Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn

-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 : Cơng Nghệ Nhiệt Mã số : 60.52.80 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2011 -2- Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN VĂN VANG Phản biện 1: …………………………………… Phản biện 2: …………………………………… Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật Đại học Đà Nẵng vào ngày … tháng … năm 2011. Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. -3- MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ống nhiệt là một phần tử truyền nhiệt kiểu mới cĩ khả năng truyền nhiệt đi lớn hơn nhiều lần so với các phần tử truyền nhiệt thơng thường. Trong các loại ống nhiệt thì hiện nay trên thế giới loại ống nhiệt mao dẫn đang được nghiên cứu và triển khai ứng dụng một cách mạnh mẽ, hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như: hàng khơng vũ trụ, điều hịa khơng khí, làm mát động cơ ơtơ, làm mát trong ngành điện-điện tử, tận dụng năng lượng mặt trời, nhiệt thải của các ngành cơng nghiệp hĩa 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 đã cĩ một số rất ít xí nghiệp, nhà máy sử dụng sản phẩm ứng dụng cơng nghệ ống nhiệt mao dẫn được nhập khẩu từ nước ngồi. Nhưng việc nghiên cứu về ống nhiệt mao dẫn mới chỉ là những bước đi đầu tiên tại các trường đại học, nghiên cứu về mặt lý thuyết cũng như triển khai ứng dụng của ống nhiệt mao dẫn cịn ít. Đứng trước tình hình tốc độ phát triển của các ngành cơng nghiệp diễn ra rất nhanh và nhu cầu về tiết kiệm năng lượng ngày càng được chú trọng thì việc nghiên cứu về ống nhiệt mao dẫn là hết sức cần thiết. Chính vì vậy, để gĩp phần phổ biến kiến thức khoa học và thúc đẩy việc nguyên cứu về ống nhiệt mao dẫn tại Việt Nam, chúng tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn dùng để làm mát các linh kiện điện tử và tiến hành xây phần mềm nhằm giúp các nhà kỹ thuật thiết kế hoặc kiểm tra cơng suất các thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống mao dẫn -4- một cách nhanh chĩng và chính xác. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về lĩnh vực ống nhiệt mao dẫn nĩi chung, cũng như tổng quan về nghiên cứu lý thuyết tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn nĩi riêng. - Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn: + Nghiên cứu các thơng số của bấc mao dẫn. + Nghiên cứu sự phụ thuộc của cơng suất nhiệt Q của ống nhiệt mao dẫn vào độ chênh nhiệt độ phần sơi và phần ngưng ∆t để tìm cơng thức tính cơng suất nhiệt cho ống nhiệt mao dẫn. + Nghiên cứu cơng suất nhiệt tới hạn của ống nhiệt mao dẫn. + Nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng tới cơng suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn. - Từ đĩ tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn. - Trên cơ sở tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn vừa thiết lập, chúng tơi xây dựng phần mềm tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn. 4. Phương pháp nghiên cứu Chúng tơi sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết. 5. Ý nghĩa thực tiễn Đưa ra phương pháp tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn để gĩp phần phổ biến kiến thức khoa học và thúc đẩy việc nghiên cứu, ứng dụng ống nhiệt mao dẫn vào điều kiện thực tế ở Việt Nam. 6. Bố cục luận văn Ngồi phần mục lục và phụ lục; luận văn gồm cĩ: Mở đầu. -5- Chương 1 : Tổng quan về ống nhiệt mao dẫn. Chương 2 : Cơ sở lý thuyết tính tốn ống nhiệt mao dẫn. Chương 3 : Phương pháp tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn. Chương 4 : Xây dựng phần mềm tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn. Kết luận và hướng phát triển đề 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 động của ống nhiệt mao dẫn 1.1.2. Ưu điểm 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 cơng nghiệp ứng dụng cơng nghệ ống nhiệt mao dẫn đều quan tâm đến vấn đề làm sao gia tăng được cơng suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn. Muốn nâng cao cơng suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn cần phải xác định được bán kính lỗ mao dẫn hiệu dụng của bấc. Và trước đây thì cĩ các phương pháp của Adkins [4], [5], Gupta [24], Bichenkov [8]. Nhưng gần đây, Pramod Chamarthy [33] đã tiến hành phương pháp mới sử dụng đèn cực tím và máy quay phim cĩ tấm lọc tia cực tím để theo dõi chất lỏng cĩ thuốc nhuộm huỳnh quang bay hơi qua cấu trúc bấc, sau đĩ sử dụng thuật tốn xử lý và thiết lập cơng thức quan hệ giữa lượng bay hơi của thuốc nhuộm huỳnh quang theo thời gian, rồi từ đĩ xác định được đường kính trung bình của lỗ mao dẫn. -6- Để tận dụng được đặc tuyệt vời của nước so với các mơi chất khác nhằm nâng cao cơng suất nhiệt (đối với nguồn phát nhiệt cĩ nhiệt độ trên 150oC), Sarraf và Anderson [24] đã nghiên cứu vật liệu làm vỏ, bấc mới thay thế cho đồng, đĩ là Titanium và Monel (loại vật liệu cĩ độ bền cao). Đồng thời để tận dụng ưu điểm của cấu trúc bấc dạng rãnh, Anderson [14] đã nghiên cứu phát triển phương pháp gia cơng chế tạo ống nhiệt mao dẫn cĩ bấc rãnh đối với vật liệu Titanium, Monel; cụ thể với ống nhiệt mao dẫn cĩ dài 1,2 m và đường kính ngồi 1,27 cm thì cĩ khả năng tải lượng nhiệt 300
400W tại nhiệt độ làm việc từ 425
475K, cĩ thời gian làm việc từ 4000
9000 giờ được sử dụng để truyền tải nhiệt thải từ quá trình chuyển hố nhiệt thành điện trong nhà máy điện hạt nhân. Và hiện nay, các nhà khoa học quan tâm đến một loại mơi chất mới, đĩ là chất lỏng nano - loại chất lỏng truyền nhiệt kiểu mới với những hạt nano cĩ khả năng phân tán một cách ổn định và đồng đều nên làm tăng khả năng dẫn nhiệt, chính vì đặc tính chưa từng thấy đĩ mà một số nhà nghiên cứu Chien [38], Wei [62], Kang [57], Yang [63] đã sử dụng chất lỏng nano làm mơi chất làm việc cho ống nhiệt mao dẫn để tăng cơng suất nhiệt cho ống nhiệt mao dẫn. Mặt khác, các tác giả Tsai [20], Chen [60] tiến hành nghiên cứu đối với ống nhiệt mao dẫn cĩ cấu trúc bấc lưới và đều đưa ra kết luận nhiệt trở của ống nhiệt mao dẫn khi dùng chất lỏng nano giảm hơn nhiều so với khi dùng nước làm mơi chất làm việc. Gần đây nhất, các tác giả [45], [48], [49] đã đưa ra phương pháp tính tốn xác định cơng suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn khi sử dụng chất lỏng nano (thường dùng các hạt nano Al2O3, CuO, TiO2) làm mơi chất làm việc, và họ đã chỉ ra rằng để nâng cơng suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn lên lớn nhất thì cần phải nạp một lượng hạt nano -7- tối ưu, và kích thước hạt nano càng nhỏ thì tác động càng rõ đến nhiệt trở của ống nhiệt mao dẫn. Và theo tác giả [46] thì với ống nhiệt mao dẫn (đường kính ngồi 4 mm, chiều dày 1 mm, chiều dài 300 mm) cĩ cấu trúc bấc lưới trịn (đường kính sợi 50 µm và 7874 sợi/m) sử dụng chất lỏng nano gồm nước và các hạt nano Al2O3 cĩ tỷ lệ thể tích 3,0% thì đạt cơng suất nhiệt lớn nhất (cao hơn xấp xỉ 65% so với khi dùng nước). CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ỐNG NHIỆT MAO DẪN 2.1. CẤU TẠO ỐNG NHIỆT MAO DẪN 2.1.1. Mơi chất nạp vào ống nhiệt mao dẫn 2.1.1.1. Các yêu cầu cơ bản của mơi chất nạp vào ống nhiệt mao dẫn 2.1.1.2. Các loại mơi chất nạp ống nhiệt mao dẫn 2.1.1.3. Tính phù hợp Tính phù hợp là sự tác dụng tương hỗ giữa mơi chất nạp và vật liệu làm ống, làm bấc. Nĩ là một đặc tính quan trọng cơ bản liên quan đến việc lựa chọn mơi chất, bấc và vỏ của ống nhiệt mao dẫn. 2.1.1.4. Hệ số đặc trưng M của ống nhiệt mao dẫn Trong ống nhiệt mao dẫn, hệ số đặc trưng M thể hiện tính chất vật lý của mơi chất nạp, mơi chất nào cĩ giá trị M lớn sẽ cho cơng suất nhiệt lớn. Theo [2], hệ số đặc trưng M được xác định theo cơng thức: l ll rM µ σρ .. = (2.1) 2.1.2. Cấu trúc bấc 2.1.2.1. Cấu trúc bấc đồng nhất (Homogeneous structures) a) Cấu trúc bấc lưới (Mesh/Screen) -8- b) 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 động 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 động mạch xoắn ốc (Spiral artery) d) Cấu trúc bấc một rãnh (Monogroove) 2.1.3. Vỏ ống nhiệt mao dẫn 2.2. TÍNH TỐN ỐNG NHIỆT MAO DẪN 2.2.1. Tính trở kháng thuỷ lực Mơi chất tuần hồn ổn định trong ống nhiệt mao dẫn là nhờ áp suất mao dẫn của cấu trúc bấc. Vì vậy, để ống nhiệt mao dẫn làm việc bình thường thì thỏa mãn điều kiện: ∆Pcap,max ≥ ∆Pl + ∆Ph + ∆Pe,δ + ∆Pc,δ + ∆Pg (2.2) Và thơng thường ∆Pe,δ và ∆Pc,δ khơng đáng kể nên ta cĩ 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 eff l cap r P σ.2 max, =∆ (2.6) Trong đĩ : reff - bán kính lỗ mao dẫn hiệu dụng (m). 2.2.1.2. Tổn thất áp suất của dịng chất lỏng ngưng ∆Pl - Đối với lưới, thiêu kết (theo cơng thức (2.32), [25]): wl effl l AK mL P .. .. ρ µ =∆ (2.7) -9- - Đối với cấu trúc rãnh (theo cơng thức (2.34), [25]): rNd LQ P ltd effl l .'.. 2 1 . ...8 4 ρpi µ       =∆ (2.8) - Đối với cấu trúc bấc hỗn hợp (cơng thức (2.35), [25]): rr LQ P lh effl l ... ...6 3 ρϖpi µ =∆ (2.9) 2.2.1.3. Tổn thất áp suất của dịng hơi ∆Ph ∆Ph = ∆Phs + ∆Pha + ∆Phn       ++= 22 . .. ..8 4 n a s hh h LL L r m ρpi µ (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 sơi và phần ngưng của ống nhiệt mao dẫn chỉ là dẫn nhiệt, ta đưa khái niệm hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc λeff. Và nếu gọi λl là hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng (mơi chất làm việc), λr là hệ số dẫn nhiệt của phần chất rắn (vật liệu làm bấc) và ε là độ rỗng của bấc thì khi đĩ cĩ hai trường hợp dẫn nhiệt qua 2 pha (pha rắn, pha lỏng) : - Trường hợp song song: là trường hợp bấc và mơi chất ảnh hưởng song song với nhau. Khi đĩ hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc xác định theo cơng thức sau (theo cơng 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 định theo cơng thức (4.31), [2]: ( )ελλε λλλ −+ = 1.. . lr rl eff (2.13) 2.2.2.1. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc lưới -10- 2.2.2.2. 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 cơng suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn 2.2.3.1. Cơng suất nhiệt tồn bộ Cơng suất nhiệt tồn bộ của ống nhiệt mao dẫn Q [W] theo [25] được xác định theo độ chênh nhiệt độ tồn bộ ∆t và tổng nhiệt trở R. s wzwz RRRRRRRRRR tt R tt R tQ +++++++++ − = − = ∆ = 987654321 (2.31) Với: tz , tw – nhiệt độ của nguồn nhiệt đốt nĩng và làm mát, [oC]. 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. Cơng suất nhiệt trong Theo các tác giả [2], [13] thì nhiệt trở chuyển pha R4, R6 và R5 cĩ giá trị rất nhỏ so với các thành phần cịn lại nên cĩ thể coi chúng bằng 0. Vì vậy, ta cĩ biểu thức tính cơng suất nhiệt trong như sau: 73 RR ttQ inisi + − = (2.46) Từ đây ta cĩ nhận xét như sau: cơng suất nhiệt trong của ống nhiệt mao dẫn khi cĩ hiệu số nhiệt độ trong ống nhiệt mao dẫn ∆ti = tis - tin cĩ giá trị nhỏ thì phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ bề mặt trong giữa phần sơi và phần ngưng, phụ thuộc vào tính chất vật lý, kích thước, hình dạng của bấc mao dẫn và tính chất vật lý của mơi chất nạp. Ngồi ra, khi ở chế độ nhiệt ổn định thì Q = Qi (cơng suất nhiệt tồn bộ bằng cơng suất nhiệt trong của ống nhiệt mao dẫn). -11- 2.2.4. Các cơng suất nhiệt giới hạn của ống nhiệt mao dẫn Cơng suất nhiệt giới hạn của ống nhiệt là giá trị cơng suất nhiệt lớn nhất của ống nhiệt cĩ thể đạt được. Đối với ống nhiệt mao dẫn thì cĩ 5 loại cơng suất nhiệt giới hạn : 2.2.4.1. Giới hạn âm thanh Giới hạn âm thanh được xác định theo cơng thức (4.76), [2]: hhha prAQ ....474,0max, ρ= (2.47) 2.2.4.2. Giới hạn lơi cuốn Giới hạn lơi cuốn được xác định theo cơng thức (4.78), [2]: z r AQ lhhlc σρpi ....2 . 2 max, = (2.49) 2.2.4.3. Giới hạn mao dẫn Giới hạn mao dẫn được tính theo cơng thức (2.99), [25]:         −= φ σ ρ µ σρ sin. ..2 . . . .. max, l effl effeff w l ll cap Lg rL AKrQ         −= φ σ ρ sin. ..2 . . . l effl effeff w Lg rL AK M (2.50) 2.2.4.4. Giới hạn độ nhớt của mơi chất Trong [25], Busse (1973) thì giới hạn độ nhớt của mơi chất được xác định theo cơng thức : effh hhhh dn L AprrQ ..16 .... max, µ ρ = (2.51) 2.2.4.5. Giới hạn sơi Giới hạn sơi được xác định theo cơng thức (4.80), [2]:       ∆−= max,max, 2 . ln.. ...2 cap n l h i h heffs s P r r r r TLQ σ ρ λpi (2.53) -12- 2.2.5. Các nhân tố ảnh hưởng tới cơng suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn 2.2.5.1. Ảnh hưởng của cấu trúc bấc Theo [41] đã xét sự ảnh hưởng của loại cấu trúc bấc đối với ống nhiệt mao dẫn cĩ cơng suất nhiệt Q = 10W, đường kính Φ = 3mm trong 2 trường hợp đặt theo hướng đứng (phần ngưng đặt trên phần sơi) và theo hướng nằm ngang. Qua hình 2.23 và 2.24, ta thấy rằng ống nhiệt mao dẫn cĩ cấu trúc bấc rãnh nĩ làm việc tốt nhất trong điều kiện đặt đứng theo hướng trọng trường (phần ngưng đặt trên phần sơi). Cịn khi ống nhiệt đặt 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 độ chuyển động của hơi từ phần sơi đến phần ngưng bị ảnh hưởng bởi độ chênh lệch áp suất hơi giữa 2 phần đĩ. Và nĩ cũng bị ảnh hưởng bởi đường kính và chiều dài của ống nhiệt mao dẫn. Vì vậy, khi thiết kế ống nhiệt mao dẫn cần tính đến kích thước hình học của ống nhiệt mao dẫn. Theo [41] đã xét sự ảnh hưởng kích thước hình học của ống nhiệt mao dẫn làm bằng vật liệu đồng, cấu trúc bấc rãnh, mơi chất là nước. N hi ệ t t rở (o C /W ) Hình 2.23 – Trường hợp đặt ống nằm ngang Hình 2.24 – Trường hợp đặt ống đứng theo hướng trọng trường Chiều dài (mm) Chiều dài (mm) rãnh sợi xoắn ốc lưới thiêu kết bột kim loại rãnh sợi xoắn ốc lưới thiêu kết -13- Qua hình 2.25 ta thấy đường kính của ống càng lớn thì cơng suất nhiệt càng lớn. Cịn ở hình 2.26 ta thấy ống nhiệt mao dẫn cĩ chiều dài lớn hơn sẽ cĩ cơng suất truyền tải nhiệt nhỏ hơn và ngược lại. Ngồi ra, khi làm việc ở nhiệt độ cao hơn thì cơng suất nhiệt lớn hơn. 2.2.5.3. Ảnh hưởng của gĩc nghiêng Φ Nhiều nhà nghiên cứu thấy rằng, ứng với mỗi mơi chất nạp, cấu trúc bấc thì đều cĩ giá trị gĩc nghiêng tối ưu Φtư để cơng suất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn lớn nhất. Theo [41] đối với ống nhiệt mao dẫn cĩ cấu trúc bấc rãnh làm bằng vật liệu đồng, mơi chất nạp là nước thì làm việc ở gĩc nghiêng tối ưu Φtư = -70o (ống đặt cùng hướng trọng trường). Và nĩ cũng làm việc được khi gĩc nghiêng Φ = 0o (ống đặt nằm ngang). Theo [3] đối với ống nhiệt mao dẫn cĩ di = 30 mm, l = 0,5 m, cấu trúc bấc lưới gồm 3 lớp lưới bằng thép khơng rĩ cĩ số mesh N = 68 và mơi chất nạp là nước, với lượng nạp ξ = 45%, nhiệt độ hơi 50oC, 70oC, gĩc nghiêng thay đổi từ -10o
-60o. Kết quả thí nghiệm cĩ được gĩc nghiêng Φtu = -15o
-30o và ống nhiệt mao dẫn hoạt động khá tốt ở Φ = 0o nhưng ống sẽ khơng hoạt động được khi gĩc nghiêng Φ > 10o (ngược hướng trọng trường). Hình 2.26 – Sự ảnh hưởng của l đối với Qmax của ống nhiệt mao dẫn Nhiệt độ làm việc (oC) Q m ax . l ef f (W . m ) Gĩc nghiêng: 0o Vật liệu: Đồng Mơi chất: Nước Bấc rãnh Hình 2.25 – Sự ảnh hưởng của d đối với Qmax của ống nhiệt mao dẫn Nhiệt độ làm việc (oC) Q m ax (W ) -14- 2.2.5.4. Ảnh hưởng của lượng mơi chất nạp Theo [3] ở gĩc nghiêng Φ = 0o ở hai giá trị nhiệt độ hơi trong ống th = 50oC và 70oC, ở lượng nạp thay đổi từ ξ = 30%
70%. Kết quả cho thấy ở đây tồn tại giá trị lượng nạp tối ưu ξtu ứng với nĩ cơng suất nhiệt đạt giá trị lớn nhất. Giá trị nạp tối ưu ở đây là 40%
50% (giá trị lớn ở nhiệt độ hơi lớn và ngược lại). Khi nạp chất lỏng nhỏ hơn hoặc lớn hơn đều dẫn tới sự giảm cơng suất nhiệt. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LÀM BẰNG ỐNG NHIỆT MAO DẪN Trong luận văn, chúng tơi nghiên cứu tính thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn để làm mát các linh kiện điện tử. 3.1. PHƯƠNG PHÁP TÍNH Thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn (TBTĐN- ONMD) (hình 3.1) cĩ phần nhận nhiệt gắn với bề mặt phát nhiệt của linh kiện điện tử thơng qua tấm lắp ráp, phần giải nhiệt cĩ làm cánh bên ngồi, bề mặt trong của ống cĩ gắn bấc, bên trong cĩ nạp mơi chất. Nhiệt độ bề mặt linh kiện điện tử gắn với tấm lắp ráp cĩ nhiệt độ tz, khơng khí lạnh bên ngồi cĩ nhiệt độ tw (tw < tz) được quạt giải nhiệt thổi với lưu lượng Vkk qua phần giải nhiệt. Để thiết kế được TBTĐN-ONMD trên thì cần xác định cơng suất tồn bộ Q của một ống nhiệt mao dẫn và số ống nhiệt mao dẫn nống cĩ trong thiết bị. Hình 3.1 – Thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn -15- Hình 3.2 – Sơ đồ tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn Đ Xác đinh số lượng ống nhiệt mao dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt và cấu trúc thiết bị S Thơng số thiết kế: - Các thơng số của linh kiện điện tử và quạt - Nhiệt độ mơi trường - Yêu cầu khơng gian lắp đặt - Độ phức tạp Chọn loại vật liệu làm vỏ: - Phù hợp với chất lỏng làm việc - Phù hợp với mơi trường xung quanh Chọn loại mơi chất làm việc: - Hệ số đặc trưng M - Khoảng nhiệt độ làm việc - Những yêu cầu khác 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 mơi chất Tính tốn các cơng suất giới hạn Qmax: - Giới hạn bấc - Giới hạn lơi cuốn - Giới hạn sơi Qmax > Q ? Xác định các nhiệt trở, sau đĩ tính cơng suất nhiệt của 1 ống nhiệt mao dẫn Q Kích thước TBTĐN cĩ phù hợp khơng ? Lựa chọn thiết kế về nhiệt, cơ khí và các phương án kiểm tra để đảm bảo tối ưu (lựa chọn phương pháp chế tạo) S Đ -16- Hình 3.3 – Mơđun IGBT của hãng MITSUBISHI 3.2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LÀM BẰNG ỐNG NHIỆT MAO DẪN Trong luận văn này, chúng tơi tính thiết kế TBTĐN-ONMD để làm mát các mơđun IBGT (insulated gate bipolar transistor - transistor cĩ cực điều khiển cách ly). 3.2.1. Thơng số thiết kế - Các thơng số linh kiện điện tử IBGT : nhiệt độ cực đại cho phép tjmax, nhiệt lượng phát sinh QIBGT, nhiệt trở từ tiếp giáp bán dẫn đến 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 đĩ: nhiệt độ tz = tjmax – QIBGT.Rth(j-c) và cơng suất của bộ trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn : Qhi = k1.k2.QIBGT , [W]. - Thơng số của quạt giải nhiệt: chiều dài quạt aq , chiều rộng quạt bq , lưu lượng Vkk và số lượng quạt kq. Khi đĩ : nhiệt độ 2 21 kkkk kkw tt tt + == , [oC]. Với : tkk1 là nhiệt độ của khơng khí ngồi trời vào TBTĐN-ONMD. pkkkkkk IBGT kkkk CV Q tt .. 12 ρ += là nhiệt độ của khơng khí ra TBTĐN-ONMD. - Yêu cầu khơng gian lắp đặt : chiều dài phần đoạn nhiệt La và gĩc nghiêng Φ. - Ở phần nhận nhiệt của TBTĐN-ONMD do tấm lắp ráp làm bằng vật liệu nhơm cĩ hệ số dẫn nhiệt λt lớn và ống nằm trong tấm lắp ráp nên cĩ thể xem phân bố nhiệt độ xung quanh ống đồng đều. Và thơng số bước ống ngang s1 [m] được chọn trên cơ sở đảm bảo điều kiện áp dụng cơng thức (3.35) theo [56] thì 8,314,20 1 ≤≤ s mm. -17- Hình 3.6 – Phần giải nhiệt của bộ trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn de tc zc s1 2 2s 2 1s - Ở phần giải nhiệt của TBTĐN-ONMD cĩ các thơng số : bước ống dọc s2 [m], chiều dày của cánh tản nhiệt tc [m], khoảng cách 2 cánh kế tiếp zc [m] được chọn trên cơ sở đảm bảo điều kiện áp dụng cơng thức (3.35), theo [56] thì 7,81 ≤+≤ cc zδ mm, và 327,12 2 ≤≤ s mm. 3.2.2. Chọn mơi chất nạp Ứng với khoảng nhiệt độ làm việc 30
150oC thì nước là mơi chất cĩ đặt tính nhiệt tốt nhất nên nĩ được chọn là mơi chất làm việc. 3.2.3. Chọn vật liệu làm vỏ ống, cánh tản nhiệt và tấm lắp ráp Vì đồng là loại vật liệu cĩ khả năng dẫn nhiệt tốt nhất, dễ gia cơng chế tạo ống nhiệt mao dẫn nên đồng được chọn là vật liệu làm Hình 3.5 – Mặt cắt tại phần nhận nhiệt de ,di , λ δt , λt δw , λw tz 2 1s s1 2 1s -18- vỏ của ống nhiệt mao dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt cần thiết kế. Tuy nhiên, việc chọn kích thước đường kính ngồi de của ống đồng thì cần phải đảm bảo điều kiện áp dụng cơng thức (3.35), theo [56] thì 6,13.29,6 ≤+≤ ced δ mm (với δc là chiều dày cánh tản nhiệt). Để đảm bảo hiệu quả trao đổi nhiệt, gia cơng và tính hiệu quả kinh tế thì cánh tản nhiệt ở phần ngưng làm bằng đồng và tấm lắp ráp để gắn linh kiện điện tử ở phần sơi được làm bằng vật liệu nhơm. 3.2.4. Chọn loại bấc, vật liệu làm bấc và kích thước bấc mao dẫn Để đảm bảo cơng suất nhiệt của bộ trao đổi nhiệt thì cấu trúc bấc kết hợp nhiều lưới và cấu trúc bấc lưới bao phủ rãnh được sử dụng để làm bấc cho ống nhiệt mao dẫn bởi vì chúng là loại cấu trúc bấc đơn giản và dễ chế tạo nhất. Và vật liệu đồng, niken thường được chọn làm lưới vì cĩ hệ số dẫn nhiệt lớn và dễ chế tạo thành lưới cĩ 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 đảm bảo sao cho các thơng số của bấc : bán kính lỗ mao dẫn hiệu dụng reff, độ rỗng ε, độ thẩm thấu K và hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng λeff hợp lý, tức là đảm bảo cơng suất nhiệt của TBTĐN-ONMD cần thiết kế. 3.2.5. Tính cơng suất nhiệt của một ống nhiệt mao dẫn Để xác định được cơng suất nhiệt Q, cần giải hệ phương trình: ( ) ( )739821 RRRRRR tt RR tt R tQ wz iE wz +++++ − = + − = ∆ = (3.15) ( I ) ( ) ( )[ ] 22 2198 RRRRQttt wzh +−+ + + = (3.16)         += nsieff w i LLd R 11. ..piλ δ (3.17) Ở đây theo các cơng thức sổ tay kỹ thuật nhiệt ta cĩ thể dễ dàng xác định được các nhiệt trở ngồi R1, R2, R8, R9 nhưng các nhiệt trở -19- trong R3, R7 thì chưa xác định được do phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng λeff (một đại lượng chưa biết vì phụ thuộc vào nhiệt độ th). Vì vậy, để xác định Q chúng tơi sử dụng phương pháp lặp để giải hệ phương trình (I) và quá trình lặp cĩ thể tĩm tắt như sau: - Bước 1 : Cho giá trị tổng nhiệt trở trong Ri = R3 + R7 = 0. - Bước 2 : Xác định R1, R2, R8, R9; rồi từ (3.15) tính được Q (Q’). - Bước 3 : Thay Q vào (3.16) tính được nhiệt độ hơi nước th. - Bước 4 : Từ giá trị th đã tính, tra bảng thơng số vật lý của nước để xác định được hệ số dẫn nhiệt của nước λl. Rồi sau đĩ tính hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng λeff theo cơng thức (3.10) hoặc (2.28). - Bước 5 : Thay giá trị λeff đã tính vào (3.17) tính lại được Ri. - Bước 6 : Từ Ri (của bước 5) tính lại giá trị Q (Q”) theo cơng thức (3.15). - Bước 7: Tính sai số ' "1 Q Q −=ε . Rồi so sánh ε với [ε] = 0,01%. + Nếu ε ≤ [ε] → chấp nhận th, λeff và giá trị cơng suất nhiệt Q. + Nếu ε > [ε] → lặp lại các bước từ 3
7 với giá trị Q (ở cơng thức (3.16)) bằng Q” . * Tính các thành phần nhiệt trở - Để đơn giản tính tốn, giả thiết rằng phần tấm lắp ráp bao quanh bên ngồi ống nhiệt mao dẫn là cĩ dạng hình trụ với chiều dày vách trụ tương đương : 2 1 e tđ ds − =δ , [m] (3.18) Như vậy nhiệt trở dẫn nhiệt qua tấm lắp ráp:       + = e tđe st d d L R δλpi ln....2 1 1 , [oC/W] (3.19) - Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống ở phần sơi:       = i e s d d L R ln. ...2 1 2 λpi , [ oC/W] (3.20) -20- - Nhiệt trở của bấc mao dẫn trong phần sơi: sweff w A R , 3 .λ δ = , [oC/W] (3.21) Ở đây: diện tích bề mặt bấc ở phần sơi: Aw,s = π.di.Ls , [m2] - Nhiệt trở của bấc mao dẫn trong phần ngưng: nweff w A R , 7 .λ δ = , [oC/W] (3.22) Ở đây: diện tích bề mặt bấc ở phần ngưng: Aw,n = π.di.Ln , [m2] - Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống phần ngưng:       = i e n d d L R ln. ...2 1 8 λpi , [ oC/W] (3.23) - Nhiệt trở của nguồn làm mát: new A R , 9 . 1 α = , [oC/W] (3.24) 3.2.6. Tính cơng suất giới hạn của ống nhiệt mao dẫn Đối với ống nhiệt mao dẫn dùng chất lỏng khơng phải là kim loại lỏng thì chỉ cần quan tâm đến các cơng suất giới hạn mao dẫn, giới hạn lơi cuốn và giới hạn sơi. 3.2.6.1. Giới hạn mao dẫn 3.2.6.2. Giới hạn lơi cuốn 3.2.6.3. Giới hạn sơi 3.2.7. Kiểm tra sự hoạt động của ống nhiệt mao dẫn Ống nhiệt mao dẫn hoạt động bình thường khi đảm bảo điều kiện: Q < Qcap,max Q < Qa,max (3.36) Q < Qlc,max Nếu khơng thoả mãn điều kiện trên thì cần phải chọn lại các thơng số ở phần 3.2.1, 3.2.3, 3.2.4 cho phù hợp. -21- 3.2.8. Xác định cấu trúc thiết bị của TBTĐN-ONMD - Số lượng ống nhiệt mao dẫn: Q Q n hiơng = (3.37) - Chiều dài phần sơi : Ls = b - Chiều dài phần ngưng : Ln = kq.aq - Chiều dài ống nhiệt : L = Ls + La + Ln - Chiều dài tấm lắp ráp : a = k2. aIBGT - Chiều rộng tấm lắp ráp : b = k1.bIBGT - Độ dày của tấm lắp ráp : h = s1 - Chiều rộng của cánh tản nhiệt : bc = s2 - Chiều dài của cánh tản nhiệt : ac = s1.nống (3.38) - Số lượng cánh tản nhiệt : c n c s L n = 3.2.9. Kiểm tra sự phù hợp các thơng số kích thước của TBTĐN Để đảm bảo tính hợp lý của việc gia cơng chế tạo thì một vài thơng số kích thước của TBTĐN phải thoả mãn điều kiện sau: - Chiều dài của cánh tản nhiệt ac ≤ chiều rộng của quạt bq. - Chiều dài tấm lắp ráp a ≥ s1.nống. Nếu khơng thoả mãn điều kiện trên thì cần phải chọn lại các thơng số ở phần 3.2.1, 3.2.3, 3.2.4 cho phù hợp. CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LÀM BẰNG ỐNG NHIỆT MAO DẪN 4.1. SƠ ĐỒ THUẬT TỐN Dựa trên phương pháp tính thiết kế TBTĐN-ONMD và các cơng thức tính các thơng số nhiệt vật lý của nước, khơng khí để xây dựng phần mềm tính tốn theo sơ đồ thuật tốn sau (hình 4.1): -22- ε ≤ [ε] Đ Đ Đ START Chọn loại bấc và nhập các thơng số yêu cầu Q < Qmax Tính các thơng số cấu trúc thiết bị trao đổi nhiệt : L, Ls, Ln, a, b, h, ac, bc, nc, nống. ac ≤ bq , a ≥ s1.nống In kết quả END S Hình 4.1 – Sơ đồ thuật tốn S Cho giá trị Ri = 0 S Tính các giới hạn mao dẫn, sơi và lơi cuốn Qmax - Tính Q theo phương trình: iE wz RR ttQ + − = (1’) - Tính được th từ phương trình: ( ) ( )[ ] 22 2198 RRRRQttt wzh +−+ + + = (2’) - Từ giá trị th đã tính, gọi hàm tính nội suy thơng số hệ số dẫn nhiệt của nước để xác định λl. - Gọi hàm tính hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc λeff. - Tính Ri từ phương trình:       += nsieff w i LLd R 11. ..piλ δ (3’) - Thay Ri vào (1’) tính lại được Qss - Tính sai số : Q Q ss −= 1ε -23- 4.2. PHẦN MỀM TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT LÀM BẰNG ỐNG NHIỆT MAO DẪN Phần mềm được thiết kế dựa trên ngơn ngữ lập trình Visual Basic 6.0 bao gồm cĩ 3 nội dung chính: - Tính tốn các thơng số nhiệt vật lý của mơi chất. - Xác định cơng suất nhiệt Q, và các cơng suất giới hạn Qmax. Sau đĩ kiểm tra sự hoạt động của ống nhiệt mao dẫn. - Xác định và kiểm tra các thơng số cấu trúc thiết bị. Phần mềm được thiết kế gồm hai phần chính: - Phần giao diện chương trình gồm : form chính MDIMAIN và các form phụ. - Phần tính tốn các thơng số, xử lý dữ liệu gồm cĩ : form thiết kế với bấc kết hợp nhiều lưới và form thiết kế với bấc lưới bao phủ rãnh. Form chính MDIMAIN Hình 4.2 – Giao diện chính của phần mềm -24- Form thiết kế với bấc kết hợp nhiều lưới Hình 4.3 – SSTab Nhập thơng số của Đề án (đối với bấc kết hợp nhiều lưới) Hình 4.4 – SSTab Nhập thơng số yêu cầu (đối với bấc kết hợp nhiều lưới) -25- Ngồi ra cịn cĩ Form thiết kế với bấc lưới bao phủ rãnh hình chữ nhật gồm cĩ 3 SSTab : Nhập thơng số đề án, nhập thơng số yêu cầu và kết quả thiết kế. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 1. Kết luận Từ các kết quả nghiên cứu của luận văn thì luận văn cĩ những đĩng gĩp chính như sau : - Để xác định cơng suất nhiệt Q của một ống nhiệt mao dẫn thì cần giải hệ phương trình (I) theo phương pháp lặp. ( ) ( )739821 RRRRRR tt RR tt R tQ wz iE wz +++++ − = + − = ∆ = ( I ) ( ) ( )[ ] 22 2198 RRRRQttt wzh +−+ + + =       += nsieff w i LLd R 11. ..piλ δ Hình 4.5 – SSTab Kết quả thiết kế (đối với bấc kết hợp nhiều lưới) -26- Trong đĩ : tz , tw – nhiệt độ của nguồn nhiệt đốt nĩng, làm mát (oC), th – nhiệt độ hơi trong ống nhiệt mao dẫn (oC). Ls – chiều dài phần sơi của ống nhiệt mao dẫn (m), Ln – chiều dài phần ngưng của ống nhiệt mao dẫn (m), R1, R2, R3, R7, R8, R9 – các thành phần nhiệt trở của ống nhiệt mao dẫn (oC/W), δw – chiều dày của lớp bấc mao dẫn (m), di – đường kính trong của ống nhiệt mao dẫn (m), λeff – hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc mao dẫn (W/m.oC), là một đại lượng chưa biết do phụ thuộc vào nhiệt độ hơi th. - Dựa trên cơ sở lý thuyết tính tốn ống nhiệt mao dẫn, chúng tơi đã nghiên cứu phương pháp tính thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn để làm mát các linh kiện điện tử. - Trên cơ sở phương pháp tính tốn thiết kế vừa thiết lập, chúng tơi xây dựng phần mềm tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn, đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm tra cơng suất hoặc thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn để làm mát các linh kiện điện tử. - Những kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo trong nghiên cứu và giảng dạy cho chuyên ngành Nhiệt và làm cơ sở để phát triển giải quyết các bài tốn thực tế trong cơng nghiệp. 2. Hướng phát triển đề tài - Nghiên cứu thực nghiệm về tính chất nhiệt của một số loại ống nhiệt mao dẫn. - Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo, sản xuất hàng loạt các thiết bị trao đổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn để làm mát các linh kiện điện tử.