Giới thiệu phân loại và ứng dụng ống nhiệt

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

Chơng 1
Giới thiệu, phân loại và ứng dụng ống nhiệt
1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của ống nhiệt
1.1.1. Cấu tạo
ống nhiệt là một ống có không gian khép kín (ống đợc
bịt kín hai đầu) Bên trong chứa chất lỏng thực hiện hai quá
trình chuyển pha là sôi và ngng (hình 1.1). Vách ống thờng
bằng kim loại, thông thờng ống có dạng hình trụ ngoài ra có
dạng

khác

nh

hình

hộp,...

1.Phần bay
hơi;
2.Dỏng hơi;
3.Phần ngng
tụ;
4.Dòng lỏng.

Hình 1.1. Cấu trúc
ống nhiệt

ống nhiệt đợc chia thành ba phần: phần bốc hơi còn gọi
là phần bay hơi, ở đây ống nhiệt nhận nhiệt, phần đoạn
nhiệt, trong phần này ống không trao đổi nhiệt với bên
ngoài, phần này có thể có hoặc không; phần ngng ở đây
ống toả nhiệt.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Trong phần bèc h¬i chÊt láng nhËn nhiƯt cđa ngn nãng
(vÝ dơ khói...) sẻ sôi và biến thành hơi, hơi chuyển động qua
phần đoạn nhiệt tới phần ngng. Tại đây hơi nhả nhiÖt qua

12


Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

vách ống (ví dụ: không khí....) và ngng tụ lại thành chất lỏng
ngng, chất lỏng ngng tạo thành sẻ chảy về phần bốc hơi nhờ
trong một những lực sau đây: Lực trọng trờng, lực mao dẫn,
lực ly tâm, lực từ trờng....

1.2. Phân loại ống nhiệt
Có nhiều cách phân loại ống nhiệt:
1.2.1. Theo lực tác dụng đa lỏng về phần bay hơi
a) ống nhiệt trọng trờng
- Lực tác dụng để đa lỏng về phần bay hơi là lực là lực
trọng trờng nên gọi là ống nhiệt trọng trờng, ở đây phần sôi
buộc phải đặt thấp hơn phần ngng để lỏng chảy từ trên
xuống dới (hình 1.1).
- Để nâng cao khả năng truyền tải nhiệt lớn nhất, ngời thiết

kế còn đặt bên trong ống một vật để tách riêng dòng hơi
và dòng chất lỏng ngng. ống nhiệt này gọi là ống nhiệt trọng
trờng có thiết bị tách dòng bên trong.
b) ống nhiệt mao dẫn
- Nếu là lực mao dẫn gọi là ống nhiệt mao dẫn, ở đây lực
mao dÉn sÏ hót chÊt láng ngng tõ ph©n ngng vỊ phần bốc
hơi. ống nhiệt mao dẫn thờng đợc sử dụng khi phần sôi đặt
cao hơn phần ngng (ngợc hớng trọng trờng), để tạo lực mao
dẫn có thể làm rÃnh bên trong ống, đặt các tấm lới kim loại
sát bề mặt trong ống tạo nên vật gọi là bấc hoặc kết hợp vừa
làm rÃnh vừa đặt tấm kim loại.

13


Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

1. Vùng ngng tụ;
2. Vùng bay hơi;
3. Dòng lỏng;
4. Dòng hơi;
5. Bấc;
6. Q-Nhiệt nhận vào và
nhiệt thải.

c) ống nhiệt ly tâm
- Nếu lực tác dụng lên chất lỏng ngng là lực ly tâm gọi là
ống nhiệt ly t©m, nhê sù quay èng nhiƯt víi mét vËn tốc xác
định nào đó. Hình

1.3
là cấu
ống
nhiệt ly tâm để
Hình
1.2.
Cấu tạo
trúccủa
ống
nhiệt
dẫn
làm mát động cơmao
điện.

Hình 1.3. ống nhiệt ly tâm làm mát động cơ điện
1. Thân động cơ;

3. Rôto;

2. Stato;

4. Trục rỗng (èng nhiÖt ly

14


Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

tâm).

d) ống nhiệt điện trờng
- Nếu lực tác dụng lên chất lỏng ngng là lực điện trờng, ống
nhiệt gọi là ống nhiệt điện trờng.
e) ống nhiệt từ trờng
- Nếu lực tác dụng lên chất lỏng ngng lùc tõ trêng, èng
nhiƯt gäi lµ èng nhiƯt tõ trêng.

1.2.2. Theo mơc ®Ých sư dơng cđa èng nhiƯt
- èng nhiƯt truyền tải nhiệt từ vùng có nhiệt độ cao sang
vùng có nhiệt độ thấp, ống nhiệt đợc coi nh phần tử truyền
tải nhiệt.
- ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ; Múc đích giữ nhiệt độ
không đổi.
- ống nhiệt chỉ truyền nhiệt một chiều; điốt-nhiệt
- ống nhiệt dùng làm công tắc nhiệt.
1.2.3. Theo nhiƯt ®é sư dơng
- èng nhiƯt ë nhiƯt ®é rất thấp: Nhiệt độ làm việc nhỏ hơn
200 K.
- ống nhiệt nhiệt độ thấp: Nhiệt độ làm việc từ 200K ®Õn
550K

15


Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

- ống nhiệt nhiệt độ trung bình: Nhiệt độ làm việc từ 550K
đến 750K
- ống nhiệt nhiệt độ cao: Nhiệt độ làm việc trên 750K,

1.2.4. Theo hình dáng ống
Về hình dạng bên ngoài, có thể phân ống nhiệt thành:
- ống nhiệt đơn giản hình trụ: Chiều dài ống lớn hơn rất
nhiều so với đờng kính ống.
- ống nhiệt hình hơi: Chiều dài ống tơng đơng với đờng
kính ống
- ống nhiệt phức tạp.
1.2.5. Theo môi chất nạp
Phần lớn ống nhiệt đang đợc sử dụng với việc nạp môi chất
lỏng tinh thiết nào đó, nhng gần đây với mục đích tăng
khả năng truyền tải nhiệt hoặc sử dụng ống nhiệt trong
những điều kiện làm việc đặc biệt, ngời ta sử dụng ống
nhiệt với môi chất nạp gồm nhiều chất lỏng tinh khiết hỗn hợp
nhau.

1.3. ứng dụng của ống nhiệt
1.3.1. Sử dụng nhiệt thải
Thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt có nhiều u việt
và hoàn toàn thoả mÃn các nhu câu về tận dụng nhiệt thải.
Nhiều nớc công nghiệp phát triển đà sản xuất hàng loạt thiết
bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt điển hình là Nhật Bản,

16


Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

Mỹ... ở Trung Quốc các thiết bị tận dụng nhiệt thải đà đợc
chế tạo và hoạt động rất tin cậy. Tiệp khắc cũng đà sản

xuất 2 loại thiết bị trao đổi nhiệt băng ống nhiệt đó là loại
N và loại W.
Loại N với môi chất nạp là NH 3 sử dụng trong khoảng nhiệt
độ từ -25 đến 80oC. Loại W với môi chất nạp là H 2O sử dụng
trong khoảng nhiệt độ 50 đến 320oC.
Thiết bị trao đổi nhiệt loại khí- khí bằng ống nhiệt
trọng trờng đợc ứng dụng nhiều do những u điểm nổi bật
của nó so với loại thiết bị trao đổi nhiệt dùng vách ngăn đối
lu.

Hình 1.4. Thiết bị trao đổi nhiệt khói-không khí
bằng ống nhiệt
1. Kênh không khí;

3. Vách ngăn;

2. Hàng ống nhiệt có

4. Kênh khói.

cánh;

17


Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

Sau đây là những u điểm của thiết bị trao đổi nhiệt
loại khí - khí dùng các ống nhiệt.

- Diện tích bề mặt truyền nhiệt rất lớn, nhng thiết bị lại

gọn, không chiếm nhiều không gian, u điểm này đạt
đợc khi ta làm cánh trên bề mặt ngoài ống nhiệt.
- Dòng khí nóng và dòng khí lạnh đợc tách riêng bởi một

bề mặt cố định. Do đó tránh đợc hiện tợng hoà trộn
hai dòng khí nóng và lạnh, gây bẩn cho nhau.
- Thiết bị không cần dùng thêm ngoại lực nào ngoài việc

dùng quạt cho hai dòng chất khí nóng và lạnh lu động.
- Khi môi chất nạp và vật liệu ống đợc chọn thích hợp,

thiết bị có thể làm việc trong khoảng nhiệt độ rộng
với độ tin cậy cao và tuổi thọ lâu dài.
- Thiết bị dễ dàng chế tạo và lắp đặt, phù hợp với không

gian lắp đặt và thoả mÃn độ giảm áp cho phép.
- Đối với thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng khói thải bằng

ống nhiệt có cánh bên ngoài ống, nh khói có chứa nhiều
bụi bẩn, các hÃng sản xuất của Nhật đà chế tạo thiết bị
ống nhiệt, trong đó cho toàn bộ thiết bị quay quanh
trục. Làm nh vậy vừa tránh bụi bẩn bám trên bề mặt,
vừa làm tăng hệ số toả nhiệt đối lu tại bề mặt ngoài
của ống.
- Một u điểm nữa là thiết bị không bị ¶nh hëng cđa øng

st nhiƯt, ®iỊu thêng x¶y ra víi các thiết bị khác.
Vấn đề còn lại phải giải quyết là khả năng chịu ăn mòn

của ống nhiệt khi chúng làm việc trong môi trờng bị ăn mòn.
Điều này cũng đà đợc giải quyết bằng cách phủ một lớp chì

18


Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

lên bề mặt ngoài của ống nhiƯt. H·ng Furukawa NhËt b¶n sư
dơng 1700 èng nhiƯt trong trờng, mỗi ống dài 8,5m bên ngoài
ống bọc một lớp chì để chống sự ăn mòn của SO2. Kết quả
là đà tận dụng lại đợc 2,1 triệu kCal/h của 250.000 m3 khÝ
chøa SO2 ë nhiƯt ®é 1600C.
1.3.2. Sư dơng trong ngành công nghiệp điện-điện tử
Các thiết bị điện tử ngày càng có công suất lớn và thờng
đợc sản xuất dới dạng tấm lớn. Trong trờng hợp nh vậy giải
quyết vấn để toả nhiệt bằng phơng pháp cổ truyền nh dẫn
nhiệt qua thanh nhôm và đối lu qua cỡng bức ra môi trờng
ngoài là không còn thích hợp nữa. ống nhiệt đợc ứng dụng và
hoàn toàn đáp ứng các nhu cầu đặt ra với thiết bị gọn nhẹ.
Trong ngành công nghiệp này ống nhiệt thờng đợc sử dụng là
ống nhiệt mao dẫn.
ống nhiệt mao dẫn đợc ứng dụng để giải nhiệt cho các
thiết bị máy tính, nh card âm thanh, card màn hình và các
loại chíp vi xử lý với tốc độ xử lý cao.

Hình 1.5. ống nhiệt đợc ứng dụng để làm mát thiết bị điện

19

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

tử
Chúng ta đà biết rằng trong động cơ điện do tác động
của dòng Fucô nhiệt chủ yếu sinh ra ở rôto và stato. Trớc
đây để làm mát động cơ ngời ta làm mát bằng cách thổi
không khí trực tiếp vào trong động cơ. Cùng với không khí là
lợng bụi bẩn nhất định gây ảnh hởng không tốt cho động
cơ.
Gần đây ống nhiệt ly tâm đà đợc ứng dụng thu đợc kết
quả tốt. ẩng nhiệt ly tâm chính là trục rôto của các máy
điện, động cơ, quạt, bơm, tuabin và nhờ đó ta có thể lấy
đi một lợng nhiệt một cách hiệu quả. Loại động cơ nh vậy
thiết bị gọn nhẹ đi rất nhiều.
ống nhiệt mao dẫn cho phÐp lÊy nhiƯt tõ nh÷ng chi tiÕt
cđa stato cđa động cơ điện từ những công tắc đổi nối
công suất lớn, từ những cụm biến thế lơn.
Làm mát các dây cáp điện
Trớc đây các dây cáp điện đợc làm mát bằng nớc nhờ hệ
thống bơm. Vì đờng dây cáp dài, để độ chênh của nớc làm
mát phải lớn nên nhiệt độ của nớc vào phải thấp, ngoài ra do
cáp dài nên hiệu ứng làm mát sẽ không đồng đều theo chiều
dài. Nhợc điểm này đà đợc khắc phục bằng cách sử dụng ống
nhiệt mao dẫn. Ngời ta đặt ống nhiệt dọc theo dây cáp. ỏ
đầu và cuối ống có bộ toả nhiệt tự nhiên vào môi trờng xung
quanh và xuống đất. ậ đây không cần dùng tới bơm mà vẫn
khắc phục đợc những nhợc điểm của phơng pháp cổ

truyền. HÃng Furakawa đà chế tạo thành công ống nhiệt dài

20


Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

nhất thế giới (200m) để làm mát dây cáp điện. Bằng thực
nghiệm ngời ta chứng minh đợc rằng: Khi không đợc làm mát,
12 dây cáp ngầm ở nhiệt độ 107oC, nhng khi đợc làm mát
bằng ống nhiệt thì nhiệt độ chỉ còn 82oC.
1.3.3. Sử dụng để năng cao hiệu suất

trong công

nghệ hút ẩm và điều hoà không khí
Hút ẩm hiện nay thờng dùng 2 phơng pháp sau: Sử dụng
hệ thống lạnh để để giảm nhiệt độ của không khí đến
nhiệt độ ngng tụ của nớc và lúc này lợng nớc trong không khí
đợc tách ra và không khí lạnh này đợc hồi về dàn ngng của
hệ thống để nhận nhiệt để nâng cao nhiệt độ của không
khí hoặc hệ thống sử dụng các chất hút ẩm và tách ẩm bằng
phơng pháp nhiệt. Cả hai phơng pháp này đều có chi phí
ban đầu cao và tiêu tốn năng lợng điện.

Hình 1.6. ống nhiệt đợc ứng dụng để hút ẩm
Công nghệ ống nhiệt ra đời cải thiện và nâng cao hiệu
suất của quá trình hút ẩm. Giảm độ ẩm và cải thiệt điều

21


Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

kiện sức khoẻ và các toà nhà cũ trong điều kiện ẩm thấp dễ
gây nấm mốc. Khi sử dụng có thể cải thiện đợc không khí
nâng cao năng suất làm việc.
Công nghệ này hiện nay đang đợc sử dụng để lắp đặt
thêm trong các hệ thống điều hoà không khí.

Hình 1.7. Sử dụng ống nhiệt trong hệ thống điều hòa
không khí
Ngoài tăng khả năng hút ẩm ra chúng còn làm cho hệ
thống tiết kiệm đợc công suất điện tiêu thụ. Công nghệ này
đợc sáng chế bởi Khánh Đinh thuộc Heat Pipe Technology, Inc.
Công nghệ này hiện nay đang đợc áp dụng nhiều vào hệ
thống điều hoà không khí và đợc nâng cấp phổ biến hệ
thống điều hoà cũ ở Mỹ.
1.3.4. Sử dụng trong các nghành công nghiệp khác
ở các nớc nhiệt đới, không khí mùa hè rất nóng, nhng ban
đêm không khí lại trở nên mát hơn. Tuy vậy nhiệt độ của các
bức tờng bê tông của các toà nhà còn rất nóng. Để tiết kiệm

22


Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

năng lợng, nếu nh trớc đây, các hệ thống điều hoà nhiệt độ
đợc sử dụng cho mục đích này, thì hiện nay tại một số cơ
sở ống nhiệt đà đợc chôn ngay vào trong các tấm bê tông của
các toà nhà, nh vậy vào buổi đêm, phần chìa ra bên ngoài
sẽ đợc sử dụng nh bộ phận làm mát trong không khí, mang
nhiệt tích từ trong các bức tờng ra ngoài.
ống nhiệt đợc sử dụng trong các collector thu năng lợng
mặt trời. Nhờ có ống nhiệt tổn thất năng lợng trong trờng hợp
nhiều mây là nhỏ nhất, điều này cho phép trong một số trờng hợp cã thĨ bá qua hƯ thèng ®iỊu khiĨn tù ®éng điều
chỉnh lu lợng chất tải nhiệt trong collector năng lợng mặt trời,
nâng cao độ tin cậy của bộ thu, giảm chi phí từ 5-7 lần chi
phí năng lợng để bơm nơc so với trờng hợp của collector mặt
trời cổ truyền. Việc dùng ống nhiệt với lợng môi chất nhỏ cho
phép giảm trọng lợng và nhiệt dung của collector, làm tăng
độ ®èt nãng cđa nã.
Ngoµi ra èng nhiƯt träng trêng cịng đợc dùng để sử dụng
năng lợng địa nhiệt, chế tạo các caloriphe trong kỹ thuật sấy,
dùng để chống đóng băng trên các đờng cao tốc ở các xứ
lạnh, chống đóng băng trên các bÃi đỗ xe ôtô.
ống nhiệt còn đợc sử dụng trong các hệ thống lạnh, duy
trì nhiệt độ lạnh nhất định trong ôtô để bảo quản thực
phẩm. Trong công nghiệp ôtô, máy kéo, ống nhiệt đợc dùng
để điều chỉnh nhiệt độ của nớc làm mát động cơ đốt
trong, để làm mát hay đốt nóng dầu trong cacte, sởi tuabin
của lái xe nhở lợng nhiệt thải qua ống xả, cải thiện sự bay hơi

23

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn
nhất

của xăng trong cacbuarator, tiết kiệm nhiên liệu và giảm tốc
độ độc hại trong các sản phẩm cháy...
Nhiều thiết bị trao đổi nhiệt trong công nghiệp sản
xuất thép nh bộ sấy khống khí nóng, lò hơi dïng èng nhiƯt
cã thĨ gióp tiÕt kiƯm h¬n 10 4 kW với phần bay hơi cách phần
ngng 59-70m.
Trong kỹ thuật vũ trụ, ống nhiệt mao dẫn điều chỉnh
nhiệt độ đợc dùng để điều hoà nhiệt độ, điều hoà nhiệt
độ thân tàu vũ trụ, khi con tàu một bên đợc đốt nóng bởi
mặt trời, một bên lại nằm trong bóng đêm vũ trụ, ống nhiệt
còn đợc dùng để điều hoà các chế độ nhiệt các thiết bị,
máy móc trên con tàu, các trạm vũ trụ hay trên các vệ tinh,
dùng để thải nhiệt hay làm đồng đều nhiệt độ các panel,
pin mỈt trêi.

24