Rura cieplna

System rurek cieplnych w laptopie

Rura cieplna to urządzenie do przenoszenia ciepła , które wykorzystuje przemianę fazową do przenoszenia ciepła między dwoma stałymi interfejsami .

Na gorącym interfejsie rurki cieplnej lotna ciecz w kontakcie z przewodzącą ciepło stałą powierzchnią zamienia się w parę , pochłaniając ciepło z tej powierzchni. Następnie para przemieszcza się wzdłuż rurki cieplnej do zimnego interfejsu i skrapla się z powrotem do postaci cieczy, uwalniając utajone ciepło . Ciecz następnie powraca do gorącej granicy poprzez działanie kapilarne , siłę odśrodkową lub grawitację i cykl się powtarza.

Ze względu na bardzo wysokie współczynniki przenikania ciepła przy wrzeniu i skraplaniu , rurki cieplne są bardzo efektywnymi przewodnikami ciepła. Efektywna przewodność cieplna zmienia się w zależności od długości rury cieplnej i może sięgać 100 kW/(m⋅K) w przypadku długich rur cieplnych, w porównaniu z około 0,4 kW/(m⋅K) w przypadku miedzi .

Struktura, projekt i budowa

Schemat przedstawiający elementy i mechanizm rury cieplnej zawierającej knot
Rury cieplne utrzymują zamarzniętą ziemię i utrudniają przenikanie wody do odkrywki podczas prac wydobywczych w kopalni diamentów Ekati
Ta animacja o wymiarach 100 mm na 100 mm na 10 mm wysokości, cienka płaska rura cieplna (rozpraszacz ciepła) została utworzona przy użyciu analizy CFD w wysokiej rozdzielczości i przedstawia trajektorie przepływu z konturami temperatury, przewidywane za pomocą pakietu do analizy CFD .
Ta animacja termiczna projektu komory parowej (rozpraszacza ciepła) o średnicy 120 mm została utworzona przy użyciu analizy CFD o wysokiej rozdzielczości i przedstawia powierzchnię radiatora z konturami temperatury oraz trajektorie przepływu płynu przewidziane za pomocą pakietu do analizy CFD .
Przekrój rury cieplnej do chłodzenia procesora laptopa. Skala linijki jest w milimetrach.
Przekrój płaskiej rurki cieplnej o grubości 500 μm z cienką płaską kapilarą (w kolorze wodnym)
Cienka płaska rurka cieplna (rozpraszacz ciepła) ze zdalnym radiatorem i wentylatorem

Typowa rura cieplna składa się z uszczelnionej rury lub rurki wykonanej z materiału kompatybilnego z płynem roboczym, takiego jak miedź w przypadku rur grzewczych do wody lub aluminium w przypadku rur grzewczych z amoniakiem. Zwykle do usuwania powietrza z pustej rurki cieplnej używana jest pompa próżniowa . Rura cieplna jest częściowo wypełniona płynem roboczym , a następnie uszczelniona. Masę płynu roboczego dobiera się tak, aby rura cieplna zawierała zarówno parę, jak i ciecz w temperatur roboczych .

Podana/zalecana temperatura robocza danego systemu rurek cieplnych jest niezwykle ważna. Poniżej temperatury roboczej ciecz jest zbyt zimna i nie może odparować do stanu gazowego. Powyżej temperatury roboczej cała ciecz zamieniła się w gaz, a temperatura otoczenia jest zbyt wysoka, aby jakikolwiek gaz mógł się skroplić. Przewodnictwo cieplne jest nadal możliwe przez ścianki rurki cieplnej, ale przy znacznie zmniejszonym współczynniku przenikania ciepła. Ponadto dla danego doprowadzenia ciepła konieczne jest osiągnięcie minimalnej temperatury czynnika roboczego; podczas gdy z drugiej strony każdy dodatkowy wzrost (odchylenie) współczynnika przenikania ciepła od pierwotnego projektu będzie miał tendencję do hamowania działania rury cieplnej. Może to być sprzeczne z intuicją, w tym sensie, że jeśli system rurek cieplnych jest wspomagany przez wentylator, wówczas działanie rurek cieplnych może się zepsuć, co skutkuje zmniejszoną skutecznością systemu zarządzania ciepłem - potencjalnie poważnie zmniejszoną. Temperatura robocza i maksymalna zdolność przenoszenia ciepła przez rurkę cieplną — ograniczona przez jej kapilarę lub inną strukturę używaną do zawracania płynu do gorącego obszaru (siła odśrodkowa, grawitacja itp.) — są zatem nieuchronnie i ściśle powiązane.

Płyny robocze są dobierane zgodnie z temperaturami, w których rura cieplna musi pracować, na przykład od ciekłego helu do zastosowań w ekstremalnie niskich temperaturach (2–4 K ) po rtęć (523–923 K), sód (873–1473 K) i nawet ind (2000–3000 K) do ekstremalnie wysokich temperatur. Zdecydowana większość rurek cieplnych do zastosowań w temperaturze pokojowej wykorzystuje amoniak (213–373 K), alkohol ( metanol (283–403 K) lub etanol (273–403 K)) lub wodę (298–573 K) jako płyn roboczy. Miedziano-wodne rurki cieplne mają miedzianą powłokę, wykorzystują wodę jako płyn roboczy i zazwyczaj działają w zakresie temperatur od 20 do 150°C. Wodne rurki grzewcze są czasami napełniane przez częściowe napełnianie wodą, podgrzewanie, aż woda się zagotuje i wyprze powietrze, a następnie uszczelniane, gdy są gorące.

Aby rurka cieplna mogła przenosić ciepło, musi zawierać nasyconą ciecz i jej parę (fazę gazową). Nasycona ciecz odparowuje i przemieszcza się do skraplacza, gdzie jest schładzana i ponownie zamieniana w nasyconą ciecz. W standardowej rurce cieplnej skroplona ciecz jest zawracana do parownika za pomocą struktury knotowej wywierającej działanie kapilarne na fazę ciekłą płynu roboczego. Struktury knota stosowane w rurach cieplnych obejmują spiekany proszek metalowy , ekran i rowkowane knoty, które mają szereg rowków równoległych do osi rury. Gdy skraplacz znajduje się nad parownikiem w polu grawitacyjnym, grawitacja może zwrócić ciecz. W tym przypadku rurka cieplna jest termosyfonem . Wreszcie obracające się rurki cieplne wykorzystują siły odśrodkowe do zawracania cieczy ze skraplacza do parownika.

Rury cieplne nie zawierają ruchomych części mechanicznych i zwykle nie wymagają konserwacji, chociaż nieskraplające się gazy, które dyfundują przez ściany rury, które powstają w wyniku rozpadu płynu roboczego lub które występują jako pierwotne zanieczyszczenia w materiale, mogą ostatecznie zmniejszyć skuteczność rury przy przenoszeniu ciepła.

Przewagą rurek cieplnych nad wieloma innymi mechanizmami odprowadzania ciepła jest ich duża skuteczność w przekazywaniu ciepła. Rura o średnicy jednego cala i długości dwóch stóp może przesyłać 3,7 kW (12 500 BTU na godzinę) w temperaturze 1800 °F (980 °C) przy spadku temperatury tylko 18 °F (10 °C) od końca do końca. Niektóre rurki cieplne wykazały strumień ciepła większy niż 23 kW/cm 2 , około cztery razy większy niż strumień ciepła przez powierzchnię Słońca.

Materiały rur grzewczych i płyny robocze

Rury cieplne mają powłokę, knot i płyn roboczy. Rury cieplne są zaprojektowane do bardzo długotrwałej pracy bez konserwacji, więc ścianka rurki cieplnej i knot muszą być kompatybilne z płynem roboczym. Niektóre pary materiał/płyny robocze, które wydają się być kompatybilne, nie są. Na przykład woda w aluminiowej osłonie wytwarza duże ilości nieskraplających się gazów w ciągu kilku godzin lub dni, uniemożliwiając normalne działanie rurki cieplnej. [ potrzebne źródło ]

Odkąd rurki cieplne zostały ponownie odkryte przez George'a Grovera w 1963 r., przeprowadzono szeroko zakrojone testy żywotności w celu określenia kompatybilnych par powłoka/płyn, niektóre trwają od dziesięcioleci. W teście żywotności rurek cieplnych, rury cieplne działają przez długi czas i są monitorowane pod kątem problemów, takich jak wytwarzanie nieskraplających się gazów, transport materiałów i korozja.

Najczęściej używane pary kopert (i knota)/płynu obejmują:

  • Miedziana obudowa z wodnym płynem roboczym do chłodzenia elektroniki . Jest to zdecydowanie najpopularniejszy typ rurki cieplnej.
  • Koperta miedziana lub stalowa z czynnikiem roboczym R134a do odzysku energii w systemach HVAC .
  • Aluminiowa koperta z płynem roboczym amoniaku do kontroli termicznej statku kosmicznego .
  • z superstopu z płynem roboczym metali alkalicznych (cez, potas, sód) do wysokotemperaturowych ciepłowodów, najczęściej stosowana do kalibracji podstawowych urządzeń do pomiaru temperatury.

Inne pary obejmują obudowy ze stali nierdzewnej z płynami roboczymi zawierającymi azot, tlen, neon, wodór lub hel w temperaturach poniżej 100 K, miedziane/metanolowe rurki cieplne do chłodzenia elektroniki, gdy rurka cieplna musi działać poniżej zakresu wody, aluminiowe/etanowe rurki cieplne do kontrola termiczna statku kosmicznego w środowiskach, w których amoniak może zamarzać, oraz ogniotrwała metalowa powłoka / litowy płyn roboczy do zastosowań w wysokich temperaturach (powyżej 1050 ° C (1920 ° F)).

Rodzaje rurek cieplnych

Oprócz standardowych rurek cieplnych o stałym przewodnictwie (CCHP) istnieje szereg innych rodzajów rurek cieplnych, w tym:

  • Komory parowe (planarne rurki cieplne), które służą do transformacji strumienia ciepła i izotermizacji powierzchni
  • Rury cieplne o zmiennej przewodności (VCHP), które wykorzystują gaz niekondensujący (NCG) do zmiany efektywnej przewodności cieplnej rury cieplnej w miarę zmiany mocy lub warunków radiatora
  • Rury cieplne sterowane ciśnieniem (PCHP), które są VCHP, w których można zmieniać objętość zbiornika lub masę NCG, aby zapewnić dokładniejszą kontrolę temperatury
  • Diodowe rurki cieplne, które mają wysoką przewodność cieplną w kierunku do przodu i niską przewodność cieplną w kierunku odwrotnym
  • Termosyfony, które są rurkami cieplnymi, w których ciecz jest zawracana do parownika przez siły grawitacyjne/przyspieszające,
  • Obrotowe rurki cieplne, w których ciecz jest zawracana do parownika przez siły odśrodkowe

Komora parowa lub płaskie rurki cieplne

Cienkie płaskie rurki cieplne ( rozpraszacze ciepła ) mają te same podstawowe elementy, co rurowe rurki cieplne: hermetycznie zamknięte puste naczynie, płyn roboczy i zamknięty układ recyrkulacji kapilarnej. Ponadto w komorze parowej zwykle stosuje się wewnętrzną konstrukcję nośną lub szereg słupków, aby wytrzymać ciśnienie docisku czasami do 90 PSI. Pomaga to zapobiegać zapadaniu się płaskiej góry i dołu po przyłożeniu nacisku.

Istnieją dwa główne zastosowania komór parowych. Po pierwsze, stosuje się je, gdy duże moce i strumienie ciepła są przykładane do stosunkowo małego parownika. Ciepło doprowadzane do parownika powoduje odparowanie cieczy, która przepływa w dwóch wymiarach na powierzchnie skraplacza. Po skropleniu pary na powierzchniach skraplacza siły kapilarne w knotu zawracają kondensat do parownika. Należy pamiętać, że większość komór parowych jest niewrażliwa na grawitację i nadal będzie działać po odwróceniu, z parownikiem nad skraplaczem. W tym zastosowaniu komora parowa działa jak transformator strumienia ciepła, chłodząc duży strumień ciepła z chipa elektronicznego lub diody laserowej i przekształcając go w niższy strumień ciepła, który można usunąć przez naturalną lub wymuszoną konwekcję. Dzięki specjalnym knotom parownika komory parowe mogą usunąć 2000 W na odległość 4 cm 2 lub 700 W na 1 cm 2 .

Innym ważnym zastosowaniem komór parowych jest chłodzenie laptopów do gier. Ponieważ komory parowe są bardziej płaską i dwuwymiarową metodą rozpraszania ciepła, smukłe laptopy do gier czerpią z nich ogromne korzyści w porównaniu z tradycyjnymi rurkami cieplnymi. Na przykład chłodzenie w komorze parowej w Lenovo Legion 7i było jego najbardziej wyjątkową zaletą (chociaż było błędnie reklamowane, ponieważ wszystkie modele miały komory parowe, podczas gdy w rzeczywistości tylko kilka).

Po drugie, w porównaniu z jednowymiarową rurową rurką cieplną, szerokość dwuwymiarowej rurki cieplnej zapewnia odpowiedni przekrój poprzeczny dla przepływu ciepła nawet w przypadku bardzo cienkiego urządzenia. Te cienkie płaskie rurki cieplne znajdują zastosowanie w zastosowaniach „wrażliwych na wysokość”, takich jak notebooki i rdzenie płytek drukowanych do montażu powierzchniowego. Możliwe jest wyprodukowanie płaskich rurek cieplnych o grubości nawet 1,0 mm (nieco grubszej niż karta kredytowa o grubości 0,76 mm ).

Rury cieplne o zmiennej przewodności (VCHP)

Standardowe rurki cieplne to urządzenia o stałym przewodnictwie, w których temperatura pracy rurki cieplnej jest ustalana przez temperaturę źródła i odpływu, rezystancję termiczną od źródła do rury cieplnej oraz rezystancję cieplną od rury cieplnej do zlewu. W tych ciepłowodach temperatura spada liniowo wraz ze spadkiem mocy lub temperatury skraplacza. W przypadku niektórych zastosowań, takich jak kontrola temperatury satelity lub balonu badawczego, elektronika zostanie przechłodzona przy niskich mocach lub przy niskich temperaturach opadania. Rury cieplne o zmiennym przewodnictwie (VCHP) służą do pasywnego utrzymywania temperatury chłodzonej elektroniki, gdy zmieniają się warunki zasilania i pochłaniania.

Rury cieplne o zmiennej przewodności mają dwa dodatki w porównaniu ze standardowymi rurkami cieplnymi: 1. zbiornik i 2. gaz niekondensujący (NCG) dodawany do rury cieplnej oprócz płynu roboczego; zobacz zdjęcie w sekcji dotyczącej statków kosmicznych poniżej . Tym nieskraplającym się gazem jest zazwyczaj argon dla standardowych rurek cieplnych o zmiennej przewodności i hel dla termosyfonów. Gdy rurka cieplna nie działa, nieskraplający się gaz i para płynu roboczego mieszają się w przestrzeni pary rurki cieplnej. Gdy rurka cieplna o zmiennej przewodności działa, nieskraplający się gaz jest zmiatany w kierunku skraplacza rury cieplnej przez przepływ oparów płynu roboczego. Większość nieskraplającego się gazu znajduje się w zbiorniku, podczas gdy pozostała część blokuje część skraplacza rury cieplnej. Rura cieplna o zmiennej przewodności działa poprzez zmianę aktywnej długości skraplacza. Zwiększenie temperatury zasilania lub radiatora powoduje wzrost temperatury i ciśnienia pary w rurze cieplnej. Zwiększona prężność pary wtłacza więcej nieskraplających się gazów do zbiornika, zwiększając długość aktywnego skraplacza i przewodność rury cieplnej. I odwrotnie, gdy temperatura zasilania lub radiatora spada, temperatura i ciśnienie pary w rurze cieplnej spadają, a nieskraplający się gaz rozszerza się, zmniejszając długość aktywnego skraplacza i przewodność rury cieplnej. Dodanie małej grzałki na zbiorniku, z mocą kontrolowaną przez temperaturę parownika, pozwoli na kontrolę temperatury w przybliżeniu ±1-2 °C. W jednym przykładzie temperaturę parownika utrzymywano w zakresie kontrolnym ±1,65°C, moc zmieniano od 72 do 150 W, a temperatura radiatora wahała się od +15°C do -65°C.

Rury cieplne sterowane ciśnieniem (PCHP) mogą być stosowane, gdy wymagana jest ściślejsza kontrola temperatury. W rurce cieplnej sterowanej ciśnieniem temperatura parownika jest wykorzystywana do zmiany objętości zbiornika lub ilości nieskraplającego się gazu w rurze cieplnej. Rury cieplne sterowane ciśnieniem wykazały kontrolę temperatury w milikelwinach.

Diodowe rurki cieplne

Konwencjonalne rurki cieplne przenoszą ciepło w obu kierunkach, od cieplejszego do zimniejszego końca rurki cieplnej. Kilka różnych rurek cieplnych działa jak dioda termiczna , przenosząc ciepło w jednym kierunku, działając jednocześnie jako izolator w drugim:

  • Termosyfony , które przenoszą ciepło tylko od dołu do góry termosyfonu, gdzie kondensat powraca grawitacyjnie. Gdy termosyfon jest podgrzewany od góry, nie ma dostępnej cieczy do odparowania.
  • Obrotowe rurki cieplne, w których rura cieplna jest ukształtowana w taki sposób, że ciecz może przemieszczać się tylko dzięki sile odśrodkowej z nominalnego parownika do nominalnego skraplacza. Ponownie, żadna ciecz nie jest dostępna, gdy nominalny skraplacz jest podgrzewany.
  • Diodowe rurki cieplne z pułapką parową.
  • Diodowe rurki cieplne z pułapką na ciecze.

Dioda pułapki parowej jest wytwarzana w podobny sposób jak rura cieplna o zmiennej przewodności, ze zbiornikiem gazu na końcu skraplacza. Podczas produkcji rura cieplna jest ładowana płynem roboczym i kontrolowaną ilością gazu nieskraplającego się (NCG). Podczas normalnej pracy przepływ oparów płynu roboczego z parownika do skraplacza wymiata nieskraplający się gaz do zbiornika, gdzie nie zakłóca normalnej pracy rurki cieplnej. Gdy nominalny skraplacz jest podgrzewany, przepływ pary odbywa się od nominalnego skraplacza do nominalnego parownika. Nieskraplający się gaz jest ciągnięty wraz z przepływającą parą, całkowicie blokując nominalny parownik i znacznie zwiększając opór cieplny rurki cieplnej. Ogólnie rzecz biorąc, występuje pewien transfer ciepła do nominalnej sekcji adiabatycznej. Ciepło jest następnie przewodzone przez ścianki rurki cieplnej do parownika. W jednym przykładzie dioda pochłaniająca opary przenosiła 95 W w kierunku do przodu i tylko 4,3 W w kierunku odwrotnym.

Dioda pułapki na ciecze ma zbiorniczek na końcu rurki cieplnej od strony parownika, z oddzielnym knotem, który nie jest połączony z knotem w pozostałej części rurki cieplnej. Podczas normalnej pracy parownik i zbiornik są podgrzewane. Para przepływa do skraplacza, a ciecz wraca do parownika dzięki siłom kapilarnym w knotu. Zbiornik ostatecznie wysycha, ponieważ nie ma sposobu na powrót cieczy. Gdy nominalny skraplacz jest podgrzewany, ciecz skrapla się w parowniku i zbiorniku. Podczas gdy ciecz może powrócić do nominalnego skraplacza z nominalnego parownika, ciecz w zbiorniku jest uwięziona, ponieważ knot zbiornika nie jest podłączony. W końcu cała ciecz zostaje uwięziona w zbiorniku, a rura cieplna przestaje działać.

termosyfony

Większość rurek cieplnych wykorzystuje knot do zawracania cieczy ze skraplacza do parownika, umożliwiając pracę rurki cieplnej w dowolnej orientacji. Ciecz jest zasysana z powrotem do parownika przez działanie kapilarne , podobnie jak gąbka zasysa wodę, gdy krawędź styka się z kałużą wody. Jednak maksymalna niekorzystna wysokość (parownik nad skraplaczem) jest stosunkowo niewielka, rzędu 25 cm długości dla typowej wodnej rury grzewczej.

Jeśli jednak parownik znajduje się poniżej skraplacza, ciecz może spływać grawitacyjnie zamiast knota, a odległość między nimi może być znacznie większa. Taka grawitacyjna rura cieplna jest znana jako termosyfon .

W termosyfonie ciekły płyn roboczy jest odparowywany przez ciepło dostarczane do parownika na dnie rury cieplnej. Para przemieszcza się do skraplacza w górnej części rurki cieplnej, gdzie skrapla się. Ciecz następnie spływa grawitacyjnie z powrotem na dno rurki cieplnej i cykl się powtarza. Termosyfony to diodowe rurki cieplne; gdy ciepło jest doprowadzane do końca skraplacza, nie ma dostępnego kondensatu, a zatem nie ma możliwości tworzenia pary i przekazywania ciepła do parownika.

Podczas gdy typowa rura cieplna wody naziemnej ma mniej niż 30 cm długości, termosyfony mają często kilka metrów długości. Jak omówiono poniżej, termosyfony używane do chłodzenia rurociągu na Alasce miały około 11 do 12 m długości. Do wydobywania energii geotermalnej zaproponowano jeszcze dłuższe termosyfony. Na przykład Storch i in. wyprodukował termosyfon propanowy o średnicy wewnętrznej 53 mm i długości 92 m, który przenosił około 6 kW ciepła.

Pętla rurki cieplnej

Pętlowa rurka cieplna (LHP) to pasywne dwufazowe urządzenie transferowe związane z rurką cieplną. Może przenosić większą moc na większe odległości dzięki współprądowemu przepływowi cieczy i oparów, w przeciwieństwie do przepływu przeciwprądowego w rurze cieplnej. Dzięki temu knot w pętlowej rurce cieplnej może być wymagany tylko w parowniku i komorze kompensacyjnej. Rury cieplne z mikropętlami zostały opracowane i z powodzeniem zastosowane w szerokim zakresie zastosowań zarówno na ziemi, jak iw kosmosie.

Oscylująca lub pulsująca rura cieplna

Oscylująca rura cieplna, znana również jako pulsująca rura cieplna, jest tylko częściowo wypełniona płynnym płynem roboczym. Rura jest ułożona w serpentynowy wzór, w którym naprzemiennie poruszają się swobodnie poruszające się segmenty cieczy i pary. W płynie roboczym zachodzą oscylacje; rura pozostaje nieruchoma.

Przenikanie ciepła

Rury cieplne wykorzystują zmianę fazy do przenoszenia energii cieplnej z jednego punktu do drugiego poprzez odparowanie i skraplanie płynu roboczego lub chłodziwa. Rury cieplne opierają się na różnicy temperatur między końcami rury i nie mogą obniżyć temperatury na żadnym końcu poniżej temperatury otoczenia (stąd mają tendencję do wyrównywania temperatury w rurze).

Gdy jeden koniec rurki cieplnej jest podgrzewany, płyn roboczy wewnątrz rury na tym końcu odparowuje i zwiększa ciśnienie pary wewnątrz wnęki rurki cieplnej. Utajone ciepło parowania pochłaniane przez płyn roboczy obniża temperaturę na gorącym końcu rury.

Ciśnienie pary nad gorącym płynem roboczym na gorącym końcu rury jest wyższe niż równowagowe ciśnienie pary nad skraplającym się płynem roboczym na chłodniejszym końcu rury, a ta różnica ciśnień napędza szybki transfer masy do końca skraplania, gdzie nadmiar pary skrapla się, uwalnia utajone ciepło i ogrzewa chłodny koniec rury. Nieskraplające się gazy (spowodowane na przykład zanieczyszczeniem) w oparach utrudniają przepływ gazu i zmniejszają efektywność rurki cieplnej, szczególnie w niskich temperaturach, gdzie ciśnienie pary jest niskie. Prędkość cząsteczek w gazie jest w przybliżeniu prędkością dźwięku, a przy braku gazów niekondensujących (tj. jeśli obecna jest tylko faza gazowa) jest to górna granica prędkości, z jaką mogą przemieszczać się w rurze cieplnej . W praktyce prędkość pary przez rurkę cieplną jest ograniczona przez szybkość skraplania na zimnym końcu i znacznie mniejsza niż prędkość molekularna. [ potrzebne źródło ] Uwaga/wyjaśnienie: Szybkość skraplania jest bardzo zbliżona do współczynnika przywierania pomnożonego przez prędkość cząsteczkową i gęstość gazu, jeśli powierzchnia skraplania jest bardzo zimna. Jeśli jednak powierzchnia jest zbliżona do temperatury gazu, parowanie spowodowane skończoną temperaturą powierzchni w dużej mierze znosi ten strumień ciepła. Jeśli różnica temperatur jest większa niż kilkadziesiąt stopni, parowanie z powierzchni jest zwykle pomijalne, co można ocenić na podstawie krzywych prężności pary. W większości przypadków, przy bardzo wydajnym transporcie ciepła przez gaz, utrzymanie tak znacznych różnic temperatur między gazem a powierzchnią skraplania jest bardzo trudne. Co więcej, te różnice temperatur oczywiście same w sobie odpowiadają dużemu efektywnemu oporowi cieplnemu. Wąskie gardło jest często mniej dotkliwe w źródle ciepła, ponieważ gęstość gazu jest tam wyższa, co odpowiada wyższym maksymalnym strumieniom ciepła.

Skroplony płyn roboczy przepływa następnie z powrotem do gorącego końca rury. W przypadku pionowo zorientowanych rurek cieplnych płyn może być przemieszczany przez siłę grawitacji. W przypadku rurek cieplnych zawierających knoty, płyn jest zawracany na zasadzie działania kapilarnego .

Podczas wykonywania rurek cieplnych nie ma potrzeby tworzenia próżni w rurze. Po prostu gotuje się płyn roboczy w rurze cieplnej, aż powstająca para usunie nieskraplające się gazy z rury, a następnie uszczelnia koniec.

Interesującą właściwością rurek cieplnych jest zakres temperatur, w których są skuteczne. Początkowo można podejrzewać, że rura cieplna zasilana wodą działa tylko wtedy, gdy gorący koniec osiąga punkt wrzenia (100 ° C, 212 ° F, przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym), a para jest przenoszona do zimnego końca. Jednak temperatura wrzenia wody zależy od ciśnienia bezwzględnego wewnątrz rury. W rurze próżniowej woda paruje od punktu potrójnego (0,01 ° C, 32 ° F) do punktu krytycznego (374 ° C; 705 ° F), o ile rura cieplna zawiera zarówno ciecz, jak i parę. W ten sposób rura cieplna może działać w temperaturach gorącego końca tak niskich, jak tylko nieco wyższych niż temperatura topnienia płynu roboczego, chociaż maksymalna szybkość wymiany ciepła jest niska w temperaturach poniżej 25 ° C (77 ° F). Podobnie rurka cieplna z wodą jako płynem roboczym może pracować znacznie powyżej atmosferycznego punktu wrzenia (100 ° C, 212 ° F). Maksymalna temperatura długoterminowych wodnych rur grzewczych wynosi 270 ° C (518 ° F), przy czym rury grzewcze działają do 300 ° C (572 ° F) w przypadku testów krótkoterminowych.

Głównym powodem skuteczności rurek cieplnych jest odparowanie i skraplanie się płynu roboczego. Ciepło parowania znacznie przekracza ciepło właściwe . Używając wody jako przykładu, energia potrzebna do odparowania jednego grama wody jest 540 razy większa niż ilość energii potrzebna do podniesienia temperatury tego samego jednego grama wody o 1 °C. Prawie cała ta energia jest szybko przenoszona do „zimnego” końca, gdy płyn tam się skrapla, tworząc bardzo efektywny system wymiany ciepła bez ruchomych części. [ potrzebne źródło ]

Rozwój

termosyfony dwufazowe , sięga epoki pary i Angiera Marcha Perkinsa i jego syna Loftusa Perkinsa oraz „rury Perkinsa”, która była szeroko stosowana w kotłach lokomotyw i pracujących piecach. Kapilarne rurki cieplne zostały po raz pierwszy zaproponowane przez RS Gauglera z General Motors w 1942 roku, który opatentował ten pomysł, ale nie rozwinął go dalej.

George Grover niezależnie opracował rurki cieplne oparte na kapilarach w Los Alamos National Laboratory w 1963 r., A jego patent z tego roku jako pierwszy użył terminu „rurka cieplna” i często jest nazywany „wynalazcą rury cieplnej” . W swoim notatniku zanotował:

Taki zamknięty system, niewymagający zewnętrznych pomp, może być szczególnie interesujący w reaktorach kosmicznych do przenoszenia ciepła z rdzenia reaktora do układu promieniującego. W przypadku braku grawitacji siły muszą być tylko takie, aby pokonać kapilarę i opór powracającej pary przez jej kanały.

Sugestia Grovera została podjęta przez NASA , która odegrała dużą rolę w rozwoju rur cieplnych w latach 60., szczególnie w odniesieniu do zastosowań i niezawodności w lotach kosmicznych. Było to zrozumiałe, biorąc pod uwagę niewielką wagę, duży strumień ciepła i zerowy pobór mocy przez rury cieplne – oraz fakt, że praca w środowisku o zerowej grawitacji nie miałaby na nie negatywnego wpływu.

Pierwszym zastosowaniem rurek cieplnych w programie kosmicznym było równoważenie termiczne transponderów satelitarnych. Gdy satelity krążą po orbicie, jedna strona jest wystawiona na bezpośrednie promieniowanie słoneczne, podczas gdy druga strona jest całkowicie ciemna i wystawiona na głęboki chłód przestrzeni kosmicznej . Powoduje to poważne rozbieżności w temperaturze (a tym samym niezawodności i dokładności) transponderów. Zaprojektowany w tym celu system chłodzenia rurek cieplnych radził sobie z dużymi strumieniami ciepła i działał bez zarzutu z wpływem grawitacji i bez niej. Opracowany system chłodzenia był pierwszym zastosowaniem rurek cieplnych o zmiennej przewodności do aktywnej regulacji przepływu ciepła lub temperatury parownika.

Szersze zastosowanie

NASA przetestowała rury cieplne zaprojektowane do pracy w ekstremalnych warunkach, przy czym niektóre wykorzystują ciekły metaliczny sód jako płyn roboczy. Inne formy rurek cieplnych są obecnie używane do chłodzenia satelitów komunikacyjnych. Publikacje Feldmana, Eastmana i Katzoffa z 1967 i 1968 roku po raz pierwszy omówiły zastosowania rur cieplnych do szerszych zastosowań, takich jak klimatyzacja, chłodzenie silnika i chłodzenie elektroniki. Artykuły te były również pierwszymi, w których wspomniano o elastycznych, tętniczych i płaskich rurach cieplnych. Publikacje z 1969 roku wprowadziły koncepcję obrotowej rurki cieplnej wraz z jej zastosowaniami do chłodzenia łopatek turbiny i zawierały pierwsze dyskusje na temat zastosowań rurek cieplnych w procesach kriogenicznych.

Począwszy od lat 80. firma Sony zaczęła włączać rurki cieplne do systemów chłodzenia niektórych swoich komercyjnych produktów elektronicznych zamiast wymuszonej konwekcji i pasywnych radiatorów żebrowanych. Początkowo były używane w odbiornikach i wzmacniaczach, wkrótce rozprzestrzeniły się na inne zastosowania elektroniczne o dużym strumieniu ciepła.

Pod koniec lat 90. procesory mikrokomputerów o coraz większym strumieniu ciepła spowodowały trzykrotny wzrost liczby zgłoszeń patentowych na rurki cieplne w USA. Ponieważ rury cieplne ewoluowały od wyspecjalizowanego przemysłowego komponentu do wymiany ciepła w towar konsumpcyjny, większość prac rozwojowych i produkcja przeniosła się ze Stanów Zjednoczonych do Azji.

Nowoczesne rurki cieplne procesora są zwykle wykonane z miedzi i wykorzystują wodę jako płyn roboczy. Są powszechne w wielu urządzeniach elektroniki użytkowej, takich jak komputery stacjonarne, laptopy, tablety i smartfony z wyższej półki.

Aplikacje

Statek kosmiczny

Rury cieplne na statkach kosmicznych zwykle wykorzystują rowkowany profil aluminiowy jako powłokę.
Typowy rowkowany aluminiowo-amoniakalny VCHP do kontroli termicznej statku kosmicznego, z sekcją parownika na dole i zbiornikiem gazu nieskraplającego się tuż pod zaworem

Zadaniem systemu kontroli termicznej statku kosmicznego jest utrzymywanie wszystkich komponentów statku kosmicznego w dopuszczalnym zakresie temperatur . Jest to skomplikowane przez następujące kwestie:

  • Szeroko zróżnicowane warunki zewnętrzne, takie jak zaćmienia
  • Środowisko mikro-g
  • Usuwanie ciepła ze statku kosmicznego wyłącznie przez promieniowanie cieplne
  • Dostępna ograniczona moc elektryczna, faworyzująca rozwiązania pasywne
  • Długa żywotność, bez możliwości konserwacji

Niektóre statki kosmiczne są zaprojektowane tak, aby działały przez 20 lat, więc pożądany jest transport ciepła bez zasilania elektrycznego lub ruchomych części. Odrzucanie ciepła przez promieniowanie cieplne oznacza, że ​​potrzebne są duże szyby grzejnikowe (kilka metrów kwadratowych). Rury cieplne i pętlowe rurki cieplne są szeroko stosowane w statkach kosmicznych, ponieważ nie wymagają żadnej mocy do działania, działają prawie izotermicznie i mogą przenosić ciepło na duże odległości.

Rowkowane knoty są używane w rurach cieplnych statków kosmicznych, jak pokazano na pierwszym zdjęciu w tej sekcji. Rury cieplne są formowane przez wytłaczanie aluminium i zazwyczaj mają integralny kołnierz w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła, co obniża spadek temperatury. Rowkowane knoty są używane w statkach kosmicznych zamiast knotów ekranowych lub spiekanych używanych w naziemnych rurach cieplnych, ponieważ rury cieplne nie muszą działać wbrew grawitacji w kosmosie. Dzięki temu rury cieplne statków kosmicznych mogą mieć kilka metrów długości, w przeciwieństwie do maksymalnej długości około 25 cm dla wodnych rur grzewczych działających na Ziemi. Amoniak jest najczęściej stosowanym płynem roboczym w rurach cieplnych statków kosmicznych. Etan jest używany, gdy rura cieplna musi działać w temperaturach poniżej temperatury zamarzania amoniaku.

Drugi rysunek przedstawia typową rowkowaną aluminiowo-amoniakalną rurkę cieplną o zmiennej przewodności (VCHP) do kontroli termicznej statku kosmicznego. Rura cieplna to aluminiowy profil, podobny do pokazanego na pierwszym rysunku. Dolny obszar kołnierza to parownik. Powyżej parownika kołnierz jest obrabiany, aby umożliwić wygięcie sekcji adiabatycznej. Skraplacz pokazano powyżej sekcji adiabatycznej. Zbiornik gazu niekondensującego (NCG) znajduje się nad główną rurą cieplną. Zawór jest usuwany po napełnieniu i uszczelnieniu rurki cieplnej. Gdy w zbiorniku stosowane są grzałki elektryczne, temperaturę parownika można regulować w zakresie ±2 K od wartości zadanej.

Systemy komputerowe

Radiator (aluminium) z rurkami cieplnymi (miedź)
Typowa konfiguracja rurek cieplnych w laptopie konsumenckim. Rurki cieplne odprowadzają ciepło odpadowe z procesora, karty graficznej i regulatorów napięcia, przenosząc je do radiatora połączonego z wentylatorem chłodzącym, który działa jak wymiennik ciepła płyn-płyn.

Rurki cieplne zaczęto stosować w systemach komputerowych pod koniec lat 90. XX wieku, kiedy zwiększone zapotrzebowanie na moc i późniejszy wzrost emisji ciepła spowodowały większe zapotrzebowanie na systemy chłodzenia. Są one obecnie szeroko stosowane w wielu nowoczesnych systemach komputerowych, zazwyczaj w celu odprowadzania ciepła z komponentów, takich jak procesory i karty graficzne , do radiatorów, w których energia cieplna może być rozpraszana do otoczenia.

Słoneczny termiczny

Rury cieplne są również szeroko stosowane w instalacjach słonecznego ogrzewania wody w połączeniu z układami kolektorów słonecznych z rurami próżniowymi. W tych zastosowaniach woda destylowana jest powszechnie stosowana jako płyn przenoszący ciepło wewnątrz uszczelnionej długości miedzianej rurki, która jest umieszczona w próżniowej szklanej rurce i jest skierowana w stronę słońca. W rurach przyłączeniowych transport ciepła odbywa się w fazie ciekłej pary, ponieważ czynnik przenoszący ciepło jest przekształcany w parę na dużym odcinku rurociągu zbiorczego.

W zastosowaniach wykorzystujących energię słoneczną do podgrzewania wody, pojedyncza rura absorbera próżniowego kolektora rurowego jest do 40% bardziej wydajna w porównaniu z bardziej tradycyjnymi „płaskimi” kolektorami słonecznymi. Wynika to głównie z próżni istniejącej w rurze, która spowalnia konwekcyjne i przewodzące straty ciepła. Względne sprawności systemu rur próżniowych są jednak zmniejszone w porównaniu z kolektorami płaskimi, ponieważ te ostatnie mają większy rozmiar apertury i mogą pochłaniać więcej energii słonecznej na jednostkę powierzchni. Oznacza to, że chociaż pojedyncza rura próżniowa ma lepszą izolację (mniejsze straty przewodzenia i konwekcji) ze względu na próżnię wytworzoną wewnątrz rury, układ rur znajdujący się w gotowym zespole solarnym pochłania mniej energii na jednostkę powierzchni ze względu na mniejszą powierzchnię absorbera obszar skierowany w stronę słońca ze względu na zaokrągloną konstrukcję próżniowego kolektora rurowego. Dlatego rzeczywiste wydajności obu projektów są mniej więcej takie same.

Próżniowe kolektory rurowe zmniejszają potrzebę stosowania dodatków zapobiegających zamarzaniu, ponieważ próżnia pomaga spowolnić utratę ciepła. Jednak w przypadku długotrwałego narażenia na działanie temperatur ujemnych płyn przenoszący ciepło może nadal zamarzać i należy przedsięwziąć środki ostrożności, aby zapewnić, że płyn zamarzający nie uszkodzi rury próżniowej podczas projektowania systemów dla takich środowisk. Odpowiednio zaprojektowane słoneczne podgrzewacze wody mogą być chronione przed mrozem do temperatury powyżej -3 ° C za pomocą specjalnych dodatków i są używane na Antarktydzie do podgrzewania wody. [ potrzebne źródło ]

Chłodzenie wiecznej zmarzliny

Podpory rurociągu na Alasce są chłodzone przez termosyfony z rurami cieplnymi, aby utrzymać zamarzniętą wieczną zmarzlinę

Budowanie na wiecznej zmarzlinie jest trudne, ponieważ ciepło z konstrukcji może rozmrozić wieczną zmarzlinę. Rury cieplne są stosowane w niektórych przypadkach, aby uniknąć ryzyka destabilizacji. Na przykład w Trans-Alaska Pipeline System ciepło resztkowe gruntu pozostające w ropie, a także ciepło wytwarzane przez tarcie i turbulencje w poruszającym się oleju może przewodzić w dół podpór rury i stopić wieczną zmarzlinę, na której są zakotwiczone podpory. Spowodowałoby to zatonięcie rurociągu i jego ewentualne uszkodzenie. Aby temu zapobiec, każdy pionowy element nośny został zamontowany z czterema pionowymi termosyfonami z rurkami cieplnymi .

Istotną cechą termosyfonu jest to, że jest pasywny i nie wymaga zewnętrznego zasilania do działania. Zimą powietrze wokół podpór jest zimniejsze niż grunt. Ciekły amoniak na dnie termosyfonu odparowuje pod wpływem ciepła pochłanianego z gruntu, chłodząc otaczającą wieczną zmarzlinę i obniżając jej temperaturę. Latem termosyfony przestają działać, ponieważ na szczycie rury cieplnej nie ma ciekłego amoniaku, ale ekstremalne chłodzenie zimą pozwala na zamarznięcie gruntu.

Rury cieplne są również używane do utrzymywania zamarzniętej wiecznej zmarzliny wzdłuż części linii kolejowej Qinghai – Tybet, gdzie nasyp i tory pochłaniają ciepło słoneczne. Pionowe rury cieplne po obu stronach odpowiednich formacji zapobiegają dalszemu rozprzestrzenianiu się ciepła w otaczającą wieczną zmarzlinę.

W zależności od zastosowania istnieje kilka projektów termosyfonów: termosyfon, termosyfon , termosyfon głębokości, fundament termosyfonu ze spadkiem, fundament termosyfonu z płaską pętlą i hybrydowy fundament termosyfonu z płaską pętlą.

Gotowanie

Pierwszym komercyjnym produktem z rurkami cieplnymi był „Thermal Magic Cooking Pin” opracowany przez Energy Conversion Systems, Inc. i po raz pierwszy sprzedany w 1966 roku. W szpilkach do gotowania zastosowano wodę jako płyn roboczy. Koperta była ze stali nierdzewnej, z wewnętrzną warstwą miedzi dla zapewnienia kompatybilności. Podczas pracy jeden koniec rurki cieplnej jest wkładany przez pieczeń. Drugi koniec wchodzi do piekarnika, gdzie odprowadza ciepło do środka pieczeni. Wysoka skuteczna przewodność cieplna rurki cieplnej skraca czas gotowania dużych kawałków mięsa o połowę.

Zasada ta została również zastosowana do kuchenek kempingowych. Rura cieplna przenosi dużą ilość ciepła w niskiej temperaturze, aby umożliwić pieczenie towarów i gotowanie innych potraw na kempingu. [ potrzebne źródło ]

Odzysk ciepła z wentylacji

W systemach grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych (HVAC) rury cieplne są umieszczane w strumieniu powietrza nawiewanego i wywiewanego systemu wentylacyjnego lub w gazach wylotowych procesu przemysłowego w celu odzyskania energii cieplnej.

Urządzenie składa się z baterii wielorzędowych żebrowanych rurek cieplnych umieszczonych zarówno w strumieniu powietrza nawiewanego, jak i wywiewanego. System odzyskuje ciepło ze spalin i przekazuje je do czerpni.

Ze względu na charakterystykę urządzenia, lepszą wydajność uzyskuje się, gdy urządzenie jest ustawione pionowo ze stroną nawiewną zamontowaną nad stroną wywiewaną, co umożliwia szybki przepływ ciekłego czynnika chłodniczego z powrotem do parownika wspomagany siłą grawitacji. Ogólnie rzecz biorąc, producenci deklarują sprawność wymiany ciepła brutto do 75%. [ potrzebne źródło ]

Konwersja energii jądrowej

Grover i jego koledzy pracowali nad systemami chłodzenia ogniw jądrowych dla statków kosmicznych , gdzie występują ekstremalne warunki termiczne. Te rurki cieplne z metali alkalicznych przenosiły ciepło ze źródła ciepła do termoelektrycznego lub termoelektrycznego w celu wytworzenia energii elektrycznej.

Od początku lat 90. XX wieku proponowano liczne systemy zasilania reaktorów jądrowych wykorzystujące rury cieplne do transportu ciepła między rdzeniem reaktora a układem konwersji energii. Pierwszy reaktor jądrowy do produkcji energii elektrycznej za pomocą rur cieplnych został po raz pierwszy uruchomiony 13 września 2012 r. Podczas demonstracji z wykorzystaniem rozszczepienia płaskiego.

Obrotowe silniki spalinowe Wankla

Zapłon mieszanki paliwowej odbywa się zawsze w tej samej części silników Wankla , powodując dysproporcje dylatacji termicznej , które zmniejszają moc wyjściową, pogarszają oszczędność paliwa i przyspieszają zużycie. W dokumencie SAE 2014-01-2160, sporządzonym przez Wei Wu i in., opisano: „Chłodzony powietrzem obrotowy silnik Wankla wspomagany przewodem cieplnym zapewniający lepszą trwałość, moc i wydajność”, uzyskali obniżenie górnej temperatury silnika z 231 ° C do 129 ° C, a różnica temperatur zmniejszona z 159 ° C do 18 ° C dla typowego, chłodzonego powietrzem bezzałogowego statku powietrznego o małej pojemności skokowej .

Wymienniki ciepła typu heat-pipe

Wymienniki ciepła przekazują ciepło ze strumienia gorącego do zimnego strumienia powietrza, wody lub oleju. Wymiennik ciepła z rurkami cieplnymi zawiera kilka rurek cieplnych, z których każda działa jako osobny wymiennik ciepła. Zwiększa to wydajność, żywotność i bezpieczeństwo. W przypadku pęknięcia jednej rurki cieplnej uwalniana jest tylko niewielka ilość płynu, co ma kluczowe znaczenie dla niektórych procesów przemysłowych, takich jak odlewanie aluminium. Dodatkowo, przy jednej pękniętej rurce cieplnej, wymiennik ciepła rurki cieplnej nadal działa.

Obecnie rozwijane aplikacje

Ze względu na dużą zdolność adaptacji rurek cieplnych badania badają implementację rurek cieplnych w różnych systemach:

  • Poprawa efektywności ogrzewania geotermalnego w celu zapobiegania śliskości dróg zimą w zimnych strefach klimatycznych
  • Zwiększona wydajność ogniw fotowoltaicznych poprzez połączenie panelu słonecznego z systemem rurek cieplnych. Odprowadza to ciepło z przegrzanych paneli, aby utrzymać optymalną temperaturę dla maksymalnego wytwarzania energii. Dodatkowo testowana instalacja wykorzystuje odzyskane ciepło termiczne do podgrzewania np. wody
  • Hybrydowe rurki cieplne prętów kontrolnych do wyłączania reaktora jądrowego w przypadku awarii i jednoczesnego odprowadzania ciepła rozpadu, aby zapobiec przegrzaniu reaktora

Ograniczenia

Rury cieplne muszą być dostosowane do określonych warunków chłodzenia. Wybór materiału, rozmiaru rur i chłodziwa ma wpływ na optymalne temperatury, w których pracują rury cieplne.

Gdy jest używany poza zakresem temperatur projektowych, przewodność cieplna rurki cieplnej jest skutecznie zredukowana do właściwości przewodzenia ciepła samej solidnej metalowej obudowy. W przypadku miedzianej jest to około 1/80 strumienia pierwotnego. Dzieje się tak dlatego, że poniżej zamierzonego zakresu temperatur płyn roboczy nie ulegnie przemianie fazowej, natomiast powyżej niego cały płyn roboczy w rurze cieplnej odparowuje i proces skraplania ustaje.

Większość producentów nie może wykonać tradycyjnej rurki cieplnej o średnicy mniejszej niż 3 mm ze względu na ograniczenia materiałowe.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Heat_pipe&oldid=1141478310 ”