượng mặt trời nhằm nâng cao độ tin cậy và giảm chi phí cho việc bơm nước so với bộ thu kiểu cũ

• Ống nhiệt trọng trường được sử dụng trong việc chống đóng băng mặt đường cao tốc và bãi đỗ xe ôtô thay cho phương pháp cũ là phải dùng hệ thống hơi nước hoặc nước nóng rất tốn kém Người ta cắm một đầu ống nhiệt sâu

xuống đất để lấy nhiệt (vì nhiệt độ trong lòng đất lớn hơn nhiệt độ bề mặt), còn đầu kia (phần ngưng, tỏa nhiệt của ống) đặt nằm ngang dưới mặt đường toả nhiệt làm nóng mặt đường và làm tan tuyết

• Ống nhiệt trọng trường sử dụng để chế tạo các calorife cho thiết bị sấy

• Ống nhiệt còn được dùng để bảo quản thực phẩm trong các xe tải chuyên

chở không có máy lạnh Ở đây thùng xe được chia làm hai phần, phần nhỏ chứa nước đá có cắm các ống nhiệt trọng trường đặt nghiêng, phần lớn của thùng xe chứa thực phẩm có phần còn lại của ống nhiệt Ống nhiệt sẽ nhận nhiệt từ thực

phẩm cần bảo quản truyền cho nước đá Nếu không dùng ống nhiệt thì phải cho nước đá tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm và có thể làm hỏng thực phẩm

• Trong ngành ôtô, ống nhiệt được dùng để điều chỉnh nhiệt độ nước làm mát động cơ, làm mát hay đốt nóng dầu trong xe, sưởi ấm ca bin nhờ lượng nhiệt thải qua ống xả

• Ống nhiệt còn được sử dụng để làm mát các bức tường, trần nhà bằng bê tông của các toà nhà trong mùa hè Hàng loạt ống nhiệt trọng trường được cắm vào trong tường nhà, đầu kia hở ra ngoài trời Vào buổi tối khi không còn ánh

nắng mặt trời và nhiệt độ không khí đã giảm xuống, đầu hở của ống nhiệt sẽ nhanh chóng toả nhiệt lấy từ bên trong tường bê tông ra ngoài không khí Toà nhà nhanh chóng được làm mát, phần còn lại là nhiệm vụ của các máy điều hoà nhiệt độ Như vậy, nhờ có ống nhiệt mà năng lượng cần thiết cho các máy điều hoà sẽ giảm và toà nhà nhanh chóng được làm mát

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

1.5 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ỐNG NHIỆT

Ống nhiệt đã được phát minh ra từ rất lâu (1836) , sau đó bị lãng quên Từ những năm 1970 về sau, ống nhiệt mới thực sự được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm chú ý nghiên cứu Sự nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng của ống nhiệt kể từ đó ngày càng phát triển không chỉ ở những nước công nghiệp mà cả

ở những nước đang phát triển

• Có thể nói Perkin là người đầu tiên đã phát minh ra ống nhiệt Lò nướng bánh mỳ dùng ống nhiệt trọng trường do Perkin sáng chế ra từ 1836 và được phổ biến rộng rãi trong thời gian này.Ống nhiệt trọng trường của Perkin là

ống nhiệt bằng thép cacbon bên trong là nước Ống được đốt nóng bằng dầu khí

hoặc than

• Năm 1929, Gay là người đầu tiên sử dụng ống nhiệt trọng trường để

tận dụng nhiệt khói thải đốt nóng không khí Các ống nhiệt này được làm cánh ở bên ngoài Phát minh này cho phép tạo ra khả năng tận dụng nhiệt thải của các lò cao rất tốt

• Năng 1942, Gaugler là người đầu tiên phát minh ra ống nhiệt mao

dẫn Ở đây bên trong ống có đặt một lớp kim loại gọi là bấc để tạo ra lực hút

chất lỏng từ vùng ngưng đến vùng sôi (đặt trên cao ) mà không cần dùng bơm Ống nhiệt mao dẫn này được ứng dụng để làm lạnh phòng bảo quản thực

phẩm.Sự phát minh này lúc đó chưa được hãng General Motors (nơi Gaugler làm

việc) ứng dụng trong ngành lạnh và bị lãng quên

• Năm 1962, Trefethen trong chương trình nghiên cứu vũ trụ của Mỹ

đã có những ý tưởng sử dụng lại ống nhiệt Tuy nhiên sự phát triển thực sự của ống nhiệt bắt đầu từ những phát minh của Grover và cộng sự của ông tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở bang New Mehico vào năm 1963,1964,1966

Ở đây Grover đã chế tạo ra một số loại ống nhiệt đầu tiên sử dụng nước làm môi

chất sau đó dùng kim loại lỏng như Natri, Li và bạc ở nhiệt độ 1100K

• Năm 1965, Cotter lần đầu tiên cho xuất bản tài liệu nghiên cứu về ống nhiệt , kể từ đó sự nghiên cứu về ống nhiệt mới phát triển rộng rãi tại các nước công nghiệp phát triển như Mỹ ,Anh ,Ý ,Đức ,Pháp,Liên Xô(USSR)

• Những sách về ống nhiệt đầu tiên được xuất bản là của S.W.Chi(1976) , Dunn and Reay (1982) , Ivanovski (1982)

• Vì tầm quan trọng của ống nhiệt mà các nhà khoa học trên thế giới

đã họp nhau khoảng 2,3 năm một lần tại hội nghị quốc tế về ống nhiệt gọi là IHPC (In Heat Pipe Conference).Các hội nghị IHPC được tổ chức tại các nước như sau :

IHPC 1 tiến hành năm 1973 tại Stuttgart – Đức

IHPC 2 tiến hành năm 1976 tại Bologna -Ý

IHPC 3 tiến hành năm 1978 tại Palo Alto

IHPC 4 tiến hành năm 1981 tại London -Anh

IHPC 5 tiến hành năm 1984 tại Tsukuba –Nhật

IHPC 6 tiến hành năm 1987 tại Grenoble- Pháp

IHPC 7 tiến hành năm 1990 tại Minsk - Nga

IHPC 8 tiến hành năm 1992 tại Bắc Kinh - Trung Quốc

IHPC 9 tiến hành năm 1995 tại New Mexico - Mỹ

IHPC 10 tiến hành năm 1997 tại Stuttgart - Đức

IHPC 11 tiến hành năm 1999 tại Tokyo - Nhật Bản

IHPC 12 tiến hành năm 2002 tại Moscow - Nga

IHPC 13 tiến hành năm 2005 tại Thượng Hải -Trung Quốc

IHPC 14 tiến hành năm 2007 tại Florianopolis –Brazil

Ở Việt Nam sự nghiên cứu về ống nhiệt mới chỉ là những bước đi đầu tiên

tại viện khoa học nhiệt lạnh Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và khoa nhiệt –trường Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Hiện nay bộ thu năng lượng mặt trời dùng ống thủy tinh chân không đang được sử dụng khá nhiều tuy nhiên nếu ứng dụng ống nhiệt sẽ có hiệu quả tốt hơn Đó cũng là lý do mà tôi chọn đề tài là nghiên cứu sử dụng ống nhiệt chân không thủy tinh trong bộ thu năng lượng mặt trời để đun nước nóng và chế tạo toàn bộ bộ thu năng lượng mặt trời dùng ống nhiệt chân không thủy tinh Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết và thực nghệm

b) Không có phần đoạn nhiệt, có cánh bên ngoài ống

1- Nắp dưới 2 - Vách ống 3 -Vách ngoài phần sôi 4 - Vách ngăn

phần ngưng 5 - Nắp trên 6 - Lỗ nạp môi chất và vít 7 - Cánh( tròn hay chữ nhật) 8 - Vách ngăn

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 ( thép, đồng , nhôm…) Ở nắp trên có một lỗ để nạp môi chất ( chất lỏng ) vào trong ống , sau đó có vít bịt chặt và hàn lại Ống nhiệt được chia làm 3 phần ( hình 2-1-a ) hoặc chỉ có 2 phần ( hình 2-1-b) Ở đây, phần dưới là phần sôi ( nhận nhiệt cấp vào ví dụ từ khói nóng,…), ở giữa là phần đoạn nhiệt ( ở đây ống được bọc cách nhiệt và không trao đổi nhiệt với bên ngoài, phần này có thể không có ), ở trên là phần ngưng tụ ( thải nhiệt Q cho nguồn có nhiệt độ thấp hơn

ví dụ cho không khí, …) Mặt ngoài ống nhiệt có thể không làm cánh ( ví dụ khi tiếp xúc với chất lỏng có hệ số tỏa nhiệt đối lưu lớn ) hoặc có làm cánh ( khi tiếp xúc với chất khí như khói hay không khí có hệ số tỏa nhiệt đối lưu nhỏ )

2.1.2 NGUYÊN LÝ HO ẠT ĐỘNG

Khi ống nhận nhiệt ( từ quá trình đốt cháy nhiên liệu , từ khói thải của các nhà máy , từ năng lượng mặt trời, … ) ở phần sôi hay phần cấp nhiệt của ống,

chất lỏng bên trong ống ( như nước, môi chất lạnh, kim loại lỏng…) sẽ sôi và tạo

ra hơi ở áp suất p1 Hơi tạo ra sẽ chuyển động lên phía trên là phần ngưng hay phần tỏa nhiệt của ống Tại đây hơi tỏa nhiệt cho môi trường có nhiệt dộ thấp hơn ( như không khí…) và ngưng tụ lại thành chất lỏng ở áp suất p2 Khi dòng hơi chuyển động có tổn thất áp suất nên p1>p2, nhưng tổn thất áp suất này nhỏ nên đa số các trường hợp ta coi p1=p2=p là áp suất của hơi bão hòa trong ống

nhiệt Chất lỏng ngưng được tạo ra tại bề mặt trong ống ở phần ngưng sẽ chảy

về phần sôi ở phía dưới nhờ lực trọng trường Như vậy điều kiện để ống nhiệt

trọng trường có thể hoạt động được là phần cấp nhiệt ( phần sôi ) phải đặt thấp hơn phần tỏa nhiệt ( phần ngưng ) để tạo ra lực trọng trường tác dụng tới chất lỏng ngưng quay về phần sôi

1 , Chọn môi chất theo nhiệt độ làm việc của ống nhiệt

Nhiệt độ làm việc của ống nhiệt được hiểu là nhiệt độ trung bình của hơi trong ống th Nhiệt độ trung bình của hơi được tính gần đúng như sau:

th = 0,5 (tis + tin) 0,5 (tes + ten)

Ở đây :

tis - nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần sôi (o C)

tin - nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần ngưng (o C)

tes - nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài phần sôi (o C)

ten - nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài phần ngưng (o C)

Tùy theo nhiệt độ làm việc của ống nhiệt mà môi chất nạp có thể là những chất sau:

Trong khoảng nhiệt độ thấp là cỏc mụi chất lạnh như: RI2, R22, R111,~ NH3… Trong khoảng nhiệt độ vừa là nước, rượu,

Trong khoảng nhiệt độ cao là kim loại lỏng như Hg, Na, K,

Bảng 2-1 chỉ ra cỏc mụi chất nạp được sử dụng trong ống nhiệt và khoảng nhiệt độ của nú

Cũng cần phải lưu ý đến khớa cạnh nhiệt của mụi chất nạp, đú là khả năng bị phõn huỷ của mụi chất nạp dưới tỏc dụng của nhiệt Với một số mụi chất

nạp là chất hữu cơ cần phải duy trỡ nhiệt độ của chỳng thấp hơn một nhiệt độ nào

đú để cho chất hữu cơ đú khụng bị phõn huỷ thành cỏc thành phần khỏc

B ảng 2.1.Mụi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc

Môi chất Nhiệt độ nóng

chảy ( 0C )

Nhiệt độ sôi ở p

= 1at ( 0C )

Khoảng nhiệt dộ làm việc ( 0C )

Đối với ống nhiệt mao dẫn, nếu gặp phải trường hợp này thì các phản ứng giữa môi chất nạp và vách ống sẽ gây ra những sản phẩm phụ Những sản phẩm này sẽ chuyển về vùng sôi tụ lại ở đó làm cho trở kháng thủy lực của cấu trúc mao dẫn tăng lên, các lỗ mao dẫn có nguy cơ bị bịt kín một phần hay bịt kín hoàn toàn

Tính phù hợp của ống nhiệt đã được nghiên cứu , kết quả của chúng được trình bày ở bảng 2.2.

3, Chọn theo các yêu cầu khác của môi chất

a) Theo tính chất vật lý, hóa học của môi chất nạp

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

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

- Có nhiệt ẩn hoá hơi r lớn

- Có độ nhớt nhỏ

- Có hệ số dẫn nhiệt cao

- Có khối lượng riêng lớn (đối với ống nhiệt trọng trường)

- Môi chất nếu là đơn chất phải tinh khiết, phải không độc

b) Theo áp suất bão hòa của hơi trong ống

Một điểm cần chú 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 chọn 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

2.2 TÍNH TOÁN ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG CÓ BỀ MẶT TRONG NHẴN

2.2.1 TRỞ KHÁNG THỦY LỰC

Để ống nhiệt trọng trường làm việc bình thường, thì độ chênh áp suất do

lực trọng trường gây ra phải lớn hơn tổng độ chênh lệch áp suất trong ống, nghĩa

là :

h 1

2.2.2 CÔNG SUẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT

Công suất nhiệt của ống nhiệt bao gồm công suất nhiệt toàn bộ Q và công suất nhiệt trong Qi và được tính như sau:

1,Công su ất nhiệt toàn bộ

Công suất nhiệt toàn bộ của ống nhiệt Q(W) được xác định theo độ chênh nhiệt độ toàn bộ ∆t và tổng nhiệt trở R ( hình 2-2)

Q

w vn n h s vs z

w z

RRRRRRR

ttR

Δt

++++++

−

=

twtw

tz – Nhiệt độ trung bình của nguồn đốt nóng (khói …) khi chuyển động qua

phần sôi của ống (0C),

tw – Nhiệt độ trung bình của nguồn làm mát ( không khí …) khi chuyển động qua phần ngưng của ống (0C),

Rz – Nhiệt trở của nguồn đốt nóng với vách ngoài của ống ở phần sôi (K/W),

Rw – Nhiệt trở của nguồn làm mát với vách ngoài của ống ở phần ngưng (K/W),

Rvs – Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống phần sôi (K/W),

Rvn – Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống phần ngưng (K/W),

Rs – Nhiệt trở chất lỏng sôi trong ống phần sôi(K/W),

Rn – Nhiệt trở hơi ngưng tụ trong ống phần ngưng (K/W),

Rh – Nhiệt trở hơi chuyển động từ phần sôi đến phần ngưng (K/W),

Ri - Tổng nhiệt trở trong

Ri = Rs + Rn +Rh (2-5) Nhiệt trở của từng bộ phận được xác định bằng các biểu thức :

Rz =

es

z F α

1

Rvs = 2 L λ

)/dln(d

s

i e

Rvn = 2 L λ

)/dln(d

n

i e

Rs =

is

s.Fα

1

Rh =

i h

h.n h.s h

.r.Qρ

)P(P

Fin - Diện tích mặt trong ống phần ngưng (m2),

de, di - Đường kính ngoài và đường kính trong của ống (m),

Ls - Chiều dài ống phần sôi (m),

Ln - Chiều dài ống phần ngưng (m),

r - Nhiệt hóa hơi của môi chất nạp (J/kg),

Qi - Công suất nhiệt bên trong của ống nhiệt (W)

Qi =

h n s

in is i

i

R R R

t t R

Δt

+ +

−

tis - Nhiệt độ trung bình của bề mặt trong ống phần sôi (0C),

tin - Nhiệt độ trung bình của bề mặt trong ống phần ngưng (0

ở đây là làm sao xác định được các hệ số tỏa nhiệt α s , α n Có nhiều công trình [6], [7], [8] nghiên cứu vấn đề này, phần lớn các công trình tính riêng lẻ từng trường hợp và đưa kết quả dưới dạng các công thức thực nghiệm để xác định chúng Tuy nhiên áp dụng các công thức này để tính toán gặp nhiều khó khăn

Để đơn giản cho việc tính toán trong ngành nhiệt với sai số có thể chấp nhận được, theo [1] đã đưa ra giả thiết sau :

ϕ=0,44 với nước,

ϕ= 1 với C2H5OH và CH3OH Theo kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả hệ số tỏa nhiệt khi ngưng α n có

thể tính theo công thức ngưng trên vách đứng của Nusselt α =n αN

2) Công su ất nhiệt trong

Công suất nhiệt trong, theo [1], [2], [6] được xác định như sau: từ (2-5)

với ống nhiệt trọng trường có nhiệt độ thấp và nhiệt độ vừa phải, ống không quá dài (chiều dài ống L< 6m) thì Rh rất nhỏ so với hai thành phần còn lại, nên ta có

thể coi Rh ≈0 và tổng nhiệt trở trong chỉ còn lại :

in is

n i n s i s

in is

.L.d.α

1.L

.d α1

tt.L

.d.α

1.L

.d.α1

tt

ππ

ϕπ

−

=+

−

Biến đổi ta có :

)/L(L

.LL d

n s

n s i

Với giả thiết như đã nói α = n α N, ta có :

4

n in h

2 3 N

n

)Lt.(t4

.r.g.ρλ3

4α

Ở đây các đại lượng :

λ - Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng ngưng (W/m.K),

g - Gia tốc trọng trường (m2/s),

ρ - Khối lượng riêng của chất lỏng ngưng (kg/m3),

r - Nhiệt ẩn hóa hơi ( hay ngưng tụ) (J/kg),

μ - Độ nhớt động lực học của chất lỏng ngưng (Ns/m2

),

th - Nhiệt độ của hơi trong ống (0C),

tin - Nhiệt độ vách ống bên trong phần ngưng (0C),

Các đại lượng vật lý trên có thể xác định từ nhiệt độ của hơi trong ống nhiệt th

Mặt khác theo công thức Newton ta có :

Qi =αn.Fin(th − tin) = αn π di .Ln(th − tin) (2-19)

Từ đó ra rút ra : th - tin =

n i n

i

.L.d.α

Q

Thay vào (2-18) và biến đổi ta được :