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

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
3.1. MỤC ĐÍCH
Luận văn với mục đích nghiên cứu các đặc tính của ống nhiệt mao dẫn
nhỏ. Èng nhiệt loại này thường được ứng dụng để giải nhiệt cho các thiết bị
điện tử. Sau khi tính toán, thiết kế và chế tạo trên lý thuyết. Qua thí nghiệm
chạy thử thiết bị số liệu đo đạc được so sánh với kết quả lý thuyết và đánh giá
tính khả thi. Với ống nhiệt mao dẫn khi xác định được các giới hạn : giới
hạn về độ nhớt, giới hạnh âm thanh, giới hạn sôi, giới hạn lôi cuốn và giới hạn
mao dẫn. Giới hạn mao dẫn là giới hạn nhỏ nhất trong các giới hạn của ống
nhiệt khi ống nhiệt có phần ngưng tụ thấp hơn phần bay hơi vì thế giới hạn
này là cơ sở để tính toán công suất lớn nhất mà ống nhiệt có thể đạt được. Bên
cạnh đó, việc xác định góc nghiêng ảnh hưởng đến công suất và phân bố
nhiệt độ trên ống nhiệt là vô cùng quan trọng. Dưới đây là nôi dung chính
của luận văn cần thực hiện:
Công việc chính của luận văn gồm các nội dụng sau:
 Xác định công suất lớn nhất khi ống nhiệt hoạt động.
 Sù thay đổi nhiệt độ trên toàn bộ ống nhiệt
 Ảnh hưởng của góc nghiêng tới công suất nhiệt của ống
3.2. TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT
Tính toán lý thuyết ống nhiệt mao dấn với các thông số đầu vào  kích
thước, vật liệu làm ống và làm bấc, môi chất làm việc được cho  sau:
3.2.1. Vật liệu chế tạo:
Èng: Đồng
Kích thước ống.

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
Như đã nói ở chương trước, để tối ưu hoá về công suất truyền tải nhiệt
và thuận lợi cho việc thiết kế và chế tạo ống nhiệt để giải nhiệt cho ngành
điện tử cũng  sau khi chế tạo xong để thuận lợi cho việc lắp đặt là loại ống

nhiệt mao dẫn nhỏ. Chọn vật liệu chế tạo, thông số và kính thước ống nhiệt
 sau:
 Chiều dài ống: L = 280 mm;
 Đường kính ngoài của ống: d
o
= 4 mm;
 Đường kính trong của ống: d
in
=3 mm;
 Chiều dài phần ngưng tự: L
c
= 160 mm;
 Chiều dài đoạn nhiệt: L
a
= 60 mm;
 Chiều dài phần bay hơi L
e
= 60 mm.
Môi chất làm việc.
Nước
Xuất phát từ giới hạn khi vận hành ống nhiệt mao dẫn là giới hạn mao
dẫn là tiêu chuẩn cơ bản để xác định công suất lớn nhất khi vận hành ống
nhiệt.
Vì vậy từ công thức (2.11):
(∆P
c
)
m
≥
IIc,phe,ph

Leff
l
Leff
v
PPPPdx
x
P
dx
x
P
∆±∆+∆+∆+
∂
∂
+
∂
∂
+
∫∫
, Pa (3.1)
Với giả thiết dòng một chiều và điểm ướt ở cuối phần ngưng tụ.
Từ (2.12)
QL
A)r(2
)Ref(C
Pdx
x
P
eff
vv
2

r,h
vvv
v
Leff
v








λρ
µ
=∆=
∂
∂
∫

Từ (2.30)
QL)
KA
(Pdx
x
P
eff
lw
l
l

Leff
l
λρ
µ
=∆=
∂
∂
∫
Từ (2.31)
+
∆P
=
ψρ cosgd
vl

Từ (2.32)
II
P∆
=
ψρ
singL
l
;
(Nếu ống nhiệt nằm ngang Ψ = 0)
Độ chênh áp suất mao dẫn từ (2.8 và 2.9)

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất

c
l

c
r
cos2
P
θσ
=∆
với
N2
1
r
c
=

Thay toàn bộ vào (3.1) ta có:

Ψρ±Ψρ+
λρ
µ
+








λρ
µ
≥

θσ
singLcosgdQL)
KA
(QL
A)r(2
)Ref(C
r
cos2
lvleff
lw
l
eff
vv
2
r,h
vvv
c

hay:
Ψρ±Ψρ+
λρ
µ
+









λρ
µ
=
σ
singLcosgdQL)
KA
(QL
A)r(2
)Ref(C
r
2
lvleff
lw
l
eff
vv
2
r,h
vvv
c

Vậy:
Q =
( )
( )









λρ
µ
+








λρ
µ
ψ±ψρ−σ
=








λρ
µ
+









λρ
µ
ψ±ψρ−
σ
)
KA
(
A)r(2
)Ref(C
L.r
sinLcosdgr2
)
KA
(
A)r(2
)Ref(C
L
sinLcosdg
r
2
lw
l

vv
2
r,h
vvv
effc
vlc
lw
l
vv
2
r,h
vvv
eff
vl
c
,W (3.2)
Với:
L
eff
- chiều dài hiệu dụng của ống nhiệt được xác định:
L
eff
= 0,5L
e
+ L
a
+ 0,5L
v
, m (3.3)
d

v
- đường kính không gian hơi được xác định:
d
v
= d
in
-2(δ
w
+ δ
s
), m (3.4)
Trong đó:
δ
w
- chiều dày lớp bấc, m;
δ
s
- chiều dày khoảng trống, m.
A
v
- diện tích không gian hơi được xác định:
A
v
=
[ ]
2
swin
2
v
)(2d

4
1
)d(
4
1
δ+δ−π=π
, m
2
(3.5)
A
w
- diện tích dòng lỏng được xác định:
A
w
=
[ ]
[ ]
2
swin
2
in
2
v
2
in
)(2dd
4
1
)dd(
4

1
δ+δ−−π=−π
, m
2
(3.6)

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
K- độ thấm của bấc được xác định:
K =
2
)∀−
∀
1(122
d
32
w
, m
2
(3.7)

4
d.N 05,1
1
w
π
−=∀
(độ xốp của bấc) (3.8)
K =
[ ]
( )

2
w
3
w
w
3
w
Nd02,538
Nd05,14
4
N.d 05,1
(122
4
d.N 05,1
1
π
π−
=
π






π
−
2
)
, m

2
(3.9)
Để xác định chọn số nút một cách hiệu quả ta phải căn cứ vào mục đích
sử dụng và nhiệt độ hoạt động của ống nhiệt. Ta tiến hành thí nghiệm với
nhiệt độ bay hơi đoạn nhiệt ở ba chế độ khác nhau là 30, 40 và 50
o
C ở các góc
nghiêng khác nhau. Ta tiến hành tính toán cho một chế độ với nhiệt độ môi
chất làm việc 30
o
C và góc nghiêng là 0
o
. Các thông số vật lý của môi chất
cho ở bảng 3.1
Chọn bấc:
Chọn vật liệu làm bấc là đồng sợi được thể hiện chi tiết ở hình 3.1, vì
ống nhiệt nhỏ, để thuận tiện cho việc cho bấc vào trong ống ta sử dông một
lớp lưới và đường kính dây là:
d
w
= 0,0045 inch = 1,143.10
-4
m (3.10)
Khoảng trống từ vách trong ống nhiệt tới bấc bằng đường kính dây đồng
sợi là:
δ
w
= δ
s
= d

w
= 1,143.10
-4
m (3.11)
Từ (3.8) ta có:
4
d.N 05,1
1
w
π
−=∀
=
4
10.143,1.N.14,3.05,1
1
4
−
−
= 1- 9,42.10
-5
N
Thay vào (3.7): K =
3
5
32
w
10.42,9
N
1
N01207,0

1(122
d






−=
∀−
∀
−
2
)
(3.12)
Đường kính bay hơi:
d
v
= d
in
-2(δ
w
+ δ
s
) = 3.10
-3
- 2(2.1,143.10
-4
) = 2,5428.10
-3

m (3.13)

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
Diện tích bay hơi (3.5):
A
v
=
232
)10.5428,2(
4
1
)(
4
1
−
=
ππ
v
d
= 5,078.10
-6
m
2
(3.14)
Diện tích dòng lỏng (3.6):
A
w
=
[ ]
23232

v
2
in
)10.5428,2()10.3(
4
1
)dd(
4
1
−−
−π=−π
=1,99.10
-6
m
2
(3.15)
Thay (3.9), (3.10), (3.11), (3.12), (3.13), (3.14) và (3.15) vào (3.2) ta có:

3.2.2. Công suất nhiệt thay đổi theo số nút của bấc
q = f(N) =
34
25
)N10.77,34(
N10.277,7
07,9
414,12N142,0
−
−
−
+

−
(3.16)
Từ phương trình (3.16) ta xây dựng đồ thị thể hiện ở phụ lục 1.Từ đồ thị
ta tìm được giá trị công suất lớn nhất Q=Q
max
khi số nút N = 3732/m = 44/in







δ

δ

δ

δ


δ

δ

w
W/ 2




θ



B-B
B
B
H×nh 3.1.
Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
3.2.3. Công suất nhiệt thay đổi theo nhiệt độ bay hơi của môi chất
 Để tìm hàm công suất nhiệt thay đổi theo nhiệt độ từ (3.16) ta ta xác
định được N và thay vào phương trình (3.2) và Q là một hàm của nhiệt độ
biến thiên từ 0
o
C đến 100
o
C.
-Từ phương trình (3.2) sau khi chọn N=3732/m = 44/in và ống nhiệt đặt vị
trí nằm ngang (Ψ=0
o
). ta có:

λρ
µ
+
λρ
µ
ρ−σ
=

−
l
l
10
v
v
7
l
6
10.085,110.2465,5
10.0344,72
Q
, W (3.17)
Các thông số vật lý của nước phụ thuộc vào nhiệt độ biến thiên trong khoảng
10
o
C đến 100
o
C được cho ở bảng 3.1
Đồ thị của phương trình (3.17) và các thông số đầu vào cho ở bảng 3.1. được
thể hiện ở phụ lục 2.
3.2.4. Công suất nhiệt thay đổi theo góc nghiêng.
Với chế độ này ta chỉ xét khi phần bay hơi cao hơi phần ngưng tụ và
khi nhiệt độ bay hơi ở 30
o
C. Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở
bảng 3.1 và các thông số khác không thay đổi từ phương trình (3.1) sau khi
tính toán ta có:
Q = 15,4 - 299,35(2,54.10
-3

cosΨ + 280,00.10
-3
sinΨ ) (3.18)
Sau khi khảo sát phương trình (3.18) ta thấy đối với loại ống nhiệt này
góc tạo bởi ống nhiệt và phương nằm ngang (phần bay hơi cao hơi phần
ngưng tụ) lên tới 10
o
thì lúc này lực mao dẫn bằng không. Đồ thị này được thể
hiện ở phụ lục 3.

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
Bảng 3.1. Các thống số vật lý của nước thay đổi theo nhiệt độ
T
[
o
C]

J/kg
σ
[N/m]
v
ρ
[kg/m
3
]
l
ρ
[kg/m
3
]

v
µ
[N.s/m
2
]
l
µ
[N.s/m
2
]
Q
[W]
10
2,49.10
6
0,0750 0,0080 1,42.10
-3
8,29.10
-6
1,42.10
-3
5.1367
20
2,45.10
6
0,0730 0,0173 1,00.10
-3
8,85.10
-6
1,00.10

-3
9.1153
25
2,35.10
6
0,0729 0,0240 9,47.10
-4
1,03.10
-6
9,47.10
-4
9.9996
30
2,43.10
6
0,0709 0,0350 7,69.10
-4
9,29.10
-6
7,69.10
-4
14.7605
40
2,41.10
6
0,0690 0,0510 6,51.10
-4
9,66.10
-6
6,51.10

-4
18.6245
50
2,49.10
6
0,0693 0,0830 5,50.10
-4
1,12.10
-5
5,50.10
-4
25.2714
60
2,36.10
6
0,0660 0,1300 4,63.10
-4
1,05.10
-5
4,63.10
-4
31.7712
75
2,49.10
6
0,0620 0,2470 3,93.10
-4
1,12.10
-5
3,93.10

-4
43.4122
80
2,31.10
6
0,0630 0,2930 3,51.10
-4
1,13.10
-5
3,51.10
-4
46.5857
100
2,25.10
6
0,0590 0,5970 2,79.10
-4
1,21.10
-5
2,79.10
-4
59.6833
3.2.5. Các giới hạn của ống nhiệt
a) Giới hạn về độ nhớt:
Từ công thức (2.33) ta có:
Q
v
=
ev
vv

v
2
v
L64
P
Ad
µ
ρ
λ

Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở bảng 3.1.
Đường kính bay hơi theo (3.13) là:
d
v
= 2,5428.10
-3
m
Chiều dài phần bay hơi là: L
e

= 0.6 m
Vậy ta có:
Q
v
=
v
vv
v
7
ev

vv
v
2
v
P
A.10.68,1
L64
P
Ad
µ
ρ
λ=
µ
ρ
λ
−
, W (3.19)

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
T
[
o
K]
P
v
[N/m
2
]
Q
v

[W]
283,15 1,23.10
3
25,049
293,15 2,34.10
3
95,299
298,15 3,17.10
3
147,192
303,15 4,24.10
3
329,397
313,15 7,38.10
3
796,577
323,15 9,58.10
3
1507,035
333,15 1,99.10
4
4944,042
348,15 3,86.10
4
17990,936
353,15 4,74.10
4
24104,200
373,15 1,01.10
5

95672,021
Đồ thị phương trình (3.19) được được biểu diễn ở phụ lục 4.
b) Giới hạn âm thanh:
Từ phương trình (2.35):
Q
s
=
2/1
v
ovv
ov
)1(2
TR
A






+γ
γ
λρ

ρ
o
-khối lượng riêng của hơi
γ
v
-chỉ số đoạn nhiệt (γ

v
=1,33)
R
v
-hằng sè hơi:
R
v
=
462
18
10.314,8
R
3
==
µ
µ
J/kg.K
[
µ
R
hằng số chất khí lý tưởng (
µ
R
= 8,314.10
3
J/kg.mol.K);

µ
-kilomol của hơi (
µ

=18)]
Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở bảng 3.1.
Vậy ta có: Q
s
=
TA265,130
)1(2
TR
A
ov
2/1
v
ovv
ov
λρ=






+γ
γ
λρ
(3.20)
Phương trình được được biểu diễn ở phụ lục 4.
c) Giới hạn sôi:
Từ công thức (2.38)

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất

Q
b,e
=








∆−
σ








λρ
π
m,c
nviv
veffe
P
r
2
)r/rln(

TkL2
(3.21)
P
c,m
- áp suất mao dẫn trong cấu trúc bấc. Nếu P
c
<P
c,m
thì áp suất này có thể
láy bằng áp suất mao dẫn lớn nhất,
r
n
- bán kính tâm sôi thì được lấy trong khoảng 2,54.10
5
đến 2,54.10
7
. Trong
trường hợp này r
n
= 2,54.10
7
m;
L
e
- chiều dài phần bay hơi (L
e
= 0.6 m);
k
eff
- hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc-lỏng:

k
eff
=
)k-)(k -(1k
)]k-)(k -(1-k+[kk
w1
w1w11
∀++
∀
w1
k
∀
- độ xốp của bấc tính theo (3.8)
k
w
- hệ số dẫn nhiệt của bấc tra theo [6] (k
w
= 402 W/m.K)
Từ các thông số trên ta tính toán và được thể hiện ở bảng sau:
T
[
o
K]
∀
k
eff
[W/m.K]
P
c,m
[N/m2]

Q
b,e
[W]
283,15 0,837 0,833 1181,102 1397,962
293,15 0,837 0,837 1149,606 663,558
298,15 0,837 0,847 1148,031 513.815
303,15 0,837 0,861 1116,535 342,737
313,15 0,837 0,920 1086,614 2572,009
323,15 0,837 0,888 1091,339 151,573
333,15 0,837 0,901 1039,370 101,609
348,15 0,837 0,902 976,378 49,861
353,15 0,837 0,927 992,126 47,960
373,15 0,837 0,944 929,134 24,319
Đồ thị của phương trình (3.21) được được biểu diễn ở phụ lục 4.
d) Giới hạn lôi cuốn:
Giới hạn lôi cuốn có thể xác định theo phương trình (2.39):
Q
l
=
2/1
w,h
v
v
r2
A









σρ
λ
(3.22)

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất

w,h
r
- bán kính thuỷ tĩnh của cấu trúc bấc
T
[
o
K]
w,h
r
[m]
Q
l
[W]
283,15 2,250.10
-4
14,531
293,15 2,250.10
-4
20,800
298,15 2,250.10
-4

23,417
303,15 2,250.10
-4
28,815
313,15 2,250.10
-4
34,052
323,15 2,250.10
-4
44,991
333,15 2,250.10
-4
52,108
348,15 2,250.10
-4
73,412
353,15 2,250.10
-4
74,826
373,15 2,250.10
-4
100,779
Đồ thị của phương trình (3.22) được được biểu diễn ở phụ lục 4.
d) Giới hạn mao dẫn
Giới hạn này là giới hạn cơ bản nhất để tính xác định công suất lớn nhất
của ống nhiệt mao dẫn khi ống nhiệt có phần bay hơi năm trên phần ngưng tụ.
Giới hạn mao dẫn được trình bày chi tiết ở mục 2.4 và phương trình (3.2).
Giới hạn này được biểu diện ở hình 4
Đối với các chế độ nhiệt và góc nghiêng khác ta tính toán tương tự
3.3. SƠ LƯỢC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

!
17
16
14
1519 18

ac
V
A
AC
220V
7
13
12
11
10
9
6
5
4

2
1
V
U=20 V
I =625.
m
A
P=12.5W
Tes

1313
60 C
o
type: T
EnergyTest
2020e
ψ
V
A
 !"
#$%&'()*+,-./012'3
45673-'83'9"673
:;<!92'=,67'8.3012>3)
?'8%'8@H×nh 3.2A:B3
8
Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
Toàn bộ thiết bị được định vị trên tường, sau khi tiến hành lắp lắp thiết
bị đầu đo, phần ngưng tụ, phần bay hơi và phần đoạn nhiệt được gắn lên giá
đỡ 3. Toàn bộ được gắn lên tấm gá 1, tấm gá này được cố định bằng vít trên
tường. Tấm gá này có thể xoay được để xác định góc nghiêng của ống nhiệt
nhờ thước đo góc 13.

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
Sau khi cấp nước vào phần ngưng tụ 10 của ống nhiệt. Lưu lượng nước
được cấp từ bể nước 7 qua ống nước cấp 8, lưu lượng nước có thể điều chỉnh
được nhờ van cấp nước 9. Do lưu lượng nước quá bé nên ta có thể xác định
gia trị này bằng phương pháp truyền thống đó là: Lượng nước được xác định
bằng bình đo nước 19 và đồng hồ bấm giây. Hai thiết bị này cùng hoạt động
ở một mốc thời gian.
Sau đó ta bật nguồn AC. Để cho dòng điện ổn định trước khi cho dòng

điện qua biến áp tụ ngẫu ta cho dòng điện này qua biến áp nguồn 14. Và điều
chỉnh công suất cần đo phù hợp qua máy biến áp tự ngẫu 15. Dòng điện sau
khi được điều chỉnh đi qua dây điện trở 4 và nung nóng phần bay hơi của ống
nhiệt. Công suất cấp vào cho ống nhiệt thực là công suất đã được hiểu chỉnh
do tốn thất ra môi trường ngoài được hiện thị trên đồng hồ vạn năng 16. Có
thể xác định cống suất này bằng cách đo dòng điện bằng ampe kìm và hiệu
điện thế cấp vào cho dây điện trở.
Khi hệ thống vận hành ở trạng thái cân bằng ứng với các điều kiện cho
trước  góc nghiêng, công suất nhiệt cấp vào ta xác định nhiệt độ trên ống
nhiệt bằng các cặp nhiệt 12 được gắn trên ống nhiệt qua bộ chuyển đổi 18
tương ứng với cắp nhiệt và được hiện thị trên đồng hồ đo nhiệt độ số 17 tương
ứng.
3.4. CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
3.4.1. Làm sạch và nạp môi chất vào ống
a) Làm sạch ống

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
Phương pháp làm sạch ống nhiệt trước khi nạp môi chất phụ thuộc vào
đặc tính của loại ống nhiệt : Vật liệu làm ống, cấu trúc bấc và môi chất làm
việc được sử dụng. Phương pháp chung nhất bao gồm các thứ tù sau:
Lau chùi và loại bỏ các mảnh vụt và các mạt dũa
Loại trừ các giọt nước, dầu và mỡ chứa trong ống và cấu trúc bấc
Cuối cùng là loại bỏ tất cả các dung môi, các chất hoá học mà được sử dụng
để loại bỏ và tẩy ra các chất trên.
Sử dông dung môi để làm sạch các chất mỡ dầu hoặc các chất không cần
thiết khác có thể được giải quyết bằng các chất dung môi hữu cơ hoặc vô cơ.
Làm sạch có thể được thực hiện trước hoặc sau khi lắp ráp. Nếu làm
sạch trước khi lắp vào thì nên phải thật cận thận không cho tiếp xúc với tay và
các thành phần dầu mỡ Các thành phần của ống nhiệt có thể lau chùi, tẩy
rửa bằng dung môi phù hợp. Phương pháp làm sạch ống nhiệt sau khi lắp ráp

thường được sử dụng nhiều hơn.
Có rất nhiều phương pháp để làm sạch ống nhiệt trước khi nạp môi chất.
Nhưng với luận văn này, ống nhiệt, cấu trúc bấc đều có vật liệu bằng đồng và
môi chất làm việc là nước nên chọn phương pháp và các bước được tiến hành
 sau:
Bước 1: Nhúng và rữa ống nhiệt với dung dịch acetone để loại bỏ các chất
dầu, mỡ,
Bước 2: Nhúng toàn bộ ống nhiệt vào trong dung dịch 50% là axít
phosphoric và 50% axít nitric ở nhiệt độ phòng trong vòng 15 phót.
Bước 3: Ngâm bằng nước cất ở nhiệt độ 50
o
C trong vào 1 giê
Bước 4: Rửa bằng nước cất và sấy khô toàn bộ bằng không khí hoặc khí nitơ.
b) Nạp môi chất

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
Hình 3.3 Sơ đồ nạp môi chất làm việc cho ống nhiệt
Nạp môi chất làm việc cho ống nhiệt nhỏ là một thử thách rất lớn, bởi vì
ống nhiệt loại này có không gian bên trong rất bé. Trong luận văn này,
phương pháp để nạp môi chất làm việc (nước) vào ống nhiệt là đun sôi. Sơ đồ
lắp ráp trước khi nạp môi chất thì được biểu diện ở hình 3.3.
Thiết bị bao gồm:
 Bơm hút chân không.
 Thiết bị đun nước
 Van điện từ (dùng cho áp suất chân không)
 Èng puret
 Các đường ống nối.

"#$%
&'()

*+,-.
è/
è0'12
v6
v5
v4
v3 v2
3.-4
v1
34-.(
Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
Quá trình khử khí không ngưng và nạp môi chất làm việc được thực hiện
qua bốn bước sau:
Bước 1: Đuổi khí không ngưng trong nước bằng phương pháp đun sôi;
Bước 2: Hút chân không cho ống nhiệt;
Bước 3: Nạp môi chất vào ống puret;
Bước 4: Nạp môi chất vào ống nhiệt;
Bước 1: Đuổi khí không ngưng trong nước bằng phương pháp đun sôi;
Tất cả các van điện từ (V
1
đến V
6
) được đóng lại, nước được đun ở
120
o
C trong vòng khoảng 30 phót. Sau đó van V
1
được mở ra và khí không
ngưng được thoát ra ngoài qua van V
1

. Quá trình này được tối ưu hoá bằng
cách: ống ở trên đường thoát khí không ngưng được làm cánh, hơi được
ngưng khi thổi không khí lạnh qua dàn cánh này. Và khí không ngưng được
thoát ra ngoài khi V
1
mở.
Bước 2: Hút chân không cho ống nhiệt;
Van V
3
- V
6
mở thực hiện hút chân không bởi bơm và thường ở áp suất
p
ck
= 10
-5
mbar thì dừng lại.
Bước 3: Nạp môi chất vào ống puret;
Trước tiên V
6
đóng, V
4
đóng và V
2
và V
3
mở ra cho lượng nước ở thiết bị đun
tràn qua và đóng V
2
và V

3
.
Bước 4: Nạp môi chất vào ống nhiệt;
Mở V
4
và V
4
lượng lỏng tràn vào ống nhiệt.
Trong quá trình nạp môi chất, chúng ta nên nạp thừa môi chất bởi vì có
một Ýt lỏng có thể bị dính ở các van và đường ống nạp. Sau khi nạp môi chất
vào ống nhiệt, bước cuối cùng mở ra và hàn ống. Lượng lỏng có thể được xác
định bằng phương pháp cân trước và sau khi nạp.

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
3.4.2. Lựa chọn và chế tạo đầu đo giây cặp nhiệt
Dây cặp nhiệt là thiêt bị dùng để dẫn nhiệt ở đầu do (sensor) mà chiều
mà chiều dài của dây không bị ảnh hưởng. Dây thường được chế tạo bởi 2 vật
liệu kim loại riêng biệt, thường được bọc plastic. Một đầu được đưa đến thiết
bị đo (đồng hồ hiện thị) còn đầu bên kia được hàn kín tiếp xúc với nhau. Trên
đồng hồ hiện thị nhiệt độ đầu đo nay. Hiện thị trường có rất nhiều loại dây
cặp nhiệt, mỗi loại đều có giải đo phủ hợp với nó. Bảng 3.1 là một số cặp
nhiệt và phạm vi nhiệt độ đo.
Bảng 3.1. Một sè loại cặp nhiệt và phạm vi nhiệt độ đi kèm
Loại Nhiệt độ [
o
C]
J
-150.0 ÷ + 1090.0
K
-150.0 ÷ + 137.0

T
-150.0 ÷ + 400.0
E
-150.0 ÷ + 870.0
N
-150.0 ÷ + 1300.0
R
2.0 ÷ 1767.0
S
2.0 ÷ 1767.0
Vậy theo mục đích nghiên cứu và phạm vi nhiệt độ cần đo ta chọn cặp
nhiệt loại T có phạm vi nhiệt độ là -150.0 ÷ + 400.0.
Đường kính dây đồng: d
cu
= 0,02 mm
Đường kính dây nhôm: d
Al
= 0,02 mm
Phương pháp hàn đầu cặp nhiệt:
Sau khi tước bỏ plastic bọc ở 2 dây cặp nhiệt ở đầu hàn khoảng 5 mm và
xoắn 2 dây trần lại với nhau. Hàn theo phương pháp hàn than hoạt tính với
điện áp 100V. Chất lượng mối hàn, độ tròn được kiểm tra bằng kính lúp và
bằng cơ khí. Trước khi gắn vào ống nhiệt, các cặp nhiệt được đo thử , so sánh
với cặp nhiệt chuẩn là loại nhiệt kế điện trở 567/UK với sai lệch ± 0,002
o
C và
hiểu chuẩn ở Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lương. Bộ đo và điều khiển

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
nhiệt độ hiện số (9 kênh) phụ lục 53. Do đặc thù của ống nhiệt, phần ngưng

nằm ngập trong nước và phần bay hơi có môi trường nhiệt độ biến đổi nên
phần cặp nhiệt ở những phần này được bọc một lớp nghen cách nhiệt.
Phương pháp gắn cặp nhiệt:
Sau khi hàn và hiệu chuẩn cặp nhiệt (tổng số 9 cặp nhiệt). Với 5 cặp
nhiệt được gắn trên ống nhiệt thể hiện ở hình 3.4. Các cặp nhiệt còn lại là đo
nhiệt độ môi trường, nhiệt độ nước vào, nước ra và nhiệt độ trên bể mặt cách
nhiệt ở phần bay hơi.
Do vách ống bằng đồng có hệ số dẫn nhiệt lớn (λ = 102 W/mK ở 0
0
C) và
khá mỏng (d ≅ 1mm) nên nhiệt trở dẫn nhiệt của vách ống rất nhỏ, và độ
chênh nhiệt độ của vách ống giữa mặt trong và mặt ngoài coi  bằng nhau.
Và đầu đo cặp nhiệt được gắn vào bề mặt ống đồng, phía dưới tiếp xúc với
ống đồng, bên trên được bôi một lớp keo dẫn nhiệt và trên được phủ lên trên
bề mặt một lớp keo cách nhiệt được thể hiện chi tiết ở hinh 3.4.
Phần đoạn nhiệt của ống nhiệt được bọc ba lớp amiăng cách nhiệt bên
trong và để giảm tổn thất đối lưu, bức xạ

Mụ hỡnh toỏn hc ca ng nhit nh v xỏc nh cụng sut nhit ln nht

3
0,5
1
n
u
ớ
c

l
à

m























m
á
t
i
6
0

-Vị trí cặp nhiệt

4
0
4
0
4
0
4
0
3
0
3
0
Hình a. Bản vẽ vị trí gắn cặp nhiệt
4
5
3 2
1
1
6
0
6
0
8/*94$:;<'0/32=/
32>/C?D>3Hình 3.4.EF'
D:B>3
Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
3.4.3. Chế tạo bộ làm mát, đốt nóng
a) Bộ phận làm mát

Để lấy nhiệt ở phần ngưng của ống nhiệt có nhiều phương pháp khác
nhau: Bằng không khí đối lưu tự nhiên hay cưỡng bức. Trong trường hợp này
để tăng cường trao đổi nhiệt hoặc là làm cánh ở bề mặt ngoài phần ngưng của
ống nhiệt, sau đó dùng quạt để thổi không khí qua. Nhưng để trao đổi nhiệt
hiểu quả nhất, thì bề mặt ngoài của phần ngưng được giải nhiệt bằng nước.
Trong quá trình thực nghiệm làm mát bằng không khí lượng nhiệt lấy không
được nhiều và việc đo đạc và tính toán nhiệt lấy đi này không được chính xác.
Vì nhược điểm này của việc giải nhiệt bằng không khí. Ta chọn phương pháp
giải nhiệt bằng nước. Với hệ số dẫn nhiệt của nước (λ
n
≅ 0,599 W/m.K) lớn
hơn rất nhiều so với hệ số dẫn nhiệt của không khí (λ
k
≅ 0,0259 W/m.K) nên
dùng nước làm mát ta có thể lấy đi lượng nhiệt lớn cần thiết (nhất là khi
nghiên cứu ống nhiệt tới hạn). Trong thí nghiệm này nước được chọn làm mát
được tính toán dựa trên công suất tới hạn mà ống có thể đạt được. Củ thể là
giới hạn mao dẫn của ống nhiệt với môi chất là nước.
Thiết bị trao đổi nhiệt phần ngưng được coi  thiết bị trao đổi nhiệt kiểu
ống lồng ống được thể hiện ở hình 3.5. ống trong là phần ngưng của ống nhiệt
(ống đồng) có chiều dài là L
C
= 160 mm, và đường kính ngoài d
out
= 4 mm.
ống ngoài được làm bởi tấm thủy tinh hữu cơ trong suốt, chiều dài L = 160
mm, đường kính d = 12 mm. Được thiết kế dựa trên công suất lý thuyết lớn
nhất mà ống nhiệt đạt được. Chế độ dòng nước đi qua ống chúng có thể cho
nước chảy tự nhiên hoặc cường bức. Để đễ dàng trong việc chuẩn bị thiết bị
và công suất nhiệt không lớn. Chế độ nước chảy trong thí nghiệm này là chế

độ tự nhiên dựa vào cơ sở thế năng của dòng nước.
Để xác định lượng nước mang đi, chúng ta có thể dùng công thức:
Q
n
= M
n
C
n
(t
''
n
-t
'
n
), W

Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
M
n
-Lưu lượng nước, kg/s
C
pn
-Nhiệt dung riêng của nước, J/kgK;
t
''
n
-nhiệt độ nước ra,
o
C;
t

'
n
-Nhiệt độ nước vào,
o
C;
Vì lưu lượng của nước quá bé nên các thiết bị đo trên thị trường không
phù hợp nên chúng tôi đã phải sử dụng phương pháp truyền thống là: Đo
lượng nước chảy thực tế kết hợp với thời gian. Và gắn một cặp nhiệt để đo
nhiệt độ nước ra và một cặp nhiệt để đo nhiệt độ nước vào của bộ phận làm
mát.
!
2
1
40
40
40
170
40
40 40
62
170
18
36
160
φ
5
φ
5
φ5
φ12

?()@A++=
è3:;<G*H;3IJ
FKH×nh 3.4A:;<L3
Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
b) Bộ phận đốt nóng.
Dùng để cấp nhiệt cho phần sôi của ống nhiệt, làm cho môi chất nạp
trong ống là nước bốc hơi và nhận nhiệt của nguồn cấp sau đó dựa vào độ
chênh lệch áp suất hơi được chuyển động tới phần ngưng.
Có nhiều cách cấp nhiệt cho ống nhiệt : Dùng thông qua thiết bị gom
nhiệt được ghép kín và tiếp xúc trực tiếp vào phần bay hơi của ống nhiệt.
Cũng có thể cấp vào phần bay hơi của ống nhiệt một lượng lỏng nóng trực
tiếp đi chảy qua phần này. Ta chỉ cần xác định nhiệt độ đầu ra, đầu vào và
lưu lượng của môi chất. Phương pháp thông thường và hiệu quả nhất cho
mục đích thí nghiêm ta dùng phương pháp cấp nhiệt bằng dây điện trở. Ta có
thể điều chỉnh công suất nhiệt bằng cách điều chỉnh hiệu điện thế hai đầu điện
trở.
Để thuận tiện cho việc thí nghiệm chọn phuơng pháp cấp nhiệt ở phần
ngưng tụ bằng cách đốt nóng dây điện trở vừa để đảm bảo dễ hiệu chỉnh công
suất vừa đạt được công suất lớn nhất khi nghiên cứu chế độ tới hạn.
Cấu tạo phần đốt nóng được biểu diễn ở hình 3.6.
Trên cơ sở lý thuyết:
R
th
= U
2
.cosϕ

/P
th
= 30

2
.0,83/25 = 30
Ω
ta chọn dây điện trở:
Crôm-Niken X20H80
d = 0,1 mm; ρ = 0,0026 kg/m; r = 60,25
Ω
/m
Theo thông số dây ta chọn R
inf
= 0.5r = 2.60,25 = 30,1
Ω
Vậy tổng chiều dài dây phải quấn là: l = 0.5 m = 500 mm.
Qua tính toán ta có:
Số vòng xoắn:
N
tw
= 39 vòng

L3 ,M/ N2#$
NO+P &2. -./
%012'34 !&12>3 %92'=
M/ )-7>3 -'83'9
"68;2O+G6QK 5N2=
H×nh 3.6.9H'L@R+L3
Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất
Chiều dài bước dây:
t =1,5 mm

EnergyTest

2020e
13
14
type: T
o
60 C
1313
Tes
10
11
12
a
v
av
ac
u=220v
9
8
7
6
5
4
3
2 1
U=20 V
I =625.
m
A
P=12.5W