Värmerör

Tunnt platt värmerör (värmespridare) med fjärrvärmesänka och fläkt

Ett typiskt värmerör består av ett förseglat rör eller en slang som är tillverkat av ett material som är kompatibelt med arbetsvätskan, t.ex. koppar för vattenvärmerör, eller aluminium för ammoniakvärmerör. Vanligtvis används en vakuumpump för att avlägsna luften från det tomma värmeröret. Värmeröret fylls delvis med en arbetsvätska och försluts sedan. Arbetsvätskemassan väljs så att värmeröret innehåller både ånga och vätska över arbetstemperaturområdet.

Under arbetstemperaturen är vätskan för kall och kan inte förångas till en gas. Över arbetstemperaturen har all vätska förvandlats till gas, och omgivningstemperaturen är för hög för att någon av gasen ska kunna kondensera. Värmekonduktion är fortfarande möjlig genom värmerörets väggar, men med en kraftigt reducerad värmeöverföringshastighet. För en given värmetillförsel är det dessutom nödvändigt att en minimitemperatur för arbetsvätskan uppnås, och en ytterligare ökning (avvikelse) av värmeöverföringskoefficienten från den ursprungliga konstruktionen hämmar snarare värmerörets verkan. Detta fenomen är kontraintuitivt i den meningen att om ett värmerörssystem stöds av en fläkt kan värmeröret gå sönder och minska effektiviteten hos det termiska ledningssystemet. Driftstemperaturen och värmerörens maximala värmetransportkapacitet (som begränsas av dess kapillärstruktur) är därför nära förbundna med varandra.

Arbetsvätskor väljs beroende på de temperaturer vid vilka värmerören måste fungera, med exempel som sträcker sig från flytande helium för extremt låga temperaturer (2-4 K) till kvicksilver (523-923 K), natrium (873-1473 K) och till och med indium (2000-3000 K) för extremt höga temperaturer. De allra flesta värmerör för tillämpningar vid rumstemperatur använder ammoniak (213-373 K), alkohol (metanol (283-403 K) eller etanol (273-403 K) eller vatten (298-573 K) som arbetsvätska. Koppar/vatten-värmerör har ett kopparhölje, använder vatten som arbetsvätska och arbetar vanligtvis i temperaturområdet 20-150 °C. Vattenvärmerör fylls ibland genom att delvis fyllas med vatten, värmas upp tills vattnet kokar och tränger undan luften, och försluts sedan medan det är varmt.

För att värmeröret ska kunna överföra värme måste det innehålla mättad vätska och dess ånga (gasfas). Den mättade vätskan förångas och går till kondensorn, där den kyls och återgår till mättad vätska. I ett standardvärmerör återförs den kondenserade vätskan till förångaren med hjälp av en vickstruktur som utövar en kapillär verkan på arbetsvätskans flytande fas. De vickstrukturer som används i värmerör inkluderar sintrat metallpulver, silar och räfflade vickar, som har en serie räfflor parallellt med rörets axel. När kondensorn är placerad ovanför förångaren i ett gravitationsfält kan gravitationen återföra vätskan. I detta fall är värmeröret en termosifon. Roterande värmerör använder centrifugalkrafter för att återföra vätska från kondensatorn till förångaren.

Värmerör innehåller inga mekaniska rörliga delar och kräver vanligtvis inget underhåll, även om icke kondenserbara gaser som diffunderar genom rörets väggar, till följd av nedbrytning av arbetsvätskan eller som föroreningar som finns i materialet, så småningom kan minska rörets effektivitet när det gäller att överföra värme.

Fördelen med värmerör jämfört med många andra värmeavledningsmekanismer är att de är mycket effektiva när det gäller att överföra värme. Ett rör med en tum i diameter och två fot långt kan överföra 3,7 kW (12 500 BTU per timme) vid 980 °C (1 800 °F) med endast 10 °C (18 °F) minskning från ände till ände. Vissa värmerör har uppvisat ett värmeflöde på mer än 23 kW/cm², ungefär fyra gånger värmeflödet genom solens yta.

Värmerörsmaterial och arbetsvätskorRedigera

Värmerör har ett hölje, en veke och en arbetsvätska. Värmerör är konstruerade för mycket långvarig drift utan underhåll, så värmerörets vägg och veke måste vara kompatibla med arbetsvätskan. Vissa par av material/arbetsvätska som verkar vara kompatibla är det inte. Exempelvis kommer vatten i ett aluminiumhölje att utveckla stora mängder icke-kondenserbar gas under några timmar eller dagar, vilket förhindrar normal drift av värmeröret.

Sedan George Grover återupptäckte värmeröret 1963 har omfattande livslängdstester utförts för att fastställa kompatibla hölje/vätskepar, varav vissa har pågått i flera decennier. I ett livslängdstest för värmerör drivs värmerören under långa perioder och övervakas med avseende på problem som t.ex. generering av icke kondenserbara gaser, materialtransport och korrosion.

De vanligast använda höljet (och veken)/vätskekopplingsparen är bland annat:

• Kopperhölje med vatten som arbetsvätska för kylning av elektronik. Detta är den överlägset vanligaste typen av värmerör.
• Kopper- eller stålhölje med kylmedlet R134a som arbetsvätska för energiåtervinning i VVS-system.
• Aluminiumhölje med ammoniak som arbetsvätska för värmereglering av rymdfarkoster.
• Superlegeringshölje med alkalimetall (cesium, kalium, natrium) som arbetsvätska för värmerör för höga temperaturer, som oftast används för att kalibrera primära temperaturmätningsinstrument.

Andra par omfattar höljen av rostfritt stål med arbetsvätska av kväve, syre, neon, väte eller helium vid temperaturer under 100 K, koppar/metanolvärmerör för kylning av elektronik när värmeröret måste fungera under vattenområdet, aluminium/etanvärmerör för värmereglering av rymdfarkoster i miljöer där ammoniak kan frysa och hölje av eldfast metall med arbetsvätska av litium för högtemperaturtillämpningar (över 1 050 °C).

Typer av värmerörEdit

Förutom standardvärmerör med konstant konduktivitet (CCHP) finns det ett antal andra typer av värmerör, bland annat:

• Dampkammare (plana värmerör), som används för omvandling av värmeflöden och isotermalisering av ytor
• Variabla konduktansvärmerör (VCHP), som använder en icke kondenserbar gas (NCG) för att ändra värmerörets effektiva värmeledningsförmåga när strömmen eller förhållandena i värmesänkan förändras
• Dryckstyrda värmerör (PCHP), som är ett VCHP där volymen av reservoaren eller NCG-massan kan ändras, för att ge en mer exakt temperaturreglering
• Diode heat pipes, som har en hög värmeledningsförmåga i framåtriktad riktning och en låg värmeledningsförmåga i bakåtriktad riktning
• Thermosyfoner, som är värmerör där vätskan återförs till förångaren med hjälp av gravitations-/accelerationskrafter,
• Roterande värmerör, där vätskan återförs till förångaren genom centrifugalkrafter

Vampkammare eller platta värmerörEdit

Tunna plana värmerör (värmespridare) har samma primära komponenter som rörformiga värmerör: En hermetiskt förseglad ihålig behållare, en arbetsvätska och ett kapillärt recirkulationssystem med sluten kretslopp. Dessutom används i allmänhet en inre stödstruktur eller en serie stolpar i en ångkammare för att klara klämtryck på ibland upp till 90 PSI. Detta hjälper till att förhindra att den platta toppen och botten kollapsar när trycket appliceras.

Det finns två huvudsakliga användningsområden för ångkammare. För det första används de när höga effekter och värmeflöden tillämpas på en relativt liten förångare. Värmetillförseln till förångaren förångar vätska som flödar i två dimensioner till kondensatorns ytor. När ångan kondenserar på kondensatorytorna återför kapillärkrafterna i veken kondensatet till förångaren. Observera att de flesta ångkammare är okänsliga för gravitation och fungerar fortfarande när de är omvända, med förångaren ovanför kondensatorn. I denna tillämpning fungerar ångkammaren som en värmeflödestransformator som kyler ett högt värmeflöde från ett elektroniskt chip eller en laserdiod och omvandlar det till ett lägre värmeflöde som kan avlägsnas genom naturlig eller påtvingad konvektion. Med speciella förångningsväggar kan ångkammare avlägsna 2 000 W på 4 cm2 eller 700 W på 1 cm2.

En annan viktig användning av ångkammare är kylning av bärbara datorer för spel. Eftersom ångkamrar är en plattare och mer tvådimensionell metod för värmeavledning har smidigare bärbara datorer för spel mycket stor nytta av dem jämfört med traditionella heatpipes. Till exempel var ångkammarkylningen i Lenovos Legion 7i dess mest unika försäljningsargument (även om det felaktigt annonserades som att alla modeller hade ångkammare, medan det i själva verket bara var ett fåtal som hade det).

För det andra, jämfört med ett endimensionellt rörformigt värmerör, ger bredden på ett tvådimensionellt värmerör en tillräcklig tvärsektion för värmeflödet, även med en mycket tunn anordning. Dessa tunna plana värmerör hittar sin väg in i ”höjdkänsliga” tillämpningar, t.ex. i bärbara datorer och ytmonterade kretskortskärnor. Det är möjligt att tillverka plana värmerör som är så tunna som 1,0 mm (något tjockare än ett kreditkort på 0,76 mm).

Värmerör med variabel konduktans (VCHP)Edit

Standardvärmerör är anordningar med konstant konduktans, där värmerörets arbetstemperatur bestäms av källans och sänkkretsens temperaturer, de termiska motstånden från källan till värmeröret och de termiska motstånden från värmeröret till sänkkretsen. I dessa värmerör sjunker temperaturen linjärt när ström- eller kondensortemperaturen sänks. För vissa tillämpningar, t.ex. värmereglering av satelliter eller forskningsballonger, kommer elektroniken att överkylas vid låg effekt eller vid låga temperaturer i kylflänsen. Variable Conductance Heat Pipes (VCHP) används för att passivt bibehålla temperaturen på den elektronik som kyls när ström- och kylarförhållanden ändras.

Variable Conductance Heat Pipes har två tillägg jämfört med ett standardvärmeledningsrör: 1. en reservoar och 2. en icke-kondenserbar gas (NCG) som läggs till i värmeröret utöver arbetsvätskan, se bilden i avsnittet om rymdfarkoster nedan. Denna icke-kondenserbara gas är vanligtvis argon för standardvärmerör med variabel konduktivitet och helium för termosyfoner. När värmeröret inte är i drift blandas den icke-kondenserbara gasen och arbetsvätskans ånga i hela värmerörets ångutrymme. När värmeröret med variabel konduktivitet är i drift sveps den icke kondenserbara gasen mot värmerörets kondensatorände av arbetsvätskans ånga. Större delen av den icke kondenserbara gasen finns i reservoaren, medan resten blockerar en del av värmerörets kondensor. Värmeröret med variabel konduktans fungerar genom att kondensorns aktiva längd varieras. När effekten eller kylfläckens temperatur ökar, ökar värmerörets ångtemperatur och tryck. Det ökade ångtrycket tvingar in mer av den icke kondenserbara gasen i reservoaren, vilket ökar den aktiva kondensatorlängden och värmerörets konduktivitet. Omvänt gäller att när strömmen eller värmesänkans temperatur sjunker, sjunker värmerörets ångtemperatur och tryck, och den icke kondenserbara gasen expanderar, vilket minskar den aktiva kondensatorlängden och värmerörets konduktans. Genom att lägga till en liten värmare på reservoaren, vars effekt styrs av förångartemperaturen, blir det möjligt att reglera värmen med ungefär ±1-2 °C. I ett exempel hölls förångartemperaturen inom ett kontrollband på ±1,65 °C, medan effekten varierade från 72 till 150 W och temperaturen i kylflänsen varierade från +15 °C till -65 °C.

Dryckstyrda värmerör (PCHP) kan användas när en snävare temperaturkontroll krävs. I ett tryckstyrt värmerör används förångartemperaturen för att antingen variera reservoarvolymen eller mängden icke-kondenserbar gas i värmeröret. Tryckstyrda värmerör har visat temperaturkontroll i millikelvin.

DiodvärmerörEdit

Konventionella värmerör överför värme i endera riktningen, från den varmare till den kallare änden av värmeröret. Flera olika värmerör fungerar som en termisk diod, som överför värme i ena riktningen medan de fungerar som en isolator i den andra:

• Termosyfoner, som endast överför värme från botten till toppen av termosyfonen, där kondensatet återvänder genom gravitationen. När termosyfonen värms upp i toppen finns det ingen vätska tillgänglig för avdunstning.
• Rotatoriska värmerör, där värmeröret är utformat så att vätskan endast kan färdas med hjälp av centrifugalkrafter från den nominella förångaren till den nominella kondensorn. Återigen finns ingen vätska tillgänglig när den nominella kondensorn värms upp.
• Vapor trap diode heat pipes.
• Liquid trap diode heat pipes.

En vapor trap diode tillverkas på liknande sätt som ett värmerör med variabel konduktans, med en gasreservoar i slutet av kondensorn. Under tillverkningen laddas värmeröret med arbetsvätskan och en kontrollerad mängd av en icke kondenserbar gas (NCG). Under normal drift sveper flödet av arbetsvätskans ånga från förångaren till kondensorn in den icke kondenserbara gasen i reservoaren, där den inte stör den normala driften av värmeröret. När den nominella kondensorn värms upp sker ångflödet från den nominella kondensorn till den nominella förångaren. Den icke kondenserbara gasen dras med den strömmande ångan, vilket helt blockerar den nominella förångaren och kraftigt ökar värmerörets termiska resistivitet. I allmänhet sker en viss värmeöverföring till den nominella adiabatiska sektionen. Värmen leds sedan genom värmerörets väggar till förångaren. I ett exempel ledde en ångfångardiod 95 W i framåtriktningen och endast 4,3 W i bakåtriktningen.

En vätskefångardiod har en vätskereservoar i förångarens ände av värmeröret, med en separat veke som inte står i förbindelse med veken i resten av värmeröret. Under normal drift värms förångaren och reservoaren upp. Ångan strömmar till kondensorn och vätskan återvänder till förångaren genom kapillärkrafter i veken. Reservoaren torkar så småningom ut, eftersom det inte finns någon metod för att återföra vätska. När den nominella kondensorn värms upp kondenseras vätska i förångaren och behållaren. Även om vätskan kan återvända till den nominella kondensorn från den nominella förångaren, är vätskan i reservoaren instängd, eftersom veken i reservoaren inte är ansluten. Så småningom fastnar all vätska i reservoaren och värmeröret upphör att fungera.

TermosyfonerRedigera

De flesta värmerör använder en veke för att återföra vätskan från kondensatorn till förångaren, vilket gör det möjligt för värmeröret att fungera i vilket läge som helst. Vätskan sugs upp tillbaka till förångaren genom kapillärverkan, på samma sätt som en svamp suger upp vatten när en kant placeras i kontakt med en vattenpöl. Den maximala negativa höjningen (förångare över kondensator) är dock relativt liten, i storleksordningen 25 cm lång för ett typiskt vattenvärmerör.

Om förångaren däremot är placerad under kondensatorn kan vätskan rinna tillbaka med hjälp av gravitationen i stället för att kräva en veke, och avståndet mellan de två kan vara mycket längre. Ett sådant värmerör med hjälp av gravitation är känt som en termosyfon.

I en termosyfon förångas flytande arbetsvätska av en värme som tillförs förångaren i botten av värmeröret. Ångan rör sig till kondensatorn i toppen av värmeröret, där den kondenserar. Vätskan rinner sedan tillbaka till värmerörets botten genom gravitationen och cykeln upprepas. Termosyfoner är diodvärmerör; när värme tillförs kondensatoränden finns det inget kondensat tillgängligt och därmed inget sätt att bilda ånga och överföra värme till förångaren.

Men medan ett typiskt terrestriskt vattenvärmerör är mindre än 30 cm långt är termosyfoner ofta flera meter långa. Som diskuteras nedan var de termosyfoner som användes för att kyla Alaskas rörledning ungefär 11-12 meter långa. Ännu längre termosyfoner har föreslagits för utvinning av geotermisk energi. Storch et al. tillverkade till exempel en 53 mm I.D., 92 m lång propan-termosyfon som transporterade ungefär 6 kW värme.

Loop heat pipeRedigera

En loop heat pipe (LHP) är en passiv tvåfasöverföringsanordning som är relaterad till värmeröret. Den kan transportera högre effekt över längre sträckor genom att ha likströmsflöde av vätska och ånga, i motsats till motströmsflödet i ett värmerör. Detta gör att veken i ett loop heat pipe endast behövs i förångaren och kompensationskammaren. Mikro-slingvärmerör har utvecklats och framgångsrikt använts i ett stort antal tillämpningar både på marken och i rymden.

Oscillerande eller pulserande värmerör Redigera

Ett oscillerande värmerör, även känt som ett pulserande värmerör, är endast delvis fyllt med flytande arbetsvätska. Röret är anordnat i ett slingermönster där fritt rörliga vätskesegment och ångsegment alternerar. Oscillation sker i arbetsvätskan; röret förblir orörligt.