-1-
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGUYỄN THÀNH SƠN
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT
CỦA ỐNG NHIỆT MAO DẪN
Chuyên ngành : Công Nghệ Nhiệt
Mã số : 60.52.80
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng – Năm 2011
-2-
Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN VĂN VANG
Phản biện 1: ……………………………………
Phản biện 2: ……………………………………
Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt
nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật Đại học Đà Nẵng vào ngày …
tháng … năm 2011.
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
-3MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn ñề tài
Ống nhiệt là một phần tử truyền nhiệt kiểu mới có khả năng
truyền nhiệt ñi lớn hơn nhiều lần so với các phần tử truyền nhiệt
thông thường. Trong các loại ống nhiệt thì hiện nay trên thế giới loại
ống nhiệt mao dẫn ñang ñược nghiên cứu và triển khai ứng dụng một
cách mạnh mẽ, hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như: hàng không vũ
trụ, ñiều hòa không khí, làm mát ñộng cơ ôtô, làm mát trong ngành
ñiện-ñiện tử, tận dụng năng lượng mặt trời, nhiệt thải của các ngành
công nghiệp hóa chất, luyện kim, trong thiết bị sấy, trong các ngành
chế biến thực phẩm vv…
Tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam, mặc dù trong sản xuất ñã có một
số rất ít xí nghiệp, nhà máy sử dụng sản phẩm ứng dụng công nghệ
ống nhiệt mao dẫn ñược nhập khẩu từ nước ngoài. Nhưng việc
nghiên cứu về ống nhiệt mao dẫn mới chỉ là những bước ñi ñầu tiên
tại các trường ñại học, nghiên cứu về mặt lý thuyết cũng như triển
khai ứng dụng của ống nhiệt mao dẫn còn ít. Đứng trước tình hình
tốc ñộ phát triển của các ngành công nghiệp diễn ra rất nhanh và nhu
cầu về tiết kiệm năng lượng ngày càng ñược chú trọng thì việc
nghiên cứu về ống nhiệt mao dẫn là hết sức cần thiết.
Chính vì vậy, ñể góp phần phổ biến kiến thức khoa học và thúc
ñẩy việc nguyên cứu về ống nhiệt mao dẫn tại Việt Nam, chúng tôi
chọn ñề tài: “Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu phương pháp tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt
làm bằng ống nhiệt mao dẫn dùng ñể làm mát các linh kiện ñiện tử
và tiến hành xây phần mềm nhằm giúp các nhà kỹ thuật thiết kế hoặc
kiểm tra công suất các thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống mao dẫn
-4một cách nhanh chóng và chính xác.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về lĩnh vực ống nhiệt mao dẫn nói
chung, cũng như tổng quan về nghiên cứu lý thuyết tính chất nhiệt
của ống nhiệt mao dẫn nói riêng.
- Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn:
+ Nghiên cứu các thông số của bấc mao dẫn.
+ Nghiên cứu sự phụ thuộc của công suất nhiệt Q của ống nhiệt
mao dẫn vào ñộ chênh nhiệt ñộ phần sôi và phần ngưng ∆t ñể tìm
công thức tính công suất nhiệt cho ống nhiệt mao dẫn.
+ Nghiên cứu công suất nhiệt tới hạn của ống nhiệt mao dẫn.
+ Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng tới công suất nhiệt của
ống nhiệt mao dẫn.
- Từ ñó tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống
nhiệt mao dẫn.
- Trên cơ sở tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống
nhiệt mao dẫn vừa thiết lập, chúng tôi xây dựng phần mềm tính toán
thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn.
4. Phương pháp nghiên cứu
Chúng tôi sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
5. Ý nghĩa thực tiễn
Đưa ra phương pháp tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt làm
bằng ống nhiệt mao dẫn ñể góp phần phổ biến kiến thức khoa học và
thúc ñẩy việc nghiên cứu, ứng dụng ống nhiệt mao dẫn vào ñiều kiện
thực tế ở Việt Nam.
6. Bố cục luận văn
Ngoài phần mục lục và phụ lục; luận văn gồm có:
Mở ñầu.
-5Chương 1 : Tổng quan về ống nhiệt mao dẫn.
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết tính toán ống nhiệt mao dẫn.
Chương 3 : Phương pháp tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi nhiệt
làm bằng ống nhiệt mao dẫn.
Chương 4 : Xây dựng phần mềm tính toán thiết kế thiết bị trao
ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn.
Kết luận và hướng phát triển ñề tài.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỐNG NHIỆT MAO DẪN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NHIỆT MAO DẪN
1.1.1. Nguyên lý hoạt ñộng của ống nhiệt mao dẫn
1.1.2. Ưu ñiểm của ống nhiệt mao dẫn
1.1.3. Ứng dụng của ống nhiệt mao dẫn
1.1.4. Lịch sử phát triển ống nhiệt mao dẫn
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỐNG NHIỆT MAO DẪN
Hiện nay, trên nhiều lĩnh vực công nghiệp ứng dụng công nghệ ống
nhiệt mao dẫn ñều quan tâm ñến vấn ñề làm sao gia tăng ñược công
suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn.
Muốn nâng cao công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn cần phải
xác ñịnh ñược bán kính lỗ mao dẫn hiệu dụng của bấc. Và trước ñây
thì có các phương pháp của Adkins [4], [5], Gupta [24], Bichenkov
[8]. Nhưng gần ñây, Pramod Chamarthy [33] ñã tiến hành phương
pháp mới sử dụng ñèn cực tím và máy quay phim có tấm lọc tia cực
tím ñể theo dõi chất lỏng có thuốc nhuộm huỳnh quang bay hơi qua
cấu trúc bấc, sau ñó sử dụng thuật toán xử lý và thiết lập công thức
quan hệ giữa lượng bay hơi của thuốc nhuộm huỳnh quang theo thời
gian, rồi từ ñó xác ñịnh ñược ñường kính trung bình của lỗ mao dẫn.
-6Để tận dụng ñược ñặc tuyệt vời của nước so với các môi chất khác
nhằm nâng cao công suất nhiệt (ñối với nguồn phát nhiệt có nhiệt ñộ
trên 150oC), Sarraf và Anderson [24] ñã nghiên cứu vật liệu làm vỏ,
bấc mới thay thế cho ñồng, ñó là Titanium và Monel (loại vật liệu có
ñộ bền cao). Đồng thời ñể tận dụng ưu ñiểm của cấu trúc bấc dạng
rãnh, Anderson [14] ñã nghiên cứu phát triển phương pháp gia công
chế tạo ống nhiệt mao dẫn có bấc rãnh ñối với vật liệu Titanium,
Monel; cụ thể với ống nhiệt mao dẫn có dài 1,2 m và ñường kính
ngoài 1,27 cm thì có khả năng tải lượng nhiệt 300 400W tại nhiệt
ñộ làm việc từ 425 475K, có thời gian làm việc từ 4000 9000
giờ ñược sử dụng ñể truyền tải nhiệt thải từ quá trình chuyển hoá
nhiệt thành ñiện trong nhà máy ñiện hạt nhân.
Và hiện nay, các nhà khoa học quan tâm ñến một loại môi chất
mới, ñó là chất lỏng nano - loại chất lỏng truyền nhiệt kiểu mới với
những hạt nano có khả năng phân tán một cách ổn ñịnh và ñồng ñều
nên làm tăng khả năng dẫn nhiệt, chính vì ñặc tính chưa từng thấy ñó
mà một số nhà nghiên cứu Chien [38], Wei [62], Kang [57], Yang
[63] ñã sử dụng chất lỏng nano làm môi chất làm việc cho ống nhiệt
mao dẫn ñể tăng công suất nhiệt cho ống nhiệt mao dẫn. Mặt khác,
các tác giả Tsai [20], Chen [60] tiến hành nghiên cứu ñối với ống
nhiệt mao dẫn có cấu trúc bấc lưới và ñều ñưa ra kết luận nhiệt trở
của ống nhiệt mao dẫn khi dùng chất lỏng nano giảm hơn nhiều so
với khi dùng nước làm môi chất làm việc.
Gần ñây nhất, các tác giả [45], [48], [49] ñã ñưa ra phương pháp
tính toán xác ñịnh công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn khi sử dụng
chất lỏng nano (thường dùng các hạt nano Al2O3, CuO, TiO2) làm
môi chất làm việc, và họ ñã chỉ ra rằng ñể nâng công suất nhiệt của
ống nhiệt mao dẫn lên lớn nhất thì cần phải nạp một lượng hạt nano
-7tối ưu, và kích thước hạt nano càng nhỏ thì tác ñộng càng rõ ñến
nhiệt trở của ống nhiệt mao dẫn. Và theo tác giả [46] thì với ống
nhiệt mao dẫn (ñường kính ngoài 4 mm, chiều dày 1 mm, chiều dài
300 mm) có cấu trúc bấc lưới tròn (ñường kính sợi 50 µm và 7874
sợi/m) sử dụng chất lỏng nano gồm nước và các hạt nano Al2O3 có tỷ
lệ thể tích 3,0% thì ñạt công suất nhiệt lớn nhất (cao hơn xấp xỉ 65%
so với khi dùng nước).
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỐNG NHIỆT MAO DẪN
2.1. CẤU TẠO ỐNG NHIỆT MAO DẪN
2.1.1. Môi chất nạp vào ống nhiệt mao dẫn
2.1.1.1. Các yêu cầu cơ bản của môi chất nạp vào ống nhiệt
mao dẫn
2.1.1.2. Các loại môi chất nạp ống nhiệt mao dẫn
2.1.1.3. Tính phù hợp
Tính phù hợp là sự tác dụng tương hỗ giữa môi chất nạp và vật
liệu làm ống, làm bấc. Nó là một ñặc tính quan trọng cơ bản liên
quan ñến việc lựa chọn môi chất, bấc và vỏ của ống nhiệt mao dẫn.
2.1.1.4. Hệ số ñặc trưng M của ống nhiệt mao dẫn
Trong ống nhiệt mao dẫn, hệ số ñặc trưng M thể hiện tính chất
vật lý của môi chất nạp, môi chất nào có giá trị M lớn sẽ cho công
suất nhiệt lớn. Theo [2], hệ số ñặc trưng M ñược xác ñịnh theo công
ρ .σ .r
thức:
M= l l
(2.1)
µl
2.1.2. Cấu trúc bấc
2.1.2.1. Cấu trúc bấc ñồng nhất (Homogeneous structures)
a) Cấu trúc bấc lưới (Mesh/Screen)
-8b) Cấu trúc bấc thiêu kết (Sintered metal power)
c) Cấu trúc bấc rãnh (Grooves)
d) Cấu trúc bấc hình vành khuyên hở (Open annulus)
e) Cấu trúc bấc tích hợp với ñộng mạch chính (Integral Artery)
2.1.2.2. Cấu trúc bấc hỗn hợp (Composite wicks)
a) Cấu trúc bấc kết hợp nhiều lưới (Composite Screen)
b) Cấu trúc bấc lưới bao phủ rãnh (Screen covered grooves)
c) Cấu trúc bấc ñộng mạch xoắn ốc (Spiral artery)
d) Cấu trúc bấc một rãnh (Monogroove)
2.1.3. Vỏ ống nhiệt mao dẫn
2.2. TÍNH TOÁN ỐNG NHIỆT MAO DẪN
2.2.1. Tính trở kháng thuỷ lực
Môi chất tuần hoàn ổn ñịnh trong ống nhiệt mao dẫn là nhờ áp
suất mao dẫn của cấu trúc bấc. Vì vậy, ñể ống nhiệt mao dẫn làm
việc bình thường thì thỏa mãn ñiều kiện:
∆Pcap,max ≥ ∆Pl + ∆Ph + ∆Pe,δ + ∆Pc,δ + ∆Pg
(2.2)
Và thông thường ∆Pe,δ và ∆Pc,δ không ñáng kể nên ta có thể viết
lại như sau:
∆Pcap,max ≥ ∆Pl + ∆Ph + ∆Pg
(2.3)
2.2.1.1. Áp suất mao dẫn lớn nhất ∆Pcap,max do bấc tạo ra trong
ống nhiệt mao dẫn
∆Pcap , max =
2.σ l
reff
(2.6)
Trong ñó : reff - bán kính lỗ mao dẫn hiệu dụng (m).
2.2.1.2. Tổn thất áp suất của dòng chất lỏng ngưng ∆Pl
- Đối với lưới, thiêu kết (theo công thức (2.32), [25]):
µ l .Leff .m
∆Pl =
ρ l .K . Aw
(2.7)
-9- Đối với cấu trúc rãnh (theo công thức (2.34), [25]):
8.µl .Q.Leff
∆Pl =
4
1
π . dtd .N '.ρl .r
2
- Đối với cấu trúc bấc hỗn hợp (công thức (2.35), [25]):
6.µ l .Q.Leff
∆Pl =
π .rh .ϖ 3 ρ l .r
2.2.1.3. Tổn thất áp suất của dòng hơi ∆Ph
8.µ h .m L s
L
∆Ph = ∆Phs + ∆Pha + ∆Phn =
. + L a + n
4
2
π .ρ h .rh 2
(2.8)
(2.9)
(2.10)
2.2.1.4. Tổn thất áp suất do lực trọng trường ∆Pg
∆Pg = ρ1.g.L.sinΦ
(2.11)
2.2.2. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc
Khi coi truyền nhiệt qua bấc ở phần sôi và phần ngưng của ống
nhiệt mao dẫn chỉ là dẫn nhiệt, ta ñưa khái niệm hệ số dẫn nhiệt hiệu
dụng của bấc λeff. Và nếu gọi λl là hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng (môi
chất làm việc), λr là hệ số dẫn nhiệt của phần chất rắn (vật liệu làm
bấc) và ε là ñộ rỗng của bấc thì khi ñó có hai trường hợp dẫn nhiệt
qua 2 pha (pha rắn, pha lỏng) :
- Trường hợp song song: là trường hợp bấc và môi chất ảnh
hưởng song song với nhau. Khi ñó hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc
xác ñịnh theo công thức sau (theo công thức (4.30), [2]):
λeff = (1 - ε) λr + ε. λl
(2.12)
- Trường hợp nối tiếp: Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc xác
ñịnh theo công thức (4.31), [2]:
λ l .λ r
λ eff =
ε .λ r + λ l .(1 − ε )
2.2.2.1. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc lưới
(2.13)
-102.2.2.2. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc thiêu kết bột kim loại
2.2.2.3. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc rãnh
2.2.2.4. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc vành khuyên hở
2.2.2.5. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc lưới bao phủ rãnh
2.2.2.6. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc thiêu kết sợi kim loại
2.2.3. Tính công suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn
2.2.3.1. Công suất nhiệt toàn bộ
Công suất nhiệt toàn bộ của ống nhiệt mao dẫn Q [W] theo [25]
ñược xác ñịnh theo ñộ chênh nhiệt ñộ toàn bộ ∆t và tổng nhiệt trở R.
Q=
∆t t z − tw
t z − tw
=
=
R
R
R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6 + R7 + R8 + R9 + Rs
(2.31)
Với: tz , tw – nhiệt ñộ của nguồn nhiệt ñốt nóng và làm mát, [ C].
o
R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 , Rs – các thành phần nhiệt trở
của ống nhiệt mao dẫn, [oC/W].
2.2.3.2. Công suất nhiệt trong
Theo các tác giả [2], [13] thì nhiệt trở chuyển pha R4, R6 và R5 có
giá trị rất nhỏ so với các thành phần còn lại nên có thể coi chúng
bằng 0. Vì vậy, ta có biểu thức tính công suất nhiệt trong như sau:
Qi =
tis − tin
R3 + R7
(2.46)
Từ ñây ta có nhận xét như sau: công suất nhiệt trong của ống
nhiệt mao dẫn khi có hiệu số nhiệt ñộ trong ống nhiệt mao dẫn ∆ti =
tis - tin có giá trị nhỏ thì phụ thuộc vào ñộ chênh lệch nhiệt ñộ bề mặt
trong giữa phần sôi và phần ngưng, phụ thuộc vào tính chất vật lý,
kích thước, hình dạng của bấc mao dẫn và tính chất vật lý của môi
chất nạp. Ngoài ra, khi ở chế ñộ nhiệt ổn ñịnh thì Q = Qi (công suất
nhiệt toàn bộ bằng công suất nhiệt trong của ống nhiệt mao dẫn).
-112.2.4. Các công suất nhiệt giới hạn của ống nhiệt mao dẫn
Công suất nhiệt giới hạn của ống nhiệt là giá trị công suất nhiệt
lớn nhất của ống nhiệt có thể ñạt ñược. Đối với ống nhiệt mao dẫn
thì có 5 loại công suất nhiệt giới hạn :
2.2.4.1. Giới hạn âm thanh
Giới hạn âm thanh ñược xác ñịnh theo công thức (4.76), [2]:
Q a , max = 0,474. Ah .r. ρ h . p h
(2.47)
2.2.4.2. Giới hạn lôi cuốn
Giới hạn lôi cuốn ñược xác ñịnh theo công thức (4.78), [2]:
Qlc , max
2.π .ρ h .r 2 .σ l
= Ah .
z
(2.49)
2.2.4.3. Giới hạn mao dẫn
Giới hạn mao dẫn ñược tính theo công thức (2.99), [25]:
ρ .σ .r K . Aw 2 ρ l .g .Leff
Qcap , max = l l .
.
−
. sin φ
Leff reff
µl
σl
= M.
K . Aw
Leff
2
ρ l .g.Leff
.
−
. sin φ
r
σl
eff
(2.50)
2.2.4.4. Giới hạn ñộ nhớt của môi chất
Trong [25], Busse (1973) thì giới hạn ñộ nhớt của môi chất ñược
xác ñịnh theo công thức :
r .r.ρ h . p h . Ah
Q dn , max = h
16.µ h .Leff
2.2.4.5. Giới hạn sôi
Giới hạn sôi ñược xác ñịnh theo công thức (4.80), [2]:
2π .Ls .λeff .Th 2σ l
.
Qs , max =
− ∆Pcap , max
ri rn
r.ρ h . ln
rh
(2.51)
(2.53)
-122.2.5. Các nhân tố ảnh hưởng tới công suất nhiệt của ống nhiệt
mao dẫn
2.2.5.1. Ảnh hưởng của cấu trúc bấc
Theo [41] ñã xét sự ảnh hưởng của loại cấu trúc bấc ñối với ống
nhiệt mao dẫn có công suất nhiệt Q = 10W, ñường kính Φ = 3mm
trong 2 trường hợp ñặt theo hướng ñứng (phần ngưng ñặt trên phần
Nhiệt trở (oC/W)
sôi) và theo hướng nằm ngang.
rãnh
sợi xoắn ốc
lưới
thiêu kết bột
kim loại
Chiều dài (mm)
Hình 2.23 – Trường hợp ñặt
sợi xoắn ốc
lưới
thiêu kết
rãnh
Chiều dài (mm)
Hình 2.24 – Trường hợp ñặt ống
ñứng theo hướng trọng trường
ống nằm ngang
Qua hình 2.23 và 2.24, ta thấy rằng ống nhiệt mao dẫn có cấu trúc
bấc rãnh nó làm việc tốt nhất trong ñiều kiện ñặt ñứng theo hướng
trọng trường (phần ngưng ñặt trên phần sôi). Còn khi ống nhiệt ñặt
nằm ngang thì cấu trúc bấc loại thiêu kết làm làm việc tốt nhất.
2.2.5.2. Ảnh hưởng của kích thước hình học của ống nhiệt
mao dẫn
Tốc ñộ chuyển ñộng của hơi từ phần sôi ñến phần ngưng bị ảnh
hưởng bởi ñộ chênh lệch áp suất hơi giữa 2 phần ñó. Và nó cũng bị
ảnh hưởng bởi ñường kính và chiều dài của ống nhiệt mao dẫn. Vì
vậy, khi thiết kế ống nhiệt mao dẫn cần tính ñến kích thước hình học
của ống nhiệt mao dẫn.
Theo [41] ñã xét sự ảnh hưởng kích thước hình học của ống nhiệt
mao dẫn làm bằng vật liệu ñồng, cấu trúc bấc rãnh, môi chất là nước.
Qmax (W)
Qmax.leff (W.m)
-13Góc nghiêng: 0o
Vật liệu: Đồng
Môi chất: Nước
Bấc rãnh
Nhiệt ñộ làm việc (oC)
Nhiệt ñộ làm việc (oC)
Hình 2.25 – Sự ảnh hưởng của d ñối
Hình 2.26 – Sự ảnh hưởng của l ñối
với Qmax của ống nhiệt mao dẫn
với Qmax của ống nhiệt mao dẫn
Qua hình 2.25 ta thấy ñường kính của ống càng lớn thì công suất
nhiệt càng lớn. Còn ở hình 2.26 ta thấy ống nhiệt mao dẫn có chiều
dài lớn hơn sẽ có công suất truyền tải nhiệt nhỏ hơn và ngược lại.
Ngoài ra, khi làm việc ở nhiệt ñộ cao hơn thì công suất nhiệt lớn hơn.
2.2.5.3. Ảnh hưởng của góc nghiêng Φ
Nhiều nhà nghiên cứu thấy rằng, ứng với mỗi môi chất nạp, cấu
trúc bấc thì ñều có giá trị góc nghiêng tối ưu Φtư ñể công suất nhiệt
của ống nhiệt mao dẫn lớn nhất.
Theo [41] ñối với ống nhiệt mao dẫn có cấu trúc bấc rãnh làm
bằng vật liệu ñồng, môi chất nạp là nước thì làm việc ở góc nghiêng
tối ưu Φtư = -70o (ống ñặt cùng hướng trọng trường). Và nó cũng làm
việc ñược khi góc nghiêng Φ = 0o (ống ñặt nằm ngang).
Theo [3] ñối với ống nhiệt mao dẫn có di = 30 mm, l = 0,5 m, cấu
trúc bấc lưới gồm 3 lớp lưới bằng thép không rĩ có số mesh N = 68
và môi chất nạp là nước, với lượng nạp ξ = 45%, nhiệt ñộ hơi 50oC,
70oC, góc nghiêng thay ñổi từ -10o -60o. Kết quả thí nghiệm có
ñược góc nghiêng Φtu = -15o -30o và ống nhiệt mao dẫn hoạt ñộng
khá tốt ở Φ = 0o nhưng ống sẽ không hoạt ñộng ñược khi góc
nghiêng Φ > 10o (ngược hướng trọng trường).
-142.2.5.4. Ảnh hưởng của lượng môi chất nạp
Theo [3] ở góc nghiêng Φ = 0o ở hai giá trị nhiệt ñộ hơi trong
ống th = 50oC và 70oC, ở lượng nạp thay ñổi từ ξ = 30% 70%. Kết
quả cho thấy ở ñây tồn tại giá trị lượng nạp tối ưu ξtu ứng với nó
công suất nhiệt ñạt giá trị lớn nhất. Giá trị nạp tối ưu ở ñây là 40%
50% (giá trị lớn ở nhiệt ñộ hơi lớn và ngược lại). Khi nạp chất lỏng
nhỏ hơn hoặc lớn hơn ñều dẫn tới sự giảm công suất nhiệt.
CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ
TRAO ĐỔI NHIỆT LÀM BẰNG ỐNG NHIỆT MAO DẪN
Trong luận văn, chúng tôi nghiên cứu tính thiết kế thiết bị trao ñổi
nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn ñể làm mát các linh kiện ñiện tử.
3.1. PHƯƠNG PHÁP TÍNH
Thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn (TBTĐNONMD) (hình 3.1) có phần nhận nhiệt gắn với bề mặt phát nhiệt của
linh kiện ñiện tử thông qua tấm lắp ráp, phần giải nhiệt có làm cánh
bên ngoài, bề mặt trong của ống có gắn bấc, bên trong có nạp môi
chất. Nhiệt ñộ bề mặt linh kiện ñiện tử gắn với tấm lắp ráp có nhiệt
ñộ tz, không khí lạnh bên ngoài có nhiệt ñộ tw (tw < tz) ñược quạt giải
nhiệt thổi với lưu lượng Vkk qua phần giải nhiệt. Để thiết kế ñược
TBTĐN-ONMD trên thì cần xác ñịnh công suất toàn bộ Q của một
ống nhiệt mao dẫn và số ống nhiệt mao dẫn nống có trong thiết bị.
Hình 3.1 – Thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn
-15Thông số thiết kế:
- Các thông số của linh kiện ñiện tử và quạt
- Nhiệt ñộ môi trường
- Yêu cầu không gian lắp ñặt
- Độ phức tạp
Chọn loại môi chất làm việc:
- Hệ số ñặc trưng M
- Khoảng nhiệt ñộ làm việc
- Những yêu cầu khác
Chọn loại vật liệu làm vỏ:
- Phù hợp với chất lỏng làm việc
- Phù hợp với môi trường xung quanh
Chọn loại bấc, kích thước bấc và vật liệu làm bấc:
- Cột áp mao dẫn yêu cầu
- Vật liệu làm bấc phù hợp với vỏ và môi chất
Xác ñịnh các nhiệt trở, sau ñó tính công suất
nhiệt của 1 ống nhiệt mao dẫn Q
Tính toán các công suất giới hạn Qmax:
- Giới hạn bấc
- Giới hạn lôi cuốn
- Giới hạn sôi
Qmax > Q ?
S
Đ
Xác ñinh số lượng ống nhiệt mao dẫn trong thiết bị
trao ñổi nhiệt và cấu trúc thiết bị
Kích thước TBTĐN có
phù hợp không ?
S
Đ
Lựa chọn thiết kế về nhiệt, cơ khí và các phương án kiểm
tra ñể ñảm bảo tối ưu (lựa chọn phương pháp chế tạo)
Hình 3.2 – Sơ ñồ tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi
nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn
-163.2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LÀM BẰNG
ỐNG NHIỆT MAO DẪN
Trong luận văn này, chúng tôi tính thiết
kế TBTĐN-ONMD ñể làm mát các môñun
IBGT (insulated gate bipolar transistor transistor có cực ñiều khiển cách ly).
Hình 3.3 – Môñun IGBT
3.2.1. Thông số thiết kế
- Các thông số linh kiện ñiện tử IBGT :
của hãng MITSUBISHI
nhiệt ñộ cực ñại cho phép tjmax, nhiệt lượng phát sinh QIBGT, nhiệt trở
từ tiếp giáp bán dẫn ñến vỏ Rth(j-c), chiều dài aIBGT, chiều rộng bIBGT
và cách bố trí k1 hàng, k2 cột trên tấm lắp ráp của các IBGT.
Khi ñó: nhiệt ñộ tz = tjmax – QIBGT.Rth(j-c) và công suất của bộ trao
ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn : Qhi = k1.k2.QIBGT , [W].
- Thông số của quạt giải nhiệt: chiều dài quạt aq , chiều rộng quạt
bq , lưu lượng Vkk và số lượng quạt kq.
Khi ñó : nhiệt ñộ t w = t kk =
t kk1 + t kk 2
, [oC].
2
Với : tkk1 là nhiệt ñộ của không khí ngoài trời vào TBTĐN-ONMD.
Q IBGT
t kk 2 = t kk 1 +
là nhiệt ñộ của không khí ra
Vkk .ρ kk .C pkk
TBTĐN-ONMD.
- Yêu cầu không gian lắp ñặt : chiều dài phần ñoạn nhiệt La và
góc nghiêng Φ.
- Ở phần nhận nhiệt của TBTĐN-ONMD do tấm lắp ráp làm
bằng vật liệu nhôm có hệ số dẫn nhiệt λt lớn và ống nằm trong tấm
lắp ráp nên có thể xem phân bố nhiệt ñộ xung quanh ống ñồng ñều.
Và thông số bước ống ngang s1 [m] ñược chọn trên cơ sở ñảm bảo
ñiều kiện áp dụng công thức (3.35) theo [56] thì 20,4 ≤ s1 ≤ 31,8 mm.
-17tz
s1
2
δt , λt
de ,di , λ
δw , λw
s1
2
s1
Hình 3.5 – Mặt cắt tại phần nhận nhiệt
- Ở phần giải nhiệt của TBTĐN-ONMD có các thông số : bước ống
dọc s2 [m], chiều dày của cánh tản nhiệt tc [m], khoảng cách 2 cánh
kế tiếp zc [m] ñược chọn trên cơ sở ñảm bảo ñiều kiện áp dụng công
thức (3.35), theo [56] thì 1 ≤ δ c + z c ≤ 8,7 mm, và 12,7 ≤ s2 ≤ 32 mm.
tc
zc
de
s2
2
s1
2
Hình 3.6 – Phần giải nhiệt của bộ trao ñổi
s1
nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn
3.2.2. Chọn môi chất nạp
Ứng với khoảng nhiệt ñộ làm việc 30 150oC thì nước là môi
chất có ñặt tính nhiệt tốt nhất nên nó ñược chọn là môi chất làm việc.
3.2.3. Chọn vật liệu làm vỏ ống, cánh tản nhiệt và tấm lắp ráp
Vì ñồng là loại vật liệu có khả năng dẫn nhiệt tốt nhất, dễ gia
công chế tạo ống nhiệt mao dẫn nên ñồng ñược chọn là vật liệu làm
-18vỏ của ống nhiệt mao dẫn trong thiết bị trao ñổi nhiệt cần thiết kế.
Tuy nhiên, việc chọn kích thước ñường kính ngoài de của ống ñồng
thì cần phải ñảm bảo ñiều kiện áp dụng công thức (3.35), theo [56]
thì 6,9 ≤ d e + 2.δ c ≤ 13,6 mm (với δc là chiều dày cánh tản nhiệt).
Để ñảm bảo hiệu quả trao ñổi nhiệt, gia công và tính hiệu quả
kinh tế thì cánh tản nhiệt ở phần ngưng làm bằng ñồng và tấm lắp ráp
ñể gắn linh kiện ñiện tử ở phần sôi ñược làm bằng vật liệu nhôm.
3.2.4. Chọn loại bấc, vật liệu làm bấc và kích thước bấc mao dẫn
Để ñảm bảo công suất nhiệt của bộ trao ñổi nhiệt thì cấu trúc bấc
kết hợp nhiều lưới và cấu trúc bấc lưới bao phủ rãnh ñược sử dụng
ñể làm bấc cho ống nhiệt mao dẫn bởi vì chúng là loại cấu trúc bấc
ñơn giản và dễ chế tạo nhất. Và vật liệu ñồng, niken thường ñược
chọn làm lưới vì có hệ số dẫn nhiệt lớn và dễ chế tạo thành lưới có
hệ số mesh (số mắt lưới trên chiều dài 1 in tức là 25,4 mm) lớn.
Việc chọn kích thước bấc mao dẫn phải ñảm bảo sao cho các
thông số của bấc : bán kính lỗ mao dẫn hiệu dụng reff, ñộ rỗng ε, ñộ
thẩm thấu K và hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng λeff hợp lý, tức là ñảm bảo
công suất nhiệt của TBTĐN-ONMD cần thiết kế.
3.2.5. Tính công suất nhiệt của một ống nhiệt mao dẫn
Để xác ñịnh ñược công suất nhiệt Q, cần giải hệ phương trình:
t − tw
tz − tw
∆t
(3.15)
Q=
= z
=
R R E + Ri (R1 + R 2 + R8 + R9 ) + (R3 + R7 )
t +t
Q[(R8 + R9 ) − (R1 + R2 )]
( I ) th = z w +
(3.16)
2
2
1
δw
1
(3.17)
Ri =
.
+
λ eff .π .d i Ls Ln
Ở ñây theo các công thức sổ tay kỹ thuật nhiệt ta có thể dễ dàng
xác ñịnh ñược các nhiệt trở ngoài R1, R2, R8, R9 nhưng các nhiệt trở
-19trong R3, R7 thì chưa xác ñịnh ñược do phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt
hiệu dụng λeff (một ñại lượng chưa biết vì phụ thuộc vào nhiệt ñộ th).
Vì vậy, ñể xác ñịnh Q chúng tôi sử dụng phương pháp lặp ñể giải hệ
phương trình (I) và quá trình lặp có thể tóm tắt như sau:
- Bước 1 : Cho giá trị tổng nhiệt trở trong Ri = R3 + R7 = 0.
- Bước 2 : Xác ñịnh R1, R2, R8, R9; rồi từ (3.15) tính ñược Q (Q’).
- Bước 3 : Thay Q vào (3.16) tính ñược nhiệt ñộ hơi nước th.
- Bước 4 : Từ giá trị th ñã tính, tra bảng thông số vật lý của nước
ñể xác ñịnh ñược hệ số dẫn nhiệt của nước λl. Rồi sau ñó tính hệ số
dẫn nhiệt hiệu dụng λeff theo công thức (3.10) hoặc (2.28).
- Bước 5 : Thay giá trị λeff ñã tính vào (3.17) tính lại ñược Ri.
- Bước 6 : Từ Ri (của bước 5) tính lại giá trị Q (Q”) theo công
thức (3.15).
- Bước 7: Tính sai số ε = 1 − Q" . Rồi so sánh ε với [ε] = 0,01%.
Q'
+ Nếu ε ≤ [ε] → chấp nhận th, λeff và giá trị công suất nhiệt Q.
+ Nếu ε > [ε] → lặp lại các bước từ 3 7 với giá trị Q (ở
công thức (3.16)) bằng Q” .
* Tính các thành phần nhiệt trở
- Để ñơn giản tính toán, giả thiết rằng phần tấm lắp ráp bao
quanh bên ngoài ống nhiệt mao dẫn là có dạng hình trụ với chiều dày
s −d
vách trụ tương ñương :
δ tñ = 1 e , [m]
(3.18)
2
Như vậy nhiệt trở dẫn nhiệt qua tấm lắp ráp:
d + δ tñ o
1
(3.19)
, [ C/W]
R1 =
. ln e
2.π .λt .Ls d e
- Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống ở phần sôi:
d
1
R2 =
. ln e , [oC/W]
(3.20)
2.π .λ.Ls d i
-20- Nhiệt trở của bấc mao dẫn trong phần sôi:
R3 =
δw
λeff . Aw,s
, [oC/W]
(3.21)
Ở ñây: diện tích bề mặt bấc ở phần sôi: Aw,s = π.di.Ls , [m2]
- Nhiệt trở của bấc mao dẫn trong phần ngưng:
R7 =
δw
, [oC/W]
λeff . Aw,n
(3.22)
Ở ñây: diện tích bề mặt bấc ở phần ngưng: Aw,n = π.di.Ln , [m2]
- Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống phần ngưng:
d
1
R8 =
. ln e , [oC/W]
2.π .λ .Ln d i
(3.23)
- Nhiệt trở của nguồn làm mát:
R9 =
1
, [oC/W]
α w . Ae, n
(3.24)
3.2.6. Tính công suất giới hạn của ống nhiệt mao dẫn
Đối với ống nhiệt mao dẫn dùng chất lỏng không phải là kim loại
lỏng thì chỉ cần quan tâm ñến các công suất giới hạn mao dẫn, giới
hạn lôi cuốn và giới hạn sôi.
3.2.6.1. Giới hạn mao dẫn
3.2.6.2. Giới hạn lôi cuốn
3.2.6.3. Giới hạn sôi
3.2.7. Kiểm tra sự hoạt ñộng của ống nhiệt mao dẫn
Ống nhiệt mao dẫn hoạt ñộng bình thường khi ñảm bảo ñiều kiện:
Q < Qcap,max
Q < Qa,max
(3.36)
Q < Qlc,max
Nếu không thoả mãn ñiều kiện trên thì cần phải chọn lại các
thông số ở phần 3.2.1, 3.2.3, 3.2.4 cho phù hợp.
- Xem thêm -