Тепловая труба - Heat pipe

Система тепловых трубок портативного компьютера

А тепловая труба это устройство теплопередачи который сочетает в себе принципы обоих теплопроводность и фаза перехода для эффективной передачи тепла между двумя твердыми интерфейсы.[1]

На горячем интерфейсе тепловой трубки жидкость при контакте с теплопроводной 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 скрытая теплота. В жидкость затем возвращается к горячему интерфейсу либо через капиллярное действие, центробежная сила, или гравитация, и цикл повторяется. Благодаря очень высоким коэффициентам теплопередачи для кипячение и конденсация, тепловые трубы являются высокоэффективными проводниками тепла. Эффективная теплопроводность зависит от длины тепловой трубы и может приближаться к 100 кВт / (м⋅K) для длинных тепловых трубок, по сравнению с примерно 0,4 кВт / (м⋅K) за медь.[2]

Конструкция, дизайн и конструкция

Схема, показывающая компоненты и механизм тепловой трубы с фитилем
Эта анимация с тонкой плоской тепловой трубкой (теплораспределителем) высотой 100 мм на 100 мм на 10 мм была создана с использованием анализа CFD с высоким разрешением и показывает траектории потока с контуром температуры, спрогнозированные с использованием CFD пакет анализа.
Тепловая анимация конструкции теплоотвода паровой камеры (теплораспределителя) диаметром 120 мм была создана с использованием CFD-анализа с высоким разрешением и показывает контурную поверхность теплоотвода и траектории потока жидкости, спрогнозированные с использованием CFD пакет анализа.
Поперечное сечение тепловой трубки для охлаждения процессора портативного компьютера. Шкала линейки в миллиметрах.
Вырезанный вид плоской тепловой трубки толщиной 500 мкм с тонким плоским капилляром (цвета морской волны)
Тонкая плоская тепловая трубка (радиатор) с выносным радиатором и вентилятором

Типичная тепловая труба состоит из герметичной трубы или трубки, изготовленной из материала, совместимого с рабочей жидкостью, например медь для водяных тепловых труб, или алюминий для аммиачных тепловых трубок. Обычно вакуумный насос используется для удаления воздуха из пустой тепловой трубки. Тепловая трубка частично заполнена рабочая жидкость а затем запечатали. Масса рабочей жидкости выбирается так, чтобы тепловая трубка содержала пар и жидкость над Рабочая Температура классифицировать.[1]

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 все еще возможно через стенки тепловой трубы, но со значительно меньшей скоростью передачи тепла.[нужна цитата ] Кроме того, для заданного подводимого тепла также необходимо, чтобы была достигнута минимальная температура рабочей жидкости, а дополнительное увеличение (отклонение) коэффициента теплопередачи от первоначальной конструкции скорее замедляло работу тепловой трубы. Это явление противоречит здравому смыслу в том смысле, что, если системе тепловых труб способствует вентилятор, тепловая трубка может выйти из строя и снизить эффективность системы управления температурой. Таким образом, рабочая температура и максимальная теплопроводность тепловых трубок (ограниченная их капиллярной структурой) тесно связаны. [3]

Рабочие жидкости выбираются в соответствии с температурами, при которых должна работать тепловая труба, с примерами от жидкий гелий для экстремально низких температур (2–4K ) к Меркурий (523–923 К), натрий (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 К), алкоголь (метанол (283–403 К) или этиловый спирт (273–403 К), или воды (298–573 К) в качестве рабочего тела. Тепловые трубы медь / вода имеют медную оболочку, используют воду в качестве рабочего тела и обычно работают в диапазоне температур от 20 до 150 ° C.[4][5] Водяные тепловые трубы иногда заполняются путем частичного заполнения водой, нагрева до кипения и вытеснения воздуха, а затем герметизируются, пока они горячие.

Чтобы тепловая трубка могла передавать тепло, она должна содержать насыщенный 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 сконденсированная жидкость возвращается в испаритель с помощью фитиля, оказывающего капиллярное действие на жидкой фазе рабочего тела. Фитилиевые конструкции, используемые в тепловых трубках, включают: спеченный металлический порошок, сетка и рифленые фитили, которые имеют ряд бороздок, параллельных оси трубы. Когда конденсатор расположен над испарителем в гравитационном поле, сила тяжести может вернуть жидкость. В этом случае тепловая трубка представляет собой термосифон. Наконец, вращающиеся тепловые трубки используют центробежные силы для возврата жидкости из конденсатора в испаритель. [1]

Тепловые трубы не содержат механических движущихся частей и обычно не требуют обслуживания, хотя неконденсирующиеся газы, которые диффундируют через стенки трубы в результате разрушения рабочего тела или присутствующих в материале примесей, могут в конечном итоге снизить эффективность трубы при передаче тепла.[1]

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.[5] Некоторые тепловые трубки продемонстрировали поток горячего воздуха более 23 кВт / см², что примерно в четыре раза превышает тепловой поток через поверхность Солнца.[6]

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 тепловой трубки 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.[нужна цитата ]

Поскольку тепловые трубки были заново открыты Джордж Гровер в 1963 г. были проведены обширные ресурсные испытания 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.[7][8]

Наиболее часто используемые пары конверт (и фитиль) / жидкость включают:[9]

  • Медная оболочка с водяной рабочей жидкостью для охлаждение электроники. Это, безусловно, самый распространенный тип тепловых трубок.
  • Медный или стальной корпус с хладагентом R134a рабочая жидкость для рекуперации энергии в HVAC системы.
  • Алюминиевый корпус с рабочей жидкостью аммиак для тепловое управление космического корабля.
  • Суперсплав оболочка 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 контроль температуры космического корабля в условиях, когда может замерзать аммиак, и тугоплавкий металл оболочка / литиевая рабочая жидкость для высоких температур (выше 1050 ° C (1920 ° F)).[10]

Типы тепловых трубок

Помимо стандартных тепловых труб с постоянной проводимостью (CCHP), существует ряд других типов тепловых труб,[11] 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 теплоотвода.
  • Тепловые трубы с регулируемым давлением (PCHP), которые представляют собой VCHP, где объем резервуара или масса NCG могут быть изменены, чтобы обеспечить более точный контроль температуры
  • Диодные тепловые трубки, обладающие высокой теплопроводностью в прямом направлении и низкой теплопроводностью в обратном направлении.
  • Термосифоны, представляющие собой тепловые трубы, по которым жидкость возвращается в испаритель под действием гравитационных / ускоряющих сил,
  • Вращающиеся тепловые трубы, 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 трубы: герметично запечатан полый сосуд, рабочее тело и замкнутая система капиллярной рециркуляции.[12] 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.[13] 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 испарительная 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 удален естественной или принудительной конвекцией. Благодаря специальным фитилям испарителя паровые камеры могут отводить 2000 Вт с высоты более 4 см.2, или 700 Вт на 1 см2.[14]

Еще одно важное применение паровых камер - охлаждение игровых ноутбуков. Поскольку паровые камеры представляют собой более плоский и более двухмерный 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, так как все модели имеют паровые камеры, в то время как на самом деле только некоторые из них имели[15]).

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 «чувствительных к высоте» приложениях, таких как ноутбуки и ядра печатных плат для поверхностного монтажа. Возможно изготовление плоских тепловых трубок толщиной до 1,0 мм (немного толще 0,76 мм). кредитная карта ).[16]

Тепловые трубы с переменной проводимостью (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 низких мощностях или низких температурах понижения. Тепловые трубки с переменной проводимостью (VCHP) используются для пассивного поддержания температуры охлаждаемой электроники при изменении условий питания и потребителя.[17]

Тепловые трубки с переменной проводимостью имеют два дополнения по сравнению со стандартной тепловой трубкой: 1. резервуар и 2. неконденсируемый газ (NCG), добавляемый в тепловую трубку в дополнение к рабочей жидкости; см. картинку в разделе космических аппаратов ниже. Этот неконденсируемый 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 в паровом пространстве 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 остаток блокирует часть конденсатора тепловой трубы. Тепловая трубка с переменной проводимостью работает за счет изменения активной длины конденсатора. При повышении температуры мощности или радиатора температура и давление пара в тепловой трубке увеличиваются. 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 неконденсируемый 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 изменялась от +15 ° C до -65 ° C.

Тепловые трубки с регулируемым давлением (PCHP) могут использоваться, когда требуется более жесткий контроль температуры.[18] 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.[19]

Диодные тепловые трубки

Обычные тепловые трубки передают тепло в любом направлении, от более горячего конца тепловой трубки к более холодному. Несколько различных тепловых трубок действуют как термодиод, передавая тепло в одном направлении, действуя как изолятор в другом:[20]

  • Термосифоны, которые передают тепло только снизу вверх термосифона, куда конденсат возвращается под действием силы тяжести. Когда термосифон нагревается сверху, жидкость не испаряется.
  • Вращающиеся тепловые трубки, в которых 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 трубке 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.[21]

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.[22] 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. В то время как жидкость может вернуться в номинальный конденсатор из номинального испарителя, жидкость в резервуаре задерживается, поскольку фитиль резервуара не подключен. В конце концов вся жидкость оказывается в резервуаре, 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. капиллярное действие 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 труба известна как термосифон.[23]

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 он конденсируется. Затем жидкость стекает обратно на дно тепловой трубки под действием силы тяжести, 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.[24]

Петля тепловая трубка

А контур тепловой трубы (LHP) - это пассивное двухфазное передающее устройство, связанное 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.[25][26] Это позволяет использовать фитиль в тепловой трубе контура только в испарителе и компенсационной камере. Микроконтурные тепловые трубки разработаны и успешно применяются 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 сегменты жидкости и пара.[27] В рабочем теле происходят колебания; труба остается неподвижной.

Теплопередача

В тепловых трубках используется фазовый переход для передачи тепловой энергии из одной точки в другую. испарение и конденсация рабочей жидкости или охлаждающей жидкости. 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. В скрытая теплота испарения, поглощаемого 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 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.[нужна цитата ] 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, так как плотность газа там выше, что соответствует более высоким максимальным тепловым потокам.

Сконденсированная рабочая жидкость затем 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 капиллярное действие.

При изготовлении тепловых трубок нет необходимости создавать вакуум в трубке. 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 к холодному концу. Однако температура кипения воды зависит от абсолютного давления внутри трубы. В откачанной трубе вода испаряется из ее тройная точка (0,01 ° C, 32 ° F) до своего критическая точка (374 ° C; 705 ° F), если тепловая трубка содержит как жидкость, так и пар. Таким образом, тепловая трубка может работать при температурах горячего конца, чуть выше точки плавления рабочего тела, 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.[28]

Основная причина эффективности тепловых трубок - испарение и конденсация рабочей жидкости. В теплота испарения значительно превышает конкретные 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 конденсируется там, что делает систему теплопередачи очень эффективной без движущихся частей.[нужна цитата ]

Разработка

Общий принцип тепловых труб, использующих силу тяжести, обычно классифицируется как двухфазный. термосифоны, восходит к эпохе пара и Энджер Марч Перкинс и его сын Лофтус Перкинс и "Perkins Tube", широко использовавшаяся в паровых котлах и рабочих печах.[29] Капиллярные тепловые трубки были впервые предложены Р. С. Гоглером из Дженерал Моторс в 1942 году, который запатентовал идею,[30][31] но не развивал дальше.

Джордж Гровер независимо разработал капиллярные тепловые трубки в Лос-Аламосская национальная лаборатория в 1963 году, с его патентом того же года[32] он был первым, кто использовал термин «тепловая труба», и его часто называют «изобретателем тепловой трубки».[33] Он отметил в своей записной книжке:[34]

Такая замкнутая система, не требующая внешних насосов, может представлять особый интерес в космических реакторах при перемещении 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 поддержано НАСА, которые сыграли 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, а также то, что на них не повлияла бы работа в условиях невесомости.

Первым применением тепловых трубок в космической программе было тепловое уравновешивание спутниковых транспондеров.[нужна цитата ] В качестве спутники орбиты, одна сторона подвергается прямому солнечному излучению, в то время как противоположная сторона полностью темна и подвергается глубокому холоду космическое пространство. 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. В настоящее время для охлаждения спутников связи используются другие формы тепловых трубок.[35] Публикации 1967 и 1968 годов Фельдмана, Истмана,[36] и Кацофф впервые обсудили применение 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 трубы. Публикации 1969 г. представили концепцию вращающейся тепловой трубы с ее применением для охлаждения лопаток турбин и содержали первые обсуждения применения тепловых трубок для криогенных процессов.

Начиная с 1980-х годов Sony начала включать тепловые трубки в схемы охлаждения для некоторых коммерческих электронных продуктов вместо радиаторов с принудительной конвекцией и пассивных оребренных 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 постоянно увеличивающимся 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 медь и использовать воду как рабочую жидкость.[37] Они распространены во многих устройствах бытовой электроники, таких как настольные компьютеры, ноутбуки, планшеты и смартфоны высокого класса.

Приложения

Космический корабль

Тепловые трубы на космических кораблях обычно используют в качестве оболочки рифленый алюминиевый профиль.
Типичный алюминиево-аммиачный ВЧП с канавками для управления тепловым режимом космических аппаратов, с испарительной секцией внизу и резервуаром неконденсируемого газа чуть ниже клапана[21]

В тепловое управление космического корабля Система предназначена для поддержания всех компонентов космического корабля в допустимом диапазоне температур. Это осложняется следующим:

  • Широко меняющиеся внешние условия, такие как затмения
  • Микро-среда
  • Отвод тепла от космического корабля тепловое излучение Только
  • Доступная ограниченная электрическая мощность, предпочтение отдается пассивным решениям
  • Длительный срок службы, без возможности обслуживания

Некоторые космические аппараты рассчитаны на 20 лет, поэтому желательна передача тепла без электроэнергии или движущихся частей. Отказ от тепла тепловым излучением означает, что требуются большие радиаторные панели (несколько квадратных метров). Тепловые трубы и петлевые тепловые трубы широко используются в космических аппаратах, поскольку для работы им 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 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, аналогичный показанному на первом рисунке. Нижняя часть фланца - испаритель. Фланец над испарителем вырезается, чтобы можно было изгибать адиабатический участок. 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

А радиатор (алюминий) с тепловыми трубками (медь)
Типичная конфигурация тепловых трубок в потребительском ноутбуке. Тепловые трубки отводят отработанное тепло от процессора, графического процессора и регуляторов напряжения, передавая его на радиатор, соединенный с охлаждающим вентилятором, который действует как теплообменник жидкость-жидкость.

Тепловые трубки начали использоваться в компьютерных системах в конце 1990-х годов.[38] когда повышенные 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 таких компонентов, как Процессоры и GPU к радиаторам, где тепловая энергия может рассеиваться в окружающую среду.

Солнечная тепловая энергия

Тепловые трубы также широко используются в солнечная тепловая энергия в системах водяного отопления в сочетании с решетками солнечных коллекторов с вакуумными трубками. В этих применениях дистиллированная вода обычно используется в качестве теплоносителя внутри изолированной длины медной трубки, которая расположена внутри вакуумированной стеклянной трубки и ориентирована на солнце. В соединительных трубах перенос тепла происходит в жидкой паровой фазе, потому что теплоноситель преобразуется в пар на большом участке коллектора.[39]

В системах солнечного термального нагрева воды отдельная абсорберная труба вакуумного трубчатого коллектора на 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 в законченной солнечной сборке поглощает меньше энергии на единицу площади из-за меньшей поверхности абсорбера область была направлена ​​к солнцу из-за закругленной конструкции вакуумного трубчатого коллектора. Таким образом, реальная эффективность обеих конструкций примерно одинакова.

Вакуумные трубчатые коллекторы уменьшают потребность в добавках незамерзающих, поскольку вакуум помогает замедлить потерю тепла. 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 трубу. Правильно спроектированные солнечные водонагреватели могут быть защищены от замерзания до температуры более -3 ° C с помощью специальных добавок и используются в Антарктида нагреть воду.[нужна цитата ]

Охлаждение вечной мерзлоты

Трубопровод Аляски опорные ножки охлаждаются термосифонами с тепловыми трубками для удержания вечная мерзлота замороженный

Опираясь на вечная мерзлота это сложно, потому что тепло от конструкции может оттаять вечную мерзлоту. В некоторых случаях используются тепловые трубки, чтобы избежать риска дестабилизации. Например, в Трансаляскинская трубопроводная система остаточное тепло грунта, остающееся в масле, а также тепло, создаваемое трением и турбулентностью в движущемся масле, может пройти вниз по опорным стойкам трубы и расплавить вечную мерзлоту, на которой закреплены опоры. Это может привести к просадке трубопровода и, возможно, его повреждению. Чтобы предотвратить это, каждый вертикальный опорный элемент был установлен с четырьмя вертикальными тепловыми трубками. термосифоны.[40]

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 того, чтобы вечная мерзлота оставалась замерзшей рядом с частями Цинхай-Тибетская железная дорога где набережная и дорожка поглощают солнечное тепло. Вертикальные тепловые трубы по обе стороны от соответствующих пластов предотвращают дальнейшее распространение тепла в окружающую вечную мерзлоту.

В зависимости от области применения существует несколько конструкций термосифонов:[41] термозонд, термобатарея, глубинный термосифон, наклонно-термосифонный фундамент, плоский термосифонный фундамент и гибридный плоский термосифонный фундамент.

Готовка

Первым коммерческим продуктом с тепловыми трубками была «Волшебная кулинарная булавка Thermal Magic», разработанная Energy Conversion Systems, Inc. и впервые проданная в 1966 году.[42] В качестве рабочей жидкости в кулинарных штырях использовалась вода. Оболочка из нержавеющей стали с внутренним слоем меди для совместимости. Во время работы один конец тепловой трубки протыкается через жаркое. Другой конец заходит в духовку, где нагревается до середины жаркого. Высокая эффективная проводимость тепловой трубки сокращает время приготовления больших кусков мяса наполовину.[43]

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 отопление, вентиляция, кондиционирование Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) размещают в потоках приточного и вытяжного воздуха в системе обработки 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 отработанного воздуха тепловой трубы хладагент испаряется, забирая тепло из отработанного 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.

Благодаря характеристикам устройства, более высокий КПД достигается, когда устройство устанавливается вертикально, при этом сторона подачи воздуха устанавливается над стороной отработанного воздуха, что позволяет жидкому хладагенту быстро течь обратно в испаритель под действием силы тяжести. Как правило, производители заявляют общую эффективность теплопередачи до 75%.[нужна цитата ]

Преобразование ядерной энергии

Гровер и его коллеги работали над системами охлаждения для ячейки ядерной энергии за космический корабль, где встречаются экстремальные термические условия. Эти тепловые трубки из щелочных металлов передавали тепло от источника тепла к термоэлектронный или же термоэлектрический преобразователь для выработки электроэнергии.

С начала 1990-х годов были предложены многочисленные энергетические системы ядерных реакторов с использованием тепловых труб для передачи тепла между активной зоной реактора и системой преобразования энергии.[44] Первый ядерный реактор, производящий электричество с использованием тепловых труб, впервые был задействован 13 сентября 2012 года в ходе демонстрации с использованием деления с плоским верхом.[45]

Роторные двигатели внутреннего сгорания Ванкеля

Воспламенение топливной смеси всегда происходит в одной и той же части. Двигатели Ванкеля, вызывая диспропорции теплового расширения, которые снижают выходную мощность, снижают экономию топлива и ускоряют 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»,[нужна цитата ] они добились снижения верхней температуры двигателя с 231 ° C до 129 ° C, а разница температур уменьшилась с 159 ° C до 18 ° C для типичного двигателя с воздушным охлаждением с небольшой камерой смещения. Беспилотный летательный аппарат двигатель.

Теплообменники с тепловыми трубками

Теплообменники переносят тепло от горячего потока к холодному потоку воздуха, воды или масла. Теплообменник с тепловыми трубками содержит несколько тепловых трубок, каждая из которых действует как отдельный теплообменник. Это увеличивает эффективность, срок службы и безопасность. В случае поломки одной тепловой трубки выделяется только небольшое количество жидкости, что имеет решающее значение для определенных промышленных процессов, таких как литье алюминия. Кроме того, при поломке одной тепловой трубки теплообменник с тепловой трубкой все еще остается в рабочем состоянии.

Разработанные в настоящее время приложения

В связи с большой адаптируемостью тепловых трубок исследователи изучают возможность использования тепловых трубок в различных системах:

  • Повышение эффективности геотермального отопления для предотвращения скользких дорог зимой в холодных климатических зонах [46]
  • 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, тестируемая установка использует рекуперированное тепловое тепло для нагрева, например, воды. [47]
  • Гибридные тепловые трубки регулирующих стержней для отключения ядерного реактора в случае аварии и одновременного отвода остаточного тепла, чтобы предотвратить перегрев реактора [48]

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 расчетного теплового диапазона тепловая труба теплопроводность эффективно сводится к теплопроводность свойства только его твердого металлического корпуса. В случае медь корпус, что составляет около 1/80 исходного потока. Это связано с тем, что ниже предполагаемого диапазона температур рабочая жидкость не будет претерпевать фазового перехода, а выше этого все 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.[49]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Фагри, А, 2016 г., Наука и технологии тепловых трубок, Второе издание, Global Digital Press.
  2. ^ «Теплопроводность обычных металлов, металлических элементов и сплавов». www.engineeringtoolbox.com. Получено 15 октября, 2020.
  3. ^ Praful, S; Prajwal Rao, V; Виджет, V; Бхагават, Сканда V; Ситхараму, К. Н.; Нарасимха Рао, Р. (2020). «О рабочей температуре тепловых трубок». Journal of Physics: Серия конференций. 1473: 012025. Дои:10.1088/1742-6596/1473/1/012025. ISSN  1742-6588.
  4. ^ «Улучшение материалов, преобразующих тепло в электричество и наоборот». Ecnmag.com. 6 мая 2013 г. Архивировано с оригинал 28 июля 2013 г.. Получено 2013-05-07.
  5. ^ а б Популярная наука - Google Книги. Июнь 1974 г.. Получено 2013-05-07.
  6. ^ Джим Даннескиолд, Тепловые трубки, разработанные в Лос-Аламосе, облегчают космический полет. Пресс-релиз Лос-Аламоса, 26 апреля 2000 г.
  7. ^ Жизненные испытания В архиве 2014-11-03 в Wayback Machine
  8. ^ «Несовместимые пары жидкость для тепловых трубок / оболочка». www.1-act.com.
  9. ^ «Материалы тепловых труб, рабочие жидкости и совместимость». www.1-act.com.
  10. ^ «Совместимые жидкости и материалы для тепловых трубок - Технология тепловых труб». www.1-act.com.
  11. ^ «Тепловые трубки - различные виды тепловых трубок». www.1-act.com.
  12. ^ Advanced Cooling Technologies Inc. (29 ноября 2013 г.). "Анимация паровой камеры" - через YouTube.
  13. ^ «Паровые камеры». www.1-act.com.
  14. ^ «Двухфазные плоскости термического заземления с высоким тепловым потоком, высокой мощностью, низким сопротивлением и низким КТР для прямого присоединения кристаллов». www.1-act.com.
  15. ^ «Легион 7i разрекламирован: не все модели имеют испарительные камеры». Копье. 2020-08-28. Получено 2020-10-20.
  16. ^ «Моделирование и оптимизация конструкции ультратонких паровых камер для приложений с высоким тепловым потоком, Р. Ранджан и др., Публикации исследовательского центра технологий охлаждения Университета Пердью, документ 186, 2012». Purdue.edu.
  17. ^ «VCHPs для пассивного контроля температуры». www.1-act.com.
  18. ^ «PCHP для точного контроля температуры». www.1-act.com.
  19. ^ «Применение тепловых трубок с регулируемым давлением». www.1-act.com.
  20. ^ «Диодные тепловые трубки». www.1-act.com.
  21. ^ а б «Тепловые трубки с регулируемой проводимостью для переменных тепловых звеньев». www.1-act.com.
  22. ^ Advanced Cooling Technologies Inc. (7 ноября 2013 г.). "Анимация тепловых трубок с жидким диодом" - через YouTube.
  23. ^ "Теплообменник, системы охлаждения и ребойлеры Thermosyphon от ACT". www.1-act.com.
  24. ^ Т. Сторч и др., «Смачивание и поведение пленки пропана внутри геотермальных тепловых труб», 16-я Международная конференция по тепловым трубам, Лион, Франция, 20–24 мая 2012 г.
  25. ^ Ку, Джентунг; Оттенштейн, Лаура; Дуглас, Доня; Хоанг, Трием. "Миниатюрная петлевая тепловая трубка с несколькими испарителями для управления тепловым режимом малых космических аппаратов". Американский институт аэронавтики и астрономии. Центр космических полетов Годдарда. HDL:2060/20110015223.
  26. ^ Ку, Джентунг; Пайва, Клебер; Мантелли, Марсия. «Переходное поведение контура тепловой трубы с использованием температуры источника тепла для контроля уставки с термоэлектрическим преобразователем на резервуаре». НАСА. Центр космических полетов Годдарда. HDL:2060/20110015224.
  27. ^ «Знакомство с пульсирующими тепловыми трубками». Май 2003 г.
  28. ^ «Испытания и анализ срока службы тепловых труб при промежуточных температурах». www.1-act.com.
  29. ^ «Тепловые трубки», пятое издание, Д. А. Рей, П. А. Кью, стр. 10.
  30. ^ Гоглер, Ричард (1944). «Устройства теплопередачи». Дейтон, Огайо: Патентное бюро США: 4. 2350348. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  31. ^ «Устройство теплопередачи». google.com.
  32. ^ «Устройство испарочно-конденсационной теплопередачи». google.com.
  33. ^ "Джордж М. Гровер, 81 год, изобретатель популярного теплопередающего устройства", 3 ноября 1996 г., New York Times
  34. ^ Energy, Том Харпер, директор по информационным технологиям, Лос-Аламосская национальная лаборатория, управляемая Los Alamos National Security, LLC, по заказу Министерства США. "Сервис недоступен". www.lanl.gov.
  35. ^ «Вдохновленная технология тепловых труб», lanl.gov
  36. ^ Истман, «Тепловая трубка», журнал Scientific American, Vol. 218, No. 5, pp. 38-46, May 1968.
  37. ^ Янссон, Дик (2010). «Тепловые трубки» (PDF). QEX. ARRL (июль-август 2010 г.): 3–9. Получено 14 ноября, 2011.
  38. ^ [1], 1998, Хун Се, Intel Corp, IEEE
  39. ^ Планирование и установка солнечных тепловых систем: руководство для установщиков ... - Google Книги. 2005. ISBN  9781844071258. Получено 2013-05-07.
  40. ^ К. Э. Хойер, «Применение тепловых труб на Трансаляскинском трубопроводе», специальный отчет 79–26, Инженерный корпус армии США, сентябрь 1979 г.
  41. ^ «Термосифонная технология искусственного замораживания грунта (AGF)». simmakers.com.
  42. ^ Среднезападный научно-исследовательский институт, Тепловые трубки, Отчет НАСА НАСА CR-2508, стр. 19 января 1975 г.
  43. ^ Кью, Дэвид Энтони Рэй; Питер. А. (2006). Тепловые трубы (5-е изд.). Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. п.309. ISBN  978-0-7506-6754-8.
  44. ^ «Ядерные реакторы для космоса». Всемирная ядерная ассоциация. Получено 21 сентября 2012.
  45. ^ «Исследователи тестируют новую систему питания для космических путешествий».
  46. ^ Цянь Цин, Дэн-Чун Чжан и Да-Вей Чен (2019). «Анализ гравитационной тепловой трубы для защиты от обледенения и таяния снега на дорожном покрытии». Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия. 592: 012012. Дои:10.1088 / 1757-899X / 592/1/012012.
  47. ^ Х. Джухараа, Я. Милкоб, Я. Даниелевич, М.А. Сайегб, М. Шульговска-Згживаб, Я. Рамоск, С.П. Лестер (2016). «Характеристики нового теплового солнечного коллектора на основе плоских тепловых трубок и PV / T (фотоэлектрические и тепловые системы), который может использоваться в качестве энергоактивного материала оболочки здания». Энергия. 108: 148–154. Дои:10.1016 / j.energy.2015.07.063 - через Published by Elsevier, доступный также через Research Gate.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  48. ^ Кён Мо Ким, In Cheol Bang. «Эффективное управление энергопотреблением в сухом хранилище отработавшего топлива на основе гибридного стержня управления и тепловой трубки». Международный журнал энергетических исследований. Дои:10.1002 / er.5910 (неактивен 2020-10-23).CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на октябрь 2020 г. (связь)
  49. ^ "Что следует учитывать при сгибании или сплющивании тепловой трубы | Enertron". Получено 2019-04-22.

внешняя ссылка