NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG VỚI MÔI CHẤT NẠP LÀ ETHANOL

bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
---------------------------------------

NGUYỄN THIÊN HOÀNG

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT
CỦA ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG VỚI
MÔI CHẤT NẠP LÀ ETHANOL

LUẬN VĂN THẠC SĨ NHIỆT LẠNH

hµ néi - 3/2010


bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
---------------------------------------

NGUYỄN THIÊN HOÀNG

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NHIỆT
CỦA ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG VỚI
MÔI CHẤT NẠP LÀ ETHANOL

Chuyên ngành: Công nghệ Nhiệt Lạnh

LUẬN VĂN THẠC SĨ NHIỆT LẠNH

ng−êi h−íng dÉn khoa häc

PGS. TS BÙI hẢI

hµ néi - 3/2010


1

Nguyễn Thiên Hoàng

LI CAM OAN
Tụi xin cam oan bn Lun vn ny l cụng trỡnh nghiờn cu ca riờng tụi. Cỏc
s liu tớnh toỏn v tham kho trong lun vn l trung thc. Nu cú gỡ sai phm
tụi xin chu hon ton trỏch nhim.
Tỏc gi lun vn

Nguyn Thiờn Hong

Viện KH&CN Nhiệt Lạnh

Luận Văn Cao Học


NguyÔn Thiªn Hoàng

1

LỜI CẢM ƠN
Tôi mong muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với:
Lãnh đạo Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm bồi dưỡng và đào tạo
sau đại học cùng tập thể các thầy cô Bộ môn Kỹ Thuật Nhiệt, Viện KH&CN

Nhiệt Lạnh mà đặc biệt là thầy giáo PGS.TS. Bùi Hải đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi để giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này.
Trung tâm Đo lường/ Viện Công nghệ/ Tổng cục CNQP nơi tôi công tác
đã tạo điều kiện thuận lợi về mặt thời gian cũng như cơ sở vật chất.
Nhân dịp này tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn những người thân trong
gia đình và bạn bè đã động viên và giúp đỡ tôi tôi hoàn thành bản luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn

Nguyễn Thiên Hoàng

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


DANH SÁCH HỘI ĐỒNG BẢO VỆ TỐT NGHIỆP

TT
1

Họ và tên
PGS.TS Trần Gia Mỹ

Đơn vị công tác

Ghi chú

Viện trưởng Viện Khoa học Chủ tịch
và Công nghệ Nhiệt lạnh

2

PGS.TS Hà Mạnh Thư

Viện Khoa học và Công

Phản biện 1

nghệ Nhiệt lạnh
3

PGS. TS Hoàng Văn Chước

Hội Nhiệt Việt Nam

Phản biện 2

4

PGS. TS Trần Thế Sơn

Viện Khoa học và Công

Thư ký

nghệ Nhiệt lạnh
5

PGS. TS Bùi Hải

Hội Nhiệt Việt Nam

Ủy viên


5

NguyÔn Thiªn Hoàng

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỈ SỐ
1. GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Ý nghĩa

Thứ nguyên

A

Hằng số kích thước

S

Diện tích tiết diện

m2

C

Nhiệt dung riêng

J/kg.K

d

Đường kính

m

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

F

Diện tích

m2

k

Hệ số truyền nhiệt

W/m2.K

k

Số mũ đoạn nhiệt

L

Chiều dài

m (mm)

q

Mật độ dòng nhiệt

W/m2

Q

Dòng nhiệt

W (kW)

r

Nhiệt ẩn hoá hơi

J/kg

R

Hằng số chất khí

J/kg.K

t

Nhiệt độ

0

α

Hệ số toả nhiệt

W/m2.K

αN

Hệ số toả nhiệt Nusselt

W/m2.K

αw

Hệ số toả nhiệt từ nguồn lạnh

W/m2.K

C

đến bề mặt ngoài ống nhiệt
αw

Hệ số toả nhiệt từ nguồn nóng

W/m2.K

đến bề mặt ngoài ống nhiệt
V

Thể tích

m3

∆t

Độ chênh nhiệt độ

0

ε

Giới hạn sai số

ξ

Hệ số tính chất vật lý

ζ

Lượng nạp

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

C

LuËn V¨n Cao Häc


6

NguyÔn Thiªn Hoàng
θ

Góc dính ướt

0

λ

Hệ số dẫn nhiệt

W/m.K

µ

Hệ số nhớt động lực

N.s/m2

ν

Độ nhớt động học

m2/s

ρ

Khối lượng riêng

kg/m3

σ

Sức căng bề mặt

N/m

ϕ

Hệ số đặc trưng cho môi chất nạp

Φ

Góc nghiêng

0

C

2. CÁC CHỈ SỐ DƯỚI
Ký hiệu

Ý nghĩa

c

Lôi cuốn

e

Ngoài

h

Hơi

i

Trong

l

Lỏng

n

Ngưng

p

Áp suất

s

Sôi

tư

Tối ưu

min

Nhỏ nhất

max

Lớn nhất

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


NguyÔn Thiªn Hoàng

7
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2-1: Môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc ................................ 26
Bảng 2-2: Tính phù hợp của ống nhiệt.................................................................. 28
Bảng 3-1: Quan hệ điện trở - nhiệt độ của đầu đo Pt 100………………………..45

Bảng 3-2: Các giá trị kiểm tra các điểm đo tại nhiệt độ thường…………………48
Bảng 4-1: Kết quả đo tại Qi tại th = 400C………………………….…………….55
Bảng 4-2: Kết quả đo tại Qi tại th = 600C…………………………………..……55
Bảng 4-3: Kết quả đo tại Qi phụ thuộc góc nghiêng tại th = 400C, ξ = 50%.........55
Bảng 4-4: Kết quả đo tại Qi phụ thuộc góc nghiêng tại th = 600C, ξ = 50%.........56
Bảng 4-5: Kết quả đo tại Qi phụ thuộc ξ tại th = 400C……………………...…..56
Bảng 4-6: Kết quả đo tại Qi phụ thuộc ξ tại th = 600C………………………….56

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


8

NguyÔn Thiªn Hoàng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1:

Tản nhiệt RAM máy tính của hãng OCZ và Xigmatek…………..…13

Hình 1-2:

Tản nhiệt CPU máy tính của hãng Noctua…………………………..13

Hình 1-3:

Tản nhiệt Setsugen VGA - cạc đồ họa máy tính.................................14

Hình1- 4:

Bộ thu năng lượng mặt trời……………………………...…………..15

Hình 1-5:

Bức xạ mặt trời làm nóng các ống năng lượng...................................15

Hình 1- 6:

Các chi tiết của ống năng lượng..........................................................16

Hình 1- 7:

Ống nhiệt trên đường ống dẫn dầu alaska………………..……….....17

Hình 1-8:

Cấu tạo ống nhiệt trọng trường……...…………………....…………19

Hình 1-9:

Cấu tạo ống nhiệt mao dẫn…………………...………………...……21

Hình 1-10: Ống nhiệt ly tâm (dùng làm mát động cơ điện)……………………..21
Hình 2-1:

Ống nhiệt trọng trường có bề mặt nhẵn ở bên trong……..……….…24

Hình 2-2:

Các thành phần nhiệt trở của ống nhiệt…………………………….30

Hình 2-3:

Giá trị ξ của một số môi chất theo nhiệt độ……………………..…..23

Hình 2-4:

Ảnh hưởng của lượng nạp ξ đối với Qi……………………..………36

Hình 2-5:

Ảnh hưởng của góc nghiêng đối với Qi……………………..………36

Hình 3-1:

Bộ đốt gia nhiệt…………...................................................................43

Hình 3-2:

Bộ đốt được gắn trên thành ống nhiệt ……………............................44

Hình 3-3:

Bộ làm mát phần ngưng......................................................................45

Hình 3-4:

Sơ đồ gắn đầu cảm biến nhiệt độ trên ống nhiệt………….................46

Hình 3-5: Mặt cắt bố trí đầu cảm biến nhiệt……………………………………47
Hình 3-6: Các thiết bị cảm biến và điều khiển nhiệt độ…………………………49
Hình 4-1:

Phương pháp thay đổi góc nghiên của ống nhiệt…………………...54

Hình 4.2:

Cảm biến nhiệt độ tại vùng đoạn nhiệt gắn theo chu vi ống ……….57

Hình 4-3:

Phân bố nhiệt độ bề mặt ống theo chiều dài của ống nhiệt………...58

Hình 4-4:

Thể hiện quan hệ Qi phụ thuộc vào ∆t i tại th = 400C……….……..59

Hình 4-5:

Thể hiện quan hệ Qi phụ thuộc vào ∆t i tại th = 600C………..…….60

Hình 4-6 Ảnh hưởng của lượng nạp ξ tới công suất nhiệt Qi…………………..61
Hình 4-7 Ảnh hưởng của góc nghiêng Φ tới công suất nhiệt Qi……………….62

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc

NguyÔn Thiªn Hoàng

2

MỤC LỤC
Mục

Trang

Lời cam đoan………………………………………………………….

1

Mục lục……………………………………………………………….

2

Danh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t..............................................

5

Danh mục các bảng……………………………………………….……

7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị…………………………………………...

8

PHẦN MỞ ĐẦU…………………………………………………….

9

CHƯƠNG I - GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NHIỆTVÀ ỨNG DỤNG CỦA
ỐNG NHIỆT……………………………………………

10

1.1.

Ống nhiệt lịch sử và sự phát triển ....................................

10

1.2.

Ứng dụng của ống nhiệt……………………. ................

12

1.2.1.

Làm mát linh kiện điện tử……………………………..

12

1.2.2.

Làm nóng nước sử dụng năng lượng mặt trời…………

15

1.2.3.

Chống tan băng các trụ của đường ống dẫn dầu………

17

1.2.4.

Tái sử dụng nhiệt thải…………………………………

17

1.2.5.

Một số ứng dụng khác của ống nhiệt…………………

18

Phân loại ống nhiệt ...........................................................

19

1.3.1.

Phân loại theo lực tác dụng……………………………..

19

1.3.2.

Phân loại theo nhiệt độ của hơi bên trong ống nhiệt

22

1.3.

(theo nhiệt độ cần sử dụng)…………………………….
1.3.3.

Phân loại theo hình dạng ống…………………………..

22

1.3.4.

Phân loại theo môi chất nạp trong ống…………………

22

1.3.5.

Phân loại theo công dụng………………………………

22

Ưu điểm của ống nhiệt .....................................................

22

1.4.

CHƯƠNG II -LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN ỐNG NHIỆT TRỌNG
TRƯỜNG CÓ BỀ MẶT NHẴN BÊN TRONG……….
2.1.

24

Cầu tạo và nguyên lý hoạt động của ống nhiệt trọng
trường…………………………………………………..

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

24

LuËn V¨n Cao Häc


NguyÔn Thiªn Hoàng

3

2.1.1.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt đồng……..............................

24

2.1.2.

Môi chất nạp và vật liệu làm ống nhiệt…………………

25

2.2.

Tính công suất nhiệt của ống nhiệt trọng trường……….

29

2.3.

Ảnh hưởng của lượng nạp môi chất và góc nghiêng tới
công suất nhiệt trong Qi của ống nhiệt…………………

35

2.3.1.

Ảnh hưởng của lượng nạp……………………………..

35

2.3.2.

Ảnh hưởng của góc nghiêng…………………………..

36

Giới hạn công suất nhiệt của ống nhiệt trọng trường….

37

2.4.1

Các loại giới hạn công suất……………………………

37

2.4.2

Ảnh hưởng của góc nghiêng Φ và lượng nạp ζ tới giới

2.4.

hạn lôi cuốn Qc.max…………………………………….
2.5.

40

Chọn chiều dài phần sôi và phần ngưng của ống nhiệt
trọng trường…………………………………………..

40

CHƯƠNG III - XÂY DỰNG CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÚ NGHIỆM
VỀ ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG……………….

42

Xây dựng hệ thống thiết thị thí nghiệm ống nhiệt……..

42

Chọn và chế tạo ống nhiệt……………………………..

42

3.1.1.1

Chọn ống nhiệt…………………………………………

42

3.1.1.2

Chế tạo ống……………………………………………

48

3.1.2.

Chọn môi chất nạp…………………………………….

48

3.1.3.

Sử dụng các thiết bị đo lường để ghi lại kết quả đo nhiệt

3.1.
3.1.1.

độ……………………………………………………….

48

Phương pháp tiến hành thí nghiệm……………………

49

3.2.1

Phương pháp đo……………………………………….

49

3.2.2

Trình tự thí nghiệm……………………………………

50

3.2.3

Đánh giá sai số………………………………………...

51

3.2.

CHƯƠNG IV XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THÍ
4.1.

NGHIỆM……………………………………………..

53

Xử lý số liệu thí nghiệm……………………………….

53

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


NguyÔn Thiªn Hoàng

4

4.1.1

Cơ sở lý thuyết………………………………………..

53

4.1.2.

Số liệu thí nghiệm……………………………………..

54

Kết quả thí nghiệm……………………………………

57

4.2.1.

Phân bố nhiệt độ trong ống nhiệt……………………....

57

4.2.2.

Công suất nhiệt trong Qi của ống nhiệt phụ thuộc nhiệt

4.2.

độ……………………………………………………….

57

4.2.3.

Ảnh hưởng lượng nạp…………………………………..

60

4.2.4.

Ảnh hưởng góc nghiêng………………………………..

61

Kết luận ...........................................................................

63

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

64

LuËn V¨n Cao Häc


Nguyễn Thiên Hoang

9

Mở đầu
ng nhit l mt phn t truyn nhit kiu mi m ngy nay c nhiu
nh khoa hc ca cỏc nc trờn th gii quan tõm nghiờn cu. ng nhit c
nghiờn cu v mt lý thuyt cng nh v mt ng dng ca nú trong cỏc ngnh
cụng nghip v i sng.
Cú nhiu loi ng nhit nh: ng nhit trng trng (s dng trng

trng), ng nhit mao dn ( s dng mao dn), ng nhit ly tõm (s dng lc ly
tõm) ng nhit trng trng cú cu to n gin, d ch to nờn c nghiờn
cu v ng dng khỏ nhiu cỏc nc v c Vit Nam. Vic nghiờn cu mụi
cht np trong ng nhit trng trng cng c cỏc nh khoa hc quan tõm
trong ú s dựng cỏc loi ru hu c cho vựng nhit khụng cao t 300C n
800C ó c chỳ ý. ti lun vn ny em chn ru ethanol lm mụi cht
np trong ng nhit trng trng. ti ca em l Nghiờn cu tớnh cht nhit
ca ng nhit trng trng vi mụi cht np l Ethanol. Phng phỏp nghiờn
cu ch yu l thc nghim kt hp vi lý thuyt.

Viện KH&CN Nhiệt Lạnh

Luận Văn Cao Học


NguyÔn Thiªn Hoµng

10
CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU VỀ ỐNG NHIỆT
VÀ ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT
1.1.

ỐNG NHIỆT LỊCH SỬ VÀ SỰ PHÁT TRIỂN
Vào năm 1944, Gaugler đã chế tạo ra một thiết bị trao đổi nhiệt kiểu

mới và là bước khởi đầu cho ống nhiệt hiện nay. Tuy nhiên, do yếu tố công
nghệ của thời kỳ đó, thiết bị đã bị lãng quên trong hai thập kỷ. Ý tưởng này đã
được phục hồi trong ứng dụng cho các chương trình chinh phục vũ trụ theo

gợi ý của Trefethen vào năm 1962 và sau đó là một vài ứng dụng được cấp
bằng sáng chế của Wyatt vào năm 1963. Nhưng chỉ đến khi Grover và đồng
nghiệp của ông tại phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos đã khám phá và
đưa ra các khái niệm, nguyên lý hoạt động thiết bị ống nhiệt vào cuối năm
1963; đây được coi là động lực cho việc phát triển công nghệ ống nhiệt sau
này. Grover cũng đặt ra cái tên "Ống dẫn nhiệt", các ống dẫn nhiệt đầu tiên
mà Grover xây dựng sử dụng nước là chất lỏng nạp vào trong ống làm việc ở
nhiệt độ vừa phải và natri cho ống nhiệt có nhiệt độ cao khoảng 1.100
K. Trong những năm tiếp theo lý thuyết và công nghệ về ống nhiệt đã được
phát triển rất mạnh.
Ống nhiệt đầu tiên làm việc ở nhiệt độ thấp do Naskim phát triển vào
năm 1966 tại phòng thí nghiệm Air Force Flight Dynamic, Wright-Patterson
Air Force Base. Người ta dùng ống nhiệt như là một dụng cụ để điều chỉnh
nhiệt độ lần đầu tiên 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 loại ống nhiệt
điều khiển nhiệt đã được phát triển một cách khá kỹ lưỡng bởi Bienert,
Brennan tại Dynatherm Corp và Marcus . Ý tưởng đầu tiên của việc dùng ống
nhiệt với môi chất là nước ở trạng thái không trọng lực được đưa ra bởi

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


NguyÔn Thiªn Hoµng

11

Deverall và những cộng sự của ông tại phòng thí nghiệm khoa học Los
Alamos [7].

Sau đó một thời gian ống nhiệt được sử dụng nhiều trong ngành hàng
không, vũ trụ. Ứng dụng đầu tiên trong ngành điện tử được phát triển bởi hội
vô tuyến Mỹ khi dùng ống nhiệt mao dẫn làm mát các transistor. Sau đó, ống
nhiệt được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong việc làm mát những thiết bị
điện tử và dây cáp điện ngầm dưới đất, và trong nhiều ngành công nghiệp
khác.
Do sự phát triển nhanh chóng của ống nhiệt mà các nhà khoa học trên
thế giới khoảng 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 ở
Đức năm 1973, sau đó ở Bologna 1976, Palo Alto 1978 [6].
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 1997 ở Đức,
- IHPC 11 tiến hành năm 1998 ở Nhật,
- IHPC 12 tiến hành năm 2002 ở Nga,
- IHPC 13 tiến hành năm 2005 ở Tung Quốc,
- IHPC 14 tiến hành năm 2007 ở Brazil.
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 nước tham dự ngày
càng lớn.

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc

NguyÔn Thiªn Hoµng

12

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ống nhiệt về mặt lý thuyết cũng như triển
khai ứng dụng còn rất hạn chế. Mới chỉ có một vài công trình nghiên cứu ứng
dụng và xây dựng mô hình thí nghiệm về ống nhiệt trọng trường và mao dẫn
được triển khai tại Viện KH&CN Nhiệt Lạnh, ĐHBK Hà nội, ở Khoa Nhiệt
Lạnh tại ĐHBK Đà Nẵng và ở Bộ môn Nhiệt ĐHBK TP HCM. Các nhà khoa
học ở đây đã bước đầu thu được một số kết quả khả quan trong quá trình
nghiên cứu.
1.2. ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT
Ống nhiệt đã và đang được nghiên cứu cho nhiều ứng dụng khác nhau
của nhiều ngành công nghiệp, bao gồm ứng dụng ở lĩnh vực nhiệt độ cao như
việc sử dụng các ống nhiệt heli lỏng để hỗ trợ cho việc làm mát trong máy gia
tốc hạt, để làm mát cho hệ thống “nước nặng” của lò phản ứng hạt nhân và
ứng dụng trong kỹ thuật đo lường ở nhiệt độ cao (khoảng 20000C đến 30000C,
đến những ứng dụng khác ở nhiệt độ vừa phải và nhiệt độ thấp. Dưới đây là
một số ứng dụng của ống nhiệt.
1.2.1. Làm mát linh kiện điện tử
Hiện nay các ứng dụng lớn nhất của ống nhiệt về số lượng sử dụng là
làm mát của các thành phần điện tử như bóng bán dẫn, các thiết bị bán dẫn, và
các gói mạch tích hợp (hình 1.1, hình1.2 và hình 1.3).

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc

NguyÔn Thiªn Hoµng

13

Hình 1.1 Tản nhiệt RAM máy tính của hãng OCZ và Xigmatek
Một bộ tản nhiệt cho RAM bao gồm hai phiến kim loại được bắt chặt vào
RAM. Mỗi một phiến kim loại này truyền nhiệt đến những fin tản nhiệt bằng
nhôm phía trên. Điểm đặc biệt ở đây là những ống nhiệt bằng đồng chạy
xuyên suốt phiến kim loại. Ống nhiệt tiếp xúc trực tiếp với chip bộ nhớ, và
dẫn nhiệt đến các fin tản nhiệt ở trên.

Hình 1.2 Tản nhiệt CPU máy tính của hãng Noctua

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


NguyÔn Thiªn Hoµng

14

Hình 1.3 Các loại tản nhiệt VGA - cạc đồ họa máy tính.

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


NguyÔn Thiªn Hoµng

15

1.2.2. Làm nóng nước sử dụng năng lượng mặt trời

Hình 1.4 Bộ thu năng lượng mặt trời
Hình 1.4, hình 1.5, hình 1.6 thể hiện bộ thu năng lượng mặt trởi kiểu ống
nhiệt
Đây là hệ thống làm việc quanh năm với chi phi thấp và hiệu quả cao
Bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi các ống năng lượng mặt trời và chuyển đổi
thành nhiệt. Lượng nhiệt này được ống nhiệt ở bên trong ống năng lượng
chuyển về phía đầu ống và làm nóng nước chảy qua.

Hình 1.5 Bức xạ mặt trời làm nóng các ống năng lượng

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


NguyÔn Thiªn Hoµng

16

Ống năng lượng được làm từ hai ống kính bằng thủy tinh borosilacate,
ống bên ngoài trong suốt cho phép ánh sáng đi qua ít phản xạ nhất, lớp bên
trong được phủ lớp hấp thụ bức xạ. Phần đầu của hai ống được hàn với nhau
và rút chân không giữa hai ống kính.

Ống nhiệt

ống nhiệt nằm trong ống năng lượng

Tụ chuyền nhiệt

Hình 1.6 Các chi tiết của ống năng lượng
Các ống nhiệt được sử dụng trong bộ thu năng lượng mặt trời có một
nhiệt độ sôi ở 30oC . Vì vậy, khi các ống nhiệt được làm nóng trên 30oC môi
chất sẽ bay hơi. Hơi môi chất tăng lên nhanh chóng và chuyển động đến trên

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


NguyÔn Thiªn Hoµng

17

cùng của ống dẫn nhiệt rồi truyền nhiệt cho nước. Khi nhiệt bị mất tại các tụ
(trên),hơi môi chất ngưng tụ thành chất lỏng và trở về phía dưới của ống nhiệt
để rồi một lần nữa lặp lại chu trình.
1.2.3. Chống tan băng các trụ của đường ống dẫn dầu

Hình 1.7 Ống nhiệt trên đường ống dẫn dầu alaska
Ống nhiệt cũng được sử dụng để giảm sức nóng trên hệ thống ống dẫn
dầu ở vùng lạnh như Alaska. Trong quá trình vận chuyển dầu, phát sinh lượng
nhiệt nóng từ dầu truyền xuống dưới chân đế là vùng đất có nước đóng băng
gây ảnh hưởng đến kết cấu của hệ thống, dẫn đến đường ống lún, sụt
xuống. Để ngăn chặn điều này mỗi bệ đỡ ống được gắn với 4 ống dẫn nhiệt

thẳng đứng. Gần 100.000 ống nhiệt trọng trường được dùng cho đường ống
dẫn dầu Alaska ở Mỹ. Đường kính của ống nhiệt được sử dụng là 5cm và 7,5
cm, và độ dài khác nhau từ 8cm đến 18 cm.
1.2.4. Tái sử dụng nhiệt thải
Thiết bị trao đổi nhiệt dùng ống nhiệt trọng trường có nhiều ưu điểm
trong đó ưu điểm quan trọng nhất là có thế làm cánh nên hoàn toàn thỏa mãn
các nhu cầu về tận dụng nhiệt thải. Nhiều nước công nghiệp phát triển đã sản

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


NguyÔn Thiªn Hoµng

18

xuất hàng loạt thiết bị trao đổi nhiệt bằng ống nhiệt, điển hình là Nhật Bản,
Mỹ, Hàn Quốc.. Ở Trung Quốc các thiết bị tận dụng nhiệt thải bằng ống nhiệt
đã được chế tạo và đưa vào vận hành với độ tin cậy khá cao.
Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu khí –khí bằng ống nhiệt trọng trường được
ứng dụng nhiều do những ưu điểm nổi bật của nó so với loại thiết bị trao đổi
nhiệt dùng vách ngăn đối lưu.
- Diện tích bề mặt truyền nhiệt lớn, thiết bị nhỏ gọn, không chiếm nhiều
không gian, đặc biệt khi làm cánh trên bề mặt ngoài ống nhiệt.
- Dòng khí nóng và dòng khí lạnh được tách riêng bởi một bề mặt cố
định. Do đó tránh được hiện tượng hòa trộn hai dòng khí nóng và lạnh.
- Thiết bị không cần dùng thêm ngoại lực nào ngoài việc dùng quạt cho
hai dòng chất khi nóng và lạnh lưu động.
- Khi môi chất nạp và vật liệu ống được 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
thỏa mãn độ tăng, giảm áp cho phép.
- Đối với thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng khói thải bằng ống nhiệt có
cánh bên ngoài ống, như 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 như vậy vừa tránh được bụi bẩn , vừa tăng hệ số toải nhiệt đối lưu
bề mặt ngoài của ống.
- Ngoài ra, thiết bị này còn không bị ảnh hưởng của ứng suất nhiệt.
Vấn đề đặt ra ở đây là phải tăng độ chịu ăn mòn của ống nhiệt khi
chúng làm việc trong môi trường khắc nghiệt, điều này cũng đã được giải
quyết bằng cách phủ một lớp chì lên bề mặt ngoài của ống nhiệt.
1.2.5. Một số ứng dụng khác của ống nhiệt:

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


Nguyễn Thiên Hoàng

19

- Cỏc ng nhit trng trng cú cỏnh bờn ngoi ó c ng dng rt
cú hiu qu tn dng nhit thi (khúi) t cỏc nh mỏy nht l trong cụng
nghip hoỏ cht do thit b gn hot ng lõu bn v cú tin cy cao
- ng nhit c ng dng lm mỏt cỏc ng cỏp in t ngm
di t thay cho phng phỏp c in l dựng nc lm mỏt
- ng nhit trng trng c s dng trong vic chng úng bng mt
ng cao tc v bói xe ụ tụ bng cỏch cm mt u ng nhit sõu xung

t ly nhit, cũn u kia (phn ngng, to nhit ca ng) t nm ngang
di mt ng v lm tan tuyt.
- Trong ngnh v tr, ngi ta dựng ng nhit iu chnh nhit
ca thõn tu v tr. Mt bờn con tu b t núng bi mt tri cũn bờn kia nm
trong búng ti ớt b t núng.
1.3. PHN LOI NG NHIT
1.3.1. Phõn loi theo lc tỏc dng:
ng nhit trng trng (Gravitatinal Heat pipe ):

5

Q

P

L

Phn

4

3

L

Phn on

LS

Phn sụi

P
2

Q

1
Hỡnh 1- 8 Cu to ng nhit trng trng

Viện KH&CN Nhiệt Lạnh

Luận Văn Cao Học


NguyÔn Thiªn Hoµng

20

Trên hình 1- 8 trình bày cấu tạo ống nhiệt trọng trường (còn gọi là
xiphông nhiệt Thermosyphon). Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt này là nhờ
lực trọng trường, chất lỏng ngưng được đưa về phần bốc hơi. Như vậy, phần
bốc hơi bao giờ cũng được đặt thấp hơn phần ngưng. Bề mặt trong của ống
nhiệt có thể nhẵn gọi là ống nhiệt trơn hoặc làm rãnh gọi là ống nhiệt có rãnh.
Bên trong ống nhiệt có thể đặt các bộ tách dòng kiểu đục lỗ hoặc giao pha gọi
là ống nhiệt tách dòng. Mục đích của việc làm rãnh cũng như đặt bộ tách
dòng nhằm tăng cường khả năng truyền tải từ vùng sôi đến vùng ngưng tụ [6],
đặc biệt nhằm tăng công suất nhiệt tới hạn của ống nhiệt trọng trường (công
suất nhiệt lớn nhất ). Loại ống nhiêt trọng trường có bề mặt nhẵn bên trong sẽ
được nghiên cứu trong luận văn này.
Ống nhiệt mao dẫn (Capillary Heat pipe):

Trên hình 1- 9 trình bày cấu tạo ống nhiệt mao dẫn. Ở đây lực tác dụng
để đưa chất lỏng ngưng về phần bốc hơi là lực mao dẫn. Ống nhiệt mao dẫn
thường được đặt ngược hướng trọng trường, phần bốc hơi sẽ nằm cao hơn
phần ngưng [1].
Để tạo ra lực mao dẫn có nhiều cách khác nhau cụ thể là:
- Làm rãnh nhỏ bên trong .
- Đặt các tấm lưới bằng kim loại sát bề mặt bên trong ống, những tấm
lưới này được gọi là bấc .
- Hoặc là kết hợp cả hai loại trên .

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc


NguyÔn Thiªn Hoµng

21

Hình 1- 9 Cấu tạo ống nhiệt mao dẫn
Ống nhiệt ly tâm (Rotating Heat pipe ):
Trên hình 1- 10 trình bày ống nhiệt ly tâm dùng để làm mát động cơ
điện [10]. Ở ống nhiệt ly tâm, chất lỏng ở phần ngưng 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- 10 Ống nhiệt ly tâm (dùng làm mát động cơ điện)
1- Thân động cơ

2- Stato

3- Rôto

4- Trục rỗng (ống nhiệt)

ViÖn KH&CN NhiÖt L¹nh

LuËn V¨n Cao Häc