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Um tubo de calor típico consiste num tubo selado ou tubo feito de um material que é compatível com o fluido de trabalho, como o cobre para tubos de calor de água, ou alumínio para tubos de calor de amoníaco. Normalmente, uma bomba de vácuo é usada para remover o ar da tubulação de calor vazia. O tubo de calor é parcialmente preenchido com um fluido de trabalho e depois selado. A massa do fluido de trabalho é escolhida para que o tubo de calor contenha vapor e líquido na faixa de temperatura de operação.
Below the operating temperature, the liquid is too cold and cannot vaporize into a gas. Acima da temperatura de operação, todo o líquido se transformou em gás, e a temperatura ambiente é muito alta para que qualquer um dos gases se condense. A condução térmica ainda é possível através das paredes do tubo de calor, mas a uma taxa muito reduzida de transferência térmica. Além disso, para uma determinada entrada de calor, é também necessário que seja atingida uma temperatura mínima do fluido de trabalho e que um aumento adicional (desvio) do coeficiente de transferência de calor, em relação à concepção inicial, inibe bastante a acção da tubagem de calor. Este fenómeno é contra-intuitivo no sentido de que se um sistema de tubos térmicos for auxiliado por um ventilador, então o tubo térmico pode avariar-se e reduzir a eficácia do sistema de gestão térmica. A temperatura de operação e a capacidade máxima de transporte de calor dos tubos térmicos (limitada pela sua estrutura capilar) estão, portanto, intimamente relacionados.
Os fluidos de trabalho são escolhidos de acordo com as temperaturas em que o tubo de calor deve funcionar, com exemplos que vão desde hélio líquido para aplicações a temperaturas extremamente baixas (2-4 K) até mercúrio (523-923 K), sódio (873-1473 K) e até índio (2000-3000 K) para temperaturas extremamente altas. A grande maioria dos tubos de calor para aplicações de temperatura ambiente utiliza amônia (213-373 K), álcool (metanol (283-403 K) ou etanol (273-403 K), ou água (298-573 K) como fluido de trabalho. Os tubos de calor cobre/água têm um envelope de cobre, usam água como fluido de trabalho e normalmente operam na faixa de temperatura de 20 a 150 °C. Os tubos de calor de água são por vezes enchidos com água, aquecendo até a água ferver e deslocar o ar, e depois selados enquanto quentes.
Para que o tubo de calor transfira calor, deve conter líquido saturado e o seu vapor (fase gasosa). O líquido saturado vaporiza e viaja para o condensador, onde é resfriado e voltado para um líquido saturado. Em um tubo de calor padrão, o líquido condensado é devolvido ao evaporador usando uma estrutura de pavio que exerce uma ação capilar sobre a fase líquida do líquido de trabalho. As estruturas de pavio utilizadas nos tubos de calor incluem pó metálico sinterizado, tela e pavios ranhurados, que têm uma série de ranhuras paralelas ao eixo do tubo. Quando o condensador está localizado acima do evaporador em um campo gravitacional, a gravidade pode retornar o líquido. Neste caso, o tubo de calor é um termosifão. Finalmente, os tubos de calor rotativos utilizam forças centrífugas para retornar o líquido do condensador para o evaporador.
Os tubos de calor não contêm partes mecânicas móveis e normalmente não requerem manutenção, embora os gases não condensáveis que se difundem através das paredes do tubo, resultantes da ruptura do fluido de trabalho ou como impurezas existentes no material, possam eventualmente reduzir a eficácia do tubo na transferência de calor.
A vantagem dos tubos de calor sobre muitos outros mecanismos de dissipação de calor é a sua grande eficiência na transferência de calor. Um tubo de uma polegada de diâmetro e dois pés de comprimento pode transferir 3,7 kW (12.500 BTU por hora) a 1.800 °F (980 °C) com apenas 18 °F (10 °C) de ponta a ponta. Alguns tubos de calor demonstraram um fluxo de calor superior a 23 kW/cm², cerca de quatro vezes o fluxo de calor através da superfície do sol.
Materiais do tubo de calor e fluidos de trabalhoEditar
Os tubos de calor têm um envelope, um pavio e um fluido de trabalho. Os tubos de calor são concebidos para um funcionamento a muito longo prazo, sem manutenção, pelo que a parede do tubo de calor e o pavio devem ser compatíveis com o fluido de trabalho. Alguns pares material/fluído de trabalho que parecem ser compatíveis não são. Por exemplo, água em um envelope de alumínio desenvolverá grandes quantidades de gás não condensáveis durante algumas horas ou dias, impedindo o funcionamento normal do tubo de calor.
Desde que os tubos de calor foram redescobertos por George Grover em 1963, testes extensivos de vida útil foram conduzidos para determinar pares envelope/fluido compatíveis, alguns acontecendo por décadas. Em um teste de vida útil do tubo de calor, os tubos de calor são operados por longos períodos de tempo, e monitorados para problemas como geração de gás não condensável, transporte de material e corrosão.
Os pares de envelope (e pavio)/fluido mais usados incluem:
- Envólucro de cobre com fluido de trabalho de água para resfriamento eletrônico. Este é de longe o tipo mais comum de tubo de calor.
- Cobre ou envelope de aço com fluido de trabalho R134a refrigerante para recuperação de energia em sistemas HVAC.
- Envelope de alumínio com fluido de trabalho amônia para controle térmico de espaçonaves.
- Envelope de superliga com fluido de trabalho metal alcalino (césio, potássio, sódio) para tubos de calor de alta temperatura, mais comumente usado para calibrar dispositivos de medição de temperatura primária.
Outros pares incluem envelopes de aço inoxidável com nitrogénio, oxigénio, néon, hidrogénio ou fluidos de trabalho de hélio a temperaturas inferiores a 100 K, tubos de calor de cobre/metanol para refrigeração electrónica quando o tubo de calor deve funcionar abaixo da gama de água, tubos de calor de alumínio/etano para controlo térmico de naves espaciais em ambientes onde o amoníaco pode congelar, e envelope metálico refractário/fluído de trabalho de lítio para aplicações a altas temperaturas (acima de 1.050 °C (1.920 °F)).
Tipos de tubos de calorEditar
Além dos tubos de calor padrão, de condutância constante (CCHPs), há uma série de outros tipos de tubos de calor, incluindo:
- Câmaras de vapor (tubos de calor plano), que são utilizadas para transformação do fluxo de calor, e isotermização de superfícies
- Canos de calor de condutância variável (VCHPs), que usam um gás não condensável (GNC) para mudar a condutividade térmica efetiva da tubulação de calor como energia ou as condições do dissipador de calor mudam
- Dutos de calor controlados por pressão (PCHPs), que são um VCHP onde o volume do reservatório, ou a massa do GNC pode ser mudada, para dar um controle mais preciso da temperatura
- Dutos de calor de diodo, que têm uma alta condutividade térmica no sentido da frente, e uma baixa condutividade térmica no sentido inverso
- Thermosyphons, que são tubos de calor onde o líquido é devolvido ao evaporador por forças gravitacionais/aceleracionais,
- Canalização dos tubos de calor, onde o líquido é devolvido ao evaporador por forças centrífugas
Câmara de vapor ou tubos de calor planoEditar
Condutas de calor planas finas (espalhadores de calor) têm os mesmos componentes primários que os tubos de calor tubulares: um recipiente oco hermeticamente fechado, um fluido de trabalho e um sistema de recirculação capilar em circuito fechado. Além disso, uma estrutura de suporte interno ou uma série de postes são geralmente usados em uma câmara de vapor para acomodar pressões de aperto às vezes de até 90 PSI. Isso ajuda a evitar o colapso da parte superior e inferior plana quando a pressão é aplicada.
Existem duas aplicações principais para câmaras de vapor. Primeiro, elas são usadas quando altas potências e fluxos de calor são aplicados a um evaporador relativamente pequeno. A entrada de calor no evaporador vaporiza o líquido, que flui em duas dimensões para as superfícies do condensador. Após a condensação do vapor nas superfícies do condensador, forças capilares no pavio retornam o condensado para o evaporador. Note que a maioria das câmaras de vapor são insensíveis à gravidade, e ainda operarão quando invertidas, com o evaporador acima do condensador. Nesta aplicação, a câmara de vapor atua como um transformador de fluxo de calor, resfriando um alto fluxo de calor de um chip eletrônico ou diodo laser, e transformando-o em um fluxo de calor mais baixo que pode ser removido por convecção natural ou forçada. Com pavios de evaporador especiais, as câmaras de vapor podem remover 2000 W sobre 4 cm2, ou 700 W sobre 1 cm2.
Outro uso principal das câmaras de vapor é para fins de resfriamento em laptops de jogos. Como as câmaras de vapor são um método mais plano e bidimensional de dissipação de calor, os laptops mais elegantes se beneficiam enormemente deles em comparação com os tradicionais tubos de calor. Por exemplo, o resfriamento por câmara de vapor na Legião 7i da Lenovo foi o seu ponto de venda mais exclusivo (embora tenha sido desvirtuado como todos os modelos com câmaras de vapor, quando na verdade apenas alguns tinham).
Segundo, em comparação com um tubo de calor tubular unidimensional, a largura de um tubo de calor bidimensional permite uma seção transversal adequada para o fluxo de calor, mesmo com um dispositivo muito fino. Estes tubos de calor planos finos estão a encontrar o seu caminho para aplicações “sensíveis à altura”, tais como computadores portáteis e núcleos de placas de circuito de montagem superficial. É possível produzir tubos de calor planos tão finos como 1,0 mm (ligeiramente mais espessos que um cartão de crédito de 0,76 mm).
Tubos de calor de condutância variável (VCHPs)Editar
Canos de calor standard são dispositivos de condutância constante, onde a temperatura de funcionamento do tubo de calor é definida pela temperatura da fonte e do dissipador, as resistências térmicas da fonte para o tubo de calor e as resistências térmicas do tubo de calor para o dissipador. Nestas condutas de calor, a temperatura cai linearmente à medida que a temperatura da potência ou do condensador é reduzida. Para algumas aplicações, como o controle térmico por satélite ou balão de pesquisa, a eletrônica será resfriada em excesso a baixas potências ou a baixas temperaturas do lava-louça. Os tubos de calor de condutância variável (VCHPs) são usados para manter passivamente a temperatura da electrónica a ser arrefecida à medida que as condições de potência e de dissipação mudam.
Os tubos de calor de condutância variável têm duas adições em comparação com um tubo de calor padrão: 1. um reservatório, e 2. um gás não condensável (GNC) adicionado à tubulação de calor, além do fluido de trabalho; veja a figura na seção da espaçonave abaixo. Este gás não condensável é tipicamente argônio para tubos de calor de condutância variável padrão, e hélio para termosifões. Quando o tubo de calor não está funcionando, o gás não condensável e o vapor do fluido de trabalho são misturados em todo o espaço do vapor do tubo de calor. Quando o tubo de calor de condutância variável está em funcionamento, o gás não condensável é varrido em direção à extremidade do condensador do tubo de calor pelo fluxo do vapor do fluido de trabalho. A maior parte do gás não condensável está localizada no reservatório, enquanto o restante bloqueia uma parte do condensador da tubulação de calor. A tubulação de calor de condutância variável funciona através da variação do comprimento ativo do condensador. Quando a temperatura da energia ou do dissipador de calor é aumentada, a temperatura e a pressão do vapor da tubulação de calor aumentam. O aumento da pressão do vapor força mais gás não condensável para dentro do reservatório, aumentando o comprimento do condensador ativo e a condutância da tubulação de calor. Por outro lado, quando a temperatura da energia ou do dissipador de calor é reduzida, a temperatura e pressão do vapor da tubulação de calor diminui e o gás não condensável se expande, reduzindo o comprimento do condensador ativo e a condutância da tubulação de calor. A adição de um pequeno aquecedor no reservatório, com a potência controlada pela temperatura do evaporador, permitirá o controle térmico de aproximadamente ±1-2 °C. Em um exemplo, a temperatura do evaporador foi mantida em uma faixa de controle de ±1,65 °C, pois a potência variou de 72 a 150 W, e a temperatura do dissipador de calor variou de +15 °C a -65 °C.
Tubos de calor controlados por pressão (PCHPs) podem ser utilizados quando for necessário um controle mais apertado da temperatura. Em uma tubulação de calor controlada por pressão, a temperatura do evaporador é usada para variar o volume do reservatório ou a quantidade de gás não condensável na tubulação de calor. Tubos de calor controlados por pressão têm mostrado controle de temperatura milli-Kelvin.
Tubos de calor de diodoEditar
Canais de calor convencionais transferem calor em qualquer direção, da extremidade mais quente para a mais fria do tubo de calor. Vários tubos de calor diferentes actuam como um díodo térmico, transferindo calor numa direcção, enquanto actua como isolante na outra:
- Termossifões, que apenas transferem calor da parte inferior para a parte superior do termosifão, onde o condensado regressa por gravidade. Quando a termosifão é aquecida na parte superior, não há líquido disponível para evaporar.
- Canalização dos tubos de calor, onde o tubo de calor é moldado de modo que o líquido só possa viajar por forças centrífugas do evaporador nominal para o condensador nominal. Novamente, nenhum líquido está disponível quando o condensador nominal é aquecido.
- Canalização do díodo de retenção de vapor.
- Canalização do díodo de retenção de líquido.
Díodo de retenção de vapor é fabricado de forma semelhante a um tubo de calor de condutância variável, com um reservatório de gás na extremidade do condensador. Durante a fabricação, a tubulação de calor é carregada com o fluido de trabalho e uma quantidade controlada de um gás não condensável (GNC). Durante o funcionamento normal, o fluxo do vapor do fluido de trabalho do evaporador para o condensador varre o gás não condensável para dentro do reservatório, onde não interfere com o funcionamento normal do tubo de calor. Quando o condensador nominal é aquecido, o fluxo de vapor é do condensador nominal para o evaporador nominal. O gás não condensável é arrastado junto com o vapor que flui, bloqueando completamente o evaporador nominal e aumentando muito a resistividade térmica do tubo de calor. Em geral, há alguma transferência de calor para a seção adiabática nominal. O calor é então conduzido através das paredes do tubo de calor para o evaporador. Em um exemplo, um diodo de captação de vapor transportou 95 W na direção direta, e apenas 4,3 W na direção inversa.
Um diodo de retenção de líquidos tem um reservatório maléfico na extremidade do evaporador do tubo de calor, com um pavio separado que não está em comunicação com o pavio no restante do tubo de calor. Durante a operação normal, o evaporador e o reservatório são aquecidos. O vapor flui para o condensador, e o líquido retorna ao evaporador por forças capilares no pavio. O reservatório eventualmente seca, uma vez que não há método para retornar o líquido. Quando o condensador nominal é aquecido, o líquido se condensa no evaporador e no reservatório. Enquanto o líquido pode retornar ao condensador nominal a partir do evaporador nominal, o líquido no reservatório fica retido, uma vez que o pavio do reservatório não está conectado. Eventualmente, todo o líquido fica retido no reservatório, e o tubo de calor cessa a operação.
ThermosyphonsEdit
A maioria dos tubos de calor utiliza um pavio para retornar o líquido do condensador para o evaporador, permitindo que o tubo de calor funcione em qualquer orientação. O líquido é aspirado de volta ao evaporador por acção capilar, semelhante à forma como uma esponja aspira a água quando uma borda é colocada em contacto com uma piscina de água. Entretanto, a elevação adversa máxima (evaporador sobre condensador) é relativamente pequena, na ordem de 25 cm de comprimento para um tubo de aquecimento de água típico.
Se, entretanto, o evaporador estiver localizado abaixo do condensador, o líquido pode drenar de volta por gravidade ao invés de requerer um pavio, e a distância entre os dois pode ser muito maior. Tal tubo de calor com auxílio da gravidade é conhecido como um termosifão.
Em um termosifão, o líquido de trabalho é vaporizado por um calor fornecido ao evaporador na parte inferior do tubo de calor. O vapor viaja para o condensador na parte superior do tubo de calor, onde condensa. O líquido então drena de volta para a parte inferior do tubo de calor por gravidade, e o ciclo se repete. Os termosifões são tubos de calor de diodo; quando o calor é aplicado na extremidade do condensador, não há condensado disponível, e portanto não há forma de formar vapor e transferir calor para o evaporador.
Embora um tubo de calor de água terrestre típico tenha menos de 30 cm de comprimento, os termosifões têm frequentemente vários metros de comprimento. Como discutido abaixo, os termosifões usados para resfriar a linha de tubos do Alasca tinham cerca de 11 a 12 m de comprimento. Termoesíferas ainda mais longas foram propostas para a extração de energia geotérmica. Por exemplo, Storch et al. fabricaram um tubo de 53 mm de diâmetro interno, 92 m de comprimento de termosifão propano que transportava cerca de 6 kW de calor.
Tubo de calor em laçoEdit
Um tubo de calor em laço (LHP) é um dispositivo passivo de transferência bifásica relacionado com o tubo de calor. Ele pode transportar maior potência em distâncias maiores, tendo fluxo de líquido e vapor em co-corrente, em contraste com o fluxo de contracorrente em um tubo de calor. Isto permite que o pavio em um tubo de calor em laço seja necessário somente no evaporador e na câmara de compensação. Micro tubos de calor de laço foram desenvolvidos e empregados com sucesso em uma ampla esfera de aplicações tanto no solo como no espaço.
Tubo de calor oscilante ou pulsante Editar
Um tubo de calor oscilante, também conhecido como tubo de calor pulsante, é preenchido apenas parcialmente com fluido de trabalho líquido. O tubo é disposto num padrão serpentino no qual se alternam segmentos de líquido e vapor em movimento livre. A oscilação ocorre no fluido de trabalho; o tubo permanece sem movimento.
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