Varme rør - Heat pipe
Et varmeledning er en varmeoverføringsenhet som bruker faseovergang for å overføre varme mellom to faste grensesnitt .
Ved det varme grensesnittet til et varmeledning blir en flyktig væske i kontakt med en termisk ledende fast overflate til en damp ved å absorbere varme fra overflaten. Dampen beveger seg deretter langs varmeledningen til det kalde grensesnittet og kondenserer tilbake til en væske og frigjør latent varme . De flytende deretter tilbake til det varme grensesnittet enten gjennom kapillarvirkning , sentrifugalkraft , eller tyngdekraft og syklusen gjentas. På grunn av de svært høye varmeoverføringskoeffisientene for koking og kondens , er varmeledninger svært effektive termiske ledere. Den effektive varmeledningsevnen varierer med varmeledningslengden, og kan nærme seg100 kW/(m⋅K) for lange varmeledninger, sammenlignet med ca.0,4 kW/(m⋅K) for kobber .
Struktur, design og konstruksjon
Et typisk varmeledning består av et forseglet rør eller rør som er laget av et materiale som er kompatibelt med arbeidsfluidet, for eksempel kobber til vannvarmerør, eller aluminium for ammoniakkvarmerør. Vanligvis brukes en vakuumpumpe til å fjerne luften fra det tomme varmeledningen. Varmeledningen fylles delvis med et arbeidsvæske og forsegles deretter. Arbeidsvæskemassen velges slik at varmeledningen inneholder både damp og væske over driftstemperaturområdet .
Den oppgitte/anbefalte driftstemperaturen til et gitt varmeledningsanlegg er kritisk viktig. Under driftstemperaturen er væsken for kald og kan ikke fordampe til en gass. Over driftstemperaturen har all væsken blitt til gass, og omgivelsestemperaturen er for høy til at noen av gassen kan kondensere. Termisk ledning er fremdeles mulig gjennom veggene i varmeledningen, men med en sterkt redusert termisk overføringshastighet. I tillegg, for en gitt varmeinngang, er det nødvendig at en minimumstemperatur for arbeidsfluidet oppnås; mens i den andre enden vil enhver ytterligere økning (avvik) i varmeoverføringskoeffisienten fra den opprinnelige konstruksjonen ha en tendens til å hemme varmeledningsvirkningen. Dette kan være kontraintuitivt, i den forstand at hvis et varmeledningssystem blir hjulpet av en vifte, kan varmeledningsoperasjonen brytes ned, noe som resulterer i redusert effektivitet av det termiske styringssystemet - potensielt alvorlig redusert. Driftstemperaturen og den maksimale varmetransportkapasiteten til et varmeledning - begrenset av dets kapillær eller annen struktur som brukes til å føre væsken tilbake til det varme området (sentrifugalkraft, tyngdekraft, etc.) - er derfor uunngåelig og nært beslektet.
Arbeidsvæsker velges i henhold til temperaturene som varmeledningen må fungere ved, med eksempler fra flytende helium for ekstremt lave temperaturer (2–4 K ) til kvikksølv (523–923 K), natrium (873–1473 K) og til og med indium (2000–3000 K) for ekstremt høye temperaturer. De aller fleste varmeledninger for romtemperaturapplikasjoner bruker ammoniakk (213–373 K), alkohol ( metanol (283–403 K) eller etanol (273–403 K)) eller vann (298–573 K) som arbeidsvæske . Kobber/vann varmeledninger har en kobberhylster, bruker vann som arbeidsvæske og opererer vanligvis i temperaturområdet 20 til 150 ° C. Varmevarmeledninger fylles noen ganger ved delvis å fylle med vann, varme opp til vannet koker og forskyver luften, og forsegles deretter mens det er varmt.
For at varmeledningen skal overføre varme, må den inneholde mettet væske og dens damp (gassfase). Den mettede væsken fordamper og beveger seg til kondensatoren, hvor den avkjøles og vendes tilbake til en mettet væske. I et standard varmeledning returneres den kondenserte væsken til fordamperen ved hjelp av en veke -struktur som utøver en kapillær virkning på væsken i arbeidsfluidet. Vekstrukturer som brukes i varmeledninger inkluderer sintret metallpulver , skjerm og rillede veker, som har en serie spor parallelt med røraksen. Når kondensatoren er plassert over fordamperen i et gravitasjonsfelt, kan tyngdekraften returnere væsken. I dette tilfellet er varmeledningen en termosifon . Til slutt bruker roterende varmeledninger sentrifugalkrefter for å føre væske tilbake fra kondensatoren til fordamperen.
Varmeledninger inneholder ingen mekaniske bevegelige deler og krever vanligvis ikke vedlikehold, selv om ikke-kondenserbare gasser som diffunderer gjennom rørets vegger, som skyldes nedbrytning av arbeidsvæsken, eller som eksisterer som originale urenheter i materialet, til slutt kan redusere rørets effektivitet ved overføring av varme.
Fordelen med varmeledninger fremfor mange andre varmeavledende mekanismer er deres store effektivitet i overføring av varme. Et rør en tomme i diameter og to fot langt kan overføre 3,7 kW (12.500 BTU per time) ved 1800 ° F (980 ° C) med bare 18 ° F (10 ° C) fall fra ende til ende. Noen varmeledninger har vist en varmestrøm på mer enn 23 kW/cm², omtrent fire ganger varmestrømmen gjennom overflaten av solen.
Varm rørmaterialer og arbeidsvæsker
Varmerør har en konvolutt, en veke og en arbeidsvæske. Varmeledninger er konstruert for svært langvarig drift uten vedlikehold, så veggen og veken til varmeledningen må være kompatible med arbeidsvæsken. Noen par av materialer/arbeidsvæsker som ser ut til å være kompatible, er ikke det. For eksempel vil vann i en aluminiumshylse utvikle store mengder ikke-kondenserbar gass i løpet av noen timer eller dager, noe som forhindrer normal drift av varmeledningen.
Siden varme rør ble gjenoppdaget av George Grover i 1963, har omfattende livstester blitt utført for å finne kompatible konvolutt/væske par, noen har pågått i flere tiår. I en levetidstest for varmeledninger drives varmeledninger i lange perioder og overvåkes for problemer som ikke-kondenserbar gassgenerering, materialtransport og korrosjon.
De mest brukte parene konvolutt (og veke)/væske inkluderer:
- Kobberkonvolutt med vannarbeidsvæske for elektronisk kjøling . Dette er den desidert vanligste typen varmeledninger.
- Kobber- eller stålkonvolutt med kjølemiddel R134a arbeidsfluid for energigjenvinning i HVAC -systemer.
- Aluminiumskonvolutt med ammoniakk arbeidsfluid for romfartøyets termiske kontroll .
- Superlegeringskonvolutt med alkalimetall (cesium, kalium, natrium) arbeidsfluid for høye temperaturvarmerør, oftest brukt til kalibrering av primære temperaturmåler.
Andre par inkluderer konvolutter i rustfritt stål med nitrogen-, oksygen-, neon-, hydrogen- eller helium -arbeidsfluider ved temperaturer under 100 K, kobber/metanol -varmeledninger for elektronisk kjøling når varmeledningen må fungere under vannområdet, aluminium/etan -varmeledninger for romfartøyets termiske kontroll i miljøer hvor ammoniakk kan fryse, og ildfast metallkonvolutt /litium arbeidsfluid for applikasjoner med høy temperatur (over 1050 ° C (1.920 ° F)).
Typer varmeledninger
I tillegg til vanlige varmeledninger med konstant konduktans (CCHP), finnes det en rekke andre typer varmeledninger, inkludert:
- Dampkamre (plane varmeledninger), som brukes til transformasjon av varmefluks, og isotermisering av overflater
- Varme rør med variabel konduktans (VCHP), som bruker en ikke-kondenserbar gass (NCG) for å endre varmeledningens effektive varmeledningsevne etter hvert som strøm eller kjøleribbeforholdene endres
- Trykkregulerte varmeledninger (PCHP), som er en VCHP hvor volumet i reservoaret eller NCG -massen kan endres, for å gi mer presis temperaturkontroll
- Diodevarmerør, som har høy varmeledningsevne i foroverretningen, og lav varmeledningsevne i motsatt retning
- Termosyfoner, som er varmeledninger hvor væsken føres tilbake til fordamperen av gravitasjons-/akselerasjonskrefter,
- Roterende varmeledninger, der væsken føres tilbake til fordamperen av sentrifugalkrefter
Damppammer eller flate varmeledninger
Tynne plane varmeledninger ( varmespredere ) har de samme hovedkomponentene som rørformede varmeledninger: et hermetisk forseglet hulkar, et arbeidsvæske og et kapillær resirkulasjonssystem med lukket sløyfe. I tillegg brukes vanligvis en intern støttestruktur eller en serie stolper i et dampkammer for å imøtekomme klemmetrykk, noen ganger opptil 90 PSI. Dette bidrar til å forhindre sammenbrudd av flat topp og bunn når trykket påføres.
Det er to hovedapplikasjoner for dampkamre. For det første brukes de når høy effekt og varmefluks påføres en relativt liten fordamper. Varmetilførsel til fordamperen fordamper væske, som strømmer i to dimensjoner til kondensatoroverflatene. Etter at dampen har kondensert på kondensatoroverflatene, returnerer kapillarkrefter i veken kondensatet til fordamperen. Vær oppmerksom på at de fleste dampkamre er ufølsomme for tyngdekraften, og vil fortsatt fungere når de er invertert, med fordamperen over kondensatoren. I denne applikasjonen fungerer dampkammeret som en varmestrømstransformator, som kjøler en høy varmefluks fra en elektronisk brikke eller laserdiode, og transformerer den til en lavere varmefluks som kan fjernes ved naturlig eller tvungen konveksjon. Med spesielle fordamperveger kan dampkamre fjerne 2000 W over 4 cm 2 eller 700 W over 1 cm 2 .
En annen stor bruk av dampkamre er for kjøling i bærbare datamaskiner. Fordi dampkamre er en flatere og mer todimensjonal metode for varmespredning, har slankere bærbare gaming-datamaskiner stor fordel av dem sammenlignet med tradisjonelle varmeledninger. For eksempel var avkjøling av dampkammeret i Lenovos Legion 7i det mest unike salgsargumentet (selv om det ble feilannonsert som alle modeller som hadde dampkamre, mens det faktisk bare var noen få).
For det andre, i forhold til et endimensjonalt rørformet varmeledning, tillater bredden på et todimensjonalt varmeledning et tilstrekkelig tverrsnitt for varmestrøm selv med en veldig tynn enhet. Disse tynne, varme varmerørene finner veien til “høydefølsomme” applikasjoner, for eksempel bærbare datamaskiner og overflatemonterte kretskortkjerner. Det er mulig å produsere flate varmeledninger så tynne som 1,0 mm (litt tykkere enn et 0,76 mm kredittkort ).
Varme rør med variabel konduktans (VCHP)
Standard varmeledninger er enheter med konstant konduktans, der driftstemperaturen til varmeledningen er angitt av kilde- og vasketemperaturene, termiske motstander fra kilden til varmeledningen og de termiske motstandene fra varmeledningen til vasken. I disse varmeledningene synker temperaturen lineært når effekt- eller kondensatortemperaturen reduseres. For noen applikasjoner, for eksempel satellitt- eller forskningsballongtermisk kontroll, vil elektronikken bli overkjølt ved lav effekt eller ved lave synke -temperaturer. Variable Conductance Heat Pipes (VCHP) brukes til å passivt opprettholde temperaturen på elektronikken som avkjøles når strøm- og vaskeforholdene endres.
Varmerør med variabel konduktans har to tillegg sammenlignet med et standard varmeledning: 1. et reservoar, og 2. en ikke-kondenserbar gass (NCG) tilført varmeledningen, i tillegg til arbeidsvæsken; se bildet i romfartøydelen nedenfor . Denne ikke-kondenserbare gassen er vanligvis argon for standard varmerør med variabel konduktans og helium for termosyfoner. Når varmeledningen ikke er i drift, blandes den ikke-kondenserbare gassen og arbeidsfluiddampen gjennom varmrørets damprom. Når varmerøret med variabel konduktans er i drift, feies den ikke-kondenserbare gassen mot kondensatorenden av varmeledningen av strømmen av arbeidsfluiddampen. Det meste av den ikke-kondenserbare gassen befinner seg i reservoaret, mens resten blokkerer en del av varmelednings-kondensatoren. Varmerøret med variabel konduktans fungerer ved å variere kondensatorens aktive lengde. Når temperaturen på kraften eller kjøleribben økes, øker varmeledningens damptemperatur og trykk. Det økte damptrykket tvinger mer av den ikke-kondenserbare gassen inn i reservoaret, noe som øker den aktive kondensatorlengden og varmeledningens konduktans. Motsatt, når kraft- eller kjøleribbe-temperaturen reduseres, reduseres varmelednings damptemperatur og trykk, og den ikke-kondenserbare gassen utvides, noe som reduserer den aktive kondensatorlengden og varmeledningens konduktans. Tilførsel av en liten varmeapparat på reservoaret, med effekten styrt av fordamperens temperatur, vil tillate termisk kontroll på omtrent ± 1-2 ° C. I et eksempel ble fordamperens temperatur opprettholdt i et kontrollbånd på ± 1,65 ° C, ettersom effekten ble variert fra 72 til 150 W, og temperaturen på kjøleribben varierte fra +15 ° C til -65 ° C.
Trykkstyrte varmeledninger (PCHP) kan brukes når strammere temperaturkontroll er nødvendig. I et trykkstyrt varmeledning brukes fordamperens temperatur til å enten variere reservoarvolumet eller mengden av ikke-kondenserbar gass i varmeledningen. Trykkregulerte varmeledninger har vist milli-Kelvin temperaturkontroll.
Diode varmeledninger
Konvensjonelle varmeledninger overfører varme i begge retninger, fra den varmere til den kaldere enden av varmeledningen. Flere forskjellige varmeledninger fungerer som en termisk diode , og overfører varme i den ene retningen, mens de fungerer som en isolator i den andre:
- Termosyfoner , som bare overfører varme fra bunnen til toppen av termosyfonen, hvor kondensatet kommer tilbake ved tyngdekraften. Når termosyfonen varmes opp på toppen, er det ingen væske tilgjengelig for å fordampe.
- Roterende varmeledninger, der varmeledningen er formet slik at væske bare kan bevege seg med sentrifugalkrefter fra den nominelle fordamperen til den nominelle kondensatoren. Igjen er det ingen væske tilgjengelig når den nominelle kondensatoren varmes opp.
- Varmefanger diode varmeledninger.
- Væskefelle diode varmeledninger.
En dampfangerdiode er produsert på lignende måte som et varmeledning med variabel konduktans, med et gassreservoar i enden av kondensatoren. Under fabrikasjon blir varmeledningen ladet med arbeidsvæsken og en kontrollert mengde av en ikke-kondenserbar gass (NCG). Under normal drift feier strømmen av arbeidsvæskedampen fra fordamperen til kondensatoren den ikke-kondenserbare gassen inn i reservoaret, der den ikke forstyrrer den normale varmeledningsdriften. Når den nominelle kondensatoren varmes opp, er dampstrømmen fra den nominelle kondensatoren til den nominelle fordamperen. Den ikke-kondenserbare gassen dras sammen med den flytende dampen, blokkerer den nominelle fordamperen fullstendig og øker varmeledningens termiske resistivitet kraftig. Generelt er det en viss varmeoverføring til den nominelle adiabatiske delen. Varme ledes deretter gjennom varmeledningsveggene til fordamperen. I ett eksempel bar en dampfangerdiode 95 W i foroverretningen, og bare 4,3 W i motsatt retning.
En væskefangerdiode har et ondt reservoar ved fordamperenden av varmeledningen, med en separat veke som ikke er i kommunikasjon med veken i resten av varmeledningen. Under normal drift blir fordamperen og reservoaret oppvarmet. Dampen strømmer til kondensatoren, og væske kommer tilbake til fordamperen med kapillarkrefter i veken. Reservoaret tørker til slutt ut, siden det ikke er noen metode for retur av væske. Når den nominelle kondensatoren varmes opp, kondenseres væske i fordamperen og reservoaret. Mens væsken kan gå tilbake til den nominelle kondensatoren fra den nominelle fordamperen, er væsken i reservoaret fanget, siden reservoarveien ikke er tilkoblet. Etter hvert blir all væsken fanget i reservoaret, og varmeledningen opphører driften.
Termosyfoner
De fleste varmeledninger bruker en veke for å føre væsken tilbake fra kondensatoren til fordamperen, slik at varmeledningen kan operere i hvilken som helst retning. Væsken suges tilbake til fordamperen ved kapillærvirkning , på samme måte som en svamp suger opp vann når en kant plasseres i kontakt med et vannbasseng. Den maksimale negative høyden (fordamperen over kondensatoren) er imidlertid relativt liten, i størrelsesorden 25 cm lang for et typisk vannvarmeledning.
Hvis fordamperen imidlertid befinner seg under kondensatoren, kan væsken renne tilbake av tyngdekraften i stedet for å kreve en veke, og avstanden mellom de to kan være mye lengre. Et slikt tyngdekraftstøttet varmeledning er kjent som et termosyfon .
I en termosyfon fordampes flytende arbeidsvæske av en varme som tilføres fordamperen i bunnen av varmeledningen. Dampen beveger seg til kondensatoren på toppen av varmeledningen, hvor den kondenserer. Væsken dreneres deretter tilbake til bunnen av varmeledningen av tyngdekraften, og syklusen gjentas. Thermosyphons er diode varme rør; når det tilføres varme til kondensatorenden, er det ikke noe kondensat tilgjengelig, og dermed ingen måte å danne damp og overføre varme til fordamperen.
Mens et typisk terrestrisk vannvarmerør er mindre enn 30 cm langt, er termosyfoner ofte flere meter lange. Som diskutert nedenfor var termosyfonene som ble brukt til å avkjøle Alaska -rørledningen, omtrent 11 til 12 m lange. Enda lengre termosyfoner er blitt foreslått for utvinning av geotermisk energi. For eksempel, Storch et al. produserte en 53 mm ID, 92 m lang propan -termosyfon som bar omtrent 6 kW varme.
Sløyfe varmeledning
Et sløyfe-varmeledning (LHP) er en passiv to-fase overføringsenhet relatert til varmeledningen. Den kan bære høyere effekt over lengre avstander ved å ha strøm av væske og damp i motsetning til motstrømmen i et varmeledning. Dette gjør at veken i et sløyfe -varmeledning bare er nødvendig i fordamperen og kompensasjonskammeret. Varmeledninger med mikrosløyfe er utviklet og vellykket brukt i et bredt spekter av applikasjoner både på bakken og i rommet.
Oscillerende eller pulserende varmeledning
Et oscillerende varmeledning, også kjent som et pulserende varmeledning, er bare delvis fylt med flytende arbeidsfluid. Røret er anordnet i et serpentinmønster der flytende og dampsegmenter som beveger seg fritt veksler. Oscillasjon finner sted i arbeidsvæsken; røret forblir ubevegelig.
Varmeoverføring
Varmeledninger benytter faseendring for å overføre termisk energi fra ett punkt til et annet ved fordampning og kondensering av et arbeidsfluid eller kjølevæske. Varmeledninger er avhengige av en temperaturforskjell mellom rørets ender, og kan ikke senke temperaturen i hver ende under omgivelsestemperaturen (derfor har de en tendens til å utligne temperaturen inne i røret).
Når den ene enden av varmeledningen varmes opp, fordamper arbeidsfluidet inne i røret i den enden og øker damptrykket inne i varmeledningen. Den latente fordampningsvarmen som absorberes av arbeidsfluidet reduserer temperaturen i den varme enden av røret.
Damptrykket over det varme væske -arbeidsfluidet i den varme enden av røret er høyere enn likevektsdamp -trykket over det kondenserende arbeidsfluidet ved den kjøligere enden av røret, og denne trykkforskjellen driver en rask masseoverføring til kondenseringsenden hvor overflødig damp kondenserer, frigjør sin latente varme og varmer den kjølige enden av røret. Ikke-kondenserende gasser (forårsaket av forurensning for eksempel) i dampen hindrer gassstrømmen og reduserer effektiviteten til varmeledningen, spesielt ved lave temperaturer, hvor damptrykket er lavt. Hastigheten til molekyler i en gass er omtrent lydens hastighet, og i fravær av ikke -kondenserende gasser (dvs. hvis det bare er en gassfase tilstede) er dette den øvre grensen for hastigheten som de kunne bevege seg i varmeledningen med . I praksis er dampens hastighet gjennom varmeledningen begrenset av kondenshastigheten i den kalde enden og langt lavere enn molekylhastigheten. Merknad/forklaring: Kondensasjonshastigheten er veldig nær stikk -koeffisienten ganger molekylhastigheten ganger gasstettheten, hvis kondenseringsoverflaten er veldig kald. Imidlertid, hvis overflaten er nær gassens temperatur, vil fordampningen forårsaket av overflatens endelige temperatur i stor grad avbryte denne varmestrømmen. Hvis temperaturforskjellen er mer enn noen titalls grader, er fordampningen fra overflaten vanligvis ubetydelig, slik det kan vurderes ut fra damptrykkskurvene. I de fleste tilfeller, med svært effektiv varmetransport gjennom gassen, er det svært utfordrende å opprettholde så betydelige temperaturforskjeller mellom gassen og kondenseringsoverflaten. Videre tilsvarer disse temperaturforskjellene selvfølgelig en stor effektiv termisk motstand i seg selv. Flaskehalsen er ofte mindre alvorlig ved varmekilden, ettersom gasstettheten er høyere der, tilsvarende høyere maksimal varmefluks.
Det kondenserte arbeidsfluidet strømmer deretter tilbake til den varme enden av røret. Ved vertikalt orienterte varmeledninger kan væsken beveges av tyngdekraften. Når det gjelder varmeledninger som inneholder veker, returneres væsken ved kapillærvirkning .
Når du lager varmeledninger, er det ikke nødvendig å skape et vakuum i røret. Man bare koker arbeidsvæsken i varmeledningen til den resulterende dampen har renset de ikke-kondenserende gassene fra røret, og deretter tetter enden.
En interessant egenskap ved varmeledninger er temperaturområdet de er effektive over. I utgangspunktet kan det mistenkes at et vannladet varmeledning bare fungerer når den varme enden når kokepunktet (100 ° C, 212 ° F, ved normalt atmosfæretrykk) og damp overføres til den kalde enden. Vannets kokepunkt avhenger imidlertid av det absolutte trykket inne i røret. I et evakuert rør fordamper vann fra trippelpunktet (0,01 ° C, 32 ° F) til det kritiske punktet (374 ° C; 705 ° F), så lenge varmeledningen inneholder både væske og damp. Dermed kan et varmeledning operere ved varme ende temperaturer så lave som bare litt varmere enn smeltepunktet for arbeidsfluidet, selv om maksimal varmeoverføringshastighet er lav ved temperaturer under 25 ° C (77 ° F). På samme måte kan et varmeledning med vann som arbeidsvæske fungere godt over det atmosfæriske kokepunktet (100 ° C, 212 ° F). Maksimal temperatur for langvarige vannvarmerør er 270 ° C (518 ° F), med varmeledninger som opererer opptil 300 ° C (572 ° F) for kortsiktige tester.
Hovedårsaken til effektiviteten til varmeledninger er fordampning og kondensering av arbeidsfluidet. Den fordampningsvarme stor grad overstiger den spesifikke varmekapasitet . Ved å bruke vann som eksempel er energien som trengs for å fordampe ett gram vann 540 ganger energimengden som trengs for å heve temperaturen på det samme ett gram vann med 1 ° C. Nesten all den energien overføres raskt til den "kalde" enden når væsken kondenserer der, noe som gir et veldig effektivt varmeoverføringssystem uten bevegelige deler.
Utvikling
Det generelle prinsippet for varmeledninger som bruker tyngdekraften, vanligvis klassifisert som tofasede termosifoner , går tilbake til dampalderen og Angier March Perkins og sønnen Loftus Perkins og "Perkins Tube", som så utbredt bruk i lokomotivkjeler og arbeidsovner. Kapillarbaserte varmeledninger ble først foreslått av RS Gaugler fra General Motors i 1942, som patenterte ideen, men ikke utviklet den videre.
George Grover utviklet uavhengig kapillarbaserte varmeledninger ved Los Alamos National Laboratory i 1963, med patentet det året som den første som brukte begrepet "varmeledning", og han blir ofte referert til som "oppfinner av varmeledningen" . Han noterte i notatboken sin:
Et slikt lukket system, som ikke krever eksterne pumper, kan være av spesiell interesse for romreaktorer for å flytte varme fra reaktorkjernen til et strålingssystem. I mangel av tyngdekraften må kreftene bare være slik at de kan overvinne kapillæren og slepet til den retur dampen gjennom kanalene.
Grovers forslag ble tatt opp av NASA , som spilte en stor rolle i utvikling av varmeledninger på 1960 -tallet, spesielt når det gjelder applikasjoner og pålitelighet i romfart. Dette var forståelig gitt lav vekt, høy varmestrøm og null effektuttak av varmeledninger - og at de ikke ville bli negativt påvirket av drift i et miljø med null tyngdekraft.
Den første applikasjonen av varmeledninger i romprogrammet var termisk ekvilibrering av satellittranspondere. Når satellitter går i bane, blir den ene siden utsatt for solens direkte stråling mens den motsatte siden er helt mørk og utsatt for den dype kulden i verdensrommet . Dette forårsaker alvorlige avvik i temperaturen (og dermed påliteligheten og nøyaktigheten) til transponderne. Varmerørens kjølesystem designet for dette formålet håndterte de høye varmestrømmene og demonstrerte feilfri drift med og uten påvirkning av tyngdekraften. Kjølesystemet som ble utviklet var den første bruken av varmerør med variabel konduktans for aktivt å regulere varmestrøm eller fordampertemperatur.
Bredere bruk
NASA har testet varmeledninger designet for ekstreme forhold, hvor noen bruker flytende natriummetall som arbeidsvæske. Andre former for varmeledninger brukes for tiden til å avkjøle kommunikasjonssatellitter. Publikasjoner i 1967 og 1968 av Feldman, Eastman og Katzoff diskuterte først anvendelser av varmeledninger for bredere bruk, for eksempel i klimaanlegg, motorkjøling og elektronikk kjøling. Disse papirene var også de første som nevnte fleksible, arterielle og flate platevarmerør. Publikasjoner i 1969 introduserte konseptet med det rotasjonsvarmerøret med dets applikasjoner for turbinebladkjøling og inneholdt de første diskusjonene om varmeledningsapplikasjoner til kryogene prosesser.
Fra og med 1980 -tallet begynte Sony å inkorporere varmeledninger i kjøleordningene for noen av sine kommersielle elektroniske produkter i stedet for både tvungen konveksjon og passive finnede varmeavleder. Opprinnelig ble de brukt i mottakere og forsterkere, og spredte seg snart til andre elektroniske applikasjoner med høy varme.
I løpet av slutten av 1990 -tallet økte stadig høyere varmefluksmikrodatamaskin -CPUer en tredobling i antall amerikanske varmepipersøknader. Etter hvert som varmeledninger utviklet seg fra en spesialisert industriell varmeoverføringskomponent til en forbruksvare, flyttet mest utvikling og produksjon fra USA til Asia.
Moderne CPU -varmeledninger er vanligvis laget av kobber og bruker vann som arbeidsvæske. De er vanlige i mange forbrukerelektronikk som stasjonære datamaskiner, bærbare datamaskiner, nettbrett og avanserte smarttelefoner.
applikasjoner
Romfartøy
Den romfartøy termisk kontroll system har den funksjon å holde alle komponentene på sonden innenfor deres akseptable temperaturområde. Dette kompliseres av følgende:
- Mye varierende ytre forhold, for eksempel formørkelser
- Micro-g miljø
- Varmefjerning fra sonden ved termisk stråling bare
- Begrenset elektrisk strøm tilgjengelig, og favoriserer passive løsninger
- Lang levetid, uten mulighet for vedlikehold
Noen romfartøyer er designet for å vare i 20 år, så varmetransport uten elektrisk kraft eller bevegelige deler er ønskelig. Å avvise varmen med termisk stråling betyr at store radiatorruter (flere kvadratmeter) kreves. Varmerør og sløyfevarmerør brukes mye i romfartøyer, siden de ikke krever strøm for å operere, operere nesten isotermisk og kan transportere varme over lange avstander.
Rillede veker brukes i romfartøyets varmeledninger, som vist på det første fotografiet i denne delen. Varmerørene er dannet av ekstrudering av aluminium, og har vanligvis en integrert flens for å øke varmeoverføringsområdet, noe som senker temperaturfallet. Rillede veker brukes i romfartøy, i stedet for skjermen eller sintrede veker som brukes til jordvarmerør, siden varmerørene ikke trenger å operere mot tyngdekraften i rommet. Dette gjør at romfartøyets varmeledninger kan være flere meter lange, i motsetning til den omtrent 25 cm maksimale lengden for et vannvarmerør som opererer på jorden. Ammoniakk er den vanligste arbeidsvæsken for romfarts varmeledninger. Etan brukes når varmeledningen må operere ved temperaturer under ammoniakkens frysetemperatur.
Den andre figuren viser et typisk rillet varmeledning med variabel konduktans av aluminium/ammoniakk (VCHP) for romfartøyets termiske kontroll. Varmeledningen er en ekstrudering av aluminium, lik den som er vist i den første figuren. Det nederste flensområdet er fordamperen. Over fordamperen blir flensen bearbeidet slik at den adiabatiske delen kan bøyes. Kondensatoren er vist over den adiabatiske seksjonen. Det ikke-kondenserbare gassreservoaret (NCG) er plassert over hovedvarmerøret. Ventilen fjernes etter påfylling og forsegling av varmeledningen. Når elektriske varmeovner brukes på reservoaret, kan fordampertemperaturen kontrolleres innen ± 2 K av settpunktet.
Datasystemer
Varmerør begynte å bli brukt i datasystemer på slutten av 1990 -tallet, da økte effektbehov og påfølgende økninger i varmeutslipp resulterte i større krav til kjølesystemer. De er nå mye brukt i mange moderne datasystemer, vanligvis for å flytte varme bort fra komponenter som CPUer og GPUer til varmeavleder der termisk energi kan spres ut i miljøet.
Solvarme
Varmeledninger er også mye brukt i solvarmeoppvarmingsapplikasjoner i kombinasjon med evakuerte rør solfangeroppstillinger. I disse applikasjonene blir destillert vann vanligvis brukt som varmeoverføringsvæske inne i en forseglet lengde av kobberrør som er plassert i et evakuert glassrør og orientert mot solen. I tilkoblingsrør skjer varmetransporten i væskedampfasen fordi det termiske overføringsmediet omdannes til damp i en stor del av oppsamlingsrørledningen.
I applikasjoner for oppvarming av solvarmt vann er et individuelt absorberrør av en evakuert rørsamler opptil 40% mer effektivt sammenlignet med mer tradisjonelle "flate tallerkener" solfangere. Dette skyldes i stor grad vakuumet som eksisterer i røret, noe som reduserer konvektivt og ledende varmetap. Den relative effektiviteten til det evakuerte rørsystemet reduseres imidlertid sammenlignet med flate plateoppsamlere fordi sistnevnte har en større blenderåpning og kan absorbere mer solenergi per arealenhet. Dette betyr at mens et individuelt evakuert rør har bedre isolasjon (lavere ledende og konvektive tap) på grunn av vakuumet som er opprettet inne i røret, absorberer en rekke rør som finnes i en fullført solsenhet mindre energi per arealenhet på grunn av at det er mindre absorberoverflate området pekte mot solen på grunn av den avrundede utformingen av en evakuert rørsamler. Derfor er virkelighetens effektivitet i begge design omtrent det samme.
Evakuerte røroppsamlere reduserer behovet for tilfrysningsfrie tilsetningsstoffer siden vakuumet bidrar til å bremse varmetap. Ved langvarig eksponering for kuldegrader kan varmeoverføringsvæsken imidlertid fortsatt fryse, og det må tas forholdsregler for å sikre at frysevæsken ikke skader det evakuerte røret ved utforming av systemer for slike miljøer. Riktig designet solvarmebatterier kan frostbeskyttes ned til mer enn -3 ° C med spesielle tilsetningsstoffer og brukes i Antarktis for å varme opp vann.
Permafrost kjøling
Å bygge på permafrost er vanskelig fordi varme fra strukturen kan tine permafrosten. Varmerør brukes i noen tilfeller for å unngå risiko for destabilisering. For eksempel i Trans-Alaska Pipeline System kan gjenværende grunnvarme som er igjen i oljen, samt varme produsert av friksjon og turbulens i oljen som beveger seg, lede nedover rørets støtteben og smelte permafrosten som støttene er forankret på. Dette vil føre til at rørledningen synker og muligens blir skadet. For å forhindre dette har hvert vertikalt støtteelement blitt montert med fire vertikale varmelednings -termosyfoner .
Det vesentlige trekket ved en termosyfon er at den er passiv og ikke krever ekstern strøm for å fungere. Om vinteren er luften kaldere enn bakken rundt støttene. Den flytende ammoniakken i bunnen av termosyfonen fordampes av varme som absorberes fra bakken, kjøler den omkringliggende permafrosten og senker temperaturen. Om sommeren slutter termosyfonene å fungere, siden det ikke er flytende ammoniakk tilgjengelig på toppen av varmeledningen, men den ekstreme avkjøling om vinteren gjør at bakken kan forbli frossen.
Varmerør brukes også til å holde permafrosten frossen sammen med deler av Qinghai - Tibet -jernbanen der fyllingen og sporet absorberer solens varme. Vertikale varmeledninger på hver side av relevante formasjoner forhindrer at varmen sprer seg lenger inn i den omkringliggende permafrosten.
Avhengig av anvendelse er det flere Termosyfon utførelser: termosonde, termosøyle , dybde thermosyphon, skrå-thermosyphon fundament, flat sløyfe thermosyphon fundament, og hybrid flat sløyfe thermosyphon fundament.
Matlaging
Det første kommersielle varmepipeproduktet var "Thermal Magic Cooking Pin" utviklet av Energy Conversion Systems, Inc. og ble først solgt i 1966. Kokepinnene brukte vann som arbeidsvæske. Konvolutten var i rustfritt stål, med et indre kobberlag for kompatibilitet. Under drift stikkes den ene enden av varmeledningen gjennom steken. Den andre enden strekker seg inn i ovnen hvor den trekker varme til midten av steken. Varmerørets høye ledningsevne reduserer koketiden for store kjøttstykker med halvparten.
Prinsippet har også blitt brukt på campingovner. Varmeledningen overfører et stort volum varme ved lav temperatur for å tillate å bake varer og tilberede andre retter i situasjoner av campingtype.
Ventilasjon varmegjenvinning
I varme-, ventilasjons- og klimaanlegg (HVAC) er varmeledninger plassert i tilførsels- og avtrekksluftstrømmene til et luftbehandlingssystem eller i avgassene i en industriell prosess for å gjenvinne varmeenergien.
Enheten består av et batteri med flerradede varmeledningsrør plassert i både tilførsels- og avtrekksluftstrømmer. Innenfor avtrekksluftsiden av varmeledningen fordamper kjølemediet og henter varme fra avtrekksluften. Kjølemediedampen beveger seg mot den kjøligere enden av røret, innenfor tilluftssiden av enheten, hvor den kondenserer og frigjør varme. Det kondenserte kjølemediet kommer tilbake ved en kombinasjon av tyngdekraft og kapillærvirkning i veken. Dermed overføres varme fra avtrekksluftstrømmen gjennom rørveggen til kjølemediet, og deretter fra kjølemediet gjennom rørveggen til tilluftstrømmen.
På grunn av enhetens egenskaper oppnås bedre effektivitet når enheten er stående oppreist med tilluftssiden montert over avtrekksluftsiden, noe som gjør at det flytende kjølemediet kan strømme raskt tilbake til fordamperen ved hjelp av tyngdekraften. Generelt hevder produsentene brutto varmeoverføringseffektivitet på opptil 75%.
Konvertering av kjernekraft
Grover og hans kolleger jobbet med kjølesystemer for atomkraftceller for romfartøyer , hvor ekstreme termiske forhold oppstår. Disse varmeledningene i alkalimetall overførte varme fra varmekilden til en termionisk eller termoelektrisk omformer for å generere elektrisitet.
Siden begynnelsen av 1990 -tallet har det blitt foreslått en rekke atomreaktorkraftsystemer som bruker varmeledninger for å transportere varme mellom reaktorkjernen og kraftkonverteringssystemet. Den første atomreaktoren som produserte elektrisitet ved hjelp av varmeledninger ble først drevet 13. september 2012 i en demonstrasjon ved bruk av flattop fisjon.
Wankel forbrenningsmotorer
Antennelse av drivstoffblandingen finner alltid sted i den samme delen av Wankel -motorer , noe som forårsaker termiske dilatasjonsforskjeller som reduserer effekt, svekker drivstofføkonomien og akselererer slitasje. SAE-papir 2014-01-2160, av Wei Wu et al., Beskriver: 'A Heat Pipe Assisted Air Cooled Rotary Wankel Engine for Improved Durability, Power and Efficiency', de oppnådde en reduksjon i toppmotortemperaturen fra 231 ° C til 129 ° C, og temperaturforskjellen redusert fra 159 ° C til 18 ° C for en typisk luftkjølt ubemannet luftbilmotor med små kammerforskyvninger .
Varmerør varmevekslere
Varmevekslere overfører varme fra en varm strøm til en kald luft-, vann- eller oljestrøm. En varmeveksler for varme rør inneholder flere varme rør som hver fungerer som en individuell varmeveksler selv. Dette øker effektiviteten, levetiden og sikkerheten. I tilfelle et varmeledning går i stykker, frigjøres bare en liten mengde væske som er avgjørende for visse industrielle prosesser, for eksempel støping av aluminium. I tillegg, med et ødelagt varmeledning, forblir varmeveksleren for varme rør fortsatt i drift.
For tiden utviklede applikasjoner
På grunn av den store tilpasningsevnen til varmeledninger, undersøker forskning implementeringen av varmeledninger i forskjellige systemer:
- Forbedre effektiviteten av jordvarme for å forhindre glatte veier om vinteren i kalde klimasoner
- Økt effektivitet av solceller ved å koble solcellepanelet til et varmeledningsanlegg. Dette transporterer varme bort fra overopphetede paneler for å opprettholde optimal temperatur for maksimal energiproduksjon. I tillegg griper det testede oppsettet gjenvunnet termisk varme for å varme for eksempel vann
- Hybridstyrestangens varmeledninger for å stenge en atomreaktor i nødstilfeller og samtidig overføre henfallsvarme for å forhindre at reaktoren går varm
Begrensninger
Varmeledninger må være tilpasset spesielle kjøleforhold. Valg av rørmateriale, størrelse og kjølevæske påvirker alle de optimale temperaturene som varmeledninger fungerer på.
Når det brukes utenfor sitt designvarmeområde, reduseres varmeledningens varmeledningsevne effektivt til varmeledningsegenskapene til det solide metallhuset alene. I tilfelle av en kobber foringsrør, er det omkring 1/80 av den opprinnelige forandring. Dette er fordi arbeidsfluidet ikke vil gjennomgå faseendring under det tiltenkte temperaturområdet, mens alt arbeidsfluid i varmeledningen over fordamper og kondensasjonsprosessen opphører.
De fleste produsenter kan ikke lage et tradisjonelt varmeledning som er mindre enn 3 mm i diameter på grunn av materialbegrensninger.
