BÁO CÁO NGHIÊN CỨU VỀ ỐNG DẪN NGHIỆT

C

HƯƠNG 1
HƯƠNG 1
HƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỐNG NHIỆT

1


1. Hướng nghiên cứu
Năm 1944, Gaugler cấp bằng sáng chế một thiết bị truyền nhiệt nhẹ mà về cơ bản
các đường ống nhiệt hiện nay. Tuy nhiên, công nghệ của thời kỳ đó trình bày không có
nhu cầu rõ ràng cho các thiết bị như vậy và 1T nằm ngủ trong hai thập kỷ qua. Ý
tưởng được sống lại trong kết nối với các chương trình không gian, lần đầu tiên như là
một gợi ý bởi Trefethen vào năm 1962 và sau đó là hình thức 1N của một ứng dụng
bằng sáng chế bởi Wyatt 1N 1963. Cho đến khi Grover và các đồng nghiệp của Phòng
thí nghiệm Los Alamos khoa học độc lập đã phát minh ra khái niệm vào năm 1963 và
xây dựng nguyên mẫu động lực được cung cấp cho công nghệ này. Grover cũng đặt ra
tên "ống nhiệt" và nói, "Với một số hạn chế nhất định về cách thức sử dụng, ống tản
nhiệt có thể được coi như là một hiệp đồng kỹ thuật cấu trúc mà 1s tương đương với
một loại vật liệu có độ dẫn nhiệt rất nhiều quá của bất kỳ kim loại được biết.
Ống nhiệt đầu tiên Grover xây dựng nước được sử dụng như là các chất lỏng làm
việc và được theo sau ngay bởi một ống dẫn nhiệt natri hoạt động ở 1100 ° K. Cả nhiệt
độ cao và các chế độ nhiệt độ môi trường xung quanh đã nhanh chóng được khám phá
bởi nhiều người lao động trong lĩnh vực này. Đó không phải là đến năm 1966 ống
nhiệt đông lạnh đầu tiên được phát triển bởi Haskln của Phòng thí nghiệm bay Air
Force động tại Căn cứ Không quân Wright-Patterson.
Khái niệm về một Nhiệt độ kiểm soát nhiệt ống dẫn điện biến đổi hay lần đầu tiên
được mô tả bởi Hall of RCA trong một ứng dụng bằng sáng chế ngày Tháng 10 năm

1964. Tuy nhiên, mặc dù ảnh hưởng của một chất khí không ngưng tụ được thể hiện
trong ấn phẩm ban đầu của Grover, ý nghĩa của nó để đạt được dẫn biến không
immedlatly được công nhận. Trong những năm tiếp theo lý thuyết và công nghệ dẫn
khí, dẫn nhiệt kiểm soát biến được rất nhiều tiến bộ, đặc biệt là bởi Bienert và Brennan
Dyn therm và Marcus tại TRW.

2


Ngày 05/04/1967, lần đầu tiên cuộc trình diễn của một ống nhiệt được tiến hành
bởi một nhóm các kỹ sư của Phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos. Thành công
chuyến bay thử nghiệm đầu tiên này vượt qua ngần ngại ban đầu mà nhiều nhà thiết kế
tàu vũ trụ có sử dụng công nghệ mới này để giải quyết vấn đề kiểm soát nhiệt độ luôn
hiện diện trên tàu vũ trụ. Sau đó, ngày càng nhiều tàu vũ trụ đã dựa trên các ống dẫn
nhiệt, hoặc để kiểm soát nhiệt độ của các thành phần cá nhân hoặc toàn bộ cấu trúc.
Qua ví dụ của xu hướng này là OAO-C và ATS-6 tàu vũ trụ . Các ứng dụng hiện nay
bao gồm ống nhiệt Izers đẳng nhiệt cho I.U.E. và kiểm soát nhiệt đường ống khí đốt
trên CTS .
Một số loại khác nhau của dẫn cố định và đường ống dẫn nhiệt biến đang được
phát triển hoặc đề xuất cho các sứ mệnh tàu con thoi khác nhau bao gồm cả ống đựng
nhiệt, LDEF và Vật lý khí quyển Cloud Lab. Nhiệm vụ Galileo sẽ sử dụng các ống dẫn
nhiệt đồng / nước làm mát vây tản nhiệt Máy phát điện đồng vị selenua (SIG) trong đó
cung cấp năng lượng cho tàu thăm dò sao Mộc. Trong ngắn hạn, các ống dẫn nhiệt đã
nhận được chấp nhận rộng rãi trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ.
Sớm phát triển các ứng dụng trên mặt đất ống nhiệt tiến triển với một tốc độ chậm
hơn muqh. Năm 1968, RCA đã phát triển một tản nhiệt ống dẫn nhiệt cho các bóng
bán dẫn được sử dụng trong truyền máy bay. Điều này có thể đại diện cho các ứng
dụng thương mại đầu tiên của ống dẫn nhiệt. Việc sử dụng đầu của ống dẫn nhiệt để
làm mát điện tử đã bị cấm bởi chi phí và cải thiện tối thiểu vì mật độ công suất tương
đối thấp của nhiều người trong số các thành phần điện tử đó đã có sẵn. Tuy nhiên, kể

từ đó, "Năng lượng Crisis-được trải nghiệm và sản xuất chi phí thấp" lực hấp dẫn hỗ
trợ ống dẫn nhiệt "tiếp 1s ứng dụng đáng chú ý nhất sự ổn định của tầng đất đóng băng
vĩnh cửu trong các đường ống Alyeska. Nhiệt ống nhiệt hệ thống phục hồi cũng đại
diện cho một thị trường đáng kể mà 1s liên tục tăng trưởng nhu cầu đối với các nguồn
năng lượng thay thế đã dẫn đến sự phát triển của ống dẫn nhiệt sáng tạo Trung cấp và
nhiệt độ cao để thu năng lượng mặt trời và khí hóa than . Ngoài ra, đáng kể phát triển
cũng đã được tiến hành để sử dụng các ống dẫn nhiệt để làm tan băng đường cao tốc,
cầu , và đường băng sân bay.
Ngoài những tiến bộ thực hiện từ các ứng dụng khác nhau, nghiên cứu cơ bản và
phát triển cũng đã tiếp tục. Cải thiện hình học đã được phát triển hoặc đề xuất cho các
3


ống dẫn nhiệt trục rãnh. Được phân loại bấc độ xốp cũng đã được chế tạo. Một số kỹ
thuật mồi cho các thiết kế bấc động mạch bao gồm trút lá, Clausfus Claperon mồi
C261. và máy bay phản lực bơm assist, đã tiến hóa. Kỹ thuật kiểm soát bao gồm các
diode chặn lỗ, điốt bẫy chất lỏng và thiết bị chuyển mạch nhiệt, biến hơi dẫn điều chế,
và hồ chứa hấp thụ khí hòa tan, cũng đã được phát triển. Cuối cùng, các kỹ thuật phân
tích và chương trình máy tính đã được phát triển để dự đoán hiệu suất và thiết lập các
thiết kế ống tản nhiệt cho nhiều người trong số các hệ thống đã nói ở trên.
Về tài liệu, nhiệt đầu tiên của Pl bảng e Oesioa Handbook đã được công bố cho
Tàu vũ trụ có người lái của NASA Center, Houston 1N tháng 8 năm 1972. Kể từ đó, ba
ống nhiệt Hội nghị quốc tế đã được thực hiện, đã được tác giả hai cuốn sách về ống
dẫn nhiệt, và rất nhiều bài báo đã được viết về đề tài này.
2. Định nghĩa
Một ống nhiệt là một thiết bị nhiệt đơn giản không có bộ phận chuyển động mà có
thể chuyển 1 lượng lớn nhiệt trên một khoảng cách xa, ở nhiệt độ không đổi mà không
yêu cầu bất kỳ năng lượng đầu vào.
3. Chu trình nhiệt đông
Theo phân tích ống nhiệt thông thường, lượng nhiệt hấp thụ ở phần bay hơi thh

thường cho bằng lượng nhiệt thải ra ở phần ngưng tụ và tổn thất nhiệt ở vùng đoạn
nhiệt. Bởi vì ống nhiệt được hoạt động trong chu tŕnh nhiệt động khép kín và gây ra
công trong hệ thống. Vậy tổng lượng nhiệt thải ra ở phần ngưng tụ phải nhỏ hơn tổng
lượng nhiệt hấp thụ ở vùng bay hơi. Theo định luật 1 của nhiệt động học ta có:

Trong phương tŕnh này:
Tích phân vũng cụng là công sinh ra thực bởi chu tŕnh cần thiết để di chuyển chất
lỏng trong ống nhiệt. Với bất kỳ công được sinh ra, nhiệt đầu vào ở phần bay hơi phải
hớn hơi nhiệt thải ra ở phần ngưng tụ.
Bởi công này không vượt ra đường bao của hệ thống. Nó được sử dụng hết trong
hệ và được chuyển đổi trở lại thành nội năng của môi chất làm việc, tăng entropy ở
4


phần ngưng tụ. Bởi lư do này lượng nhiệt hấp thụ ở vùng bay hơi thực tế phải bằng
lượng nhiệt thải ra ở vùng ngưng tụ cộng với lượng nhiệt tổn thất ở phần đoạn nhiệt.
Mặt khác, lượng nhiệt thải ra ở phần ngưng tụ phải bằng lượng nhiệt được chuyển đi
bằng môi chất cộng với lượng nhiệt phát ra do độ nhít được tạo bởi chuyển động
ngược dòng giữa chất lỏng và hơi.
Hiệu suất nhiệt của ống nhiệt: Năng lượng yêu cầu để đưa dũng mụi chất làm việc
trong ống nhiệt theo sự biến đổi từ nhiệt thành công. Theo định luật hai của nhiệt động
học. Hiệu suất nhiệt của ống nh là một động cơ nhiệt thh giới hạn bởi hiệu suất nhiệt
của chu tŕnh Carnot theo công thức sau:

Trong đó:
Th - nhiệt độ nguồn nóng, K;
Tl – nhiệt độ nguồn lạnh, K;
Trong quá trình ống nhiệt vận hành sự chênh lệch nhiệt độ giữa vùng hơi và vùng
ngưng tụ là nhỏ, nên hiệu suất nhiệt bé. Vậy hiệu suất ống nhiệt được xác định:
Công thực/nguồn nhiệt

4 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
4.1 Cấu tạo ống nhiệt
Một ống nhiệt là bao gồm ba thành phần cơ bản sau:
- Vỏ (hay thùng chứa).
- Bấc hoặc mao mạch.
- Môi chất.

5


Hình 1. Cấu tạo ống nhiệt

Vỏ là một ống rỗng kín, có thể cô lập các chất lỏng hoạt động từ môi trường bên
ngoài và có thể duy trì sự khác biệt giữa các áp lực trên các bức tường của nó, và cho
phép truyền nhiệt diễn ra từ vào chất lỏng làm việc. Bên trong những bức tường của
container được lót bằng một cấu trúc xốp, được gọi là cấu trúc mao mạch hoặc
bấc. Mục đích chính của bấc là để tạo áp lực mao mạch để vận chuyển chất lỏng làm
việc từ bình ngưng thiết bị bay hơi. Cuối cùng, chất lỏng làm việc được chứa trong
container bấc cấu trúc. Việc xem xét đầu tiên của việc lựa chọn một chất lỏng làm việc
phù hợp là hoạt động nhiệt độ hơi. Hầu hết các đường ống sử dụng nước và
methanol/rượu như chất lỏng làm việc.
4.2 Nguyên lý làm việc
Một đầu của ống nhiệt gắn liền với nguồn nhiệt. Khi nhiệt độ tăng lên đến nhiệt
độ hoạt động mong muốn và biến nó
thành một hơi.
Khi chất lỏng bay hơi lấp đầy trung
tâm rỗng của bấc, nó lây lan khắp các
đường ống nhiệt hướng tới kết thúc lạnh
khác. Ngưng tụ hơi xảy ra ở bất cứ nơi

nào nhiệt độ thậm chí còn hơi thấp hơn
của khu vực bốc hơi. Khi nó ngưng tụ,

Hình 2. Nguyên lý hoạt động

hơi nhiệt nó có được trong quá trình bay
6


hơi và các chất lỏng làm việc cô đặc sau đó được hút trở lại phần bay hơi dọc theo cấu
trúc bấc. Chu kỳ nhiệt động lực học tiếp tục và giúp duy trì nhiệt độ không đổi.
Gắn một tản nhiệt một phần của ống nhiệt làm cho ngưng tụ diễn ra vào thời
điểm này của sự mất nhiệt và thiết lập một mô hình dòng chảy hơi. Mao dẫn trong bấc
trả về thiết bị bay hơi (nguồn nhiệt) và hoàn thành chu kỳ.
T

P1

B
P2

A

C

D

S

Hình 3. Đồ thị T – s

P1 : Áp suất hơi ở phần sôi
P2 : Áp suất hơi ở phần ngưng
Trong đó:
 AB-Quá trình bốc hơi tại vùng sôi khi môi chất nhận nhiệt ở bên ngoài ở áp suất
P1.
 BC - Quá trình chuyển động của hơi từ phần sôi tới phần ngưng, ở đây do ma
sát áp suất của hơi giảm từ P1 đến P2 ( áp suất hơi trong phần ngưng ).
 CD - Quá trình ngưng tụ hơi tại phần ngưng. Môi chất sẻ toả nhiệt ra bên ngoài
tạo thành chất lỏng ngưng ở áp suất P2.
 DA - Quả trình chất lỏng chuyển động từ phần ngưng theo bề mặt trong của ống
nhiệt về phần sôi nhờ các lực khác nhau. Tại phần sôi chất lỏng sẻ được đốt
nóng lên đến nhiệt độ sôi và quá trình được lặp lại. Như vậy có thể xem môi
chất trong ống nhiệt đã thực hiện một chu trình.

7


5. Bấc
Cấu trúc bấc được sử dụng trong
các ống dẫn nhiệt sản xuất:
 Rãnh
 Dây điện lưới
 Bột kim loại
 Sợi
Chức năng chính của bấc là để tạo
áp lực mao dẫn và định hướng môi chất
phân bố xung quanh khu vực thiết bị

Hình 4: Một số loại bấc

bay hơi. Nếu ống nhiệt để trả lại chất

lỏng trên một khoảng cách chống lại trọng lực lĩnh vực có lớn yêu cầu của bấc. Do có
nhiều hình thức khác nhau của bấc phụ thuộc vào các đường ống nhiệt và đó là vị trí
để có thể đáp ứng được hai chức năng chính. Một số hình thức của bấc được thể hiện
trong hình dưới đây.
Mỗi đường ống cấu trúc nhiệt bấc có ưu điểm và nhược điểm của nó. Không có
ống dẫn nhiệt hoàn hảo bấc. Tham khảo Hình 4 cho một cái nhìn ngắn gọn về thử
nghiệm hiệu năng thực tế của bốn ống dẫn nhiệt. Mỗi ống cấu trúc nhiệt bấc có giới
hạn của riêng mao mạch. Ống nhiệt rãnh có giới hạn thấp nhất mao mạch, nhưng làm
việc tốt nhất trong điều kiện trọng lực hỗ trợ bình ngưng nằm trên thiết bị bay hơi.

8


Hình 5a.

Hình 5b.

Hình 5a, 5b. Kết quả thử ngiệm thực tế của ống nhiệt với Cơ cấu Wick ngang
và dọc (Trọng lực hỗ trợ) định hướng khác nhau.
Tỷ lệ hơi đi từ thiết bị bay hơi ống nhiệt bình ngưng bị chi phối bởi sự khác biệt
trong áp suất hơi nước giữa chúng. Nó cũng bị ảnh hưởng bởi đường kính và chiều dài
của ống nhiệt. Trong ống nhiệt có đường kính lớn, cắt ngang khu vực này sẽ cho phép
cao hơn khối lượng hơi được vận chuyển từ thiết bị bay hơi ống nhiệt bình ngưng hơn
9


trong một ống dẫn nhiệt đường kính nhỏ. Diện tích mặt cắt ngang của một ống nhiệt là

chức năng trực tiếp cho giới hạn âm và ống nhiệt giới hạn.

Hình 6. Hiệu suất của Groove nhiều ống đồng Wick nhiệt nước
Hình 6, So sánh việc vận chuyển nhiệt của ống dẫn nhiệt với đường kính khác
nhau. Ngoài ra, nhiệt độ hoạt động của một ống nhiệt ảnh hưởng đến giới hạn âm.
Chúng ta có thể thấy, trong Hình 6 , các ống dẫn nhiệt vận chuyển nhiệt nhiều hơn ở
nhiệt độ hoạt động cao hơn.
Tỷ lệ ống tản nhiệt chất lỏng làm việc trở lại từ bình ngưng để thiết bị bay hơi bị
chi phối bởi giới hạn mao mạch và là chức năng đối ứng của chiều dài ống nhiệt. Một
ống nhiệt dài hơn vận chuyển ít nhiệt hơn so với các đường ống nhiệt cùng với chiều
dài ngắn hơn. Trong Hình 6, các đơn vị trên trục Y là QmaxLeff (Wm) đại diện cho
lượng nhiệt ống tản nhiệt có thể mang mỗi chiều dài mét. Nếu các đường ống nhiệt là
nửa mét dài, nó có thể mang khoảng hai lần theo công suất là ống nhiệt mét dài.
Vì nó có thể được nhìn thấy, việc lựa chọn một ống nhiệt thích hợp có thể là một
quá trình phức tạp. Đối với bất kỳ sự trợ giúp trong quá trình phần ống nhiệt, bạn có
thể tham khảo ý kiến với một kỹ sư Enertron.
Bảng 1. Đặc tính vật lý của một số cấu trúc bấc
Kiểu

Độ dẫn nhiệt (keff)

Độ

( ∀)

10

xốp Bán kính Tính thẩm thấu (k)
mao dẫn
(rc)

Một líp K1
lưới

1

1/2N

Bấc là 0.85 kw(kl /kw) α sin 0.63
răng
hình
tam giác

0.5

Bấc là
răng
hình chủ
nhật

b/(b+c)

Nhiều
lớp lưới

kinh
nghiệm

t w2

12

1
2N

hoặc
πNd
1−

Mảnh
khồi
hhnh cầu
không
vững
chắc
(d-bán
kính
trung
bình của
mảnh)

4

0.21d
Đơn giản:

Nung kết:

Nung

kết, cấu
tróc sợi
kim loại
(dđường
kính
sợi)

Phụ thuộc
vào kiều
nhồi.
(hhình lập
phương
lấy bằng
0,48)

Theo kinh
nghiêm
được cấp
bởi nhà
sản xuất

[

C1 ( y 2 − 1) /( y 2 + 1)
y =1+

]

C2 d 2∀3
(1 − ∀) 2

C1 = 6 × 1010 m 2
C 2 = 3.3 × 10 3 m 2

6. Các giới hạn làm

việc của ống

nhiệt – giới hạn công

suất nhiệt

Để có thể chọn vật

liệu đúng, điều

quan trọng để hiểu

những giới hạn
11
Hình 7: Giới hạn hoạt động


hoạt động. Hình 7 cho thấy những hạn chế khác nhau để được xem xét. Những giới
hạn này phải được thực hiện trong thiết kế và trong quá trình khởi động. Thông số này
chỉ ưng dụng vào từng ống nhiệt cụ thể và sẽ thay đổi tùy thuộc vào chất lỏng và bấc
trong ống nhiệt.

 Giới hạn độ nhớt
Ở nhiệt độ rất thấp, sự khác biệt áp suất hơi giữa phần sôi và phần ngưng có

thể là rất nhỏ. Lực lượng lỏng có độ nhớt cao sau đó có thể được chi phối và giới hạn
công suất của ống nhiệt. Nhiệt độ thấp trong môi chất có trong lúc khởi động và làm
cho khả năng đạt tới giới hạn độ nhớt tốt nhất,lúc khởi động.
Công thức dưới đây là một tiêu chuẩn về giới hạn độ nhớt, do Dunn và Reay
thiết lập :

 Giới hạn âm thanh
Theo lý thuyết nhiệt đông lực học, tốc độ hơi trong ống nhiệt không thể vượt
quá tốc độ âm thanh, cho nên công suất nhiệt lớn nhất khi tốc độ hơi bằng tốc độ âm
thanh , trong đó dòng nhiệt cung cấp tối đa theo phương trình dưới đây:

12


 Giới hạn lôi cuốn
Dòng lỏng và dòng hơi trong ống nhiệt chảy theo các hướng khác nhau, hơi
nước được ngưng nó sẽ ảnh hưởng đến chất lỏng bên trong bấc. Nếu lực cắt hơi lớn so
với sức căng bề mặt chất lỏng thì có khả năng lôi cuốn của các giọt chất lỏng trong
bình ngưng. Số Weber là tỷ lệ giữa lực lượng hơi quán tính và sức căng bề mặt chất
lỏng, công thức:

Trong đó:
v vân tốc hơi
σ l : là sức căng bề mặt

z: là một kích thước đặc trưng cho bề mặt chất lỏng hơi
Trong một ống nhiệt loại mao dẫn z có liên quan với khoảng cách bấc.Thử
nghiệm đã chứng minh rằng lôi cuốn có thể xảy ra khi số Weber là 1 .
Vận tốc tối đa lôi cuốn:

Lưu lượng nhiệt tối đa

 Giới hạn nhiệt độ sôi
Ở nhiệt độ cao và dòng nhiệt hình thành các mầm sôi trong bấc của thiết bị
bay hơi. Sau đó hơi có thể ngăn chặn các chất lỏng được cung cấp cho tất cả các bộ

13


phận của thiết bị bay hơi. Đó là mong muốn làm giảm việc tạo ra “mầm sôi”. Môi chất
ở cấp độ hơi quá nhiệt sẽ tạo ra mầm được cho bởi công thức:

Trong đó:
- δ là độ dày lớp nhiệt và được thực hiện như là một giá trị đại diện của 25μm để
so sánh môi chất. Đó là mong muốn có một môi chất với giá trị quá nhiệt cao.
- ∆T , khái niệm này xuất phát từ phân tích của Hsu.
 Giới hạn mao dẫn

Chỉ số c, l, v, g đề cập đến mao dẫn, chất lỏng, hơi nước và lực hấp dẫn. Nếu
không thỏa điều kiện này, bấc sẽ khô trong vùng thiết bị bay hơi và ống nhiệt sẽ không
hoạt động.
Một công thức cho tốc độ dòng chảy tối đa có thể có được nếu nó được giả định
rằng
- Tính chất của chất lỏng không thay đổi theo chiều dài ống.
- Bấc đều nhau dọc theo đường ống.

- Áp suất dòng hơi có thể được bỏ qua.

Dòng nhiệt tối đa cho phép:

14


M =

ρ lσ l L
µl

Thông số chỉ phụ thuộc vào các tính chất của chất lỏng làm việc và được gọi là
chỉ số Merit.
Giới hạn mao dẫn là giới hạn trên của dòng nhiệt cho một phần lớn của vùng
nhiệt độ. Chỉ số Merit có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất của các đường ống
nhiệt phụ thuộc vào môi chất.
7. Vỏ ống nhiệt
Vỏ liên kết là nhiệt bên trong của ống nhiệt với môi trường bên ngoài. Nhiệt để
có thể chuyển qua vỏ và từ môi chất trong thiết bị bay hơi và bình ngưng. Đồng thời
nó là mong muốn không có truyền nhiệt ở khu vực đoạn nhiệt và duy trì chênh lệch áp
suất qua thành ống nhiệt. Lựa chọn vỏ ống nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:
 Khả năng tương thích (cả hai đều chất lỏng làm việc và môi trường bên
ngoài).
 Tỷ lệ chiều dài và khối lượng.
 Độ dẫn nhiệt.
 Dễ chế tạo, tính hàn và độ dẻo.
8. Môi chất ống nhiệt
8.1 Giới thiệu
Môi chất nạp (chất lỏng vào ống) của ống nhiệt được lựa chọn trên cơ sở nhiệt độ
làm việc của ống nhiệt, tính phù hợp của môi chất nạp đối với vật liệu làm ống, tính
chất nhiệt vật lý và hoá học của môi chất nạp vv…
Một số yêu cầu lựa chọn môi chất ống nhiệt:
 Khả năng tương thích với bấc và vỏ ống.

 Phải ổn định nhiệt tốt.

15


 Phụ thuộc vào tính thấm ướt của bấc và vỏ ống.
 Áp suất hơi không quá cao hoặc quá thấp trong khoảng nhiệt độ của môi
chất.
 Nhiệt hóa hơi cao.
 Hệ số dẫn nhiệt cao.
 Độ nhớt thấp.
 Sức căng bề mặt cao.
 Chịu được môi trường đông lạnh hoặc nóng chảy.
Bảng 2: Môi chất
Môi chất

Nhiệt độ nóng chảy
(°C)

Nhiệt độ sôi
(°C)

Khoảng nhiệt độ
(°C)

Helium

-271

-261

-271 to -269

Nitrogen

-210

-196

-203 to -160

Ammonia

-78

-33

-60 to 100

Pentane

-130

28

-20 t0 120

Acetone

-95

57

0 to 120

Methanol

-98

64

10 to 130

Flutec
PP2

-50

76

10 to 160

Ethanol

-112

78

0 to 130

Heptane

-90

98

0 to 150

0

100

30 to 200

Toluene

-95

110

50 to 200

Fluctec
PP9

-70

160

0 to 225

Thermex

12

257

150 to 350

Water

16


Thủy
Ngân

-39

361

250 to 650

Caesium

29

670

450 to 900

Potassium

62

774

500 to 1000

Sodium

98

892

600 to 1200

Lithium

179

1340

1000 to 1800

Silver

960

2212

1800 to 2300

8.2. Nhiệt độ làm việc của ống nhiệt
Đ/N: Nhiệt độ làm việc của ống nhiệt là nhiệt trung bình của môi chất bên trong
của ống nhiệt th và có thể coi là nhiệt độ trung bình giửa nhiệt độ bề mặt trong phần sôi
tis và phần ngưng tin.
th = 1/2 ( tis + tin ) ≈ 1/2 ( tes + ten )

(4 – 1)

th: Nhiệt làm việc của ống nhiệt ,[ 0C ].
tis , tin:Nhiệt tại bề mặt bên trong tương ứng với phần sôi và phần ngưng,[ 0C ]
tes , ten: Nhiệt trung bình tại bề mặt bên ngoài tương ứng với phần sôi và phần
ngưng [ 0C ].
Tuỳ theo nhiệt độ làm việc của ống nhiệt mà môi chất nạp là những môi chất sau:
- Trong khoảng nhiệt độ thấp là các môi chất lạnh như: R12, R22, R111, NH3.
- Trong khoảng nhiệt độ vừa là nước, rượu v.v…
- Trong khoảng nhiệt độ cao là kim loại lỏng như: Hg, Na, K,…
Bảng 2, chỉ ra các môi chất nạp được sữ dụng trong ống nhiệt và khoảng nhiệt độ
của nó.
Cũng cần phải lưu ý đến khía cạnh chịu nhiệt của môi chất nạp, đó là khả năng bị
phân huỷ bởi môi chất nạp dưới 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 thành các thành phần khác.
17


Như vậy độ bền về nhiệt của môi chất nạp trong khoảng nhiệt độ làm việc cũng
được coi là tính chất cần thiết.

Qua nghiên cứu ta thấy môi chất tốt nhất cho nạp vào ống nhiệt phụ thuộc vào
khoảng nhiệt độ làm việc th như sau:
Bảng 3. Môi chất nạp của ống nhiệt và nhiệt độ làm việc
Khoảng nhiệt độ làm việc

Môi chất nạp phù hợp

Ống nhiệt nhiệt độ rất thấp ( <= 200oK )

He, Ni

Ống nhiệt độ thấp ( 200oK – 350oK )

R11, NH3

Ống nhiệt độ trung bình ( 350oK – 550oK )

H2O, h/c hữu cơ

Ống nhiệt độ cao

Các KL

+ Từ ( 550oK – 900oK )

Hg, S

+ Từ ( 900oK – 1300oK )

Na, K

+ Từ ( 1300oK – 1700oK )

Li, Ti, Bi

Tính chịu nhiệt của môi chất nạp: Tức khả năng của môi chất không bị phá huỷ bởi
nhiệt độ làm việc trong ống nhiệt.
8.3 Tính phù hợp
Ngoài tính chất nhiệt ta còn phải chú ý đến tác dụng tương hổ 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 đã tạo điều kiện
cho môi chất nạp tác dụng với vách ống: Một mặt làm hỏng vách ống, mặt khác tạo ra
khí không ngưng tụ tại phần ngưng của ống, làm giảm khả năng truyền nhiệt.
Định nghĩa: Tính phù hợp là khả năng môi chất nạp không tương tác với vật
liệu làm ống nhiệt gọi là tính phù hợp của môi chất nạp. Quan hệ giữa môi chất và vật
liệu làm ống được cho ở bảng sau:
Bảng 4. Tính phù hợp của môi chất nhiệt
Môi chất

Vật liệu làm ống
Cu

Al

Thép không Thép Ni+Cr
18


rỉ
Nước

Tốt

Không

Được

Được

Amôniăc

Không

Tốt

Tốt

Tốt

Axêtôn

Tốt

Tốt

Tốt

Được

Mêthanol

Tốt

Được

Được

Được

Ethanol

Tốt

--

Được

Được

Frêôn 11

Tốt

Tốt

--

Tốt

Frêôn 113

Tốt

Tốt

Tốt

--

Frêôn 502

Tốt

Tốt

Tốt

--

Trong bảng này:
- Tốt

:

Phù hợp

- Được

:

Tương đối phù hợp

- Không được : Không phù hợp
- “ -- “

: chưa xác định

9. Phân loại
Có nhiều cách phân loại ống nhiệt
9.1 Phân loại theo lực tác dụng:
Ống nhiệt trọng trường (xi phông nhiệt): sử dụng trọng lực làm lực tác dụng
đưa chất lỏng ngưng về phần sôi nên phần sôi thường đặt thấp hơn phần ngưng.

19


Hình 8 .Ống nhiệt trọng trường

Ống nhiệt li tâm: chất lỏng ở phần ngưng trở lại phần bốc hơi nhờ vào lực ly
tâm sinh ra khi ống quay với tốc độ nào đó.
Ống nhiệt mao dẫn: sử dụng lực mao dẫn để đưa chất lỏng ngưng về phần sôi,
ở đây lực mao dẫn thường được sử dụng khi phần sôi cao hơn phần ngưng. Để tạo ra
lực mao dẫn thì trong các ống nhiệt có thể làm các rãnh bên trong ống nhiệt, đặt các
tấm lưới kim loại hoặc bột kim lại sát bề mặt ống (bấc), có thể kết hợp cả 2 vừa làm
rãnh vừa đặt lưới kim loại.
Phân loại ống nhiệt mao dẫn theo bấc :
 Chia theo vật liệu
Vật liệu đồng nhất: chỉ làm từ 1 loại vật liệu hoặc hoặc kĩ thuật gia công,
thiết kế, sản xuất và lắp đặt đơn giản.
Vật liệu hỗn hợp: tạo thành từ sự kết hợp của 1 vài loại hoặc các loại vật liệu

xốp hoặc những hình dạng khác nhau. Các bơm mao dẫn và các trục dẫn chất lỏng
hoạt động độc lập. giới hạn mao dẫn cao hơn bấc đòng nhất nhưng chi phí cao hơn.

20


Hình 9. Cấu trúc một số loại bấc

 Chi

a theo cấu

tạo
Cấu

các bấc
trúc
rãnh

trục

Bột kim loại

21


Dạng lưới

9.2 Phân loại theo hình dạng ống
Ống nhiệt hình trụ, ống nhiệt hình hộp và ống nhiệt dạng phức tạp

9.3 Phân loại theo môi chất nạp
Ống nhiệt 1 thành phần (chỉ gồm 1 môi chất như nước, ammoniac, kim loại
lỏng….) ống nhiệt nhiều thành phần (nhiều chất lỏng hòa trộn vào nhau)
9.4 Phân loại theo công dụng của ống nhiệt:
- Ống nhiệt truyền tải từ vùng có nhiệt độ cao sang nhiệt độ thấp (ống nhiệt tải
nhiệt).
- Ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ: ống nhiệt sử dụng để giử cho nhiệt độ của môi
-

chất có nhiệt độ thấp hơn không đổi khi lượng nhiệt cấp cho ống nhiệt thay đổi.
Ống nhiệt chỉ truyền theo 1 chiều ( diot-nhiệt).
Ống nhiệt dùn làm công tắc nhiệt

9.5 Phân loại theo nhiệt độ sử dung
-

Ống nhiệt nhiệt độ rất thấp: nhiệt độ làm việc < 200K.

-

Ống nhiệt nhiệt độ thấp; nhiệt độ làm viêc từ 200 đến 500k.

-

Ống nhiệt nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm viêc từ 500 đến 750k.

-

Ống nhiệt nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc trên 750k.

22


10. Ưu điểm và Nhược điểm
10.1 Ưu điểm
-

Ống dẫn nhiệt có độ dẫn nhiệt cao cực kỳ hiệu quả. Trong khi các dây dẫn vững
chắc như nhôm, than chì, đồng và kim cương có độ dẫn nhiệt khác nhau, từ 250
W / m • K đến 1.500 W / m • K, nhiệt đường ống có độ dẫn nhiệt hiệu quả dao
động trong khoảng từ 5.000 W / m • K đến 200.000 W / m • K.

-

Nhiệt độ bề mặt ngoài của phần ngưng của ống khá đồng đều và ít thay đồi.

-

Vật truyền nhiệt hầu như không cần độ chênh lache nhiệt độ hay là vật siêu dẫn,
có độ dẫn nhiệt lớn hơn gần 100 lần so với dung thanh kim loại tải nhiệt => hệ
số tỏa nhiệt lớn.

-

Nhiệt từ phần sôi chuyển tới phần ngưng nhơ hơi mang đi và lỏng ngưng quay
về một cách tự nhiên mà không cần tới bơm quạt => độ tin ậy của ống nhiệt cao
và không gây ồn.

-

Khi chọn môi chất nạp tích hợp, ống nhiệt có thể hoạt động an toàn lâu dài
trong dỉa nhiệt độ rộng từ 800 C đền 25000 C.

-

Có khả năng tải nhiệt đi rất xa so với các thiết bị khác.

-

Nhiệt từ mộ nguồn nóng có thể truyên tải đến nhiểu chỏ lấy nhiệt ở những
khoàng cách khác nhau => thiết bị gọn nhẹ nhất khi ống được làm cánh tại bề
mặt ngoài.

-

Không lây nhiễm chéo giữa dòng không khí.

-

Các ống nhiệt riêng biệt có thể được kết hợp để tạo ra cụm ống. Trong quà trình
làm việc, nếu có bị hư hỏng thì thuận lợi cho việc sữa chữa.

-

Trao đổi nhiệt thụ động không có bộ phận chuyển động.

10.2 Nhược điểm
-

Việc sử dụng của ống nhiệt.

-

Thêm chi phí đầu tiên và quạt điện để khắc phục tính kháng của nó.
23


-

Đòi hỏi rằng hai dòng không khí được tiếp giáp với nhau.

-

Yêu cầu các dòng không khí phải tương đối sạch sẽ và có thể yêu cầu lọc.

11. Ứng dụng
Nhiệt đường ống đã được, và hiện đang được nghiên cứu cho một loạt các ứng
dụng:Toàn bộ quang phổ của nhiệt độ gặp phải trong quá trình truyền nhiệt.Ống dẫn
nhiệt được sử dụng trong một loạt các sản phẩm như điều hòa nhiệt độ, tủ lạnh, trao
đổi nhiệt, bóng bán dẫn, tụ điện, ống nhiệt cũng được sử dụng trong máy tính xách tay
để giảm nhiệt độ làm việc cho hiệu quả tốt hơn.Trong lĩnh vực chất làm lạnh là rất
quan trọng, đặc biệt là trong việc phát triển công nghệ vũ trụ. Bây giờ chúng ta sẽ thảo
luận một tài khoản ngắn gọn về các ứng dụng khác nhau của công nghệ ống nhiệt.
 Công nghệ vũ trụ: có rất nhiều ứng dụng của ống dẫn nhiệt trong lĩnh vực này
như:
-

Điều hòa nhiệt độ thân tàu vũ trụ.

-

Thành phần làm mát, kiểm soát nhiệt độ và thiết kế tản nhiệt cho các vệ tinh.

-

Các ứng dụng khác bao gồm làm mát điều hành viên, loại bỏ nhiệt từ lò phản
ứng ở nhiệt độ emitter và loại bỏ các phiền hà gradient nhiệt theo emitter và thu
trong tàu vũ trụ.

-

Được sử dụng trong các bộ thu năng lượng mặt trời nhằm nâng cao độ tin cậy
và giảm chi phí cho việc bơm nước so với bộ thu cũ.

 Ngành công nghiệp trao đổi nhiệt điện: sử dụng bộ trao đổi nhiệt ốngdẫnnhiệt
như máy sưởi không khí vào lò hơi:
- Ống nhiệt trọng trường thường
được sử dụng để chế tạo calorife
cho thiết bị sấy.

24


- Các ống nhiệt trọng trường có cánh đả được ứng dụng có hiệu quả đẻ tận nhiệt
thải từ các nhà máy nhất lá trong công nghệ hóa chất.
- Hút ẩm và điều hòa nhiệt độ: Trong một hệ thống điều hòa không khí, lạnh
hơn không khí khi nó đi qua các cuộn dây làm mát (thiết bị bay hơi), độ ẩm
được ngưng tụ. Ống nhiệt được thiết kế để có một phần trong dòng đến ấm áp
và khác trong dòng đi lạnh. Bằng cách chuyển nhiệt từ không khí trở lại ấm áp
không khí cung cấp lạnh, ống dẫn nhiệt tạo hiệu ứng đôi không khí làm mát

trước khi nó đi vào thiết bị bay hơi và sau đó lại làm nó nóng lên ngay lập tức.
Kích hoạt bởi sự khác biệt nhiệt độ và do đó không có năng lượng tiêu thụ,
ống nhiệt, do hiệu ứng làm mát của nó, cho phép dàn bay hơi để hoạt động ở
nhiệt độ thấp hơn, tăng khả năng loại bỏ độ ẩm của hệ thống điều hòa không khí
50-100%. Với độ ẩm tương đối thấp, tiện nghi trong nhà có thể đạt được ở các
cài đặt điều chỉnh nhiệt cao hơn, mà kết quả trong tiết kiệm năng lượng.

 Trong công nghiệp Điện- Điện tử
Ống nhiệt mao dẫn hình hợp được ứng dụng có hiệu quả để làm mát các linh
kiện diện tử có công suất lớn:Nhiệt từ các linh kiện điện tử truyền cho môi trường ống
nhiệt và tỏa ra ngoài qua các cánh tỏa nhiệt gắn ở phần duôi của ống nhiệt
- Máy tính xách tay làm lạnh
Nhiệt đường ống công nghệ ban đầu được
sử dụng cho các ứng dụng không gian đã
được áp dụng để làm mát máy tính xách
tay. Đó là một lý tưởng, giải pháp hiệu quả
chi phí. Trọng lượng ánh sáng của nó
(thường ít hơn 40 gram), hồ sơ nhỏ nhỏ gọn,

25