Hőcső
A tipikus hőcső egy olyan anyagból készült zárt csőből vagy csőből áll, amely kompatibilis a munkafolyadékkal, például vízhőcsövek esetében rézből, vagy alumínium az ammónia hőcsövek esetében. Általában egy vákuumszivattyút használnak a levegő eltávolítására az üres hőcsőből. A hőcsövet részben feltöltik a munkafolyadékkal, majd lezárják. A munkafolyadék tömegét úgy választják meg, hogy a hőcső az üzemi hőmérséklet-tartományban gőzt és folyadékot egyaránt tartalmazzon.
Az üzemi hőmérséklet alatt a folyadék túl hideg, és nem tud gázzá párologni. Az üzemi hőmérséklet felett az összes folyadék gázzá alakult, és a környezeti hőmérséklet túl magas ahhoz, hogy a gázból bármi is kondenzálódjon. A hővezetés még mindig lehetséges a hőcső falain keresztül, de jelentősen csökkentett hőátadási sebességgel. Továbbá egy adott hőbevitelhez az is szükséges, hogy a munkafolyadék egy minimális hőmérsékletet érjen el, és a hőátadási együttható további növekedése (eltérése) az eredeti tervezéstől inkább gátolja a hőcső működését. Ez a jelenség ellentmondásos abban az értelemben, hogy ha a hőcsőrendszert ventilátorral segítik, akkor a hőcső tönkremehet, és csökkentheti a hőkezelő rendszer hatékonyságát. Az üzemi hőmérséklet és a hőcsövek (kapilláris szerkezete által korlátozott) maximális hőszállító kapacitása tehát szorosan összefügg.
A munkafolyadékokat aszerint választják ki, hogy milyen hőmérsékleten kell a hőcsőnek működnie, a példák a folyékony héliumtól a rendkívül alacsony hőmérsékletű alkalmazásokhoz (2-4 K) a higanyig (523-923 K), a nátriumig (873-1473 K) vagy akár az indiumig (2000-3000 K) a rendkívül magas hőmérsékletekhez. A szobahőmérsékletű alkalmazásokhoz használt hőcsövek túlnyomó többsége ammóniát (213-373 K), alkoholt (metanol (283-403 K) vagy etanol (273-403 K), vagy vizet (298-573 K) használ munkafolyadékként. A réz/víz hőcsövek rézburkolattal rendelkeznek, munkafolyadékként vizet használnak, és jellemzően a 20-150 °C közötti hőmérséklet-tartományban működnek. A vizes hőcsöveket néha úgy töltik meg, hogy részben feltöltik vízzel, addig melegítik, amíg a víz felforr és kiszorítja a levegőt, majd forrón lezárják.
A hőcsőnek a hőátadáshoz telített folyadékot és annak gőzét (gázfázisát) kell tartalmaznia. A telített folyadék elpárolog, és a kondenzátorba kerül, ahol lehűl, és újra telített folyadékká alakul. Egy szabványos hőcsőben a kondenzált folyadék a munkafolyadék folyadékfázisára kapilláris hatást kifejtő kanócszerkezet segítségével jut vissza a párologtatóba. A hőcsövekben használt kanócszerkezetek közé tartoznak a szinterezett fémpor, a szita és a hornyolt kanócok, amelyek a cső tengelyével párhuzamos hornyok sorozatával rendelkeznek. Ha a kondenzátor az elpárologtató felett gravitációs mezőben helyezkedik el, a gravitáció vissza tudja vezetni a folyadékot. Ebben az esetben a hőcső egy termoszifon. Végül a forgó hőcsövek a centrifugális erőket használják a folyadéknak a kondenzátorból a párologtatóba történő visszavezetésére.
A hőcsövek nem tartalmaznak mechanikus mozgó alkatrészeket, és általában nem igényelnek karbantartást, bár a cső falain keresztül diffundáló, nem kondenzálódó gázok, amelyek a munkafolyadék lebomlásából vagy az anyagban lévő szennyeződésekből származnak, idővel csökkenthetik a cső hatékonyságát a hőátadásban.
A hőcsövek előnye sok más hőleadó mechanizmussal szemben az, hogy nagy hatékonysággal adják át a hőt. Egy egy hüvelyk átmérőjű és két láb hosszú cső 3,7 kW (12 500 BTU/óra) hőátadásra képes 1 800 °F (980 °C) hőmérsékleten, mindössze 18 °F (10 °C) csökkenéssel a végétől a végéig. Egyes hőcsövek több mint 23 kW/cm² hőáramot mutattak ki, ami körülbelül négyszerese a Nap felszínén átáramló hőáramnak.
Hőcsövek anyagai és munkafolyadékokSzerkesztés
A hőcsöveknek van egy burkolata, egy kanóc és egy munkafolyadék. A hőcsöveket nagyon hosszú távú, karbantartás nélküli működésre tervezték, ezért a hőcső falának és a kanócnak kompatibilisnek kell lennie a munkafolyadékkal. Néhány kompatibilisnek tűnő anyag/munkaközeg páros nem az. Például a víz egy alumínium burkolatban néhány óra vagy nap alatt nagy mennyiségű nem kondenzálódó gázt fejleszt, ami megakadályozza a hőcső normális működését.
Mióta George Grover 1963-ban újra felfedezte a hőcsöveket, kiterjedt élettartam-teszteket végeztek a kompatibilis burkolat/folyadék párosok meghatározására, amelyek közül néhány évtizedekig tartott. A hőcsövek élettartam-tesztje során a hőcsöveket hosszú ideig működtetik, és ellenőrzik az olyan problémákat, mint a nem kondenzálódó gázok keletkezése, az anyagszállítás és a korrózió.
A leggyakrabban használt burkolat (és kanóc)/folyadék párosok a következők:
- Rézburkolat vízzel működő folyadékkal elektronikai hűtéshez. Ez messze a leggyakoribb hőcsőtípus.
- Réz- vagy acélburok R134a hűtőközeggel és munkafolyadékkal a HVAC-rendszerek energia-visszanyeréséhez.
- Alumiburok ammónia munkafolyadékkal az űrhajók hőszabályozásához.
- Szuperötvözet-burok alkálifém (cézium, kálium, nátrium) munkafolyadékkal magas hőmérsékletű hőcsövekhez, amelyeket leggyakrabban elsődleges hőmérsékletmérő eszközök kalibrálásához használnak.
A többi pár közé tartoznak a rozsdamentes acél burkolatok nitrogén, oxigén, neon, hidrogén vagy hélium munkafolyadékkal 100 K alatti hőmérsékleten, réz/metanol hőcsövek elektronikai hűtéshez, amikor a hőcsőnek a víz tartomány alatt kell működnie, alumínium/etán hőcsövek űrhajók hőszabályozásához olyan környezetben, ahol az ammónia megfagyhat, és tűzálló fém burkolat/lítium munkafolyadék magas hőmérsékletű (1050 °C (1.920 °F) feletti) alkalmazásokhoz.
A hőcsövek típusaiSzerkesztés
A szabványos, állandó vezetőképességű hőcsöveken (CCHP) kívül számos más típusú hőcső is létezik, többek között:
- Gőzkamrák (sík hőcsövek), amelyeket a hőáram átalakítására és felületek izotermizálására használnak
- Változó vezetőképességű hőcsövek (VCHP), amelyek nem kondenzálódó gázt (NCG) használnak a hőcső effektív hővezető képességének megváltoztatására a teljesítmény vagy a hőelvezető körülmények változásával
- Nyomásvezérelt hőcsövek (PCHP), amelyek olyan VCHP-k, amelyekben a tartály térfogata vagy az NCG tömege változtatható a hőmérséklet pontosabb szabályozása érdekében
- Dióda hőcsövek, amelyeknek nagy a hővezető képessége előrefelé, és alacsony a hővezető képessége visszafelé
- Thermoszifonok, amelyek olyan hőcsövek, ahol a folyadékot gravitációs/gyorsító erők segítségével juttatják vissza az elpárologtatóba,
- Pörgő hőcsövek, ahol a folyadékot a centrifugális erők vezetik vissza a párologtatóba
Párologtatókamrás vagy lapos hőcsövekSzerkesztés
A vékony síkbeli hőcsövek (hőszórók) ugyanazokkal az elsődleges összetevőkkel rendelkeznek, mint a csöves hőcsövek: Egy hermetikusan lezárt üreges edény, egy munkafolyadék és egy zárt hurkú kapilláris recirkulációs rendszer. Ezenkívül általában egy belső tartószerkezetet vagy oszlopok sorozatát használják a gőzkamrában, hogy befogadják az olykor akár 90 PSI-ig terjedő szorítónyomást. Ez segít megakadályozni a lapos tetejének és aljának összeomlását a nyomás alkalmazásakor.
A gőzkamráknak két fő alkalmazási területe van. Először is, akkor használják őket, amikor nagy teljesítményeket és hőáramokat alkalmaznak egy viszonylag kis méretű elpárologtatóra. Az elpárologtatóba bevitt hő elpárologtatja a folyadékot, amely két dimenzióban áramlik a kondenzátor felületei felé. Miután a gőz lecsapódik a kondenzátor felületein, a kanócban lévő kapilláris erők visszavezetik a kondenzátumot az elpárologtatóba. Megjegyzendő, hogy a legtöbb gőzkamra nem érzékeny a gravitációra, és akkor is működik, ha a párologtató a kondenzátor felett van. Ebben az alkalmazásban a párologtatókamra hőáram-transzformátorként működik, lehűti az elektronikus chip vagy lézerdióda nagy hőáramát, és alacsonyabb hőárammá alakítja át, amely természetes vagy kényszerített konvekcióval eltávolítható. Speciális párologtatószálakkal a párologtatókamrák 4 cm2 -en 2000 W-ot, illetve 1 cm2 -en 700 W-ot képesek eltávolítani.
A párologtatókamrák másik fő felhasználási területe a játékos laptopok hűtése. Mivel a párolgókamrák a hőelvezetés laposabb és kétdimenziósabb módszere, a karcsúbb játéklaptopok a hagyományos hőcsövekhez képest óriási hasznot húznak belőlük. Például a Lenovo Legion 7i modelljének legegyedibb értékesítési pontja a párolgókamrás hűtés volt (bár tévesen úgy hirdették, hogy minden modell rendelkezik párolgókamrával, miközben valójában csak néhány modell rendelkezett vele).
Másrészt, az egydimenziós csöves hőcsövekhez képest a kétdimenziós hőcsövek szélessége még egy nagyon vékony eszköz esetében is megfelelő keresztmetszetet biztosít a hőáramláshoz. Ezek a vékony síkbeli hőcsövek egyre inkább megtalálják az utat a “magasságra érzékeny” alkalmazásokban, például a notebook számítógépekben és a felületre szerelt áramköri lapok magjaiban. Akár 1,0 mm vékony (valamivel vastagabb, mint egy 0,76 mm-es hitelkártya) sík hőcsövek is gyárthatók.
Változó vezetőképességű hőcsövek (VCHP-k)Edit
A szabványos hőcsövek állandó vezetőképességű eszközök, ahol a hőcső működési hőmérsékletét a forrás és a nyelő hőmérséklete, a forrás és a hőcső közötti hőellenállás, valamint a hőcső és a nyelő közötti hőellenállás határozza meg. Ezekben a hőcsövekben a hőmérséklet lineárisan csökken a teljesítmény vagy a kondenzátor hőmérsékletének csökkenésével. Bizonyos alkalmazásoknál, például a műholdak vagy a kutatóballonok hőszabályozásánál az elektronika túlhűtésre kerül alacsony teljesítménynél vagy az alacsony nyelőhőmérsékleteknél. A változó vezetőképességű hőcsöveket (VCHP) arra használják, hogy passzívan fenntartsák a hűtendő elektronika hőmérsékletét a teljesítmény és a hűtőnyílás körülményeinek változásával.
A változó vezetőképességű hőcsövek két kiegészítéssel rendelkeznek a hagyományos hőcsövekhez képest: 1. egy tározó, és 2. egy nem kondenzálódó gáz (NCG), amelyet a munkafolyadékon kívül a hőcsőhöz adnak; lásd a képet az alábbi űrhajós részben. Ez a nem kondenzálódó gáz a hagyományos, változó vezetőképességű hőcsövek esetében általában argon, a termoszifonok esetében pedig hélium. Amikor a hőcső nem működik, a nem kondenzálódó gáz és a munkafolyadék gőze keveredik a hőcső gőztérében. Amikor a változó vezetőképességű hőcső működik, a nem kondenzálódó gázt a munkafolyadék gőzének áramlása a hőcső kondenzátor vége felé sodorja. A nem kondenzálódó gáz nagy része a tartályban található, míg a maradék a hőcső kondenzátorának egy részét elzárja. A változó vezetőképességű hőcső a kondenzátor aktív hosszának változtatásával működik. Ha a teljesítmény vagy a hőelnyelő hőmérsékletét növeljük, a hőcső gőzének hőmérséklete és nyomása növekszik. A megnövekedett gőznyomás a nem kondenzálódó gázból többet kényszerít a tározóba, növelve az aktív kondenzátor hosszát és a hőcső vezetőképességét. Ezzel szemben, ha a teljesítmény vagy a hőelnyelő hőmérséklete csökken, a hőcső gőzhőmérséklete és nyomása csökken, és a nem kondenzálódó gáz kitágul, csökkentve az aktív kondenzátor hosszát és a hőcső vezetőképességét. Egy kis fűtőberendezés hozzáadása a tározóhoz, amelynek teljesítményét a párologtató hőmérséklete szabályozza, nagyjából ±1-2 °C-os hőszabályozást tesz lehetővé. Egy példában az elpárologtató hőmérsékletét ±1,65 °C szabályozási sávban tartották, miközben a teljesítményt 72 és 150 W között változtatták, a hűtőborda hőmérséklete pedig +15 °C és -65 °C között változott.
A nyomásvezérelt hőcsövek (PCHP) akkor használhatók, ha szigorúbb hőmérséklet-szabályozásra van szükség. A nyomásvezérelt hőcsövekben az elpárologtató hőmérsékletét vagy a tározó térfogatának, vagy a hőcsőben lévő nem kondenzálódó gáz mennyiségének változtatására használják. A nyomásvezérelt hőcsövek milli-Kelvin hőmérséklet-szabályozást mutattak.
Diódás hőcsövekSzerkesztés
A hagyományos hőcsövek a hőt mindkét irányban, a hőcső melegebb végétől a hidegebb végéig adják át. Számos különböző hőcső működik hődiódaként, amelyek az egyik irányban hőt adnak át, míg a másik irányban szigetelőként viselkednek:
- Termoszifonok, amelyek csak a termoszifon aljáról a tetejére adják át a hőt, ahonnan a kondenzátum a gravitáció hatására visszatér. Ha a termoszifon tetején melegszik, nem áll rendelkezésre folyadék a párologtatáshoz.
- Pörgő hőcsövek, ahol a hőcsövet úgy alakítják ki, hogy a folyadék csak a centrifugális erők hatására tud a névleges elpárologtatóból a névleges kondenzátorba jutni. A névleges kondenzátor felfűtésekor ismét nem áll rendelkezésre folyadék.
- Gőzcsapdás diódás hőcsövek.
- Folyadékcsapdás diódás hőcsövek.
A változó vezetőképességű hőcsőhöz hasonlóan, a kondenzátor végén lévő gáztárolóval gyártott gőzcsapdás diódás hőcső. A gyártás során a hőcsövet feltöltik a munkafolyadékkal és egy szabályozott mennyiségű nem kondenzálódó gázzal (NCG). Normál működés közben a munkafolyadék gőzének áramlása a párologtatóból a kondenzátorba a nem kondenzálódó gázt a tartályba söpör, ahol az nem zavarja a hőcső normális működését. A névleges kondenzátor fűtésekor a gőz áramlása a névleges kondenzátorból a névleges elpárologtatóba történik. A nem kondenzálódó gáz az áramló gőzzel együtt húzódik, teljesen elzárva a névleges elpárologtatót, és jelentősen megnövelve a hőcső hőellenállását. Általában van némi hőátadás a névleges adiabatikus szakasz felé. Ezután a hő a hőcső falain keresztül a párologtatóba jut. Egy példában egy páracsapda-dióda 95 W-ot szállított előrefelé, és csak 4,3 W-ot fordított irányban.
A folyadékcsapdás dióda a hőcső elpárologtató végében egy pajzsos tározóval rendelkezik, külön kanóccal, amely nem áll kapcsolatban a hőcső többi részében lévő kanóccal. Normál működés közben az elpárologtató és a tározó fűtött. A gőz a kondenzátorba áramlik, a folyadék pedig a kanócban lévő kapilláris erők révén visszatér az elpárologtatóba. A tartály végül kiszárad, mivel nincs módszer a folyadék visszavezetésére. Amikor a névleges kondenzátort felmelegítik, a folyadék a párologtatóban és a tartályban kondenzálódik. Míg a folyadék a névleges elpárologtatóból vissza tud térni a névleges kondenzátorba, a tartályban lévő folyadék csapdába esik, mivel a tartály kanóca nincs csatlakoztatva. Végül az összes folyadék a tározóban reked, és a hőcső működése megszűnik.
TermoszifonokSzerkesztés
A legtöbb hőcső kanócot használ a folyadéknak a kondenzátorból az elpárologtatóba való visszajuttatására, így a hőcső bármilyen tájolásban működhet. A folyadékot a kapilláris hatás szívja vissza az elpárologtatóba, hasonlóan ahhoz, ahogyan a szivacs szívja fel a vizet, amikor a szélét egy víztócsával érintkezik. A maximális kedvezőtlen magasság (elpárologtató a kondenzátor felett) azonban viszonylag kicsi, egy tipikus vízhőcső esetében 25 cm-es nagyságrendű.
Ha azonban az elpárologtató a kondenzátor alatt helyezkedik el, a folyadék a gravitáció segítségével tud visszaszívódni, ahelyett, hogy kanócra lenne szükség, és a kettő közötti távolság sokkal nagyobb lehet. Az ilyen gravitációval segített hőcsövet termoszifonnak nevezik.
A termoszifonban a folyékony munkafolyadékot a hőcső alján lévő elpárologtatóba juttatott hő párologtatja el. A gőz a hőcső tetején lévő kondenzátorba jut, ahol lecsapódik. A folyadék ezután a gravitáció hatására visszaáramlik a hőcső aljára, és a ciklus megismétlődik. A termoszifonok diódás hőcsövek; amikor a hő a kondenzátor végére kerül, nem áll rendelkezésre kondenzátum, és így nem tud gőzt képezni és hőt átadni az elpárologtatónak.
Míg egy tipikus földi vízhőcső kevesebb mint 30 cm hosszú, a termoszifonok gyakran több méter hosszúak. Amint azt alább tárgyaljuk, az alaszkai csővezeték hűtésére használt termoszifonok nagyjából 11-12 m hosszúak voltak. A geotermikus energia kinyerésére még hosszabb termoszifonokat is javasoltak. Storch és munkatársai például egy 53 mm belső átmérőjű, 92 m hosszú propán termoszifont gyártottak, amely nagyjából 6 kW hőt szállított.
HurokhőcsőSzerkesztés
A hurokhőcső (LHP) a hőcsővel rokon passzív kétfázisú hőátadó eszköz. Nagyobb teljesítményt képes nagyobb távolságokon átvinni azáltal, hogy a folyadék és a gőz áramlása egyidejűleg történik, szemben a hőcsőben lévő ellenáramú áramlással. Ez lehetővé teszi, hogy a hurkolt hőcsőben a kanócra csak az elpárologtatóban és a kompenzációs kamrában legyen szükség. Mikrohurok-hőcsöveket fejlesztettek ki és alkalmaznak sikeresen széles körben, mind a földön, mind az űrben.
Oszcilláló vagy pulzáló hőcső Edit
Az oszcilláló hőcső, más néven pulzáló hőcső csak részben van feltöltve folyékony munkafolyadékkal. A cső szerpentin alakban van elrendezve, amelyben szabadon mozgó folyadék- és gőzszegmensek váltakoznak. A munkafolyadékban oszcilláció megy végbe, a cső mozdulatlan marad.
Leave a Reply