Nghiên cứu sử dụng ống nhiệt trong bộ thu năng lượng mặt trờI đun nước

Vũ văn minh

bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học
công nghệ nhiệt lạnh

ngành : công nghệ nhiệt lạnh

nghiên cứu sử dụng ống nhiệt trong bộ
thu năng lượng mặt trời Để đun nước nóng

Vũ Văn minh

2006 - 2008
Hà Nội
2008
Hà Nội 2008


bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

nghiên cứu sử dụng ống nhiệt trong bộ
thu năng lượng mặt trời Để đun nước nóng
ngành : công nghệ nhiệt lạnh

mà số:23.04.3898
Vũ văn minh

Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS. bùi hải

Hà Nội 2008


Luận văn cao học

LI CM N
Trc ht tụi xin chõn thành cảm ơn sâu xắc nhất tới thầy giáo hướng
dẫn PGS.TS. Bùi Hải, người đã trực tiếp giành nhiều thời gian tận tình
hướng dẫn, đã trực tiếp giám sát quá trình lắp đặt thiết bị cũng như khi thí
nghiệm, cung cấp những thơng tin q báu giúp đỡ tơi hồn thành luận văn
này.
Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới các thầy giáo trong Viện
khoa học và Công nghệ Nhiệt lạnh- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ
trợ về mặt thiết bị, thời gian khi tôi thực hiện bản luận văn này.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lịng biết ơn tới gia đình cùng bạn bè, đồng
nghiệp đã giúp đỡ tơi hồn thiện bản luận văn này.
Hà nội, ngày 29 tháng 9 năm 2008
Vũ Văn Minh

Vò Văn Minh

Công nghệ Nhiệt lạnh 2006-2008

Luận văn cao học

LI CAM OAN
Lun vn thc s ny do tôi nghiên cứu và thực hiện với sự hướng dẫn
của PGS.TS. Bùi Hải. Để hoàn thiện bản luận văn này, ngoài các tài liệu đã
liệu tham khảo được kê, tơi cam đoan khơng sao chép các cơng trình hoặc
luận văn tốt nghiệp của người khác.
Hà nội, ngày 29 tháng 9 nm 2008
Ngi cam oan

V Vn Minh

Vũ Văn Minh

Công nghệ NhiƯt l¹nh 2006-2008


MỞ ĐẦU…………………………………………………………………….. …………… 1
CHƯƠNG 1……………………………………………………………………………….

1

TỔNG QUAN VỀ ỐNG NHIỆT…………………………………………….

2

1.1. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ỐNG NHIỆT…………………...

2

.1.1. CẤU TẠO CỦA ỐNG NHIỆT…………………………………………

2

1.1.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG NHIỆT………………..………….

4

1.2. PHÂN LOẠI ỐNG NHIỆT………………..………….

6

1.2.1. THEO LỰC TÁC DỤNG ĐỂ ĐƯA CHẤT LỎNG NGƯNG QUAY TRỞ VỀ
PHẤN SÔI………………………………………………………………………………...

6

1.2.2. THEO PHẠM VI NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG……………………………………...

9

1.2.2. THEO MÔI CHẤT NẠP………………….……………………………………... 9
CHƯƠNG 2……………………………………………………………………………….

ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG CÓ BỀ MẶT NHẴN BÊN TRONG…… 18
2.1. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG NHIỆT TRỌNG
18
TRƯỜNG………………………………………………………………………………….
2.1.1. CẤU TẠO………………….. ……………………..………………..………….

18

2.1.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ……………….………..………………..………

19

2.1.3. CHON MƠI CHẤT NẠP CHO ỐNG NHIỆT..………..………………..………

20

2.2. TÍNH TỐN ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG CÓ BÈ MẶT NHẴN BÊN
TRONG………………...………………………………………………………………….

25

2.2.1. TRỞ KHÁNG THỦY LỰC……………..……………………………………….

25

2.2.2. CÔNG SUẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT.…………………………………….

25

2.2.3. ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG NẠP MƠI CHẤT VÀ GĨC NGHIÊNG TỚI
CƠNG SUẤT NHIỆT TRONG QI CỦA ỐNG NHIỆT.………………………………….

36

2.2.4. CÁC LOẠI GIỚI HẠN CÔNG SUẤT NHIỆT CỦA ỐNG NHIỆT TRỌNG
TRƯỜNG……………………………………………..………………………………….

37

2.2.5. CHỌN CHIỀU DÀI PHẦN SÔI VÀ PHẦN NGƯNG CỦA ỐNG NHIỆT
TRỌNG TRƯỜNG..…………………………………..………………………………….

41

CHƯƠNG 3………………………………………………………………….
BỨC XẠ MẶT TRỜI……….………………………………………………

43

3.1. TỔNG QUAN BỨC XẠ MẶT TRỜI………………………………….

43

3.1.1. MẶT TRỜI………………………………………………………… 43
3.1.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ BỨC XẠ……………………………… 45
3.2. BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI(COLLECTOR).………………

58

3.2.1. BỘ THU DẠNG TẤM PHẲNG…………………...………………

58

3.2.2. BỘ THU DẠNG TẬP TRUNG.…………………...………………

69

3.2.3. BỘ THU DẠNG TẤM HÚT CHÂN KHÔNG….....……………… 73
3.2.4. BỘ THU KIỂU ỐNG NHIỆT……………………...………………

76

3.3. TÍNH TỐN NHIỆT BỨC XẠ………………………………………… 78
3.3.1. NHIỆT BỨC XẠ MẶT TRỜI TỚI BÈ MẶT NGHIÊNG………… 78
3.3.2. BỨC XẠ MẶT TRỜI XUN QUA KÍNH VÀO KHƠNG KHÍ
BÊN TRONG………………………………………………………..………

85

3.3.3. BỨC XẠ MẶT TRỜI BÊN TRONG NHẬN ĐƯỢC TỪ BỀ MẶT
HẤP THỤ CỦA BỘ HẤP THỤ (COLLECTOR).………………………….. 86
CHƯƠNG 4………………………………………………………………….
TÍNH TỐN BỘ THU ỐNG NHIỆT CHÂN KHƠNG ……………………

87


4.1. CẤU TẠO BỘ THU……………………………………………………

87

4.2. NHIỆT CĨ ÍCH CẤP CHO CÁC ỐNG NHIỆT Q CỦA BỘ THU….… 88
4.3. HIỆU SUẤT NHIỆT CỦA BỘ THU NĂNG LƯỢNG ỐNG NHIỆT
CHÂN KHÔNG……………………………………………………….….…

93

4.4. XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT NHIỆT CỦA MỘT ỐNG Q1……………… 93
4.5. XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT HẤP THỤ BỨC XẠ..……………

100

CHƯƠNG 5…………………………………………………………………. 101
THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ỐNG
NHIỆT CHÂN KHÔNG ……………………………………………………
5.1. THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ THU ỐNG NHIỆT CHÂN KHÔNG……… 101
5.1.1. CÁC BỘ PHẬN CỦA BỘ THU…………………………………...

101

5.1.2. THÙNG CHỨA NƯỚC……….………………………………...

102

5.1.3. ỐNG NHIỆT…………….……….………………………………...

102

5.1.4. GIÁ ĐỠ………………….……….………………………………...

104

5.1.5. TẤM PHẢN XẠ...……….……….………………………………...

104

5.2. THÍ NGHIỆM BỘ THU ỐNG NHIỆT CHÂN KHƠNG………………

105

5.2.1. ĐO NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT NGỒI ỐNG NHIỆT VÀ NHIỆT ĐỘ
KHƠNG KHÍ NGỒI TRỜI......................……………….………………

105

5.2.2. ĐO NHIỆT ĐỘ CỦA NƯỚC TRONG THÙNG.….……………… 106
5.3. XÁC ĐỊNH HIỆU SUẤT CỦA BỘ THU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 107
ỐNG NHIỆT CHÂN KHÔNG……………………………………….
KẾT LUẬN

110


TÓM TẮT LUẬN VĂN

112


Luận văn cao học

1

M U
ng nhit l mt phn t truyền nhiệt mới có nhiều tính năng tốt hơn so

với các phần tử truyền nhiệt cũ. Bởi vậy ngày nay ống nhiệt ngay càng được các
nhà khoa học của nhiều nước trên thế giới tiến hành nghiên cứu và triển khai ứng
dụng. Một trong những lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của ống nhiệt là sử
dụng trong bộ thu năng lượng mặt trời.
Ở Việt Nam ta nguồn năng lượng mặt trời khá nhiều chúng ta đã và đang
nghiên cứu tận dụng nguồn năng lượng mặt trời này cho qúa trình sấy, cho máy
lạnh hấp thụ và cho bộ cấp nước nóng mặt trời của các gia đình. Với mục đích
nâng cao hiệu quả và hiệu suất bộ thu năng lượng mặt trời, em đã tiến hành
nghiên cứu sử dụng ống nhiệt chân không cho bộ thu với đề tài “ Nghiên cứu sử
dụng ống nhiệt chân không cho bộ thu năng lượng mặt trời” . Phương pháp
nghiên cứu em chọn là kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Mục tiêu trước mắt là
nghiên cứu chế tạo bộ thu năng lượng mặt trời dùng ống nhiệt chân khơng cho
bình nước nóng mặt trời của các hộ gia đình, sau đó sẽ triển khai nghiên cứu
dùng bộ thu ống nhiệt chân khơng này cấp khơng khí nóng cho thiết bị sấy, cp
nhit cho mỏy lnh hp th.

Vũ Văn Minh

Công nghệ Nhiệt l¹nh 2006-2008


2

Luận văn cao học

CHNG 1
TNG QUAN V NG NHIT
ng nhit được sáng chế từ rất lâu tuy nhiên việc nghiên cứu ứng dụng nó
mới chỉ phát triển mạnh trong vài thập kỷ gần đây. Nguyên tắc của quá trình
truyền nhiệt cơ bản giống nhau ở các loại ống nhiệt nhưng công suất nhiệt phụ

thuộc vào cấu tạo của ống nhiệt và điều kiện làm việc của nó. Bằng cách thay
cấu trúc của ống, lượng và loại môi chất nạp trong ống các nhà khoa học chế tạo
ra các loại ống nhiệt khác nhau có khả năng ứng dụng hiệu quả trong công
nghiệp và cuộc sống.
1.1. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ỐNG NHIỆT
1.1.1 CẤU TẠO CỦA ỐNG NHIỆT

Ống nhiệt là một ống thường làm bằng kim loại hàn kín hai đầu trong đó
có chứa một lượng mơi chất lỏng xác định (Hình 1.1). Tuỳ theo từng loại ống mà
phía trong ống có thể trơn, xẻ rãnh hoặc gắn lưới mao dẫn, phía ngồi cũng có
thể trơn hoặc làm cỏnh tn nhit.

Hỡnh 1.1.ng nhit

Vũ Văn Minh

Công nghệ Nhiệt lạnh 2006-2008


3

Luận văn cao học

ng nhit c chia lm 3 phn:
Phn sơi, phần đoạn nhiệt và phần ngưng (Hình 1.2)
Phần sơi: Phần này được đốt nóng bằng các nguồn nhiệt khác nhau, môi
chất lỏng trong ống nhận nhiệt sẽ sôi và hơi bão hoà được tạo thành.
Phần đoạn nhiệt: Hơi bão hồ từ phần sơi sẽ chuyển động qua phần đoạn
nhiệt lên phần ngưng. Sở dĩ gọi là phần đoạn nhiệt vì ở phần này khơng thực
hiện q trình trao đổi nhiệt nghĩa là ống được bọc cách nhiệt bên ngoài ở phần

này . Phần này có thể có hoặc khơng có .
Phần ngưng : Hơi bão hịa lên tới phần ngưng nhả nhiệt cho mơi chất làm
mát ở bên ngồi ống và ngưng lại . Nước ngưng sẽ quay về phần sôi nhờ lực
trọng trường , lực mao dẫn hay lực ly tâm,…
Bề mặt bên trong ống nhiệt có thể nhẵn, được xẻ rãnh hoặc có cấu trúc
bấc. Hơi mơi chất di chuyển bên trong lòng ống, chất lỏng ngưng di chuyển về
phần sôi ở bề mặt trong của ống. Cánh có thể được gắn vào bên ngồi phần sơi
và phần ngưng tụ để tăng diện tích bề mặt và tăng cường quá trình truyền nhiệt,
tùy thuộc vào từng ứng dng.
Tỏa nhiệt

Dòng môi chất

Dòng hơi
Vách ống

Tỏa nhiệt
Phần ngưng

Phần đoạn nhiệt

Phần
thu nhiƯt

thu nhiƯt

Hình 1 .2 . Sơ đồ cấu tạo của ng nhit

Vũ Văn Minh

Công nghệ Nhiệt lạnh 2006-2008


Luận văn cao học

4

1.1.2. NGUYấN Lí HOT NG CA ễNG NHIỆT

Chất lỏng trong ống nhận nhiệt của nguồn nóng (ví dụ khói lị, năng lượng
bức xạ mặt trời,...) trong phần sôi sẽ sôi và biến thành hơi, hơi chuyển động qua
phần đoạn nhiệt tới phần ngưng. Tại đây hơi toả nhiệt cho nguồn làm mát qua
vách ống (ví dụ khơng khí, nước,...). Chất lỏng ngưng tạo thành sẽ chảy về phần
sôi nhờ một trong những lực sau đây: lực trọng trường, lực mao dẫn, lực ly tâm,
lực điện trường, lực từ trường ...
Áp suất và nhiệt độ làm việc bên trong ống nhiệt chính là áp suất và nhiệt
độ hơi của chất lỏng nạp bên trong ống nhiệt.
Các quá trình làm việc của ống nhiệt được biểu diễn trên đồ thị T-s (Hình
l.3), trong đó:
AB - q trình sơi xảy ra trong phần sôi ở áp suất P1 .
BC - q trình chuyển động của hơi từ phần sơi tới phần ngưng, ở đây do ma sát,

áp suất của hơi giảm từ Pl đến P2 (P2 - áp suất hơi trong phần ngưng). Tuy nhiên
thông thường sự giảm áp này là rất nhỏ.
CD - quá trình ngưng tụ hơi tạo thành chất lỏng ngưng ở áp suất P2 .
DA - quá trình chuyển động của chất lỏng ngưng theo bề mặt trong của ống nhiệt,

từ phần ngưng qua phần đoạn nhiệt về phần sôi nhờ lực trọng trường, lực mao
dẫn,... và quá trình được lặp lại (trong quá trình này áp suất của chất lỏng tăng
lên do lực trọng trường…để thắng sức cản ma sát giữa chất lỏng và bề mặt trong

của ống). Như vậy môi chất trong ống nhiệt ó thc hin mt chu trỡnh hay mt

Vũ Văn Minh

Công nghƯ NhiƯt l¹nh 2006-2008


5

Luận văn cao học

vũng tun hon kớn m khụng cn tới ngoại lực do bơm hay do quạt tạo ra như ở
các phần tử trao đổi nhiệt khác.
T

A

B

P1
P2

D

C
S

Hình 1.3. Quá trình hoạt động của ống nhiệt trên biển đồ T-s
Pl

- áp suất hơi ở phần sôi

P2

- áp suất hơi ở phn ngng

Vũ Văn Minh

Công nghệ Nhiệt lạnh 2006-2008


6

Luận văn cao học

1.2. PHN LOI NG NHIT
Cú th phõn loại ống nhiệt theo nhiều cách: Theo lực tác dụng lên chất
lỏng, theo nhiệt độ hơi, theo mục đích sử dụng, theo hình dạng ống…
1.2.1. THEO LỰC TÁC DỤNG ĐỂ ĐƯA CHẤT LỎNG NGƯNG QUAY TRỞ
VỀ PHẦN SÔI.
1,Ống nhiệt trọng trường (Gravitational heat pipe – Thermosyphons)

Hình 1.4. Ống nhiệt trọng trường
Với ống nhiệt trọng trường(Hình 1-4), chất lỏng ngưng được đưa về phần
sôi nhờ lực trọng trường. Loại ống nhiệt này khi hoạt động yêu cầu phần sôi bao
giờ cũng phải đặt thấp hơn phần ngưng.
Bề mặt trong của ống nhiệt có thể nhẵn gọi là ống nhiệt trơn hoặc làm
rãnh (các rãnh này có kích thước tương đối lớn) gọi là ống nhiệt có rãnh hoặc có
đặt một bộ tách dòng (hơi và chất lỏng) gọi là ống nhiệt tách dịng . Mục đích
của việc làm rãnh cũng như đặt bộ tách dòng nhằm tăng cường khả năng truyền

tải nhiệt từ vùng sôi đến vùng ngưng tụ, đặc biệt nhằm tăng công suất tới hạn của
ống nhiệt trọng trường (công suất nhiệt lớn nhất). Ta nhận thấy ống nhiệt trng

Vũ Văn Minh

Công nghệ Nhiệt lạnh 2006-2008


Luận văn cao học

7

trng cú b mt nhn bờn trong là loại có cấu tạo đơn giản và dễ chế tạo nhất
bởi vậy có nhiều khả năng ứng dụng cho những trường hợp thông thường.
2)Ống nhiệt mao dẫn ( Capillary heat pipe )

Hình 1.5. Ống nhiệt mao dẫn
Trong ống nhiệt mao dẫn (Hình l.5), lực tác dụng để đưa chất lỏng ngưng
về phần sôi là lực mao dẫn. ống nhiệt mao dẫn có thể được đặt ngược hướng
trọng trường nghĩa là phần sôi nằm cao hơn phần ngưng. Chúng ta nhận thấy ống
nhiệt mao dẫn có cấu tạo phức tạp hơn ống nhiệt trọng trường, tuy nhiên có
những tính năng tốt hơn nhất là ống có thể làm việc ở vị trí đặt nằm ngang hoặc
phần sơi (đốt nóng) cao hơn phần ngưng (tỏa nhiệt) tức ngược hướng trọng
trường.
3)Ống nhiệt ly tâm (Rotating heat pipe)
Ống nhiệt ly tâm được ứng dụng thành công trong việc làm mát các động
cơ cơ điện. Phương pháp cổ điển là dùng khơng khí thổi vo stato ng c ( thit

Vũ Văn Minh

Công nghệ Nhiệt l¹nh 2006-2008


8

Luận văn cao học

b d b bi bn v khú lấy nhiệt từ rôto). Khi sử dụng ống nhiệt, trục động cơ
trên có rơto sẽ là trục rỗng bên trong là ống nhiệt chứa nước, nước sẽ lấy nhiệt từ
rôto và stato truyền ra ngoài qua các cánh tản nhiệt được nhiều hơn và động cơ
không bị bụi bẩn.
Trong các ống nhiệt ly tâm, chất lỏng ở phần ngưng trở về phần sôi nhờ
tác dụng của lực li tâm sinh ra khi ống quay với một tốc độ nào đó (Hình 1.7).

Hình1 .7. Ống nhiệt ly tâm làm mát động cơ điện
1 - Thân động cơ

2- Stato

3 - Rôto

4- Trục và ống nhiệt

4) Ống nhiệt điện trường(Electrohydrodynamic heat pipe)
Lực đưa chất lỏng ngưng trở về phần sôi là lực điện trường.
5) Ống nhiệt từ trường(Magnetohydrodynamic heat pip )
Lực đưa chất lng v phn sụi l lc t trng.

Vũ Văn Minh

Công nghƯ NhiƯt l¹nh 2006-2008


Luận văn cao học

9

6) ng nhit thm thu (Osmotic heat pipe)
Lực đưa chất lỏng ngưng về vùng sôi là lực thẩm thấu.
1.2.2.THEO PHẠM VI NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG

Phạm vi nhiệt độ thường sử dụng của ống nhiệt tương đối rộng từ -800C
đến trên 25000C, Có thể chia phạm vi nhiệt độ sử dụng theo các mức độ thấp,
trung bình và cao.
• Ống nhiệt nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc từ -800C đến 500C .
• Ống nhiệt nhiệt độ vừa phải: nhiệt độ làm việc từ 500C đến 2800C.
• Ống nhiệt nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 2800C đến 4800C.
• Ống nhiệt nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc từ 4800C đến trên 15000C.
1.2.3. THEO MÔI CHẤT NẠP

Căn cứ vào thành phần của môi chất nạp trong ống, ống nhiệt được chia
thành:
• Ống nhiệt một thành phần (chỉ gồm một môi chất như H20, NH3, 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 thường được sử dụng trong những điều kiện làm việc đặc biệt.
1.2.4. THEO MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG ỐNG NHIỆT

• Ống nhiệt tải nhiệt thực hiện q trình truyền nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao
n ni cú nhit thp hn.

Vũ Văn Minh

Công nghệ NhiƯt l¹nh 2006-2008


Luận văn cao học

10

ã ng nhit iu chnh nhit sử dụng để giữ cho nhiệt độ của môi chất có
nhiệt độ thấp hơn khơng đổi khi lượng nhiệt cấp cho ống nhiệt thay đổi
Hoạt động của loại ống nhiệt này như là một Thermostat.
• Ống nhiệt truyền nhiệt một chiều gọi là diot nhiệt.
1.2.5. THEO HÌNH DẠNG ỐNG

• Ống nhiệt hình trụ.
• Ống nhiệt hình hộp.
•

Ống nhiệt dạng phức tạp.

1.3. ƯU ĐIỂM CỦA ỐNG NHIỆT
So với các phần tử truyền nhiệt khác, ống nhiệt có những ưu điểm sau:
• Ống nhiệt có tính siêu dẫn nhiệt. Thí dụ một ống nhiệt đường kính 14mm,
dài 600mm, làm bằng crom - niken chứa natri lỏng có hệ số dẫn nhiệt
tương đương bằng l06w/m.K, nghĩa là gấp 10.000 lần hệ số dẫn nhiệt của
hợp kim đồng. Ưu điểm này là do quá trình truyền nhiệt bên trong ống
nhiệt thực hiện bởi sự biến đổi pha (sơi và ngưng), do đó q trình truyền
nhiệt lớn gấp nhiều lần so với sự dẫn nhiệt bằng thanh kim loại dù là bằng

bạc.
• Ống nhiệt truyền được một lượng nhiệt lớn cả ở khoảng cách khá xa trong
khi hiệu nhiệt độ chỉ chênh vài độ. Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng đều
theo toàn bộ chiều dài ống, áp suất trong phần ngưng và phần sôi khụng
chờnh lch nhau nhiu.

Vũ Văn Minh

Công nghệ Nhiệt lạnh 2006-2008


Luận văn cao học

11

ã ng nhit cú th truyn ti lượng nhiệt lớn mà không cần đến các thiết bị
phụ như bơm, vì vậy thiết bị làm việc với độ tin cậy cao, khơng gây tiếng
ồn.
• Với thiết bị trao đổi nhiệt loại khí - khí nếu dùng ống nhiệt ta có thể làm
cánh ở bên ngồi ống, phần tiếp xúc với khí nóng (khói), khí lạnh (khơng
khí) nên thiết bị rất gọn.
• Khi chọn mơi chất nạp bên trong ống nhiệt thích hợp có thể bảo đảm vận
hành ống nhiệt an toàn trong khoảng nhiệt độ rộng từ -800C bến 25000C.
• Trên thực tế ống nhiệt thường được lắp đặt thành dàn ống hoặc thành cụm
ống. Trong quá trình làm việc giả sử có một vài ống nhiệt bị hỏng thì hệ
thống vẫn làm việc được. Mặt khác ta có thể dễ dàng thay thế các ống
nhiệt bị hỏng ngay cả khi hệ thống đang hoạt động.
• Nguồn nhiệt cấp cho phần nóng của ống nhiệt rất đa dạng, có thể là sản
phẩm cháy của nhiên liệu rắn, nhiên liệu lỏng, các khí thải, hơi nước, năng
lượng mặt trời.

• Nhiệt từ một nguồn nóng có thể truyền tải đến nhiều hộ dùng nhiệt ở
những khoảng cách khác nhau khá xa mà cần hiệu nhiệt độ khá nhỏ .
1.4. ỨNG DỤNG CỦA ỐNG NHIỆT
Ống nhiệt tuy đã được tìm ra từ lâu nhưng gần đây người ta mới thấy được
hết những ưu điểm của nó và việc nghiên cứu lý thuyết cũng như ứng dụng của
ống nhiệt ngày càng được triển khai mạnh tại nhiều nước trên thế giới . Các nhà
khoa học nghiên cứu về ống nhiệt trên thế giới khoảng 2 hoặc 3 năm lại gặp
nhau trong hội nghị quốc tế về ống nhiệt gọi là IHPC (In Heat Pipes Conference
). IHPC lần thứ 14 được tổ chức ti Brazil nm 2007.

Vũ Văn Minh

Công nghệ Nhiệt lạnh 2006-2008


Luận văn cao học

12

Di õy chỳng ta nờu lờn mt số ứng dụng của ống nhiệt.
• Đã từ lâu do ưu điểm của ống nhiệt là nhiệt độ bề mặt phần toả nhiệt (phần
ngưng của ống) đồng đều và ít thay đổi, nên ống nhiệt trọng trường với môi chất
nạp là nước đặt nghiêng (góc nghiêng so với phương nằm ngang khoảng 50 )
được ứng dụng để làm các lò nướng bánh dùng nhiên liệu than, dầu khí...
• Các ống nhiệt trọng trường có cánh bên ngồi đã được ứng dụng rất có
hiệu quả để tận dụng nhiệt thải (khói) từ các nhà máy nhất là trong cơng nghiệp
hố chất, bởi vì thiết bị gọn hoạt động lâu bền có độ tin cậy cao. Ví dụ, hãng
Furakawa của Nhật Bản đã sử dụng 1700 ống nhiệt trọng với môi chất nạp là
H2O, mỗi ống dài 8,5 m, bên ngoài ống phủ một lớp chì để chống hiện tượng ăn
mịn của SO2. Kết quả đã tận dụng được 2.1 triệu kcal/h của 250.l03 m3 khí thải

của các nhà máy hố chất chứa SO2 ở nhiệt độ khói thải l60oC .
• Ống nhiệt mao dẫn dạng hình hộp được ứng dụng có hiệu quả để làm mát
các linh kiện điện tử có công suất lớn, thay cho phương pháp cổ điển là dẫn nhiệt
qua thanh nhôm. Ở đây nhiệt từ các linh kiện điện tử truyền cho môi chất trong
ống nhiệt rồi toả ra ngoài qua các cánh toả nhiệt gắn ở phần đi dưới của ống
nhiệt.
• Ống nhiệt ly tâm được ứng dụng thành công trong việc làm mát các động
cơ điện. Phương pháp cổ điển là dùng khơng khí thổi vào stato để làm mát động
cơ (thiết bị dễ bị bụi bẩn và khó lấy nhiệt từ rơto). Khi sử dụng ống nhiệt, trục
động cơ trên có rơto rỗng bên trong (là ống nhiệt) chứa H2O. Nước sẽ lấy nhiệt
từ rơto và stato truyền ra ngồi qua các cánh tỏa nhiệt. Nhiệt sẽ lấy đi được nhiều
hơn và động cơ khụng b bi bn .

Vũ Văn Minh

Công nghệ Nhiệt lạnh 2006-2008


Luận văn cao học

13

ã ng nhit vi chiu di ti hàng trăm mét đã được ứng dụng để làm mát
các đường cáp điện đặt ngầm dưới đất thay cho phương pháp cổ điển dùng nước
làm mát (chảy trong ống đặt cạnh dây cáp nhờ hệ thống bơm). Hãng Furakawa
đã chế tạo ống nhiệt mao dẫn dài 200 m đặt dọc theo đường cáp điện để làm mát
dây cáp. Kết quả thí nghiệm cho thấy nếu khơng làm mát, 12 dây cáp ngầm đặt
trong kênh dẫn sẽ có nhiệt độ 107oC, nếu dùng một ống nhiệt thì nhiệt độ của
dây cáp giảm cịn 82oC ( khi dùng ống nhiệt khơng cần dùng tới hệ thống bơm
nước như trường hợp dùng nước làm mát).

• Ống nhiệt 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 kiểu cũ.
• Ống nhiệt trọng trường được sử dụng trong việc chống đóng băng mặt
đường cao tốc và bãi đỗ xe ôtô thay cho phương pháp cũ là phải dùng hệ thống
hơi nước hoặc nước nóng rất tốn kém. Người ta cắm một đầu ống nhiệt sâu
xuống đất để lấy nhiệt (vì nhiệt độ trong lịng đất lớn hơn nhiệt độ bề mặt), còn
đầu kia (phần ngưng, tỏa nhiệt của ống) đặt nằm ngang dưới mặt đường toả nhiệt
làm nóng mặt đường và làm tan tuyết.
• Ống nhiệt trọng trường sử dụng để chế tạo các calorife cho thiết bị sấy.
• Ống nhiệt cịn được dùng để bảo quản thực phẩm trong các xe tải chun
chở khơng có máy lạnh. Ở đây thùng xe được chia làm hai phần, phần nhỏ chứa
nước đá có cắm các ống nhiệt trọng trường đặt nghiêng, phần lớn của thùng xe
chứa thực phẩm có phần cịn lại của ống nhiệt. Ống nhiệt sẽ nhận nhiệt từ thực
phẩm cần bảo quản truyền cho nước đá. Nếu khơng dùng ống nhiệt thì phải cho
nước đá tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm và có th lm hng thc phm.

Vũ Văn Minh

Công nghệ Nhiệt lạnh 2006-2008


Luận văn cao học

14

ã Trong ngnh ụtụ, ng nhit c dùng để điều chỉnh nhiệt độ nước làm
mát động cơ, làm mát hay đốt nóng dầu trong xe, sưởi ấm ca bin nhờ lượng nhiệt
thải qua ống xả.
• Ống nhiệt còn được sử dụng để làm mát các bức tường, trần nhà bằng bê
tơng của các tồ nhà trong mùa hè. Hàng loạt ống nhiệt trọng trường được cắm

vào trong tường nhà, đầu kia hở ra ngoài trời. Vào buổi tối khi khơng cịn ánh
nắng mặt trời và nhiệt độ khơng khí đã giảm xuống, đầu hở của ống nhiệt sẽ
nhanh chóng toả nhiệt lấy từ bên trong tường bê tơng ra ngồi khơng khí. Tồ
nhà nhanh chóng được làm mát, phần còn lại là nhiệm vụ của các máy điều hồ
nhiệt độ. Như vậy, nhờ có ống nhiệt mà năng lượng cần thiết cho các máy điều
hoà sẽ giảm và tồ nhà nhanh chóng được làm mát.
• Trong ngành vũ trụ, người ta dùng ống nhiệt điều chỉnh nhiệt độ để điều
chính nhiệt độ của thân tàu vũ trụ, một bên con tàu bị đốt nóng bởi mặt trời cịn
bên kia nằm trong bóng tối ít bị đốt nóng.
1.5 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ỐNG NHIỆT
Ống nhiệt đã được phát minh ra từ rất lâu (1836) , sau đó bị lãng quên. Từ
những năm 1970 về sau, ống nhiệt mới thực sự được các nhà khoa học trên thế
giới quan tâm chú ý nghiên cứu .Sự nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng của ống
nhiệt kể từ đó ngày càng phát triển không chỉ ở những nước công nghiệp mà cả
ở những nước đang phát triển.
• Có thể nói Perkin là người đầu tiên đã phát minh ra ống nhiệt .Lò
nướng bánh mỳ dùng ống nhiệt trọng trường do Perkin sáng chế ra từ 1836 và
được phổ biến rộng rãi trong thời gian này.Ống nhiệt trọng trường của Perkin là

Vò Văn Minh

Công nghệ Nhiệt lạnh 2006-2008


Luận văn cao học

15

ng nhit bng thộp cacbon bờn trong là nước . Ống được đốt nóng bằng dầu khí
hoặc than

• Năm 1929, Gay là người đầu tiên sử dụng ống nhiệt trọng trường để
tận dụng nhiệt khói thải đốt nóng khơng khí. Các ống nhiệt này được làm cánh ở
bên ngoài .Phát minh này cho phép tạo ra khả năng tận dụng nhiệt thải của các lò
cao rất tốt .
• Năng 1942, Gaugler là người đầu tiên phát minh ra ống nhiệt mao
dẫn .Ở đây bên trong ống có đặt một lớp kim loại gọi là bấc để tạo ra lực hút
chất lỏng từ vùng ngưng đến vùng sôi (đặt trên cao ) mà không cần dùng bơm
.Ống nhiệt mao dẫn này được ứng dụng để làm lạnh phòng bảo quản thực
phẩm.Sự phát minh này lúc đó chưa được hãng General Motors (nơi Gaugler làm
việc) ứng dụng trong ngành lạnh và bị lãng quên.
• Năm 1962, Trefethen trong chương trình nghiên cứu vũ trụ của Mỹ
đã có những ý tưởng sử dụng lại ống nhiệt .Tuy nhiên sự phát triển thực sự của
ống nhiệt bắt đầu từ những phát minh của Grover và cộng sự của ơng tại phịng
thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở bang New Mehico vào năm 1963,1964,1966.
Ở đây Grover đã chế tạo ra một số loại ống nhiệt đầu tiên sử dụng nước làm môi
chất sau đó dùng kim loại lỏng như Natri, Li và bạc ở nhiệt độ 1100K.
• Năm 1965, Cotter lần đầu tiên cho xuất bản tài liệu nghiên cứu về
ống nhiệt , kể từ đó sự nghiên cứu về ống nhiệt mới phát triển rộng rãi tại các
nước công nghiệp phát triển như Mỹ ,Anh ,Ý ,Đức ,Pháp,Liên Xơ(USSR).
• Những sách về ống nhiệt đầu tiên được xuất bản là của
S.W.Chi(1976) , Dunn and Reay (1982) , Ivanovski (1982).

Vũ Văn Minh

Công nghƯ NhiƯt l¹nh 2006-2008


Luận văn cao học

16

ã Vỡ tm quan trng ca ng nhiệt mà các nhà khoa học trên thế giới
đã họp nhau khoảng 2,3 năm một lần tại hội nghị quốc tế về ống nhiệt gọi là
IHPC (In. Heat Pipe Conference).Các hội nghị IHPC được tổ chức tại các nước
như sau :
IHPC 1 tiến hành năm 1973 tại Stuttgart – Đức
IHPC 2 tiến hành năm 1976 tại Bologna -Ý
IHPC 3 tiến hành năm 1978 tại Palo Alto
IHPC 4 tiến hành năm 1981 tại London -Anh
IHPC 5 tiến hành năm 1984 tại Tsukuba –Nhật
IHPC 6 tiến hành năm 1987 tại Grenoble- Pháp
IHPC 7 tiến hành năm 1990 tại Minsk - Nga
IHPC 8 tiến hành năm 1992 tại Bắc Kinh - Trung Quốc
IHPC 9 tiến hành năm 1995 tại New Mexico - Mỹ
IHPC 10 tiến hành năm 1997 tại Stuttgart - Đức
IHPC 11 tiến hành năm 1999 tại Tokyo - Nhật Bản
IHPC 12 tiến hành năm 2002 tại Moscow - Nga
IHPC 13 tiến hành năm 2005 tại Thượng Hải -Trung Quốc
IHPC 14 tiến hnh nm 2007 ti Florianopolis Brazil.

Vũ Văn Minh

Công nghệ Nhiệt l¹nh 2006-2008


Luận văn cao học

17

Vit Nam s nghiờn cu v ống nhiệt mới chỉ là những bước đi đầu tiên

tại viện khoa học nhiệt lạnh Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và khoa nhiệt –
trường Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng.
Hiện nay bộ thu năng lượng mặt trời dùng ống thủy tinh chân không đang
được sử dụng khá nhiều tuy nhiên nếu ứng dụng ống nhiệt sẽ có hiệu quả tốt
hơn. Đó cũng là lý do mà tơi chọn đề tài là nghiên cứu sử dụng ống nhiệt chân
không thủy tinh trong bộ thu năng lượng mặt trời để đun nước nóng và chế tạo
tồn bộ bộ thu năng lượng mặt trời dùng ống nhiệt chân không thủy tinh. Phương
pháp nghiên cứu là lý thuyết và thực nghệm.

Vò Văn Minh

Công nghệ Nhiệt lạnh 2006-2008