Luận văn:Nghiên cứu tính toán nhiệt của ống nhiệt mao dẫn

Chia sẻ: Nhung Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

133
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các ống dẫn nhiệt rỗng có bên trong đã được hút chân không, rất giống như ống năng lượng mặt trời. Trong trường hợp này, cách nhiệt không phải là mục tiêu, mà là để thay đổi trạng thái của chất lỏng bên trong. Bên trong các đường ống dẫn nhiệt là một lượng nhỏ nước tinh khiết và một số phụ gia đặc biệt. Tại mực nước biển, nước sôi ở 100oC (212oF), nhưng nếu bạn leo lên một đỉnh núi nhiệt độ sôi sẽ thấp hơn 100oC (212oF). Điều này là do sự khác biệt trong áp suất...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn:Nghiên cứu tính toán nhiệt của ống nhiệt mao dẫn

-1- B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Đ I H C ĐÀ N NG NGUY N THÀNH SƠN NGHIÊN C U TÍNH CH T NHI T C A NG NHI T MAO D N Chuyên ngành : Công Ngh Nhi t Mã s : 60.52.80 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Đà N ng – Năm 2011
-2- Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. TR N VĂN VANG Ph n bi n 1: …………………………………… Ph n bi n 2: …………………………………… Lu n văn ñư c b o v t i H i ñ ng ch m Lu n văn t t nghi p Th c sĩ K thu t Đ i h c Đà N ng vào ngày … tháng … năm 2011. Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng. - Trung tâm H c li u, Đ i h c Đà N ng.
-3- M Đ U 1. Lý do ch n ñ tài ng nhi t là m t ph n t truy n nhi t ki u m i có kh năng truy n nhi t ñi l n hơn nhi u l n so v i các ph n t truy n nhi t thông thư ng. Trong các lo i ng nhi t thì hi n nay trên th gi i lo i ng nhi t mao d n ñang ñư c nghiên c u và tri n khai ng d ng m t cách m nh m , hi u qu trong nhi u lĩnh v c như: hàng không vũ tr , ñi u hòa không khí, làm mát ñ ng cơ ôtô, làm mát trong ngành ñi n-ñi n t , t n d ng năng lư ng m t tr i, nhi t th i c a các ngành công nghi p hóa ch t, luy n kim, trong thi t b s y, trong các ngành ch bi n th c ph m vv… Tuy nhiên hi n nay Vi t Nam, m c dù trong s n xu t ñã có m t s r t ít xí nghi p, nhà máy s d ng s n ph m ng d ng công ngh ng nhi t mao d n ñư c nh p kh u t nư c ngoài. Nhưng vi c nghiên c u v ng nhi t mao d n m i ch là nh ng bư c ñi ñ u tiên t i các trư ng ñ i h c, nghiên c u v m t lý thuy t cũng như tri n khai ng d ng c a ng nhi t mao d n còn ít. Đ ng trư c tình hình t c ñ phát tri n c a các ngành công nghi p di n ra r t nhanh và nhu c u v ti t ki m năng lư ng ngày càng ñư c chú tr ng thì vi c nghiên c u v ng nhi t mao d n là h t s c c n thi t. Chính vì v y, ñ góp ph n ph bi n ki n th c khoa h c và thúc ñ y vi c nguyên c u v ng nhi t mao d n t i Vi t Nam, chúng tôi ch n ñ tài: “Nghiên c u tính ch t nhi t c a ng nhi t mao d n”. 2. M c tiêu nghiên c u Nghiên c u phương pháp tính toán thi t k thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n dùng ñ làm mát các linh ki n ñi n t và ti n hành xây ph n m m nh m giúp các nhà k thu t thi t k ho c ki m tra công su t các thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng mao d n
-4- m t cách nhanh chóng và chính xác. 3. N i dung nghiên c u - Nghiên c u t ng quan v lĩnh v c ng nhi t mao d n nói chung, cũng như t ng quan v nghiên c u lý thuy t tính ch t nhi t c a ng nhi t mao d n nói riêng. - Nghiên c u tính ch t nhi t c a ng nhi t mao d n: + Nghiên c u các thông s c a b c mao d n. + Nghiên c u s ph thu c c a công su t nhi t Q c a ng nhi t mao d n vào ñ chênh nhi t ñ ph n sôi và ph n ngưng ∆t ñ tìm công th c tính công su t nhi t cho ng nhi t mao d n. + Nghiên c u công su t nhi t t i h n c a ng nhi t mao d n. + Nghiên c u các nhân t nh hư ng t i công su t nhi t c a ng nhi t mao d n. - T ñó tính toán thi t k thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n. - Trên cơ s tính toán thi t k thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n v a thi t l p, chúng tôi xây d ng ph n m m tính toán thi t k thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n. 4. Phương pháp nghiên c u Chúng tôi s d ng phương pháp nghiên c u lý thuy t. 5. Ý nghĩa th c ti n Đưa ra phương pháp tính toán thi t k thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n ñ góp ph n ph bi n ki n th c khoa h c và thúc ñ y vi c nghiên c u, ng d ng ng nhi t mao d n vào ñi u ki n th c t Vi t Nam. 6. B c c lu n văn Ngoài ph n m c l c và ph l c; lu n văn g m có: M ñ u.
-5- Chương 1 : T ng quan v ng nhi t mao d n. Chương 2 : Cơ s lý thuy t tính toán ng nhi t mao d n. Chương 3 : Phương pháp tính toán thi t k thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n. Chương 4 : Xây d ng ph n m m tính toán thi t k thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n. K t lu n và hư ng phát tri n ñ tài. CHƯƠNG 1 T NG QUAN V NG NHI T MAO D N 1.1. GI I THI U V NG NHI T MAO D N 1.1.1. Nguyên lý ho t ñ ng c a ng nhi t mao d n 1.1.2. Ưu ñi m c a ng nhi t mao d n 1.1.3. ng d ng c a ng nhi t mao d n 1.1.4. L ch s phát tri n ng nhi t mao d n 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN C U NG NHI T MAO D N Hi n nay, trên nhi u lĩnh v c công nghi p ng d ng công ngh ng nhi t mao d n ñ u quan tâm ñ n v n ñ làm sao gia tăng ñư c công su t nhi t c a ng nhi t mao d n. Mu n nâng cao công su t nhi t c a ng nhi t mao d n c n ph i xác ñ nh ñư c bán kính l mao d n hi u d ng c a b c. Và trư c ñây thì có các phương pháp c a Adkins [4], [5], Gupta [24], Bichenkov [8]. Nhưng g n ñây, Pramod Chamarthy [33] ñã ti n hành phương pháp m i s d ng ñèn c c tím và máy quay phim có t m l c tia c c tím ñ theo dõi ch t l ng có thu c nhu m huỳnh quang bay hơi qua c u trúc b c, sau ñó s d ng thu t toán x lý và thi t l p công th c quan h gi a lư ng bay hơi c a thu c nhu m huỳnh quang theo th i gian, r i t ñó xác ñ nh ñư c ñư ng kính trung bình c a l mao d n.
-6- Đ t n d ng ñư c ñ c tuy t v i c a nư c so v i các môi ch t khác nh m nâng cao công su t nhi t (ñ i v i ngu n phát nhi t có nhi t ñ trên 150oC), Sarraf và Anderson [24] ñã nghiên c u v t li u làm v , b c m i thay th cho ñ ng, ñó là Titanium và Monel (lo i v t li u có ñ b n cao). Đ ng th i ñ t n d ng ưu ñi m c a c u trúc b c d ng rãnh, Anderson [14] ñã nghiên c u phát tri n phương pháp gia công ch t o ng nhi t mao d n có b c rãnh ñ i v i v t li u Titanium, Monel; c th v i ng nhi t mao d n có dài 1,2 m và ñư ng kính ngoài 1,27 cm thì có kh năng t i lư ng nhi t 300 400W t i nhi t ñ làm vi c t 425 475K, có th i gian làm vi c t 4000 9000 gi ñư c s d ng ñ truy n t i nhi t th i t quá trình chuy n hoá nhi t thành ñi n trong nhà máy ñi n h t nhân. Và hi n nay, các nhà khoa h c quan tâm ñ n m t lo i môi ch t m i, ñó là ch t l ng nano - lo i ch t l ng truy n nhi t ki u m i v i nh ng h t nano có kh năng phân tán m t cách n ñ nh và ñ ng ñ u nên làm tăng kh năng d n nhi t, chính vì ñ c tính chưa t ng th y ñó mà m t s nhà nghiên c u Chien [38], Wei [62], Kang [57], Yang [63] ñã s d ng ch t l ng nano làm môi ch t làm vi c cho ng nhi t mao d n ñ tăng công su t nhi t cho ng nhi t mao d n. M t khác, các tác gi Tsai [20], Chen [60] ti n hành nghiên c u ñ i v i ng nhi t mao d n có c u trúc b c lư i và ñ u ñưa ra k t lu n nhi t tr c a ng nhi t mao d n khi dùng ch t l ng nano gi m hơn nhi u so v i khi dùng nư c làm môi ch t làm vi c. G n ñây nh t, các tác gi [45], [48], [49] ñã ñưa ra phương pháp tính toán xác ñ nh công su t nhi t c a ng nhi t mao d n khi s d ng ch t l ng nano (thư ng dùng các h t nano Al2O3, CuO, TiO2) làm môi ch t làm vi c, và h ñã ch ra r ng ñ nâng công su t nhi t c a ng nhi t mao d n lên l n nh t thì c n ph i n p m t lư ng h t nano
-7- t i ưu, và kích thư c h t nano càng nh thì tác ñ ng càng rõ ñ n nhi t tr c a ng nhi t mao d n. Và theo tác gi [46] thì v i ng nhi t mao d n (ñư ng kính ngoài 4 mm, chi u dày 1 mm, chi u dài 300 mm) có c u trúc b c lư i tròn (ñư ng kính s i 50 µm và 7874 s i/m) s d ng ch t l ng nano g m nư c và các h t nano Al2O3 có t l th tích 3,0% thì ñ t công su t nhi t l n nh t (cao hơn x p x 65% so v i khi dùng nư c). CHƯƠNG 2 CƠ S LÝ THUY T TÍNH TOÁN NG NHI T MAO D N 2.1. C U T O NG NHI T MAO D N 2.1.1. Môi ch t n p vào ng nhi t mao d n 2.1.1.1. Các yêu c u cơ b n c a môi ch t n p vào ng nhi t mao d n 2.1.1.2. Các lo i môi ch t n p ng nhi t mao d n 2.1.1.3. Tính phù h p Tính phù h p là s tác d ng tương h gi a môi ch t n p và v t li u làm ng, làm b c. Nó là m t ñ c tính quan tr ng cơ b n liên quan ñ n vi c l a ch n môi ch t, b c và v c a ng nhi t mao d n. 2.1.1.4. H s ñ c trưng M c a ng nhi t mao d n Trong ng nhi t mao d n, h s ñ c trưng M th hi n tính ch t v t lý c a môi ch t n p, môi ch t nào có giá tr M l n s cho công su t nhi t l n. Theo [2], h s ñ c trưng M ñư c xác ñ nh theo công ρ .σ .r th c: M= l l (2.1) µl 2.1.2. C u trúc b c 2.1.2.1. C u trúc b c ñ ng nh t (Homogeneous structures) a) C u trúc b c lư i (Mesh/Screen)
-8- b) C u trúc b c thiêu k t (Sintered metal power) c) C u trúc b c rãnh (Grooves) d) C u trúc b c hình vành khuyên h (Open annulus) e) C u trúc b c tích h p v i ñ ng m ch chính (Integral Artery) 2.1.2.2. C u trúc b c h n h p (Composite wicks) a) C u trúc b c k t h p nhi u lư i (Composite Screen) b) C u trúc b c lư i bao ph rãnh (Screen covered grooves) c) C u trúc b c ñ ng m ch xo n c (Spiral artery) d) C u trúc b c m t rãnh (Monogroove) 2.1.3. V ng nhi t mao d n 2.2. TÍNH TOÁN NG NHI T MAO D N 2.2.1. Tính tr kháng thu l c Môi ch t tu n hoàn n ñ nh trong ng nhi t mao d n là nh áp su t mao d n c a c u trúc b c. Vì v y, ñ ng nhi t mao d n làm vi c bình thư ng thì th a mãn ñi u ki n: ∆Pcap,max ≥ ∆Pl + ∆Ph + ∆Pe,δ + ∆Pc,δ + ∆Pg (2.2) Và thông thư ng ∆Pe,δ và ∆Pc,δ không ñáng k nên ta có th vi t l i như sau: ∆Pcap,max ≥ ∆Pl + ∆Ph + ∆Pg (2.3) 2.2.1.1. Áp su t mao d n l n nh t ∆Pcap,max do b c t o ra trong ng nhi t mao d n 2.σ l ∆Pcap , max = (2.6) reff Trong ñó : reff - bán kính l mao d n hi u d ng (m). 2.2.1.2. T n th t áp su t c a dòng ch t l ng ngưng ∆Pl - Đ i v i lư i, thiêu k t (theo công th c (2.32), [25]): µ l .Leff .m ∆Pl = (2.7) ρ l .K . Aw
-9- - Đ i v i c u trúc rãnh (theo công th c (2.34), [25]): 8.µl .Q.Leff ∆Pl = 4 (2.8) 1  π . dtd  .N '.ρl .r 2  - Đ i v i c u trúc b c h n h p (công th c (2.35), [25]): 6.µ l .Q.Leff ∆Pl = (2.9) π .rh .ϖ 3 ρ l .r 2.2.1.3. T n th t áp su t c a dòng hơi ∆Ph 8.µ h .m  L s L  ∆Ph = ∆Phs + ∆Pha + ∆Phn = . + L a + n  4  (2.10) π .ρ h .rh  2 2   2.2.1.4. T n th t áp su t do l c tr ng trư ng ∆Pg ∆Pg = ρ1.g.L.sinΦ (2.11) 2.2.2. H s d n nhi t hi u d ng c a b c Khi coi truy n nhi t qua b c ph n sôi và ph n ngưng c a ng nhi t mao d n ch là d n nhi t, ta ñưa khái ni m h s d n nhi t hi u d ng c a b c λeff. Và n u g i λl là h s d n nhi t c a ch t l ng (môi ch t làm vi c), λr là h s d n nhi t c a ph n ch t r n (v t li u làm b c) và ε là ñ r ng c a b c thì khi ñó có hai trư ng h p d n nhi t qua 2 pha (pha r n, pha l ng) : - Trư ng h p song song: là trư ng h p b c và môi ch t nh hư ng song song v i nhau. Khi ñó h s d n nhi t hi u d ng c a b c xác ñ nh theo công th c sau (theo công th c (4.30), [2]): λeff = (1 - ε) λr + ε. λl (2.12) - Trư ng h p n i ti p: H s d n nhi t hi u d ng c a b c xác ñ nh theo công th c (4.31), [2]: λ l .λ r λ eff = (2.13) ε .λ r + λ l .(1 − ε ) 2.2.2.1. H s d n nhi t hi u d ng c a b c lư i
-10- 2.2.2.2. H s d n nhi t hi u d ng c a b c thiêu k t b t kim lo i 2.2.2.3. H s d n nhi t hi u d ng c a b c rãnh 2.2.2.4. H s d n nhi t hi u d ng c a b c vành khuyên h 2.2.2.5. H s d n nhi t hi u d ng c a b c lư i bao ph rãnh 2.2.2.6. H s d n nhi t hi u d ng c a b c thiêu k t s i kim lo i 2.2.3. Tính công su t nhi t c a ng nhi t mao d n 2.2.3.1. Công su t nhi t toàn b Công su t nhi t toàn b c a ng nhi t mao d n Q [W] theo [25] ñư c xác ñ nh theo ñ chênh nhi t ñ toàn b ∆t và t ng nhi t tr R. ∆t t z − tw t z − tw Q= = = R R R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6 + R7 + R8 + R9 + Rs (2.31) V i: tz , tw – nhi t ñ c a ngu n nhi t ñ t nóng và làm mát, [ C]. o R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 , Rs – các thành ph n nhi t tr c a ng nhi t mao d n, [oC/W]. 2.2.3.2. Công su t nhi t trong Theo các tác gi [2], [13] thì nhi t tr chuy n pha R4, R6 và R5 có giá tr r t nh so v i các thành ph n còn l i nên có th coi chúng b ng 0. Vì v y, ta có bi u th c tính công su t nhi t trong như sau: tis − tin Qi = (2.46) R3 + R7 T ñây ta có nh n xét như sau: công su t nhi t trong c a ng nhi t mao d n khi có hi u s nhi t ñ trong ng nhi t mao d n ∆ti = tis - tin có giá tr nh thì ph thu c vào ñ chênh l ch nhi t ñ b m t trong gi a ph n sôi và ph n ngưng, ph thu c vào tính ch t v t lý, kích thư c, hình d ng c a b c mao d n và tính ch t v t lý c a môi ch t n p. Ngoài ra, khi ch ñ nhi t n ñ nh thì Q = Qi (công su t nhi t toàn b b ng công su t nhi t trong c a ng nhi t mao d n).
-11- 2.2.4. Các công su t nhi t gi i h n c a ng nhi t mao d n Công su t nhi t gi i h n c a ng nhi t là giá tr công su t nhi t l n nh t c a ng nhi t có th ñ t ñư c. Đ i v i ng nhi t mao d n thì có 5 lo i công su t nhi t gi i h n : 2.2.4.1. Gi i h n âm thanh Gi i h n âm thanh ñư c xác ñ nh theo công th c (4.76), [2]: Q a , max = 0,474. Ah .r. ρ h . p h (2.47) 2.2.4.2. Gi i h n lôi cu n Gi i h n lôi cu n ñư c xác ñ nh theo công th c (4.78), [2]: 2.π .ρ h .r 2 .σ l Qlc , max = Ah . (2.49) z 2.2.4.3. Gi i h n mao d n Gi i h n mao d n ñư c tính theo công th c (2.99), [25]: ρ .σ .r K . Aw  2 ρ l .g .Leff  Qcap , max = l l . . − . sin φ  µl Leff  reff  σl   K . Aw  2 ρ l .g.Leff  = M. . − . sin φ  (2.50) Leff r σl   eff  2.2.4.4. Gi i h n ñ nh t c a môi ch t Trong [25], Busse (1973) thì gi i h n ñ nh t c a môi ch t ñư c xác ñ nh theo công th c : r .r.ρ h . p h . Ah Q dn , max = h (2.51) 16.µ h .Leff 2.2.4.5. Gi i h n sôi Gi i h n sôi ñư c xác ñ nh theo công th c (4.80), [2]: 2π .Ls .λeff .Th  2σ l  Qs , max = . − ∆Pcap , max  (2.53) ri  rn    r.ρ h . ln rh
-12- 2.2.5. Các nhân t nh hư ng t i công su t nhi t c a ng nhi t mao d n 2.2.5.1. nh hư ng c a c u trúc b c Theo [41] ñã xét s nh hư ng c a lo i c u trúc b c ñ i v i ng nhi t mao d n có công su t nhi t Q = 10W, ñư ng kính Φ = 3mm trong 2 trư ng h p ñ t theo hư ng ñ ng (ph n ngưng ñ t trên ph n sôi) và theo hư ng n m ngang. Nhi t tr (oC/W) rãnh s i xo n c lư i s i xo n c thiêu k t lư i rãnh thiêu k t b t kim lo i Chi u dài (mm) Chi u dài (mm) Hình 2.23 – Trư ng h p ñ t Hình 2.24 – Trư ng h p ñ t ng ng n m ngang ñ ng theo hư ng tr ng trư ng Qua hình 2.23 và 2.24, ta th y r ng ng nhi t mao d n có c u trúc b c rãnh nó làm vi c t t nh t trong ñi u ki n ñ t ñ ng theo hư ng tr ng trư ng (ph n ngưng ñ t trên ph n sôi). Còn khi ng nhi t ñ t n m ngang thì c u trúc b c lo i thiêu k t làm làm vi c t t nh t. 2.2.5.2. nh hư ng c a kích thư c hình h c c a ng nhi t mao d n T c ñ chuy n ñ ng c a hơi t ph n sôi ñ n ph n ngưng b nh hư ng b i ñ chênh l ch áp su t hơi gi a 2 ph n ñó. Và nó cũng b nh hư ng b i ñư ng kính và chi u dài c a ng nhi t mao d n. Vì v y, khi thi t k ng nhi t mao d n c n tính ñ n kích thư c hình h c c a ng nhi t mao d n. Theo [41] ñã xét s nh hư ng kích thư c hình h c c a ng nhi t mao d n làm b ng v t li u ñ ng, c u trúc b c rãnh, môi ch t là nư c.
-13- Góc nghiêng: 0o V t li u: Đ ng Qmax.leff (W.m) Môi ch t: Nư c Qmax (W) B c rãnh Nhi t ñ làm vi c (oC) Nhi t ñ làm vi c (oC) Hình 2.25 – S nh hư ng c a d ñ i Hình 2.26 – S nh hư ng c a l ñ i v i Qmax c a ng nhi t mao d n v i Qmax c a ng nhi t mao d n Qua hình 2.25 ta th y ñư ng kính c a ng càng l n thì công su t nhi t càng l n. Còn hình 2.26 ta th y ng nhi t mao d n có chi u dài l n hơn s có công su t truy n t i nhi t nh hơn và ngư c l i. Ngoài ra, khi làm vi c nhi t ñ cao hơn thì công su t nhi t l n hơn. 2.2.5.3. nh hư ng c a góc nghiêng Φ Nhi u nhà nghiên c u th y r ng, ng v i m i môi ch t n p, c u trúc b c thì ñ u có giá tr góc nghiêng t i ưu Φtư ñ công su t nhi t c a ng nhi t mao d n l n nh t. Theo [41] ñ i v i ng nhi t mao d n có c u trúc b c rãnh làm b ng v t li u ñ ng, môi ch t n p là nư c thì làm vi c góc nghiêng t i ưu Φtư = -70 ( ng ñ t cùng hư ng tr ng trư ng). Và nó cũng làm o vi c ñư c khi góc nghiêng Φ = 0o ( ng ñ t n m ngang). Theo [3] ñ i v i ng nhi t mao d n có di = 30 mm, l = 0,5 m, c u trúc b c lư i g m 3 l p lư i b ng thép không rĩ có s mesh N = 68 và môi ch t n p là nư c, v i lư ng n p ξ = 45%, nhi t ñ hơi 50oC, 70oC, góc nghiêng thay ñ i t -10o -60o. K t qu thí nghi m có ñư c góc nghiêng Φtu = -15o -30o và ng nhi t mao d n ho t ñ ng khá t t Φ = 0o nhưng ng s không ho t ñ ng ñư c khi góc nghiêng Φ > 10o (ngư c hư ng tr ng trư ng).
-14- 2.2.5.4. nh hư ng c a lư ng môi ch t n p Theo [3] góc nghiêng Φ = 0o hai giá tr nhi t ñ hơi trong o o ng th = 50 C và 70 C, lư ng n p thay ñ i t ξ = 30% 70%. K t qu cho th y ñây t n t i giá tr lư ng n p t i ưu ξtu ng v i nó công su t nhi t ñ t giá tr l n nh t. Giá tr n p t i ưu ñây là 40% 50% (giá tr l n nhi t ñ hơi l n và ngư c l i). Khi n p ch t l ng nh hơn ho c l n hơn ñ u d n t i s gi m công su t nhi t. CHƯƠNG 3 NGHIÊN C U TÍNH TOÁN THI T K THI T B TRAO Đ I NHI T LÀM B NG NG NHI T MAO D N Trong lu n văn, chúng tôi nghiên c u tính thi t k thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n ñ làm mát các linh ki n ñi n t . 3.1. PHƯƠNG PHÁP TÍNH Thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n (TBTĐN- ONMD) (hình 3.1) có ph n nh n nhi t g n v i b m t phát nhi t c a linh ki n ñi n t thông qua t m l p ráp, ph n gi i nhi t có làm cánh bên ngoài, b m t trong c a ng có g n b c, bên trong có n p môi ch t. Nhi t ñ b m t linh ki n ñi n t g n v i t m l p ráp có nhi t ñ tz, không khí l nh bên ngoài có nhi t ñ tw (tw < tz) ñư c qu t gi i nhi t th i v i lưu lư ng Vkk qua ph n gi i nhi t. Đ thi t k ñư c TBTĐN-ONMD trên thì c n xác ñ nh công su t toàn b Q c a m t ng nhi t mao d n và s ng nhi t mao d n n ng có trong thi t b . Hình 3.1 – Thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n
-15- Thông s thi t k : - Các thông s c a linh ki n ñi n t và qu t - Nhi t ñ môi trư ng - Yêu c u không gian l p ñ t - Đ ph c t p Ch n lo i môi ch t làm vi c: - H s ñ c trưng M - Kho ng nhi t ñ làm vi c - Nh ng yêu c u khác Ch n lo i v t li u làm v : - Phù h p v i ch t l ng làm vi c - Phù h p v i môi trư ng xung quanh Ch n lo i b c, kích thư c b c và v t li u làm b c: - C t áp mao d n yêu c u - V t li u làm b c phù h p v i v và môi ch t Xác ñ nh các nhi t tr , sau ñó tính công su t nhi t c a 1 ng nhi t mao d n Q Tính toán các công su t gi i h n Qmax: - Gi i h n b c - Gi i h n lôi cu n - Gi i h n sôi S Qmax > Q ? Đ Xác ñinh s lư ng ng nhi t mao d n trong thi t b trao ñ i nhi t và c u trúc thi t b Kích thư c TBTĐN có S phù h p không ? Đ L a ch n thi t k v nhi t, cơ khí và các phương án ki m tra ñ ñ m b o t i ưu (l a ch n phương pháp ch t o) Hình 3.2 – Sơ ñ tính toán thi t k thi t b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n
-16- 3.2. THI T K THI T B TRAO Đ I NHI T LÀM B NG NG NHI T MAO D N Trong lu n văn này, chúng tôi tính thi t k TBTĐN-ONMD ñ làm mát các môñun IBGT (insulated gate bipolar transistor - transistor có c c ñi u khi n cách ly). 3.2.1. Thông s thi t k Hình 3.3 – Môñun IGBT - Các thông s linh ki n ñi n t IBGT : c a hãng MITSUBISHI nhi t ñ c c ñ i cho phép tjmax, nhi t lư ng phát sinh QIBGT, nhi t tr t ti p giáp bán d n ñ n v Rth(j-c), chi u dài aIBGT, chi u r ng bIBGT và cách b trí k1 hàng, k2 c t trên t m l p ráp c a các IBGT. Khi ñó: nhi t ñ tz = tjmax – QIBGT.Rth(j-c) và công su t c a b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n : Qhi = k1.k2.QIBGT , [W]. - Thông s c a qu t gi i nhi t: chi u dài qu t aq , chi u r ng qu t bq , lưu lư ng Vkk và s lư ng qu t kq. t kk1 + t kk 2 Khi ñó : nhi t ñ t w = t kk = , [oC]. 2 V i : tkk1 là nhi t ñ c a không khí ngoài tr i vào TBTĐN-ONMD. Q IBGT t kk 2 = t kk 1 + là nhi t ñ c a không khí ra Vkk .ρ kk .C pkk TBTĐN-ONMD. - Yêu c u không gian l p ñ t : chi u dài ph n ño n nhi t La và góc nghiêng Φ. - ph n nh n nhi t c a TBTĐN-ONMD do t m l p ráp làm b ng v t li u nhôm có h s d n nhi t λt l n và ng n m trong t m l p ráp nên có th xem phân b nhi t ñ xung quanh ng ñ ng ñ u. Và thông s bư c ng ngang s1 [m] ñư c ch n trên cơ s ñ m b o ñi u ki n áp d ng công th c (3.35) theo [56] thì 20,4 ≤ s1 ≤ 31,8 mm.
-17- tz δt , λt de ,di , λ s1 δw , λw 2 s1 s1 2 Hình 3.5 – M t c t t i ph n nh n nhi t - ph n gi i nhi t c a TBTĐN-ONMD có các thông s : bư c ng d c s2 [m], chi u dày c a cánh t n nhi t tc [m], kho ng cách 2 cánh k ti p zc [m] ñư c ch n trên cơ s ñ m b o ñi u ki n áp d ng công th c (3.35), theo [56] thì 1 ≤ δ c + z c ≤ 8,7 mm, và 12,7 ≤ s2 ≤ 32 mm. tc zc de s2 2 s1 s1 2 Hình 3.6 – Ph n gi i nhi t c a b trao ñ i nhi t làm b ng ng nhi t mao d n 3.2.2. Ch n môi ch t n p ng v i kho ng nhi t ñ làm vi c 30 150oC thì nư c là môi ch t có ñ t tính nhi t t t nh t nên nó ñư c ch n là môi ch t làm vi c. 3.2.3. Ch n v t li u làm v ng, cánh t n nhi t và t m l p ráp Vì ñ ng là lo i v t li u có kh năng d n nhi t t t nh t, d gia công ch t o ng nhi t mao d n nên ñ ng ñư c ch n là v t li u làm
-18- v c a ng nhi t mao d n trong thi t b trao ñ i nhi t c n thi t k . Tuy nhiên, vi c ch n kích thư c ñư ng kính ngoài de c a ng ñ ng thì c n ph i ñ m b o ñi u ki n áp d ng công th c (3.35), theo [56] thì 6,9 ≤ d e + 2.δ c ≤ 13,6 mm (v i δc là chi u dày cánh t n nhi t). Đ ñ m b o hi u qu trao ñ i nhi t, gia công và tính hi u qu kinh t thì cánh t n nhi t ph n ngưng làm b ng ñ ng và t m l p ráp ñ g n linh ki n ñi n t ph n sôi ñư c làm b ng v t li u nhôm. 3.2.4. Ch n lo i b c, v t li u làm b c và kích thư c b c mao d n Đ ñ m b o công su t nhi t c a b trao ñ i nhi t thì c u trúc b c k t h p nhi u lư i và c u trúc b c lư i bao ph rãnh ñư c s d ng ñ làm b c cho ng nhi t mao d n b i vì chúng là lo i c u trúc b c ñơn gi n và d ch t o nh t. Và v t li u ñ ng, niken thư ng ñư c ch n làm lư i vì có h s d n nhi t l n và d ch t o thành lư i có h s mesh (s m t lư i trên chi u dài 1 in t c là 25,4 mm) l n. Vi c ch n kích thư c b c mao d n ph i ñ m b o sao cho các thông s c a b c : bán kính l mao d n hi u d ng reff, ñ r ng ε, ñ th m th u K và h s d n nhi t hi u d ng λeff h p lý, t c là ñ m b o công su t nhi t c a TBTĐN-ONMD c n thi t k . 3.2.5. Tính công su t nhi t c a m t ng nhi t mao d n Đ xác ñ nh ñư c công su t nhi t Q, c n gi i h phương trình: ∆t t − tw tz − tw Q= = z = (3.15) R R E + Ri (R1 + R 2 + R8 + R9 ) + (R3 + R7 ) t +t Q[(R8 + R9 ) − (R1 + R2 )] ( I ) th = z w + (3.16) 2 2 δw  1 1  Ri = L + L  .  (3.17) λ eff .π .d i  s n  ñây theo các công th c s tay k thu t nhi t ta có th d dàng xác ñ nh ñư c các nhi t tr ngoài R1, R2, R8, R9 nhưng các nhi t tr
-19- trong R3, R7 thì chưa xác ñ nh ñư c do ph thu c h s d n nhi t hi u d ng λeff (m t ñ i lư ng chưa bi t vì ph thu c vào nhi t ñ th). Vì v y, ñ xác ñ nh Q chúng tôi s d ng phương pháp l p ñ gi i h phương trình (I) và quá trình l p có th tóm t t như sau: - Bư c 1 : Cho giá tr t ng nhi t tr trong Ri = R3 + R7 = 0. - Bư c 2 : Xác ñ nh R1, R2, R8, R9; r i t (3.15) tính ñư c Q (Q’). - Bư c 3 : Thay Q vào (3.16) tính ñư c nhi t ñ hơi nư c th. - Bư c 4 : T giá tr th ñã tính, tra b ng thông s v t lý c a nư c ñ xác ñ nh ñư c h s d n nhi t c a nư c λl. R i sau ñó tính h s d n nhi t hi u d ng λeff theo công th c (3.10) ho c (2.28). - Bư c 5 : Thay giá tr λeff ñã tính vào (3.17) tính l i ñư c Ri. - Bư c 6 : T Ri (c a bư c 5) tính l i giá tr Q (Q”) theo công th c (3.15). - Bư c 7: Tính sai s ε = 1 − Q" . R i so sánh ε v i [ε] = 0,01%. Q' + N u ε ≤ [ε] → ch p nh n th, λeff và giá tr công su t nhi t Q. + N u ε > [ε] → l p l i các bư c t 3 7 v i giá tr Q ( công th c (3.16)) b ng Q” . * Tính các thành ph n nhi t tr - Đ ñơn gi n tính toán, gi thi t r ng ph n t m l p ráp bao quanh bên ngoài ng nhi t mao d n là có d ng hình tr v i chi u dày s −d vách tr tương ñương : δ tñ = 1 e , [m] (3.18) 2 Như v y nhi t tr d n nhi t qua t m l p ráp: 1  d + δ tñ  o R1 = . ln e  , [ C/W] (3.19) 2.π .λt .Ls  d e    - Nhi t tr d n nhi t qua vách ng ph n sôi: 1 d  R2 = . ln e  , [oC/W] (3.20) 2.π .λ.Ls  d i  
-20- - Nhi t tr c a b c mao d n trong ph n sôi: δw R3 = , [oC/W] (3.21) λeff . Aw,s ñây: di n tích b m t b c ph n sôi: Aw,s = π.di.Ls , [m2] - Nhi t tr c a b c mao d n trong ph n ngưng: δw R7 = , [oC/W] (3.22) λeff . Aw,n ñây: di n tích b m t b c ph n ngưng: Aw,n = π.di.Ln , [m2] - Nhi t tr d n nhi t qua vách ng ph n ngưng: 1 d  R8 = . ln e  , [oC/W] (3.23) 2.π .λ .Ln  d i    - Nhi t tr c a ngu n làm mát: 1 R9 = , [oC/W] (3.24) α w . Ae, n 3.2.6. Tính công su t gi i h n c a ng nhi t mao d n Đ i v i ng nhi t mao d n dùng ch t l ng không ph i là kim lo i l ng thì ch c n quan tâm ñ n các công su t gi i h n mao d n, gi i h n lôi cu n và gi i h n sôi. 3.2.6.1. Gi i h n mao d n 3.2.6.2. Gi i h n lôi cu n 3.2.6.3. Gi i h n sôi 3.2.7. Ki m tra s ho t ñ ng c a ng nhi t mao d n ng nhi t mao d n ho t ñ ng bình thư ng khi ñ m b o ñi u ki n: Q < Qcap,max Q < Qa,max (3.36) Q < Qlc,max N u không tho mãn ñi u ki n trên thì c n ph i ch n l i các thông s ph n 3.2.1, 3.2.3, 3.2.4 cho phù h p.