CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của ống nhiệt Ống nhiệt đã được phát minh ra từ rất lâu (1836), sau đó bị lãng quên. Từ những năm 1970 trở 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 năm 1836 và được phổ biến rộng rãi trong thời gian này. Ống nhiệt trọng trường của Perkin là ống nhiệt bằng thép Cacbon bên 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 khí thải đốt nóng không 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. Năm 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 ông tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở bang New Mehico vào năm 1963, 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. 1 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 Xô (USSR). Những sách về ống nhiệt đầu tiên được xuất bản của S. Vì tầm quan trọng của ống nhiệt mà các nhà khoa học trên thế giới đã có những cuộc họp khoảng 2, 3 năm một lần tại hội nghị quốc tế về ống nhiệt gọi là IHPC (Int.Heat Pipe Conference).
Các hội nghị IHPC được tổ chức tại các nước như sau: IHPC 1 tiến hành năm 1973 tại Stutgart – 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 Mehico – Mỹ IHPC 10 tiến hành năm 1997 tại Stutgart – 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 hành năm 2007 tại Florianopolis – Brazil Ở Việt Nam sự nghiên cứu về ống nhiệt mới chỉ là những bước đi đầu tiên tại viện Khoa học và công nghệ nhiệt lạnh Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Khoa Nhiệt – trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng.2 Nghiên cứu về ống nhiệt trong và ngoài nước 1. Nghiên cứu đặc điểm trao đổi nhiệt trong bộ hâm nước tận dụng nhiệt khói thải nồi hơi công nghiệp. Trường đại học bách khoa, ĐHQG TP. [8] Từ các kết quả thực hiện thí nghiệm chúng tôi rút ra một số kết luận về trao đổi nhiệt trong bộ hâm nước kiểu dàn ống có cánh chế tạo trong nước như sau: - Khi nồi hơi vận hành non tải, lưu lượng khói vào bộ ECO giảm nhanh chóng (tỉ lệ thuận với tải), tốc độ dòng khí yếu dẫn đến sự sụt giảm của hệ số truyền nhiệt là đại lượng có vai trò quyết định đến lượng nhiệt trao đổi.
Năng suất thu hồi nhiệt của thiết bị giảm. - Độ hâm nước Δtn giảm dần theo sự giảm tải, đạt mức (24 ÷ 30) 0C. Như vậy nếu nước cấp cho nồi hơi không được gia nhiệt trước thì nhiệt độ nước sau bộ ECO sẽ không hơn 60 oC. - Hệ số truyền nhiệt tính về phía mặt trong ống k1 = 258 W/(m2K) khi thiết bị làm việc ở chế độ định mức.
- Nhiệt lượng trao đổi Q = (10 ÷ 25) kW cho khoảng chế độ tải (50 ÷ 100) %. Nếu tính bình quân cho 1 mét ống có cánh thì Q1 = (1. - Khi hồi nước ngưng nóng về nhà lò thì năng suất trao đổi nhiệt giảm một chút. - Trở lực của dòng khí qua bộ ECO được thiết kế, chế tạo trong nước rất ổn định.
Giá trị lớn nhất đo được là 6 mmH20, không ảnh hưởng tới chế độ cháy. So sánh các chỉ tiêu về tận dụng nhiệt thải xác định từ thực nghiệm với tính toán lý thuyết thì chúng đều kém hơn khoảng (10 ÷12) %. Điều này cho thấy thiết bị trao đổi nhiệt do chúng ta tự chế tạo chắc chắn còn có hiệu suất thấp, cần thiết phải có sự hiệu chỉnh bổ sung. Vì thế kết quả nghiên cứu trên chắc chắn rất hữu ích cho việc thiết kế và chế tạo bộ hâm nước tận dụng nhiệt khói thải ở các nồi hơi công nghiệp đốt dầu DO hay đốt gas.
Đối với nồi hơi đốt dầu FO cần có thêm những nghiên cứu cụ thể hơn.2 Luận văn tốt nghiệp đại hoc của nhóm sinh viên Phạm Đức Duy, Mai Cánh Tiến, Đậu Hoàng Vũ. Nghiên cứu khả năng truyền nhiệt của ống nhiệt. Trường đại học SPKT TP. [9] Dựa vào các kết quả thu được từ thí nghiệm và phân tích ở trên.
Ống nhiệt đồng chất được đặt trong điều kiện môi trường tự nhiên với dung môi là nước, khi gia nhiệt thì sự truyền nhiệt có thể chịu ảnh hưởng bởi mực nước, góc nghiêng gá đặt ống, đường kính ống nhiệt và nhiệt độ gia nhiệt. - Sự ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ càng cao thì khả năng gia nhiệt càng tốt. Tốc độ gia nhiệt càng nhanh, nhiệt độ top có thể lên cao. - Sự ảnh hưởng của mực nước: Mực nước càng cao thì tốc độ gia nhiệt càng chậm nhưng nhiệt độ top lên càng cao và ngược lại.
- Sự ảnh hưởng của góc nghiêng: Ống nhiệt ∅42 mm: Góc càng nhỏ, tốc độ gia nhiệt càng nhanh, nhiệt độ top lên càng cao. Và ngược lại. Ống nhiệt ∅34 mm: Góc càng nhỏ, tốc độ gia nhiệt lên càng nhanh nhưng nhiệt độ top lên không cao và không ổn định. Và ngược lại.
Ống nhiệt ∅27 mm: Góc càng nhỏ, tốc độ gia nhiệt lên càng nhanh nhưng nhiệt độ top lên thấp nhưng ổn định. Và ngược lại. - Sự ảnh hưởng của đường kính ống: Đường kính ống lớn cho khả năng gia nhiệt tốt, tốc độ nhiệt lên càng nhanh, và nhiệt độ top lên cao. Ống nhiệt 34 mm cho khả năng truyền nhiệt tốt nhất.
Tuy nhiên, đến hiện nay, lĩnh vực điều khiển nhiệt độ khuôn chỉ được hiểu và thực hiện theo hướng giải nhiệt cho khuôn, với mục tiêu quan trọng nhất là làm nguội khuôn trong thời gian ngắn nhất. Ngược lại, quá trình gia nhiệt cho khuôn vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Do đó, thực trạng của sản xuất sản phẩm nhựa tại Việt Nam chỉ dừng lại ở nhóm các sản phẩm đơn giản, chất lượng thấp, và chủ yếu tập trung vào lĩnh vực hàng tiêu dùng. Ngoài ra, khả năng hạn chế các khuyết tật cho sản phẩm nhựa theo phương pháp gia nhiệt cho khuôn vẫn chưa được xem xét và ứng dụng.3 Nguyễn Thiên Hoàng.
Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt trọng trường với môi chất nạp là ethanol. [5] Trong nghiên cứu này tác giả đã chọn Ethanol làm môi chất nạp trong ống vì loại rượu này còn ít được nghiên cứu và giá thành lại rẻ hơn các loại rượu khác nên khá phù hợp cho việc áp dụng vào thực tế, đồng thời ở vùng nhiệt độ không cao từ 30 0C – 80 0C tốt nhất là nên dùng các loại rượu như Methanol, Ethanol. Kết quả của nghiên cứu đi vào ba vấn đề chính, thứ nhất là ảnh hưởng vào nhiệt độ hơi th, thứ hai là ảnh hưởng của lượng nạp, thứ ba là ảnh hưởng của lượng môi chất nạp tới công suất nhiệt của ống nhiệt. Xét ảnh hưởng của góc nghiêng Φ tới công suất nhiệt của ống nhiệt tác giả chọn lượng môi chất nạp ξ= 50 %, góc nghiêng so với phương ngang 100, 200, 400, 600, và đo các thông số ở hai mức nhiệt độ hơi không đổi là 40 0C và 60 0C.
Bằng thử nghiệm đã chỉ ra được sự phụ thuộc của công suất nhiệt Qi vào góc nghiêng. Kết quả ở nhiệt độ th từ 40 oC – 60 oC ống nhiệt hoạt động hiệu quả nhất (đạt công suất lớn nhất) ở góc nghiêng Φ từ 20o - 30o.1: Ảnh hưởng của góc nghiêng Φ tới công suất nhiệt Qi Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng nạp tới công suất nhiệt của ống nhiệt, tác giả tiến hành thí nghiệm tại góc nghiêng Φ= 90o tại nhiệt độ th= 40 0C, th= 60 0C với lượng nạp khác nhau: ξ= 30 (%), ξ= 40 (%), ξ= 50 (%), ξ= 60 (%) 5 Bằng thử nghiệm đã chỉ ra được sự phụ thuộc của công suất nhiệt Qi vào lượng nạp môi chất. Ở đây, tại nhiệt độ th từ 40 oC – 60 oC ống nhiệt hoạt động hiệu quả nhất (đạt công suất lớn nhất) ở lượng nạp thích hợp ξ= (40-50) %.2: Ảnh hưởng của lượng nạp ξ tới công suất nhiệt Qi 1.4 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Nguyễn Thành Sơn. Nghiên cứu tính chất nhiệt của ống nhiệt mao dẫn.
Đại học Đà Nẵng. [10] Nội dung đề tài nói về phương pháp xác định lượng nhiệt Q cho một ống mao dẫn thì cần giải hệ phương trình theo phương pháp lặp và viết thành phần mềm tính toán dự trên thuật toán được thiết lập sẳn.5 Đặng Thành Trung, Nguyễn Trọng Thức. Nghiên cứu chế tạo mô hình thí nghiệm ống nhiệt trọng trường. Qua phân tích các loại ống nhiệt tác giả thấy ống nhiệt trọng trường có đặc tính nhiệt tốt, dễ chế tạo do đó tác giả dùng loại ống này để thí nghiệm.
Môi chất nạp trong ống là cồn, rượu, nước.