Rurka cieplna
Typowa rurka cieplna składa się z uszczelnionej rury lub rurki wykonanej z materiału zgodnego z cieczą roboczą, takiego jak miedź w przypadku wodnych rurek cieplnych, lub aluminium w przypadku amoniakalnych rurek cieplnych. Zazwyczaj do usunięcia powietrza z pustej rurki cieplnej stosuje się pompę próżniową. Rurka cieplna jest częściowo wypełniona cieczą roboczą, a następnie szczelnie zamknięta. Masa płynu roboczego jest tak dobrana, aby rurka cieplna zawierała zarówno parę, jak i ciecz w zakresie temperatury roboczej.
Niżej temperatury roboczej ciecz jest zbyt zimna i nie może odparować 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 przy znacznie zmniejszonej szybkości transferu ciepła. Ponadto dla danego wkładu ciepła konieczne jest również osiągnięcie minimalnej temperatury płynu roboczego, a dodatkowy wzrost (odchylenie) współczynnika przenikania ciepła, w stosunku do początkowego projektu, raczej hamuje działanie rurki cieplnej. Zjawisko to jest sprzeczne z intuicją w tym sensie, że jeśli system rurek cieplnych jest wspomagany wentylatorem, to rurka cieplna może ulec uszkodzeniu i zmniejszyć efektywność systemu zarządzania ciepłem. Temperatura pracy i maksymalna zdolność transportowania ciepła przez rurki cieplne (ograniczona przez ich strukturę kapilarną) są zatem ściśle powiązane.
Płyny robocze są wybierane w zależności od temperatur, w których rurka cieplna musi pracować, z przykładami od ciekłego helu dla zastosowań w bardzo niskich temperaturach (2-4 K) do rtęci (523-923 K), sodu (873-1473 K), a nawet indu (2000-3000 K) dla bardzo wysokich temperatur. Zdecydowana większość rurek cieplnych do zastosowań w temperaturze pokojowej wykorzystuje jako ciecz roboczą amoniak (213-373 K), alkohol (metanol (283-403 K) lub etanol (273-403 K), albo wodę (298-573 K). Rurki cieplne miedź/woda mają miedzianą powłokę, wykorzystują wodę jako ciecz roboczą i zazwyczaj działają w zakresie temperatur od 20 do 150 °C. Wodne rurki cieplne są czasami wypełnione przez częściowe wypełnienie wodą, ogrzewanie do momentu wrzenia wody i wyparcia powietrza, a następnie uszczelnienie w stanie gorącym.
Aby rurka cieplna mogła przenosić ciepło, musi zawierać nasyconą ciecz i jej parę (fazę gazową). Nasycona ciecz paruje i podróżuje do skraplacza, gdzie jest schładzana i zamieniana z powrotem w nasyconą ciecz. W standardowej rurce cieplnej, skondensowana ciecz jest zawracana do parownika za pomocą struktury knotowej wywierającej działanie kapilarne na fazę ciekłą płynu roboczego. Struktury knotowe stosowane w rurkach cieplnych obejmują spiekany proszek metalowy, sito oraz knoty rowkowane, które posiadają szereg rowków równoległych do osi rurki. Gdy skraplacz znajduje się nad parownikiem w polu grawitacyjnym, grawitacja może spowodować powrót cieczy. W tym przypadku rurka cieplna jest termosyfonem. Wreszcie, obracające się rurki cieplne wykorzystują siły odśrodkowe do powrotu cieczy ze skraplacza do parownika.
Rurki cieplne nie zawierają mechanicznych części ruchomych i zazwyczaj nie wymagają konserwacji, chociaż niekondensujące gazy, które dyfundują przez ścianki rurki, wynikające z rozpadu płynu roboczego lub zanieczyszczeń obecnych w materiale, mogą ostatecznie zmniejszyć skuteczność rurki w przenoszeniu ciepła.
Przewagą rurek cieplnych nad wieloma innymi mechanizmami rozpraszania ciepła jest ich duża wydajność w przenoszeniu ciepła. Rura o średnicy jednego cala i długości dwóch stóp może przenosić 3,7 kW (12 500 BTU na godzinę) w temperaturze 1800 °F (980 °C) z tylko 18 °F (10 °C) spadku od końca do końca. Niektóre rurki cieplne wykazały strumień ciepła większy niż 23 kW/cm², około cztery razy większy niż strumień ciepła przez powierzchnię słońca.
Materiały i płyny robocze rurek cieplnychEdit
Rurki cieplne mają płaszcz, knot i płyn roboczy. Rurki cieplne są zaprojektowane do bardzo długotrwałej pracy bez konserwacji, więc ścianka rurki cieplnej i knot muszą być kompatybilne z cieczą roboczą. Niektóre pary materiał/ciecz robocza, które wydają się być kompatybilne, nie są. Na przykład, woda w aluminiowej osłonie wytworzy duże ilości niekondensującego gazu w ciągu kilku godzin lub dni, uniemożliwiając normalną pracę 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 materiał/płyn, niektóre z nich trwały przez dziesięciolecia. W testach żywotności rurek cieplnych, rurki cieplne są eksploatowane przez długi okres czasu i monitorowane pod kątem problemów takich jak wytwarzanie gazu niekondensującego, transport materiałów i korozja.
Najczęściej używane pary powłoka (i knot)/płyn obejmują:
- Miedziana powłoka z wodnym płynem roboczym do chłodzenia elektroniki. Jest to zdecydowanie najbardziej rozpowszechniony typ rurki cieplnej.
- Miedziana lub stalowa koperta z cieczą roboczą R134a do odzysku energii w systemach HVAC.
- Aluminiowa koperta z cieczą roboczą amoniakalną do kontroli termicznej statków kosmicznych.
- Koperta z superstopu z cieczą roboczą z metali alkalicznych (cez, potas, sód) do wysokotemperaturowych rurek cieplnych, najczęściej używanych do kalibracji pierwotnych urządzeń do pomiaru temperatury.
Inne pary obejmują otoczki ze stali nierdzewnej z cieczami roboczymi z azotu, tlenu, neonu, wodoru lub helu w temperaturach poniżej 100 K, rurki cieplne z miedzi/metanolu do chłodzenia elektroniki, gdy rurka cieplna musi działać poniżej zakresu wody, rurki cieplne z aluminium/etanu do kontroli termicznej statków kosmicznych w środowiskach, w których amoniak może zamarzać, oraz otoczki z metali ogniotrwałych/ciecz robocza z litu do zastosowań wysokotemperaturowych (powyżej 1,050 °C (1,920 °F)).
Rodzaje rurek cieplnychEdit
Oprócz standardowych rurek cieplnych o stałej przewodności (CCHP), istnieje szereg innych rodzajów rurek cieplnych, w tym:
- Komory parowe (planarne rurki cieplne), które są używane do transformacji strumienia ciepła, oraz izotermizacji powierzchni
- Rurki cieplne o zmiennej przewodności (VCHPs), które wykorzystują gaz niekondensujący (NCG) do zmiany efektywnej przewodności cieplnej rurki cieplnej wraz ze zmianą mocy lub warunków radiatora
- Rurki cieplne z regulacją ciśnienia (PCHP), które są rurkami VCHP, w których objętość zbiornika lub masa NCG może być zmieniana, w celu bardziej precyzyjnej regulacji temperatury
- Diodowe rurki cieplne, które mają wysoką przewodność cieplną w kierunku do przodu i niską przewodność cieplną w kierunku odwrotnym
- Termosyfony, czyli rurki cieplne, w których ciecz jest zawracana do parownika za pomocą sił grawitacyjnych/przyspieszenia,
- Obrotowe rurki cieplne, w których ciecz jest zawracana do parownika za pomocą sił odśrodkowych
Komora parowa lub płaskie rurki cieplneEdit
Cienkie planarne rurki cieplne (rozpraszacze ciepła) mają takie same podstawowe elementy jak rurowe rurki cieplne: hermetycznie zamknięte puste naczynie, płyn roboczy oraz zamknięty system recyrkulacji kapilarnej w pętli. Dodatkowo, w komorze parowej zazwyczaj stosuje się wewnętrzną konstrukcję wsporczą lub serię słupków, aby wytrzymać ciśnienie docisku, czasami do 90 PSI. Pomaga to zapobiec zapadaniu się płaskiej góry i dna, gdy ciśnienie jest stosowane.
Istnieją dwa główne zastosowania dla komór parowych. Po pierwsze, są one używane, gdy wysokie moce i strumienie ciepła są stosowane do stosunkowo małego parownika. Ciepło doprowadzone do parownika powoduje odparowanie cieczy, która przepływa w dwóch wymiarach do powierzchni skraplacza. Po skropleniu się pary na powierzchniach skraplacza, siły kapilarne w knocie zawracają kondensat do parownika. Należy pamiętać, że większość komór parowych jest niewrażliwa na siłę grawitacji i nadal będzie działać po odwróceniu, z parownikiem nad skraplaczem. W tym zastosowaniu, komora parowa działa jako transformator strumienia ciepła, chłodząc wysoki strumień ciepła z chipu elektronicznego lub diody laserowej i przekształcając go w niższy strumień ciepła, który może być usunięty przez naturalną lub wymuszoną konwekcję. Ze specjalnymi knotami parownika, komory parowe mogą usunąć 2000 W na 4 cm2, lub 700 W na 1 cm2.
Innym głównym zastosowaniem komór parowych jest chłodzenie laptopów do gier. Ponieważ komory parowe są bardziej płaskie i bardziej dwuwymiarowa metoda rozpraszania ciepła, smuklejsze laptopy do gier korzystać ogromnie z nich w porównaniu do tradycyjnych rur cieplnych. Na przykład, komora parowa chłodzenie w Lenovo Legion 7i był jego najbardziej unikalny punkt sprzedaży (chociaż to było błędnie reklamowane jako wszystkie modele mające komory parowe, podczas gdy w rzeczywistości tylko kilka miał).
Po drugie, w porównaniu do jednowymiarowego rurki cieplnej, szerokość dwuwymiarowej rurki cieplnej pozwala odpowiedni przekrój dla przepływu ciepła nawet z bardzo cienkiego urządzenia. Te cienkie planarne rurki cieplne znajdują zastosowanie w aplikacjach „wrażliwych na wysokość”, takich jak notebooki i rdzenie płytek drukowanych do montażu powierzchniowego. Możliwe jest wyprodukowanie płaskich rurek cieplnych tak cienkich jak 1,0 mm (nieco grubszych niż karta kredytowa 0,76 mm).
Rurki cieplne o zmiennej przewodności (VCHPs)Edytuj
Standardowe rurki cieplne są urządzeniami o stałej przewodności, w których temperatura robocza rurki cieplnej jest ustalana przez temperaturę źródła i zlewu, rezystancje termiczne od źródła do rurki cieplnej oraz rezystancje termiczne od rurki cieplnej do zlewu. W tych rurkach cieplnych temperatura spada liniowo wraz z obniżaniem temperatury zasilania lub kondensatora. W niektórych zastosowaniach, takich jak kontrola termiczna satelitów lub balonów badawczych, elektronika będzie nadmiernie chłodzona przy niskich mocach lub przy niskich temperaturach radiatora. Rurki cieplne o zmiennej przewodności (VCHPs) są używane do pasywnego utrzymywania temperatury chłodzonej elektroniki, gdy zmienia się moc i warunki zlewu.
Rurki cieplne o zmiennej przewodności mają dwa dodatki w porównaniu do standardowych rurek cieplnych: 1. zbiornik, oraz 2. gaz niekondensujący (NCG) dodawany do rurki cieplnej, oprócz płynu roboczego; patrz rysunek w sekcji poświęconej statkom kosmicznym poniżej. Ten niekondensujący gaz to zazwyczaj argon w przypadku standardowych rurek cieplnych o zmiennej przewodności oraz hel w przypadku termosyfonów. Gdy rurka cieplna nie pracuje, gaz niekondensujący i opary cieczy roboczej mieszają się w przestrzeni parowej rurki cieplnej. Gdy rurka cieplna o zmiennym przewodnictwie pracuje, gaz niekondensujący jest przemieszczany w kierunku końca skraplacza rurki cieplnej przez przepływ pary płynu roboczego. Większość niekondensującego się gazu znajduje się w zbiorniku, podczas gdy pozostała część blokuje część skraplacza rurki cieplnej. Rurka cieplna o zmiennej konduktancji działa poprzez zmianę długości czynnej skraplacza. Gdy wzrasta temperatura zasilania lub radiatora, wzrasta temperatura i ciśnienie pary w rurce cieplnej. Zwiększone ciśnienie pary wtłacza więcej niekondensującego się gazu do zbiornika, zwiększając aktywną długość kondensatora i przewodność rurki cieplnej. I odwrotnie, gdy temperatura zasilania lub radiatora spada, temperatura i ciśnienie pary w rurce cieplnej maleją, a gaz niekondensujący rozszerza się, zmniejszając długość czynnego kondensatora i przewodność rurki cieplnej. Dodanie małej grzałki na zbiorniku, z mocą kontrolowaną przez temperaturę parownika, umożliwi kontrolę termiczną w przybliżeniu ±1-2 °C. W jednym przykładzie, temperatura parownika była utrzymywana w paśmie kontrolnym ±1.65 °C, gdy moc zmieniała się od 72 do 150 W, a temperatura radiatora zmieniała się od +15 °C do -65 °C.
Rurki cieplne sterowane ciśnieniem (PCHP) mogą być używane, gdy wymagana jest ściślejsza kontrola temperatury. W rurce cieplnej sterowanej ciśnieniem, temperatura parownika jest używana do zmiany objętości zbiornika lub ilości niekondensującego gazu w rurce cieplnej. Ciśnieniowo sterowane rurki cieplne wykazały kontrolę temperatury na poziomie milikelwinów.
Diodowe rurki cieplneEdit
Konwencjonalne rurki cieplne przekazują ciepło w obu kierunkach, od cieplejszego do zimniejszego końca rurki cieplnej. Kilka różnych rurek cieplnych działa jak diody termiczne, przekazując ciepło w jednym kierunku, podczas gdy działają jako izolator w drugim:
- Termosyfony, które przekazują ciepło tylko od dołu do góry termosyfonu, gdzie kondensat wraca pod wpływem grawitacji. Kiedy termosyfon jest ogrzewany na górze, nie ma cieczy dostępnej do odparowania.
- Obrotowe rurki cieplne, gdzie rurka cieplna jest ukształtowana tak, że ciecz może przemieszczać się tylko przez siły odśrodkowe z nominalnego parownika do nominalnego skraplacza. Ponownie, żadna ciecz nie jest dostępna, gdy nominalny skraplacz jest ogrzewany.
- Diodowe rurki cieplne z pułapką parową.
- Diodowe rurki cieplne z pułapką cieczową.
Dioda z pułapką parową jest wytwarzana w podobny sposób jak rurka cieplna o zmiennej przewodności, ze zbiornikiem gazu na końcu skraplacza. Podczas produkcji, rurka cieplna jest ładowana cieczą roboczą i kontrolowaną ilością niekondensującego gazu (NCG). Podczas normalnej pracy, przepływ pary cieczy roboczej z parownika do skraplacza powoduje odprowadzenie niekondensującego gazu do zbiornika, gdzie nie zakłóca on normalnej pracy rurki cieplnej. Gdy nominalny skraplacz jest ogrzewany, przepływ pary odbywa się z nominalnego skraplacza do nominalnego parownika. Gaz niekondensowalny jest ciągnięty wraz z przepływającą parą, całkowicie blokując nominalny parownik i znacznie zwiększając oporność cieplną rurki cieplnej. Ogólnie rzecz biorąc, występuje pewna wymiana ciepła do nominalnej sekcji adiabatycznej. Ciepło jest następnie przewodzone przez ścianki rurki cieplnej do parownika. W jednym z przykładów, dioda pochłaniająca parę przenosiła 95 W w kierunku do przodu i tylko 4,3 W w kierunku do tyłu.
Dioda z pułapką cieczową ma niegodziwy zbiornik na końcu parownika rurki cieplnej, z oddzielnym knotem, który nie jest w komunikacji z knotem w pozostałej części rurki cieplnej. Podczas normalnej pracy, parownik i zbiornik są ogrzewane. Para przepływa do skraplacza, a ciecz powraca do parownika dzięki siłom kapilarnym w knocie. Zbiornik w końcu wysycha, ponieważ nie ma metody na powrót cieczy. Gdy nominalny skraplacz jest podgrzewany, ciecz skrapla się w parowniku i zbiorniku. Podczas gdy ciecz może powrócić do nominalnego skraplacza z nominalnego parownika, ciecz w zbiorniku jest uwięziona, ponieważ knot zbiornika nie jest podłączony. Ostatecznie cała ciecz jest uwięziona w zbiorniku, a rurka cieplna przestaje działać.
TermosyfonEdit
Większość rurek cieplnych używa knota do powrotu cieczy ze skraplacza do parownika, umożliwiając rurce cieplnej działanie w dowolnej orientacji. Ciecz jest zasysana z powrotem do parownika przez działanie kapilarne, podobnie jak gąbka zasysa wodę, gdy krawędź jest umieszczona w kontakcie z basenem wody. Jednak maksymalne niekorzystne wzniesienie (parownik nad skraplaczem) jest stosunkowo niewielkie, rzędu 25 cm długości dla typowej wodnej rurki cieplnej.
Jeśli jednak parownik znajduje się poniżej skraplacza, ciecz może spływać grawitacyjnie zamiast wymagać knota, a odległość między nimi może być znacznie większa. Taki wspomagany grawitacyjnie heat pipe jest znany jako termosyfon.
W termosyfonie, ciecz robocza jest odparowywana przez ciepło dostarczane do parownika w dolnej części rurki cieplnej. Para przemieszcza się do skraplacza w górnej części rurki cieplnej, gdzie ulega skropleniu. Ciecz następnie grawitacyjnie spływa z powrotem na dno rurki cieplnej, a cykl się powtarza. Termosyfony są diodowymi rurkami cieplnymi; gdy ciepło jest stosowane do końca skraplacza, nie ma dostępnego kondensatu, a zatem nie ma sposobu na formowanie pary i przekazywanie ciepła do parownika.
Podczas gdy typowa lądowa wodna rurka cieplna ma mniej niż 30 cm długości, termosyfony często mają kilka metrów długości. Jak omówiono poniżej, termosyfony używane do chłodzenia linii rurowej na Alasce miały długość około 11 do 12 m. Do pozyskiwania energii geotermalnej proponowano nawet dłuższe termosyfony. Na przykład Storch i in. wyprodukowali termosyfon propanowy o średnicy wewnętrznej 53 mm i długości 92 m, który przenosił około 6 kW ciepła.
Pętla heat pipeEdit
Pętla heat pipe (LHP) to pasywne urządzenie do transferu dwufazowego związane z rurką cieplną. Może przenosić większą moc na większe odległości dzięki współprądowemu przepływowi cieczy i pary, w przeciwieństwie do przepływu przeciwprądowego w rurce cieplnej. Dzięki temu knot w pętlowej rurce cieplnej może być wymagany tylko w parowniku i komorze kompensacyjnej. Mikropętlowe rurki cieplne zostały opracowane i z powodzeniem wykorzystane w szerokim zakresie zastosowań zarówno na ziemi, jak i w przestrzeni kosmicznej.
Oscylująca lub pulsująca rurka cieplna Edycja
Oscylująca rurka cieplna, znana również jako pulsująca rurka cieplna, jest tylko częściowo wypełniona ciekłym płynem roboczym. Rura jest ułożona w serpentynowym wzorze, w którym swobodnie poruszające się segmenty cieczy i pary są naprzemiennie. Oscylacja ma miejsce w cieczy roboczej; rura pozostaje nieruchoma.
.
Leave a Reply