Please use this identifier to cite or link to this item: http://cmuir.cmu.ac.th/jspui/handle/6653943832/78679
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorNiti Kammuang-lue-
dc.contributor.authorJetsadaporn Simsiriwongen_US
dc.date.accessioned2023-08-22T00:56:04Z-
dc.date.available2023-08-22T00:56:04Z-
dc.date.issued2023-06-16-
dc.identifier.urihttp://cmuir.cmu.ac.th/jspui/handle/6653943832/78679-
dc.description.abstractHeat pipes are a one of the heat transfer devices which are popularly used in the cooling system of electronic devices to prevent the decreasing of work performance. The evaporator section of heat pipe which is located at one end side of the heat pipe receives the dissipating heat from the processing unit of electronic devices. Then, that heat causes to evaporate phenomenon of working fluid inside the heat pipe. After that the vapor of working fluid moves to the other end side of the heat pipe which has low temperature or the condenser section. Then, it is condensed to fluid phase. The working fluid in the fluid phase is returned to evaporator section by capillary pressure from porous material. Therefore, porous materials which provide the high capillary pressure and high permeability allow rapid flow back of working fluid to the evaporator section. In case of heat pipes using for smart phones, these have a small sizing due to the limit space of working space and almost of these were constructed by using the fiber as a porous because that provide the high of capillary pressure and permeability. As per the characteristic of smart phone using, evaporator section of heat pipe is equipped with higher than condenser section which is called the top heat mode heat pipe. As mentioned above, this makes it difficult for the working fluid to flow back through the porous material to the evaporator portion because the flow direction is against earth's gravity. According to the section on the manufacture of heat pipes, the diameters of the fiber porous material used to produce heat pipes are 30 μm and 50 μm respectively. Each type of it is gathered along its length to set as the fiber bundle wick. After that, it is twisted to maintain the bundle shape. As mentioned, that causes to varies of internal pore structures of fiber bundle wick. So, suitable configuration of fiber bundle wick for top heat mode heat pipe were studied in this research. Moreover, the proportion of 30 μm and 50 μm of diameter of fiber bundle wick and pitch of twisting which were affected to porosity and thermal performance of heat pipe were studied by comparing the results between numerical method and experimental method. Numerical method was used to predict the porosity of twist porous material by using the packing model method. As mentioned, each type of twist fiber bundle wick was simulated to demonstrate the cross-section area. Moreover, mathematical models were found to predict the thermal performance of top heat mode heat pipe by using finite element method. The simulation results were compared to the experimental results. The numerical method consisted of three domains as vapor core, porous material structure and wall domain. The tetrahedral element in cartesian coordinate was selected to simulate the character of the heat transfer of fluid which was steady state, laminar and incompressible flow of saturated wick. The proportions of mixing between 30-micrometer and 50-micrometer fiber sizes, expressed as the percentage of the number of 30-micrometer fibers to the number of 50-micrometer fibers, as well as the pitch distance of 10, 15, and 20 millimeters, were studied to determine the optimal configuration of fiber bundle wick. This was done by considering the heat performance of the heat pipe and evaluating the production costs, along with capillary pressure and permeability values that indicate the fluid circulation capability within the heat pipe. These factors directly affect the heat performance of the heat pipe. Therefore, this research consists of three main parts: Part 1 focuses on the modeling of the arrangement of mixed-size fiber materials and twisted configuration to determine the porosity. Part 2 involves modeling the heat performance of the heat pipe using the mixed-size fiber materials and twisted configuration. Lastly, Part 3 involves evaluating and determining the most suitable configuration of mixed-size fiber materials and twisted configuration for the heat pipe with top heat mode. From the investigation of the fiber size mixing ratios, it was found that there were no significant differences in the experimental values of porosity. The average porosity values were 28.75%, 29.32%, 30.92%, and 29.85% for pitch distances of 10, 15, 20 millimeters, and non-twisted, respectively. The model for arranging the fiber materials, which incorporated both twisted and untwisted configurations, was developed based on the model that simulated the arrangement of circular cross-sectional fibers within the designated boundary as a representative of the porous material. In the case of the twisted configuration, the cross-sectional shape of each fiber was assumed to be a ellipse due to the helical twisting of the fibers. The models, both with and without twisting, were capable of predicting the porosity values of the fiber materials effectively. The maximum percentage of the root mean square error (RMSE) was found to be 8.80%. Furthermore, the investigation of the pitch distances revealed no significant differences in the experimental porosity values. However, the predicted porosity values increased as the pitch distance decreased (indicating a tighter twist). This is because the twisting of the fibers transformed the cross-sectional shape from circular to ring-shaped, resulting in larger areas and sizes of the porous material as the pitch distance decreased. The maximum percentage of the root mean square error (RMSE) was found to be 29.21%, occurring at a mixing ratio of 90%:10%. In the experimental study of the thermal resistance of fiber bundle wick heat pipe with top heat mode, it was observed that the wall temperature, particularly in the evaporator section, reached its maximum value. The wall temperature distribution exhibited a rapid initial decrease followed by a slower decrease in the later stages. The pitch distance of the twisted fibers did not significantly affect the thermal performance of the tubes. However, the untwisted fiber material with a mixing ratio of 90%:10% demonstrated a significant increase in thermal resistance. The thermal performance model of the heat pipe was able to predict the temperature distribution and thermal resistance more accurately. When considering the liquid film formation in the condenser section due to the loss of evaporating liquid at evaporator section, it was observed that the excessive heat absorbed by the porous material caused it to be unable to transport the liquid to the evaporator section in a timely manner. This receding or excess liquid within the porous material significantly reduced the effective thermal conductivity of the material, leading to a deterioration in heat transfer. Consequently, the wall temperature distribution predicted by the model for the tube wall exhibited a similar trend and values to the experimental results. The investigation of the optimal configuration of fiber bundle wick used in heat pipes with top heat mode considers capillary pressure, permeability, thermal resistance, and production cost. An increase in the mixing ratio of fiber's diameter 30μm leads to an increase in capillary pressure, enhancing capillary action. Permeability shows slight variation with the change in mixing ratio, while different pitch lengths in the twisted configuration do not significantly affect permeability or capillary pressure. The analysis focuses on the heat input of 4W, representing the maximum heat transfer requirement in the miniature heat pipe manufacturing industry. It was found that the twisting process increases the production cost of heat pipes, resulting in longer production time and additional costs. Moreover, using a higher proportion of fiber's diameter 30μm beyond a mixing ratio of 70%:30% significantly increases production cost due to the more challenging and time-consuming production process. Considering thermal resistance and production cost, the optimal configuration for the heat pipe is a non-twisted fiber bundle wick with a mixing ratio of 60%:40%. This configuration exhibits the lowest thermal resistance and a smaller percentage change in production cost compared to thermal resistance. The choice of this configuration is influenced by thermal resistance considerations and offers higher capillary pressure and reduced production time by eliminating the twisting process. Keyword: Mixing ratio, Pitch length, Porosity, Fiber bundle wick, Heat pipe, Top heat mode, Thermal performance.en_US
dc.language.isoenen_US
dc.publisherChiang Mai : Graduate School, Chiang Mai Universityen_US
dc.titleOptimal configuration for fiber-type-wick heat pipe with top heat modeen_US
dc.title.alternativeรูปแบบที่เหมาะสมสำหรับท่อความร้อนแบบวัสดุพรุนเส้นใยที่ได้รับความร้อนด้านบนen_US
dc.typeThesis
thailis.controlvocab.lcshHeat pipes-
thailis.controlvocab.lcshPorous materials-
thailis.controlvocab.thashMaterials-
thesis.degreedoctoralen_US
thesis.description.thaiAbstractท่อความร้อนนั้นเป็นอุปกรณ์ส่งถ่ายความร้อนที่นิยมใช้ในการระบายความร้อนให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อควบคุมให้อุปกรณ์นั้นมีอุณหภูมิที่ไม่สูงจนทำให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลง บริเวณปลายท่อด้านหนึ่งของท่อความร้อนจะรับความร้อน (ส่วนทำระเหย) จากส่วนประมวลผลของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ปล่อยความร้อนออกมา ความร้อนนั้นทำให้สารทำงานภายในท่อความร้อนระเหยเป็นไอและเคลื่อนที่ไปยังปลายอีกข้างหนึ่งของท่อความร้อนที่เย็นกว่า (ส่วนควบแน่น) และควบแน่นกลายเป็นของเหลวอีกครั้ง ของเหลวนั้นจะเคลื่อนที่กลับมายังส่วนรับความร้อนโดยวัสดุพรุนที่อยู่ภายในท่อความร้อน ดังนั้นวัสดุพรุนที่มีแรงคาปิลลารี่สูงและมีค่าการซึมผ่านได้ที่มากจะทำให้สารทำงานไหลกลับได้รวดเร็วและรับความร้อนที่ส่วนทำระเหยได้ต่อเนื่อง สำหรับท่อความร้อนที่ใช้ในโทรศัพท์เคลื่อนที่นั้นจะมีขนาดเล็กมากเนื่องจากมีพื้นที่จำกัด และใช้วัสดุพรุนเส้นใยเนื่องจากมีแรงคาปิลลารี่สูงและมีค่าการซึมผ่านได้สูง ในบางครั้งการใช้งานโทรศัพท์เคลื่อนที่ทำให้ส่วนทำระเหยของท่อความร้อนนั้นอยู่สูงกว่าส่วนควบแน่น (รับความร้อนด้านบน) ทำให้การไหลกลับของสารทำงานในวัสดุพรุนเป็นไปได้ยากเพราะทิศทางการไหลต้านแรงโน้มถ่วงโลก ดังนั้นโครงสร้างของวัสดุพรุนเส้นใยนั้นมีส่วนสำคัญอย่างมากต่อสมรรถนะทางความร้อนของท่อความร้อน ในภาคอุตสาหกรรมของการผลิตท่อความร้อนวัสดุพรุนเส้นใยนั้นใช้เส้นใยเพียงขนาดเดียวรวมตัวกันในแนวยาวและทำการบิดเกลียวเพื่อให้คงรูปร่างเป็นมัดเส้นใย ซึ่งขนาดของเส้นใยที่ใช้คือ เส้นใยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 30ไมโครเมตร หรือเส้นใยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 ไมโครเมตร ซึ่งวัสดุพรุนที่ได้ก็จะมีโครงสร้างของรูพรุนภายในแตกต่างกัน ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงศึกษารูปแบบของวัสดุพรุนเส้นใยที่เหมาะสมสำหรับท่อความร้อนที่ได้รับความร้อนด้านบน โดยศึกษาผลของสัดส่วนการผสมขนาดของเส้นใยขนาด 30ไมโครเมตรและ 50ไมโครเมตร และระยะพิตช์ของการบิดเกลียวที่มีต่อค่าความพรุนและสมรรถนะทางความร้อนของท่อความร้อนด้วยวิธีการเชิงตัวเลขและการทดลอง แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ได้ถูกสร้างขึ้นเพื่อทำนายค่าความพรุนของวัสดุพรุนเส้นใยบิดเกลียวด้วยวิธีการบรรจุวงกลม (packing model) เพื่อจำลองหน้าตัดของวัสดุพรุนที่เกิดจากการผสมขนาดของเส้นใยขนาด 30ไมโครเมตรและ 50ไมโครเมตร และถูกบิดเกลียวด้วยระยะพิตช์ค่าต่างๆ ผลลัพธ์ที่ได้จากแบบจำลองถูกนำไปเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลองค่าความพรุน โดยใช้หลักการแทนที่รูพรุนภายในวัสดุพรุนด้วยน้ำ นอกจากนี้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ถูกสร้างขึ้นเพื่อทำนายสมรรถนะทางความร้อนของท่อความร้อนวัสดุพรุนเส้นใยที่ได้รับความร้อนด้านบนด้วยวิธีไฟไนท์อิลิเมนต์ (Finite Element Method) ผลลัพธ์ที่ได้จากแบบจำลองถูกนำไปเปรียบเทียบกับผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลอง แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ประกอบไปด้วย 3 โดเมน คือ ช่องไอ โครงสร้างวัสดุพรุน และผนังท่อ อิลิเมนต์รูปร่างพีระมิดฐานสามเหลี่ยม (Tetrahedral element) ได้ถูกเลือกใช้ในพิกัด คาร์ทีเชียน การถ่ายเทความร้อนและการไหลของของไหลเป็นการไหลแบบคงตัว ราบเรียบ และอัดตัวไม่ได้ สารทำงานของเหลวอิ่มตัวสม่ำเสมอภายในโครงสร้างวัสดุพรุน สัดส่วนการผสมขนาดของเส้นใยขนาด 30ไมโครเมตรและ 50ไมโครเมตร ที่แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของจำนวนเส้นใยขนาด 30ไมโครเมตรต่อจำนวนเส้นใย 50ไมโครเมตร และระยะพิตช์ของการบิดเกลียว 10, 15 และ 20 มิลลิเมตรได้ถูกศึกษาเพื่อหารูปแบบของวัสดุพรุนเส้นใยที่เหมาะสม โดยพิจารณาจากสมรรถนะทางความร้อนของท่อความร้อนและการประเมินค่าต้นทุนการผลิต ประกอบกับค่าความดันคาปิลลารี่และค่าการซึมผ่านได้ที่บ่งบอกถึงความสนามารถในการไหลเวียนของเหลวในท่อความร้อน ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อสมรรถนะทางความร้อนของท่อความร้อน ดังนั้นในงานวิจัยนี้จะมีการศึกษา 3 ส่วนหลัก คือ ส่วนที่ 1 แบบจำลองการจัดเรียงตัวของวัสดุพรุนเส้นใยแบบผสมขนาดและบิดเกลียวเพื่อหาค่าความพรุน ส่วนที่ 2 แบบจำลองสมรรถนะทางความร้อนของท่อความร้อนที่ใช้วัสดุพรุนผสมขนาดและบิดเกลียว และส่วนที่ 3 การพิจารณาหารูปแบบวัสดุพรุนเส้นใยผสมขนาดและบิดเกลียวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับท่อความร้อนที่ได้รับความร้อนด้านบน จากการศึกษผลของสัดส่วนการผสมขนาดของเส้นใยต่อค่าความพรุนพบว่า จากการทดลองค่าความพรุนมีค่าแตกต่างกันอย่างไม่มีนัยสำคัญ ซึ่งมีค่าความพรุนเฉลี่ย คือ 28.75%, 29.32%, 30.92% และ 29.85% สำหรับระยะพิตต์ของการบิดเกลียวที่ 10, 15 ,20 มิลลิเมตร และไม่บิดเกลียว ตามลำดับ แบบจำลองการจัดเรียงตัวของวัสดุพรุนเส้นใย ซึ่งแบบจำลองวัสดุพรุนเส้นใยแบบบิดเกลียวจะถูกพัฒนามาจากแบบจำลองวัสดุพรุนเส้นใยแบบไม่บิดเกลียวซึ่งจำลองการจัดเรียงตัวของวงกลม 2 ขนาดที่แสดงถึงหน้าตัดเส้นใย 2 ขนาด ในขอบเขตที่กำหนดไว้เสมือนว่าเป็นขอบเขตของวัสดุพรุน สำหรับวัสดุพรุนเส้นใยแบบบิกดเกลียวนั้น จะพิจารณาหน้าตัดของเส้นใยแต่ละเส้นให้เป็นวงรี เนื่องจากการบิดเกลียวของเส้นใยสมมติให้มีการบิดตัวแบบhelix แบบจำลองวัสดุพรุนเส้นใยทั้งแบบบิดเกลียวและไม่บิดเกลียวสามารถทำนายค่าความพรุนของวัสดุพรุนเส้นใยได้ดี โดยมีเปอร์เซ็นต์ของค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยความผิดพลาดกำลังสองมากที่สุด คือ 8.80% นอกจากนั้นจากการศึกษาผลของระยะพิตช์ต่อค่าความพรุนพบว่า ค่าความพรุนที่ได้จากการทดลองนั้นมีค่าแตกต่างกันอย่างไม่มีนัยสำคัญ ในขณะที่ค่าความพรุนที่ได้จากแบบจำลองนั้นมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อระยะพิตช์ลดลง(บิดเกลียวแน่นมากขึ้น) เนื่องจากเมื่อทำการบิดเกลียวเส้นใยจะทำให้หน้าตัดของเส้นใยเปลี่ยนจากวงกลมเป็นวงรี และมีที่มีขนาดใหญ่มากขึ้นเมื่อระยะพิตช์ลดลงทำให้พื้นที่หน้าตัดของเส้นใย และขนาดของวัสดุพรุนเพิ่มขึ้น โดยมีเปอร์เซ็นต์ของค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยความผิดพลาดกำลังสองมากที่สุด คือ 29.21% เกิดที่สัดส่วนการผสม 90%:10% การศึกษาสมรรถนะทางความร้อนของท่อความร้อนวัสดุพรุนเส้นใยที่ได้รับความร้อนด้านบนในการทดลองพบว่าอุณหภูมิผิวท่อด้านนอกที่ส่วนทำระเหยจะมีอุณหภูมิสูงสุด และการกระจายตัวของอุณหภูมิผิวท่อด้านนอกบริเวณส่วนควบแน่นมีแนวโน้มลดลงอย่างรวดเร็วในช่วงแรก และลดลงอย่างช้าๆในช่วงหลัง ระยะพิตช์ของการบิดเกลียวเส้นใยไม่ส่งผลต่อท่อความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตามวัสดุพรุนเส้นใยแบบไม่บิดเกลียวที่มีอัตราส่วนการผสม90%:10% แสดงให้เห็นถึงความต้านทานต่อความร้อนที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก แบบจำลองสมรรถนะทางความร้อนของท่อความร้อนนั้นสามารถทำนายการกระจายตัวของอุณหภูมิและค่าความต้านทานความร้อนได้ดีขึ้น เมื่อทำการพิจารณาของเหลวที่เกิดการควบแน่นเป็นแผ่นฟิล์มบริเวณส่วนควบแน่นเนื่องจากการหายไปของของเหลวในส่วนทำระเหย จากการได้รับความร้อนมากเกินไปและวัสดุพรุนไม่สามารถส่งของเหลวไปยังส่วนทำระเหยได้ทันท่วงที ซึ่งการหายไปหรือเกินมาของของเหลวในวัสดุพรุนนั้นส่งผลต่อค่าการนำความร้อน (Effective thermal conductivity) ของวัสดุพรุนให้ลดลงอย่างมาก การนำความร้อนแย่ลง ทำให้การกระจายตัวของอุณภูมิที่ผนังท่อความร้อนจากแบบจำลองมีแนวโน้มและมีค่าใกล้เคียงกับการทดลอง ทั้งนี้ในกรณีของอัตราส่วนการผสม 90%:10% ผลจากแบบจำลองอุณหภูมิผนังที่ส่วนควบแน่นสูงกว่าการทดลองค่อนข้างมาก ส่งผลให้เกิดค่าผิดพลาดสูงในการคำนวณความต้านทานความร้อน แสดงให้เห็นว่ามีเงื่อนไขการระบายความร้อน หรือปรากฏการณ์อื่นๆบริเวณส่วนควบแน่นที่งานวิจัยนี้ยังไม่ได้คำนึงถึง ดังนั้นการเปรียบเทียบผลระหว่างแบบจำลองและผลการทดลองแสดงให้เห็นค่าเฉลี่ยเปอร์เซ็นต์ความผิดพลาดสัมบูรณ์ที่ 31% โดยที่วัสดุพรุนเส้นใยแบบไม่บิดเกลียวที่อัตราส่วนการผสม 90%:10% แสดงค่าเบี่ยงเบนสูงสุดจากข้อมูลการทดลอง ในการพิจารณารูปแบบที่เหมาะสมที่สุดของวัสดุพรุนเส้นใยที่ใช้ในท่อความร้อนที่ได้รับความร้อนด้านบน จะพิจารณาจากความดันคาปิลลารี่ ค่าการซึมผ่านได้ ค่าความต้านทานความร้อนของท่อความร้อน และราคาการผลิตท่อความร้อน พบว่าความดันคาปิลลารี่จะเพิ่มขึ้นเมื่อสัดส่วนการผสมเส้นใยขนาด 30ไมโครเมตรเพิ่มขึ้น ในขณะที่ค่าการซึมผ่านได้นั้นค่อนข้างคงที่ และระยะพิตช์ของการบิดเกลียวไม่ส่งผลต่อความดันคาปิลลารี่และค่าการซึมผ่านได้อย่างมีนัยสำคัญ การเลือกรูปแบบที่เหมาะสมจะพิจารณาค่าความต้านทานความร้อนขณะได้รับความร้อน 4 วัตต์ เนื่องจากเป็นค่าความร้อนมากที่สุดที่ต้องการในอุตสาหกรรมการผลิตท่อความร้อนขนาดเล็ก วัสดุพรุนเส้นใยแบบบิดเกลียวทำให้ต้นทุนการผลิตท่อความร้อนเพิ่มขึ้น เนื่องจากใช้เวลาในการผลิตนานและมีต้นทุนจากการใช้เครื่องบิดเกลียวอีกด้วย ยิ่งไปกว่านั้นวัสดุพรุนเส้นใยที่สัดส่วนการผสมมากกว่า 70%:30% จะเพิ่มต้นทุนการผลิตอย่างมากเนื่องจากกระบวนการผลิตที่ยาก และใช้เวลานานมากขึ้นมาก และเมื่อพิจารณาถึงความต้านทานความร้อนและต้นทุนการผลิต วัสดุพรุนเส้นใยที่ใช้ในท่อความร้อนที่ได้รับความร้อนด้านบนคือวัสดุพรุนเส้นใยแบบไม่บิดที่มีอัตราส่วนการผสม 60%:40% เนื่องจากมีค่าความต้านทานความร้อนต่ำที่สุด อีกทั้งยังมีค่าความดันคาปิลลารี่ที่สูง ทั้งนี้เปอร์เซ็นต์การเปลี่ยนแปลงต้นทุนการผลิตน้อยมากเมื่อเทียบกับการเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานความร้อน ดังนั้นค่าความต้านทานความร้อนจึงมีผลต่อการเลือกวัสดุพรุนที่เหมาะสมมากที่สุด คำสำคัญ: สัดส่วนการผสมขนาด ระยะพิตช์ ความพรุน วัสดุพรุนเส้นใย ท่อความร้อน ได้รับความร้อนด้านบน สมรรถนะทางความร้อนen_US
Appears in Collections:ENG: Theses



Items in CMUIR are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.