Heat pipe
Een typische heatpipe bestaat uit een afgesloten pijp of buis van een materiaal dat compatibel is met de werkvloeistof, zoals koper voor waterwarmtebuizen, of aluminium voor ammoniak-warmtebuizen. Gewoonlijk wordt een vacuümpomp gebruikt om de lucht uit de lege heat pipe te verwijderen. De warmtepijp wordt gedeeltelijk gevuld met een werkvloeistof en vervolgens afgedicht. De massa van de werkvloeistof wordt zo gekozen dat de heat pipe zowel damp als vloeistof bevat over het bedrijfstemperatuurbereik.
Onder de bedrijfstemperatuur is de vloeistof te koud en kan deze niet verdampen tot een gas. Boven de bedrijfstemperatuur is alle vloeistof in gas veranderd en is de omgevingstemperatuur te hoog om het gas te laten condenseren. Warmtegeleiding is nog steeds mogelijk door de wanden van de heat pipe, maar met een sterk verminderde snelheid van warmteoverdracht. Bovendien moet bij een gegeven warmte-inbreng een minimumtemperatuur van de werkvloeistof worden bereikt en een extra verhoging (afwijking) van de warmteoverdrachtscoëfficiënt, ten opzichte van het oorspronkelijke ontwerp, remt de werking van de heat pipe eerder af. Dit verschijnsel is contra-intuïtief in die zin dat, indien een heat-pipe systeem door een ventilator wordt ondersteund, de heat-pipe kapot kan gaan en de doeltreffendheid van het thermisch beheerssysteem kan verminderen. De bedrijfstemperatuur en de maximale warmtetransportcapaciteit van de heat pipes (begrensd door de capillaire structuur) zijn dus nauw met elkaar verbonden.
Werkvloeistoffen worden gekozen op basis van de temperaturen waarbij de heat pipe moet werken, met voorbeelden variërend van vloeibaar helium voor extreem lage temperatuurtoepassingen (2-4 K) tot kwik (523-923 K), natrium (873-1473 K) en zelfs indium (2000-3000 K) voor extreem hoge temperaturen. De overgrote meerderheid van warmtebuizen voor kamertemperatuurtoepassingen gebruikt ammoniak (213-373 K), alcohol (methanol (283-403 K) of ethanol (273-403 K), of water (298-573 K) als werkvloeistof. Koper/water-warmtebuizen hebben een koperen omhulsel, gebruiken water als werkvloeistof en werken meestal in het temperatuurbereik van 20 tot 150 °C. Waterwarmtebuizen worden soms gevuld door ze gedeeltelijk met water te vullen, te verwarmen tot het water kookt en de lucht verdringt, en dan af te dichten terwijl ze heet zijn.
Om warmte te kunnen overdragen, moet de heat pipe verzadigde vloeistof en de damp (gasfase) bevatten. De verzadigde vloeistof verdampt en gaat naar de condensor, waar zij wordt afgekoeld en tot een verzadigde vloeistof wordt teruggebracht. In een standaard heat pipe wordt de gecondenseerde vloeistof teruggevoerd naar de verdamper met behulp van een wick-structuur die een capillaire werking uitoefent op de vloeibare fase van de werkvloeistof. Lontstructuren die in heat pipes worden gebruikt zijn onder meer gesinterd metaalpoeder, zeef, en gegroefde lonten, die een reeks groeven hebben parallel aan de as van de pijp. Wanneer de condensor zich boven de verdamper in een zwaartekrachtsveld bevindt, kan de zwaartekracht de vloeistof terugvoeren. In dit geval is de heat pipe een thermosiphon. Roterende heat pipes tenslotte gebruiken centrifugale krachten om vloeistof van de condensor naar de verdamper terug te voeren.
Warmtebuizen bevatten geen mechanisch bewegende delen en vereisen doorgaans geen onderhoud, hoewel niet-condenseerbare gassen die door de wanden van de pijp diffunderen, als gevolg van de afbraak van de werkvloeistof of als onzuiverheden die in het materiaal aanwezig zijn, uiteindelijk de doeltreffendheid van de pijp bij het overbrengen van warmte kunnen verminderen.
Het voordeel van warmtebuizen ten opzichte van veel andere warmte-afvoermechanismen is hun grote doeltreffendheid bij het overbrengen van warmte. Een pijp met een diameter van 1 inch en een lengte van 2 meter kan 3,7 kW (12.500 BTU per uur) overbrengen bij 1.800 °F (980 °C) met een daling van slechts 18 °F (10 °C) van eind tot eind. Sommige heat pipes hebben een warmteflux van meer dan 23 kW/cm² aangetoond, ongeveer vier keer de warmteflux door het oppervlak van de zon.
Heat pipe materials and working fluidsEdit
Heat pipes have an envelope, a wick, and a working fluid. Warmtebuizen zijn ontworpen voor zeer langdurig gebruik zonder onderhoud, dus de warmtepijpwand en het lont moeten compatibel zijn met de werkvloeistof. Sommige materiaal/werkvloeistof-paren die compatibel lijken, zijn dat niet. Zo zal water in een aluminium omhulsel in de loop van enkele uren of dagen grote hoeveelheden niet-condenseerbaar gas ontwikkelen, waardoor een normale werking van de heat pipe onmogelijk wordt.
Sinds heat pipes in 1963 door George Grover werden herontdekt, zijn uitgebreide levensduurproeven uitgevoerd om compatibele omhulsel/vloeistofparen te bepalen, sommige tientallen jaren lang. In een heat pipe life test, worden heat pipes gebruikt voor lange perioden van tijd, en gecontroleerd op problemen zoals niet-condenseerbaar gas generatie, materiaal transport, en corrosie.
De meest gebruikte envelop (en lont)/vloeistof paren omvatten:
- Koperen envelop met water werkvloeistof voor elektronica koeling. Dit is veruit het meest gebruikte type heat pipe.
- Koperen of stalen omhulsel met koelmiddel R134a werkvloeistof voor energieterugwinning in HVAC-systemen.
- Aluminium omhulsel met ammoniak werkvloeistof voor thermische controle van ruimtevaartuigen.
- Superlegering omhulsel met alkalimetaal (cesium, kalium, natrium) werkvloeistof voor hoge temperatuur heat pipes, meestal gebruikt voor het ijken van primaire temperatuurmeettoestellen.
Andere paren omvatten roestvrijstalen omhulsels met stikstof, zuurstof, neon, waterstof of helium werkvloeistoffen bij temperaturen beneden 100 K, koper/methanol heat pipes voor elektronicakoeling wanneer de heat pipe onder het waterbereik moet werken, aluminium/ethaan heat pipes voor thermische controle van ruimtevaartuigen in omgevingen waar ammoniak kan bevriezen, en vuurvaste metalen omhulsels/lithium werkvloeistof voor hoge temperatuur (boven 1.050 °C (1.920 °F)) toepassingen.
Soorten heat pipesEdit
Naast de standaard heat pipes met constante geleiding (CCHP’s) zijn er nog een aantal andere soorten heat pipes, waaronder:
- Dampkamers (vlakke heat pipes), die worden gebruikt voor warmtefluxtransformatie, en isothermalisatie van oppervlakken
- Variabele geleidingswarmtepijpen (VCHP’s), die een niet-condenseerbaar gas (NCG) gebruiken om de effectieve thermische geleidbaarheid van de heat pipe te wijzigen naarmate het vermogen of de omstandigheden van het koellichaam veranderen
- Drukgestuurde heat pipes (PCHP’s), die een VCHP zijn waarbij het volume van het reservoir, of de NCG-massa kan worden gewijzigd, voor een nauwkeurigere temperatuurregeling
- Diodewarmtepijpen, die een hoog warmtegeleidingsvermogen in voorwaartse richting hebben, en een laag warmtegeleidingsvermogen in achterwaartse richting
- Thermosyphons, dit zijn warmtebuizen waarbij de vloeistof door gravitatie/versnellingskrachten naar de verdamper wordt teruggevoerd,
- Roterende heat pipes, waarbij de vloeistof door middel van centrifugale krachten naar de verdamper wordt teruggevoerd
Dampkamer of vlakke heat pipesEdit
Dunne vlakke heat pipes (warmtespreiders) hebben dezelfde primaire componenten als buisvormige heat pipes: een hermetisch afgesloten hol vat, een werkvloeistof, en een gesloten-lus capillair recirculatiesysteem. Bovendien wordt in een dampkamer meestal gebruik gemaakt van een interne ondersteuningsstructuur of een reeks palen om klemdrukken tot soms 90 PSI aan te kunnen. Dit helpt instorting van de vlakke bovenkant en de bodem verhinderen wanneer de druk wordt toegepast.
Er zijn twee belangrijke toepassingen voor dampkamers. Ten eerste worden ze gebruikt wanneer hoge vermogens en warmtestromen worden toegepast op een relatief kleine verdamper. Door de warmte-inbreng in de verdamper verdampt vloeistof, die in twee dimensies naar de condensoroppervlakken stroomt. Nadat de damp op de condensoroppervlakken is gecondenseerd, wordt het condensaat door capillaire krachten in de pit teruggevoerd naar de verdamper. Merk op dat de meeste dampkamers ongevoelig zijn voor de zwaartekracht en nog steeds werken wanneer zij omgekeerd zijn, met de verdamper boven de condensor. In deze toepassing fungeert de dampkamer als een warmtefluxtransformator, die een hoge warmteflux van een elektronische chip of laserdiode afkoelt en omzet in een lagere warmteflux die door natuurlijke of geforceerde convectie kan worden afgevoerd. Met speciale verdampingslontjes kunnen dampkamers 2000 W over 4 cm2, of 700 W over 1 cm2 verwijderen.
Een ander belangrijk gebruik van dampkamers is voor koelingsdoeleinden in gaming-laptops. Omdat dampkamers een vlakkere en meer tweedimensionale methode van warmteafvoer zijn, profiteren slankere gaming-laptops er enorm van in vergelijking met traditionele heat pipes. De dampkamerkoeling in Lenovo’s Legion 7i was bijvoorbeeld zijn meest unieke verkoopargument (hoewel het verkeerd werd aangekondigd als alle modellen met dampkamers, terwijl in feite slechts een paar hadden).
Ten tweede, in vergelijking met een eendimensionale buisvormige heat pipe, zorgt de breedte van een tweedimensionale heat pipe voor een adequate doorsnede voor warmtestroom, zelfs met een zeer dun apparaat. Deze dunne vlakke heat pipes vinden hun weg in “hoogtegevoelige” toepassingen, zoals notebook computers en surface mount circuit board kernen. Het is mogelijk om vlakke heat pipes te maken die zo dun zijn als 1,0 mm (iets dikker dan een credit card van 0,76 mm).
Variabele geleiding heat pipes (VCHP’s)Edit
Standaard heat pipes zijn apparaten met constante geleiding, waarbij de bedrijfstemperatuur van de heat pipe wordt bepaald door de bron- en sink-temperaturen, de thermische weerstanden van de bron naar de heat pipe, en de thermische weerstanden van de heat pipe naar de sink. In deze heat pipes daalt de temperatuur lineair naarmate de vermogens- of condensortemperatuur daalt. Voor sommige toepassingen, zoals thermische controle van satellieten of onderzoeksballonnen, zal de elektronica overgekoeld worden bij lage vermogens, of bij de lage zinktemperaturen. Variable Conductance Heat Pipes (VCHP’s) worden gebruikt om de temperatuur van de gekoelde elektronica passief te handhaven wanneer het vermogen en de zinkcondities veranderen.
Variable conductance heat pipes hebben twee toevoegingen ten opzichte van een standaard heat pipe: 1. een reservoir, en 2. een niet-condenseerbaar gas (NCG) dat aan de heat pipe wordt toegevoegd, naast de werkvloeistof; zie het plaatje in de ruimtevaart sectie hieronder. Dit niet-condenseerbare gas is meestal argon voor standaard heat pipes met variabele geleiding, en helium voor thermosyphons. Wanneer de heat pipe niet in bedrijf is, worden het niet-condenseerbare gas en de damp van de werkvloeistof door de dampruimte van de heat pipe gemengd. Wanneer de warmtepijp met variabele geleiding in werking is, wordt het niet-condenseerbare gas naar het condensatoreinde van de warmtepijp geslingerd door de damp van de werkvloeistof. Het grootste deel van het niet-condenseerbare gas bevindt zich in het reservoir, terwijl de rest een deel van de condensor van de heat pipe blokkeert. De heat pipe met variabele geleiding werkt door de actieve lengte van de condensor te variëren. Wanneer de temperatuur van het vermogen of het koellichaam wordt verhoogd, nemen de damptemperatuur en de druk van de heat pipe toe. De verhoogde dampdruk dwingt meer van het niet-condenseerbare gas in het reservoir, waardoor de actieve condensorlengte en de heat pipe conductantie toenemen. Omgekeerd, wanneer de vermogens- of koellichaamtemperatuur wordt verlaagd, dalen de damptemperatuur en de druk van de heat pipe, en zet het niet-condenseerbare gas uit, waardoor de actieve condensorlengte en de heat pipe conductantie afnemen. Door toevoeging van een klein verwarmingselement op het reservoir, waarvan het vermogen wordt geregeld door de temperatuur van de verdamper, is een thermische regeling van ongeveer ±1-2 °C mogelijk. In één voorbeeld werd de verdampertemperatuur binnen een regelband van ±1,65 °C gehouden, terwijl het vermogen werd gevarieerd van 72 tot 150 W, en de temperatuur van het koellichaam varieerde van +15 °C tot -65 °C.
Drukgestuurde heat pipes (PCHP’s) kunnen worden gebruikt wanneer een strakkere temperatuurregeling is vereist. In een heat pipe met drukregeling wordt de verdampertemperatuur gebruikt om het volume van het reservoir te variëren, of de hoeveelheid niet-condenseerbaar gas in de heat pipe. Drukgestuurde heat pipes hebben een milli-Kelvin temperatuurregeling laten zien.
Diode heat pipesEdit
Conventionele heat pipes dragen warmte over in beide richtingen, van het warmere naar het koudere uiteinde van de heat pipe. Verschillende heat pipes werken als een thermische diode, waarbij warmte in de ene richting wordt overgedragen, terwijl ze in de andere richting als een isolator werken:
- Thermosyphons, die alleen warmte overdragen van de bodem naar de top van de thermosyphon, waar het condensaat door de zwaartekracht terugkeert. Wanneer de thermosyphon aan de bovenkant wordt verwarmd, is er geen vloeistof beschikbaar om te verdampen.
- Roterende heat pipes, waarbij de heat pipe zo is gevormd dat vloeistof zich alleen door middel van centrifugale krachten van de nominale verdamper naar de nominale condensor kan verplaatsen. Ook hier is geen vloeistof beschikbaar wanneer de nominale condensor wordt verwarmd.
- Vapor trap diode heat pipes.
- Liquid trap diode heat pipes.
Een vapor trap diode wordt gefabriceerd op een soortgelijke wijze als een variabele geleiding heat pipe, met een gasreservoir aan het einde van de condensor. Tijdens de fabricage wordt de heat pipe geladen met de werkvloeistof en een gecontroleerde hoeveelheid van een niet-condenseerbaar gas (NCG). Tijdens de normale werking wordt het niet-condenseerbare gas door de damp van de werkvloeistof van de verdamper naar de condensor gestuwd en in het reservoir gebracht, waar het de normale werking van de heat pipe niet verstoort. Wanneer de nominale condensor wordt verwarmd, gaat de dampstroom van de nominale condensor naar de nominale verdamper. Het niet-condenseerbare gas wordt met de stromende damp meegesleurd, waardoor de nominale verdamper volledig wordt geblokkeerd en de thermische weerstand van de heat pipe sterk toeneemt. In het algemeen is er enige warmteoverdracht naar het nominale adiabatische gedeelte. De warmte wordt dan door de wanden van de heat pipe naar de verdamper geleid. In één voorbeeld transporteerde een damp-val diode 95 W in voorwaartse richting, en slechts 4,3 W in achterwaartse richting.
Een vloeistofvaldiode heeft een lontreservoir aan het verdamperuiteinde van de heat pipe, met een afzonderlijke lont die niet in communicatie is met de lont in de rest van de heat pipe. Tijdens de normale werking worden de verdamper en het reservoir verwarmd. De damp stroomt naar de condensor, en de vloeistof keert terug naar de verdamper door capillaire krachten in de pit. Het reservoir droogt uiteindelijk uit, aangezien er geen methode is om vloeistof terug te voeren. Wanneer de nominale condensor wordt verwarmd, condenseert vloeistof in de verdamper en het reservoir. Terwijl de vloeistof van de nominale verdamper kan terugkeren naar de nominale condensor, zit de vloeistof in het reservoir opgesloten, aangezien de lont van het reservoir niet is aangesloten. Uiteindelijk zit alle vloeistof in het reservoir opgesloten en werkt de heat pipe niet meer.
ThermosyphonsEdit
De meeste heat pipes gebruiken een lont om de vloeistof van de condensor naar de verdamper terug te voeren, zodat de heat pipe in elke richting kan werken. De vloeistof wordt door capillaire werking teruggezogen naar de verdamper, vergelijkbaar met de manier waarop een spons water opzuigt wanneer een rand in contact wordt gebracht met een plas water. De maximale ongunstige hoogte (verdamper boven condensor) is echter betrekkelijk klein, in de orde van grootte van 25 cm voor een typische water-warmtepijp.
Als de verdamper zich echter onder de condensor bevindt, kan de vloeistof door de zwaartekracht terugvloeien in plaats van dat er een lont nodig is, en kan de afstand tussen de twee veel groter zijn. Een dergelijke warmtepijp met behulp van de zwaartekracht staat bekend als een thermosyphon.
In een thermosyphon wordt de vloeibare werkvloeistof verdampt door een warmte die aan de verdamper onderin de heat pipe wordt toegevoerd. De damp gaat naar de condensor boven in de heat pipe, waar hij condenseert. De vloeistof stroomt vervolgens door de zwaartekracht terug naar de bodem van de heat pipe, en de cyclus herhaalt zich. Thermosyphons zijn diode-warmtepijpen; wanneer warmte wordt toegepast op het condensatoreinde, is er geen condensaat beschikbaar, en dus geen manier om damp te vormen en warmte over te dragen aan de verdamper.
Terwijl een typische terrestrische water-warmtepijp minder dan 30 cm lang is, zijn thermosyphons vaak verscheidene meters lang. Zoals hieronder wordt besproken, waren de thermosyphons die werden gebruikt om de pijpleiding in Alaska te koelen, ruwweg 11 tot 12 m lang. Er zijn nog langere thermosyphons voorgesteld voor de winning van geothermische energie. Storch e.a. hebben bijvoorbeeld een propaanthermosifon met een binnendiameter van 53 mm en een lengte van 92 m vervaardigd, die ongeveer 6 kW warmte transporteert.
Loop heat pipeEdit
Een loop heat pipe (LHP) is een passief apparaat voor twee-fasenoverdracht dat verwant is aan de heat pipe. Het kan een hoger vermogen over langere afstanden transporteren door een co-current vloeistof- en dampstroom, in tegenstelling tot de tegenstroom in een heat pipe. Hierdoor is de lont in een luswarmtepijp alleen nodig in de verdamper en de compensatieruimte. Micro loop heat pipes zijn ontwikkeld en met succes toegepast in een breed toepassingsgebied, zowel op de grond als in de ruimte.
Oscillerende of pulserende heat pipe bewerken
Een oscillerende heat pipe, ook wel pulserende heat pipe genoemd, is slechts gedeeltelijk gevuld met vloeibare werkvloeistof. De pijp is gerangschikt in een serpentine patroon waarin vrij bewegende vloeistof- en dampsegmenten elkaar afwisselen. Er vindt oscillatie plaats in de werkvloeistof; de pijp blijft onbeweeglijk.
Leave a Reply