Тепловая трубка

Система тепловых трубок портативного компьютера

— Тепловая трубка это устройство теплопередачи , которое использует фазовый переход для передачи тепла между двумя твердыми границами раздела .

На горячей границе раздела тепловой трубы летучая жидкость при контакте с теплопроводящей твердой поверхностью превращается в пар , поглощая тепло от этой поверхности. Затем пар проходит по тепловой трубке к холодной границе раздела и снова конденсируется в жидкость, высвобождая скрытое тепло . Затем жидкость или силы тяжести , возвращается к горячей границе раздела под действием капиллярного действия , центробежной силы и цикл повторяется.

Благодаря очень высоким коэффициентам теплопередачи при кипении и конденсации тепловые трубки являются высокоэффективными проводниками тепла. Эффективная теплопроводность зависит от длины тепловой трубы и может достигать 100 кВт/(м⋅К) для длинных тепловых трубок по сравнению с примерно 0,4 кВт/(м⋅К) для меди .

Тепловые трубки современных процессоров обычно изготавливаются из меди , а в качестве рабочей жидкости используется вода. Они распространены во многих бытовых электронных устройствах, таких как настольные компьютеры, ноутбуки, планшеты и смартфоны высокого класса.

История

Общий принцип использования тепловых трубок, использующих гравитацию, обычно классифицируемых как двухфазные термосифоны , восходит к эпохе пара и Энджеру Марчу Перкинсу и его сыну Лофтусу Перкинсу и «трубке Перкинса», которая широко использовалась в локомотивных котлах и рабочих печах. Тепловые трубки на основе капилляров были впервые предложены Р. С. Гоглером из General Motors в 1942 году, который запатентовал эту идею. но не стал развивать его дальше.

Джордж Гровер независимо разработал капиллярные тепловые трубки в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в 1963 году, получив патент того же года. он первым использовал термин «тепловая трубка», и его часто называют «изобретателем тепловой трубки». Он записал в своем блокноте:

Такая закрытая система, не требующая внешних насосов, может представлять особый интерес для космических реакторов при передаче тепла от активной зоны реактора к излучающей системе. В отсутствие гравитации силы должны быть только такими, чтобы преодолевать капилляр и сопротивление возвращающегося пара по его каналам.

Предложение Гровера было подхвачено НАСА , которое сыграло большую роль в разработке тепловых трубок в 1960-х годах, особенно в отношении их применения и надежности в космических полетах. Это было понятно, учитывая малый вес, высокий тепловой поток и нулевое энергопотребление тепловых трубок, а также то, что на них не будет отрицательно влиять работа в условиях невесомости.

Первым применением тепловых трубок в космической программе стало тепловое уравновешивание спутниковых транспондеров. Когда спутники вращаются по орбите, одна их сторона подвергается прямому солнечному излучению, а противоположная сторона полностью темна и подвергается воздействию глубокого холода космического пространства . Это приводит к серьезным расхождениям в температуре (и, следовательно, надежности и точности) транспондеров. Разработанная для этой цели система охлаждения на тепловых трубках справилась с высокими тепловыми потоками и продемонстрировала безупречную работу как под действием силы тяжести, так и без нее. Разработанная система охлаждения стала первым случаем использования тепловых трубок с переменной проводимостью для активного регулирования теплового потока или температуры испарителя.

НАСА провело испытания тепловых трубок, предназначенных для экстремальных условий, причем в некоторых из них в качестве рабочей жидкости используется жидкий металлический натрий. В настоящее время для охлаждения спутников связи используются другие виды тепловых трубок. Публикации 1967 и 1968 годов Фельдмана, Истмана, и Кацофф впервые обсудили применение тепловых трубок для более широкого применения, например, в кондиционировании воздуха, охлаждении двигателя и охлаждении электроники. В этих статьях также впервые упоминаются гибкие, артериальные и плоские тепловые трубки. В публикациях 1969 года была представлена ​​концепция вращающейся тепловой трубы с ее применением для охлаждения лопаток турбины и содержались первые обсуждения применения тепловых трубок в криогенных процессах.

Начиная с 1980-х годов Sony начала включать тепловые трубки в схемы охлаждения некоторых своих коммерческих электронных продуктов вместо принудительной конвекции и пассивных ребристых радиаторов. Первоначально они использовались в приемниках и усилителях, а вскоре распространились и на другие приложения электроники с высоким тепловым потоком.

В конце 1990-х годов процессоры микрокомпьютеров с все более высоким тепловым потоком привели к трехкратному увеличению количества патентных заявок на тепловые трубки 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 , а в качестве рабочей жидкости используется вода. Они распространены во многих бытовых электронных устройствах, таких как настольные компьютеры, ноутбуки, планшеты и смартфоны высокого класса.

Конструкция, проектирование и строительство

Основная статья: Парокомпрессионное охлаждение

Схема, показывающая компоненты и механизм тепловой трубки с фитилем.

Тепловые трубы сохраняют грунт замороженным и препятствуют поступлению воды в открытый карьер во время горнодобывающих работ на алмазном руднике Экати.

Эта анимация тонкой плоской тепловой трубки (теплораспределителя) размером 100 x 100 x 10 мм была создана с использованием CFD-анализа высокого разрешения и показывает траектории потока с контурами температуры, спрогнозированные с помощью пакета CFD- анализа.

Эта тепловая анимация конструкции радиатора с паровой камерой (теплоотводом) диаметром 120 мм была создана с использованием анализа CFD высокого разрешения и показывает поверхность радиатора с контурами температуры и траектории потока жидкости, спрогнозированные с помощью CFD. пакета анализа

Поперечное сечение тепловой трубки для охлаждения процессора портативного компьютера. Масштаб линейки указан в миллиметрах.

Вид в разрезе плоской тепловой трубки толщиной 500 мкм с тонким плоским капилляром (цвета морской волны)

Тонкая плоская тепловая трубка (теплораспределитель) с выносным радиатором и вентилятором

Типичная тепловая трубка состоит из герметичной трубы или трубки, изготовленной из материала, совместимого с рабочей жидкостью, например меди для тепловых трубок с водой или алюминия для тепловых трубок с аммиаком. Обычно вакуумный насос для удаления воздуха из пустой тепловой трубки используется . Тепловая трубка частично заполняется рабочей жидкостью , а затем герметизируется. Масса рабочего тела выбрана таким образом, чтобы в диапазоне рабочих температур тепловая трубка содержала как пар, так и жидкость .

Заявленная/рекомендуемая рабочая температура данной системы тепловых трубок имеет решающее значение. Ниже рабочей температуры жидкость слишком холодная и не может испаряться в газ. При температуре выше рабочей вся жидкость превратилась в газ, а температура окружающей среды слишком высока для конденсации газа. Теплопроводность по-прежнему возможна через стенки тепловой трубки, но со значительно сниженной скоростью теплопередачи. Кроме того, для заданного тепловложения необходимо, чтобы была достигнута минимальная температура рабочего тела; в то время как на другом конце любое дополнительное увеличение (отклонение) коэффициента теплопередачи от первоначального расчета будет иметь тенденцию препятствовать действию тепловой трубы. Это может быть нелогично в том смысле, что если система тепловых трубок оснащена вентилятором, то работа тепловой трубки может выйти из строя, что приведет к снижению эффективности системы управления температурным режимом — потенциально серьезному снижению. Таким образом, рабочая температура и максимальная способность теплопередачи тепловой трубы, ограниченная ее капиллярной или другой структурой, используемой для возврата жидкости в горячую область (центробежная сила, гравитация и т. д.), неизбежны и тесно связаны.

Рабочие жидкости выбираются в зависимости от температур, при которых должна работать тепловая трубка, например, от жидкого гелия для применения при экстремально низких температурах (2–4 К ) до ртути (523–923 К), натрия (873–1473 К) и даже индий (2000–3000 К) для экстремально высоких температур. В подавляющем большинстве тепловых трубок, предназначенных для применения при комнатной температуре, используется аммиак (213–373 К), спирт ( метанол (283–403 К) или этанол (273–403 К)) или вода в качестве рабочего тела (298–573 К). . Медно-водяные тепловые трубки имеют медную оболочку, используют воду в качестве рабочего тела и обычно работают в диапазоне температур от 20 до 150 °C. Водяные тепловые трубы иногда заполняются путем частичного заполнения водой, нагревания до тех пор, пока вода не закипит и не вытеснит воздух, а затем герметизируются, пока она горячая.

Чтобы тепловая трубка передавала тепло, она должна содержать насыщенную жидкость и ее пар (газовую фазу). Насыщенная жидкость испаряется и поступает в конденсатор, где охлаждается и снова превращается в насыщенную жидкость. В стандартной тепловой трубке сконденсированная жидкость возвращается в испаритель с помощью фитильной структуры, оказывающей капиллярное воздействие на жидкую фазу рабочего тела. Фитильные конструкции, используемые в тепловых трубках, включают спеченный металлический порошок , экран и рифленые фитили, 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 трубы 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 существуют в виде первоначальных 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 температуре 1800 ° F (980 ° C) с перепадом температуры всего на 18 ° F (10 ° C) от конца к концу. Некоторые тепловые трубки продемонстрировали тепловой поток более 23 кВт/см. ² , что примерно в четыре раза превышает тепловой поток через поверхность Солнца.

Тепловые трубки имеют оболочку, фитиль и рабочее тело. Тепловые трубки рассчитаны на очень длительную эксплуатацию без обслуживания, поэтому стенка и фитиль тепловой трубки должны быть совместимы с рабочей жидкостью. Некоторые пары материал/рабочая жидкость, которые кажутся совместимыми, таковыми не являются. Например, вода в алюминиевой оболочке в течение нескольких часов или дней выделяет большое количество неконденсируемого газа, что препятствует нормальной работе тепловой трубки.

С тех пор как тепловые трубки были вновь открыты Джорджем Гровером в 1963 году, были проведены обширные испытания на долговечность для определения совместимых пар оболочка/жидкость, некоторые из которых продолжались десятилетиями. При испытании на срок службы тепловых трубок тепловые трубы эксплуатируются в течение длительных периодов времени и контролируются на наличие таких проблем, как образование неконденсируемого газа, транспортировка материалов и коррозия.

Наиболее часто используемые пары оболочка (и фитиль)/жидкость включают:

• Медная оболочка с водной рабочей жидкостью для охлаждения электроники . Это, безусловно, самый распространенный тип тепловых трубок.
• Медный или стальной кожух с рабочей жидкостью хладагента R134a для рекуперации энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования .
• Алюминиевая оболочка с аммиачной рабочей жидкостью для терморегулирования космических аппаратов .
• Оболочка из суперсплава с рабочей жидкостью из щелочных металлов (цезий, калий, натрий) для высокотемпературных тепловых трубок, чаще всего используемая для калибровки первичных устройств измерения температуры.

Другие пары включают в себя кожухи из нержавеющей стали с рабочими жидкостями азота, кислорода, неона, водорода или гелия при температурах ниже 100 К, тепловые трубки из меди/метанола для охлаждения электроники, когда тепловая трубка должна работать ниже водяного диапазона, тепловые трубки из алюминия/этана для охлаждения электроники. тепловой контроль космического корабля в средах, когда аммиак может замерзнуть, а также оболочка из тугоплавкого металла / литиевая рабочая жидкость для высоких температур (выше 1050 ° C (1920 ° F)).

Тепловые трубки должны быть настроены на конкретные условия охлаждения. Выбор материала, размера и охлаждающей жидкости влияет на оптимальные температуры, при которых работают тепловые трубы. тепловой трубки При использовании за пределами расчетного теплового диапазона теплопроводность фактически снижается до свойств теплопроводности только ее цельного металлического корпуса. В случае медного корпуса это примерно 1/80 исходного флюса. Это связано с тем, что за пределами предполагаемого диапазона температур рабочая жидкость не претерпевает фазового перехода; ниже диапазона рабочая жидкость никогда не испаряется, а выше диапазона никогда не конденсируется.

Большинство производителей не могут изготовить традиционную тепловую трубку диаметром менее 3 мм из-за ограничений по материалу. Были продемонстрированы тепловые трубки, содержащие графен, которые могут улучшить эффективность охлаждения в электронике.

Типы

Помимо стандартных тепловых трубок постоянной проводимости (CCHP), существует ряд других типов тепловых трубок. включая:

• 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 радиатора.
• Тепловые трубы с регулируемым давлением (PCHP), которые представляют собой VCHP, в которых объем резервуара или массу NCG можно изменить, чтобы обеспечить более точный контроль температуры.
• Диодные тепловые трубки, имеющие высокую теплопроводность в прямом направлении и низкую теплопроводность в обратном направлении.
• Термосифоны, представляющие собой тепловые трубки, в которых жидкость возвращается в испаритель под действием гравитационных/ускорительных сил.
• Вращающиеся тепловые трубки, в которых жидкость возвращается в испаритель под действием центробежных сил.

Паровая камера

Тонкие плоские тепловые трубки ( теплораспределители или плоские тепловые трубки) имеют те же основные компоненты, что и трубчатые тепловые трубки: герметичный полый сосуд, рабочую жидкость и замкнутую систему капиллярной рециркуляции. Кроме того, в паровой камере обычно используется внутренняя опорная конструкция или ряд стоек, позволяющих выдерживать давление зажима, иногда достигающее 90 фунтов на квадратный дюйм. Это помогает предотвратить разрушение плоского верха и низа при приложении давления.

Есть два основных применения паровых камер. Во-первых, они используются, когда к относительно небольшому испарителю прикладывают большие мощности и тепловые потоки. Подводимое к испарителю тепло испаряет жидкость, которая течет в двух измерениях к поверхностям конденсатора. После конденсации пара на поверхностях конденсатора капиллярные силы в фитиле возвращают конденсат в испаритель. Обратите внимание, что большинство паровых камер нечувствительны к гравитации 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 можно удалить посредством естественной или принудительной конвекции. Благодаря специальным фитилям испарителя паровые камеры могут отводить 2000 Вт мощности на расстоянии более 4 см. ² , или 700 Вт на 1 см ² .

Еще одно важное применение испарительных камер — охлаждение игровых ноутбуков. Поскольку испарительные камеры представляют собой более плоский и двумерный метод рассеивания тепла, более изящные игровые ноутбуки получают от них огромную выгоду по сравнению с традиционными тепловыми трубками. Например, охлаждение паровой камеры в Lenovo Legion 7i было его самым уникальным преимуществом (хотя его рекламировали неправильно, поскольку все модели имеют испарительные камеры, тогда как на самом деле лишь немногие из них имели испарительные камеры). ).

Во-вторых, по сравнению с одномерной трубчатой ​​тепловой трубкой, ширина двумерной тепловой трубки обеспечивает достаточное поперечное сечение для теплового потока даже при очень тонком устройстве. Эти тонкие плоские тепловые трубки находят применение в устройствах, чувствительных к высоте, таких как ноутбуки и ядра печатных плат для поверхностного монтажа. Возможно изготовление плоских тепловых трубок толщиной до 1,0 мм (немного толще кредитной карты толщиной 0,76 мм ).

Переменная проводимость

Стандартные тепловые трубки представляют собой устройства с постоянной проводимостью, в которых рабочая температура тепловой трубки определяется температурами источника и стока, тепловым сопротивлением между источником и тепловой трубкой и тепловым сопротивлением между тепловой трубкой и стоком. В этих тепловых трубках температура падает линейно по мере снижения мощности или температуры конденсатора. В некоторых приложениях, таких как терморегулирование спутников или исследовательских аэростатов, электроника будет переохлаждаться при низкой мощности или при низких температурах радиатора. Тепловые трубки с переменной проводимостью (VCHP) используются для пассивного поддержания температуры охлаждаемой электроники при изменении условий питания и радиатора.

Тепловые трубки с переменной проводимостью имеют два дополнения по сравнению со стандартной тепловой трубкой: 1. резервуар и 2. неконденсирующийся газ (NCG), добавленный в тепловую трубку в дополнение к рабочей жидкости. 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 пары рабочей жидкости смешиваются по всему паровому пространству тепловой трубы. Когда работает тепловая труба с переменной проводимостью, неконденсирующийся газ уносится к конденсаторному концу тепловой трубы потоком паров рабочей жидкости. Большая часть неконденсируемого газа находится в резервуаре, а оставшаяся часть блокирует часть конденсатора тепловой трубки. Тепловая трубка с переменной проводимостью работает за счет изменения активной длины конденсатора. Когда температура питания или радиатора увеличивается, температура и давление пара в тепловой трубке увеличиваются. Повышенное давление пара выталкивает больше неконденсируемого газа в резервуар, увеличивая активную длину конденсатора и проводимость тепловой трубы. И наоборот, когда температура питания или радиатора снижается, температура и давление паров тепловой трубы уменьшаются, а неконденсирующийся газ расширяется, уменьшая активную длину конденсатора и проводимость тепловой трубы. Добавление небольшого нагревателя к резервуару, мощность которого регулируется температурой испарителя, позволит регулировать температуру примерно на ±1–2 °C. В одном примере температура испарителя поддерживалась в диапазоне регулирования ±1,65 °С, мощность менялась от 72 до 150 Вт, а температура радиатора варьировалась от +15 °С до -65 °С.

Тепловые трубы с регулируемым давлением (PCHP) можно использовать, когда требуется более жесткий контроль температуры. В тепловой трубке с регулируемым давлением температура испарителя используется либо для изменения объема резервуара, либо для изменения количества неконденсируемого газа в тепловой трубке. Тепловые трубки с регулируемым давлением обеспечивают контроль температуры в миллиКельвинах.

Диод

Обычные тепловые трубки передают тепло в любом направлении: от более горячего конца к более холодному. Несколько различных тепловых трубок действуют как тепловой диод , передавая тепло в одном направлении и действуя как изолятор в другом:

• Термосифоны , которые передают тепло только снизу термосифона вверх, куда конденсат возвращается самотеком. Когда термосифон нагревается сверху, жидкость для испарения отсутствует.
• Вращающиеся тепловые трубы, при которых тепловая трубка имеет такую ​​форму, что жидкость может перемещаться только за счет центробежных сил от номинального испарителя к номинальному конденсатору. Опять же, при нагреве номинального конденсатора жидкость отсутствует.
• Диодные тепловые трубки с пароуловителем.
• Диодные тепловые трубки с жидкостной ловушкой.

Диод с улавливателем пара изготавливается аналогично тепловой трубе с переменной проводимостью, с газовым резервуаром на конце конденсатора. Во время изготовления в тепловую трубку загружается рабочее тело и контролируемое количество неконденсируемого газа (NCG). При нормальной работе поток паров рабочего тела из испарителя в конденсатор уносит неконденсирующийся газ в резервуар, где он не мешает нормальной работе тепловой трубы. Когда номинальный конденсатор нагревается, поток пара направляется от номинального конденсатора к номинальному испарителю. Неконденсирующийся газ увлекается вместе с текущим паром, полностью блокируя номинальный испаритель и значительно увеличивая термическое сопротивление тепловой трубки. В общем, происходит некоторая теплопередача в номинальную адиабатную секцию. Затем тепло передается через стенки тепловых трубок к испарителю. В одном примере диод с улавливателем пара пропускал 95 Вт в прямом направлении и только 4,3 Вт в обратном направлении.

Диод с жидкостной ловушкой имеет плохой резервуар на испарительном конце тепловой трубки с отдельным фитилем, который не сообщается с фитилем в остальной части тепловой трубки. При нормальной работе испаритель и резервуар нагреваются. Пар поступает в конденсатор, а жидкость возвращается в испаритель за счет капиллярных сил в фитиле. Резервуар со временем пересыхает, так как способа возврата жидкости нет. При нагреве штатного конденсатора жидкость конденсируется в испарителе и резервуаре. Хотя жидкость может вернуться в номинальный конденсатор из номинального испарителя, жидкость в резервуаре задерживается, поскольку фитиль резервуара не подключен. В конце концов вся жидкость задерживается в резервуаре, и тепловая трубка перестает работать.

Термосифоны

В большинстве тепловых трубок используется фитиль для возврата жидкости из конденсатора в испаритель, что позволяет тепловой трубке работать в любой ориентации. Жидкость всасывается обратно в испаритель под действием капиллярности , подобно тому, как губка всасывает воду, когда ее край соприкасается с лужей воды. Однако максимальное неблагоприятное возвышение (испаритель над конденсатором) относительно невелико, порядка 25 см в длину для типичной водяной тепловой трубки.

Однако если испаритель расположен под конденсатором, жидкость может стекать обратно под действием силы тяжести вместо фитиля, и расстояние между ними может быть намного больше. Такая гравитационная тепловая трубка известна как термосифон .

В термосифоне жидкое рабочее тело испаряется за счет тепла, подаваемого в испаритель в нижней части тепловой трубки. 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 подается на конец конденсатора, конденсат отсутствует и, следовательно, нет возможности образовывать пар и передавать тепло испарителю.

В то время как длина типичной тепловой трубы наземной воды составляет менее 30 см, длина термосифонов часто составляет несколько метров. Термосифоны, используемые для охлаждения трубопровода на Аляске, имели длину примерно от 11 до 12 метров. Для добычи геотермальной энергии были предложены еще более длинные термосифоны. Например, Сторч и др. изготовил пропановый термосифон с внутренним диаметром 53 мм и длиной 92 м, который переносил около 6 кВт тепла. Их масштабируемость до больших размеров также делает их актуальными для солнечной тепловой энергии. и приложения HVAC.

Петля

Петлевая тепловая трубка (КТТ) — это пассивное двухфазное передающее устройство, связанное с тепловой трубкой. Он может передавать более высокую мощность на большие расстояния благодаря прямоточному потоку жидкости и пара, в отличие от противотока в тепловой трубке. Это позволяет использовать фитиль в петлевой тепловой трубке только в испарителе и компенсационной камере. Микропетлевые тепловые трубки разработаны и успешно применяются в широкой сфере применения как на земле, так и в космосе.

Колеблющийся или пульсирующий

Колеблющаяся тепловая трубка, также известная как пульсирующая тепловая трубка, лишь частично заполнена жидким рабочим телом. Труба устроена змеевидно, в которой чередуются свободно движущиеся сегменты жидкости и пара. Колебания происходят в рабочей жидкости; труба остается неподвижной. Сокращенно называемые PHP, они исследовали множество приложений, включая охлаждение фотоэлектрических систем, охлаждение электронных устройств, системы рекуперации тепла, системы топливных элементов, системы вентиляции и кондиционирования, и опреснение. Все больше и больше PHP синергетически сочетаются с материалами фазового перехода .

Теплопередача

Тепловые трубы используют фазовый переход для передачи тепловой энергии из одной точки в другую путем испарения и конденсации рабочей жидкости или охлаждающей жидкости. Тепловые трубы основаны на разнице температур между концами трубы и не могут снизить температуру на обоих концах ниже температуры окружающей среды (следовательно, они имеют тенденцию выравнивать 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 испарения, поглощаемая рабочей жидкостью, 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 приводит к быстрому массопереносу к конденсирующемуся концу, где лишний пар конденсируется, выделяет скрытое тепло и нагревает холодный конец трубы. Неконденсирующиеся газы (например, вызванные загрязнением) в паре препятствуют потоку газа и снижают эффективность тепловой трубы, особенно при низких температурах, когда давление пара низкое. Скорость молекул в газе примерно равна скорости звука, а 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 трубку ограничена скоростью конденсации на холодном конце и намного ниже скорости молекул. Примечание/пояснение: Скорость конденсации очень близка к коэффициенту прилипания, умноженному на скорость молекул, 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 компенсирует этот тепловой поток. Если разница температур превышает несколько десятков градусов, испарение с поверхности обычно незначительно, о чем можно судить по кривым давления пара. В большинстве случаев при очень эффективной передаче тепла через газ очень сложно поддерживать столь значительную разницу температур между газом и поверхностью конденсации. Более того, эта разница температур, конечно, сама по себе соответствует большому эффективному термическому сопротивлению. Узкое место в источнике тепла часто менее серьезное, поскольку плотность газа там выше, что соответствует более высоким максимальным тепловым потокам.

Затем сконденсированная рабочая жидкость течет обратно 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 трубе вакуум. Рабочее тело просто кипятят в тепловой трубке до тех пор, пока образующийся пар не вытеснит неконденсирующиеся газы из трубы, а затем запечатывают конец.

Интересным свойством тепловых трубок является температурный диапазон, в котором они эффективны. Первоначально можно было предположить, что тепловая трубка с водяным наполнением 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 вакуумированной трубе вода испаряется от тройной точки (0,01 °C, 32 °F) до критической точки (374 °C, 705 °F), пока тепловая труба содержит как жидкость, так и пар. Таким образом, тепловая трубка может работать при температуре 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 значительно выше температуры кипения атмосферы (100 °C, 212 °F). Максимальная температура водяных тепловых трубок длительного действия составляет 270 °C (518 °F), при этом тепловые трубки работают до 300 °C (572 °F) при краткосрочных испытаниях.

Основная причина эффективности тепловых трубок — испарение и конденсация рабочей жидкости. Теплота парообразования значительно превышает удельную теплоемкость . Если взять в качестве примера воду, то энергия, необходимая для испарения одного грамма воды, в 540 раз превышает количество энергии, необходимое для повышения температуры того же одного грамма воды на 1 °C. Почти вся эта энергия быстро передается на «холодный» конец, когда там конденсируется жидкость, образуя очень эффективную систему теплопередачи без движущихся частей.

Приложения

Космический корабль

В качестве оболочки тепловых трубок на космических кораблях обычно используется рифленый алюминиевый профиль.

Типичный рифленый алюминиево-аммиачный ВТЭП для терморегулирования космических аппаратов, с испарительной секцией внизу и резервуаром для неконденсируемого газа чуть ниже клапана.

Система терморегулирования космического корабля призвана поддерживать все компоненты космического корабля в допустимом температурном диапазоне. Это осложняется следующим:

• Широко варьирующиеся внешние условия, такие как затмения.
• Микро-g среда
• Отвод тепла от космического корабля тепловым излучением только
• Доступная электрическая мощность ограничена, предпочтение отдается пассивным решениям.
• Длительный срок службы, отсутствие возможности обслуживания.

Некоторые космические корабли рассчитаны на срок службы 20 лет, поэтому желателен перенос тепла без электроэнергии и движущихся частей. Для отвода тепла за счет теплового излучения 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 передавать тепло на большие расстояния.

Рифленые фитили используются в тепловых трубках космических кораблей, как показано на первой фотографии в этом разделе. Тепловые трубки изготавливаются путем экструзии 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 в земных тепловых трубках, поскольку тепловые трубки не должны работать против силы тяжести в космосе. Это позволяет тепловым трубкам космического корабля иметь длину в несколько метров, в отличие от максимальной длины водяной тепловой трубы, работающей на Земле, примерно 25 см. Аммиак является наиболее распространенной рабочей жидкостью для тепловых трубок космических кораблей. Этан используется, когда тепловая трубка должна работать при температурах ниже температуры замерзания аммиака.

На втором рисунке показана типичная алюминиево-аммиачная тепловая трубка с регулируемой проводимостью (VCHP) с желобками для терморегулирования космического корабля. Тепловая трубка представляет собой алюминиевый профиль, аналогичный показанному на первом рисунке. Нижняя часть фланца — это испаритель. Над испарителем фланец вытачивается для обеспечения изгиба адиабатической секции. Конденсатор показан над адиабатическим участком. Резервуар неконденсируемого газа (NCG) расположен над основной тепловой трубой. Клапан снимается после заполнения и герметизации тепловой трубки. Если на резервуаре используются электрические нагреватели, температуру испарителя можно контролировать в пределах ±2 К от заданного значения.

Компьютерные системы

Радиатор ) (алюминий) с тепловыми трубками (медь

Типичная конфигурация тепловых трубок потребительского ноутбука. Тепловые трубки отводят отработанное тепло от процессора, графического процессора и регуляторов напряжения, передавая его на радиатор в сочетании с охлаждающим вентилятором, который действует как жидкостный теплообменник.

Тепловые трубки начали использоваться в компьютерных системах в конце 1990-х годов. когда возросшие требования к мощности и последующее увеличение тепловыделения привели к увеличению требований к системам охлаждения. В настоящее время они широко используются во многих современных компьютерных системах, как правило, для отвода тепла от таких компонентов, как процессоры центральные и графические , 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 солнечными коллекторами с вакуумными трубками. В этих приложениях 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 фазе жидкого пара, поскольку на большом участке коллекторного трубопровода теплоноситель преобразуется в пар.

В системах солнечного нагрева воды индивидуальная абсорбционная трубка вакуумного трубчатого коллектора до 40% более эффективна по сравнению с более традиционными «плоскими» солнечными коллекторами воды. Во многом это связано с вакуумом, существующим внутри трубки, который замедляет конвективные и кондуктивные потери тепла. Однако относительная эффективность системы вакуумных трубок снижается по сравнению с плоскими пластинчатыми коллекторами, поскольку последние имеют больший размер апертуры и могут поглощать больше солнечной энергии на единицу площади. Это означает, что в то время как отдельная вакуумная трубка имеет лучшую изоляцию (меньшие потери на проводимость и конвекцию) из-за вакуума, создаваемого внутри трубки, массив трубок в готовой солнечной сборке поглощает меньше энергии на единицу площади из-за меньшей поверхности поглотителя. Область была обращена к Солнцу из-за закругленной конструкции вакуумного трубчатого коллектора. Таким образом, реальная эффективность обеих конструкций примерно одинакова.

Вакуумные трубчатые коллекторы снижают потребность в антифризных добавках, поскольку вакуум помогает замедлить потери тепла. Однако при длительном воздействии отрицательных температур жидкий теплоноситель все равно может замерзнуть, и при проектировании систем для таких сред необходимо принять меры предосторожности, чтобы замерзающая жидкость не повредила вакуумную трубку. Правильно спроектированные солнечные водонагреватели могут быть защищены от замерзания до температуры выше -3 °C с помощью специальных добавок и используются в Антарктиде для нагрева воды.

Охлаждение вечной мерзлоты

Опорные опоры трубопровода на Аляске охлаждаются термосифонами с тепловыми трубками, чтобы сохранить замерзшую вечную мерзлоту .

Строить на вечной мерзлоте сложно, поскольку тепло от конструкции может растопить вечную мерзлоту. В некоторых случаях используются тепловые трубки, чтобы избежать риска дестабилизации. Например, в Трансаляскинской трубопроводной системе остаточное тепло грунта, остающееся в нефти, а также тепло, возникающее в результате трения и турбулентности в движущейся нефти, может передаваться вниз по опорным опорам трубы и расплавлять вечную мерзлоту, на которой закреплены опоры. Это может привести к затоплению трубопровода и, возможно, к его повреждению. Чтобы предотвратить это, на каждом вертикальном опорном элементе установлены четыре вертикальных термосифона с тепловыми трубками .

Важной особенностью термосифона является то, что он пассивен и не требует для работы какой-либо внешней энергии. Зимой воздух холоднее, чем земля вокруг опор. Жидкость на дне термосифона испаряется за счет тепла, поглощаемого землей, охлаждая окружающую вечную мерзлоту и понижая ее температуру. Летом термосифоны перестают работать, так как в верхней части тепловой трубки не конденсируется газ, но сильное охлаждение воздуха зимой вызывает конденсацию и стекание жидкости вниз. В Трансаляскинской трубопроводной системе первоначально в качестве рабочей жидкости использовался аммиак, однако из-за засоров он был заменен углекислым газом.

Тепловые трубы также используются для сохранения замерзания вечной мерзлоты на участках Цинхай-Тибетской железной дороги , где насыпи и пути поглощают солнечное тепло. Вертикальные тепловые трубы по обе стороны соответствующих образований предотвращают дальнейшее распространение тепла в окружающую вечную мерзлоту.

В зависимости от применения существует несколько конструкций термосифонов: термозонд, термобатарея , глубинный термосифон, наклонно-термосифонный фундамент, плоский петлевой термосифонный фундамент и гибридный плоский петлевой термосифонный фундамент.

Кулинария

Первым коммерческим продуктом с тепловыми трубками была «Thermal Magic Cooking Pin», разработанная Energy Conversion Systems, Inc. и впервые проданная в 1966 году. В качестве рабочей жидкости в кухонных булавках использовалась вода. Конверт был изготовлен из нержавеющей стали с внутренним слоем меди для совместимости. Во время работы один конец тепловой трубки проходит через жаркое. Другой конец проходит в духовку, где нагревает середину жаркого. Высокая эффективная проводимость тепловой трубки вдвое сокращает время приготовления больших кусков мяса.

Этот принцип также был применен к походным печам. Тепловая трубка передает большой объем тепла при низкой температуре, что позволяет выпекать продукты и готовить другие блюда в походных условиях.

Рекуперация тепла вентиляции

В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) тепловые трубы располагаются внутри потоков приточного и вытяжного воздуха системы обработки воздуха или в выхлопных газах промышленного процесса для рекуперации тепловой энергии.

Устройство состоит из батареи многорядных оребренных тепловых трубок, расположенных как внутри приточного, так и вытяжного воздушного потока. Система рекуперирует тепло от выхлопа и передает его на впуск.

Благодаря характеристикам устройства более высокая эффективность достигается, когда устройство расположено вертикально, при этом сторона приточного воздуха расположена над стороной отработанного воздуха, что позволяет жидкому хладагенту быстро течь обратно в испаритель под действием силы тяжести. Обычно производители заявляют, что общий КПД теплопередачи составляет до 75%.

Преобразование ядерной энергии

Гровер и его коллеги работали над системами охлаждения ядерных энергетических элементов для космических кораблей , где встречаются экстремальные тепловые условия. Эти тепловые трубки из щелочного металла 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, использующих тепловые трубы для транспортировки тепла между активной зоной реактора и системой преобразования энергии. Первый ядерный реактор, производящий электроэнергию с использованием тепловых трубок, был впервые запущен 13 сентября 2012 года в ходе демонстрации метода деления с плоской верхушкой.

Роторные двигатели внутреннего сгорания Ванкеля

Воспламенение топливной смеси всегда происходит в одной и той же части двигателей Ванкеля , вызывая несоответствие теплового расширения , которое снижает выходную мощность, ухудшает экономию топлива и ускоряет износ. В документе SAE от 2014-01-2160, написанном Вэй Ву и др., описывается: «Роторный двигатель Ванкеля с воздушным охлаждением и тепловой трубкой для повышения долговечности, мощности и эффективности». они добились снижения температуры верхней части двигателя с 231 ° C до 129 ° C, а разница температур уменьшилась со 159 ° C до 18 ° C для типичного малокамерного двигателя беспилотного летательного аппарата с воздушным охлаждением .

Теплообменники с тепловыми трубками

Теплообменники передают тепло от горячего потока к холодному потоку воздуха, воды или масла. Теплообменник с тепловой трубкой содержит несколько тепловых трубок, каждая из которых сама действует как отдельный теплообменник. Это повышает эффективность, срок службы и безопасность. В случае разрыва одной тепловой трубки выделяется лишь небольшое количество жидкости, что критично для некоторых промышленных процессов, таких как литье алюминия. Кроме того, даже при поломке одной тепловой трубки теплообменник с тепловой трубкой продолжает работать.

Разработанные в настоящее время приложения

Из-за большой адаптируемости тепловых трубок исследования изучают возможность использования тепловых трубок в различных системах:

• Повышение эффективности геотермального отопления для предотвращения скользкости дорог зимой в зонах с холодным климатом.
• Повышенная эффективность фотоэлектрических элементов за счет подключения солнечной панели к системе тепловых трубок. Это отводит тепло от перегретых панелей, поддерживая оптимальную температуру для максимального выработки энергии. Кроме того, протестированная установка использует рекуперированное тепло для нагрева, например, воды.
• Гибридные тепловые трубы стержня управления для остановки ядерного реактора в случае чрезвычайной ситуации и одновременного отвода остаточного тепла, чтобы предотвратить перегрев реактора

См. также

• Радиатор — пассивный теплообменник, передающий тепло.
• Петлевая тепловая трубка - двухфазное устройство теплопередачи. Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.
• Термоэлектрическое охлаждение – теплообмен с электрическим приводом

Внешние ссылки

• Границы тепловых трубок (FHP) - международный журнал
• Предыдущее издание Объединенной международной конференции по тепловым трубкам и Международного симпозиума по тепловым трубкам (20IHPC и 14IHPS), 7–10 сентября 2021 г.
• Предстоящее издание Объединенной международной конференции по тепловым трубкам и Международного симпозиума по тепловым трубкам (21IHPC и 15IHPS), 5–9 февраля 2023 г.
• Исследования House_N (mit.edu)
• Руководство по выбору тепловой трубки (pdf)
• Основы тепловых трубок и демонстрация