Heat Transfer Characteristics and Flow Pattern Behaviors of a Helical Oscillating Heat Pipe with a Check Valve

Abstract

At present energy-saving devices are required in many industries. Heat pipes have the ability to reuse wasted energy. The helical oscillating heat pipe (HOHP) is a new and unique energy-saving device with high performance. A check valve made the oscillating heat pipe perform better, but literature in the area of the paucity of the helical oscillating heat pipe with a check valve (HOHP/CV) needs research on the heat transfer characteristics and flow pattern behaviors of the HOHP/CV. This research aimed to study the heat transfer characteristics and flow pattern behaviors of the HOHP/CV with various working fluids, including R-11 ethanol and DI water. The HOHP/CV was made from copper and glass tubes with an inner diameter of 1.8 2.4 and 3.4 mm. The condenser and the evaporator were equal lengths, this parameter was divided into three lengths, 600 800 and 1000 mm of the straight tube before bending to a helical shape. The coil diameter was fixed at 50 mm, and the pitch was fixed at 10 mm. The HOHP/CV was tested in three angles of inclination, 30 60 and 90 degrees with the heat source temperatures of 30 60 and 90 °C. The cooling water temperature at the condenser section was fixed at 25 °C with a fixed flow rate of 20 liters/hr. The adiabatic section length of HOHP/CV was fixed at 100 mm. Used 0.255 0.44 and 1.036 g size of the ball in check valve and installed positions were upward and downward flow direction side. The inlet and outlet water temperature on the condenser section was monitored by thermocouple type-K, and data logged and recording video after the system was steady. It was found that the highest heat flux was 12.84 kW/m2 in the 1000 mm tube before bending, inclination angle 90 degrees, inner diameter 3.4 mm, 0.255 g size of the ball in check valve, and using R-11 as a working fluid with a check valve installed on the downward flow direction side and give the heat 90 °C at evaporator section. The flow patterns map were created and consisted of 3 areas; Annular flow and Stratified wavy flow (AF/SWF); Annular flow and Slug flow (AF/SF); and Annular flow Stratified wavy flow Slug flow and Bubble flow (AF/SWF/SF/BF).

ในปัจจุบันอุปกรณ์สำหรับประหยัดพลังงานเป็นที่ต้องการในหลายอุตสาหกรรม ท่อความร้อนเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่สามารถนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่ ท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบชนิดเกลียวขดเป็นท่อความร้อนแบบใหม่ที่ช่วยให้ประหยัดพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ วาล์วกันกลับที่ติดตั้งบนท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบช่วยให้ท่อความร้อนมีประสิทธิภาพสูงขึ้น แต่การศึกษาท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบชนิดเกลียวขดที่ติดตั้งวาล์วกันกลับมีน้อย จึงจำเป็นจะต้องทำการศึกษาลักษณะการถ่ายเทความร้อนและพฤติกรรมรูปแบบการไหลของท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบชนิดเกลียวขดที่ติดตั้งวาล์วกันกลับดังกล่าว ดังนั้นในการวิจัยนี้จึงได้ทำการศึกษาลักษณะการถ่ายเทความร้อนและพฤติกรรมรูปแบบการไหลของท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบที่ติดตั้งวาล์วกันกลับที่ใช้สารทำงาน R-11 เอทานอล และน้ำ ท่อความร้อนทำจากทองแดงและแก้วทนความร้อน ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 1.8 2.4 และ 3.4 mm ความยาวส่วนทำระเหยและส่วนควบแน่นก่อนขดเป็นเกลียวเท่ากันที่ขนาด 600 800 และ 1000 mm เส้นผ่านศูนย์กลางเกลียวขดคงที่ 50 mm ระยะพิทซ์คงที่ 10 mm ทำการทดสอบท่อความร้อนที่มุมเอียง 30 60 และ 90 องศา ให้ความร้อนกับส่วนทำระเหย 30 60 และ 90 °C ระบายความร้อนด้วยน้ำที่ส่วนควบแน่นคงที่ที่อุณหภูมิ 25 °C ด้วยอัตราการไหลคงที่ 20 ลิตร/ชั่วโมง ความยาวส่วนกันความร้อนคงที่ 100 mm ขนาดของบอลวาล์วกันกลับ 0.255 0.44 และ 1.036 g ติดตั้งวาล์วกันกลับที่ตำแหน่งด้านไหลลงมาส่วนทำระเหย และด้านไหลขึ้นไปยังส่วนควบแน่น ทำการวัดอุณหภูมิทางเข้าและทางออกส่วนควบแน่นด้วยเทอร์โมคัปเปิ้ลชนิด K จากนั้นบันทึกข้อมูลด้วยเครื่องบันทึกข้อมูลและบันทึกภาพเคลื่อนไหวหลังจากระบบเข้าสู่สภาวะคงที่ จากการศึกษาพบว่าค่าการถ่ายเทความร้อนต่อหน่วยพื้นที่สูงสุดคือ 12.82 kW/m2 ของท่อความร้อนขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 3.4 mm ความยาวท่อของส่วนทำระเหยกับส่วนควบแน่นก่อนขดเป็นเกลียว 1000 mm สารทำงาน R-11 ท่อความร้อนทำมุมเอียง 90 องศา ขนาดบอลวาล์วกันกลับ 0.255 g ติดตั้งวาล์วกันกลับตำแหน่งด้านไหลลงมาส่วนทำระเหย และให้ความร้อนส่วนทำระเหย 90 °C และสร้างแผนภูมิรูปแบบการไหล โดยแบ่งออกได้เป็น 3 พื้นที่ ได้แก่ แบบ Annular flow and Stratified wavy flow (AF/SWF) แบบ Annular flow and Slug flow (AF/SF) และแบบ Annular flow Stratified wavy flow Slug flow and Bubble flow (AF/SWF/SF/BF)