Nghiên cứu, ứng dụng ống nhiệt trọng trường trên máy sấy điện trở

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NCKH DÀNH CHO GIẢNG VIÊN TRẺ

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ỐNG NHIỆT
TRỌNG TRƯỜNG TRÊN MÁY SẤY ĐIỆN TRỞ
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2020-03GVT

S KC 0 0 7 3 1 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8/2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
DÀNH CHO GIẢNG VIÊN TRẺ

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ỐNG NHIỆT TRỌNG
TRƯỜNG TRÊN MÁY SẤY ĐIỆN TRỞ

Mã số: T2020-03GVT

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Thành Luân

TP. HCM, 08/2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
DÀNH CHO GIẢNG VIÊN TRẺ

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ỐNG NHIỆT TRỌNG
TRƯỜNG TRÊN MÁY SẤY ĐIỆN TRỞ

Mã số: T2020-03GVT

Chủ nhiệm đề tài: ThS. Nguyễn Thành Luân
Thành viên đề tài: Không

TP. HCM, 08/2021


NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG
TRÊN MÁY SẤY ĐIỆN TRỞ
Mã số: T2020-03GVT
Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài và đơn vị phối hợp chính

STT

Vai trò

Họ và Tên

1

Chủ nhiệm đề tài

Nguyễn Thành Luân

2

Thành viên nghiên cứu

Không


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
I. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ............................................ 1
II. Tính cấp thiết .......................................................................................................... 2
III. Mục tiêu ................................................................................................................ 3
IV. Cách tiếp cận......................................................................................................... 3
V. Phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................ 3
VI. Nội dung nghiên cứu. ........................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 5
1.1 Tổng quan về máy sấy điện trở ............................................................................. 5
1.2 Tổng quan về ống nhiệt ........................................................................................ 6
1.3 Cơ sở lý luận sự kết hợp máy sấy điện trở và ống nhiệt ..................................... 13
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TỦ SẤY ĐIỆN TRỞ VÀ BỘ ỐNG NHIỆT
TRỌNG TRƯỜNG MƠI CHẤT R134a ................................................................... 17
2.1 Tính tốn thiết kế máy sấy đối lưu (điện trở) ..................................................... 17
2.1.1 Tính tốn q trình sấy lý thuyết ..................................................................... 17
2.1.2 Tính tốn q trình sấy thực tế ........................................................................ 18
2.2 Tính tốn thiết kế ống nhiệt ................................................................................ 23
CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM , KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......... 27
3.1 Mơ hình thực nghiệm .......................................................................................... 27
3.2 Nội dung thực nghiệm và các tiêu chí đánh giá .................................................. 28
3.3 Kết quả và thảo luận ........................................................................................... 30
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 39
Kết luận ..................................................................................................................... 39
Kiến nghị ................................................................................................................... 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 41
PHỤ LỤC.................................................................................................................. 43

i


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thông số làm việc một số loại ống nhiệt..................................................... 8
Bảng 2.1 Thông số đầu vào cho thiết kế máy sấy đối lưu. ....................................... 17
Bảng 2.2 Thơng số các điểm nút q trình sấy lý thuyết .......................................... 18
Bảng 2.3 Thơng số các điểm nút q trình sấy thực tế ............................................. 22
Bảng 2.4 Thông số đầu vào cho thiết kế máy sấy đối lưu. ....................................... 23
Bảng 3.1 Thơng số bộ ống nhiệt ............................................................................... 27
Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm theo phương pháp trực giao 2 nhân tố .......................... 29
Bảng 3.3 Hiệu quả sử dụng năng lượng tủ sấy ......................................................... 37

ii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Ngun lý cấu tạo máy sấy đối lưu (điện trở) và đồ thị I-d ......................... 5
Hình 1.2 Nguyên lý cấu tạo ống nhiệt (heat pipe) ...................................................... 6
Hình 1.3 Cấu tạo bên trong ống nhiệt mao dẫn .......................................................... 7
Hình 1.4 Nguyên lý cấu tạo ống nhiệt ly tâm ............................................................. 7
Hình 1.5 Sơ đồ nhiệt trở quá trình truyền nhiệt qua ống nhiệt ................................. 11
Hình 1.6 Tiềm năng thu hồi nhiệt thải máy sấy đối lưu ........................................... 14
Hình 1.7 Sơ đồ thu hồi nhiệt khơng khí sau buồng sấy ............................................ 15
Hình 1.8 Sơ đồ bố trí ống nhiệt trọng trường trong máy sấy điện trở và đồ thị I-d . 15
Hình 2.1 Đồ thị I-d quá trình sấy lý thuyết ............................................................... 18
Hình 2.2 Bố trí khay trong buồng sấy ....................................................................... 18
Hình 2.3 Sơ đồ cân bằng nhiệt tại thiết bị sấy .......................................................... 19
Hình 2.4 Thơng số các lớp của vách buồng sấy ....................................................... 20

Hình 2.5 Sơ đồ trao đổi nhiệt .................................................................................... 24
Hình 2.6 Giản đồ giải hệ phương trình bằng phương pháp lặp ................................ 26
Hình 3.1 Bố trí ống nhiệt thu hồi nhiệt thải buồng sấy............................................. 27
Hình 3.2 Chênh lệnh nhiệt độ khơng khí vào, ra phần ngưng-phần sơi ống nhiệt .. 31
Hình 3.3 Nhiệt trao đổi ở phần ngưng, phần sôi ống nhiệt và tỉ số truyền nhiệt ...... 31
Hình 3.4 Cơng suất nhiệt ống nhiệt theo thực nghiệm, lý thuyết và sai lệch ........... 32
Hình 3.5 Nhiệt trao đổi tại phần sôi và phần ngưng ống nhiệt ở chế độ thực nghiệm
và lý thuyết ................................................................................................................ 32
Hình 3.6 Chênh lệch nhiệt độ khơng khí qua phần sơi và phần ngưng ống nhiệt ... 34
Hình 3.7 Lượng nhiệt thu hồi ứng với nhiệt độ khơng khí vào phần sơi ống nhiệt .. 35
Hình 3.8 Hiệu suất trao đổi nhiệt bộ ống nhiệt ......................................................... 36
Hình 3.9 Mức tăng về hiệu quả sử dụng năng lượng của tủ sấy khi kết hợp ống
nhiệt so với trường hợp khơng có ống nhiệt ............................................................. 38

iii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Qa- Giới hạn âm thanh công suất nhiệt của ống nhiệt; W
Ah- Tiết diện hơi trong ống nhiệt; m2
r- Nhiệt ẩn hóa hơi; J/kg
R- Hằng số chất khí; J/kmol.K
Th- Nhiệt độ tuyệt đối của hơi; K
k- Hệ số mũ đoạn nhiệt của hơi.
Qs- Giới hạn sôi công suất nhiệt của ống nhiệt; W
n- Khối lượng riêng chất lỏng ngưng; kg/m3
h- Khối lượng riêng hơi; kg/m3
Fis- Diện tích mặt trong phần ngưng ống nhiệt; m2
- Sức căng bề mặt môi chất; N/m
g- Gia tốc trọng trường; m/s2

Qc- Giới hạn lôi cuốn công suất nhiệt của ống nhiệt; W
tz - Nhiệt độ trung bình dịng khơng khí đi qua phần sôi ống nhiệt; K
tw - Nhiệt độ trung bình dịng khơng khí đi qua phần ngưng ống nhiệt; K
Fes - Diện tích mặt ngồi ống nhiệt phần sơi; m2
Fen - Diện tích mặt ngồi ống nhiệt phần ngưng; m2
Fis- Diện tích mặt trong ống nhiệt phần sơi; m2
Fin - Diện tích mặt trong ống nhiệt phần ngưng; m2
des- Đường kính ngồi của ống nhiệt phần sơi; m
dis - Đường kính trong của ống nhiệt phần sơi; m
den- Đường kính ngồi của ống nhiệt phần ngưng; m
din - Đường kính trong của ống nhiệt phần ngưng; m

v - Hệ số dẫn nhiệt của vách ống nhiệt; W/m.K.
s- Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của môi chất trong ống nhiệt; W/m2.K
s - Hệ số tỏa nhiệt khi sôi của môi chất trong ống nhiệt; W/m2.K
z - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu khơng khí bên ngồi phần sơi ống nhiệt; W/m2.K
w - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu không khí bên ngồi phần ngưng ống nhiệt; W/m2.K
z - Hệ số dẫn nhiệt của khơng khí đi ở phần sơi ống nhiệt; W/m.K
iv


w - Hệ số dẫn nhiệt của khơng khí ứng ở phần ngưng ống nhiệt; W/m.K
Nu- Số Nusselt
Pr - Số Prandtl

 - Độ nhớt khơng khí; kg/m.s
Vmax - Tốc độ khơng khí lớn nhất khi qua khe hẹp bộ trao đổi nhiệt; m/s
V - Tốc độ khơng khí trong kênh; m/s
d - Đường kính ống; m
s1 - Bước ống ngang; m

ps- Áp suất hơi môi chất trong phần sôi; N/m2
pn - Áp suất hơi môi chất trong phần ngưng ống nhiệt; N/m2
Th - Nhiệt độ trung bình hơi trong ống; K
Qi- Công suất nhiệt bên trong của ống nhiệt; W

 - Hệ số nạp
r- Hệ số dẫn nhiệt của lỏng mơi chất nạp; W/m.K
Pbh- Áp suất hơi bão hịa; bar
d- Dung ẩm; kg/kgkk
I- Entanpy khơng khí; kJ/kg

- Độ ẩm tương đối; %
t- Nhiệt độ khơng khí; 0C
Pkq- Áp suất khí quyển; Pkq=1 (bar)

- Nhiệt tổn thất khi làm bay hơi 1 kg ẩm; kJ/kga
hfg- Nhiệt hóa hơi của ẩm theo nhiệt độ sấy; J/kg

v


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BẢN GIẢI TRÌNH CHỈNH SỬA BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH

DÀNH CHO GIẢNG VIÊN TRẺ
1.
2.
3.
4.
5.
TT
(1)

1

2

3

Tên đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng ống nhiệt trọng trường trên máy sấy điện trở
Mã số đề tài: T2020-03GVT
Họ và tên, học vị, chức danh khoa học của chủ nhiệm: ThS. Nguyễn Thành Luân
Đơn vị công tác: Khoa Cơ Khí Động Lực
Giải trình chỉnh sửa báo cáo tổng kết đề tài:
Nội dung góp ý của Hội
Kết quả chỉnh sửa, bổ sung
Ghi chú
đồng
(2)
(3)
(4)
Ống nhiệt trọng trường có 3 giới
hạn bao gồm: Giới hạn âm thanh,
giới hạn sôi, giới hạn lơi cuốn. Vì

vậy khi thiết kế vận hành cần đảm
bảo công suất nhiệt nhỏ hơn các
công suất giới hạn trên, đảm bảo an
tồn và khơng làm hỏng ống nhiệt.
Qua các tính tốn và thực nghiệm
người ta thấy rằng giới hạn lơi cuốn
là nhỏ nhất. Vì vậy khi thiết kế và
Tính tốn giới hạn ống nhiệt.
vận hành chỉ quan tâm đến giới hạn
lôi cuốn (phần lý thuyết ống nhiệt
trang 8-10).
Sau khi xác định công suất một
ống nhiệt. Tác giả đã tính giới hạn
lơi cuốn để kiểm tra cơng suất ống
nhiệt thiết kế (Trang 26). Qua tính
tốn cơng suất nhiệt thiết kế thỏa
mãn điều kiện nhỏ hơn công suất
nhiệt lôi cuốn.
Tác giả đã vẽ lại hình 2.4 đúng tên
Vẽ lại hình 2.4
các lớp của vách buồng sấy (Trang
20).
Phương trình mật độ dòng nhiệt
Phạm vi sử dụng của được áp dụng cho trường hợp dịng
phương trình mật độ dịng tác nhân sấy là khơng khí và chảy
nhiệt trang 20.
rối. Tác giả đã bổ sung phạm vi sử
dụng phương trình (Trang 20).
vi

Phương pháp trực giao là phương
pháp thiết kế ma trận thực nghiệm
với các trường hợp khảo sát của biến
Ý nghĩa phương pháp trực
ở biên và ở tâm. Phương pháp cho
4 giao tác giả đề cập đến trong
phép khảo sát toàn bộ vùng với số
báo cáo là gì?
lượng thực nghiệm ít nhất. Tác giả
đã bổ sung ý nghĩa của phương pháp
bố trí thí nghiệm (Trang 28).
Vẽ lại đồ thị I-d vì điểm 2
Tác giả đã chỉnh sửa lại đồ thị I-d
cao hơn trục tung, độ ẩm
Hình 1.1 (Trang 5), Hình 1.8 (Trang
tương đối tại điểm 3.Do
15), Hình 2.3 (Trang 19)
cơng suất máy sấy có 0.5 kg
Cơng suất máy (mơ hình) nhỏ nên
5 quá nhỏ nên nhiệt độ không
khi chế tạo buồng sấy ngắn. Do đó,
khí ra khỏi buồng sấy 60oC
tổn thất năng lượng tủ sấy còn lớn.
còn cao nên tổn thất năng
Tác giả đã bổ sung vấn đề này vào
lượng lớn và độ ẩm ra quá
phần hạn chế của đề tài (Trang 39)
thấp có 20.2 %.
Tác giả đã bổ sung các cơng thức

Bổ sung lại tính tốn phương
tính các nhiệt thành phần trong
6 trình cân bằng nhiệt cơng
phương trình cân bằng nhiệt ở công
thức(2.4)
thức 2.4 (Trang 19)
Tác giả đã bổ sung một số hạn chế
của đề tài như: độ hoàn thiện trong
chế tạo mơ hình máy sấy, độ hồn
7 Bổ sung hạn chế của đề tài.
thiện trong chế tạo bộ ống nhiệt,
cũng như giới hạn phạm vi khảo sát
(Trang 39, 40)
Hình 1.1 và 2.1 trùng nhau, Tác giả đã chỉnh sửa lại Hình 2.1
8
nên thể hiện 1 lần.
(Trang 18).
Một số hình và bảng tên, nội
dung bị nhảy sang trang Tác giả đã điều chỉnh lại các lỗi
9
khác: Hình 2.2, Hình 3.5, format.
Bảng 1.1.
Ghi chú:
(2): Liệt kê tóm tắt các ý kiến đóng góp của Hội đồng.
(3): Ghi rõ các nội dung chỉnh sửa và ghi rõ trang đã được chỉnh sửa.
(4): Giải trình các nội dung khơng chỉnh sửa và các ý kiến khác với ý kiến của Hội đồng
(nếu có).

Tp. HCM, ngày 25 tháng 10 năm 2021
Chủ nhiệm đề tài

(Ký và họ tên)

Nguyễn Thành Luân
vii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Tp. HCM, Ngày 20 tháng 06 năm 2021

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng ống nhiệt trọng trường trên máy sấy điện trở
- Mã số: T2020-03GVT
- Chủ nhiệm: Th.S Nguyễn Thành Luân
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
- Thời gian thực hiện: 04/2020 đến 04/2021
2. Mục tiêu:
+ Đánh giá hiệu suất trao đổi nhiệt (phần nhiệt hiện) của bộ ống nhiệt trọng trường môi
chất R134a khi kết hợp vào máy sấy điện trở để thu hồi nhiệt thải ở điều kiện khí hậu
Việt Nam.
+ Đánh giá hiệu quả năng lượng máy sấy điện trở khi kết hợp ống nhiệt trọng trường

mơi chất R134a ở điều kiện khí hậu Việt Nam.
3. Tính mới và sáng tạo:
Ứng dụng ống nhiệt trọng trường môi chất R134a để thu hồi nhiệt thải máy sấy điện trở
ở điều kiện khí hậu Việt Nam.
4. Kết quả nghiên cứu:
Trong phạm vi khảo sát với nhiệt độ tác nhân sấy sau buồng sấy t = 40  60oC, tốc độ
tác nhân sấy qua phần sôi, phần ngưng ống nhiệt v= 0,4  1,2 m/s và vật liêu sấy là rau
má, kết quả nghiên cứu cho thấy:
+ Với nhiệt độ tác nhân sấy sau buồng sấy t=60oC thì hiệu suất trao đổi nhiệt của bộ
ống nhiệt (phần nhiệt hiện ) đạt 13,1  18,2%. Ứng với trường hợp t= 50C thì hiệu suất
trao đổi nhiệt đạt 8,7  12,2%. Ứng với nhiệt độ t=40C ống nhiệt gần như không làm
việc.

viii


+ Hiệu quả sử dụng năng lượng của máy sấy kết hợp ống nhiệt tăng 10,6714,5% ứng
với t = 60C và 6,59,7% ứng với t = 50C khi so với trường hợp khơng có ống nhiệt.
+ Ở điều kiện khí hậu Việt Nam với máy sấy có nhiệt độ khơng khí sau khi ra khỏi
buồng sấy 5060C thì có thể kết hợp bộ ống nhiệt trọng trường môi chất R134a để thu
hồi nhiệt thải.
5. Sản phẩm:
+ 01 Bài báo khoa học: NT Luân, NM Hạ, LH Nam. “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả
năng lượng tủ sấy kết hợp ống nhiệt trọng trường mơi chất R134a”. Tạp chí khoa học
giáo dục kỹ thuật, số 64, 2021.
+01 Cuốn báo cáo tổng kết theo định dạng quy định của trường.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
+ Với máy sấy nóng đối lưu, nếu nhiệt độ khơng khí sau khi ra khỏi buồng sấy lớn (t >
50C) thì có thể thực hiện thu hồi nhiệt thải bằng cách sử dụng bộ ống nhiệt trọng trường
môi chất R134a để giảm tiêu hao năng lượng khi vận hành.

Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

Nguyễn Thành Luân

ix


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Research, application of gravity heat pipe on a convection dryer
(resistance)
Code number: T2020-03GVT
Coordinator: MS. Nguyen Thanh Luan
Implementing institution: HCMC University of Technology and Education
Duration: from April 2020 to April 2021
2. Objective(s):
+ Evaluation of the sensible effectiveness of gravity heat pipes R134a when combined
on resistance dryers to recovering waste heat under climatic conditions in VietNam.
+ Evaluation of energy efficiency of the dryer when combined with the gravity heat
pipes R134a unit under climatic conditions in VietNam.
3. Creativeness and innovativeness:
+ Application of gravity heat pipe R134a to recovering the waste heat of resistance
dryers under climate conditions in Viet Nam.
4. Research results:

In the scoping survey: the drying agent temperature out of cabinet dryer t = 40oC60oC,
drying agent velocity through the condenser and evaporation part of the heat pipe v =
0,41,2 m/s, and Centella Asiatica is material. Results indicated that:
+ With the drying agent temperature after the drying chamber t=60oC, the sensible
effectiveness of the heat pipe reaches 13.1  18.2%. For the case t= 50C, the sensible
effectiveness of 8.7  12.2%. Corresponding to the temperature t=40C the heat pipe
almost does not work.
+ The energy efficiency of the dryer combined with the heat pipe increases by
10.6714.5%, and 6.59.7% respectively, corresponding t=60C, and t=50C

x


+ In Vietnam's climate, The Dryer has air temperature leaving the drying chamber
5060C possible to combine a unit of the gravity heat pipes to recovering waste heat.
5. Products:
+ 01 Article: NT Luân, NM Hạ, LH Nam. “Research the efficiency of gravity heat pipe
with R134a refrigerant on cabinet dryer”. Journal of Technology Education Science, Vol
64, 2021.
+01 Summary report according to regulations of Ho Chi Minh City University of
Technology and Education.
6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:
+ With the convection dryer, if the air temperature out of the drying chamber is large (t
> 50C). The set of the gravity heat pipe R134a can be used to recovering waste heat to
reduce energy consumption during operating

xi


MỞ ĐẦU

I. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Từ những năm của thập niên 70 thì ống nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi trong đời sống và sản xuất. Đơn cử như: Kim và cộng sự (cs) [1] nghiên cứu
ứng dụng ống nhiệt để làm mát CPU của máy tính. Wu và cs [2] nghiên cứu ứng dụng
ống nhiệt để kiểm soát độ ẩm trong hệ thống điều hịa khơng khí. Naphon [3] nghiên cứu
ứng dụng ống nhiệt để làm mát khơng khí trước khi vào dàn ngưng nhằm nâng cao hiệu
suất hệ thống điều hịa khơng khí. Yau [4] nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để thu hồi
nhiệt nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng của hệ thống điều hịa khơng khí. Wang và cs
[5] nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để nâng cao hiệu quả năng lượng trong máy lạnh hấp
thụ. Các nghiên cứu khác liên quan đến ứng dụng ống nhiệt trong hệ thống điều hịa
khơng khí có thể tìm thấy trong nghiên cứu của Chougule và cs [6]. Để sản xuất nước
nóng từ năng lượng mặt trời có nhiều nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt trong lĩnh vực này
[7-10]. Nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để thu hồi nhiệt khói thải lị hơi, lị cơng nghiệp
và động cơ nhiệt có thể tìm thấy trong nghiên cứu [11-13].
Trong lĩnh vực sấy, trên các máy sấy đối lưu, dòng tác nhân sấy sau buồng sấy có
lưu lượng ổn định và nhiệt độ cịn khá cao so với mơi trường; do đó, nguồn nhiệt này có
tiềm năng để thu hồi và tái sử dụng. Nhiều nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng ống
nhiệt để thu hồi nhiệt thải trên máy sấy như: nghiên cứu nâng cao hiệu quả tủ sấy quần
áo bằng cách kết hợp bộ thu hồi nhiệt kiểu ống nhiệt của Jian và Lizhong [14]; nghiên
cứu ứng dụng ống nhiệt để nâng cao hiệu quả tủ sấy đối lưu của Meyer và Dobson [15];
đánh giá hiệu quả máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt [16-19]
Trong nước, cũng có nhiều nghiên cứu về ứng dụng bộ trao đổi nhiệt kiểu ống
nhiệt. Tác giả Trần Văn Vang [20] nghiên cứu sử dụng ống nhiệt để nâng cao hiệu quả
năng lượng trong hệ thống điều hịa khơng khí. Tác giả Hồng An Quốc và cs [21]
nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt trọng trường trong hệ thống máy lạnh hấp thụ. Tác giả
Nguyễn Thành Luân và Nguyễn Thế Bảo, nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để nâng cao
hiệu quả máy sấy bơm nhiệt [22]. Tác giả Trần Văn Vang [23] nghiên cứu ứng dụng ống
nhiệt để sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời. Qua thực tế nghiên cứu trong và
ngoài nước nhận thấy có nhiều nghiên cứu và ứng dụng ống nhiệt trong thực tế.
1

Các nghiên cứu về ống nhiệt chỉ ra rằng nhiệt độ của dịng lưu chất đi qua phần sơi
và phần ngưng ống nhiệt ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của ống nhiệt. Chênh
lệch nhiệt độ càng lớn thì khả năng làm việc và công suất của ống nhiệt tăng lên và
ngược lại [24-26].
Trong nghiên cứu của Meyer và Dobson [15] phân tích khả năng thu hồi nhiệt thải
của ống nhiệt đã được thực hiện với nhiệt độ môi trường (nhiệt độ khơng khí vào phần
ngưng ống nhiệt) là 22C, nhiệt độ khơng khí vào phần sơi ống nhiệt 4060C. Kết quả
nghiên cứu cho thấy hiệu quả của tủ sấy cải thiện đáng kể có thể ứng dụng vào thực tế
sản xuất.
Ở điều kiện khí hậu Việt Nam với nhiệt độ môi trường cao, điều này ảnh hưởng đáng
kể đến khả năng làm việc của ống nhiệt khi ứng dụng để thu hồi nhiệt trên máy sấy đối
lưu với nhiệt độ dịng khơng khí ra khỏi buồng sấy khơng quá lớn. Do đó, với mục tiêu
đánh giá khả năng ứng dụng ống nhiệt trọng trường và máy sấy đối lưu điện trở ở điều
kiện khí hậu Việt Nam. Nghiên cứu này sẽ mở rộng phạm vi khảo sát nhiệt độ khơng khí
vào phần ngưng ống nhiệt 3033C, nhiệt độ khơng khí vào phần sơi ống nhiệt 4060C
để xem xét đánh giá.
Do đó tác giả chọn đề tài:”Nghiên cứu, ứng dụng ống nhiệt trọng trường trên
máy sấy điện trở”
II. Tính cấp thiết
Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao. Do đó việc sử dụng hiệu
quả năng lượng là yêu cầu cấp thiết cho mọi lĩnh vực. Máy sấy điện trở với đặc điểm cấu
tạo đơn giản, ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống và sản xuất. Tuy nhiên, nhược điểm
cơ bản là tiêu hao năng lượng lớn. Do đó với mục đích tìm kiếm cơ hội, giảm tiêu hao
điện năng trên máy sấy điện trở nhưng vẫn đảm bảo tính đơn giản trong vận hành, bảo
trì, bảo dưỡng. Nên đề tài tiếp cận, nghiên cứu việc kết hợp ống nhiệt trọng trường trên
máy sấy điện trở ở điều kiện khí hậu Việt Nam nhằm đánh giá hiệu quả năng lượng. Nếu
hiệu quả của nghiên cứu tốt thì có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất.

2


III. Mục tiêu
+ Đánh giá hiệu suất trao đổi nhiệt (phần nhiệt hiện) của bộ ống nhiệt trọng
trường môi chất R134a khi kết hợp vào máy sấy điện trở để thu hồi nhiệt thải ở điều kiện
khí hậu Việt Nam.
+ Đánh giá hiệu quả năng lượng máy sấy điện trở khi kết hợp ống nhiệt trọng
trường môi chất R134a ở điều kiện khí hậu Việt Nam.
IV. Cách tiếp cận
Đề tài được thực hiện qua các bước: Tìm kiếm thơng tin, phân tích tài liệu có liên
quan, chế tạo mơ hình, thí nghiệm, xử lý số liệu, bàn luận, kết luận, kiến nghị.
V. Phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1. Phương pháp nghiên cứu:
+ Phương pháp tổng quan: Tổng quan các bài báo khoa học liên quan.
+ Phương pháp thực nghiệm: Thiết lập mơ hình và tiến hành thí nghiệm.
+ Phương pháp phân tích so sánh: Xử lý số liệu, xây dựng mơ hình tốn học, phân
tích, so sánh.
2. Đối tượng nghiên cứu
+ Đối tượng nghiên cứu là máy sấy điện trở kết hợp ống nhiệt trọng trường (ống
đồng, chất công tác là R134a)
3. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài này được thực hiện với phạm vi nghiên cứu như sau:
+ Nghiên cứu được xem xét trên mô hình tủ sấy điện trở cơng suất 2,5 kW kết
hợp ống nhiệt trọng trường loại Cu/R134a.
+ Vật liệu sấy: Rau má
+ Nhiệt độ khơng khí sau buồng sấy: 40÷60C
+ Tốc độ khơng khí qua bộ trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt: 0,41,2 m/s
+ Nghiên cứu này được thực hiện tại thành phố Hồ Chí Minh năm 2020-2021.
+ Thực nghiệm được bố trí theo ma trận trực giao 2 nhân tố.

VI. Nội dung nghiên cứu.
+ Tính tốn thiết kế và chế tạo tủ sấy điện trở kết hợp ống nhiệt trọng trường môi
chất R134a.
3


+ Thực nghiệm khảo sát hiệu quả trao đổi nhiệt (phần nhiệt hiện) của bộ ống nhiệt
trọng trường môi chất R134a khi kết hợp vào tủ sấy điện trở với các thí nghiệm được bố
trí theo ma trận trực giao 2 nhân tố bao gồm: nhiệt độ sau buồng sấy t= 40  60C và tốc
độ khơng khí đi qua các phần trao đổi nhiệt của ống nhiệt v=0,41,2 m/s ở điều kiện khí
hậu Việt Nam (cụ thể TP.HCM)
+ Đánh giá hiệu quả năng lượng của tủ sấy điện trở khi kết hợp ống nhiệt trọng
trường môi chất R134a.

4


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Tổng quan về máy sấy điện trở
Máy sấy điện trở là thiết bị sấy có cơng nghệ đơn giản trong chế tạo và vận hành nên
ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống, sản xuất. Hiện nay, các máy sấy đối lưu bằng điện
trở được chế tạo với nhiều công suất khác nhau từ 1kW đến vài chục kW để phục vụ
trong lĩnh vực sấy như: sấy quần áo, sấy trái cây, sấy thảo mộc, sấy thủy hải sản, sấy các
loại hạt và ngũ cốc. Mặc dù đơn giản trong chế tạo và vận hành, tuy nhiên nhược điểm
cơ bản của máy sấy điện trở là chi phí vận hành lớn. Do đó, đối với máy sấy điện trở
việc tìm kiếm cơ hội giảm tiêu hao năng lượng là cần thiết. Sơ đồ nguyên lý của máy sấy
đối lưu (điện trở) thể hiện như Hình 1.1.

Hình 1.1 Nguyên lý cấu tạo máy sấy đối lưu (điện trở) và đồ thị I-d
Nguyên lý làm việc: Khơng khí ngồi trời trạng thái (1) đi qua bộ gia nhiệt điện trở,

được gia nhiệt lên đến trạng thái (2). Sau đó khơng khí nóng vào buồng sấy thực hiện
quá trình trao đổi nhiệt, ẩm với vật liệu sấy. Sau đó khơng khí ra khỏi buồng sấy và đạt
trạng thái (3).
1-2: Quá trình gia nhiệt tại bộ calorife điện trở
2-3: Quá trình sấy diễn ra tại buồng sấy
Điểm 1: Trạng thái khơng khí ngồi trời
Điểm 2: Trạng thái khơng khí sau bộ calorife
Điểm 3: Trạng thái khơng khí sau buồng sấy

5


1.2 Tổng quan về ống nhiệt
Ống nhiệt là một phần tử trao đổi nhiệt kín bên trong có chứa mơi chất cơng tác.
Tùy theo loại ống nhiệt mà phía trong ống có thể trơn, xẻ rãnh hoặc có bấc mao dẫn. Về
mặt cấu tạo ống nhiệt chia làm 3 phần: phần sôi, phần đoạn nhiệt và phần ngưng thể hiện
như Hình 1.2

Hình 1.2 Nguyên lý cấu tạo ống nhiệt (heat pipe)
Nguyên lý làm việc ống nhiệt: Tại phần sôi ống nhiệt mơi chất trong ống nhận lượng
nhiệt từ bên ngồi truyền vào nên sơi và hóa hơi. Mơi chất sau khi hóa hơi chuyển động
về phần ngưng ống nhiệt, tại đây mơi chất nhả nhiệt ra bên ngồi ngưng tụ thành lỏng
sau đó quay trở lại phần sơi dưới tác dụng của trọng lực, lực mao dẫn hoặc ly tâm tùy
vào loại ống nhiệt.
Ống nhiệt được phân loại theo nhiều cách khác nhau như: Theo lực tác dụng đưa lỏng
môi chất về phần sôi ống nhiệt, theo môi chất công tác, theo hình dạng ống...
 Phân loại theo lực đưa lỏng môi chất từ phần ngưng về phần sôi ống nhiệt:
- Ống nhiệt trọng trường: ống nhiệt mà lỏng môi chất sau khi ngưng được đưa về phần
sôi nhờ lực trọng trường. Với loại ống nhiệt này cần thiết phải bố trí phần sơi ln thấp
hơn phần ngưng để đảm bảo mơi chất sau khi ngưng có thể chảy được về phần sôi.

- Ống nhiệt mao dẫn: ống nhiệt mà lỏng chất công tác sau khi ngưng được đưa về phần
sơi ống nhiệt nhờ lực mao dẫn. Mặc dù, có cấu tạo phức tạp hơn ống nhiệt trọng trường,
tuy nhiên ống nhiệt mao dẫn có thuận hơn trong bố trí. Để tạo ra lực mao dẫn các ống
nhiệt có thể được làm các rãnh nhỏ ở bề mặt trong ống, bố trí lưới kim loại sát bề mặt
trong ống hoặc dạng hạt liên kết . Hình 1.3 thể hiện cấu tạo bên trong một số loại ống
nhiệt mao dẫn.

6


Hình 1.3 Cấu tạo bên trong ống nhiệt mao dẫn
- Ống nhiệt ly tâm: ống nhiệt mà lỏng chất công tác sau khi ngưng được đưa về phần sôi
ống nhiệt nhờ lực ly tâm. Hình 1.4 thể hiện nguyên lý cấu tạo ống nhiệt ly tâm.

Hình 1.4 Nguyên lý cấu tạo ống nhiệt ly tâm
Ngoài 3 loại ống nhiệt trên thì thực tế cịn có một số loại ống nhiệt khác như ống
nhiệt từ trường, ống nhiệt điện trường, ống nhiệt thẩm thấu. Tuy nhiên, các loại ống
nhiệt này ít sử dụng và không phổ biến trong thực tế.
 Phân loại theo môi chất nạp
Theo môi chất nạp ống nhiệt có thể chia thành ống nhiệt nạp mơi chất dạng đơn chất
và ống nhiệt nạp môi chất dạng hợp chất. Tuy nhiên, ống nhiệt nạp đơn chất được sử
dụng phổ biến hơn trong thực tế. Các môi chất công tác thường dùng và phạm vi làm
việc được thể hiện trong Bảng 1.1

7


Bảng 1.1 Thông số làm việc một số loại ống nhiệt
STT

tmin(C)

tmax(C)

Môi chất nạp

Vật liệu chế tạo ống

01

-271

-269

Helium

Thép không gỉ, Titanium

02

-258

-243

Hydrogen

Thép khơng gỉ

03

-246

-234

Neon

Thép khơng gỉ

04

-214

-160

Ơxy

Nhơm, thép khơng gỉ

05

-203

-170

Nitơ

Nhơm, thép khơng gỉ

06

-150

40

Propylene

Nhơm, thép không gỉ, Nickel

07

15

80

R134a

Thép không gỉ, đồng

08

-65

100

Amoniac

Nhôm, thép, thép không gỉ, Nickel

09

-271

-269

Helium

Thép không gỉ, Titanium

10

-258

-243

Hydrogen

Thép không gỉ

11

-60

100

Methanol

Đồng, Thép không gỉ

12

-50

100

Acetone

Nhôm, thép không gỉ

13

-50

280

Toluene

Thép, thép không gỉ, Cu-NI

14

20

280

Nước

Đồng, Monel, Nickel, Titanium

 Các công suất giới hạn của ống nhiệt
Về mặt lý thuyết thì ống nhiệt có cơng suất rất lớn, tuy nhiên do ảnh hưởng của các

quá trình nhiệt động, truyền nhiệt, thủy động xảy ra bên trong ống dẫn đến sự hạn chế về
công suất nhiệt. Khi công suất ống nhiệt lớn hơn Qmax tới hạn thì ống nhiệt khơng hoạt
động, lỏng ngưng không quay về phần sôi dẫn đến nhiệt độ vách ống tăng cao, gây vỡ,
nổ ống nhiệt. Ống nhiệt trọng trường có 3 giới hạn bao gồm: Giới hạn âm thanh, giới
hạn sôi, giới hạn lôi cuốn. Vì vậy khi thiết kế vận hành cần đảm bảo công suất nhiệt nhỏ
hơn các công suất giới hạn trên, đảm bảo an tồn và khơng làm hỏng ống nhiệt.
- Giới hạn âm thanh: Theo lý thuyết thì tốc độ hơi khơng thể lớn hơn tốc độ âm thanh. Vì
vậy công suất nhiệt lớn nhất ứng với trường hợp tốc độ hơi bằng tốc độ âm thanh gọi là
giới hạn âm thanh của công suất nhiệt.

8


Qa =A h .ρ h .r.(

k.R.Th 0,5
)
2.(k+1)

(1.1)

Trong đó:
Qa- Giới hạn âm thanh công suất nhiệt; W
Ah- Tiết diện hơi trong ống; m2
h- Khối lượng riêng của hơi; kg/m3
r- Nhiệt ẩn hóa hơi; J/kg
R- Hằng số chất khí; J/kmol.K
Th- Nhiệt độ tuyệt đối của hơi; K
k- Hệ số mũ đoạn nhiệt của hơi.
- Giới hạn sôi: Khi lỏng công tác chảy từ phần ngưng về phần sôi, lớp chất lỏng sát bề

mặt vách ở phần sôi nhận nhiệt sẽ sôi bọt. Khi nhiệt đưa vào q lớn thì chế độ sơi bọt
chuyển sang sôi màng. Dẫn đến hệ số tỏa nhiệt giảm mạnh, nhiệt độ vách ống tăng cao
làm hỏng vách. Vậy công suất nhiệt lớn nhất tại thời điểm chuyển từ sôi bọt sang sôi
màng gọi là giới hạn sôi của cơng suất nhiệt.

Qs =0,16.Fis0,5 .r.(σ.g.(ρn -ρh ))0,25

1.2

Trong đó:
Qs- Giới hạn sôi công suất nhiệt; W
n- Khối lượng riêng chất lỏng ngưng; kg/m3
h- Khối lượng riêng hơi; kg/m3
r- Nhiệt ẩn hóa hơi; J/kg
Fis- Diện tích mặt trong phần ngưng ống nhiệt; m2
- Sức căng bề mặt môi chất; N/m
g- Gia tốc trọng trường; m/s2
- Giới hạn lôi cuốn: Chất công tác sau khi ngưng sẽ về phần sôi, nếu công suất nhiệt lớn
dẫn đến lượng hơi sinh ra ở phần sôi lớn với tốc độ cao sẽ cản trở lỏng chảy về phần sơi.
Khi đó ống nhiệt ngừng hoạt động. Vậy cơng suất nhiệt lớn nhất mà tại đó dịng hơi có
tác động cản trở lớn đến dịng lỏng ngưng gọi là giới hạn lôi cuốn của công suất.

9


Qc =0,64.A h .(

ρ n 0,13
) .r.(σ.g.ρh2 .(ρn -ρ h ))0,25
ρh

1.3

Trong đó:
Qc- Giới hạn lơi cuốn của cơng suất; W
Ah- Tiết diện hơi trong ống; m2
r- Nhiệt ẩn hóa hơi; J/kg
n- Khối lượng riêng chất lỏng ngưng; kg/m3
h- Khối lượng riêng hơi; kg/m3
- Sức căng bề mặt môi chất; N/m
g- Gia tốc trọng trường; m/s2
Qua các tính tốn và thực nghiệm người ta thấy rằng giới hạn lôi cuốn Qc là nhỏ nhất
vì vậy khi thiết kế và vận hành chỉ quan tâm đến giới hạn lôi cuốn Qc.
 Đặc điểm của ống nhiệt
- Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng đều theo tồn bộ chiều dài ống. Vì áp suất phần
ngưng và phần sôi không chênh lệch nhiều.
- Ống nhiệt truyền tải nhiệt từ vùng nóng đến vùng lạnh không phải dùng bơm.
Nên độ tin cậy tăng, không gây ồn.
- Khả năng truyền nhiệt của ống nhiệt lớn vì quá trình truyền nhiệt bên trong ống
nhiệt thực hiện bởi quá trình biến đổi pha.
- Khoảng nhiệt độ làm việc rộng, có thể truyền tải nhiệt với khoảng cách xa.
- Thuận lợi khi bảo trì, bảo dưỡng, thay thế.
 Cơ sở tính tốn ống nhiệt
Việc tính tốn thiết kế ống nhiệt trọng trường mơi chất R134a được trình bày ở các
phương trình (1.4-1.9) [26]. Khi thực hiện trao đổi nhiệt giữa dịng khơng khí nóng và
dịng khơng khí lạnh, các nhiệt trở thành phần của quá trình truyền nhiệt thể hiện như
Hình 1.5

10