Тепловая труба - Heat pipe
Тепловая труба представляет собой теплопередачу устройство , которое использует фазовый переход для передачи тепла между двумя твердыми интерфейсами .
На горячей границе раздела тепловой трубы летучая жидкость, контактирующая с теплопроводящей твердой поверхностью, превращается в пар , поглощая тепло от этой поверхности. Затем пар перемещается по тепловой трубе к холодной границе раздела и конденсируется обратно в жидкость, высвобождая скрытое тепло . Затем жидкость возвращается к горячей границе раздела за счет капиллярного действия , центробежной силы или силы тяжести, и цикл повторяется. Благодаря очень высоким коэффициентам теплопередачи при кипении и конденсации тепловые трубы являются высокоэффективными проводниками тепла. Эффективная теплопроводность зависит от длины тепловой трубы и может приближаться к100 кВт / (м⋅К) для длинных тепловых трубок, по сравнению с примерно0,4 кВт / (м⋅K) для меди .
Конструкция, дизайн и конструкция
Типичная тепловая труба состоит из герметичной трубы или трубки, изготовленной из материала, совместимого с рабочей жидкостью, такого как медь для водяных тепловых труб или алюминий для аммиачных тепловых труб. Обычно для удаления воздуха из пустой тепловой трубки используется вакуумный насос . Тепловая трубка частично заполняется рабочей жидкостью, а затем герметизируется. Масса рабочего тела выбирается таким образом, чтобы тепловая трубка содержала как пар, так и жидкость во всем диапазоне рабочих температур .
Заявленная / рекомендуемая рабочая температура данной системы тепловых труб имеет решающее значение. Ниже рабочей температуры жидкость слишком холодная и не может превратиться в газ. Выше рабочей температуры вся жидкость превратилась в газ, а температура окружающей среды слишком высока для конденсации какого-либо газа. Теплопроводность по-прежнему возможна через стенки тепловой трубы, но при значительно меньшей скорости теплопередачи. Кроме того, для заданного подводимого тепла необходимо, чтобы была достигнута минимальная температура рабочего тела; в то время как на другом конце любое дополнительное увеличение (отклонение) коэффициента теплопередачи от первоначальной конструкции будет иметь тенденцию препятствовать работе тепловой трубы. Это может быть нелогичным в том смысле, что, если системе тепловых труб помогает вентилятор, то работа тепловой трубки может выйти из строя, что приведет к снижению эффективности системы управления температурным режимом - что потенциально может значительно снизиться. Следовательно, рабочая температура и максимальная теплопередающая способность тепловой трубы, ограниченная ее капилляром или другой структурой, используемой для возврата жидкости в горячую зону (центробежная сила, сила тяжести и т. Д.), Неизбежно и тесно связаны.
Рабочие жидкости выбираются в соответствии с температурами, при которых должна работать тепловая трубка, с примерами от жидкого гелия для экстремально низких температур (2–4 К ) до ртути (523–923 К), натрия (873–1473 К) и даже индий (2000–3000 К) для экстремально высоких температур. Подавляющее большинство тепловых трубок для применения при комнатной температуре используют аммиак (213–373 K), спирт ( метанол (283–403 K) или этанол (273–403 K)) или воду (298–573 K) в качестве рабочей жидкости. . Тепловые трубы медь / вода имеют медную оболочку, используют воду в качестве рабочего тела и обычно работают в диапазоне температур от 20 до 150 ° C. Водяные тепловые трубы иногда заполняют путем частичного заполнения водой, нагревают до тех пор, пока вода не закипит и не вытесняет воздух, а затем запечатывают, пока она горячая.
Чтобы тепловая труба могла передавать тепло, она должна содержать насыщенную жидкость и ее пар (газовая фаза). Насыщенная жидкость испаряется и попадает в конденсатор, где охлаждается и снова превращается в насыщенную жидкость. В стандартной тепловой трубе конденсированная жидкость возвращается в испаритель с помощью фитильной структуры, оказывающей капиллярное действие на жидкую фазу рабочей жидкости. Конструкции фитилей, используемые в тепловых трубках, включают спеченный металлический порошок , экран и фитили с канавками, которые имеют ряд канавок, параллельных оси трубы. Когда конденсатор расположен над испарителем в гравитационном поле, сила тяжести может вернуть жидкость. В данном случае тепловая трубка представляет собой термосифон . Наконец, вращающиеся тепловые трубки используют центробежные силы для возврата жидкости из конденсатора в испаритель.
Тепловые трубы не содержат механических движущихся частей и обычно не требуют обслуживания, хотя неконденсирующиеся газы, которые диффундируют через стенки трубы, возникают в результате разрушения рабочей жидкости или присутствуют в виде исходных примесей в материале, могут в конечном итоге снизить эффективность трубы. при передаче тепла.
Преимущество тепловых трубок перед многими другими механизмами рассеивания тепла заключается в их высокой эффективности передачи тепла. Труба диаметром один дюйм и длиной два фута может передавать 3,7 кВт (12 500 БТЕ в час) при 1800 ° F (980 ° C) с перепадом всего 18 ° F (10 ° C) от конца до конца. Некоторые тепловые трубки демонстрируют тепловой поток более 23 кВт / см², что примерно в четыре раза превышает тепловой поток через поверхность солнца.
Материалы тепловых труб и рабочие жидкости
Тепловые трубки имеют оболочку, фитиль и рабочую жидкость. Тепловые трубки рассчитаны на очень долгую работу и не требуют технического обслуживания, поэтому стенка и фитиль тепловых трубок должны быть совместимы с рабочей жидкостью. Некоторые пары материал / рабочая жидкость, которые кажутся совместимыми, несовместимы. Например, вода в алюминиевой оболочке будет выделять большое количество неконденсируемого газа в течение нескольких часов или дней, препятствуя нормальной работе тепловой трубы.
С тех пор, как в 1963 году Джордж Гровер заново открыл тепловые трубы, были проведены обширные испытания на срок службы для определения совместимых пар «оболочка / жидкость», некоторые из которых продолжались десятилетиями. При испытании на срок службы тепловых труб тепловые трубки эксплуатируются в течение длительных периодов времени и контролируются на предмет таких проблем, как образование неконденсируемого газа, транспортировка материалов и коррозия.
Наиболее часто используемые пары конверт (и фитиль) / жидкость включают:
- Медная оболочка с водяным рабочим телом для охлаждения электроники . Это, безусловно, самый распространенный тип тепловых трубок.
- Корпус из меди или стали с хладагентом R134a для рекуперации энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха .
- Алюминиевая оболочка с аммиачным рабочим телом для теплового контроля космических аппаратов .
- Оболочка из суперсплава с рабочей жидкостью из щелочного металла (цезий, калий, натрий) для высокотемпературных тепловых труб, наиболее часто используемых для калибровки устройств измерения первичной температуры.
Другие пары включают оболочки из нержавеющей стали с азотом, кислородом, неоном, водородом или гелием для рабочих жидкостей при температурах ниже 100 K, тепловые трубки из меди / метанола для охлаждения электроники, когда тепловая трубка должна работать ниже уровня воды, тепловые трубки из алюминия / этана для терморегулирование космических аппаратов в условиях, когда аммиак может замерзнуть, и рабочая жидкость из тугоплавкого металла / литиевая рабочая жидкость для высоких температур (выше 1050 ° C (1,920 ° F)).
Типы тепловых трубок
Помимо стандартных тепловых труб с постоянной проводимостью (CCHP), существует ряд других типов тепловых труб, в том числе:
- Паровые камеры (плоские тепловые трубы), которые используются для преобразования теплового потока и изотермизации поверхностей.
- Тепловые трубы с переменной проводимостью (VCHP), в которых используется неконденсирующийся газ (NCG) для изменения эффективной теплопроводности тепловой трубы при изменении мощности или условий теплоотвода.
- Тепловые трубы с регулируемым давлением (PCHP), которые представляют собой VCHP, в которых можно изменять объем резервуара или массу NCG, чтобы обеспечить более точный контроль температуры.
- Диодные тепловые трубки, которые имеют высокую теплопроводность в прямом направлении и низкую теплопроводность в обратном направлении.
- Термосифоны, представляющие собой тепловые трубы, по которым жидкость возвращается в испаритель за счет гравитационных / ускоряющих сил,
- Вращающиеся тепловые трубки, по которым жидкость возвращается в испаритель за счет центробежных сил.
Паровая камера или плоские тепловые трубки
Тонкие плоские тепловые трубки ( теплораспределители ) имеют те же основные компоненты, что и трубчатые тепловые трубки: герметичный полый сосуд, рабочая жидкость и замкнутая система капиллярной рециркуляции. Кроме того, в паровой камере обычно используется внутренняя опорная конструкция или ряд стоек, чтобы выдерживать давление зажима, иногда до 90 фунтов на квадратный дюйм. Это помогает предотвратить обрушение плоских верха и низа при приложении давления.
Есть два основных применения паровых камер. Во-первых, они используются, когда большие мощности и тепловые потоки прикладываются к относительно небольшому испарителю. Подвод тепла к испарителю испаряет жидкость, которая в двух измерениях течет к поверхностям конденсатора. После того, как пар конденсируется на поверхностях конденсатора, капиллярные силы в фитиле возвращают конденсат в испаритель. Обратите внимание, что большинство паровых камер нечувствительны к силе тяжести и все равно будут работать в перевернутом положении, когда испаритель находится над конденсатором. В этом случае паровая камера действует как преобразователь теплового потока, охлаждая высокий тепловой поток от электронного чипа или лазерного диода и преобразуя его в более низкий тепловой поток, который может быть устранен естественной или принудительной конвекцией. Благодаря специальным фитилям испарителя паровые камеры могут отводить 2000 Вт с площади 4 см 2 или 700 Вт с площади 1 см 2 .
Еще одно важное применение паровых камер - охлаждение игровых ноутбуков. Поскольку паровые камеры представляют собой более плоский и более двумерный способ отвода тепла, более изящные игровые ноутбуки получают от них огромную выгоду по сравнению с традиционными тепловыми трубками. Например, охлаждение паровой камеры в Legion 7i от Lenovo было его самым уникальным аргументом в пользу продажи (хотя его неправильно рекламировали как все модели, имеющие паровые камеры, хотя на самом деле только некоторые из них).
Во-вторых, по сравнению с одномерной трубчатой тепловой трубой ширина двухмерной тепловой трубки обеспечивает адекватное поперечное сечение для теплового потока даже с очень тонким устройством. Эти тонкие плоские тепловые трубки находят свое применение в приложениях, «чувствительных к высоте», таких как портативные компьютеры и ядра печатных плат для поверхностного монтажа. Возможно изготовление плоских тепловых трубок толщиной до 1,0 мм (немного толще кредитной карты 0,76 мм ).
Тепловые трубы переменной проводимости (ВТЭУ)
Стандартные тепловые трубки - это устройства с постоянной проводимостью, в которых рабочая температура тепловой трубки задается температурами источника и стока, тепловым сопротивлением от источника к тепловой трубе и тепловым сопротивлением от тепловой трубы к приемнику. В этих тепловых трубках температура падает линейно с понижением температуры мощности или конденсатора. Для некоторых применений, таких как терморегулирование спутников или исследовательских аэростатов, электроника будет переохлаждаться при малых мощностях или при низких температурах понижения. Тепловые трубки с переменной проводимостью (VCHP) используются для пассивного поддержания температуры охлаждаемой электроники при изменении условий питания и потребителя.
Тепловые трубки с переменной проводимостью имеют два дополнения по сравнению со стандартной тепловой трубкой: 1. резервуар и 2. неконденсирующийся газ (NCG), добавляемый в тепловую трубку в дополнение к рабочей жидкости; см. картинку в разделе космических аппаратов ниже . Этот неконденсирующийся газ обычно представляет собой аргон для стандартных тепловых трубок с переменной проводимостью и гелий для термосифонов. Когда тепловая труба не работает, неконденсирующийся газ и пар рабочей жидкости смешиваются по всему паровому пространству тепловой трубы. Когда работает тепловая труба с переменной проводимостью, неконденсирующийся газ уносится к концу конденсатора тепловой трубы потоком паров рабочей жидкости. Большая часть неконденсируемого газа находится в резервуаре, а оставшаяся часть блокирует часть конденсатора тепловой трубы. Тепловая трубка с переменной проводимостью работает за счет изменения активной длины конденсатора. Когда температура мощности или радиатора увеличивается, температура и давление пара в тепловой трубке возрастают. Повышенное давление пара заставляет больше неконденсируемого газа попадать в резервуар, увеличивая активную длину конденсатора и проводимость тепловой трубы. И наоборот, когда мощность или температура радиатора снижается, температура и давление пара в тепловой трубе уменьшаются, и неконденсирующийся газ расширяется, уменьшая активную длину конденсатора и проводимость тепловой трубы. Добавление небольшого нагревателя на резервуар, мощность которого регулируется температурой испарителя, позволит регулировать температуру примерно на ± 1-2 ° C. В одном примере температура испарителя поддерживалась в контрольном диапазоне ± 1,65 ° C, мощность варьировалась от 72 до 150 Вт, а температура радиатора варьировалась от +15 ° C до -65 ° C.
Тепловые трубки с регулируемым давлением (PCHP) могут использоваться, когда требуется более жесткий контроль температуры. В тепловой трубе с регулируемым давлением температура испарителя используется для изменения объема резервуара или количества неконденсируемого газа в тепловой трубе. Тепловые трубки с регулируемым давлением демонстрируют контроль температуры в милликельвинах.
Диодные тепловые трубки
Обычные тепловые трубки передают тепло в любом направлении, от более горячего к более холодному концу тепловой трубки. Несколько различных тепловых трубок действуют как тепловой диод , передавая тепло в одном направлении, а в другом - как изолятор:
- Термосифоны , которые передают тепло только снизу вверх термосифона, куда конденсат возвращается под действием силы тяжести. Когда термосифон нагревается сверху, жидкости для испарения нет.
- Вращающиеся тепловые трубки, где тепловая трубка имеет такую форму, что жидкость может перемещаться только за счет центробежных сил от номинального испарителя к номинальному конденсатору. Опять же, при нагревании номинального конденсатора жидкость недоступна.
- Тепловые трубки с диодными конденсаторами.
- Жидкостные диодные тепловые трубки.
Диод улавливателя пара изготавливается аналогично тепловой трубе с переменной проводимостью, с резервуаром для газа на конце конденсатора. Во время изготовления тепловая труба заполняется рабочей жидкостью и контролируемым количеством неконденсируемого газа (NCG). Во время нормальной работы поток паров рабочей жидкости из испарителя в конденсатор сдувает неконденсирующийся газ в резервуар, где он не мешает нормальной работе тепловой трубы. Когда номинальный конденсатор нагревается, поток пара идет от номинального конденсатора к номинальному испарителю. Неконденсирующийся газ увлекается вместе с текущим паром, полностью блокируя номинальный испаритель и значительно увеличивая тепловое сопротивление тепловой трубы. В общем, имеется некоторая передача тепла к номинальному адиабатическому участку. Затем тепло передается через стенки тепловых трубок в испаритель. В одном примере диод улавливателя паров передавал 95 Вт в прямом направлении и только 4,3 Вт в обратном направлении.
Диод-ловушка для жидкости имеет специальный резервуар на конце испарителя тепловой трубы с отдельным фитилем, который не сообщается с фитилем в остальной части тепловой трубки. Во время нормальной работы испаритель и резервуар нагреваются. Пар поступает в конденсатор, а жидкость возвращается в испаритель за счет капиллярных сил в фитиле. Резервуар со временем высыхает, так как нет способа возврата жидкости. Когда номинальный конденсатор нагревается, жидкость конденсируется в испарителе и резервуаре. Хотя жидкость может вернуться в номинальный конденсатор из номинального испарителя, жидкость в резервуаре задерживается, поскольку фитиль резервуара не подсоединен. В конце концов, вся жидкость попадает в резервуар, и тепловая трубка прекращает работу.
Термосифоны
В большинстве тепловых трубок используется фитиль для возврата жидкости из конденсатора в испаритель, что позволяет тепловой трубке работать в любом положении. Жидкость всасывается обратно в испаритель за счет капиллярного действия , подобно тому, как губка всасывает воду, когда край соприкасается с лужей воды. Однако максимальное неблагоприятное превышение (испаритель над конденсатором) относительно невелико, порядка 25 см в длину для типичной водяной тепловой трубы.
Однако, если испаритель расположен ниже конденсатора, жидкость может стекать обратно под действием силы тяжести, вместо того, чтобы требовать фитиля, и расстояние между ними может быть намного больше. Такая гравитационная тепловая трубка известна как термосифон .
В термосифоне жидкая рабочая жидкость испаряется за счет тепла, подводимого к испарителю в нижней части тепловой трубы. Пар поступает в конденсатор в верхней части тепловой трубы, где конденсируется. Затем жидкость под действием силы тяжести стекает обратно на дно тепловой трубки, и цикл повторяется. Термосифоны - это диодные тепловые трубки; когда тепло подводится к концу конденсатора, конденсат отсутствует, и, следовательно, нет возможности образовывать пар и передавать тепло испарителю.
В то время как длина типичной наземной водяной тепловой трубы составляет менее 30 см, термосифоны часто имеют длину несколько метров. Как обсуждается ниже, термосифоны, используемые для охлаждения трубопровода на Аляске, имели длину примерно от 11 до 12 м. Еще более длинные термосифоны были предложены для извлечения геотермальной энергии. Например, Storch et al. изготовили пропановый термосифон с внутренним диаметром 53 мм и длиной 92 м, который переносил примерно 6 кВт тепла.
Петлевая тепловая трубка
Тепловой контур труба (ПЛРЫ) является пассивным устройством переноса двухфазного связан с тепловой трубкой. Он может передавать более высокую мощность на большие расстояния за счет параллельного потока жидкости и пара, в отличие от противоточного потока в тепловой трубе. Это позволяет использовать фитиль в тепловой трубе контура только в испарителе и компенсационной камере. Микроконтурные тепловые трубки были разработаны и успешно используются в широком спектре приложений как на земле, так и в космосе.
Колеблющаяся или пульсирующая тепловая трубка
Колеблющаяся тепловая трубка, также известная как пульсирующая тепловая трубка, лишь частично заполнена жидкой рабочей жидкостью. Труба расположена в виде змеевика, в котором чередуются свободно движущиеся жидкие и паровые сегменты. В рабочем теле происходят колебания; труба остается неподвижной.
Теплопередача
В тепловых трубках используется фазовый переход для передачи тепловой энергии от одной точки к другой за счет испарения и конденсации рабочей жидкости или хладагента. Тепловые трубы зависят от разницы температур между концами трубы и не могут понижать температуру на любом конце ниже температуры окружающей среды (следовательно, они стремятся уравнять температуру внутри трубы).
Когда один конец тепловой трубы нагревается, рабочая жидкость внутри трубы на этом конце испаряется и увеличивает давление пара внутри полости тепловой трубы. Скрытая теплота парообразования поглощается в качестве рабочей жидкости снижает температуру на горячем конце трубы.
Давление пара над горячей жидкой рабочей жидкостью на горячем конце трубы выше, чем равновесное давление пара над конденсирующейся рабочей жидкостью на более холодном конце трубы, и эта разница давлений вызывает быстрый массоперенос к конденсирующему концу, где избыточный пар конденсируется, выделяет скрытое тепло и нагревает холодный конец трубы. Неконденсирующиеся газы (например, из-за загрязнения) в паре препятствуют потоку газа и снижают эффективность тепловой трубы, особенно при низких температурах, когда давление пара низкое. Скорость молекул в газе приблизительно равна скорости звука, и в отсутствие неконденсирующихся газов (т. Е. Если присутствует только газовая фаза) это верхний предел скорости, с которой они могут перемещаться в тепловой трубе. . На практике скорость пара через тепловую трубу ограничена скоростью конденсации на холодном конце и намного ниже молекулярной скорости. Примечание / пояснение: скорость конденсации очень близка к коэффициенту прилипания, умноженному на скорость молекулы, умноженную на плотность газа, если поверхность конденсации очень холодная. Однако, если температура поверхности близка к температуре газа, испарение, вызванное конечной температурой поверхности, в значительной степени нейтрализует этот тепловой поток. Если разница температур превышает несколько десятков градусов, испарение с поверхности обычно незначительно, что можно оценить по кривым давления пара. В большинстве случаев при очень эффективном переносе тепла через газ очень сложно поддерживать такую значительную разницу температур между газом и поверхностью конденсации. Более того, эта разница температур, конечно, сама по себе соответствует большому эффективному термическому сопротивлению. Узкое место у источника тепла часто бывает менее серьезным, поскольку плотность газа там выше, что соответствует более высоким максимальным тепловым потокам.
Затем конденсированная рабочая жидкость возвращается к горячему концу трубы. В случае вертикально ориентированных тепловых трубок жидкость может перемещаться под действием силы тяжести. В случае тепловых трубок, содержащих фитили, жидкость возвращается за счет капиллярного действия .
При изготовлении тепловых трубок нет необходимости создавать в трубке разрежение. Просто кипятят рабочую жидкость в тепловой трубе до тех пор, пока образующийся пар не выдувает неконденсирующиеся газы из трубы, а затем герметизируют конец.
Интересным свойством тепловых трубок является диапазон температур, в котором они эффективны. Первоначально можно было предположить, что водяная тепловая труба работает только тогда, когда горячий конец достигает точки кипения (100 ° C, 212 ° F, при нормальном атмосферном давлении) и пар передается на холодный конец. Однако температура кипения воды зависит от абсолютного давления внутри трубы. В откачанной трубе вода испаряется из тройной точки (0,01 ° C, 32 ° F) до критической точки (374 ° C; 705 ° F), если тепловая труба содержит как жидкость, так и пар. Таким образом, тепловая трубка может работать при температурах горячего конца чуть выше точки плавления рабочей жидкости, хотя максимальная скорость теплопередачи низкая при температурах ниже 25 ° C (77 ° F). Точно так же тепловая трубка с водой в качестве рабочего тела может работать при температуре выше температуры кипения при атмосферном давлении (100 ° C, 212 ° F). Максимальная температура для водяных тепловых труб с длительным сроком службы составляет 270 ° C (518 ° F), с тепловыми трубками, работающими до 300 ° C (572 ° F) для краткосрочных испытаний.
Основная причина эффективности тепловых трубок - испарение и конденсация рабочей жидкости. Теплота испарения значительно превышает удельную теплоемкость . Если взять воду в качестве примера, то энергия, необходимая для испарения одного грамма воды, в 540 раз превышает количество энергии, необходимое для повышения температуры того же грамма воды на 1 ° C. Почти вся эта энергия быстро передается «холодному» концу, когда жидкость там конденсируется, что создает очень эффективную систему теплопередачи без движущихся частей.
Разработка
Общий принцип тепловых трубок, использующих силу тяжести, обычно классифицируемых как двухфазные термосифоны , восходит к эпохе пара, а также к Энжеру Марчу Перкинсу и его сыну Лофтусу Перкинсу и «трубке Перкинса», которая широко использовалась в паровых котлах и рабочих печах. Капиллярные тепловые трубки были впервые предложены Р.С. Гоглером из General Motors в 1942 году, который запатентовал эту идею, но не стал ее развивать.
Джордж Гровер независимо разработал капиллярные тепловые трубки в Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1963 году, при этом в его патенте того года впервые был использован термин «тепловая труба», и его часто называют «изобретателем тепловой трубки». . Он записал в своей записной книжке:
Такая замкнутая система, не требующая внешних насосов, может представлять особый интерес в космических реакторах при передаче тепла от активной зоны реактора к излучающей системе. В отсутствие силы тяжести силы должны быть только такими, чтобы преодолевать капилляр и сопротивление возвращающегося пара через его каналы.
Предложение Гровера было подхвачено НАСА , которое сыграло большую роль в разработке тепловых трубок в 1960-х годах, особенно в отношении приложений и надежности в космических полетах. Это было понятно, учитывая малый вес, высокий тепловой поток и нулевое энергопотребление тепловых трубок - и что они не пострадали от работы в условиях невесомости.
Первым применением тепловых трубок в космической программе было тепловое уравновешивание спутниковых транспондеров. Когда спутники движутся по орбите, одна сторона подвергается прямому воздействию солнечного излучения, а противоположная сторона полностью темна и подвержена глубокому холоду космического пространства . Это вызывает серьезные расхождения в температуре (и, следовательно, надежности и точности) транспондеров. Система охлаждения с тепловыми трубками, разработанная для этой цели, справлялась с высокими тепловыми потоками и демонстрировала безупречную работу как под действием силы тяжести, так и без нее. Разработанная система охлаждения была первым применением тепловых трубок с переменной проводимостью для активного регулирования теплового потока или температуры испарителя.
Более широкое использование
НАСА провело испытания тепловых трубок, предназначенных для экстремальных условий, при этом в некоторых из них в качестве рабочей жидкости используется жидкий металлический натрий. Другие формы тепловых трубок в настоящее время используются для охлаждения спутников связи. В публикациях Фельдмана, Истмана и Кацоффа 1967 и 1968 годов впервые обсуждались применения тепловых трубок для более широкого использования, например, для кондиционирования воздуха, охлаждения двигателя и охлаждения электроники. В этих статьях также впервые упоминались гибкие, артериальные и плоские тепловые трубки. Публикации 1969 г. представили концепцию вращающейся тепловой трубы с ее приложениями для охлаждения лопаток турбин и содержали первые обсуждения применения тепловых трубок в криогенных процессах.
Начиная с 1980-х годов Sony начала включать тепловые трубки в схемы охлаждения для некоторых своих коммерческих электронных продуктов вместо радиаторов с принудительной конвекцией и пассивных ребристых радиаторов. Первоначально они использовались в приемниках и усилителях, а вскоре распространились и на другие приложения в электронике с большим тепловым потоком.
В конце 1990-х годов микрокомпьютерные процессоры с все более высоким тепловым потоком стимулировали трехкратное увеличение количества патентных заявок на тепловые трубы в США. Поскольку тепловые трубы превратились из специализированного промышленного компонента теплопередачи в потребительский товар, большая часть разработок и производства переместилась из США в Азию.
Тепловые трубки современных процессоров обычно изготавливаются из меди и используют воду в качестве рабочей жидкости. Они распространены во многих устройствах бытовой электроники, таких как настольные компьютеры, ноутбуки, планшеты и смартфоны высокого класса.
Приложения
Космический корабль
Система терморегулирования космического корабля предназначена для поддержания всех компонентов космического корабля в допустимом диапазоне температур. Это осложняется следующим:
- Широко изменяющиеся внешние условия, например, затмения.
- Микро-среда
- Отвод тепла от космического аппарата с помощью теплового излучения только
- Доступная ограниченная электрическая мощность, предпочтение отдается пассивным решениям
- Длительный срок службы, без возможности обслуживания
Некоторые космические аппараты рассчитаны на 20 лет, поэтому желателен перенос тепла без электроэнергии или движущихся частей. Отказ от тепла тепловым излучением означает, что требуются большие радиаторные панели (несколько квадратных метров). Тепловые трубки и петлевые тепловые трубки широко используются в космических кораблях, поскольку для их работы не требуется никакой энергии, они работают почти изотермически и могут переносить тепло на большие расстояния.
Рифленые фитили используются в тепловых трубках космических аппаратов, как показано на первой фотографии в этом разделе. Тепловые трубы изготавливаются путем прессования алюминия и обычно имеют встроенный фланец для увеличения площади теплопередачи, что снижает перепад температуры. Рифленые фитили используются в космических кораблях вместо экрана или спеченных фитилей, используемых для наземных тепловых труб, поскольку тепловые трубки не должны работать против силы тяжести в космосе. Это позволяет тепловым трубам космического корабля быть длиной в несколько метров, в отличие от примерно 25 см максимальной длины для водяных тепловых труб, работающих на Земле. Аммиак - наиболее распространенная рабочая жидкость для тепловых труб космических аппаратов. Этан используется, когда тепловая трубка должна работать при температурах ниже температуры замерзания аммиака.
На втором рисунке показана типичная рифленая тепловая трубка из алюминия / аммиака с переменной проводимостью (VCHP) для управления тепловым режимом космического корабля. Тепловая трубка представляет собой алюминиевый профиль, подобный изображенному на первом рисунке. Нижняя часть фланца - испаритель. Фланец над испарителем вырезается на станке, чтобы можно было изгибать адиабатическую секцию. Конденсатор показан над адиабатическим разрезом. Резервуар неконденсируемого газа (НКГ) расположен над основной тепловой трубой. Клапан снимается после заполнения и герметизации тепловой трубки. Когда на резервуаре используются электрические нагреватели, температуру испарителя можно регулировать в пределах ± 2 K от заданного значения.
Компьютерные системы
Тепловые трубки начали использоваться в компьютерных системах в конце 1990-х годов, когда возросшие требования к мощности и последующее увеличение тепловыделения привели к повышению требований к системам охлаждения. В настоящее время они широко используются во многих современных компьютерных системах, как правило, для отвода тепла от компонентов, таких как процессоры и графические процессоры, к радиаторам, где тепловая энергия может рассеиваться в окружающую среду.
Солнечная тепловая энергия
Тепловые трубы также широко используются в системах солнечного нагрева воды в сочетании с решетками солнечных коллекторов с вакуумными трубками. В этих применениях дистиллированная вода обычно используется в качестве теплоносителя внутри герметичной медной трубки, которая расположена внутри вакуумированной стеклянной трубки и ориентирована на солнце. В соединительных трубах перенос тепла происходит в жидкой паровой фазе, поскольку теплоноситель преобразуется в пар на большом участке коллектора.
В системах солнечного термального нагрева воды отдельная абсорберная труба вакуумного трубчатого коллектора до 40% более эффективна по сравнению с более традиционными солнечными водонагревателями с плоскими пластинами. Во многом это происходит из-за вакуума внутри трубки, который замедляет конвективные и кондуктивные потери тепла. Однако относительная эффективность вакуумной системы трубок снижается по сравнению с плоскими пластинчатыми коллекторами, поскольку последние имеют больший размер отверстия и могут поглощать больше солнечной энергии на единицу площади. Это означает, что в то время как отдельная вакуумная трубка имеет лучшую изоляцию (более низкие кондуктивные и конвективные потери) из-за вакуума, создаваемого внутри трубки, массив трубок, находящихся в завершенной солнечной сборке, поглощает меньше энергии на единицу площади из-за меньшей поверхности поглотителя. область была направлена к солнцу из-за закругленной конструкции вакуумного трубчатого коллектора. Следовательно, реальная эффективность обеих конструкций примерно одинакова.
Вакуумные трубчатые коллекторы уменьшают потребность в добавках незамерзающих, поскольку вакуум помогает замедлить теплопотери. Однако при длительном воздействии отрицательных температур жидкий теплоноситель все еще может замерзнуть, и при проектировании систем для таких сред необходимо принять меры, чтобы гарантировать, что замерзающая жидкость не повредит откачиваемую трубку. Правильно спроектированные солнечные водонагреватели могут быть защищены от замерзания до температуры более -3 ° C с помощью специальных добавок и используются в Антарктиде для нагрева воды.
Охлаждение вечной мерзлоты
Строительство на вечной мерзлоте сложно, потому что тепло от конструкции может оттаять вечную мерзлоту. В некоторых случаях используются тепловые трубки, чтобы избежать риска дестабилизации. Например, в трубопроводной системе Трансаляски остаточное тепло грунта, остающееся в нефти, а также тепло, создаваемое трением и турбулентностью движущейся нефти, может проходить вниз по опорным опорам трубы и расплавлять вечную мерзлоту, на которой закреплены опоры. Это может привести к потере трубопровода и, возможно, к его повреждению. Чтобы предотвратить это, каждый вертикальный опорный элемент был установлен с четырьмя вертикальными термосифонами с тепловыми трубками .
Важной особенностью термосифона является то, что он пассивен и не требует для работы внешнего источника питания. Зимой воздух холоднее земли вокруг опор. Жидкий аммиак на дне термосифона испаряется за счет тепла, поглощаемого землей, охлаждая окружающую вечную мерзлоту и понижая ее температуру. Летом термосифоны перестают работать, поскольку в верхней части тепловой трубы нет жидкого аммиака, но сильное охлаждение зимой позволяет земле оставаться замерзшей.
Тепловые трубы также используются для замораживания вечной мерзлоты вдоль участков железной дороги Цинхай-Тибет, где насыпь и путь поглощают солнечное тепло. Вертикальные тепловые трубы по обе стороны от соответствующих пластов предотвращают дальнейшее распространение тепла в окружающую вечную мерзлоту.
В зависимости от применения существует несколько конструкций термосифонов: термозонд, термобатарея , глубинный термосифон, наклонно-термосифонный фундамент, плоский термосифонный фундамент и гибридный плоский термосифонный фундамент.
Готовка
Первым коммерческим продуктом с тепловыми трубками была «Волшебная термоэлектрическая булавка», разработанная Energy Conversion Systems, Inc. и впервые проданная в 1966 году. В качестве рабочей жидкости для кулинарных булавок использовалась вода. Оболочка из нержавеющей стали с внутренним слоем меди для совместимости. Во время работы один конец тепловой трубки протыкается через жаркое. Другой конец входит в духовку, где нагревается до середины жаркого. Высокая эффективная проводимость тепловой трубки вдвое сокращает время приготовления больших кусков мяса.
Этот принцип также был применен к походным печкам. Тепловая трубка передает большой объем тепла при низкой температуре, позволяя выпекать продукты и готовить другие блюда в условиях кемпинга.
Рекуперация тепла вентиляции
В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) тепловые трубы размещаются в потоках приточного и вытяжного воздуха системы кондиционирования воздуха или в выхлопных газах промышленного процесса для рекуперации тепловой энергии.
Устройство состоит из батареи многорядных оребренных тепловых трубок, расположенных внутри как приточного, так и вытяжного воздушных потоков. На стороне вытяжного воздуха тепловой трубы хладагент испаряется, забирая тепло из вытяжного воздуха. Пар хладагента движется к более холодному концу трубы на стороне подачи воздуха устройства, где он конденсируется и выделяет тепло. Конденсированный хладагент возвращается в фитиль под действием силы тяжести и капиллярности. Таким образом, тепло передается от потока отработанного воздуха через стенку трубы к хладагенту, а затем от хладагента через стенку трубы к потоку подаваемого воздуха.
Из-за характеристик устройства лучшая эффективность достигается, когда устройство расположено вертикально со стороной приточного воздуха, установленной над стороной отработанного воздуха, что позволяет жидкому хладагенту быстро течь обратно в испаритель под действием силы тяжести. Как правило, производители заявляют о полной эффективности теплопередачи до 75%.
Преобразование ядерной энергии
Гровер и его коллеги работали над системами охлаждения ядерных энергетических ячеек для космических кораблей , где встречаются экстремальные тепловые условия. Эти тепловые трубы из щелочных металлов передавали тепло от источника тепла к термоэлектронному или термоэлектрическому преобразователю для выработки электроэнергии.
С начала 1990-х годов было предложено множество энергетических систем ядерных реакторов с использованием тепловых труб для передачи тепла между активной зоной реактора и системой преобразования энергии. Первый ядерный реактор, производящий электричество с использованием тепловых труб, впервые был задействован 13 сентября 2012 года в ходе демонстрации с использованием деления с плоской вершиной.
Роторные двигатели внутреннего сгорания Ванкеля
Воспламенение топливной смеси всегда происходит в одной и той же части двигателей Ванкеля , вызывая неравенство теплового расширения, которое снижает выходную мощность, снижает экономию топлива и ускоряет износ. В документе SAE 2014-01-2160, написанном Wei Wu et al., Описывается: «Роторный двигатель Ванкеля с воздушным охлаждением и воздушным охлаждением для повышения долговечности, мощности и эффективности», они получили снижение максимальной температуры двигателя с 231 ° C до 129 ° C, а разница температур уменьшилась со 159 ° C до 18 ° C для типичного двигателя беспилотного летательного аппарата с малым рабочим объемом и воздушным охлаждением .
Теплообменники с тепловыми трубками
Теплообменники передают тепло от горячего потока холодному потоку воздуха, воды или масла. Теплообменник с тепловыми трубками содержит несколько тепловых трубок, каждая из которых сама действует как отдельный теплообменник. Это увеличивает эффективность, срок службы и безопасность. В случае поломки одной тепловой трубки выделяется лишь небольшое количество жидкости, что имеет решающее значение для определенных промышленных процессов, таких как литье алюминия. Кроме того, с одной сломанной тепловой трубкой теплообменник с тепловой трубкой все еще остается в рабочем состоянии.
Разработанные в настоящее время приложения
Из-за большой адаптируемости тепловых трубок исследователи изучают возможность использования тепловых трубок в различных системах:
- Повышение эффективности геотермального отопления для предотвращения скользких дорог зимой в холодных климатических зонах.
- Повышенная эффективность фотоэлектрических элементов за счет подключения солнечной панели к системе тепловых труб. Это отводит тепло от перегретых панелей для поддержания оптимальной температуры для максимального производства энергии. Кроме того, испытанная установка использует рекуперированное тепловое тепло для нагрева, например, воды.
- Гибридные тепловые трубки регулирующих стержней для отключения ядерного реактора в случае аварии и одновременного отвода остаточного тепла, чтобы предотвратить перегрев реактора
Ограничения
Тепловые трубки должны быть настроены на определенные условия охлаждения. Выбор материала трубы, размера и охлаждающей жидкости влияет на оптимальные температуры, при которых работают тепловые трубы.
При использовании за пределами диапазона его конструкции тепла тепловой трубы в теплопроводность эффективно уменьшается к теплопроводности свойств его твердого металла обсадной колонны в одиночку. В случае медного кожуха это примерно 1/80 исходного флюса. Это связано с тем, что ниже предполагаемого диапазона температур рабочая жидкость не будет подвергаться фазовому превращению, в то время как выше нее вся рабочая жидкость в тепловой трубе испаряется, и процесс конденсации прекращается.
Большинство производителей не могут изготавливать традиционные тепловые трубки диаметром менее 3 мм из-за ограничений материала.