Heat pipe
Un tipico tubo di calore consiste in un tubo o tubo sigillato fatto di un materiale che è compatibile con il fluido di lavoro come il rame per tubi di calore ad acqua, o l’alluminio per i tubi di calore ad ammoniaca. Tipicamente, una pompa a vuoto viene utilizzata per rimuovere l’aria dal tubo di calore vuoto. Il tubo di calore viene parzialmente riempito con un fluido di lavoro e poi sigillato. La massa del fluido di lavoro è scelta in modo che il tubo di calore contenga sia vapore che liquido nell’intervallo di temperatura di funzionamento.
Al di sotto della temperatura di funzionamento, il liquido è troppo freddo e non può vaporizzare in un gas. Al di sopra della temperatura d’esercizio, tutto il liquido si è trasformato in gas, e la temperatura ambientale è troppo alta perché il gas possa condensare. La conduzione termica è ancora possibile attraverso le pareti del tubo di calore, ma ad un tasso molto ridotto di trasferimento termico. Inoltre, per un dato input di calore, è anche necessario che una temperatura minima del fluido di lavoro sia raggiunta e un ulteriore aumento (deviazione) del coefficiente di trasferimento del calore, dal progetto iniziale, inibisce piuttosto l’azione dell’heat pipe. Questo fenomeno è controintuitivo, nel senso che se un sistema di heat pipe è aiutato da una ventola, allora l’heat pipe può rompersi e ridurre l’efficacia del sistema di gestione termica. La temperatura di funzionamento e la capacità massima di trasporto di calore dei tubi di calore (limitata dalla sua struttura capillare) sono quindi strettamente legate.
I fluidi di lavoro vengono scelti in base alle temperature alle quali il tubo di calore deve funzionare, con esempi che vanno dall’elio liquido per applicazioni a temperature estremamente basse (2-4 K) al mercurio (523-923 K), al sodio (873-1473 K) e persino all’indio (2000-3000 K) per temperature estremamente elevate. La grande maggioranza dei tubi di calore per applicazioni a temperatura ambiente usa l’ammoniaca (213-373 K), l’alcool (metanolo (283-403 K) o etanolo (273-403 K), o l’acqua (298-573 K) come fluido di lavoro. I tubi di calore rame/acqua hanno un involucro di rame, usano l’acqua come fluido di lavoro e tipicamente operano nell’intervallo di temperatura da 20 a 150 °C. I tubi di calore ad acqua sono a volte riempiti parzialmente con acqua, riscaldando fino a quando l’acqua bolle e sposta l’aria, e poi sigillati mentre sono caldi.
Perché il tubo di calore trasferisca calore, deve contenere liquido saturo e il suo vapore (fase gassosa). Il liquido saturo si vaporizza e viaggia verso il condensatore, dove viene raffreddato e ritrasformato in un liquido saturo. In un heat pipe standard, il liquido condensato viene riportato all’evaporatore utilizzando una struttura a stoppino che esercita un’azione capillare sulla fase liquida del fluido di lavoro. Le strutture di stoppino utilizzate nei tubi di calore includono polvere metallica sinterizzata, schermo e stoppini scanalati, che hanno una serie di scanalature parallele all’asse del tubo. Quando il condensatore si trova sopra l’evaporatore in un campo gravitazionale, la gravità può restituire il liquido. In questo caso, il tubo di calore è un termosifone. Infine, i tubi di calore rotanti utilizzano le forze centrifughe per restituire il liquido dal condensatore all’evaporatore.
I tubi di calore non contengono parti meccaniche in movimento e tipicamente non richiedono manutenzione, anche se i gas non condensabili che si diffondono attraverso le pareti del tubo, derivanti dalla rottura del fluido di lavoro o da impurità presenti nel materiale, possono alla fine ridurre l’efficacia del tubo nel trasferire il calore.
Il vantaggio dei tubi di calore rispetto a molti altri meccanismi di dissipazione del calore è la loro grande efficienza nel trasferimento di calore. Un tubo di un pollice di diametro e due piedi di lunghezza può trasferire 3,7 kW (12.500 BTU all’ora) a 1.800 °F (980 °C) con solo 18 °F (10 °C) di caduta da un capo all’altro. Alcuni tubi di calore hanno dimostrato un flusso di calore di oltre 23 kW/cm², circa quattro volte il flusso di calore attraverso la superficie del sole.
Materiali per tubi di calore e fluidi di lavoroModifica
I tubi di calore hanno un involucro, uno stoppino e un fluido di lavoro. I tubi di calore sono progettati per un funzionamento a lungo termine senza manutenzione, quindi la parete del tubo di calore e lo stoppino devono essere compatibili con il fluido di lavoro. Alcune coppie materiale/fluido di lavoro che sembrano essere compatibili non lo sono. Per esempio, l’acqua in un involucro di alluminio svilupperà grandi quantità di gas non condensabili in poche ore o giorni, impedendo il normale funzionamento del tubo di calore.
Da quando i tubi di calore sono stati riscoperti da George Grover nel 1963, sono state condotte ampie prove di vita per determinare le coppie involucro/fluido compatibili, alcune delle quali durano da decenni. In un test di vita dei tubi di calore, i tubi di calore vengono fatti funzionare per lunghi periodi di tempo e monitorati per problemi come la generazione di gas non condensabili, il trasporto di materiale e la corrosione.
Le coppie di involucro (e stoppino)/fluido più comunemente usate includono:
- Involucro di rame con fluido di lavoro acqua per il raffreddamento di elettronica. Questo è di gran lunga il tipo più comune di heat pipe.
- Involucro di rame o acciaio con fluido refrigerante R134a per il recupero di energia nei sistemi HVAC.
- Involucro di alluminio con fluido di lavoro ammoniaca per il controllo termico dei veicoli spaziali.
- Involucro di superlega con fluido di lavoro di metalli alcalini (cesio, potassio, sodio) per heat pipe ad alta temperatura, più comunemente usato per calibrare dispositivi di misurazione della temperatura primaria.
Altre coppie includono involucri in acciaio inossidabile con fluidi di lavoro azoto, ossigeno, neon, idrogeno o elio a temperature inferiori a 100 K, tubi di calore rame/metanolo per il raffreddamento dell’elettronica quando il tubo di calore deve funzionare al di sotto dell’intervallo dell’acqua, tubi di calore alluminio/etano per il controllo termico dei veicoli spaziali in ambienti in cui l’ammoniaca può congelare, e involucro in metallo refrattario/fluido di lavoro litio per applicazioni ad alta temperatura (sopra 1.050 °C (1.920 °F)).
Tipi di tubi di caloreModifica
Oltre ai tubi di calore standard a conduttanza costante (CCHP), ci sono diversi altri tipi di tubi di calore, tra cui:
- Camere di vapore (tubi di calore planari), che sono utilizzati per la trasformazione del flusso di calore, e l’isoterminazione delle superfici
- Tubi di calore a conduttanza variabile (VCHPs), che usano un gas non condensabile (NCG) per cambiare la conduttività termica effettiva del tubo di calore al variare della potenza o delle condizioni del dissipatore di calore
- Tubi di calore a pressione controllata (PCHPs), che sono un VCHP dove il volume del serbatoio, o la massa NCG può essere cambiata, per dare un controllo più preciso della temperatura
- Tubi di calore a diodi, che hanno un’alta conducibilità termica nella direzione in avanti, e una bassa conducibilità termica nella direzione inversa
- Termosifoni, che sono tubi di calore dove il liquido viene restituito all’evaporatore da forze gravitazionali/accelerative,
- Tubi di calore rotanti, dove il liquido viene restituito all’evaporatore da forze centrifughe
Camera di vapore o tubi di calore piattiModifica
Tubi di calore planari sottili (diffusori di calore) hanno gli stessi componenti primari dei tubi di calore tubolari: un recipiente cavo ermeticamente sigillato, un fluido di lavoro e un sistema di ricircolo capillare a circuito chiuso. Inoltre, una struttura interna di supporto o una serie di pali sono generalmente utilizzati in una camera di vapore per ospitare pressioni di serraggio a volte fino a 90 PSI. Questo aiuta a prevenire il collasso della parte superiore e inferiore piatta quando la pressione viene applicata.
Ci sono due applicazioni principali per le camere di vapore. In primo luogo, sono usate quando si applicano potenze e flussi di calore elevati a un evaporatore relativamente piccolo. Il calore in ingresso all’evaporatore vaporizza il liquido, che scorre in due dimensioni verso le superfici del condensatore. Dopo che il vapore si condensa sulle superfici del condensatore, le forze capillari nello stoppino restituiscono il condensato all’evaporatore. Si noti che la maggior parte delle camere di vapore sono insensibili alla gravità e funzionano ancora quando sono invertite, con l’evaporatore sopra il condensatore. In questa applicazione, la camera di vapore agisce come un trasformatore di flusso di calore, raffreddando un alto flusso di calore da un chip elettronico o un diodo laser, e trasformandolo in un flusso di calore inferiore che può essere rimosso per convezione naturale o forzata. Con speciali stoppini per l’evaporatore, le camere di vapore possono rimuovere 2000 W su 4 cm2, o 700 W su 1 cm2.
Un altro uso importante delle camere di vapore è per scopi di raffreddamento nei portatili da gioco. Poiché le camere di vapore sono un metodo più piatto e bidimensionale di dissipazione del calore, i portatili da gioco più eleganti ne beneficiano enormemente rispetto ai tradizionali tubi di calore. Per esempio, il raffreddamento della camera di vapore nel Legion 7i di Lenovo era il suo punto di vendita più unico (anche se è stato pubblicizzato erroneamente come se tutti i modelli avessero camere di vapore, mentre in realtà solo alcuni ne avevano).
In secondo luogo, rispetto a un tubo di calore tubolare monodimensionale, la larghezza di un tubo di calore bidimensionale permette una sezione trasversale adeguata per il flusso di calore anche con un dispositivo molto sottile. Questi sottili tubi di calore planari stanno trovando la loro strada in applicazioni “sensibili all’altezza”, come i computer portatili e i nuclei di circuiti stampati a montaggio superficiale. È possibile produrre tubi di calore piatti sottili fino a 1,0 mm (leggermente più spessi di una carta di credito da 0,76 mm).
Tubi di calore a conduttanza variabile (VCHPs)Edit
I tubi di calore standard sono dispositivi a conduttanza costante, dove la temperatura operativa del tubo di calore è impostata dalle temperature della sorgente e del sink, le resistenze termiche dalla sorgente al tubo di calore, e le resistenze termiche dal tubo di calore al sink. In questi tubi di calore, la temperatura scende linearmente con la riduzione della temperatura della sorgente o del condensatore. Per alcune applicazioni, come il controllo termico dei satelliti o dei palloni di ricerca, l’elettronica sarà sovraraffreddata a basse potenze, o alle basse temperature del condensatore. I tubi di calore a conduttanza variabile (VCHP) sono usati per mantenere passivamente la temperatura dell’elettronica da raffreddare al variare della potenza e delle condizioni del lavello.
I tubi di calore a conduttanza variabile hanno due aggiunte rispetto a un tubo di calore standard: 1. un serbatoio, e 2. un gas non condensabile (NCG) aggiunto al tubo di calore, oltre al fluido di lavoro; vedi l’immagine nella sezione veicoli spaziali qui sotto. Questo gas non condensabile è tipicamente argon per i tubi di calore a conduttanza variabile standard, ed elio per i termosifoni. Quando il tubo di calore non è in funzione, il gas non condensabile e il vapore del fluido di lavoro si mescolano nello spazio di vapore del tubo di calore. Quando il tubo di calore a conduttanza variabile è in funzione, il gas non condensabile viene spinto verso l’estremità del condensatore del tubo di calore dal flusso del vapore del fluido di lavoro. La maggior parte del gas non condensabile si trova nel serbatoio, mentre il resto blocca una parte del condensatore del tubo di calore. Il tubo di calore a conduttanza variabile funziona variando la lunghezza attiva del condensatore. Quando la potenza o la temperatura del dissipatore di calore viene aumentata, la temperatura e la pressione del vapore del tubo di calore aumentano. L’aumento della pressione del vapore spinge più gas non condensabile nel serbatoio, aumentando la lunghezza attiva del condensatore e la conduttanza del tubo di calore. Al contrario, quando la potenza o la temperatura del dissipatore di calore è diminuita, la temperatura e la pressione del vapore del tubo di calore diminuiscono, e il gas non condensabile si espande, riducendo la lunghezza attiva del condensatore e la conduttanza del tubo di calore. L’aggiunta di un piccolo riscaldatore sul serbatoio, con la potenza controllata dalla temperatura dell’evaporatore, permetterà un controllo termico di circa ±1-2 °C. In un esempio, la temperatura dell’evaporatore è stata mantenuta in una banda di controllo di ±1,65 °C, mentre la potenza variava da 72 a 150 W e la temperatura del dissipatore variava da +15 °C a -65 °C.
I tubi di calore controllati a pressione (PCHP) possono essere usati quando è richiesto un controllo della temperatura più stretto. In un tubo di calore controllato a pressione, la temperatura dell’evaporatore è usata per variare il volume del serbatoio o la quantità di gas non condensabile nel tubo di calore. I tubi di calore controllati a pressione hanno mostrato un controllo della temperatura in milli-Kelvin.
Tubi di calore a diodiModifica
I tubi di calore convenzionali trasferiscono il calore in entrambe le direzioni, dall’estremità più calda a quella più fredda del tubo di calore. Diversi tubi di calore diversi agiscono come un diodo termico, trasferendo il calore in una direzione, mentre agiscono come un isolante nell’altra:
- Termosifoni, che trasferiscono solo il calore dal basso verso l’alto del termosifone, dove la condensa ritorna per gravità. Quando il termosifone è riscaldato nella parte superiore, non c’è liquido disponibile per evaporare.
- Tubi di calore rotanti, dove il tubo di calore ha una forma tale che il liquido può viaggiare solo per forze centrifughe dall’evaporatore nominale al condensatore nominale. Di nuovo, nessun liquido è disponibile quando il condensatore nominale è riscaldato.
- Tubi di calore a diodo a trappola di vapore.
- Tubi di calore a diodo a trappola di liquido.
Un diodo a trappola di vapore è fabbricato in modo simile a un tubo di calore a conduttanza variabile, con un serbatoio di gas alla fine del condensatore. Durante la fabbricazione, il tubo di calore è caricato con il fluido di lavoro e una quantità controllata di un gas non condensabile (NCG). Durante il funzionamento normale, il flusso del vapore del fluido di lavoro dall’evaporatore al condensatore spazza il gas non condensabile nel serbatoio, dove non interferisce con il normale funzionamento del tubo di calore. Quando il condensatore nominale è riscaldato, il flusso di vapore va dal condensatore nominale all’evaporatore nominale. Il gas non condensabile viene trascinato insieme al vapore che scorre, bloccando completamente l’evaporatore nominale e aumentando notevolmente la resistività termica dell’heat pipe. In generale, c’è un certo trasferimento di calore alla sezione adiabatica nominale. Il calore viene poi condotto attraverso le pareti del tubo di calore all’evaporatore. In un esempio, un diodo a trappola di vapore trasportava 95 W nella direzione avanti, e solo 4,3 W nella direzione indietro.
Un diodo a trappola liquida ha un serbatoio malvagio all’estremità dell’evaporatore del tubo di calore, con uno stoppino separato che non è in comunicazione con lo stoppino nel resto del tubo di calore. Durante il funzionamento normale, l’evaporatore e il serbatoio sono riscaldati. Il vapore fluisce verso il condensatore e il liquido ritorna all’evaporatore grazie alle forze capillari nello stoppino. Il serbatoio alla fine si asciuga, poiché non c’è un metodo per il ritorno del liquido. Quando il condensatore nominale viene riscaldato, il liquido condensa nell’evaporatore e nel serbatoio. Mentre il liquido può tornare al condensatore nominale dall’evaporatore nominale, il liquido nel serbatoio è intrappolato, poiché lo stoppino del serbatoio non è collegato. Alla fine, tutto il liquido è intrappolato nel serbatoio, e il tubo di calore cessa di funzionare.
TermosifoniModifica
La maggior parte dei tubi di calore usa uno stoppino per riportare il liquido dal condensatore all’evaporatore, permettendo al tubo di calore di funzionare in qualsiasi orientamento. Il liquido viene risucchiato verso l’evaporatore per azione capillare, in modo simile al modo in cui una spugna risucchia l’acqua quando un bordo è posto a contatto con una pozza d’acqua. Tuttavia la massima elevazione avversa (evaporatore su condensatore) è relativamente piccola, dell’ordine di 25 cm di lunghezza per un tipico heat pipe ad acqua.
Se però l’evaporatore si trova sotto il condensatore, il liquido può drenare indietro per gravità invece di richiedere uno stoppino, e la distanza tra i due può essere molto più lunga. Un tale tubo di calore aiutato dalla gravità è conosciuto come un termosifone.
In un termosifone, il fluido di lavoro liquido è vaporizzato da un calore fornito all’evaporatore sul fondo del tubo di calore. Il vapore viaggia verso il condensatore in cima al tubo di calore, dove si condensa. Il liquido poi drena di nuovo alla parte inferiore del tubo di calore per gravità, e il ciclo si ripete. I termosifoni sono tubi di calore a diodi; quando il calore è applicato all’estremità del condensatore, non c’è condensa disponibile, e quindi nessun modo per formare vapore e trasferire il calore all’evaporatore.
Mentre un tipico tubo di calore ad acqua terrestre è lungo meno di 30 cm, i termosifoni sono spesso lunghi diversi metri. Come discusso in seguito, i termosifoni usati per raffreddare la linea di tubature dell’Alaska erano lunghi circa 11-12 metri. Per l’estrazione dell’energia geotermica sono stati proposti termosifoni ancora più lunghi. Per esempio, Storch et al. hanno fabbricato un termosifone a propano di 53 mm di diametro interno e 92 m di lunghezza che trasportava circa 6 kW di calore.
Loop heat pipeEdit
Un loop heat pipe (LHP) è un dispositivo passivo di trasferimento a due fasi collegato all’heat pipe. Può trasportare una maggiore potenza su distanze più lunghe avendo un flusso di liquido e vapore in co-corrente, in contrasto con il flusso in contro-corrente in un heat pipe. Questo permette allo stoppino in un loop heat pipe di essere richiesto solo nell’evaporatore e nella camera di compensazione. I micro tubi di calore ad anello sono stati sviluppati e impiegati con successo in un’ampia sfera di applicazioni sia a terra che nello spazio.
Tubo di calore oscillante o pulsante Modifica
Un tubo di calore oscillante, noto anche come tubo di calore pulsante, è solo parzialmente riempito di liquido di lavoro. Il tubo è disposto in un modello a serpentina in cui si alternano segmenti di liquido e vapore in movimento libero. L’oscillazione ha luogo nel fluido di lavoro; il tubo rimane immobile.
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