Тепловая труба

Тепловая труба представляет собой теплообменник , который использует тепло от испарения среды для достижения высокой плотности потока тепла . Таким образом, большое количество тепла может передаваться по небольшой площади поперечного сечения.

Различают два типа тепловых трубок: тепловую трубку и двухфазный термосифон . Основной принцип работы одинаков для обоих дизайнов; Отличие заключается в возврате газообразного рабочего тела в испаритель, т.е. ЧАС. до точки, где применяется тепло. Возвратная транспортировка осуществляется пассивно в обеих конструкциях и, следовательно, без вспомогательных средств, таких как циркуляционный насос .

Тепловое сопротивление тепловой трубы при рабочей температуре значительно ниже , чем у металлов. Таким образом, поведение тепловых трубок очень близко к изотермическому изменению состояния. Температура практически постоянна по длине тепловой трубки. Таким образом, при одинаковой пропускной способности возможны значительно более легкие конструкции, чем у обычных теплообменников при тех же рабочих условиях. Путем тщательного выбора рабочей среды для тепловой трубки можно достичь рабочих температур от нескольких Кельвинов до примерно 3000 Кельвинов.

Схематический разрез тепловой трубы

Способность тепловой трубы передавать энергию в значительной степени зависит от удельной энтальпии испарения (в кДж / моль или кДж / кг) рабочего тела, а не от теплопроводности стенки резервуара или рабочего тела. Из соображений эффективности тепловая труба обычно эксплуатируется чуть выше горячего конца и чуть ниже точки кипения рабочего тела на холодном конце .

Функция и различие

Принцип работы термосифона.
Поперечное сечение тепловой трубки. Капиллярный эффект создается вставленной сеткой из медной проволоки.

Устройство и принцип работы

Тепловые трубы обычно представляют собой удлиненные металлические сосуды , содержащие герметичный объем. Он заполнен рабочей средой (например, водой или аммиаком), которая заполняет объем в небольшой степени в жидком состоянии и в значительной степени в газообразном состоянии.

Часть сосуда, которая служит для поглощения энергии, называется испарителем, а те, которые служат для высвобождения энергии, называются конденсатором . Испаритель может быть на одном конце или посередине.

  • Подвод тепла увеличивает температуру сосуда и рабочего тела до точки кипения рабочего тела; оттуда рабочая среда начинает испаряться ; температура больше не повышается; Вместо этого вся поставляемая энергия преобразуется в теплоту испарения .
  • В результате давление в тепловой трубке увеличивается локально выше уровня жидкости, что приводит к низкому градиенту давления внутри тепловой трубки. Образовавшийся пар начинает распределяться по всему доступному объему, т.е. ЧАС. течет там, где давление ниже; Он конденсируется в точках, где его температура опускается ниже точки кипения рабочего тела . Для этого пар должен отдавать энергию судну, а судно - окружающей среде. Наиболее сильно это происходит в месте расположения конденсатора, в котором может происходить активное охлаждение.
  • Температура больше не падает до тех пор, пока вся скрытая теплота конденсации не будет выпущена в окружающую среду.
  • Жидкая часть рабочего тела возвращается в испаритель самотеком ( термосифон ) или капиллярными силами ( тепловая трубка ). Чтобы последний работал, в нем должна быть меньшая доля рабочего тела в жидком состоянии.
Пример капиллярного потока в кирпиче, в сторону, где меньше жидкости (здесь против силы тяжести, направленной вверх). В тепловой трубке источник тепла будет наверху, где мало жидкости и много жидкости внизу, потому что там происходит конденсация из-за охлаждения.

Пар поступает в зону охлаждения, пленка конденсата течет / течет / сползает обратно. Движущей силой является сила адгезии , эффект описывается как капиллярность . Смотрите картинку напротив.

Поскольку пар и жидкость рабочего тела находятся в одном помещении, система находится в зоне влажного пара . В результате в тепловой трубке стоит точно определенная температура при определенном давлении. Поскольку разница давлений в тепловых трубках очень мала, обычно несколько паскалей , разница температур между испарителем и конденсатором также мала и составляет максимум несколько градусов Кельвина . Таким образом, тепловая трубка имеет очень низкое тепловое сопротивление . Пространство между испарителем и конденсатором практически изотермическое .

Поскольку перенос тепла происходит косвенно через перенос скрытой теплоты, связанный с материалом (тепло испарения / конденсации), область применения тепловой трубы ограничена диапазоном между температурой плавления и температурой критической точки рабочая жидкость. Все силы, действующие на рабочую среду, также влияют на фактическую производительность теплопередачи. Гравитация может дополнять или частично нейтрализовать капиллярные силы в тепловых трубках. Центробежная сила также действует во вращающихся полых валах, выполненных в виде тепловых труб .

Различие

В тепловых трубках с гравитационным приводом ( двухфазный термосифон или гравитационные тепловые трубки ) среда вращается под действием силы тяжести . В результате теплоноситель автоматически возвращается в испаритель. Часто тепло подается только через отстойник , то есть до уровня жидкости. Это зависит от образования пленки в обратной (жидкой) среде. Если термосифоны выровнены под пологим наклоном, они могут высохнуть, если конденсированная среда не потечет обратно достаточно быстро.

В тепловых трубках используется принцип фитиля для направления конденсированной жидкости обратно в испаритель. Таким образом, процесс не зависит от позиции; Тепловые трубки тоже работают в условиях невесомости . По сравнению с термосифонами они почти не высыхают, так как поток жидкости через капилляр значительно улучшается, что приводит к более высокому передаваемому тепловому потоку. Капиллярная структура также гарантирует, что, в отличие от термосифона, тепло может подаваться в любом месте и на любой высоте. Тепловые трубки используются везде, где требуется высокая плотность теплового потока в любой ориентации.

Рабочие СМИ

Температуры испарения (в зависимости от давления) некоторых веществ в тепловых трубках

Работоспособность рабочего тела в тепловой трубе зависит как от термодинамических свойств, таких как энтальпия парообразования, так и от свойств жидкости, таких как кинематическая вязкость и поверхностное натяжение . Поверхностное натяжение и энтальпия испарения должны быть как можно большими, а вязкость как можно более низкой. Таким образом можно определить оптимальный теплоноситель для рабочей точки.

Число заслуг ( число заслуг , Me ) как конкретная величина производительности можно рассчитать следующим образом:

Таким образом, его единица измерения - ватты на квадратный метр; Но Me не соответствует реальной плотности теплового потока .

Показатель качества должен быть как можно большим в указанном рабочем диапазоне (температура, плотность теплового потока) тепловой трубы, чтобы теплопередача тепловой трубы была как можно большей. Следует отметить, что эти свойства зависят от температуры. Обычно Me определяется для нескольких возможных теплоносителей, а затем он используется в качестве помощника для принятия решения при выборе правильной среды.

Для очень низких температур используются газообразные среды при комнатных условиях. Такие газы, как гелий и азот, могут использоваться для охвата температурного диапазона, близкого к абсолютному нулю (0 K), вплоть до примерно -20 ° C. Также используются обычные хладагенты, такие как аммиак или смеси. Начиная с 0 ° C в качестве теплоносителя можно использовать воду. В зависимости от возможного сопротивления давлению (давления пара) тепловой трубы воды достаточно до температурного диапазона 340 ° C. (См. Критическую точку воды при 374 ° C.) От температуры 400 ° C говорят о высокотемпературных тепловых трубках. Щелочные металлы, такие как натрий и литий, являются здесь лучшими теплоносителями по добротности. Верхний предел диапазона в первую очередь ограничен прочностью материала, используемого для тепловой трубы.

материалы

В зависимости от внешних условий используются разные материалы. Здесь также играет роль поведение теплоносителя по отношению к материалу. Например, натрий растворяет компоненты из стали, что может привести к выходу из строя тепловой трубы в течение длительного периода времени.

Тепловая труба

В более низких диапазонах температур в основном используется медь, потому что ее легко формовать и она обладает высокой теплопроводностью . В случае высокотемпературных тепловых труб в основном используются жаропрочные стали, такие как 1.4841 или сплавы на основе никеля . Форма фитиля во многом зависит от рабочей точки. Фитиль с низким сопротивлением потоку используется везде, где тепловая труба работает с пределом капиллярной силы. Для этого характерны желобчатые капиллярные структуры. В случае высокотемпературных тепловых труб обычно используется мелкоячеистая сетка из-за высокой плотности теплоносителя. В тепловых трубках медь-вода используются даже более простые типы, аналогичные медным проводникам в электрических кабелях, в основном из-за их недорогого производства.

Термосифон

Для применения в строительстве термосифоны обычно изготавливают из обычных конструкционных сталей.

История и развитие

Первая тепловая трубка была запатентована в 1944 году. Однако на тот момент полезного приложения еще не было. И только в 1960-х годах, когда космические путешествия были решительно развиты, эта идея была поддержана снова. Даже сегодня тепловые трубки используются для охлаждения обращенной к солнцу стороны спутников. Первая высокотемпературная тепловая трубка была представлена ​​в 1964 году. С тех пор физические характеристики, такие как свойства определенных теплоносителей, капиллярные структуры и аналитическое описание тепловых труб, были значительно расширены. Исследования тепловых трубок продолжаются и сегодня, поскольку они представляют собой недорогие и высокоэффективные средства передачи тепла.

заявление

Благодаря гибкости конструкции и вариативности свойств тепловые трубы сегодня используются во многих сферах. За последние несколько лет они приобрели большую известность благодаря использованию в ПК и ноутбуках . Общую высоту ноутбуков можно значительно уменьшить за счет использования тепловых трубок, поскольку фактические конвекторы отходящего тепла на тепловых трубках можно было прикрепить непосредственно к внешним поверхностям. Повышенная теплоотдача позволила интегрировать более мощные графические процессоры.

Гораздо раньше, в 1960-х годах, тепловые трубы использовались в космической технике. В частности , в случае спутников использование тепловых трубок сводит к минимуму температурный градиент между стороной, обращенной к солнцу, и стороной, противоположной солнцу.

Компьютерные технологии

Тепловая трубка между процессором и вентилятором в ноутбуке

Обычные радиаторы для охлаждающих микропроцессоров основаны исключительно на принудительной конвекции на охлаждающих ребрах . Для достижения наилучшей теплопередачи здесь вентилятор или вентилятор должны располагаться как можно ближе к ребрам из-за их ограниченной теплопроводности. Нагретый воздух течет в направлении материнской платы и увеличивает температуру поверхностей соседних компонентов. Кроме того, подальше от материнской платы обычно больше места, а это означает, что можно использовать более дешевую форму, а это означает, что можно получить большую поверхность без увеличения массы радиатора. Кроме того, теплоотвод в корпусе очень ненаправленный. С другой стороны, кулеры, в которых используются тепловые трубки, не зависят от близости к местности, поскольку они позволяют разделить поглощение тепла и мощность благодаря своей функции. Таким образом, вы можете целенаправленно отводить отработанное тепло в воздушный поток вентиляторов корпуса. По сравнению с водяным охлаждением, которое часто используется в качестве альтернативы, тепловые трубы не требуют циркуляционного насоса, что приводит к дополнительному шуму.

Строительство

Трубопровод Аляски с тепловыми трубками из обычной конструкционной стали. Это предотвращает оттаивание грунта. Ребра охлаждения видны на сваях.

Тепловые трубы используются с 1970-х годов для стабилизации вечной мерзлоты под Трансаляскинским трубопроводом . В обычных конструкциях в землю опускаются две стальные сваи, которые принимают на себя нагрузку трубопровода . Однако в районах вечной мерзлоты это сделать нелегко, потому что теплая нефть с температурой 40–80 ° C оттаивает почву локально за счет теплопроводности через сваи. Сваи утонут, и трубопровод деформируется. Если температура воздуха достаточно низкая, что обычно бывает в зоне вечной мерзлоты, можно обойти эту проблему с помощью тепловых труб. Тепло не передается в землю, а отводится в окружающий воздух через охлаждающие ребра, прикрепленные к тепловым трубкам . Кроме того, термосифоны извлекают тепло из вечной мерзлоты, что означает, что она остается замороженной и, следовательно, стабильной. Этот метод также используется на Лхасской железной дороге для стабилизации насыпи на вечномерзлом грунте.

Независимая циркуляция рабочего тела в тепловых трубках и, таким образом, исключение вспомогательной энергии приводит к увеличению использования геотермальной энергии. С обычными геотермальными зондами z. B. Вода перекачивается, а полученная геотермальная энергия передается тепловому насосу . В датчиках углекислого газа отсутствует как двойная линия, так и энергия насоса для циркуляции.

Они также успешно используются в настоящее время в областях, где технология тепловых труб не является прямым подозрением, например, в вакуумных трубчатых коллекторах . Их также можно найти в системах рекуперации тепла или простых теплообменниках.

При аллотермальной газификации биомассы используются высокотемпературные тепловые трубы . Здесь они практически без потерь передают тепло в диапазоне 850 ° C. Благодаря продуманной концепции тепловые трубы позволяют преобразовывать твердую биомассу, такую ​​как древесная щепа, непосредственно в высокоэнергетический газообразный продукт.

Автомобили

Несмотря на постоянное совершенствование, механический КПД современного двигателя Отто редко превышает 37%. Другая энергия рассеивается в виде тепловых потерь через охлаждающую воду и тепло выхлопных газов. Для охлаждения термически сильно нагруженных выпускных клапанов некоторые из них делают полыми, а некоторые заполнены натрием. Натрий плавится во время работы, и движение клапана отводит тепло от особенно важного диска клапана к штоку клапана. Только так можно было сделать большие авиационные двигатели с воздушным охлаждением безопасными в эксплуатации.

Управляемые тепловые трубки

Поскольку тепловые трубки, помимо их небольшого веса и небольшого объема, имеют теплопроводность, которая до 1000 раз выше, чем, например, B. медный стержень , тепло можно целенаправленно переносить в транспортных средствах простым способом. Единственным недостатком может быть проблема управляемости, то есть возможности изменять теплопроводность по желанию, включать или выключать ее. Для управляемости тепловых трубок подходят два принципа:

Регулируемая теплопередача через две соединенные тепловые трубки с регулируемыми металлическими корпусами

Внешний контроль нагрева тепловых трубок

Две тепловые трубки, по одной у источника тепла и одна у радиатора , проходят параллельно на концах на небольшом расстоянии, не касаясь друг друга. В этой области они окружены корпусом (муфтой) из материала, который хорошо проводит тепло (например, меди или алюминия ), с двумя отверстиями, которые направляют тепловые трубки с максимальной точностью. Теплопроводность всей системы можно легко отрегулировать, нажав или вытащив муфту, так как площадь контакта между тепловыми трубками и муфтой линейно зависит от глубины вставки. Муфту с внешним управлением от небольшого двигателя можно переместить в легкодоступное место, при условии, что (очень низкое) дополнительное тепловое сопротивление более длинных тепловых трубок позволяет этот обходной путь.

Внутренний контроль нагрева тепловых трубок

Внутренний контроль тепловых трубок через клапан. Активируется слева, не активируется справа.

Внутренний перенос тепла в самой тепловой трубе также можно контролировать, используя клапан или дроссель внутри тепловой трубы в качестве элемента управления. Дроссель, который установлен с возможностью вращения и управляется извне небольшим двигателем, может изменять как поток теплоносителя, так и поток теплоносителя от источника тепла к радиатору. В качестве альтернативы, небольшой соленоидный клапан, расположенный внутри тепловой трубы , реализованный в виде магнитного шара с возвратной пружиной, позволяет в значительной степени останавливать или высвобождать тепловой поток через тепловую трубу.

По сравнению с клапаном, дроссельная заслонка имеет большое преимущество, заключающееся в том, что теплопроводность можно регулировать непрерывно, в зависимости от угла установки. Клапан, с другой стороны, позволяет только включать или выключать тепловую трубку, потому что ее можно открывать или закрывать только благодаря управлению с помощью электромагнита. С другой стороны, недостатком дроссельной заслонки является ее управляющий вал, который должен быть выведен наружу, что затрудняет достижение герметичности . В частности, в автомобилях это может привести к нежелательно коротким интервалам обслуживания.

Использование регулируемых тепловых трубок в автомобилях

В автомобиле избыточное тепло можно передать практически в любую точку с помощью технологии тепловых трубок. Основным источником тепла является выхлопная система двигателя внутреннего сгорания. Здесь сразу после запуска двигателя доступна огромная тепловая мощность. (Температура выхлопных газов составляет несколько сотен ° C). Тепло также может отводиться от нагретых поверхностей внутри или снаружи , от силовой электроники или в контуре охлаждения или кондиционирования воздуха. Затем его можно использовать для кондиционирования воздуха в салоне, обогрева сидений, охлаждающей воды и подогрева моторного масла или для аккумуляторов, чтобы быстрее достичь рабочей температуры. Здесь повсюду большое значение имеет управляемость переносимого тепла, что уже заметно в зоне комфорта.

Космическое путешествие

Поперечное сечение двух тепловых трубок с вкраплениями волокнистого композитного материала. Слева: в углублениях в виде бороздок. Справа: прямая интеграция

Тепловые трубы часто подвергаются сильным колебаниям температуры, что сразу приводит к колебаниям объема материала. Если тепловая трубка теперь находится на материале с существенно другим коэффициентом теплового расширения (сокращенно CTE), возникают механические напряжения, которые могут повредить тепловую трубку или ее внешние поверхности теплопередачи. Этот факт особенно проблематичен из-за огромных колебаний температуры в космической технике . Разница температур между стороной спутника, обращенной к Солнцу, и стороной, обращенной от Солнца, местами может составлять 130 градусов Кельвина . Здесь пластик, армированный углеродным волокном (CFRP), уже много лет зарекомендовал себя в качестве основного материала.

Однако тепловые трубы в основном изготавливаются не из углепластика, а из z. Б. из алюминия . Среди преимуществ этого элемента - небольшой вес, хорошая пригодность для изготовления капиллярных структур, оптимальная теплопроводность и химическая стойкость к наиболее часто используемым теплопроводным средам. Однако коэффициенты теплового расширения двух материалов очень сильно различаются: коэффициент теплового расширения углепластика, от 1 · 10 −6  K −1 до 3 · 10 −6  K −1, составляет всего примерно от 1/24 до 1/8 этого значения. алюминия (24 · 10 - 6  K −1 ).

Композиционные материалы из алюминия и волокнистого композитного материала являются возможным решением . Алюминиевая тепловая трубка различными способами комбинируется с волокнистым композитным материалом, который имеет очень низкий или даже отрицательный КТР. На практике он либо заделан в полостях, либо в углублениях в виде канавок, обернут вокруг алюминиевого блока как своего рода клетка, либо алюминий пронизан им, то есть непосредственно интегрирован.

Благодаря этой технологии достигаются коэффициенты теплового расширения всей системы около 5 · 10 −6  K −1 (КТР композитного материала противодействует КТР алюминия), что делает технологию тепловых трубок пригодной также для космических путешествий.

Физический дизайн

Уравнения для расчета передаваемой мощности тепловой трубы обычно содержат коэффициенты, которые следует выбирать на основе экспериментально полученных данных. Определенные свойства тепловой трубы, такие как тип капиллярной структуры, тип теплоносителя, доступное паровое пространство, рабочая температура и т. Д., Имеют решающее значение. При достаточно хорошо подобранных уравнениях и коэффициентах ошибка между моделью и экспериментом может сохраняться в узком пространстве. Таким образом, начальные этапы проектирования тепловой трубы - это выбор типа и настройка соответствующей числовой модели тепловой трубы для имитации передаваемой мощности.

Созданная модель калибруется путем экспериментальной проверки или определяются реальные пределы. Если тестируемая тепловая трубка не достигает требуемых характеристик, вносятся изменения (например, изменение капиллярной структуры) с целью увеличения производительности. В случае чисто экспериментальной процедуры необходим ряд экспериментов, которые невозможно предсказать.

Для тепловых труб малой и средней мощности (<1 кВт) основные уравнения линейны или могут быть линеаризованы вокруг точки развития . Поэтому численные методы оптимизации (например) используются для ограничения проектных усилий. Такие процедуры сокращают количество экспериментов по калибровочным испытаниям.

При проектировании системы особое внимание уделяется эксплуатационным пределам. Эти физические граничные условия получаются из параметров теплоносителя. Поэтому необходимо точное знание используемого теплоносителя. Работа возможна, если рабочая точка (температура, тепловой поток) находится в этих пределах.

Обычно учитываются следующие ограничения:

Предел вязкости
Он ограничивает плотность теплового потока при рабочих температурах чуть выше точки плавления. На поток сильно влияют силы вязкости пара.
Предел скорости звука
Плотность теплового потока можно увеличивать только до тех пор, пока поток пара, создаваемый разностью давлений, не достигнет скорости звука .
Лимит взаимодействия
При высоких плотностях теплового потока жидкость увлекается паром, и частичное высыхание капилляра приводит к разрыву потока жидкости.
Предел капиллярной силы
Капиллярная сила предел достигается , когда потеря текучести жидкого теплоносителя больше , чем существующее капиллярное давление.
Предел кипения
Поток жидкости ограничивается или останавливается в результате пузырькового кипения в капилляре.

Оптимизация тепловых трубок

Снижение термостойкости

Помимо оптимизации структуры материалов и т. Д. эффективность тепловой трубы также может быть значительно увеличена путем модификации жидкостей , которые действуют в качестве теплопередающих сред. Исследователи из Тамканского университета в Даньшуе (Тайвань) разработали водный раствор, содержащий определенное количество крошечных наночастиц, и сравнили его свойства в отношении поведения при переносе температуры с характеристиками обычных жидкостей с тепловыми трубками.

Здесь стало ясно, что использование этого решения в качестве теплоносителя в тепловой трубе приводит к улучшению, то есть к минимизации термостойкости от 10% до 80%. Эффективность этой жидкости зависит не только от типа и внутренней структуры тепловой трубки, но также от концентрации раствора и размера наночастиц. Различные тесты показали, что чем меньше диаметр наночастиц и чем ниже их концентрация в водном растворе, тем больше термостойкость тепловой трубы.

Частицы серебра размером 35 нм служат наночастицами . Количество частиц в растворе колеблется от 1 мг до 100 мг на литр.

Несмачиваемая пористая структура

Изображение конденсатного канала (фитиля) и парового канала тепловой трубы

Значительный прогресс в технологии тепловых труб был достигнут в 1990-х годах благодаря безопасному разделению потока конденсата и пара с помощью так называемой несмачиваемой пористой структуры , что привело к значительному увеличению внутренней пропускной способности. До этого проблема заключалась в том, что возвращающийся конденсат замедлял встречный поток пара из-за столкновений и, таким образом, оказывал негативное влияние на передачу температуры.

Эта несмачиваемая пористая структура, используемая в качестве парового канала тепловой трубы, имеет свойство более низкого поверхностного натяжения, чем сама теплоноситель (в виде конденсата ). Таким образом, в пористую структуру может проникнуть теплоноситель только в газообразном состоянии, а любой конденсат остается снаружи.

Перенос температуры аналогичен упомянутому выше, но вместо этого осуществляется через тепловой контур по каналу пара и конденсата. Несмачиваемая пористая структура между паровым каналом и конденсатным каналом образует границу между зоной испарения и зоной конденсации тепловой трубы.

Конденсат испаряется из-за внешнего источника тепла и теперь проходит через него в виде газа. Структура внутри тепловой трубы, паровой канал, по которому он затем достигает зоны конденсации. Там, на радиаторе , перегородка, опять же в виде несмачиваемой пористой структуры, образует точку перехода в зону конденсации. Из-за градиента давления или концентрации газ диффундирует наружу и контактирует с внешними стенками тепловой трубы. В этот момент выделяется тепловая энергия, и пар конденсируется. Из-за высокого поверхностного натяжения конденсат может течь обратно только через канал для конденсата (капиллярный эффект), в конце которого, в месте расположения источника тепла , снова начинается температурный цикл за счет поступления внешнего тепла.

Использование наноструктур

Капиллярное действие в зависимости от размера пор

Развитие американской исследовательской группы с 2008 года представляет собой дальнейшее развитие:

Использование нанотехнологий в создании капиллярной структуры в тепловых трубках снова значительно увеличивает капиллярное воздействие на соответствующую рабочую среду. На соседней диаграмме вы можете ясно видеть, что по мере уменьшения диаметра пор капиллярной структуры высота достижимой рабочей жидкости резко увеличивается. Наибольший успех здесь приносит вода .

В дополнение к результирующему большему эффекту ускорения рабочего тела, эта технология имеет бремя, заключающееся в том, что перенос жидкости в тепловой трубе через очень маленькие конструкции, как хотелось бы реализовать на практике, для достижения максимально возможного успеха, является затруднительным. снова замедлился или даже полностью предотвратил, потому что поры стали слишком маленькими, чтобы проникнуть. Еще одним разрушительным фактором являются нежелательные неоднородности материала (связанные с производством), а также очень высокие производственные затраты.

Защита от перегрева тепловых трубок

Поперечное сечение фольгированной тепловой трубки с защитой от перегрева
Поперечное сечение фольгированной тепловой трубки при нормальной работе
Поперечное сечение фольгированной тепловой трубки в случае перегрева. Образовавшаяся полость образует термическое сопротивление.

Обычно определенная прочность внешней оболочки тепловой трубы полезна не только для ее защиты от механических повреждений, но и для того, чтобы выдерживать перепады давления между атмосферным давлением и внутренним давлением, вызванные теплоносителем.

Проблемы также могут возникнуть, если тепловая трубка подвергается воздействию чрезмерных температур, то есть если подводимая тепловая энергия больше, чем та, которая может снова отводиться наружу в зоне конденсации (радиатор). Это создает недопустимо высокое внутреннее давление, которое может повредить внешнюю оболочку и даже разрушить тепловую трубку. Одно из возможных решений - запатентованная в 2005 году технология, которая должна предотвращать перегрев благодаря гибкому внешнему материалу.

Внутри он построен из известной конструкции, состоящей из двух участков с разным диаметром пор (паровой и конденсатный канал). В средней области газовая среда должна направляться через структуру пористого материала с большим диаметром пор, а во внешней области конденсат (за счет капиллярного эффекта) должен направляться через пористую структуру с малым диаметром пор. Настоящее отличие от обычных тепловых трубок заключается в самой внешней оболочке. Она состоит не из жесткого материала, как обычно, а из двух эластичных и очень тонких пленок, соединенных на концах и лежащих на внешней капиллярной структуре. . Внутреннее и внешнее давление , компенсируют друг друга при нормальном режиме работы таким образом , что листы фольги лежат параллельны друг к другу на заданном расстоянии и наружный пористая структура находится в непосредственном контакте с источником тепла и теплоотводом через фольгу .

Если возникает неожиданно высокое давление, потому что больше тепловой энергии подводится, чем отводится, силы действуют на внешнюю обшивку тепловой трубы, которая, благодаря своим упругим свойствам, выталкивает ее наружу. Образовавшаяся камера заполняется газообразным теплоносителем. Таким образом предотвращается механическое повреждение тепловой трубки. Кроме того, это явление создает тепловое сопротивление между капиллярной структурой, несущей конденсат, и внешней оболочкой, поскольку конденсат и источник тепла больше не находятся в прямом контакте друг с другом, а отделены друг от друга газом. Таким образом, снижается интенсивность нагревающей энергии, воздействующей на конденсат, то есть поглощенная тепловая энергия, что не относится к выделяемой энергии, поскольку она сохраняется в газе, который все еще находится в контакте с внешней обшивкой.

Еще одним плюсом этой технологии с крышкой из фольги являются меньшие внешние размеры тепловой трубки - в результате того, что массивная крышка не используется. На практике необходимо убедиться, что тепловая труба должна быть лучше защищена от механических воздействий, чем при использовании других конструкций.

Расширение рабочей зоны

Изображение зоны буферного газа и рабочей зоны тепловой трубы, заполненной буферным газом

Рабочая точка тепловой трубы , как правило , температура , при которой теплоносителя , переносящего конденсируется или испаряется . Потенциальные области применения тепловых трубок вытекают из этого особого свойства, которое является причиной того, что на практике в качестве рабочих сред используются самые разные теплоносители. Здесь часто используются смеси разных химикатов, благодаря которым температуру кипения можно варьировать до любой температуры.

Однако часто это имеет больше смысла, будь то потому, что некоторые вещества вступают в нежелательные химические реакции с используемым материалом тепловой трубы, или, что не менее важно, по соображениям стоимости адаптировать желаемую смесь таким образом, чтобы она функционировала как теплоноситель во многих различных диапазонах температур. Для этого рекомендуется иметь возможность произвольно регулировать температуру кипения, что на практике достигается с помощью буферного газа .

Это так называемое расширение рабочего диапазона основано на физическом свойстве зависимости точек кипения элементов от давления. Теперь перед герметизацией тепловой трубки в производственный процесс включен следующий этап :

После заполнения теплоносителем и удаления избыточных газов устанавливается определенное внутреннее давление путем дополнительного заполнения тепловой трубы газом, так называемым буферным газом. Это образует буферную зону внутри тепловой трубы, в которую рабочее тело не может проникнуть. Важным критерием выбора этого буферного газа должно быть то, что он ни при каких обстоятельствах не должен вступать в химические реакции с тепловой трубой или с теплоносителем в последующей рабочей зоне. Например, при использовании в качестве рабочей среды ртути можно использовать инертный буферный газ, такой как аргон или гелий .

С помощью этого метода можно установить желаемое внутреннее давление, которое изменяет точку кипения рабочего тела и, следовательно, рабочий диапазон тепловой трубы по желанию.

Помимо возможности устанавливать различные рабочие точки с помощью этого метода, также выгодно, чтобы любые примеси, которые могут возникнуть в тепловой трубе, смывались в буферную зону и не влияли на дальнейшую работу, поскольку она находится за пределами канала для конденсата и пара. . Однако недостатком является дополнительное пространство, необходимое для буферной зоны. В результате тепловая труба не может использоваться для передачи тепла по всей ее длине.

Производство

После определения граничных условий тепловой трубы их также необходимо учитывать при производстве. Важной характеристикой является температура кипения или давление пара среды, поскольку тепловая трубка начинает работать только при достижении этой температуры. Температуру кипения можно термодинамически регулировать с помощью давления пара . В большинстве случаев стремятся к минимально возможной температуре кипения. В случае воды, например, это будет температура тройной точки . Если вы посмотрите на соответствующую таблицу пара , станет ясно, что в случае воды необходимо чрезвычайно низкое давление, чтобы, например, снизить температуру кипения до комнатной .

Один из самых распространенных методов - это механическое откачивание тепловой трубы. Подключается соответствующий насос, и при достижении определенного давления (вакуума) тепловая трубка обычно закрывается чисто механически.

Это сложный и дорогостоящий процесс. Поэтому используется другой вариант - заполнение тепловой трубы самим теплоносителем вместо откачки с помощью вакуумного насоса . Для этого к тепловой трубке прикрепляют заправочную трубку и охлаждающую трубку. Требуемый теплоноситель вводится в тепловую трубу через заправочную трубу. После этого процесса тепловая трубка нагревается на другом конце, так что запускается обычный цикл нагрева. Теперь залитая среда, которая изначально присутствует в виде конденсата , начинает испаряться. Возникающее в результате давление вызывает расширение среды в тепловой трубе, и из-за охлаждающей трубы все нежелательные газы, то есть те, которые не конденсируются, выходят через заправочную трубу.

В этот момент становится ясным назначение охлаждающей трубы: теплоноситель, который тем временем устремляется в виде газа к заправочной трубе , конденсируется при охлаждении и возвращается к источнику тепла в виде конденсата из-за капиллярного действия внешняя пористая структура тепловой трубы . Остальные газы, то есть все те, которые не конденсируются, не попадают в капиллярную структуру, а вымываются наружу под действием внутреннего давления.

Заливная труба герметично закрывается, когда все неконденсирующиеся газы удалены, а стационарный предел воздуха и теплоносителя находится непосредственно на заправочной трубе.

При их использовании следует учитывать, что тепловые трубки представляют собой замкнутые объемы. При таком изменении состояния ( изохорного ) подвод тепла переходит непосредственно в давление. Превышение допустимой температуры может привести к паровому взрыву . Это особенно важно во время дальнейшей обработки, поскольку тепловые трубки часто припаиваются к собственному радиатору из-за их лучшей теплопроводности. Многие тепловые трубки заполнены вредными веществами, поэтому тепловые трубки следует утилизировать надлежащим образом и не открывать. Открытие также обычно приводит к потере функциональности.

Смотри тоже

веб ссылки

Commons : Heatpipes  - коллекция изображений, видео и аудио файлов.

опухать

Индивидуальные доказательства

  1. М. Гролл: Тепловые трубы как компоненты в энергетической технологии. В: W. Fratzscher, K. Stephan (Ed.): Использование отходов энергии: технические, экономические и социальные аспекты. Akad.-Verlag, Берлин 1995, ISBN 3-05-501706-4 , стр. 84. (edoc.bbaw.de ; PDF; 3,1 МБ).
  2. a b W. M. Rohsenow: Handbook of Heat Transfer. Mcgraw-Hill Publ. Comp., 1998, ISBN 0-07-053555-8 .
  3. а б А. Фагри: Наука и технология тепловых трубок . Тейлор и Фрэнсис, 1995, ISBN 1-56032-383-3 .
  4. а б в г д П. Данн: Тепловые трубки. Pergamon Press, 1994.
  5. RS Gaugler: Устройство теплопередачи. Патент США 2350348
  6. ^ Л. Трефетен: О перекачивании жидкостей под действием поверхностного натяжения или возможной роли Candlewick в освоении космоса. GE Tech. Инфо., Сер. Нет. 615 D114, февраль 1962 г.
  7. ^ Г. М. Гровер, Т. П. Коттер, Г. Ф. Эриксон: Структуры с очень высокой теплопроводностью. В: J. Appl. Phys. 35, 1964, стр.1990.
  8. Кристофер Э. Хойер: Применение тепловых трубок на Трансаляскинском трубопроводе. 6/1979.
  9. ^ Система пассивного охлаждения Трансаляскинского трубопровода .
  10. М. Шнайдер: Моделирование и оптимизация пластин тепловых трубок для охлаждения электронных схем. ИКЕ, 2007.
  11. a b c d e f Ассоциация немецких инженеров VDI-Wärmeatlas Springer-Verlag, 2006 г.
  12. Экспериментальное исследование наножидкости серебра на тепловые характеристики тепловых трубок .
  13. Экспериментальное исследование фитильных конструкций микро / нано-тепловых трубок ( памятная записка от 30 мая 2012 г. в Интернет-архиве ) (PDF; 1,2 МБ).
  14. a b c Патент: плоская тепловая трубка с защитой от перегрева
  15. Строительство и испытание ртутной печи с тепловыми трубками для четырехволнового смешения внутри резонатора  ( страница больше не доступна , поиск в веб-архивах )@ 1@ 2Шаблон: Toter Link / www.quantum.physik.uni-mainz.de