Heat Transfer Characteristics of Helical Oscillating Heat Pipe

Abstract

This research is a study of a new type of oscillating heat pipe. By designing the condenser section and the evaporator section to have a helical coil. Which can obtain heat pipes, helical oscillating heat pipes, HOHPs, and then experiment to find the efficiency of helical oscillating heat pipes. By finding the heat transfer characteristics from various variables from the experiment and creating the correlation equation used to predict the heat transfer characteristics of the helical oscillating heat pipes. By applying the work to create and test the effectiveness of the air preheater of helical oscillating heat pipes. By using the correlation equation obtained from the experimental results to design air preheaters.

This research experiment started by creating the helical oscillating heat pipes from a copper tube with a diameter of 2.03 3.5 and 4.5 mm, by adding working fluid 3 types of water, ethanol and R134a. The evaporator temperature of 60 70 and 80 degree Celsius has a pitch distance of 10, 15 and 20 mm. The inclination angle is adjusted to 6 values, 0 20 40 60 80 and 90 degrees. The internal filling ratio of working fluid of 3, 30, 50 and 80 percent of internal volume of tube and the length of the evaporator section and condenser sections have the same length of 1,500 2,000 and 2,500 mm. Then the data obtained from the test to the correlation equation and then designed as a heat exchanger to be used in various industrial applications.

This research results from the experimental of helical oscillating heat pipes found that the heat transfer rate when considered from the working fluid within the pipe by using R134a as a working fluid, giving the highest heat transfer rate and decrease to ethanol and water. The evaporator temperature of highest heat is 80 degrees Celsius and decrease to 70 and 60 degrees Celsius, respectively. The pitch distance that gives the highest heat transfer rate is 10 mm and decrease to 15 and 20 mm, respectively. The best tilt angle is 90 degree. The internal filling ratio of working fluid gives the highest heat transfer rate of 80 percent of internal volume of tube. From the results can be used to predict the heat flux of the helical oscillating heat pipes using R134a ethanol and water is a substance that works at inclination angle of 90 degree with an error value of ± 30 percent.

Ku90 = 0.155[(rv/rl)1.8Bo5.1Nu2We0.9Ja3.98Pr1.6Fr1.13Co4.34Ga0.55Bi2.89Wo-3Oh-1.98]0.404

From the correlation equation that can be found Can be used to design and build air heaters for use as heat exchangers in industrial applications and work to reuse waste heat, etc.

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบชนิดใหม่ โดยทำการออกแบบส่วนควบแน่นและส่วนทำระเหยให้มีลักษณะเป็นแบบคอยล์ขด ซึ่งจะได้ท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบชนิดคอยล์ขด (Helical Oscillating Heat Pipe, HOHP) แล้วทำการทดลองหาประสิทธิภาพของท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบชนิดคอยล์ขด โดยการหาคุณลักษณะการถ่ายเทความร้อนจากตัวแปรต่าง ๆ จากการทดลองแล้วสร้างสมการสหสัมพันธ์ที่ใช้ในการทำนายคุณลักษณะการถ่ายเทความร้อนของท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบชนิดคอยล์ขด โดยทำการประยุกต์ใช้งานสร้างและทดสอบหาประสิทธิผลของเครื่องอุ่นอากาศแบบท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบชนิดคอยล์ขด โดยการใช้สมการสหสัมพันธ์ที่ได้จากผลการทดลองนำมาทำการออกแบบเครื่องอุ่นอากาศ

การทดลองงานวิจัยนี้เริ่มต้น โดยสร้างท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบชนิดคอยล์ขดจากท่อทองแดงที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง คือ 2.03 3.5 และ 4.5 มิลลิเมตร โดยเติมสารทำงานภายใน 3 ชนิด คือ น้ำ เอทานอล และ R134a โดยอุณหภูมิส่วนทำระเหย คือ 60 70 และ 80 องศาเซลเซียส มีระยะพิตซ์ คือ 10 15 และ 20 มิลลิเมตร ทำการปรับมุมเอียง 6 ค่า คือ 0 20 40 60 80 และ 90 องศา โดยมีอัตราการเติมสารทำงานภายใน 3 ค่า คือ 30 50 และ 80 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตรรวม และความยาวส่วนทำระเหยและส่วนควบแน่นมีความยาวเท่ากัน คือ 1,500 2,000 และ 2,500 มิลลิเมตร จากนั้นนำข้อมูลที่ได้จากการทดสอบไปสมการสหสัมพันธ์ แล้วนำไปออกแบบเป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อนำไปประยุกต์ใช้ในงานต่าง ๆ ในทางอุตสาหกรรมต่อไป

ผลการวิจัยนี้ จากการทดลองท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบชนิดคอยล์ขดพบว่า อัตราการถ่ายเทความร้อนเมื่อพิจารณาจากสารทำงานภายในท่อ โดยการใช้ R134a เป็นสารทำงานให้อัตราการถ่ายเทความร้อนที่สูงที่สุด ลองลงมา คือ เอทานอล และ น้ำ ตามลำดับ อุณหภูมิส่วนทำระเหยที่ให้อัตราการถ่ายเทความร้อนที่สูงที่สุด คือ 80 องศาเซลเชียส ลองลงมา คือ 70 และ 60 องศาเซลเชียส ตามลำดับ ระยะพิตซ์ที่ให้อัตราการถ่ายเทความร้อนที่สูงที่สุด คือ 10 มิลลิเมตร ลองลงมา คือ 15 และ 20 มิลลิเมตร ตามลำดับ มุมเอียงที่ดีที่สุดคือ 90 องศา อัตราการเติมสารทำงานภายในให้อัตราการถ่ายเทความร้อนที่สูงที่สุด คือ 80 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตรรวม คือ 50 และ 30 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตรรวม ตามลำดับ จากผลการทดลองก็นำมาสร้างสมการสหสัมพันธ์สามารถนำมาใช้ในการทำนายค่าฟลักซ์การถ่ายเทความร้อนของชุดท่อความร้อนแบบสั่นวงรอบชนิดคอยล์ขด ที่ใช้ R134a เอทานอล และ น้ำ เป็นสารทำงาน ที่มุมการทำงาน 90 องศา ได้โดยมีค่าช่วงความผิดพลาด ±30 เปอร์เซ็นต์

Ku90 = 0.155[(rv/rl)1.8Bo5.1Nu2We0.9Ja3.98Pr1.6Fr1.13Co4.34Ga0.55Bi2.89Wo-3Oh-1.98]0.404

จากสมการสหสัมพันธ์ที่หาได้ สามารถนำไปออกแบบและสร้างเครื่องอุ่นอากาศเพื่อใช้เป็นอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนในงานอุตสาหกรรมและงานต้องการนำความร้อนทิ้งกลับมาใช้ใหม่ เป็นต้น