Tài liệu Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dản

-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.