ผลของความเร่งหนีศูนย์กลางและสารทำงานที่มีต่อขีดจำกัดสมรรถนะของท่อความร้อนชนิดสั่นวงรอบแบบหมุน

Effects of centrifugal accelerations and working fluids on performance limit of rotating closed-loop pulsating heat pipes

Name: ชิณภัธร พัฒนถาบุตร์

ThaSH: เครื่องจักรกล

ThaSH: ท่อความร้อน

ThaSH: ท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบแบบหมุน

ThaSH: ความต้านทานความร้อน

Abstract: งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาเกี่ยวกับลักษณะการเกิดสภาวะวิกฤต และศึกษาถึงตัวแปรที่ส่งผลต่อค่าความหนาแน่นทางความร้อนวิกฤตของท่อความร้อนชนิดสั่นวงรอบแบบหมุนโดยใช้การทดลองเชิงปริมาณ ท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบแบบหมุนในการทดลองครั้งนี้ถูกสร้างขึ้นจากท่อแคพิลลารี (Capillary Tube) ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.78 mm ซึ่งถูกดัดโค้งเป็น โค้งเลี้ยวที่มีจำนวนแตกต่างกัน 3 จำนวนคือ 11, 22 และ 33 โค้งเลี้ยว ความยาวในส่วนทำระเหย และความยาวส่วนควบแน่นจะมีขนาดเท่ากัน โดยความยาวส่วนทำระเหยจะถูกปรับเปลี่ยนเป็น 2 ค่าความยาวด้วยกันคือ 50 mm และ 100 mm สารทำงานภายในที่ใช้ในการทดลองมีทั้งหมด 3 ชนิดคือ R123, เอทานอล และน้ำ ซึ่งสารทำงานเหล่านี้จะถูกเติมเข้าสู่ท่อความร้อนในขณะที่ภายในท่อความร้อนมีค่าความดันที่เป็นสุญญากาศโดยเติมสารทำงานปริมาณ 50% โดยคิดจากปริมาตรทั้งหมดของท่อความร้อน ท่อความร้อนจะถูกเหวี่ยงด้วยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางทั้งหมด 4 ค่าคือ 0.5g. 1g, 5g และ 10g เมื่อค่า g คือค่าแรงโน้มถ่วงของโลก ดังนั้นตัวแปรที่ส่งผลต่อค่าความหนาแน่นทางความร้อนวิกฤตในการทดลองครั้งนี้จะมีทั้งหมด 4 ตัวแปร ได้แก่ ค่าความเร่งหนีศูนย์กลาง, ชนิดของสารทำงาน, จำนวนโค้งเลี้ยว และ ค่าความยาวของส่วนทำระเหย จากการศึกษาพบว่า เมื่อท่อความร้อนชนิดสั่นวงรอบแบบหมุนเข้าสู่สภาวะวิกฤตนั้นสารทำงานภายในท่อความร้อนจะเกิดการแห้ง และไม่สามารถส่งผ่านความร้อนจาก ส่วนทำระเหยไปสู่ส่วนควบแน่นได้ตามปกติ โดยจะเกิดการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนของท่อความร้อนอยู่ 3 ลักษณะด้วยกันคือ อุณหภูมิส่วนควบแน่นจะมีค่าลดลง, ค่าอุณหภูมิผลต่างระหว่างส่วนทำระเหยกับส่วนควบแน่นมีค่าเพิ่มขึ้น และค่าความต้านทานทางความร้อนมีค่าเพิ่มขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับค่าความร้อนที่จ่ายให้กับส่วนทำระเหยในระดับที่ต่ำกว่า ในส่วนของการทดลองที่เกี่ยวกับการปรับเปลี่ยนตัวแปรที่ส่งผลต่อค่าความหนาแน่นทางความร้อนวิกฤต พบว่าเมื่อค่าความเร่งหนีศูนย์กลางเพิ่มขึ้นจาก 0.5g, 1g, 5g และ 10g ค่าความหนาแน่นทางความร้อนวิกฤตของท่อความร้อนลดลงเนื่องจากการเพิ่มแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางส่งผลให้สารทำงานสารมารถไหลกลับไปรับความร้อนที่ส่วนทำระเหยได้ด้วยอัตราเร็วที่เพิ่มขึ้น การะเหยของสารทำงานจึงเพิ่มสูงขึ้น จึงส่งผลให้สารทำงานเปลี่ยนรูปแบบการไหลเป็นการไหลแบบวงแหวนได้ง่ายขึ้นจึงเกิดการแห้งของสารทำงานได้ค่าความร้อนต่ำ ค่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของสารทำงานเมื่อมีค่เพิ่มขึ้นจาก 160kJ/kg เป็น 904 kJ/kg และ 2,260 kJ/kg พบว่าค่าความหนาแน่นทางความร้อนวิกฤตมีค่าเพิ่มขึ้นเนื่องจากการเพิ่มค่าความร้อนแฝงของสารทำงานส่งผลให้สารทำงานมีอัตราการระเหย และอัตราการไหลที่ต่ำลงสารทำงานจึงเปลี่ยนรูปแบบการไหลเป็นแบบวงแหวน ได้ยากมากยิ่งขึ้นส่งผลให้ท่อความร้อนเกิดสภาวะวิกฤตที่ค่าความร้อนสูงขึ้น ความยาวส่วนทำระเหยของท่อความร้อนเมื่อมีต่ำเพิ่มขึ้นจาก 50mm เป็น 100 mm พบว่าค่าความหนาแน่นทางความร้อนวิกฤตของท่อความร้อนมีค่าลดลง เนื่องจากการเพิ่มค่าความยาวส่วนทำระเหยเป็นการเพิ่มผิวสัมผัสในการรับความร้อนของท่อความร้อน อัตราการระเหยและอัตราการไหลของสารทำงานจึงเพิ่มสูงขึ้น สารทำงานจึงเปลี่ยนรูปแบบการไหลเป็นแบบวงแหวนได้ง่าย และเกิดสภาวะวิกฤตที่ต่ำความร้อนต่ำลง ในส่วนของจำนวนโค้งเลี้ยวที่ส่งผลต่อค่าความหนาแน่นทางความร้อนวิกฤตของท่อความร้อนพบว่า เมื่อจำนวนโค้งเลี้ยวของท่อความร้อนที่มีความยาวส่วนทำระเหยเป็น 50mm มีค่าเพิ่มขึ้นจาก 11 เป็น 22 และ 33 โค้งเลี้ยว จะส่งผลให้ค่าความหนาแน่นทางความร้อนวิกฤตนั้นมีค่าลดลง ส่วนท่อความร้อนที่มีความยาวส่วนทำระเหยที่ 100 mm พบว่าเมื่อจำนวนโค้งเลี้ยวมีต่ำเพิ่มขึ้นจาก 11 เป็น 22 โค้งเลี้ยว จะส่งผลให้ค่าความหนาแน่นทางความร้อนวิกฤตนั้นมีค่าเพิ่มขึ้น เป็นผลมาจากอัตราการเพิ่มค่าความดันสูญเสียภายในท่อความร้อนนั้นมีค่ามากกว่าอัตราการเกิดฟองของสารทำงาน สารทำงานจึงเปลี่ยนรูปแบบการไหลเป็นแบบวงแหวนได้ยาก ส่งผลให้เกิดการแห้ง และเกิดสภาวะวิกฤตได้ยาก จากนั้นเมื่อทำการเพิ่มจำนวบโค้งเลี้ยวจาก 22 เป็น 33 โค้งเลี้ยว จะส่งผลทำให้ค่าความหนาแน่นทางความร้อนวิกฤตนั้นมีค่าลดลงสาเหตุเนื่องมาจากการเพื่มจำนวนโค้งเลี้ยวดังกล่าวส่งผลให้อัตราการเพิ่มแหล่งการเกิดฟอง มากกว่าอัตราการเพิ่มค่าความดันสูญเสียภายในท่อความร้อนสารทำงานจึงมีอัตราการไหลที่สูง เปลี่ยนรูปแบบการไหลเป็นแบบวงแหวนได้ง่าย และเกิดสภาวะวิกฤตได้ง่าย ผลจากงานวิจัยได้นำไปสู่การสร้างสมการสหสัมพันธ์เพื่อใช้ในการทำนายค่าขีดจำกัดสมรรถนะทางความร้อนของท่อความร้อนชนิดสั่นวงรอบแบบหมุนซึ่งมีค่าความคลาดเคลื่อนอยู่ที่ 22.68% ซึ่งอยู่ในสมการแสดงความสัมพันธ์ของตัวแปรไร้มิมิติดังสมการ Kumax=1.83 x 1020 Fr12.996Ka0.137Bo-0.056Ja-0.212Pr0.545 LeDi-13.316 LtLe-0.051 ซึ่งสามารถนำไปคำนวณหาค่าความหนาแน่นทางความร้อนวิกฤตของท่อความร้อน เพื่อใช้ประกอบการออกแบบท่อความร้อนชนิดสั่นวงรอบแบบหมุนที่นำไปติดตั้งให้กับอุปกรณ์หรือเครื่องจักรแบบหมุนได้โดยไม่เกิดการทำงานเข้าสู่ช่วงสภาวะวิกฤต

Abstract: This research was studied for determine the reason on occurrence of the critical state of the rotating closed-loop pulsating heat pipe (RCLPHP) and to identify the effect of the centrifugal acceleration, working fluid, evaporation length and the meandering turn numbers to the critical heat flux (Q̇ crit) of the RCLPHP. Therefore, there are 4 dependent variables in this experiment. The quantitative experiment was performed by using the RCLPHP constructed from a 1.78 mm diameter copper capillary tube, which was bent into three different number of meandering turns: 11, 22 and 33 turn. The length of evaporator section and the length of the condenser section of heat pipe are equal. The evaporator section length was adjusted to two values, 50 mm and 100 mm. The working fluid were R123, ethanol and water. The filling ratio of the working fluid was 50% by volume of the RCLPHP. Additionally, the centrifugal acceleration of the RCLPHP was varied within 0.5g, 1g, 5g, and 10g, where g is the Earth's gravity. The experiment found that when the RCLPHP was reach into the critical state, the working fluid inside the heat pipe was dry-out and unable to transfer the heat from the evaporator sections to the condenser section. The critical state of the RCLPHP can be observed from 3 thermal characteristics as follows: the temperature of condenser section was decreased, the difference temperature between the evaporator section and condenser section was increased and the thermal resistance was increased when compared with the previous value of the heat input to the evaporator section. In the experiment involving the effect of dependent variables to the critical state of the RCLPHP, it was found that when the centrifugal acceleration was increased from 0.5g, 1g, 5g by 10g, the critical thermal density of the heat pipe was decreased. When the latent heat of the working fluid was increased from 160 kJ/kg to 904 kJ/kg and 2,260 kJ/kg, the critical heat flux of the RCLPHP was increased. Increasing the length of the evaporator section of the RCLPHP from 50 mm to 100 mm, the critical heat flux of the heat pipe was decrease. Regarding the number of meandering turns, it was found that when the number of meanderings turns of the heat pipe with the evaporator section length of 50 mm is increased from 11 to 22 and 33 turns, the critical heat flux was decreased. In contrast, the heat pipe with the evaporator section length of 100 mm found that when the number of turns was increased from 11 to 22 turns, the critical heat flux was increased and when the number of turns was increased from 22 to 33 turns, the critical heat flux was decreased. The results of this research led to the creation of a correlation for predicting the thermal performance limit of the RCLPHP. The correlation for calculate the performance limt of the RLPHP is Kumax=1.83 x 1020 Fr12.996Ka0.137Bo-0.056Ja-0.212Pr0.545 LeDi-13.316 LtLe-0.051. The correlation can be used to calculate the critical heat flux of heat pipes for design of the RCLPHP that can be installed on a rotating device or machine without operating into critical state.

มหาวิทยาลัยเชียงใหม่. สำนักหอสมุด

Address: เชียงใหม่

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: นิติ คำเมืองลือ

Role: อาจารย์ที่ปรึกษา

Created: 2565

Modified: 2566-10-09

Issued: 2566-10-09

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

tha

DegreeName: วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต

Level: ปริญญาโท

Descipline: วิศวกรรมเครื่องกล

Grantor: มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

©copyrights มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	610631043.pdf	8.79 MB	13	2026-05-26 18:16:01

ใช้เวลา

0.027635 วินาที