Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1. MỤC ĐÍCH Luận văn với mục đích nghiên cứu các đặc tính của ống nhiệt mao dẫn nhá. Èng nhiệt loại này thường được ứng dụng để giải nhiệt cho các thiết bị điện tử. Sau khi tính toán, thiết kế và chế tạo trên lý thuyết. Qua thí nghiệm chạy thử thiết bị số liệu đo đạc được so sánh với kết quả lý thuyết và đánh giá tính khả thi. Với ống nhiệt mao dẫn khi xác định được các giới hạn : giới hạn về độ nhít, giới hạnh âm thanh, giới hạn sôi, giới hạn lôi cuốn và giới hạn mao dẫn. Giới hạn mao dẫn là giới hạn nhỏ nhất trong các giới hạn của ống nhiệt khi ống nhiệt có phần ngưng tụ thấp hơn phần bay hơi vì thế giới hạn này là cơ sở để tính toán công suất lớn nhất mà ống nhiệt có thể đạt được. Bên cạnh đó, việc xác định góc nghiêng ảnh hưởng đến công suất và phân bố nhiệt độ trên ống nhiệt là vô cùng quan trọng. Dưới đây là nôi dung chính của luận văn cần thực hiện: Công việc chính của luận văn gồm các nội dụng sau:  Xác định công suất lớn nhất khi ống nhiệt hoạt động.  Sù thay đổi nhiệt độ trên toàn bộ ống nhiệt  Ảnh hưởng của góc nghiêng tới công suất nhiệt của ống 3.2. TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT Tính toán lý thuyết ống nhiệt mao dấn với các thông số đầu vào  kích thước, vật liệu làm ống và làm bấc, môi chất làm việc được cho  sau: 3.2.1. Vật liệu chế tạo: Èng: Đồng Kích thước ống.  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất Như đã nói ở chương trước, để tối ưu hoá về công suất truyền tải nhiệt và thuận lợi cho việc thiết kế và chế tạo ống nhiệt để giải nhiệt cho ngành điện tử còng  sau khi chế tạo xong để thuận lợi cho việc lắp đặt là loại ống nhiệt mao dẫn nhỏ. Chọn vật liệu chế tạo, thông số và kính thước ống nhiệt  sau:  Chiều dài ống: L = 280 mm;  Đường kính ngoài của ống: d o = 4 mm;  Đường kính trong của ống: d in =3 mm;  Chiều dài phần ngưng tự: L c = 160 mm;  Chiều dài đoạn nhiệt: L a = 60 mm;  Chiều dài phần bay hơi L e = 60 mm. Môi chất làm việc. Nước Xuất phát từ giới hạn khi vận hành ống nhiệt mao dẫn là giới hạn mao dẫn là tiêu chuẩn cơ bản để xác định công suất lớn nhất khi vận hành ống nhiệt. Vì vậy từ công thức (2.11): (P c ) m  IIc,phe,ph Leff l Leff v PPPPdx x P dx x P ∆±∆+∆+∆+ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∫∫ , Pa (3.1) Với giả thiết dòng một chiều và điểm ướt ở cuối phần ngưng tụ. Từ (2.12) QL A)r(2 )Ref(C Pdx x P eff vv 2 r,h vvv v Leff v         λρ µ =∆= ∂ ∂ ∫ Từ (2.30) QL) KA (Pdx x P eff lw l l Leff l λρ µ =∆= ∂ ∂ ∫ Từ (2.31) + ∆ P = ψρ cosgd vl Từ (2.32) II P ∆ = ψρ singL l ; (Nếu ống nhiệt nằm ngang  = 0)  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất Độ chênh áp suất mao dẫn từ (2.8 và 2.9) c l c r cos2 P θσ =∆ với N2 1 r c = Thay toàn bộ vào (3.1) ta có: Ψρ±Ψρ+ λρ µ +         λρ µ ≥ θσ singLcosgdQL) KA (QL A)r(2 )Ref(C r cos2 lvleff lw l eff vv 2 r,h vvv c hay: Ψρ±Ψρ+ λρ µ +         λρ µ = σ singLcosgdQL) KA (QL A)r(2 )Ref(C r 2 lvleff lw l eff vv 2 r,h vvv c Vậy: Q = ( ) ( )         λρ µ +         λρ µ ψ±ψρ−σ =         λρ µ +         λρ µ ψ±ψρ− σ ) KA ( A)r(2 )Ref(C L.r sinLcosdgr2 ) KA ( A)r(2 )Ref(C L sinLcosdg r 2 lw l vv 2 r,h vvv effc vlc lw l vv 2 r,h vvv eff vl c ,W (3.2) Với: L eff - chiều dài hiệu dụng của ống nhiệt được xác định: L eff = 0,5L e + L a + 0,5L v , m (3.3) d v - đường kính không gian hơi được xác định: d v = d in -2( w +  s ), m (3.4) Trong đó:  w - chiều dày líp bấc, m;  s - chiều dày khoảng trống, m. A v - diện tích không gian hơi được xác định: A v = [ ] 2 swin 2 v )(2d 4 1 )d( 4 1 δ+δ−π=π , m 2 (3.5) A w - diện tớch dòng lỏng được xác định:  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất A w = [ ] [ ] 2 swin 2 in 2 v 2 in )(2dd 4 1 )dd( 4 1 δ+δ−−π=−π , m 2 (3.6) K- độ thấm của bấc được xác định: K = 2 )∀− ∀ 1(122 d 32 w , m 2 (3.7) 4 d.N 05,1 1 w π −=∀ (độ xốp của bấc) (3.8) K = [ ] ( ) 2 w 3 w w 3 w Nd02,538 Nd05,14 4 N.d 05,1 (122 4 d.N 05,1 1 π π− = π       π − 2 ) , m 2 (3.9) Để xác định chọn số nót một cách hiệu quả ta phải căn cứ vào mục đích sử dụng và nhiệt độ hoạt động của ống nhiệt. Ta tiến hành thí nghiệm với nhiệt độ bay hơi đoạn nhiệt ở ba chế độ khác nhau là 30, 40 và 50 o C ở các góc nghiêng khác nhau. Ta tiến hành tính toán cho một chế độ với nhiệt độ môi chất làm việc 30 o C và góc nghiêng là 0 o . Các thông số vật lý của môi chất cho ở bảng 3.1 Chọn bấc: Chọn vật liệu làm bấc là đồng sợi được thể hiện chi tiết ở hình 3.1, vì ống nhiệt nhỏ, để thuận tiện cho việc cho bấc vào trong ống ta sử dông một líp lưới và đường kính dây là: d w = 0,0045 inch = 1,143.10 -4 m (3.10) Khoảng trống từ vách trong ống nhiệt tới bấc bằng đường kính dây đồng sợi là:  w =  s = d w = 1,143.10 -4 m (3.11) Từ (3.8) ta có: 4 d.N 05,1 1 w π −=∀ = 4 10.143,1.N.14,3.05,1 1 4 − − = 1- 9,42.10 -5 N Thay vào (3.7): K = 3 5 32 w 10.42,9 N 1 N01207,0 1(122 d       −= ∀− ∀ − 2 ) (3.12)  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất Đường kính bay hơi: d v = d in -2( w +  s ) = 3.10 -3 - 2(2.1,143.10 -4 ) = 2,5428.10 -3 m (3.13) Diện tích bay hơi (3.5): A v = 232 )10.5428,2( 4 1 )( 4 1 − = ππ v d = 5,078.10 -6 m 2 (3.14) Diện tích dòng lỏng (3.6): A w = [ ] 23232 v 2 in )10.5428,2()10.3( 4 1 )dd( 4 1 −− −π=−π =1,99.10 -6 m 2 (3.15) Thay (3.9), (3.10), (3.11), (3.12), (3.13), (3.14) và (3.15) vào (3.2) ta có: 3.2.2. Công suất nhiệt thay đổi theo số nót của bấc q = f(N) = 34 25 )N10.77,34( N10.277,7 07,9 414,12N142,0 − − − + − (3.16) Từ phương trình (3.16) ta xây dựng đồ thị thể hiện ở phụ lục 1.Từ đồ thị ta tìm được giá trị công suất lớn nhất Q=Q max khi số nót N = 3732/m = 44/in        δ  δ  δ  δ   δ  δ  w W/ 2    θ    B-B B B Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất 3.2.3. Công suất nhiệt thay đổi theo nhiệt độ bay hơi của môi chất  Để tìm hàm công suất nhiệt thay đổi theo nhiệt độ từ (3.16) ta ta xác định được N và thay vào phương trình (3.2) và Q là một hàm của nhiệt độ biến thiên từ 0 o C đến 100 o C. -Từ phương trình (3.2) sau khi chọn N=3732/m = 44/in và ống nhiệt đặt vị trí nằm ngang (=0 o ). ta có: λρ µ + λρ µ ρ−σ = − l l 10 v v 7 l 6 10.085,110.2465,5 10.0344,72 Q , W (3.17) Các thông số vật lý của nước phụ thuộc vào nhiệt độ biến thiên trong khoảng 10 o C đến 100 o C được cho ở bảng 3.1 Đồ thị của phương trình (3.17) và các thông số đầu vào cho ở bảng 3.1. được thể hiện ở phụ lục 2. 3.2.4. Công suất nhiệt thay đổi theo góc nghiờng. Với chế độ này ta chỉ xét khi phần bay hơi cao hơi phần ngưng tụ và khi nhiệt độ bay hơi ở 30 o C. Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở bảng 3.1 và các thông số khác không thay đổi từ phương trình (3.1) sau khi tính toán ta có: Q = 15,4 - 299,35(2,54.10 -3 cos + 280,00.10 -3 sin ) (3.18) Sau khi khảo sát phương trình (3.18) ta thấy đối với loại ống nhiệt này góc tạo bởi ống nhiệt và phương nằm ngang (phần bay hơi cao hơi phần  H×nh 3.1. Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất ngưng tụ) lên tới 10 o thỡ lóc này lực mao dẫn bằng không. Đồ thị này được thể hiện ở phụ lục 3. Bảng 3.1. Các thống số vật lý của nước thay đổi theo nhiệt độ T [ o C] λ [J/kg] σ [N/m] v ρ [kg/m 3 ] l ρ [kg/m 3 ] v µ [N.s/m 2 ] l µ [N.s/m 2 ] Q [W] 10 2,49.10 6 0,0750 0,0080 1,42.10 -3 8,29.10 -6 1,42.10 -3 5.1367 20 2,45.10 6 0,0730 0,0173 1,00.10 -3 8,85.10 -6 1,00.10 -3 9.1153 25 2,35.10 6 0,0729 0,0240 9,47.10 -4 1,03.10 -6 9,47.10 -4 9.9996 30 2,43.10 6 0,0709 0,0350 7,69.10 -4 9,29.10 -6 7,69.10 -4 14.7605 40 2,41.10 6 0,0690 0,0510 6,51.10 -4 9,66.10 -6 6,51.10 -4 18.6245 50 2,49.10 6 0,0693 0,0830 5,50.10 -4 1,12.10 -5 5,50.10 -4 25.2714 60 2,36.10 6 0,0660 0,1300 4,63.10 -4 1,05.10 -5 4,63.10 -4 31.7712 75 2,49.10 6 0,0620 0,2470 3,93.10 -4 1,12.10 -5 3,93.10 -4 43.4122 80 2,31.10 6 0,0630 0,2930 3,51.10 -4 1,13.10 -5 3,51.10 -4 46.5857 100 2,25.10 6 0,0590 0,5970 2,79.10 -4 1,21.10 -5 2,79.10 -4 59.6833 3.2.5. Các giới hạn của ống nhiệt a) Giới hạn về độ nhít: Từ công thức (2.33) ta có: Q v = ev vv v 2 v L64 P Ad µ ρ λ Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở bảng 3.1. Đường kính bay hơi theo (3.13) là: d v = 2,5428.10 -3 m Chiều dài phần bay hơi là: L e = 0.6 m  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất Vậy ta có: Q v = v vv v 7 ev vv v 2 v P A.10.68,1 L64 P Ad µ ρ λ= µ ρ λ − , W (3.19) T [ o K] P v [N/m 2 ] Q v [W] 283,15 1,23.10 3 25,049 293,15 2,34.10 3 95,299 298,15 3,17.10 3 147,192 303,15 4,24.10 3 329,397 313,15 7,38.10 3 796,577 323,15 9,58.10 3 1507,035 333,15 1,99.10 4 4944,042 348,15 3,86.10 4 17990,936 353,15 4,74.10 4 24104,200 373,15 1,01.10 5 95672,021 Đồ thị phương trình (3.19) được được biểu diễn ở phụ lục 4. b) Giới hạn âm thanh: Từ phương trình (2.35): Q s = 2/1 v ovv ov )1(2 TR A       +γ γ λρ  o -khối lượng riêng của hơi  v -chỉ số đoạn nhiệt ( v =1,33) R v -hằng sè hơi: R v = 462 18 10.314,8 R 3 == µ µ J/kg.K [ µ R hằng số chất khí lý tưởng ( µ R = 8,314.10 3 J/kg.mol.K); µ -kilomol của hơi ( µ =18)] Các thông số vật lý của môi chất làm việc cho ở bảng 3.1.  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất Vậy ta có: Q s = TA265,130 )1(2 TR A ov 2/1 v ovv ov λρ=       +γ γ λρ (3.20) Phương trình được được biểu diễn ở phụ lục 4. c) Giới hạn sôi: Từ công thức (2.38) Q b,e =         ∆− σ         λρ π m,c nviv veffe P r 2 )r/rln( TkL2 (3.21) P c,m - áp suất mao dẫn trong cấu trúc bấc. Nếu P c <P c,m thì áp suất này có thể láy bằng áp suất mao dẫn lớn nhất, r n - bán kính tõm sụi thỡ được lấy trong khoảng 2,54.10 5 đến 2,54.10 7 . Trong trường hợp này r n = 2,54.10 7 m; L e - chiều dài phần bay hơi (L e = 0.6 m); k eff - hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của bấc-lỏng: k eff = )k-)(k -(1k )]k-)(k -(1-k+[kk w1 w1w11 ∀++ ∀ w1 k ∀ - độ xốp của bấc tính theo (3.8) k w - hệ số dẫn nhiệt của bấc tra theo [6] (k w = 402 W/m.K) Từ các thông số trên ta tính toán và được thể hiện ở bảng sau: T [ o K] ∀ k eff [W/m.K] P c,m [N/m2] Q b,e [W] 283,15 0,837 0,833 1181,102 1397,962 293,15 0,837 0,837 1149,606 663,558 298,15 0,837 0,847 1148,031 513.815 303,15 0,837 0,861 1116,535 342,737 313,15 0,837 0,920 1086,614 2572,009 323,15 0,837 0,888 1091,339 151,573 333,15 0,837 0,901 1039,370 101,609 348,15 0,837 0,902 976,378 49,861 353,15 0,837 0,927 992,126 47,960 373,15 0,837 0,944 929,134 24,319  Mô hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất Đồ thị của phương trình (3.21) được được biểu diễn ở phụ lục 4. d) Giới hạn lôi cuốn: Giới hạn lôi cuốn có thể xác định theo phương trình (2.39): Q l = 2/1 w,h v v r2 A         σρ λ (3.22) w,h r - bán kính thuỷ tĩnh của cấu trúc bấc T [ o K] w,h r [m] Q l [W] 283,15 2,250.10 -4 14,531 293,15 2,250.10 -4 20,800 298,15 2,250.10 -4 23,417 303,15 2,250.10 -4 28,815 313,15 2,250.10 -4 34,052 323,15 2,250.10 -4 44,991 333,15 2,250.10 -4 52,108 348,15 2,250.10 -4 73,412 353,15 2,250.10 -4 74,826 373,15 2,250.10 -4 100,779 Đồ thị của phương trình (3.22) được được biểu diễn ở phụ lục 4. d) Giới hạn mao dẫn Giới hạn này là giới hạn cơ bản nhất để tính xác định công suất lớn nhất của ống nhiệt mao dẫn khi ống nhiệt có phần bay hơi năm trên phần ngưng tụ. Giới hạn mao dẫn được trình bày chi tiết ở mục 2.4 và phương trình (3.2). Giới hạn này được biểu diện ở hình 4 Đối với các chế độ nhiệt và góc nghiêng khác ta tính toán tương tự 3.3. SƠ LƯỢC THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ! 17 16 14 1519 18 ac V A AC 220V 7 13 12 11 10 9 6 5 4  2 1 V U=20 V I =625. m A P=12.5W Tes 1313 60 C o type: T EnergyTest 2020e ψ V A  !" #$%&'()*+,-./012'3 45673-'83'9"673 :;<!92'=,67'8.3012>3) ?'8%'8@H×nh 3.2A:B3 8 [...]... mát 170 1- ống nhiệt2- Thiết bị làm mát (Vật liệu thuỷ tinh hữu cơ) Hình 3.4 Bản vẽ thiết bị làm mát ống nhiệt 79 Mụ hỡnh toỏn hc ca ng nhit nh v xỏc nh cụng sut nhit ln nht b) B phn t núng Dựng cp nhit cho phn sụi ca ng nhit, lm cho mụi cht np trong ng l nc bc hi v nhn nhit ca ngun cp sau ú dựa vo chờnh lch ỏp sut hi c chuyn ng ti phn ngng Cú nhiu cỏch cp nhit cho ng nhit nh: Dựng thụng qua thit b... ống puret Thiết bị đun nước v4 ống nhiệt v6 v5 Bơm chân không Hỡnh 3.3 S np mụi cht lm vic cho ng nhit Np mụi cht lm vic cho ng nhit nh l mt th thỏch rt ln, bi vỡ ng nhit loi ny cú khụng gian bờn trong rt bộ Trong lun vn ny, phng phỏp np mụi cht lm vic (nc) vo ng nhit l un sụi S lp rỏp trc khi np mụi cht thỡ c biu din hỡnh 3.3 Thit b bao gm: - Bm hút chõn khụng - Thit b un nc - Van in t (dựng cho... 9 4 3 v 2 a 1 11 14 2020e EnergyTest U=20 V Tes I =625 1313 60 C o 13 type: T 1-ống nhiệt 2-Mêca mềm 3-Dây điện trở 4-Amiăng 5-Polyurêthan (PU) m A P=12.5W 12 6-Amiăng 7-Giấy bạc 8-Giây cặp nhiệt 9-Đầu cặp nhiệt 10-Máy ổn áp 11-Máy biến áp tự ngẫu 12-Đồng hồ vạn năng 13-Bộ chuyển đổi 14-Đồng hồ đo nhiệt độ Hình 3.6 Bộ phận đốt nóng của ống nhiệt 81 10 ... Bản vẽ chi tiết gắn cặp nhiệtHình 3.4 Sơ đồ gắn vị trí cặp nhiệt 77 Mụ hỡnh toỏn hc ca ng nhit nh v xỏc nh cụng sut nhit ln nht 3.4.3 Ch to b lm mỏt, t núng a) B phn lm mỏt ly nhit phn ngng ca ng nhit cú nhiu phng phỏp khỏc nhau: Bng khụng khớ i lu t nhiờn hay cng bc Trong trng hp ny tng cng trao i nhit hoc l lm cỏnh b mt ngoi phn ngng ca ng nhit, sau ú dựng qut thi khụng khớ qua Nhng trao i... thng v hiu qu nht cho mc ớch th nghim ta dựng phng phỏp cp nhit bng dõy in tr Ta cú th iu chnh cụng sut nhit bng cỏch iu chnh hiu in th hai u in tr thun tin cho vic thớ nghim chn phung phỏp cp nhit phn ngng t bng cỏch t núng dõy in tr va m bo d hiu chnh cụng sut va t c cụng sut ln nht khi nghiờn cu ch ti hn Cu to phn t núng c biu din hỡnh 3.6 Trờn c s lý thuyt: Rth = U2.cos /Pth = 302.0,83/25... trong sut, chiu di L = 160 mm, ng kớnh d = 12 mm c thit k da trn cụng sut lý thuyt ln nht m ng nhit t c Ch dũng nc i qua ng chỳng cú th cho nc chy t nhiờn hoc cng bc dng trong vic chun b thit b v cụng sut nhit khụng ln Ch nc chy trong thớ nghim ny l ch t nhiờn dựa vo c s th nng ca dũng nc xỏc nh lng nc mang i, chỳng ta cú th dựng cụng thc: Qn = MnCn(t 'n' -t 'n ), W 78 Mụ hỡnh toỏn hc ca ng nhit... cui cựng m ra v hn ng Lng lng cú th c xỏc nh bng phng phỏp cõn trc v sau khi np 74 Mụ hỡnh toỏn hc ca ng nhit nh v xỏc nh cụng sut nhit ln nht 3.4.2 Lựa chn v ch to u o giõy cp nhit Dõy cp nhit l thit b dựng dn nhit u do (sensor) m chiu m chiu di ca dõy khụng b nh hng Dõy thng c ch to bi 2 vt liu kim loi riờng bit, thng c bc plastic Mt u c a n thit b o (ng h hin th) cũn u bờn kia c hn kớn tip xỳc vi... khụng c chớnh xỏc Vỡ nhc im ny ca vic gii nhit bng khụng khớ Ta chn phng phỏp gii nhit bng nc Vi h s dn nhit ca nc ( n 0,599 W/m.K) ln hn rt nhiu so vi h s dn nhit ca khụng khớ ( k 0,0259 W/m.K) nn dựng nc lm mỏt ta cú th ly i lng nhit ln cn thit (nht l khi nghiờn cu ng nhit ti hn) Trong thớ nghim ny nc c chn lm mỏt c tớnh toỏn da trn cụng sut ti hn m ng cú th t c C th l gii hn mao dn ca ng nhit . nhiệt cho các thiết bị điện tử. Sau khi tính toán, thiết kế và chế tạo trên lý thuyết. Qua thí nghiệm chạy thử thiết bị số liệu đo đạc được so sánh với kết quả lý thuyết và đánh giá tính khả thi hình toán học của ống nhiệt nhỏ và xác định công suất nhiệt lớn nhất CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT VÀ XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1. MỤC ĐÍCH Luận văn với mục đích nghiên cứu các đặc tính của. nghiêng tới công suất nhiệt của ống 3.2. TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT Tính toán lý thuyết ống nhiệt mao dấn với các thông số đầu vào  kích thước, vật liệu làm ống và làm bấc, môi chất làm việc được cho