Luận văn:Nghiên cứu tính toán nhiệt của ống nhiệt mao dẫn potx

-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.
-3-

MỞ 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 b
ằng 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
-4-

một 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. B
ố cục luận văn
Ngoài phần mục lục và phụ lục; luận văn gồm có:
Mở ñầu.
-5-

Chương 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
c
ấu 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.
-6-

Để 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 150
o
C), 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
ch
ất lỏng nano (thường dùng các hạt nano Al
2
O
3
, CuO, TiO
2
) 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

-7-

tối 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 Al
2
O
3
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
thức:

l
ll
r
M
µ
σρ

= (2.1)
2.1.2. C
ấu trúc bấc
2.1.2.1. Cấu trúc bấc ñồng 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 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:
∆P

cap,max
≥ ∆P
l
+

∆P
h
+ ∆P
e,δ
+ ∆P
c,δ
+

∆P
g
(2.2)
Và thông thường ∆P
e,δ
và ∆P
c,δ
không ñáng kể nên ta có thể viết
lại như sau:
∆P
cap,max
≥ ∆P
l
+

∆P
h

+

∆P
g
(2.3)
2.2.1.1. Áp suất mao dẫn lớn nhất ∆P
cap,max
do bấc tạo ra trong
ống nhiệt mao dẫn

eff
l
cap
r
P
σ
.2
max,
=∆
(2.6)
Trong ñó : r
eff
- bán kính lỗ mao dẫn hiệu dụng (m).
2.2.1.2. Tổn thất áp suất của dòng chất lỏng ngưng ∆P
l

-
Đối với lưới, thiêu kết (theo công thức (2.32), [25]):

wl

effl
l
AK
mL
P


ρ
µ
=∆
(2.7)
-9-

- Đối với cấu trúc rãnh (theo công thức (2.34), [25]):

rNd
LQ
P
ltd
effl
l
.'
2
1
.
8
4
ρπ
µ







=∆ (2.8)
- Đối với cấu trúc bấc hỗn hợp (công thức (2.35), [25]):

rr
LQ
P
lh
effl
l

6
3
ρϖπ
µ
=∆
(2.9)
2.2.1.3. Tổn thất áp suất của dòng hơi ∆P
h

∆P
h
= ∆P
hs
+ ∆P
ha

+ ∆P
hn









++=
22
.

8
4
n
a
s
hh
h
L
L
L
r
m
ρπ
µ
(2.10)

2.2.1.4. Tổn thất áp suất do lực trọng trường ∆P
g

∆P
g
= ρ
1
.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 λ
eff
. Và nếu gọi λ
l
là hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng (môi
chất làm việc), λ
r
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]):
λ
eff
= (1 - ε) λ
r
+ ε. λ
l

(2.12)
- Trường hợp nối tiếp: Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc xác
ñịnh theo công thức (4.31), [2]:

( )
ελλε
λλ
λ
−+
=
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 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.
s
wzwz

RRRRRRRRRR
tt
R
tt
R
t
Q
+++++++++
−
=
−
=
∆
=
987654321
(2.31)
Với: t
z
,

t
w
– nhiệt ñộ của nguồn nhiệt ñốt nóng và làm mát, [
o
C].
R
1
, R
2
, R

3
, R
4
, R
5
, R
6
, R
7
, R
8
, R
9
,

R
s
– các thành phần nhiệt trở
của ống nhiệt mao dẫn, [
o
C/W].
2.2.3.2. Công suất nhiệt trong
Theo các tác giả [2], [13] thì nhiệt trở chuyển pha R
4
, R
6
và R
5
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:

73
RR
tt
Q
inis
i
+
−
= (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 ∆t
i
=
t
is
- t
in
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
ch
ất nạp. Ngoài ra, khi ở chế ñộ nhiệt ổn ñịnh thì Q = Q
i
(công suất
nhiệt toàn bộ bằng công suất nhiệt trong của ống nhiệt mao dẫn).
-11-

2.2.4. 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]:

hhha
prAQ 474,0
max,
ρ
= (2.47)
2.2.4.2. Giới hạn lôi cuốn
Giới hạn lôi cuốn ñược xác ñịnh theo công thức (4.78), [2]:

z
r
AQ
lh
hlc
σρπ
2
.
2
max,
= (2.49)
2.2.4.3. Giới hạn mao dẫn
Giới hạn mao dẫn ñược tính theo công thức (2.99), [25]:










−=
φ
σ
ρ
µ
σρ
sin.

2
.
.
.

max,
l
effl
effeff
w
l
ll
cap
Lg
rL
AKr

Q










−=
φ
σ
ρ
sin.

2
.
.
.
l
effl
effeff
w
Lg
rL
AK
M
(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 :

effh
hhhh
dn
L
Aprr
Q
16

max,
µ
ρ
= (2.51)
2.2.4.5. Giới hạn sôi
Giới hạn sôi ñược xác ñịnh theo công thức (4.80), [2]:









∆−=
max,max,
2

.
ln
2
cap
n
l
h
i
h
heffs
s
P
r
r
r
r
TL
Q
σ
ρ
λπ
(2.53)

-12-

2.2.5. 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
sôi) và theo hướng 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
c
ủa 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.
Nhiệt trở (
o
C/W)
Hình 2.23 – Trường hợp ñặt
ống nằm ngang
Hình 2.24 – Trường hợp ñặt

ống
ñứng theo hướng trọng trường

Chiều dài (mm)
Chiều dài (mm)
rãnh

sợi xoắn ốc

lưới

thiêu k
ết bột
kim loại
rãnh

sợi xoắn ốc

lưới

thiêu kết

-13-

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 Φ
tư
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 Φ
tư
= -70
o
(ống ñặt cùng hướng trọng trường). Và nó cũng làm
việc ñược khi góc nghiêng Φ = 0
o
(ống ñặt nằm ngang).
Theo [3] ñối với ống nhiệt mao dẫn có d
i
= 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 50
o
C,

70
o
C, góc nghiêng thay ñổi từ -10
o
 -60
o
. Kết quả thí nghiệm có
ñược góc nghiêng Φ
tu
= -15
o
 -30
o
và ống nhiệt mao dẫn hoạt ñộng
khá tốt ở Φ = 0
o
nhưng ống sẽ không hoạt ñộng ñược khi góc
nghiêng Φ > 10
o
(ngược hướng trọng trường).
Hình 2.26 – S
ự ảnh hưởng của l ñ
ối
với Q
max
của ống nhiệt mao dẫn
Nhiệt ñộ làm việc (
o
C)

Q
max
.l
eff
(W.m)

Góc nghiêng: 0
o

Vật liệu: Đồng
Môi chất: Nước

Bấc rãnh

Hình 2.25 – Sự ảnh hưởng của d ñ
ối
với Q
max
của ống nhiệt mao dẫn
Nhiệt ñộ làm việc (
o
C)
Q
max
(W)
-14-

2.2.5.4. Ảnh hưởng của lượng môi chất nạp
Theo [3] ở góc nghiêng Φ = 0
o

ở hai giá trị nhiệt ñộ hơi trong
ống t
h
= 50
o
C và 70
o
C, ở lượng nạp thay ñổi từ ξ = 30%  70%. Kết
quả cho thấy ở ñây tồn tại giá trị lượng nạp tối ưu ξ
tu
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 (TBTĐN-
ONMD) (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 t
z
, không khí lạnh bên ngoài có nhiệt ñộ t
w

(t
w
< t
z
) ñược quạt giải
nhiệt thổi với lưu lượng V
kk
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 n
ống
có trong thiết bị.

Hình 3.1 – Thiết bị trao ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn
-15-






Hình 3.2 – S
ơ ñồ tính toán thiết kế thiết bị trao ñổi
nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn
Đ

Xác ñinh số lượng ống nhiệt mao dẫn trong thiết bị
trao ñổi nhiệt và cấu trúc thiết bị
S
Thông 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 vật liệu làm vỏ:
- Phù hợp với chất lỏng làm việc
- Phù hợp với môi trường xung quanh
Chọn loại môi chất làm việc:
- Hệ số ñặc trưng M
- Khoảng nhiệt ñộ 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 môi chất
Tính toán các công suất giới hạn Q
max
:
- Giới hạn bấc
- Giới hạn lôi cuốn
- Giới hạn sôi
Q
max
> Q ?
Xác ñịnh các nhiệt trở, sau ñó tính công suất
nhiệt của 1 ống nhiệt mao dẫn Q
Kích thước TBTĐN có
phù hợp không ?
Lựa chọn thiết kế về nhiệt, cơ khí và các phương án ki
ểm
tra ñể ñảm bảo tối ưu (lựa chọn phương pháp chế tạo)

S
Đ

-16-

Hình 3.3 –
Môñun IGBT
của hãng MITSUBISHI

3.2. 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).
3.2.1. Thông số thiết kế
- Các thông số linh kiện ñiện tử IBGT :
nhiệt ñộ cực ñại cho phép t
jmax
, nhiệt lượng phát sinh Q
IBGT
, nhiệt trở
từ tiếp giáp bán dẫn ñến vỏ R
th(j-c)
, chiều dài a
IBGT
, chiều rộng b
IBGT

và cách bố trí k

1
hàng, k
2
cột trên tấm lắp ráp của các IBGT.
Khi ñó: nhiệt ñộ t
z
= t
jmax
– Q
IBGT
.R
th(j-c)
và công suất của bộ trao
ñổi nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn : Q
hi
= k
1
.k
2
.Q
IBGT
, [W].
- Thông số của quạt giải nhiệt: chiều dài quạt a
q
, chiều rộng quạt
b
q
, lưu lượng V
kk
và số lượng quạt k

q
.
Khi ñó : nhiệt ñộ
2
21 kkkk
kk
w
tt
tt
+
==
, [
o
C].
Với : t
kk1
là nhiệt ñộ của không khí ngoài trời vào TBTĐN-ONMD.

pkkkkkk
IBGT
kkkk
CV
Q
tt

12
ρ
+= là nhiệt ñộ của không khí ra
TBTĐN-ONMD.
- Yêu cầu không gian lắp ñặt : chiều dài phần ñoạn nhiệt L

a
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 λ
t
lớn và ống nằm trong tấm
lắp ráp nên có thể xem phân bố nhiệt ñộ xung quanh ống ñồng ñều.
Và thông s
ố bước ống ngang s
1
[m] ñược chọn trên cơ sở ñảm bảo
ñiều kiện áp dụng công thức (3.35) theo [56] thì
8,314,20
1
≤≤ s
mm.
-17-

Hình 3.6 – Phần giải nhiệt của bộ trao ñổi
nhiệt làm bằng ống nhiệt mao dẫn
d
e

t
c

z
c

s
1
2
2
s

2
1
s







- Ở phần giải nhiệt của TBTĐN-ONMD có các thông số : bước ống
dọc s
2
[m], chiều dày của cánh tản nhiệt t
c
[m], khoảng cách 2 cánh
kế tiếp z
c
[m] ñược chọn trên cơ sở ñảm bảo ñiều kiện áp dụng công
thức (3.35), theo [56] thì
7,81
≤
+
≤

cc
z
δ
mm, và
327,12
2
≤≤ s
mm.
3.2.2. Chọn môi chất nạp
Ứng với khoảng nhiệt ñộ làm việc 30  150
o
C thì nước là môi
chất có ñặt tính nhiệt tốt nhất nên nó ñược chọn là môi chất làm việc.
3.2.3. Ch
ọn 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
Hình 3.5 – M
ặt cắt tại phần nhận nhiệt
d
e
,d
i
, λ

δ
t
, λ
t
δ

w
, λ
w
t
z
2
1
s
s
1

2
1
s
-18-

vỏ của ống nhiệt mao dẫn trong thiết bị trao ñổi nhiệt cần thiết kế.
Tuy nhiên, việc chọn kích thước ñường kính ngoài d
e
của ống ñồng
thì cần phải ñảm bảo ñiều kiện áp dụng công thức (3.35), theo [56]
thì
6,13.29,6
≤
+
≤
ce
d
δ
mm (với δ

c
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 r
eff
, ñộ rỗng ε, ñộ
thẩm thấu K và hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng λ
eff
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:

( ) ( )
739821
RRRRRR
tt
RR
tt
R

t
Q
wz
iE
wz
+++++
−
=
+
−
=
∆
=
(3.15)
( I )
(
)
(
)
[
]
2
2
2198
RRRRQtt
t
wz
h
+−+
+

+
=
(3.16)









+=
nsieff
w
i
LLd
R
11
.

πλ
δ
(3.17)

Ở ñây theo các công thức sổ tay kỹ thuật nhiệt ta có thể dễ dàng
xác ñịnh ñược các nhiệt trở ngoài R
1
, R
2

, R
8
, R
9
nhưng các nhiệt trở
-19-

trong R
3
, R
7
thì chưa xác ñịnh ñược do phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt
hiệu dụng λ
eff
(một ñại lượng chưa biết vì phụ thuộc vào nhiệt ñộ t
h
).
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 R
i
= R
3
+ R
7
= 0.
- Bước 2 : Xác ñịnh R
1
, R
2

, R
8
, R
9
; rồi từ (3.15) tính ñược Q (Q’).
- Bước 3 : Thay Q vào (3.16) tính ñược nhiệt ñộ hơi nước t
h
.
- Bước 4 : Từ giá trị t
h
ñã tính, tra bảng thông số vật lý của nước
ñể xác ñịnh ñược hệ số dẫn nhiệt của nước λ
l
. Rồi sau ñó tính hệ số
dẫn nhiệt hiệu dụng λ
eff
theo công thức (3.10) hoặc (2.28).
- Bước 5 : Thay giá trị λ
eff
ñã tính vào (3.17) tính lại ñược R
i
.
- Bước 6 : Từ R
i
(của bước 5) tính lại giá trị Q (Q”) theo công
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 t
h
, λ
eff
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
vách trụ tương ñương :
2
1 e
tñ
ds
−
=
δ
, [m] (3.18)
Như vậy nhiệt trở dẫn nhiệt qua tấm lắp ráp:










+
=
e
tñe
st
d
d
L
R
δ
λπ
ln.
2
1
1
, [
o
C/W] (3.19)
- Nhi
ệt trở dẫn nhiệt qua vách ống ở phần sôi:










=
i
e
s
d
d
L
R ln.
2
1
2
λπ
, [
o
C/W] (3.20)
-20-

- Nhiệt trở của bấc mao dẫn trong phần sôi:

sweff
w
A
R
,
3
.
λ

δ
=
, [
o
C/W] (3.21)
Ở ñây: diện tích bề mặt bấc ở phần sôi: A
w,s
= π.d
i
.L
s
, [m
2
]
- Nhiệt trở của bấc mao dẫn trong phần ngưng:

nweff
w
A
R
,
7
.
λ
δ
=
, [
o
C/W] (3.22)
Ở ñây: diện tích bề mặt bấc ở phần ngưng: A

w,n
= π.d
i
.L
n
, [m
2
]
- Nhiệt trở dẫn nhiệt qua vách ống phần ngưng:









=
i
e
n
d
d
L
R ln.
2
1
8
λπ

, [
o
C/W] (3.23)
- Nhiệt trở của nguồn làm mát:

new
A
R
,
9
.
1
α
= , [
o
C/W] (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 < Q
cap,max

Q < Q
a,max

(3.36)
Q < Q
lc,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.
-21-

3.2.8. Xác ñịnh cấu trúc thiết bị của TBTĐN-ONMD
- Số lượng ống nhiệt mao dẫn:
Q
Q
n
hi
ông
=
(3.37)
- Chiều dài phần sôi : L
s
= b
- Chiều dài phần ngưng : L
n
= k
q
.a
q

- Chiều dài ống nhiệt : L = L
s
+ L

a
+ L
n

- Chiều dài tấm lắp ráp : a = k
2
. a
IBGT

- Chiều rộng tấm lắp ráp : b = k
1
.b
IBGT

- Độ dày của tấm lắp ráp : h = s
1

- Chiều rộng của cánh tản nhiệt : b
c
= s
2

- Chiều dài của cánh tản nhiệt : a
c
= s
1
.n
ống
(3.38)
- Số lượng cánh tản nhiệt :

c
n
c
s
L
n =

3.2.9. Kiểm tra sự phù hợp các thông số kích thước của TBTĐN
Để ñảm bảo tính hợp lý của việc gia công chế tạo thì một vài
thông số kích thước của TBTĐN phải thoả mãn ñiều kiện sau:
- Chiều dài của cánh tản nhiệt a
c
≤ chiều rộng của quạt b
q
.
- Chiều dài tấm lắp ráp a ≥ s
1
.n
ống
.
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.

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 TOÁN
D
ựa trên phương pháp tính thiết kế TBTĐN-ONMD và các công
thức tính các thông số nhiệt vật lý của nước, không khí ñể xây dựng

phần mềm tính toán theo sơ ñồ thuật toán sau (hình 4.1):
-22-













ε ≤ [ε]
Đ
Đ
Đ
START
Chọn loại bấc và nhập các thông số yêu cầu
Q < Q
max

Tính các thông số cấu trúc thiết bị trao ñổi nhiệt :
L, L
s
, L
n
, a, b, h, a

c
, b
c
, n
c
, n
ống
.
a
c
≤ b
q
, a ≥ s
1
.n
ống

In kết quả END
S
Hình 4.1 – Sơ ñồ thuật toán
S
Cho giá trị R
i
= 0
S
Tính các giới hạn mao dẫn, sôi và lôi cuốn Q
max

- Tính Q theo phương trình:
iE

wz
RR
tt
Q
+
−
=
(1’)
- Tính ñược t
h
từ phương trình:

(
)
(
)
[
]
2
2
2198
RRRRQtt
t
wz
h
+−+
+
+
=
(2’)

- Từ giá trị t
h
ñã tính, gọi hàm tính nội suy thông số hệ số dẫn
nhiệt của nước ñể xác ñịnh λ
l
.
- Gọi hàm tính hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc λ
eff
.
- Tính R
i
từ phương trình:








+=
nsieff
w
i
LLd
R
11
.

πλ

δ
(3’)
- Thay R
i
vào (1’) tính lại ñược Q
ss

- Tính sai số :
Q
Q
ss
−= 1
ε

-23-

4.2. PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO
ĐỔI NHIỆT LÀM BẰNG ỐNG NHIỆT MAO DẪN
Phần mềm ñược thiết kế dựa trên ngôn ngữ lập trình Visual Basic
6.0 bao gồm có 3 nội dung chính:
- Tính toán các thông số nhiệt vật lý của môi chất.
- Xác ñịnh công suất nhiệt Q, và các công suất giới hạn Q
max
.
Sau ñó kiểm tra sự hoạt ñộng của ống nhiệt mao dẫn.
- Xác ñịnh và kiểm tra các thông số cấu trúc thiết bị.
Phần mềm ñược thiết kế gồm hai phần chính:
- Phần giao diện chương trình gồm : form chính MDIMAIN và
các form phụ.
- Phần tính toán các thông số, xử lý dữ liệu gồm có : 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 di
ện chính của phần mềm
-24-

Form thiết kế với bấc kết hợp nhiều lưới

Hình 4.3 – SSTab Nhập thông số của Đề án
(ñối với bấc kết hợp nhiều lưới)
Hình 4.4 – SSTab Nh
ập thông số yêu cầu
(ñối với bấc kết hợp nhiều lưới)
-25-












Ngoài ra còn có Form thiết kế với bấc lưới bao phủ rãnh
hình chữ nhật gồm có 3 SSTab : Nhập thông số ñề án, nhập thông
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 có những
ñóng góp chính như sau :
- Để xác ñịnh công 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
t
Q
wz
iE
wz
+++++
−
=
+
−
=
∆
=

( I )
(
)
(

)
[
]
2
2
2198
RRRRQtt
t
wz
h
+
−
+
+
+
=










+=
nsieff
w
i

LLd
R
11
.

πλ
δ

Hình 4.5 – SSTab K
ết quả thiết kế
(ñối với bấc kết hợp nhiều lưới)