Aheat pipeis auređaj za prenos toplotekoji kombinuje principe obatoplotna provodljivostifazni prijelazza efikasan prenos toplote između dve čvrste supstancesučelja.
Na vrućem sučelju toplotne cijevi atečnostu dodiru s toplotnom provodljivom čvrstom površinom pretvara se uparaupijanjem toplote s te površine. Para zatim putuje duž toplotne cevi do hladne površine i kondenzuje se nazad u tečnost - oslobađajućilatentna toplota. Thetečnostzatim se vraća na vrući interfejs preko bilo kojegkapilarno dejstvo,centrifugalna sila, ili gravitacija, i ciklus se ponavlja. Zbog vrlo visokih koeficijenata prolaska toplote zakipućeikondenzacija, toplotne cijevi su visoko efikasni toplotni provodnici. Efektivna toplotna provodljivost varira ovisno o dužini cijevi za toplinsku cijev i može se približiti 100kW / (m⋅K) za duge toplotne cijevi, u usporedbi s približno 0,4kW / (m⋅K) zabakar.
Sadržaj
Struktura, dizajn i konstrukcija [uredi]
Dijagram koji prikazuje komponente i mehanizam toplotne cijevi koja sadrži fitilj
Ova animacija tankih ravnih toplotnih cijevi (rasipač toplote) visine 100 mm sa 100 mm sa 10 mm kreirana je upotrebom CFD analize visoke rezolucije i prikazuje putanje protoka konturisanih temperaturama, predviđene pomoćuCFDpaket za analizu
Ova termička animacija dizajna hladnjaka sa parnom komorom (raspršivačem toplote) prečnika 120 mm kreirana je upotrebom CFD analize visoke rezolucije i prikazuje površinu hladnjaka sa konturom i putanje protoka fluida predviđene pomoćuCFDpaket za analizu
Presek toplotne cevi za hlađenje CPU prenosnog računara. Skala ravnala je u milimetrima.
Presečeni pogled na ravnu toplotnu cijev debljine 500µm s tankom ravnom kapilarom (akva boja)
Tanka ravna cijev za grijanje (rasipač topline) s daljinskim hladnjakom i ventilatorom
Tipična toplotna cijev sastoji se od zapečaćene cijevi ili cijevi izrađene od materijala koji je kompatibilan s radnim fluidom kao što jebakarza cijevi za grijanje vode, ilialuminijumza amonijačne toplotne cijevi. Tipično, avakuum pumpakoristi se za uklanjanje zraka iz prazne toplotne cijevi. Toplinska cijev je djelomično ispunjena radnom tekućinom i zatim zatvorena. Masa radnog fluida je odabrana tako da toplotna cijev sadrži i paru i tečnost prekoRadna temperaturadomet.
Tekućina je ispod radne temperature prehladna i ne može ispariti u plin. Iznad radne temperature, sva tečnost pretvorila se u gas, a temperatura okoline je previsoka da bi se bilo koji gas mogao kondenzovati. Bilo previsoko ili prenisko,toplotna provodljivostje i dalje moguće kroz zidove toplotne cijevi, ali uz znatno smanjenu brzinu prijenosa topline.
Radne tečnosti se biraju prema temperaturama na kojima toplotna cijev mora raditi, s primjerima u rasponu odtečni helijza ekstremno niske temperature (2–4K) doživa(523–923K),natrijum(873–1473K) i čakindium(2000–3000K) za izuzetno visoke temperature. Velika većina toplotnih cijevi za primjenu na sobnoj temperaturi koristiamonijak(213–373K),alkohol(metanol(283–403K) ilietanol(273–403K)) ilivode(298–573K) kao radni fluid. Bakarno-vodene toplotne cijevi imaju bakarni omotač, koriste vodu kao radni fluid i obično rade u temperaturnom rasponu od 20 do 150 ° C.[1][2]Cevi za toplotnu vodu se ponekad pune delimičnim punjenjem vodom, grejanjem dok voda ne proključa i istiskuje vazduh, a zatim se vruće zatvaraju.
Da bi toplotna cijev prenosila toplinu, ona mora sadržavatizasićentečnost i njena para (gasna faza). Zasićena tečnost isparava i putuje do kondenzatora, gde se hladi i ponovo vraća u zasićenu tečnost. U standardnoj toplotnoj cijevi, kondenzovana tečnost se vraća u isparivač koristeći fitilj strukturu koja vrši akapilarno dejstvona tečnoj fazi radne tečnosti. Wick strukture koje se koriste u toplotnim cijevima uključujusinterovanametalni prah, zaslon i žljebljeni fitilji, koji imaju niz žljebova paralelnih osi cijevi. Kada se kondenzator nalazi iznad isparivača u gravitacijskom polju, gravitacija može vratiti tečnost. U ovom slučaju, toplotna cijev je termosifon. Konačno, rotirajuće cijevi za grijanje koriste centrifugalne sile za vraćanje tečnosti iz kondenzatora u isparivač.
Toplinske cijevi ne sadrže mehaničke pokretne dijelove i obično ne zahtijevaju održavanje, iako nekondenzirani plinovi koji difunduju kroz zidove cijevi&# 39, nastali raspadom radne tečnosti ili kao nečistoće koje postoje u materijalu, na kraju mogu smanjiti cijev' efikasnost u prenošenju toplote.
Prednost toplotnih cijevi u odnosu na mnoge druge mehanizme za odvođenje toplote je njihova velika efikasnost u prenošenju toplote. Cijev promjera jedan inč i dužine dva metra može prenijeti 12.500 BTU (3.7kWh) na sat na 1.880 ° F (980 ° C) sa samo 18 ° F (10 ° C) pada s kraja na kraj.[2]Neke toplotne cijevi su pokazale atoplotni tokveće od 23kW / cm², otprilike četiri puta toplotni tok kroz površinu sunca.[3]
Materijali za toplotne cijevi i radne tečnosti [uredi]
Toplinske cijevi imaju omotač, fitilj i radni fluid. Toplinske cijevi su dizajnirane za vrlo dugotrajan rad bez održavanja, tako da zid i fitilj toplinske cijevi moraju biti kompatibilni s radnom tekućinom. Neki parovi materijala i radnih fluida koji se čine kompatibilnima nisu. Na primjer, voda u aluminijumskoj ovojnici razvit će velike količine nekondenziranog plina tijekom nekoliko sati ili dana, sprečavajući normalan rad toplotne cijevi.
Budući da su toplotne cijevi ponovo otkriliGeorge Grover1963. provedeni su opsežni životni testovi kako bi se utvrdili kompatibilni parovi omotač / tečnost, neki koji su trajali decenijama. U testu životnog vijeka toplotnih cijevi, toplotne cijevi rade duži vremenski period i nadgledaju se zbog problema poput stvaranja nekondenziranog plina, transporta materijala i korozije.[4][5]
Najčešći parovi omotnica (i fitilj) / tečnosti uključuju:[6]
Bakrena omotnica s vodom za radnu tekućinu zaelektroničko hlađenje. Ovo je daleko najčešći tip toplotnih cijevi.
Bakrena ili čelična koverta sa rashladnim sredstvomR134aradna tečnost za oporabu energije uHVACsistemima.
Aluminijumska koverta sa radnom tečnošću amonijaka zaTermička kontrola svemirskih brodova.
Superleguraomotnica sa radnim fluidom alkalnog metala (cezijum, kalijum, natrijum) za visokotemperaturne toplotne cijevi, koji se najčešće koristi za kalibraciju uređaja za primarno mjerenje temperature.
Ostali parovi uključuju omotnice od nehrđajućeg čelika s radnim fluidima dušika, kiseonika, neona, vodika ili helija na temperaturama ispod 100K, bakarne / metanolske toplotne cijevi za elektroničko hlađenje kada toplotna cijev mora raditi ispod vodenog opsega, aluminijumske / etanske toplotne cijevi za svemirske brodove termička kontrola u okruženjima kada se amonijak može smrznuti ivatrostalni metalkoverta / litijum radna tečnost za primenu na visokim temperaturama (iznad 1.050 ° C (1.920 ° F)).[7]
Različite vrste toplotnih cijevi [uredi]
Pored standardnih toplotnih cijevi sa konstantnom vodljivošću (CCHP), postoji i niz drugih vrsta toplotnih cevi,[8]uključujući:
Parne komore (planarne toplotne cijevi), koje se koriste za transformaciju toplotnog toka i izotermalizaciju površina
Toplinske cijevi s promjenjivom vodljivošću (VCHP) koje koriste kondenzirajući plin (NCG) za promjenu efektivne toplotne provodljivosti toplotne cijevi kako se mijenjaju snaga ili hladnjak
Toplinske cijevi kontrolirane pritiskom (PCHP), koje su VCHP gdje se volumen rezervoara ili NCG masa mogu mijenjati, kako bi se dobila preciznija kontrola temperature
Diodne toplotne cijevi koje imaju visoku toplinsku vodljivost u smjeru prema naprijed i nisku toplotnu vodljivost u obrnutom smjeru
Termosifoni, koji su toplotne cevi gde se tečnost vraća u isparivač gravitacionim / akceleracijskim silama,
Rotirajuće cijevi za grijanje, gdje se tekućina vraća centrifugalnim silama u isparivač
Parna komora ili ravne toplotne cijevi [uredi]
Tanke planarne cijevi za grijanje (posipači toplote) imaju iste primarne komponente kao cijevne toplotne cijevi: ahermetički zatvorenašuplja posuda, radna tečnost i sistem kapilarne recirkulacije zatvorene petlje.[9]Pored toga, niz stupova se obično koristi u komori za paru, kako bi se spriječilo urušavanje ravnog vrha i dna kada je pritisak niži od atmosferskog, što je za komore s vodenom parom 100 ° C.
Postoje dvije glavne primjene za parne komore. Prvo, koriste se kada se velike snage i toplotni tokovi primenjuju na relativno mali isparivač.[10]Ulaz topline u isparivač isparava tečnost koja u dvije dimenzije teče na površine kondenzatora. Nakon što se para kondenzira na površinama kondenzatora, kapilarne sile u fitilju vraćaju kondenzat u isparivač. Imajte na umu da je većina komora za paru neosjetljiva na gravitaciju i da će i dalje raditi kada se okrene, isparivač iznad kondenzatora U ovoj primjeni parna komora djeluje kao transformator toplotnog fluksa, hladeći visoki toplotni tok iz elektroničkog čipa ili laserske diode i transformišući ga u niži toplotni tok koji se može ukloniti prirodnom ili prisilnom konvekcijom. Sa posebnim fitiljima isparivača, komore za paru mogu ukloniti 2000 W preko 4 cm2 ili 700 W preko 1 cm2.[11]
Drugo, u usporedbi s jednodimenzionalnom cijevnom toplotnom cijevi, širina dvodimenzionalne toplotne cijevi omogućava odgovarajući presjek za protok topline čak i kod vrlo tankog uređaja. Ove tanke planarne toplotne cevi pronalaze svoj put u „visinski osetljivim“ aplikacijama, kao što su prenosni računari i jezgre pločica za površinsko montiranje. Moguće je proizvesti ravne toplotne cijevi tanke 1,0 mm (nešto deblje od 0,76 mm)kreditna kartica).[12]
Toplinske cijevi promjenjive vodljivosti (VCHP) [uredi]
Standardne toplinske cijevi su uređaji s konstantnom vodljivošću, gdje se radna temperatura toplotne cijevi postavlja na osnovu temperature izvora i sudopera, toplinskog otpora od izvora do toplotne cijevi i toplinskog otpora od toplinske cijevi do sudopera. U ovim toplotnim cijevima temperatura pada linearno kako se smanjuje snaga ili temperatura kondenzatora. Za neke primjene, poput satelitske ili istraživačke termičke kontrole balona, elektronika će se prehladiti pri malim snagama ili pri niskim temperaturama sudopera. Toplinske cijevi s promjenjivom vodljivošću (VCHP) koriste se za pasivno održavanje temperature elektronike koja se hladi s promjenom stanja napajanja i sudopera.[13]
VCHP imaju dva dodatka u odnosu na standardnu toplotnu cijev: 1. Rezervoar i 2. Nekondenzibilni plin (NCG) koji se dodaje u toplotnu cijev, uz radni fluid; pogledajte sliku u donjem dijelu svemirske letjelice. Ovaj NCG je obično argon za standardne VCHP-ove, a helij za termosifone. Kada toplotna cijev ne radi, NCG i para radne tečnosti miješaju se u cijelom prostoru pare toplotne cijevi. Kada VCHP radi, NCG se protokom para radne tečnosti pomera prema kraju kondenzatora toplotne cijevi. Većina NCG-a nalazi se u rezervoaru, dok ostatak blokira dio kondenzatora toplotne cijevi. VCHP djeluje tako da mijenja aktivnu dužinu kondenzatora. Kada se poveća temperatura napajanja ili hladnjaka, temperatura pare i cijevi toplotne cijevi raste. Povećani pritisak pare prisiljava veći dio NCG-a u rezervoar, povećavajući aktivnu dužinu kondenzatora i provodljivost toplotne cijevi. Suprotno tome, kada se temperatura snage ili hladnjaka smanji, temperatura pare i cijevi toplotne cijevi se smanjuju, a NCG se širi, smanjujući aktivnu dužinu kondenzatora i vodljivost cijevi hladnjaka. Dodatak malog grijača na rezervoar, s snagom koja se kontrolira temperaturom isparivača, omogućit će termičku kontrolu od oko ± 1-2 ° C. U jednom se primjeru temperatura isparivača održavala u kontrolnom opsegu ± 1,65 ° C, jer je snaga varirala od 72 do 150 W, a temperatura hladnjaka varirala od +15 ° C do -65 ° C.
Toplinske cijevi kontrolirane tlakom (PCHP) mogu se koristiti kada je potrebna stroža kontrola temperature.[14]U PCHP, temperatura isparivača koristi se ili za promjenu volumena rezervoara ili za količinu NCG u toplinskoj cijevi. PCHP su pokazali temperaturu od milli Kelvina.[15]
Diodne cijevi za grijanje [uredi]
Uobičajene toplotne cijevi prenose toplinu u bilo kojem smjeru, od toplijeg do hladnijeg kraja toplotne cijevi. Nekoliko različitih toplotnih cijevi djeluje kaotermalna dioda, prenoseći toplinu u jednom smjeru, dok djeluje kao izolator u drugom:[16]
Termosifoni, koji samo prenose toplinu s dna na vrh termosifona, gdje se kondenzat vraća gravitacijom. Kada se termosifon zagrije na vrhu, nema tečnosti koja bi mogla ispariti.
Rotirajuće toplotne cijevi, gdje je toplotna cijev oblikovana tako da tečnost može kretati samo centrifugalnim silama od nazivnog isparivača do nazivnog kondenzatora. Opet, nije dostupna tečnost kada se nominalni kondenzator zagrije.
Diodne toplotne cijevi za odvajanje pare.
Diodne toplotne cijevi za hvatanje tekućina.
Dioda za hvatanje pare izrađena je na sličan način kao toplotna cijev sa promenljivom vodljivošću (VCHP), sa rezervoarom za gas na kraju kondenzatora.[17]Tijekom izrade, toplotna cijev se puni radnom tekućinom i kontroliranom količinom nekondenziranog plina (NCG). Tijekom normalnog rada, protok pare radne tečnosti iz isparivača u kondenzator briše NCG u rezervoar, gdje ne ometa normalan rad toplotne cijevi. Kada se nominalni kondenzator zagrije, protok pare ide od nominalnog kondenzatora do nominalnog isparivača. NCG se vuče zajedno s protočnom parom, potpuno blokirajući nominalni isparivač i uvelike povećavajući toplotnu otpornost toplotne cijevi. Općenito, postoji određeni prijenos toplote do nominalnog adijabatskog dijela. Tada se toplina provodi kroz zidove cijevi za toplinu do isparivača. U jednom primjeru, dioda za zadržavanje pare nosila je 95 W u pravcu prema naprijed, a samo 4,3 W u obrnutom smjeru.[18]
Dioda za hvatanje tečnosti ima opaki rezervoar na kraju isparivača toplotne cijevi, s odvojenim fitiljem koji nije u komunikaciji sa fitiljem u ostatku toplotne cijevi.[19]Tijekom normalnog rada, isparivač i spremnik se zagrijavaju. Para teče do kondenzatora, a tečnost se vraća u isparivač kapilarnim silama u fitilju. Rezervoar se na kraju isušuje, jer ne postoji način za vraćanje tečnosti. Kada se nominalni kondenzator zagrije, tečnost se kondenzira u isparivaču i rezervoaru. Dok se tečnost može vratiti u nominalni kondenzator iz nominalnog isparivača, tečnost u rezervoaru je zarobljena, jer fitilj rezervoara nije povezan. Na kraju se sva tečnost zarobi u rezervoaru i toplotna cijev prestaje s radom.
Termosifoni [uredi]
Većina toplotnih cijevi koristi fitilj za vraćanje tečnosti iz kondenzatora u isparivač, omogućavajući toplotnoj cijevi da radi u bilo kojoj orijentaciji. Tečnost se usisava natrag do isparivača dokapilarno dejstvo, slično načinu na koji spužva usisava vodu kada se rub stavi u dodir s bazenom vode. Međutim, maksimalna negativna nadmorska visina (isparivač preko kondenzatora) je relativno mala, veličine oko 25 cm za tipičnu toplotnu cijev vode.
Ako se, međutim, isparivač nalazi ispod kondenzatora, tekućina se može povući gravitacijom, umjesto da joj je potreban fitilj, a udaljenost između njih može biti mnogo veća. Takva toplotna cijev potpomognuta gravitacijom poznata je kao atermosifon.[20][21](Vidi također: Perkinsova cijev, nakonJacob Perkins.[22]) (Drugačije od atermosifon, koji prenosi toplotu u jednoj faziprirodna konvekcijaprenos toplote u petlji).
U termosifonu, tečni radni fluid isparava toplinom koja se dovodi u isparivač na dnu toplotne cijevi. Para putuje do kondenzatora na vrhu toplotne cijevi, gdje se kondenzira. Tekućina se gravitacijom odvodi natrag na dno toplotne cijevi i ciklus se ponavlja. Termosifoni su diodne cijevi za grijanje; kada se toplina dovede na kraj kondenzatora, nema dostupnog kondenzata, a time ni načina za stvaranje pare i prenošenje toplote u isparivač.
Dok je tipična kopnena toplotna cijev za vodu manja od 30 cm, termosifoni su često dugi nekoliko metara. Kao što je objašnjeno u nastavku, termosifoni koji su se koristili za hlađenje cijevovoda Aljaske bili su dugački oko 11 do 12 m. Za izvlačenje geotermalne energije predloženi su još duži termosifoni. Na primjer, Storch i dr. izradio 53 mm ID, 92 m dugačak propan termosifon koji je prenosio otprilike 6kW toplote.[23]
Petlja toplotne cijevi [uredi]
Apetlja za grijanje(LHP) je pasivni dvofazni prijenosni uređaj povezan sa toplotnom cijevi. Može nositi veću snagu na većim udaljenostima imajući protok tečnosti i pare istovremeno, za razliku od protoka protoka u toplotnoj cevi.[24][25]To omogućava da se fitilj u toplotnoj cijevi petlje zahtijeva samo u isparivaču i kompenzacijskoj komori.Mikro petlje toplotne cijevisu razvijeni i uspješno upotrijebljeni u širokoj sferi primjena kako na zemlji, tako i u svemiru.
Prijenos topline [uredi]
Ahladnjak(aluminijum) sa toplotnim cijevima (bakar)
Toplinske cijevi koristehlađenje isparavanjemza prenos toplotne energije iz jedne tačke u drugu pomoćuisparavanjeikondenzacijaradne tečnosti ili rashladne tečnosti. Toplinske cijevi se oslanjaju na temperaturnu razliku između krajeva cijevi i ne mogu sniziti temperaturu ni na jednom kraju ispod temperature okoline (stoga teže izjednačavanju temperature unutar cijevi).
Kada se jedan kraj toplotne cijevi zagrije, radni fluid unutar cijevi na tom kraju isparava i povećava pritisak pare unutar šupljine toplotne cijevi. Thelatentna toplotaisparavanja apsorbiranog isparavanjem radne tečnosti smanjuje temperaturu na vrućem kraju cijevi.
Pritisak pare preko radne tečnosti vruće tečnosti na vrućem kraju cijevi veći je od ravnotežnog tlaka pare preko kondenzacione radne tečnosti na hladnijem kraju cijevi, a ta razlika tlaka pokreće brzi prijenos mase na kondenzacijski kraj gdje suvišna para se kondenzira, oslobađa latentnu toplotu i zagrijava hladni kraj cijevi. Nekondenzujući plinovi (na primjer uzrokovani onečišćenjem) u pari ometaju protok plina i smanjuju učinkovitost toplotne cijevi, posebno pri niskim temperaturama, gdje su pritisci pare niski. Brzina molekula u plinu približno je brzina zvuka, a u nedostatku nekondenzirajućih plinova (tj. Ako je prisutna samo plinska faza) to je gornja granica brzine kojom bi mogli putovati u toplotnoj cijevi . U praksi je brzina pare kroz toplotnu cijev ograničena brzinom kondenzacije na hladnom kraju i daleko niža od molekularne brzine.potreban citat] Napomena / objašnjenje: Brzina kondenzacije je vrlo blizu koeficijentu lepljenja pomnoženom s molekularnom brzinom i gustinom gasa, ako je površina kondenzacije jako hladna. Međutim, ako je površina blizu temperature plina, isparavanje uzrokovano konačnom temperaturom površine u velikoj mjeri poništava taj toplotni tok. Ako je temperaturna razlika veća od nekoliko desetaka stepeni, isparavanje s površine je obično zanemarivo, što se može procijeniti iz krivulja tlaka pare. U većini slučajeva, s vrlo učinkovitim prijenosom topline kroz plin, vrlo je izazov održavati tako značajne temperaturne razlike između plina i kondenzacijske površine. Štoviše, ove temperaturne razlike naravno odgovaraju velikom efektivnom toplotnom otporu. Usko grlo je često manje ozbiljno kod izvora toplote, jer su tamo gustoće gasova veće, što odgovara većim maksimalnim toplotnim tokovima.
Kondenzovana radna tečnost zatim teče nazad do vrućeg kraja cevi. U slučaju vertikalno orijentiranih toplotnih cijevi, fluid se može pokretati silom gravitacije. U slučaju toplotnih cijevi koje sadrže fitilj, tečnost se vraćakapilarno dejstvo.
Pri izradi toplotnih cijevi nema potrebe za stvaranjem vakuuma u cijevi. Jednostavno se ključa radna tekućina u toplotnoj cijevi sve dok rezultirajuća para ne isprazni nekondenzujuće plinove iz cijevi, a zatim zatvori kraj.
Zanimljivo svojstvo toplotnih cijevi je temperaturni opseg u kojem su učinkovite. U početku bi se moglo sumnjati da toplovodna cijev nabijena vodom djeluje samo kad vrući kraj dosegne tačku ključanja (100 ° C, 212 ° F, pri normalnom atmosferskom tlaku) i para se prenese na hladni kraj. Međutim, tačka ključanja vode ovisi o apsolutnom tlaku unutar cijevi. U evakuiranoj cijevi voda isparava iz njetrostruka tačka(0,01 ° C, 32 ° F) do svojihkritična tačka(374 ° C; 705 ° F), sve dok toplotna cijev sadrži i tečnost i paru. Tako toplotna cijev može raditi na vrućim temperaturama nižim i nešto toplijim od tačke topljenja radne tečnosti, iako je maksimalna brzina prijenosa topline niska na temperaturama ispod 25 ° C (77 ° F). Slično tome, toplotna cijev s vodom kao radnom tečnošću može raditi i iznad atmosferske tačke ključanja (100 ° C, 212 ° F). Maksimalna temperatura za dugotrajne toplotne cijevi za vodu je 270 ° C (518 ° F), a toplotne cijevi rade do 300 ° C (572 ° F) za kratkotrajna ispitivanja.[26]
Glavni razlog efikasnosti toplotnih cijevi je isparavanje i kondenzacija radnog fluida. Thetoplota isparavanjauveliko premašuje specifičnutoplotni kapacitet. Uzimajući vodu kao primjer, energija potrebna za isparavanje jednog grama vode je 540 puta veća od količine energije potrebne za povišenje temperature tog istog grama vode za 1 ° C. Gotovo sva ta energija se brzo prenosi u GG; hladni GG; završe kada se tamo kondenzira tečnost, čineći vrlo efikasan sistem za prenos toplote bez pokretnih delova. [potreban citat]
Razvoj [uredi]
Opći princip toplotnih cijevi koji koriste gravitaciju, obično se klasificira kao dvofaznitermosifoni, datira iz doba pare iAngier March Perkinsi njegovog sinaLoftus Perkinsi&"Perkins Tube GG", koji su imali široku primjenu u lokomotivskim kotlovima i radnim pećnicama.[27]Toplinske cijevi na bazi kapilara prvi je predložio RS Gaugler izGeneral Motors1942., koji je patentirao ideju,[28][29]ali ga dalje nije razvijao.
George Grover je samostalno razvio toplotne cijevi na bazi kapilaraNacionalni laboratorij Los Alamos1963. godine, sa svojim patentom te godine[30]budući da je prvi upotrijebio izraz&"toplotna cijev GG", a često se naziva&", pronalazač toplotne cijevi GG".[31]U svojoj je bilježnici zabilježio:[32]
Takav zatvoreni sistem, koji ne zahtijeva vanjske pumpe, može biti od posebnog interesa za svemirske reaktore u premještanju topline iz jezgre reaktora u zračeći sistem. U nedostatku gravitacije, sile moraju biti takve da prevladaju kapilaru i otpor povratne pare kroz njene kanale.
Prijedlog Grovera&# 39 prihvatio jeNASA, koja je igrala veliku ulogu u razvoju toplotnih cijevi 1960-ih, posebno u pogledu primjene i pouzdanosti u svemirskom letu. To je bilo razumljivo s obzirom na malu težinu, veliki toplotni tok i nulto povlačenje snage toplotnih cijevi - i da na njih neće negativno uticati rad u okruženju nulte gravitacije.
Prva primjena toplotnih cijevi u svemirskom programu bila je termička uravnoteženost satelitskih transpondera. [potreban citat] Assatelitiorbite, jedna strana je izložena direktnom sunčevom zračenju, dok je suprotna strana potpuno tamna i izložena dubokoj hladnoćivanjski prostor. To uzrokuje velike razlike u temperaturi (a time i pouzdanosti i tačnosti) transpondera. Sistem hlađenja toplotnih cijevi dizajniran za ovu svrhu upravljao je velikim toplotnim fluksima i pokazao besprijekoran rad sa i bez utjecaja gravitacije. Razvijeni rashladni sistem je prva upotreba toplotnih cijevi promenljive provodljivosti za aktivnu regulaciju protoka toplote ili temperature isparivača.
Šira upotreba [uredi]
NASA je testirala toplotne cijevi dizajnirane za ekstremne uvjete, a neke koriste tečni metal natrij kao radni fluid. Ostali oblici toplotnih cijevi trenutno se koriste za hlađenje komunikacijskih satelita.[33]Publikacije 1967. i 1968. Feldmana, Eastmana,[34]i Katzoff su prvo razgovarali o primjeni toplotnih cijevi za širu upotrebu, kao što su klimatizacija, hlađenje motora i elektroničko hlađenje. Ovi su papiri ujedno prvi spomenuli fleksibilne, arterijske i ravne ploče sa toplotnim cijevima. Publikacije iz 1969. godine predstavile su koncept rotacione toplotne cijevi s njezinim primjenama za hlađenje lopatica turbine i sadržale prve rasprave o primjeni toplotnih cijevi na kriogene procese.
Počevši od 1980-ihSonyje počeo ugrađivati toplotne cijevi u sheme hlađenja za neke od svojih komercijalnih elektroničkih proizvoda umjesto prisilnih konvekcija i pasivnih hladnjaka s rebrastim hladnjacima. U početku su se koristili u prijamnicima i pojačalima, a ubrzo su se proširili i na druge elektroničke aplikacije sa visokim protokom toplotne struje.
Tokom kasnih 1990-ih, sve veći CPU mikroračunara potaknuo je trostruko povećanje broja američkih prijava patenata za toplotne cijevi. Kako su toplotne cijevi evoluirale od specijalizovane industrijske komponente za prenos toplote do potrošačke robe, većina razvoja i proizvodnje preselila se iz SAD-a u Aziju.
Moderne CPU toplotne cijevi su obično izrađene odbakari koristite vodu kao radnu tečnost.[35]
Aplikacije [uredi]
Svemirski brod [uredi]
Toplinske cijevi na svemirskim brodovima obično koriste ekstrudiranje aluminijumskog žlijeba kao omotač
Tipični žljebljeni aluminijum-amonijak VCHP za termičku kontrolu svemirskih brodova, sa dijelom isparivača na dnu i spremnikom za kondenzirajući plin odmah ispod ventila[36]
Thetermička kontrola svemirskih brodovaSistem ima funkciju da zadrži sve komponente na letjelici unutar njihovog prihvatljivog temperaturnog raspona. To je komplicirano sljedećim:
Veoma različiti vanjski uvjeti, kao što supomračenja
Uklanjanje toplote sa svemirske letelice od stranetermičko zračenjesamo
Dostupna ograničena električna snaga, favorizirajući pasivna rješenja
Dugi vijek trajanja, bez mogućnosti održavanja
Neke svemirske letjelice su dizajnirane da traju 20 godina, pa je poželjan transport topline bez električne energije ili pokretnih dijelova. Odbijanje toplote toplotnim zračenjem znači da su potrebne velike ploče radijatora (više kvadratnih metara). Toplinske cijevi ipetlje toplotne cijeviintenzivno se koriste u svemirskim letjelicama, jer im nije potrebna snaga za rad, rade gotovo izotermno i mogu prenositi toplotu na velike udaljenosti.
Žljebljeni fitilj koristi se u toplotnim cijevima svemirskih brodova, kao što je prikazano na prvoj fotografiji u ovom odeljku. Toplinske cijevi su oblikovane ekstrudiranjem aluminija i obično imaju integriranu prirubnicu za povećanje površine prijenosa topline, što smanjuje pad temperature. Žljebljeni fitilj koristi se u svemirskim letjelicama, umjesto zaslona ili sinterovani fitilj koji se koristi za zemaljske toplotne cijevi, jer toplotne cijevi ne moraju djelovati protiv gravitacije u svemiru. To omogućava da toplotne cijevi svemirskih brodova budu dugačke nekoliko metara, za razliku od približno 25 cm maksimalne dužine vodene toplotne cijevi koja radi na Zemlji. Amonijak je najčešći radni fluid za toplotne cijevi svemirskih brodova. Etan se koristi kada toplotna cijev mora raditi na temperaturama nižim od temperature smrzavanja amonijaka.
Druga slika prikazuje tipičnu žljebljenu toplotnu cijev sa promenljivom vodljivošću od aluminijuma i amonijaka (VCHP) za termičku kontrolu svemirskih brodova. Toplinska cijev je ekstruzija aluminija, slična onoj prikazanoj na prvoj slici. Dno prirubnice je isparivač. Iznad isparivača, prirubnica je obrađena da bi se savio adijabatski dio. Kondenzator je prikazan iznad adijabatskog dijela. Rezervoar za kondenzirajući plin (NCG) nalazi se iznad glavne toplotne cijevi. Ventil se uklanja nakon punjenja i zatvaranja toplotne cijevi. Kada se na rezervoaru koriste električni grijači, temperatura isparivača može se kontrolirati unutar ± 2K od zadane vrijednosti.
Računarski sistemi [uredi]
Toplinske cijevi počele su se koristiti u računarskim sistemima krajem 1990-ih,[37]kada su povećani zahtjevi za snagom i naknadna povećanja emisije toplote rezultirali većim zahtjevima za rashladnim sistemima. Sada se intenzivno koriste u mnogim modernim računarskim sistemima, obično za odvođenje toplote od komponenata kao što suCPUiGPU-oviza hladnjake gdje se toplotna energija može rasipati u okoliš.
Solarna termalna [uredi]
Toplinske cijevi se također široko koriste usolarnaaplikacije za grijanje vode u kombinaciji s evakuiranim cijevnim nizovima solarnih kolektora. U ovim se primjenama destilirana voda obično koristi kao fluid za prijenos topline unutar zatvorene duljine bakarnih cijevi koja se nalazi u evakuiranoj staklenoj cijevi i orijentirana je prema suncu. U spojnim cijevima, prijenos topline se događa u fazi tečne pare, jer se medij za prijenos topline pretvara u paru u velikom dijelu sabirnog cjevovoda.[38]
U aplikacijama solarnog termalnog grijanja vode, pojedinačna apsorber-cijev evakuiranog kolektorskog kolektora je do 40% učinkovitija u odnosu na tradicionalnije GG; solarni kolektori vode. To je uglavnom zbog vakuuma koji postoji unutar cijevi, što usporava konvektivni i provodni gubitak toplote. Relativna efikasnost evakuiranog cijevnog sistema smanjena je, međutim, u usporedbi s ravnim pločastim kolektorima, jer oni imaju veću veličinu otvora i mogu apsorbirati više sunčeve energije po jedinici površine. To znači da dok pojedinačna evakuirana cijev ima bolju izolaciju (niži provodni i konvektivni gubici) zbog vakuuma stvorenog unutar cijevi, niz cijevi koji se nalaze u dovršenom solarnom sklopu apsorbira manje energije po jedinici površine zbog manje površine upijača područje usmjereno prema suncu zbog zaobljenog dizajna evakuiranog cijevnog kolektora. Stoga su efikasnosti oba dizajna u stvarnom svijetu približno iste.
Vakuumski sakupljači cijevi smanjuju potrebu za aditivima protiv smrzavanja, jer vakuum pomaže usporiti gubitak toplote. Međutim, pod dugotrajnim izlaganjem temperaturama smrzavanja, tečnost za prenos toplote i dalje se može smrznuti te se moraju preduzeti mere predostrožnosti da se osigura da tečnost za smrzavanje ne ošteti evakuiranu cev prilikom projektovanja sistema za takva okruženja. Pravilno dizajnirani solarni termalni bojleri mogu se zaštititi od smrzavanja na više od -3 ° C posebnim aditivima i koriste se uAntarktikaza zagrijavanje vode. [potreban citat]
Permafrost hlađenje [uredi]
Alaska cevovodpotporne noge hlađene termosifonima cijevi za grijanje kako bi se zadržalepermafrostsmrznuto
Nadam sepermafrostje teško jer toplina iz konstrukcije može otopiti vječni mraz. Toplinske cijevi se koriste u nekim slučajevima kako bi se izbjegao rizik od destabilizacije. Na primjer, uTrans-aljaški cevovodni sistemzaostala toplina tla koja preostaje u ulju, kao i toplota nastala trenjem i turbulencijama u ulju koje se kreće, mogla bi provesti niz potporne noge cijevi&# 39 i otopiti vječni mraz na kojem su sidrišta usidrena. To bi prouzrokovalo tonjenje cjevovoda i moguće oštećenje. Da bi se to spriječilo, svaki vertikalni potporni član montiran je s četiri okomite cijevi za grijanjetermosifoni.[39]
Značajna karakteristika termosifona je ta što je pasivan i za rad mu nije potrebno vanjsko napajanje. Zimi je zrak hladniji od tla oko nosača. Tečni amonijak na dnu termosifona isparava se toplinom koja se apsorbuje iz tla, hladeći okolni permafrost i snižavajući njegovu temperaturu. Tokom ljeta termosifoni prestaju s radom, jer na vrhu toplotne cijevi nema tečnog amonijaka, ali ekstremno hlađenje tokom zime omogućava tlu da ostane smrznuto.
Toplinske cijevi se također koriste za održavanje vječnog leda smrznutog uz dijeloveŽeljeznica Qinghai – Tibetgdje nasip i staza upijaju sunčevu toplinu. Vertikalne cijevi za grijanje s obje strane odgovarajućih formacija sprečavaju širenje te topline u okolni permafrost.
Ovisno o primjeni postoji nekoliko dizajna termosifona:[40]termosonda,termopile,dubinski termosifon,temelj s kosim termosifonom,podloga od termosifona sa ravnom petljom,hibridni termosifonski temelj sa ravnom petljom.
Kuhanje [uredi]
Prvi komercijalni proizvod toplotnih cijevi bio je GG; razvio Energy Conversion Systems, Inc. i prvi put se prodao 1966.[41]Igle za kuhanje koristile su vodu kao radnu tečnost. Omotnica je bila od nehrđajućeg čelika, sa unutrašnjim slojem bakra radi kompatibilnosti. Tokom rada, jedan kraj toplotne cijevi proviruje se kroz pečenje. Drugi kraj produžava se u pećnicu gdje privlači toplinu do sredine pečenja. Visoka efikasna provodljivost toplotne cijevi smanjuje vrijeme kuhanja velikih komada mesa za polovinu.[42]
Princip se primjenjuje i na kampiranje. Toplinska cijev prenosi veliku količinu topline na niskoj temperaturi kako bi se omogućilo pečenje robe i kuhanje ostalih jela u kampiranju.
Ventilacijski povrat toplote [uredi]
U sistemima grijanja, ventilacije i klimatizacije,HVAC, toplotne cijevi smještene su u dovodnim i odvodnim zračnim strujama sistema za rukovanje zrakom ili u ispušnim plinovima industrijskog procesa, kako bi se povratila toplotna energija.
Uređaj se sastoji od baterije višerednih cijevi s toplovitim cijevima smještene unutar dovodnog i odvodnog zraka. Unutar strane ispušnog zraka toplotne cijevi, rashladno sredstvo isparava, izvlačeći toplinu iz ispušnog zraka. Para rashladnog sredstva kreće se prema hladnijem kraju cijevi, unutar dovodne zračne strane uređaja, gdje se kondenzira i oslobađa toplotu. Kondenzirano rashladno sredstvo vraća se kombinacijom gravitacije i kapilarnog djelovanja u fitilju. Tako se toplina prenosi iz struje izduvnog zraka kroz zid cijevi u rashladno sredstvo, a zatim iz rashladnog sredstva kroz stijenku cijevi u struju dovodnog zraka.
Zbog karakteristika uređaja, postiže se veća efikasnost kada se jedinica postavi uspravno, a strana dovodnog vazduha postavljena je preko odvodne vazduha, što omogućava tečnom rashladnom sredstvu da brzo teče natrag u isparivač potpomognuto snagom gravitacije. Generalno, proizvođači tvrde da bruto efikasnost prijenosa topline iznosi do 75%. [potreban citat]
Pretvorba nuklearne energije [uredi]
Grover i njegove kolege radili su na sistemima za hlađenje zanuklearne ćelijeforsvemirski zanat, gdje se susreću ekstremni toplotni uslovi. Ove toplotne cijevi od alkalnih metala prenose toplinu od izvora topline do atermionskiilitermoelektrični pretvaračza proizvodnju električne energije.
Od ranih 1990-ih predloženi su brojni energetski sustavi nuklearnih reaktora koji koriste toplotne cijevi za transport topline između jezgre reaktora i sistema za pretvorbu snage.[43]Prvi nuklearni reaktor koji proizvodi električnu energiju pomoću toplotnih cijevi prvi je put operiran 13. septembra 2012. godine u demonstraciji korištenjem fisije sa ploča.[44]
Wankel rotacijski motori sa sagorijevanjem [uredi]
Paljenje smjese goriva odvija se uvijek u istom dijeluWankel motori, izazivajući razlike u termičkoj dilataciji koje smanjuju izlaznu snagu, smanjuju ekonomičnost goriva i ubrzavaju trošenje. SAE rad 2014-01-2160, Wei Wu i suradnika, opisuje:' Zračno hlađeni rotacijski wankelov motor potpomognut toplotnim cijevima za poboljšanu trajnost, snagu i efikasnost', postigli su smanjenje gornjeg motora temperatura od 231 ° C do 129 ° C, a temperaturna razlika smanjena sa 159 ° C na 18 ° C za tipično zračno hlađenje sa malom komoromUAVmotor.
Ograničenja [uredi]
Toplinske cijevi moraju biti prilagođene određenim uvjetima hlađenja. Izbor materijala, veličine i rashladne tečnosti cijevi utječe na optimalne temperature na kojima rade toplotne cijevi.
Kada se koristi izvan svog dizajnerskog opsega toplote, toplotna cijev' stoplotna provodljivostse efikasno svodi naprovođenje toplotesvojstva samog čvrstog metalnog kućišta - u slučaju abakarkućište, oko 1/80 originalnog fluksa. To je zato što ispod predviđenog temperaturnog raspona radni fluid neće proći faznu promjenu; i iznad nje, sva radna tečnost u toplotnoj cijevi isparava i proces kondenzacije prestaje.
Većina proizvođača ne može napraviti tradicionalnu toplotnu cijev prečnika manjeg od 3 mm zbog ograničenja materijala.
Vidi također [uredi]
Termosifon, sličan mehanizam u kojem se toplotna energija prenosi fluidomuzgona ne isparavanje i kondenzacija.
Reference [uredi]
Skoči gore ^GG quot; Poboljšanje materijala koji pretvaraju toplinu u električnu energiju i obrnuto". Ecnmag.com. 6. maja 2013. Pristupljeno 2013-05-07.
^Skoči na: abPopularna nauka - Google Books. Books.google.co.uk. Pristupljeno2013-05-07.
Skoči gore ^Jim Danneskiold,Toplinske cijevi razvijene u Los Alamosu olakšavaju let u svemir. Izdanje vesti iz Los Alamosa, 26. aprila 2000.
Skoči gore ^Životni testoviArhivirano03.11.2014 uWayback Machine.
Skoči gore ^GG quot; Nekompatibilni parovi tekućine / omotnice toplinskih cijevi".www.1-act.com.
Skoči gore ^GG quot; Materijali za toplotne cijevi, radne tekućine i kompatibilnost".www.1-act.com.
Skoči gore ^GG quot; Kompatibilne tekućine i materijali za toplinske cijevi - Tehnologija toplinskih cijevi".www.1-act.com.
Skoči gore ^GG quot; Toplinske cijevi - Različite vrste toplinskih cijevi".www.1-act.com.
Skoči gore ^Advanced Cooling Technologies Inc. (29. novembar 2013.).GG quot; Animacija parne komore"- putem YouTubea.
Skoči gore ^GG quot; Parne komore".www.1-act.com.
Skoči gore ^GG quot; Visoki protok toplote, velika snaga, nizak otpor, nizak CTE dvofazni termički ravninski uzemljivači za primjene direktnog kalupa".www.1-act.com.
Skoči gore ^GG „Modeliranje i optimizacija dizajna ultratankih komora za paru za primenu visokog toplotnog protoka, R. Ranjan i dr., Publikacije Istraživačkog centra Univerziteta Purdue, Publikacija 186, 2012. GG„;.purdue.edu.
Skoči gore ^VGP za pasivno upravljanje temperaturom&";.www.1-act.com.
Skoči gore ^GG "; PCHP za preciznu kontrolu temperature GG";.www.1-act.com.
Skoči gore ^GG quot; Primjene toplinskih cijevi s upravljanjem pritiskom".www.1-act.com.
Skoči gore ^Diodne cijevi za grijanje&".www.1-act.com.
Skoči gore ^Advanced Cooling Technologies Inc. (7. novembar 2013.).GG quot; Toplovodne cijevi za odvajanje pare Animacija"- putem YouTubea.
Skoči gore ^GG "; Toplinske cijevi promjenjive vodljivosti za promjenjive toplinske veze GG";.www.1-act.com.
Skoči gore ^Advanced Cooling Technologies Inc. (7. novembar 2013.).GG "; Diodne toplotne cijevi za diode" Animacija "GG";- putem YouTubea.
Skoči gore ^GG "; Termosifonski izmjenjivač topline, rashladni sustavi&pojačalo; Reboileri ACT".www.1-act.com.
Skoči gore ^Advanced Cooling Technologies Inc. (18. jun 2013.).GG quot; Termosifonska operacija"- putem YouTubea.
Skoči gore ^Kew, David Anthony Reay; Peter. A. (2006). Toplotne cijevi (5. izdanje). Oxford:Butterworth-Heinemann. p.10.ISBN978-0-7506-6754-8.
Skoči gore ^T. Storch i dr., „Mokrenje i ponašanje filma propana unutar geotermalnih toplotnih cijevi“, 16. međunarodna konferencija toplotnih cijevi, Lyon, Francuska, 20.-24. Maja 2012.
Skoči gore ^Ku, Jentung; Ottenstein, Laura; Douglas, Donya; Hoang, Triem.GG "; Minijaturna toplotna cijev sa više isparivača za toplotnu kontrolu malih svemirskih brodova GG";.Američki institut za aeronautiku i astronomiju. Goddardov centar za svemirski let. Pristupljeno 14. septembra 2011.
Skoči gore ^Ku, Jentung; Paiva, Kleber; Mantelli, Marcia.GG "Prijelazno ponašanje toplotne cijevi" pomoću temperature izvora toplote za kontrolu zadate vrijednosti s termoelektričnim pretvaračem na rezervoaru GG;.NASA. Goddardov centar za svemirski let. Pristupljeno 14. septembra 2011.
Skoči gore ^GG quot; Ispitivanja i analize životnog vijeka toplotne cijevi srednje temperature..www.1-act.com.
Skoči gore ^GG "Heat Pipes", Peto izdanje, DA Reay, PA Kew, str. 10.
Skoči gore ^Gaugler, Richard (1944)." Uređaji za prijenos topline" ;. Dayton, Ohio: Američki patentni ured: 4. 2350348.
Skoči gore ^GG quot; Uređaj za prenos topline".google.com.
Skoči gore ^GG quot; Uređaj za prenos toplote isparavanjem-kondenzacijom".google.com.
Skoči gore ^George M. Grover, 81, izumitelj popularnog uređaja za prenos topline", 3. novembra 1996, New York Times
Skoči gore ^Energy, Tom Harper, direktor za informiranje, Nacionalna laboratorija Los Alamos, kojom upravlja Los Alamos National Security, LLC, za USA. Odjel za.GG quot; Usluga nedostupna".www.lanl.gov.
Skoči gore ^GG quot; Inspirirana tehnologija toplotnih cijevi", lanl.gov
Skoči gore ^GY Eastman, „The Heat Pipe“ Scientific American, sv. 218, br. 5, str. 38-46, maj 1968.
Skoči gore ^Jansson, Dick (2010).Toplotne cijevi"(PDF) .QEX. ARRL (jul-avgust 2010.): 3–9. Pristupljeno 14. 11. 2011.
Skoči gore ^GG "; Toplinske cijevi promjenjive vodljivosti za promjenjive toplinske veze GG";.www.1-act.com.
Skoči gore ^[1], 1998, Hong Xie, Intel Corp, IEEE
Skoči gore ^Planiranje i instaliranje solarnih termalnih sistema: Vodič za instalatere ... - Google Books. Books.google.co.uk. Pristupljeno2013-05-07.
Skoči gore ^C. E Heuer, „Primjena toplotnih cijevi na cjevovodu preko Aljaske“ Posebni izvještaj 79-26, Inženjerski korpus američke vojske, septembar 1979.
Skoči gore ^GG quot; Termosifonska tehnologija za umjetno zamrzavanje tla (AGF)".simmakers.com.
Skoči gore ^Midwest Research Institute,Toplinske cijevi, NASA-in izvještaj NASA CR-2508, str. 19, 1. januara 1975.
Skoči gore ^Kew, David Anthony Reay; Peter. A. (2006). Toplotne cijevi (5. izdanje). Oxford:Butterworth-Heinemann. p.309.ISBN978-0-7506-6754-8.
Skoči gore ^GG quot; Nuklearni reaktori za svemir". Svjetska nuklearna asocijacija. Pristupljeno 21. septembra2012.
Skoči gore ^GG "Istraživači testiraju novi sistem napajanja za svemirska putovanja GG";.
Za više pitanja i uzorak i proizvodni upit, kontaktirajte nas:
Kina, profesionalni proizvođač električnih elemenata za grijanje, dobavljač
Ključni proizvodi: grijač za odmrzavanje, element za odmrzavanje, cijev za grijanje, cijevni grijač, cijev za odmrzavanje, grijaća pločica, traka za grijanje, trakasti grijač, remen za grijanje, grijaća žica, grijaći kabel, grijač MICA, cijev za grijanje, grijač od silikonske gume, PTC grijač , keramički grijač, grijaća ploča za grijanje, grijač kotla, grijač staklenih cijevi, daljinski infracrveni grijaći element, aluminijska grijaća ploča, grijač aluminijske folije, grijač aluminijske cijevi itd ...
Dodati: br. 16, cesta 3, industrijska zona Sanjiang, Shengzhou, Zhejiang, Kina
Kontakt: Eric Xie
E-mail:sale@benoelectric.com
Mafija: +8615988295936
Skype:ericxie123@outlook.com
Wechat&pojačalo; Whatsapp: +8615988295936
Web stranica: www.benoindustry.com
