Chuyên đề ống nhiệt toàn tập Tiến sĩ Trần Văn Vang

- 1 -
CHƯƠNG 1
GIớI THIệU ốNG NHIệT
1.1 Lịch sử phát triển ống nhiệt
Trong vài thập kỷ vừa qua, nghiên cứu lý thuyết về ống nhiệt đã đợc phát
triển mạnh mẽ và ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và đời
sống ngày càng đa dạng và hữu hiệu.
ứng dụng đầu tiện của ống nhiệt trọng trờng dùng để nớng bánh mỳ. Lò bánh mỳ
Perkin sử dụng ống nhiệt đợc phát minh vào năm 1836 và phổ biến rộng rãi trong
thời gian này. Các ống trao đổi nhiệt dùng nớng bánh trong kiểu lò này là các ống
nhiệt làm từ vật liệu thép cácbon dày, trơn, bên trong nạp nớc chiếm khoảng 1/3
dung tích ống và đợc hàn kín. ống nhiệt trong lò Perkin đợc đốt nóng bằng dầu,
khí hoặc than (hình1.1). Chiều dài ống khoảng L=3m, đờng kính ống = 3cm,
chiều dài đốt nóng khoảng 3cm.


4
Khói
3
2
1


Hình 1.1. Lò bánh mì đốt khí với 80 ống Perkin
1- Hàng ống nhiệt 2- ống cung cấp khí đốt
3- Buồng đốt 4- Buồng nớng bánh

Năm 1929, Gay đã sử dụng ống nhiệt để tận dụng nhiệt khói thải gia nhiệt cho
không khí. Đó là một xy phông nhiệt 2 pha, sử dụng ống nhiệt trọng trờng, có làm
cánh ở bên ngoài để tăng cờng truyền nhiệt, ống nhiệt đặt thẳng đứng, dòng khí
nóng chuyển động phía dới, khí lạnh chuyển động phía trên (hình 1.2). Phát minh

này cho phép ứng dụng để tận dụng nhiệt thải các lò cao rất tốt.
- 2 -

4
3
2
Khói
Không khí
1



Hình 1.2 Bộ trao đổi nhiệt dùng ống nhiệt trọng trờng
1- Kênh không khí 2- Dãy ống nhiệt có cánh
3- Vách ngăn 4- Kênh khói

Năm 1942, Gaugler đã phát minh ra ống nhiệt ứng dụng hiện tợng mao dẫn.
ống nhiệt ở đây là các bấc mao dẫn cho phép chất lỏng từ vùng ngng có thể di
chuyển đến vùng sôi nằm ở phía trên mà không cần bơm và không có truyền nhiệt
đối lu tự nhiên.
Phát minh này đã đợc ứng dụng để làm lạnh một phòng nhỏ. Chất lỏng trong
ống mao dẫn đợc làm lạnh ở ngăn dới (đá đập nhỏ) chuyển động lên trên phòng
lạnh nhờ lực mao dẫn (hình 1.3) và làm lạnh không khí trong phòng.
Sự quay trở về của chất lỏng ngng từ vùng ngng tụ đến vùng sôi đợc giải
quyết hoàn toàn bằng một cấu trúc mao dẫn nh bấc liên kết cứng. Bằng sáng chế
đợc thừa nhận năm 1944 sau đó đã bị quên lãng. Tuy nhiên với chơng trình
không gian của US Trefethen đề nghị sử dụng sức căng bề mặt để bơm chất lỏng và
năm 1963 nguyên lý bơm mao dẫn đã đợc phát minh lại một cách độc lập bởi
Grover và cộng sự của ông tại phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos. ống nhiệt
mao dẫn đầu tiên chế tạo bởi Grover và cộng sự của ông dùng nớc làm môi chất

công tác, tiếp đến là Na, sau đó Litium và Bạc cũng đợc dùng làm môi chất công
tác. Những năm tiếp theo, sự đầu t vào ống nhiệt nhiệt độ thấp và cao đợc sự
quan tâm, chú ý trên quy mô toàn cầu.

- 3 -
Ngăn bảo quản lạnh
ống nhiệt
Vỏ thùng lạnh
Lớp cách nhiệt
Đá nghiền nhỏ
Ngăn chứa đá


Hình 1.3 Sử dụng ống nhiệt để làm lạnh phòng bảo quản
ống nhiệt đầu tiên làm việc ở nhiệt độ rất thấp đợc phát triển năm 1966 bởi
Naskim tại phòng thí nghiệm air Force Flight Dynamic, Wright-Patterson air Force
Base. Dùng ống nhiệt nh là 1 phần tử kiểm soát nhiệt độ, lần đầu tiên đợc sử
dụng bởi hội vô tuyến Mỹ trong một bằng sáng chế ứng dụng năm 1964. Sự phát
triển về công nghệ và lý thuyết cơ bản cho phần tử điều khiển nhiệt độ hay những
ống nhiệt có độ dẫn rộng đã đợc phát triển một cách đặc biệt bởi Bienert và
Brennan tại Dynatherm Corp và bởi Marcus ở TRW. Sự thể hiện đầu tiên của ống
nhiệt dùng môi chất là nớc ở trạng thái không trọng lực đợc đa ra bởi Deverall
và những ngời cộng sự của ông tại phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos. Ngày
nay, ống nhiệt đã trở thành một phần tử nhiệt tiêu chuẩn trong công nghệ vệ tinh và
vũ trụ.
Phải mất nhiều thời gian để tìm ra những ứng dụng của ống nhiệt trên mặt đất.
ứng dụng đầu tiên đợc phát triển bởi hội vô tuyến Mỹ dùng làm mát các transistor.
Sau đó, ống nhiệt đã có những ứng dụng rộng rãi trong việc làm mát những thiết bị
điện tử rất hiệu quả (bộ trao đổi nhiệt ống nhiệt).
Những tài liệu về ống nhiệt và xi phông nhiệt 2 pha kín đã trở nên rất nhiều. Báo

cáo đầu tiên về lý thuyết ống nhiệt và sự hoạt động đã đợc viết bởi Cotter và
Marcus vào năm 1965. Sau đó là 1 số báo cáo khác. Sổ tay thiết kế ống nhiệt đầu
tiên đợc viết bởi Shrabek và Bienert ở Dynatherm Corp và xuất bản bởi Trung tâm
vũ trụ có ngời điều khiển NASA, Houston năm 1972. Cuốn thứ 2, một sự cập nhật
của sổ tay thiết kế ống nhiệt đợc viết bởi Brennan và Krolizek ở B&K Engineering
và xuất bản bởi Trung tâm vũ trụ NASA Godddard, Greenbelt vào năm 1978. Nhiều
sách giáo khoa và những bài tổng kết cũng đã đợc viết.
- 4 -
Do sự phát triển nhanh chóng của ống nhiệt mà các nhà khoa học trên thế giới
cứ 3 năm 1 lần tổ chức riêng một hội nghị khoa học về ống nhiệt gọi là IHPC
(Int.Heat.Pipes Conference). Hội nghị đầu tiên tại Stuttgart 1973, Bologna 1976,
Palo Alto 1978,
Một số hội nghị gần đây nhất:
+ IHPC 4 tiến hành năm 1981 ở Anh
+ IHPC 5 tiến hành năm 1984 ở Nhật
+ IHPC 6 tiến hành năm 1987 ở Pháp
+ IHPC 7 tiến hành năm 1990 ở Nga
+ IHPC 8 tiến hành năm 1992 ở Trung Quốc
+ IHPC 9 tiến hành năm 1995 ở Mỹ
+ IHPC 10 tiến hành năm 1998 ở Nhật
+ IHPC 11 tiến hành năm 2000 ở Thái lan
Đặc điểm của các hội nghị IHPC là số báo cáo khoa học ngày càng tăng, số các
nhà khoa học tới dự ngày càng đông và số nớc tham dự ngày càng lớn.
ở Việt Nam, việc nghiên cứu ống nhiệt về mặt lý thuyết cũng nh triển khai ứng
dụng còn rất ít. Mới chỉ có một vài công trình nghiên cứu và xây dựng mô hình thí
nghiệm về ống nhiệt đã đợc triển khai tại bộ môn Nhiệt - Lạnh Viện Khoa học
công nghệ Nhiệt - Lạnh, ĐHBK Hà nội. Các nhà khoa học ở đây bớc đầu đã đạt
đợc một số kết quả nhất định.

1.2 Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt

1.2.1. Khái niệm
ống nhiệt là một phần tử trao đổi nhiệt có không gian khép kín, bên trong chứa
môi chất (đơn chất hoặc hỗn hợp) và xảy ra hai quá trình chuyển pha là sôi và
ngng (hình 1.4). Vách ống thờng bằng kim loại có dạng bất kỳ, nhng thờng có
dạng hình ống.


Phần ngng
Phần đoạn nhiệt
Phần sôi
Toả nhiệt
Nhận nhiệt
Dòng chất lỏng
Hơi
sôi
Nắp phần
ngng
Bấc
ngng
Nắp phần


Hình 1.4 Cấu tạo ống nhiệt
- 5 -
1.2.2. Cấu tạo
ống nhiệt đợc chia làm ba phần: phần bốc hơi (còn gọi là phần sôi, ở đây ống
nhận nhiệt); phần đoạn nhiệt (trong phần này ống không trao đổi nhiệt với bên
ngoài, phần này có thể có hoặc không có); phần ngng (ở đây ống toả nhiệt).

1.2.3. Nguyên lý hoạt động

Chất lỏng trong ống nhận nhiệt của nguồn nóng (ví dụ khói lò ) trong phần bốc
hơi sẽ sôi và biến thành hơi, hơi chuyển động qua phần đoạn nhiệt tới phần ngng.
Tại đây hơi toả nhiệt cho nguồn lạnh qua vách ống (ví dụ không khí ). Chất lỏng
ngng tạo thành sẽ chảy về phần bốc hơi nhờ một trong những lực sau đây: lực
trọng trờng, lực mao dẫn, lực ly tâm, lực điện trờng, lực từ trờng
Ta có thể biểu diễn quá trình làm việc của ống nhiệt trên đồ thị T- s (hình 1.5):


B
D
a
T
C
s
P
2
P
1



Hình 1.5 Chu trình hoạt động của môi chất trong ống nhiệt
AB- Quá trình bốc hơi xảy ra trong phần sôi ở áp suất P
1

BC- Quá trình chuyển động của hơi từ phần sôi tới phần ngng, ở đây do ma
sát áp suất của hơi giảm từ P
1
đến P
2

(P
2
áp suất hơi trong phần ngng). Tuy nhiên
sự giảm áp suất nói chung rất nhỏ.
CD- Quá trình ngng tụ hơi tạo thành chất lỏng ngng ở áp suất P
2
.
DA- Quá trình chuyển động của chất lỏng ngng theo bề mặt trong của ống
nhiệt, từ phần ngng về phần sôi nhờ lực trọng trờng, lực mao dẫn, trong quá
trình này chất lỏng ngng sẽ đợc đốt nóng đến nhiệt độ sôi và quá trình đợc lặp
lại.
Nh vậy môi chất trong ống nhiệt có thể xem đã thực hiện một chu trình.



- 6 -
1.3 Phân loại ống nhiệt

Ngời ta có thể phân loại ống nhiệt theo nhiều cách.

1.3.1 Theo lực tác dụng, để đa chất lỏng ngng quay trở lại về phần bốc hơi ta
có
a. ống nhiệt trọng trờng (còn gọi là xiphông nhiệt)
Trong ống nhiệt trọng trờng thông thờng có bề mặt bên trong nhẵn nhng gần
đây các nhà nghiên cứu đã làm rãnh trên bề mặt bên trong ống, với mục đích tăng
cờng khả năng truyền tải nhiệt của ống nhiệt (hình1.6).



Phần ngng

Phần đoạn nhiệt
Phần sôi
Toả nhiệt
Dòng chất
Nhận nhiệt
lỏng ngng
Hơi



Hình 1.6 Mặt cắt ngang một số ống nhiệt trọng trờng

Nhờ lực trọng trờng, chất lỏng ngng đợc đa về phần bốc hơi. Nh vậy phần
bốc hơi bao giờ cũng thấp hơn phần ngng.
Bề mặt trong của ống nhiệt có thể nhẵn hoặc làm rãnh. Bên trong ống nhiệt có
thể đặt các bộ tách dòng kiểu đục lỗ hoặc bộ tách dòng kiểu giao nhau. Mục đích
nhằm tăng cờng khả năng trao đổi nhiệt ở các vùng sôi và vùng ngng tụ; tăng
cờng khả năng truyền tải nhiệt từ vùng sôi đến vùng ngng tụ.
b. ống nhiệt mao dẫn
ở đây lực tác dụng để đa chất lỏng ngng về phần bốc hơi là lực mao dẫn. ống
nhiệt thờng đặt ngợc hớng trọng trờng: phần bốc hơi nằm cao hơn phần ngng.


- 7 -
b)a) c)



Hình 1.7 Mặt cắt ngang một số ống nhiệt mao dẫn

Để tạo ra lực mao dẫn có nhiều cách:
- Làm rãnh bên trong (hình 1.7a).
- Đặt các tấm lới kim loại sát bề mặt bên trong ống, những tấm lới này đợc
gọi là bấc (hình 1.7b).
- Hoặc là kết hợp cả hai loại trên (hình 1.7c).
c. ống nhiệt ly tâm
ở các ống nhiệt ly tâm, chất lỏng ở phần ngng trở về phần bốc hơi nhờ tác
dụng của lực ly tâm sinh ra khi ống quay với một tốc độ nào đó (hình 1.8).


Hơi
Thân động cơ
Lỏng ngng
Stato Rô to
Không
khí
Trục rỗng



Hình 1.8 ống nhiệt ly tâm

d. ống nhiệt điện trờng
Lực đa chất lỏng ngng trở về phần bốc hơi là lực điện trờng
e. ống nhiệt từ trờng
Lực đa chất lỏng trở về phần bốc hơi là lực từ trờng.

1.3.2 Theo công dụng của ống nhiệt
- 8 -
- ống nhiệt truyền tải nhiệt từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp

hơn. Trong trờng hợp này ống nhiệt đợc coi nh phần tử truyền tải nhiệt.
- ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ, mục đích là giữ nhiệt độ cho một vật nào đó
luôn luôn không đổi.
- ống nhiệt chỉ làm nhiệm vụ truyền nhiệt một chiều (còn gọi là điôt- nhiệt).
- ống nhiệt dùng làm công tắc nhiệt.

1.3.3 Theo nhiệt độ sử dụng
- ống nhiệt nhiệt độ rất thấp: nhiệt độ làm việc nhỏ hơn 200
0
K.
- ống nhiệt nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc từ 200
0
K đến 550
0
K.
- ống nhiệt nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 550
0
K đến 750
0
K.
- ống nhiệt nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc trên 750
0
K.
1.3.4 Theo hình dạng ống nhiệt
- ống nhiệt đơn giản hình trụ: chiều dài ống lớn hơn rất nhiều so với đờng kính
ống.
- ống nhiệt bình hơi: chiều dài ống tơng đơng với đờng kính ống.
- ống nhiệt dạng phức tạp.

1.3.5 Theo môi chất nạp

- ống nhiệt một thành phần (chỉ gồm một môi chất, tinh khiết nh H
2
0, NH
3
,
Frêon, Na ). Phần lớn các ống nhiệt đang sử dụng đều thuộc loại này.
- ống nhiệt nhiều thành phần (nhiều chất lỏng hoà trộn với nhau). ống nhiệt
thuộc loại này thờng đợc sử dụng trong những điều kiện làm việc đặc biệt.

1.4 Ưu điểm của ống nhiệt
ở đây chúng ta so sánh u điểm của ống nhiệt với các phần tử truyền nhiệt
khác.
1.4.1 Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng đều theo toàn bộ chiều dài ống. Ta biết rằng
bên trong ống nhiệt xảy ra hai quá trình sôi và ngng, áp suất trong phần ngng và
phần sôi không chênh lệch nhau nhiều, do vậy nhiệt độ ở hai vùng trên gần nh
nhau.
1.4.2 ống nhiệt truyền tải nhiệt từ vùng nóng tới vùng lạnh không phải dùng bơm.
Nh vậy độ tin cậy của thiết bị tăng và trong quá trình làm việc thiết bị không gây
ồn. Nh ta đã biết hơi từ vùng sôi do độ chênh lệch áp suất dễ dàng chuyển động
đến vùng ngng, ngợc lại chất lỏng ngng do tác dụng (ví dụ lực trọng trờng) lại
tự chảy về vùng sôi. Rõ ràng bên trong ống nhiệt xảy ra quá trình khép kín nên môi
chất không cần phải có ngoại lực tác dụng.
1.4.3 So với sự dẫn nhiệt bằng thanh kim loại cùng tiết diện, khả năng truyền nhiệt
từ nguồn nhiệt tới nơi tiêu thụ của ống nhiệt lớn hơn hàng chục lần. Ưu điểm này là
do quá trình truyền nhiệt bên trong ống nhiệt thực hiện bởi sự biến đổi pha (sôi và
- 9 -
ngng), do đó quá trình truyền nhiệt lớn gấp hàng chục lần so với sự dẫn nhiệt bằng
thanh kim loại, dù là bằng bạc.
1.4.4 Khi chọn môi chất thích hợp có thể bảo đảm vận hành ống nhiệt an toàn
trong khoảng nhiệt độ rộng từ -80

0
C đến 2500
0
C.
1.4.5 Trên thực tế ống nhiệt thờng đợc lắp đặt thành dàn hoặc thành cụm ống.
Trong quá trình làm việc giả sử có một vài ống nhiệt bị hỏng thì hệ thống vẫn làm
việc đợc. Mặt khác ta có thể thay thế ống nhiệt bị hỏng ngay cả khi hệ thống đang
hoạt động.
1.4.6 Dùng ống nhiệt để vận chuyển nhiệt thì nhiệt từ một nguồn nóng có thể
truyền tải đến nhiều hộ dùng nhiệt ở những khoảng cách khác nhau.
Chính vì những u điểm trên mà ngay từ khi ống nhiệt mới đợc phát minh, các
nhà khoa học tập trung nghiên cứu về lý thuyết cũng nh ứng dụng.

1.5 ứng dụng của ống nhiệt

Mặc dù ống nhiệt đã đợc tìm ra rất lâu, nhng mới đầu chỉ ứng dụng duy nhất
trong các lò nớng mì (hình 1.1), rồi sau đó nó bị lãng quên, và chỉ vào năm 1961
Groven lại phát minh ra ống nhiệt, kể từ đó đến nay nó đã đợc phát triển cha từng
thấy trên thế giới và việc ứng dụng nó vào kỹ thuật cũng nh trong công nghiệp
ngày càng đa dạng.
Đầu tiên ống nhiệt đợc sử dụng nhiều trong công nghiệp hàng không vũ trụ,
sau đó mới lần lợt thâm nhập vào các ngành công nghiệp khác nhau.
Sau đây là những ứng dụng của ống nhiệt trong công nghiệp và các lĩnh vực
khác.

1.5.1 Sử dụng nhiệt thải của ống nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt có u việt và hoàn toàn thoả mãn các nhu
cầu về tận dụng nhiệt thải. Nhiều nớc công nghiệp phát triển đã sản xuất hàng loạt
thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt, điển hình là Nhật bản, Mỹ ở Trung Quốc
các thiết bị tận dụng nhiệt thải bằng ống nhiệt đã đợc chế tạo và hoạt động tin cậy.

Tiệp khắc cũng đã sản xuất đợc hai loại thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt: Loại
N với môi chất là NH
3
sử dụng trong khoảng nhiệt độ từ -25
0
C đến 80
0
C và loại W
với môi chất nạp là H
2
O sử dụng trong khoảng nhiệt độ từ 50
0
C đến 320
0
C.
ở đây loại thiết bị trao đổi nhiệt chất lỏng - chất khí bằng ống nhiệt ít đợc sử
dụng vì giá thành tơng đối cao so với thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn đối lu
(dòng bên trong ống và dòng bên ngoài ống). Ngợc lại, loại thiết bị trao đổi nhiệt
loại khí- khí bằng ống nhiệt (hình 1.2) lại 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.
Sau đây là những u điểm của loại 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.
- 10 -
- 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 đã 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 ảnh hởng của ứng suất nhiệt, điều
thờng xảy ra với 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 đã đợc giải quyết bằng cách
phủ một lớp chì lên bề mặt ngoài của ống nhiệt. Hãng Furukawa Nhật bản sử dụng
1700 ống nhiệt trong trờng, mỗi ống dài 8.5m, bên ngoài ống bọc một lớp chì để
chống sự ăn mòn của SO
2
. Kết quả là đã tận dụng lại đợc 2,1 triệu kcal/h của
250.000 m
3
khí chứa SO
2
ở nhiệt độ 160
0
C.

1.5.2 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. Trong trờng hợp nh vậy, việc giải quyết vấn đề toả nhiệt bằng phơng
pháp cổ điển nh dẫn nhiệt qua thanh nhôm, đối lu cỡng bức ra môi trờng bên

ngoài là không còn thích hợp nữa. Để giải quyết vấn đề này ngời ta sử dụng ống
nhiệt, nó hoàn toàn đáp ứng đợc các nhu cầu đặt ra với thiết bị gọn nhẹ, và ống
nhiệt ở đây là ống nhiệt mao dẫn (hình 1.9).
Chúng ta biết rằng trong động cơ điện do tác dụng của dòng Fuco, nhiệt chủ
yếu sinh ra từ phần rôto và stato. Trớc đây để làm mát động cơ ngời ta thổi không
khí trực tiếp vào 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 đã đợc ứng dụng và thu đợc kết quả tốt đẹp ống
nhiệt ly tâm, nó chính là trục rôto (hình 1.8) của các loại máy điện, động cơ, quạt,
bơm, tua-bin và nhờ đó ta có thể lấy đi lợng nhiệt một cách có hiệu quả. Với loại
động cơ này thì thiết bị gọn nhẹ đi rất nhiều.

Còn ống nhiệt mao dẫn cho phép lấy nhiệt từ những chi tiết của stato của động
cơ điện, từ những công tắc đổi nối công suất lớn, từ những máy biến thế lớn.
ống nhiệt cũng đợc dùng để 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 nhiệt độ giữa nớc làm mát và dây cáp lớn thì nhiệt độ nớc vào phải thấp.
- 11 -
Ngoài ra do cáp dài nên hiệu quả làm mát sẽ không đồng đều theo chiều dài. Nhợc
điểm này đã đợc khắc phục bằng cách sử dụng ống nhiệt mao dẫn. Ngời ta đặt
ống nhiệt dọc theo dây cáp ở đầu và cuối ống có bộ toả nhiệt tự nhiên vào môi
trờng xung quanh và xuống đất. ở đây không dùng tới bơm mà vẫn khắc phục
đợc những nhợc điểm của phơng pháp cổ điển. Hãng Furakawa đã chế tạo thành
công ống nhiệt dài nhất thế giới (200m) để làm mát dây cáp điện. Bằng thực
nghiệm ngời ta đã chứng minh đợc rằng: khi không đợc làm mát, 12 dây cáp
ngầm có nhiệt độ 107
0
C, nhng khi đợc làm mát bằng ống nhiệt thì nhiệt độ giảm
chỉ còn 80
0

C.

1.5.3 Các ứng dụng khác của ống nhiệt
- Sử dụng ống nhiệt để làm mát tờng, vách, trần nhà bê tông của các toà nhà
trong mùa hè. Hàng loạt ống nhiệt trọng trờng đợc cắm vào trong tờng nhà, đầu
kia hở ra ngoài trời. Vào buổi tối khi không còn ánh nắng và nhiệt độ không khí đã
giảm xuống, đầu hở của ống nhiệt nhanh chóng toả nhiệt lấy từ bên trong tờng bê
tông ra ngoài không khí. Toà nhà nhanh chóng đợc làm mát, phần còn lại là nhiệm
vụ của các máy điều hoà nhiệt độ. Nh vậy nhờ có ống nhiệt mà năng lợng tiêu
tốn của các máy điều hoà nhiệt độ sẽ giảm và toà nhà nhanh chóng đợc làm mát.
- Sử dụng ống nhiệt trong các bộ thu năng lợng mặt trời (hình 1.9). Nhờ có ống
nhiệt, tổn thất năng lợng trong trờng hợp trời nhiều mây là nhỏ nhất, điều này cho
phép trong một số trờng hợp có thể bỏ qua hệ thống điều khiển tự động điều chỉnh
lu lợng chất tải nhiệt trong bộ thu năng lợng mặt trời, nâng cao độ tin cậy của
bộ thu, giảm từ 5-7 lần chi phí năng lợng để bơm nớc so với trờng hợp của bộ
thu năng lợng mặt trời cổ điển. Việc dùng ống nhiệt với lợng môi chất nhỏ cho
phép giảm trọng lợng và nhiệt dung của bộ thu, làm tăng độ nóng của nó.












Hình 1.9 Sử dụng ống nhiệt trong bộ thu NLMT

- Sử dụng ống nhiệt trọng trờng trong việc chống đóng băng mặt đờng cao tốc
và bãi đỗ xe ôtô (hình 1.10) thay cho phơng pháp cũ là phải dùng hệ thống hơi
nóc hoặc nớc nóng rất tốn kém năng lợng. ở đây một đầu ống nhiệt đợc cắm
sâu xuống đất để lấy nhiệt (vì nhiệt độ trong lòng đất cao hơn nhiệt độ bề mặt vào
- 12 -
mùa đông) đầu kia (phần ngng, toả nhiệt của ống) đợc đặt nằm ngang dới mặt
đờng toả nhiệt làm nóng mặt đờng và tan tuyết.
- Sử dụng ống nhiệt để bảo quản thực phẩm (hình 1.3) trong các ôtô chuyên chở
không có máy lạnh. ở đây thùng xe đợc chia làm hai phần: phần nhỏ chứa nớc đá
có cắm các ống nhiệt trọng trờng đặt nghiêng, phần lớn chứa thực phẩm có phần
còn lại của ống nhiệt. ống nhiệt sẽ nhận nhiệt của thực phẩm cần bảo quản truyền
cho nớc đá. Còn nếu không dùng ống nhiệt thì phải cho nớc đá tiếp xúc trực tiếp
với thực phẩm và nh vậy có thể làm hỏng thực phẩm.

Hình 1.10 Sử dụng ống nhiệt sởi ấm bãi đỗ xe

- Sử dụng ống nhiệt trọng trờng để chế tạo các calorife của thiết bị sấy (hình
1.2).
- Trong ngành ôtô ống nhiệt đợc dùng để điều chỉnh nhịêt độ của nớc làm
mát động cơ, làm mát hay đốt nóng dầu trong cácte, sởi ấm cabin của lái xe nhờ
lợng nhiệt thải qua ống xả.
- Ngoài ra ống nhiệt còn đợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật vũ trụ. Chẳng
hạn, ngời ta dùng ống nhiệt mao dẫn điều chỉnh nhiệt độ để điều hoà nhiệt độ thân
tàu vũ trụ, khi con tàu một bên đợc đốt nóng bởi mặt trời, còn bên kia lại nằm
trong bóng đêm vũ trụ.

1.6 Môi chất nạp ống nhiệt
Môi chất nạp (chất lỏng nạp vào ống) của ống nhiệt cần phải đợc lựa chọn trên
cơ sở nhiệt độ làm việc của ống nhiệt, dựa vào tính phù hợp của môi chất nạp đối
với vật liệu làm ống, dựa vào tính chất nhiệt vật lý và hoá học của môi chất nạp
v.v

- 13 -
1.6.1 Nhiệt độ làm việc của ống nhiệt
Nhiệt độ làm việc của ống nhiệt đợc hiểu là nhiệt độ trung bình của hơi trong
ống t
h
. Theo [1] t
h
= 0.5(t
is
+ t
in

) 0.5(t
es
+ t
en
)
ở đây: t
is
- nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần sôi
t
in
- nhiệt độ trung bình bề mặt trong ống phần ngng
t
es
- nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài phần sôi
t
en
- nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài phần ngng
Tuỳ theo nhiệt độ làm việc của ống nhiệt mà môi chất nạp có thể là những chất
sau:
- Trong khoảng nhiệt độ thấp là các môi chất lạnh nh: R
12
, R
22,
R
111
, NH
3
- Trong khoảng nhiệt độ vừa là nớc, rợu v.v
- Trong khoảng nhiệt độ cao là Hg, Na, K,
Bảng 1.1 chỉ ra các môi chất nạp đợc sử dụng trong ống nhiệt và khoảng nhiệt

độ làm việc của nó.
Cũng cần phải lu ý đến khía cạnh nhiệt của môi chất nạp, đó là khả năng bị
phân huỷ của môi chất nạp dới tác dụng của nhiệt. Với một số môi chất nạp là chất
hữu cơ cần phải duy trì nhiệt độ của chúng thấp hơn một nhiệt độ nào đó để cho
chất hữu cơ đó không bị phân huỷ thành các thành phần khác.
Nh vậy độ bền về nhiệt của môi chất nạp trong khoảng nhiệt độ làm việc cũng
đợc coi là tính chất cần thiết.

Bảng 1-1: Môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc
Môi chất Nhiệt độ
nóng chảy, (
0
C)
Nhiệt độ sôi ở
p=1at (
0
C)
Khoảng nhiệt độ
làm việc, (
0
C)
Heli -272 -269 -271 269
Nitơ -210 -169 -203 160
Amôniăc -78 -33 -60 100
R
11
-111 24 -40 120
Pentan -130 28 -20 120
R113 -35 48 -10 100
Axeton -95 57 0 120

Methanol -98 64 10 130
Etanol -112 78 0 130
Heptan -90 98 0 150
Nớc 0 100 30 200
Thuỷ ngân -39 361 250 650
- 14 -
Xedi 29 670 450.900
Kali 62 774 500 1000
Natri 98 892 600 1200
Liti 179 1340 1000 1800
Bạc 960 2212 1800 2300

1.6.2 Tính phù hợp
Ngoài tính chất nhiệt ta còn phải chú ý tác dụng tơng hỗ giữa môi chất nạp và
vật liệu làm ống nhiệt. Tính chất này gọi là tính phù hợp của ống nhiệt. Khi ta chọn
môi chất nạp không phù hợp với việc chọn vách ống nhiệt, có nghĩa là ta đã tạo điều
kiện cho môi chất nạp tác dụng với vách ống: một mặt làm hỏng vách ống, mặt
khác tạo ra các khí không ngng tụ tại phần ngng của ống, làm giảm khả năng
truyền nhiệt.
Đối với ống nhiệt mao dẫn, nếu gặp phải trờng hợp này thì các phản ứng giữa
môi chất nạp và vách ống sẽ gây ra những sản phẩm phụ. Những sản phẩm này sẽ
chuyển về vùng sôi tu lại ở đó làm cho trở kháng thuỷ lực của cấu trúc mao dẫn
tăng lên, các lỗ mao dẫn có nguy cơ bị bịt kín một phần hay bịt kín hoàn toàn.
Tính phù hợp của ống nhiệt đã đợc trình bày ở bảng 1-2.

Bảng 1-2: Tính phù hợp của ống nhiệt
Môi chất
nạp
Vật liệu làm ống nhiệt
Đồng Nhôm Thép không

gỉ
Thép Ni-Cr
Nớc Tốt Không Không Đợc
Amôniăc Không Tốt Tốt Tốt
axeton Tốt Tốt Tốt Đợc
Methanol Tốt Đợc Đợc Đợc
Ethanol Tốt Đợc Đợc
Freon 11 Tốt Tốt Tốt
Freon 113 Tốt Tốt Tốt
Freon 502 Tốt Tốt Tốt

Trong bảng này:- Tốt: Tính phù hợp tốt
- Đợc: Tính phù hợp cho phép
- Không đợc: Tính phù hợp không đợc cho phép
- " " : Tính phù hợp cha xác định
Ví dụ: ống nhiệt bằng đồng nạp nớc có thể làm việc lâu dài với những đặc tính
nhiệt tốt.
- 15 -

1.6.3 Các yêu cầu khác của môi chất nạp
1.6.3.1 Tính chất vật lý, hóa học của môi chất nạp
- Có hệ số sức căng bề mặt lớn (đối với ống nhiệt mao dẫn).
- Có góc dính ớt () với thành ống nhỏ (đối với ống nhiệt mao dẫn).
- Có nhiệt ẩn hoá hơi r lớn.
- Có độ nhớt à nhỏ.
- Có hệ số dẫn nhiệt lớn.
- Có khối lợng riêng lớn (đối với ống nhiệt trọng trờng).
- Môi chất nạp nếu là đơn chất phải tinh khiết, về mặt hoá học phải không độc.
Chẳng hạn khi thiết kế ống nhiệt mao dẫn ta phải làm sao cho càng lớn càng
tốt để ống nhiệt có thể làm việc ngợc chiều với lực trọng trờng và tạo ra độ chênh

áp suất mao dẫn lớn. Ngoài ra môi chất nạp cũng phải dính ớt bấc và thành ống.
Nhìn chung góc dính ớt càng nhỏ càng tốt. Vì trong ống nhiệt xảy ra hai quá trình
sôi và ngng nên môi chất nạp có nhiệt ẩn hoá hơi r càng lớn càng tốt.
Nên dùng môi chất nạp có hệ số dẫn nhiệt (ở pha lỏng) lớn để giảm đến mức
tối đa độ chênh nhiệt độ theo hớng bán kính và giảm khả năng xuất hiện chế độ
sôi bọt trên ranh giới giữa bấc và vách ống. Việc sử dụng môi chất nạp với hệ số
nhớt à ở pha lỏng và pha hơi nhỏ sẽ làm giảm tới mức tối đa trở kháng thuỷ lực của
dòng lỏng và dòng hơi chuyển động trong ống.
Một điểm cần chú ý là trong khoảng nhiệt độ làm việc, áp suất của hơi bão hoà
tơng ứng phải có giá trị nhỏ để tốc độ của hơi không lớn, tránh gây ra độ chênh
nhiệt độ lớn làm cản trở chuyển động ổn định của nớc ngng trở về phần sôi trong
trờng hợp hai dòng hơi và chất lỏng chuyển động ngợc chiều. Tuy nhiên áp suất
không đợc chọn quá bé, vì nếu quá bé (nhỏ hơn áp suất khí quyển) thì dễ bị không
khí bên ngoài lọt vào trong ống nhiệt. Mặt khác áp suất bão hoà không đợc quá
lớn để tránh dùng ống nhiệt có vách dày.
1.6.3.2 Tiêu chuẩn khác
Ngoài các tiêu chuẩn trên cũng cần phải chú ý đến giá thành của môi chất nạp,
giá thành của vật liệu làm ống trong việc lựa chọn các môi chất nạp.