Rurka cieplna - Heat pipe
Rura cieplna jest urządzenie do przenoszenia ciepła , które wykorzystuje przejścia fazowego w celu transferu ciepła pomiędzy dwoma stałymi interfejsów .
Na gorącym styku rurki cieplnej lotna ciecz w kontakcie z przewodzącą ciepło stałą powierzchnią zamienia się w parę , pochłaniając ciepło z tej powierzchni. Para następnie przemieszcza się wzdłuż rurki cieplnej do zimnego interfejsu i skrapla się z powrotem w ciecz, uwalniając utajone ciepło . Do cieczy powróci do granicy faz gorący albo poprzez kapilarnej , siły odśrodkowej , albo siły ciężkości i cykl się powtarza. Ze względu na bardzo wysokie współczynniki przenikania ciepła dla wrzenia i kondensacji , rurki cieplne są bardzo efektywnymi przewodnikami ciepła. Efektywna przewodność cieplna zmienia się w zależności od długości rurki cieplnej i może się zbliżać100 kW/(m⋅K) dla długich rur cieplnych, w porównaniu z około0,4 kW/(m⋅K) dla miedzi .
Struktura, projekt i budowa
Typowa rura cieplna składa się z uszczelnionej rury lub rury wykonanej z materiału, który jest kompatybilny z płynem roboczym, takim jak miedź w przypadku rur grzewczych z wodą lub aluminium w przypadku rur grzewczych z amoniakiem. Zazwyczaj do usuwania powietrza z pustej rurki cieplnej używana jest pompa próżniowa . Rurka 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 zakresie temperatur roboczych .
Podana/zalecana temperatura robocza danego systemu ciepłowodów jest niezwykle ważna. Poniżej temperatury roboczej ciecz jest zbyt zimna i nie może wyparować w gaz. Powyżej temperatury roboczej cała ciecz zamieniła się w gaz, a temperatura otoczenia jest zbyt wysoka, aby jakikolwiek gaz mógł się skroplić. Przewodzenie ciepła jest nadal możliwe przez ścianki rurki cieplnej, ale ze znacznie zmniejszoną szybkością wymiany ciepła. Ponadto dla danego dopływu ciepła konieczne jest osiągnięcie minimalnej temperatury płynu roboczego; natomiast z drugiej strony każdy dodatkowy wzrost (odchylenie) współczynnika przenikania ciepła w stosunku do początkowego projektu będzie hamować działanie rurki cieplnej. Może to być sprzeczne z intuicją, w tym sensie, że jeśli system rurek cieplnych jest wspomagany przez wentylator, działanie rurek cieplnych może ulec awarii, co skutkuje zmniejszoną skutecznością systemu zarządzania ciepłem — potencjalnie znacznie zmniejszoną. Temperatura robocza i maksymalna zdolność przewodzenia ciepła przez rurę cieplną – ograniczona przez jej kapilary lub inną strukturę używaną do powrotu płynu do gorącego obszaru (siła odśrodkowa, grawitacja itp.) – są zatem nieuchronnie i ściśle powiązane.
Płyny robocze dobierane są zgodnie z temperaturami, w których musi pracować rura cieplna, 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 rur 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 . Miedziane/wodne rury cieplne mają miedzianą powłokę, wykorzystują wodę jako płyn roboczy i zwykle pracują w zakresie temperatur od 20 do 150°C. Wodne rury grzewcze są czasami wypełniane przez częściowe napełnienie wodą, ogrzewanie do momentu wrzenia wody i wyparcia powietrza, a następnie uszczelniane, gdy są gorące.
Aby rura 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 zamieniana z powrotem w ciecz nasyconą. W standardowej rurce cieplnej skroplona ciecz jest zawracana do parownika za pomocą struktury knota, która działa kapilarnie na fazę ciekłą cieczy roboczej. Konstrukcje knota stosowane w rurach cieplnych obejmują spiekany proszek metalowy , sito 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 rurką cieplną jest termosyfon . Wreszcie, obrotowe rurki cieplne wykorzystują siły odśrodkowe do powrotu cieczy ze skraplacza do parownika.
Rury cieplne nie zawierają mechanicznych części ruchomych i zazwyczaj nie wymagają konserwacji, chociaż nieskraplające się gazy, które dyfundują przez ścianki rurki, które powstają w wyniku rozpadu płynu roboczego lub występują jako pierwotne zanieczyszczenia w materiale, mogą ostatecznie zmniejszyć skuteczność rury przy przekazywaniu 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 wynoszącym tylko 18 °F (10 °C) od końca do końca. Niektóre rurki cieplne wykazywały strumień ciepła przekraczający 23 kW/cm², około czterokrotnie większy od strumienia ciepła przez powierzchnię Słońca.
Materiały rurek cieplnych i płyny robocze
Rurki cieplne mają osłonę, knot i płyn roboczy. Rurki cieplne są zaprojektowane do bardzo długiej pracy bez konserwacji, dlatego ścianka rurki cieplnej i knot muszą być kompatybilne z płynem roboczym. Niektóre pary materiał/płyny robocze, które wydają się być kompatybilne, nie są kompatybilne. Na przykład, woda w aluminiowej osłonie wytworzy w ciągu kilku godzin lub dni duże ilości nieskraplającego się gazu, uniemożliwiając normalne działanie rurki cieplnej.
Odkąd rurki cieplne zostały ponownie odkryte przez George'a Grovera w 1963 roku, przeprowadzono szeroko zakrojone testy żywotności w celu określenia kompatybilnych par otoczka/płyn, niektóre trwają od dziesięcioleci. W teście żywotności rurek cieplnych rurki cieplne działają przez długi czas i są monitorowane pod kątem problemów, takich jak wytwarzanie nieskraplającego się gazu, transport materiałów i korozja.
Najczęściej używane pary otoczka (i knot)/płyn to:
- Koperta miedziana z wodnym płynem roboczym do chłodzenia elektroniki . Jest to zdecydowanie najpopularniejszy rodzaj rurki cieplnej.
- Obudowa miedziana lub stalowa z czynnikiem chłodniczym R134a do odzysku energii w systemach HVAC .
- Aluminiowa obudowa z amoniakalnym płynem roboczym do kontroli termicznej statku kosmicznego .
- Superstopowa powłoka z płynem roboczym z metali alkalicznych (cezu, potasu, sodu) do wysokotemperaturowych rur cieplnych, najczęściej stosowanych do kalibracji urządzeń do pomiaru temperatury pierwotnej.
Inne pary obejmują osłony ze stali nierdzewnej z płynami roboczymi z azotem, tlenem, neonem, wodorem lub helem w temperaturach poniżej 100 K, miedziane/metanolowe ciepłowody do chłodzenia elektroniki, gdy ciepłowody muszą działać poniżej zakresu wody, aluminiowe/etanowe ciepłowody dla kontrola termiczna statku kosmicznego w środowiskach, w których amoniak może zamarzać, oraz ogniotrwała powłoka metalowa / litowy płyn roboczy do zastosowań w wysokich temperaturach (powyżej 1050 °C (1920 °F)).
Rodzaje rur cieplnych
Oprócz standardowych ciepłowodów o stałej przewodności (CCHP), istnieje szereg innych rodzajów rurek cieplnych, w tym:
- Komory parowe (planarne rury cieplne), które służą do transformacji strumienia ciepła i izotermizacji powierzchni
- Rurki cieplne o zmiennej przewodności (VCHP), które wykorzystują gaz nieskondensowany (NCG) do zmiany efektywnej przewodności cieplnej rurki cieplnej wraz ze zmianą warunków zasilania lub radiatora
- Rury cieplne sterowane ciśnieniem (PCHP), które są VCHP, w których można zmienić objętość zbiornika lub masę NCG, aby zapewnić bardziej precyzyjną 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 pod wpływem sił grawitacyjnych/przyspieszenia,
- Obracające się ciepłowody, w których ciecz jest zawracana do parownika przez siły odśrodkowe
Komora parowa lub płaskie ciepłowody
Cienkie płaskie rurki cieplne ( rozpraszacze ciepła ) mają te same podstawowe elementy, co rurowe rurki cieplne: hermetycznie zamknięte wydrążone naczynie, płyn roboczy i zamknięty układ recyrkulacji kapilarnej. Ponadto w komorze parowej zwykle stosuje się wewnętrzną konstrukcję nośną lub szereg słupków, aby dostosować ciśnienie docisku czasami do 90 PSI. Pomaga to zapobiegać zapadaniu się płaskiej części górnej i dolnej po przyłożeniu nacisku.
Istnieją dwa główne zastosowania komór parowych. Po pierwsze, stosuje się je, gdy wysokie moce i strumienie cieplne są doprowadzane do stosunkowo małego parownika. Doprowadzanie ciepła do parownika powoduje odparowanie cieczy, która przepływa w dwóch wymiarach na powierzchnie skraplacza. Po skropleniu pary na powierzchniach skraplacza siły kapilarne w knotze zawracają kondensat do parownika. Należy zauważyć, 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, schładzając wysoki strumień cieplny z chipa elektronicznego lub diody laserowej i przekształcając go w niższy strumień cieplny, który można usunąć przez naturalną lub wymuszoną konwekcję. Dzięki specjalnym knotom parownika komory parowe mogą usuwać 2000 W na 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 bardziej dwuwymiarową metodą rozpraszania ciepła, smuklejsze laptopy do gier korzystają z nich znacznie w porównaniu z tradycyjnymi rurkami cieplnymi. Na przykład chłodzenie komory parowej w Lenovo Legion 7i było jego najbardziej unikalnym punktem sprzedaży (chociaż było niewłaściwie reklamowane, jak wszystkie modele z komorami parowymi, podczas gdy w rzeczywistości było to tylko kilka).
Po drugie, w porównaniu z jednowymiarową rurową rurką cieplną, szerokość dwuwymiarowej rurki cieplnej zapewnia odpowiedni przekrój dla przepływu ciepła nawet przy bardzo cienkim urządzeniu. Te cienkie płaskie rurki cieplne znajdują zastosowanie w zastosowaniach „wrażliwych na wysokość”, takich jak komputery przenośne i rdzenie płytek drukowanych do montażu powierzchniowego. Możliwe jest wyprodukowanie płaskich rurek cieplnych o grubości nawet 1,0 mm (nieco grubsze niż karta kredytowa 0,76 mm ).
Rury cieplne o zmiennej przewodności (VCHP)
Standardowe rurki cieplne to urządzenia o stałej przewodności, w których temperatura pracy rurek cieplnych jest ustalana przez temperaturę źródła i upustu, rezystancję termiczną od źródła do rurki cieplnej oraz rezystancję termiczną od rurki cieplnej do odpływu. W tych rurkach cieplnych temperatura spada liniowo wraz ze spadkiem temperatury zasilania lub skraplacza. W przypadku niektórych zastosowań, takich jak kontrola termiczna satelity lub balonu badawczego, elektronika będzie przechłodzona przy niskich mocach lub przy niskich temperaturach pochłaniania. Rurki cieplne o zmiennej przewodności (VCHP) służą do pasywnego utrzymywania temperatury chłodzonej elektroniki w miarę zmiany warunków zasilania i pochłaniania.
Rurki cieplne o zmiennej przewodności mają dwa dodatki w porównaniu ze standardowymi rurkami cieplnymi: 1. zbiornik i 2. gaz nieskraplający się (NCG) dodany do rurki cieplnej, oprócz płynu roboczego; zobacz zdjęcie w sekcji statku kosmicznego poniżej . Ten nieskraplający się gaz to zazwyczaj argon do standardowych rur cieplnych o zmiennej przewodności oraz hel do termosyfonów. Gdy rurka cieplna nie działa, niekondensujący się gaz i para płynu roboczego są mieszane w przestrzeni parowej rurki cieplnej. Gdy pracuje rura cieplna o zmiennej przewodności, nieskraplający się gaz jest wymiatany w kierunku końca rury cieplnej ze skraplaczem przez przepływ pary płynu roboczego. Większość nieskraplającego się gazu znajduje się w zbiorniku, podczas gdy pozostała część blokuje część skraplacza rurki cieplnej. Rurka cieplna o zmiennej przewodności działa poprzez zmianę aktywnej długości skraplacza. Gdy temperatura zasilania lub radiatora wzrasta, wzrasta temperatura i ciśnienie pary w rurce cieplnej. Zwiększona prężność pary wymusza więcej nieskraplającego się gazu do zbiornika, zwiększając długość aktywnego skraplacza i przewodność rurki cieplnej. I odwrotnie, gdy temperatura zasilania lub radiatora spada, temperatura i ciśnienie pary rurki cieplnej spada, a nieskraplający się gaz rozszerza się, zmniejszając długość aktywnego skraplacza i przewodność rurki cieplnej. Dodanie małej grzałki na zbiorniku, z mocą kontrolowaną przez temperaturę parownika, pozwoli na kontrolę termiczną w przybliżeniu ±1-2 °C. W jednym przykładzie temperatura parownika była utrzymywana w zakresie regulacji ±1,65 °C, ponieważ moc zmieniała się 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 przekazują ciepło w obu kierunkach, od cieplejszego do zimniejszego końca rurki cieplnej. Kilka różnych rurek cieplnych działa jak dioda termiczna , przenosząc ciepło w jednym kierunku, a w drugim pełniąc rolę izolatora:
- Termosyfony , które przenoszą ciepło tylko od dołu do góry termosyfonu, gdzie kondensat powraca grawitacyjnie. Gdy termosyfon jest podgrzewany od góry, nie ma cieczy do odparowania.
- Obrotowe rurki cieplne, w których rurka cieplna jest ukształtowana w taki sposób, że ciecz może przemieszczać się tylko przez siły odśrodkowe z nominalnego parownika do nominalnego skraplacza. Ponownie, ciecz nie jest dostępna, gdy nominalny skraplacz jest ogrzewany.
- Rurki cieplne z diodą paroizolacyjną.
- Rurki cieplne z diodą pułapki cieczowej.
Dioda zatrzymująca parę jest wytwarzana w podobny sposób jak rura cieplna o zmiennej przewodności, ze zbiornikiem gazu na końcu skraplacza. Podczas produkcji rurka cieplna jest ładowana płynem roboczym i kontrolowaną ilością gazu nieskraplającego się (NCG). Podczas normalnej pracy przepływ pary płynu roboczego z parownika do skraplacza zmiata nieskraplający się gaz do zbiornika, gdzie nie zakłóca normalnej pracy rurki cieplnej. Gdy nominalny skraplacz jest ogrzewany, przepływ pary następuje od nominalnego skraplacza do nominalnego parownika. Nieskraplający się gaz jest wciągany wraz z przepływającą parą, całkowicie blokując nominalny parownik i znacznie zwiększając oporność cieplną rurki cieplnej. Ogólnie rzecz biorąc, do nominalnej części adiabatycznej dochodzi pewna wymiana ciepła. Ciepło jest następnie przenoszone przez ściany rurek cieplnych do parownika. W jednym przykładzie dioda pułapki parowej przenosiła 95 W w kierunku do przodu i tylko 4,3 W w kierunku odwrotnym.
Dioda łapacza cieczy ma zbiornik knota na końcu rury cieplnej od parownika, z oddzielnym knotem, który nie jest połączony z knotem w pozostałej części rury cieplnej. Podczas normalnej pracy parownik i zbiornik są podgrzewane. Para przepływa do skraplacza, a ciecz powraca do parownika pod wpływem sił kapilarnych w knotze. Zbiornik w końcu wysycha, ponieważ nie ma sposobu na zwrócenie cieczy. Gdy nominalny skraplacz jest podgrzewany, ciecz skrapla się w parowniku i zbiorniku. Chociaż 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 rurka cieplna przestaje działać.
Termosyfony
Większość rurek cieplnych wykorzystuje knot, aby zawrócić ciecz ze skraplacza do parownika, dzięki czemu rurka cieplna może działać 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 z powrotem grawitacyjnie zamiast knota, a odległość między nimi może być znacznie większa. Taka rura cieplna wspomagana grawitacją jest znana jako termosyfon .
W termosyfonie ciekła ciecz robocza jest odparowywana przez ciepło dostarczane do parownika w dolnej części ciepłowodu. Para wędruje do skraplacza w górnej części rurki cieplnej, gdzie ulega kondensacji. Ciecz następnie spływa z powrotem na dno rurki cieplnej pod wpływem grawitacji i cykl się powtarza. Termosyfony to diodowe ciepłowody; gdy ciepło jest doprowadzane do końca skraplacza, nie ma dostępnego kondensatu, a zatem nie ma możliwości wytworzenia pary i przeniesienia ciepła do parownika.
Podczas gdy typowa naziemna rura cieplna ma mniej niż 30 cm długości, termosyfony mają często kilka metrów długości. Jak omówiono poniżej, termosyfony używane do chłodzenia rurociągu Alaska miały długość około 11 do 12 m. Zaproponowano nawet dłuższe termosyfony do pozyskiwania energii geotermalnej. Na przykład Storch i in. wyprodukował 53-milimetrowy termosyfon propanowy o długości 92 m, który przenosił około 6 kW ciepła.
Zapętlić rurę cieplną
Rury cieplnej pętli (Lewy panel) stanowi urządzenie pasywne przeniesienie dwufazowy związane z rury cieplnej. Może przenosić większą moc na większe odległości dzięki współprądowemu przepływowi cieczy i pary, w przeciwieństwie do przeciwprądowego przepływu w rurce cieplnej. Dzięki temu knot w pętlowej rurze cieplnej może być wymagany tylko w parowniku i komorze kompensacyjnej. Rury cieplne z mikropętlami zostały opracowane i są z powodzeniem stosowane w szerokim zakresie zastosowań zarówno na ziemi, jak iw kosmosie.
Oscylująca lub pulsująca rura cieplna
Oscylująca rurka cieplna, znana również jako pulsująca rurka 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. Oscylacja odbywa się w płynie roboczym; rura pozostaje nieruchoma.
Przenikanie ciepła
Rurki cieplne wykorzystują przemianę fazową do przenoszenia energii cieplnej z jednego punktu do drugiego poprzez odparowanie i kondensację płynu roboczego lub chłodziwa. Rurki cieplne opierają się na różnicy temperatur między końcami rury i nie mogą obniżać temperatury na żadnym końcu poniżej temperatury otoczenia (stąd 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 we wnęce rurki cieplnej. Utajone ciepło parowania absorbowane przez płynu roboczego zmniejsza się temperaturę gorącego końca rury.
Ciśnienie pary nad gorącym płynnym płynem roboczym na gorącym końcu rury jest wyższe niż równowagowe ciśnienie pary nad kondensującym płynem roboczym na chłodniejszym końcu rury, a ta różnica ciśnień napędza szybki transfer masy do końca skraplającego, gdzie nadmiar pary skrapla się, uwalnia swoje utajone ciepło i ogrzewa chłodny koniec rury. Gazy niekondensujące (spowodowane na przykład zanieczyszczeniem) w parze utrudniają przepływ gazu i zmniejszają skuteczność rurki cieplnej, szczególnie w niskich temperaturach, gdzie prężność pary jest niska. 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 podróżować w rurze cieplnej . W praktyce prędkość pary przechodzącej przez rurkę cieplną jest ograniczona przez szybkość kondensacji na zimnym końcu i jest znacznie mniejsza niż prędkość molekularna. Uwaga/wyjaśnienie: Szybkość kondensacji jest bardzo zbliżona do współczynnika przywierania razy prędkość molekularna razy gęstość gazu, jeśli powierzchnia kondensacji jest bardzo zimna. Jeśli jednak powierzchnia jest zbliżona do temperatury gazu, parowanie spowodowane skończoną temperaturą powierzchni w dużej mierze anuluje ten strumień ciepła. Jeśli różnica temperatur jest większa niż kilkadziesiąt stopni, parowanie z powierzchni jest zwykle pomijalne, co można ocenić na podstawie krzywych ciśnienia pary. W większości przypadków, przy bardzo wydajnym transporcie ciepła przez gaz, utrzymanie tak znacznych różnic temperatur między gazem a powierzchnią kondensacji jest bardzo trudne. Co więcej, te różnice temperatur same w sobie odpowiadają oczywiście dużemu efektywnemu oporowi termicznemu. Wąskie gardło jest często mniej dotkliwe w źródle ciepła, ponieważ gęstość gazu jest tam wyższa, co odpowiada wyższym maksymalnym strumieniom ciepła.
Skondensowany płyn roboczy przepływa następnie z powrotem do gorącego końca rury. W przypadku rur cieplnych zorientowanych pionowo płyn może być poruszany siłą grawitacji. W przypadku rurek cieplnych zawierających knoty, płyn powraca przez działanie kapilarne .
Podczas wykonywania rurek cieplnych nie ma potrzeby tworzenia podciśnienia w rurze. Po prostu gotuje się płyn roboczy w rurce cieplnej, aż powstająca para usunie z rury niekondensujące się gazy, a następnie uszczelnia koniec.
Ciekawą właściwością rurek cieplnych jest zakres temperatur, w którym działają. Początkowo można podejrzewać, że rura cieplna ładowana wodą działa tylko wtedy, gdy gorący koniec osiąga punkt wrzenia (100 °C, 212 °F, przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym), a para jest przesyłana 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 końca gorącego 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 rura cieplna z wodą jako płynem roboczym może pracować znacznie powyżej atmosferycznego punktu wrzenia (100 °C, 212 °F). Maksymalna temperatura dla długoterminowych wodnych rur grzewczych wynosi 270 °C (518 °F), z rurami cieplnymi działającymi do 300 °C (572 °F) dla testów krótkoterminowych.
Głównym powodem skuteczności rur cieplnych jest parowanie i kondensacja płynu roboczego. Ciepło parowania znacznie przekracza specyficzna pojemność cieplną . Na przykładzie wody energia potrzebna do odparowania jednego grama wody jest 540 razy większa od energii potrzebnej do podniesienia temperatury tego samego grama wody o 1°C. Prawie cała ta energia jest szybko przekazywana do „zimnego” końca, gdy płyn się tam skrapla, tworząc bardzo skuteczny system wymiany ciepła bez ruchomych części.
Rozwój
Ogólna zasada stosowania rurek cieplnych wykorzystujących grawitację, powszechnie klasyfikowanych jako termosyfony dwufazowe , sięga epoki pary i Angiera Marcha Perkinsa i jego syna Loftusa Perkinsa oraz „ Rury Perkinsa”, która znalazła szerokie zastosowanie w kotłach lokomotyw i piecach roboczych. Rurki cieplne oparte na kapilarach zostały po raz pierwszy zasugerowane przez RS Gauglera z General Motors w 1942 roku, który opatentował ten pomysł, ale nie rozwijał go dalej.
George Grover niezależnie opracował rury cieplne oparte na kapilarach w Los Alamos National Laboratory w 1963 roku, a jego patent z tego roku jako pierwszy użył terminu „rurka cieplna” i jest często określany jako „wynalazca rury cieplnej” . W swoim notatniku zanotował:
Taki układ zamknięty, niewymagający pomp zewnętrznych, może być szczególnie interesujący w reaktorach kosmicznych w przenoszeniu ciepła z rdzenia reaktora do układu promieniującego. Przy 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 niską wagę, wysoki strumień ciepła i zerowy pobór mocy rurek cieplnych – i że nie będzie to miało negatywnego wpływu na działanie w środowisku zerowej grawitacji.
Pierwszym zastosowaniem rur cieplnych w programie kosmicznym było zrównoważenie 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 głębokie zimno kosmosu . Powoduje to poważne rozbieżności w temperaturze (a tym samym niezawodności i dokładności) transponderów. Zaprojektowany do tego celu system chłodzenia rurek cieplnych zarządzał wysokimi strumieniami ciepła i wykazywał bezbłędne działanie z wpływem grawitacji i bez niego. Opracowany system chłodzenia był pierwszym zastosowaniem rurek cieplnych o zmiennej przewodności do aktywnej regulacji przepływu ciepła lub temperatury parownika.
Szersze zastosowanie
NASA przetestowała ciepłowody zaprojektowane do pracy w ekstremalnych warunkach, a niektóre z nich wykorzystują ciekły sód metaliczny jako płyn roboczy. Inne rodzaje rurek cieplnych są obecnie używane do chłodzenia satelitów komunikacyjnych. Publikacje Feldmana, Eastmana i Katzoffa z 1967 i 1968 roku po raz pierwszy omawiały zastosowania rur cieplnych do szerszych zastosowań, takich jak klimatyzacja, chłodzenie silnika i chłodzenie elektroniki. Artykuły te były również pierwszymi, w których wspomniano o rurach cieplnych giętkich, tętniczych i płaskich. Publikacje z 1969 r. wprowadziły koncepcję obrotowej rury cieplnej z jej zastosowaniami do chłodzenia łopatek turbiny i zawierały pierwsze dyskusje na temat zastosowania rurek cieplnych w procesach kriogenicznych.
Począwszy od lat 80. firma Sony zaczęła włączać rury cieplne do systemów chłodzenia niektórych swoich komercyjnych produktów elektronicznych w miejsce radiatorów z wymuszoną konwekcją i pasywnymi lamelami. Początkowo były używane w odbiornikach i wzmacniaczach, wkrótce rozpowszechniły się w innych zastosowaniach elektroniki o dużym strumieniu cieplnym.
Pod koniec lat 90. procesory mikrokomputerowe o coraz większym strumieniu ciepła spowodowały trzykrotny wzrost liczby zgłoszeń patentowych na rury cieplne w USA. Ponieważ rury cieplne ewoluowały od wyspecjalizowanego przemysłowego elementu do wymiany ciepła w towar konsumencki, większość prac rozwojowych i produkcyjnych przeniosła się ze Stanów Zjednoczonych do Azji.
Nowoczesne ciepłowody procesora są zazwyczaj wykonane z miedzi i wykorzystują wodę jako płyn roboczy. Są powszechne w wielu urządzeniach elektroniki użytkowej, takich jak komputery stacjonarne, laptopy, tablety i zaawansowane smartfony.
Aplikacje
Statek kosmiczny
System kontroli termicznej statku kosmicznego ma za zadanie utrzymywać wszystkie elementy statku kosmicznego w dopuszczalnym zakresie temperatur. Komplikuje to:
- Szeroko zmieniające się warunki zewnętrzne, takie jak zaćmienia
- Środowisko mikrogramowe
- Odprowadzanie ciepła z sondy przez promieniowanie cieplne tylko
- Ograniczona dostępna moc elektryczna, faworyzująca rozwiązania pasywne
- Długa żywotność, bez możliwości konserwacji
Niektóre statki kosmiczne są projektowane na 20 lat, więc transport ciepła bez zasilania elektrycznego lub ruchomych części jest pożądany. Odprowadzanie ciepła przez promieniowanie cieplne oznacza, że potrzebne są duże szyby grzejnikowe (wiele metrów kwadratowych). Rurki cieplne i rurki cieplne z pętlą są szeroko stosowane w statkach kosmicznych, ponieważ nie wymagają zasilania, działają prawie izotermicznie i mogą transportować ciepło na duże odległości.
Rowkowane knoty są używane w rurach cieplnych statków kosmicznych, jak pokazano na pierwszym zdjęciu w tej sekcji. Rurki cieplne są formowane przez wytłaczanie aluminium i zazwyczaj mają integralny kołnierz w celu zwiększenia powierzchni wymiany ciepła, co zmniejsza spadek temperatury. Rowkowane knoty są używane w statkach kosmicznych zamiast sit lub spiekanych knotów stosowanych w ziemskich rurkach cieplnych, ponieważ rurki cieplne nie muszą działać w kosmosie wbrew grawitacji. Dzięki temu rurki cieplne statku kosmicznego mogą mieć kilka metrów długości, w przeciwieństwie do około 25 cm maksymalnej długości rurki cieplnej działającej na Ziemi. Amoniak jest najczęstszym płynem roboczym rur cieplnych statków kosmicznych. Etan jest używany, gdy rura cieplna musi działać w temperaturach poniżej temperatury zamarzania amoniaku.
Drugi rysunek przedstawia typową rowkowaną rurę cieplną o zmiennej przewodności aluminiowo-amoniakalnej (VCHP) do kontroli termicznej statku kosmicznego. Rurka cieplna to profil aluminiowy, podobny do pokazanego na pierwszym rysunku. Obszar dolnego kołnierza to parownik. Nad parownikiem kołnierz jest obrobiony, aby umożliwić wygięcie sekcji adiabatycznej. Kondensator pokazano nad sekcją adiabatyczną. Zbiornik gazu nieskraplającego się (NCG) znajduje się nad główną rurą cieplną. Zawór jest usuwany po napełnieniu i uszczelnieniu ciepłowodu. Gdy na zbiorniku stosowane są grzałki elektryczne, temperaturę parownika można regulować w zakresie ±2 K od wartości zadanej.
Systemy komputerowe
Rurki cieplne zaczęto stosować w systemach komputerowych pod koniec lat 90-tych, kiedy zwiększone zapotrzebowanie na moc i późniejszy wzrost emisji ciepła spowodowały większe wymagania dotyczące systemów chłodzenia. Są one obecnie szeroko stosowane w wielu nowoczesnych systemach komputerowych, zwykle do odprowadzania ciepła z komponentów, takich jak procesory i karty graficzne, do radiatorów, gdzie energia cieplna może być rozpraszana w środowisku.
Słoneczna termiczna
Rury cieplne są również szeroko stosowane w zastosowaniach słonecznego ogrzewania wody w połączeniu z układami kolektorów słonecznych z rurami próżniowymi. W tych zastosowaniach woda destylowana jest powszechnie używana jako płyn przenoszący ciepło wewnątrz uszczelnionego odcinka miedzianego przewodu, który znajduje się w próżniowej rurce szklanej i jest skierowany w stronę słońca. W rurach łączących transport ciepła odbywa się w fazie ciekłej pary, ponieważ czynnik przenoszący ciepło zamieniany jest w parę na dużym odcinku rurociągu zbiorczego.
W zastosowaniach słonecznego ogrzewania wody pojedyncza rura absorbera kolektora próżniowego jest do 40% bardziej wydajna w porównaniu z bardziej tradycyjnymi „płaskimi” kolektorami słonecznymi. Wynika to w dużej mierze z próżni panującej w rurze, która spowalnia konwekcyjne i przewodzące straty ciepła. Względna wydajność systemu rur próżniowych jest jednak zmniejszona w porównaniu z kolektorami płaskimi, ponieważ te ostatnie mają większy rozmiar otworu i mogą pochłaniać więcej energii słonecznej na jednostkę powierzchni. Oznacza to, że podczas gdy pojedyncza rura próżniowa ma lepszą izolację (mniejsze straty przewodzenia i konwekcji) ze względu na próżnię wytworzoną wewnątrz rury, szereg rur znajdujących się w kompletnym 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.
Kolektory próżniowe zmniejszają zapotrzebowanie na dodatki zapobiegające zamarzaniu, ponieważ próżnia pomaga spowolnić utratę ciepła. Jednak w przypadku długotrwałego wystawienia na działanie temperatur ujemnych płyn przenoszący ciepło może nadal zamarzać i należy podjąć środki ostrożności, aby zapewnić, że ciecz zamarzająca nie uszkodzi rury próżniowej podczas projektowania systemów dla takich środowisk. Odpowiednio zaprojektowane solarne podgrzewacze wody mogą być chronione przed zamarzaniem do temperatury powyżej -3 °C za pomocą specjalnych dodatków i są używane na Antarktydzie do podgrzewania wody.
Chłodzenie wiecznej zmarzliny
Budowanie na wiecznej zmarzlinie jest trudne, ponieważ ciepło z konstrukcji może ją rozmrozić. W niektórych przypadkach stosuje się rurki cieplne, aby uniknąć ryzyka destabilizacji. Na przykład w Trans-Alaska Pipeline System ciepło resztkowe gruntu pozostające w oleju, a także ciepło wytwarzane przez tarcie i turbulencje w poruszającym się oleju, może przenosić się w dół podpór rury i stopić wieczną zmarzlinę, na której zamocowane są podpory. Spowodowałoby to zatonięcie rurociągu i prawdopodobnie jego uszkodzenie. Aby temu zapobiec, każdy pionowy wspornik został zamontowany z czterema pionowymi termosyfonami rurek cieplnych .
Istotną cechą termosyfonu jest to, że jest pasywny i nie wymaga do działania żadnego zewnętrznego zasilania. Zimą powietrze jest zimniejsze niż ziemia wokół podpór. Ciekły amoniak na dnie termosyfonu jest odparowywany przez ciepło pochłonięte z gruntu, schładzając otaczającą wieczną zmarzlinę i obniżając jej temperaturę. Latem termosyfony przestają działać, ponieważ w górnej części rurki cieplnej nie ma dostępnego ciekłego amoniaku, ale ekstremalne chłodzenie zimą pozwala na zamarznięcie gruntu.
Rurki cieplne służą również do utrzymywania zamrożenia wiecznej zmarzliny wzdłuż części kolei Qinghai–Tybet, gdzie nasyp i tor pochłaniają ciepło słoneczne. Pionowe rurki cieplne po obu stronach odpowiednich formacji zapobiegają dalszemu rozprzestrzenianiu się ciepła w otaczającej wiecznej zmarzlinie.
W zależności od zastosowania istnieje kilka konstrukcji termosyfonów: termosonda , termosyfon, termosyfon wgłębny, termosyfon skośny, termosyfon z płaską pętlą i hybrydowy termosyfon z płaską pętlą.
Gotowanie
Pierwszym komercyjnym produktem z rurką cieplną był „Thermal Magic Cooking Pin” opracowany przez Energy Conversion Systems, Inc. i sprzedany po raz pierwszy w 1966 roku. W kołkach do gotowania używano wody jako płynu roboczego. Koperta była wykonana ze stali nierdzewnej, z wewnętrzną warstwą miedzi dla kompatybilności. Podczas pracy jeden koniec rurki cieplnej jest przeciskany przez pieczeń. Drugi koniec sięga do piekarnika, gdzie kieruje ciepło do środka pieczeni. Wysoka efektywna przewodność rurki cieplnej skraca o połowę czas gotowania dużych kawałków mięsa.
Zasada ta została również zastosowana do kuchenek kempingowych. Rurka cieplna przenosi dużą ilość ciepła w niskiej temperaturze, aby umożliwić pieczenie towarów i gotowanie innych potraw w sytuacjach typu kempingowego.
Odzysk ciepła wentylacyjnego
W systemach grzewczych, wentylacyjnych i klimatyzacyjnych (HVAC) rury cieplne umieszczane są w strumieniach powietrza nawiewanego i wywiewanego centrali wentylacyjnej lub w spalinach procesu przemysłowego w celu odzyskania energii cieplnej.
Urządzenie składa się z baterii wielorzędowych użebrowanych rurek cieplnych umieszczonych zarówno w strumieniu powietrza nawiewanego, jak i wywiewanego. Po stronie powietrza wywiewanego rurki cieplnej czynnik chłodniczy odparowuje, pobierając ciepło z powietrza wywiewanego. Para czynnika chłodniczego przemieszcza się w kierunku chłodniejszego końca rury, po stronie powietrza nawiewanego urządzenia, gdzie skrapla się i oddaje ciepło. Skroplony czynnik chłodniczy powraca przez połączenie grawitacji i działania kapilarnego w knotze. W ten sposób ciepło jest przekazywane ze strumienia powietrza wywiewanego przez ściankę rurki do czynnika chłodniczego, a następnie od czynnika chłodniczego przez ściankę rurki do strumienia powietrza nawiewanego.
Ze względu na charakterystykę urządzenia, lepszą wydajność uzyskuje się, gdy urządzenie jest ustawione pionowo, ze stroną powietrza nawiewanego zamontowaną nad stroną powietrza wywiewanego, co umożliwia szybki przepływ ciekłego czynnika z powrotem do parownika wspomagany siłą grawitacji. Ogólnie rzecz biorąc, producenci twierdzą, że współczynniki przenikania ciepła brutto wynoszą do 75%.
Konwersja energii jądrowej
Grover i jego koledzy pracowali nad systemami chłodzenia ogniw jądrowych dla statków kosmicznych , w których występują ekstremalne warunki termiczne. Te alkalicznych rur metalowych ciepła przekazywanego ciepła od źródła ciepła do termoelektronowej lub termo przetwornika w celu wytworzenia energii elektrycznej.
Od wczesnych lat 90-tych proponowano liczne systemy zasilania reaktorów jądrowych wykorzystujące rury cieplne do transportu ciepła między rdzeniem reaktora a układem konwersji energii. Pierwszy reaktor jądrowy, który wytwarzał energię elektryczną za pomocą rur cieplnych, został po raz pierwszy uruchomiony 13 września 2012 r. w demonstracji z wykorzystaniem rozszczepienia płaskiego.
Obrotowe silniki spalinowe Wankla
Zapłon mieszanki paliwowej odbywa się zawsze w tej samej części silników Wankla , co powoduje dysproporcje dylatacji termicznej, które zmniejszają moc wyjściową, pogarszają zużycie paliwa i przyspieszają zużycie. W artykule SAE 2014-01-2160, autorstwa Wei Wu et al., opisano: „Chłodzony powietrzem obrotowy silnik Wankla wspomagany rurą cieplną dla lepszej trwałości, mocy i wydajności”, uzyskano obniżenie górnej temperatury silnika z 231 °C do 129°C, a różnica temperatur zmniejszona ze 159°C do 18°C dla typowego silnika bezzałogowego statku powietrznego o małej pojemności skokowej, chłodzonego powietrzem .
Wymienniki ciepła z rurkami cieplnymi
Wymienniki ciepła przekazują ciepło z gorącego strumienia do zimnego strumienia powietrza, wody lub oleju. Wymiennik ciepła z rurkami cieplnymi zawiera kilka rurek cieplnych, z których każda sama działa jako indywidualny wymiennik ciepła. Zwiększa to wydajność, żywotność i bezpieczeństwo. W przypadku pęknięcia jednej rurki cieplnej, uwalniana jest tylko niewielka ilość cieczy, co ma kluczowe znaczenie dla niektórych procesów przemysłowych, takich jak odlewanie aluminium. Dodatkowo, z jedną pękniętą rurką cieplną, wymiennik ciepła z rurką cieplną nadal działa.
Aktualnie opracowywane aplikacje
Ze względu na duże możliwości adaptacyjne rurek cieplnych, badania dotyczą zastosowania rurek cieplnych do różnych systemów:
- Poprawa wydajności ogrzewania geotermalnego, aby zapobiec śliskim nawierzchniom zimą w zimnych strefach klimatycznych
- Zwiększona wydajność ogniw fotowoltaicznych dzięki połączeniu panelu słonecznego z systemem rurek cieplnych. To transportuje ciepło z przegrzanych paneli, aby utrzymać optymalną temperaturę dla maksymalnego wytwarzania energii. Dodatkowo testowany układ wykorzystuje odzyskane ciepło cieplne do ogrzewania np. wody
- Hybrydowe rury cieplne z prętem sterującym do wyłączania reaktora jądrowego w przypadku awarii i jednocześnie odprowadzające ciepło rozpadu, aby zapobiec przegrzaniu reaktora
Ograniczenia
Rurki cieplne muszą być dostrojone do określonych warunków chłodzenia. Wybór materiału, rozmiaru i chłodziwa rury ma wpływ na optymalne temperatury pracy rurek cieplnych.
W przypadku stosowania poza zakresem temperatur projektowych przewodność cieplna rurki cieplnej jest skutecznie redukowana do właściwości przewodzenia ciepła samej tylko solidnej metalowej obudowy. W przypadku miedzianej obudowy jest to około 1/80 oryginalnego topnika. Dzieje się tak dlatego, że poniżej zamierzonego zakresu temperatury płyn roboczy nie ulegnie przemianie fazowej, natomiast powyżej niego cały płyn roboczy w rurce cieplnej odparowuje i proces kondensacji ustaje.
Większość producentów nie może wyprodukować tradycyjnej rurki cieplnej o średnicy mniejszej niż 3 mm ze względu na ograniczenia materiałowe.