Țeavă de căldură

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
O conductă de căldură ca sistem de răcire pentru un laptop

O conductă de căldură ( sau conductă de căldură ) este un dispozitiv conceput pentru schimbul de căldură pentru a transfera / transmite chiar și cantități mari de căldură dintr-o sursă la o temperatură mai mare A ( sursă fierbinte termostată ) la alta la o temperatură mai mică decât B precedentă ( sursă rece termostat ) și invers, fiind capabil să exploateze chiar și diferențe foarte mici de temperatură pentru a realiza transmisia termică, fără o intrare suplimentară de energie din exterior. [1] [2]

Construcție și exploatare

O conductă de căldură (a se vedea figura) este compusă de obicei dintr-o pereche concentrică de țevi metalice conductoare de căldură (cilindri goi), de exemplu în cupru sau aluminiu , unde izolația exterioară este sigilată și conține o anumită cantitate de fluid refrigerant , cum ar fi apa , etanol sau mercur în funcție de aplicațiile specifice pentru care va fi utilizat; restul tubului este umplut doar de vaporii lichidului în sine , astfel încât să nu existe alte gaze.

Fenomenul fizic pentru care schimbul de căldură între surse este posibil fără nici un alt aport de energie externă se bazează exclusiv pe tranzițiile stării de evaporare (de la lichid la gazos) și condensare (schimbarea inversă a stării, de la gaz la lichid) a lichid frigorific în interior.

Un capăt fierbinte al tubului, în contact cu sursa de căldură A, atunci când este încălzit, transferă căldura agentului de răcire intern care, prin evaporare, își mărește presiunea de vapori; în plus, căldura latentă de evaporare absorbită în trecerea stării de la lichid la gazos duce la o scădere a temperaturii pe interfața fierbinte a cilindrului în contact cu A.

Presiunea vaporilor în apropierea extremei fierbinți A este mai mare decât presiunea de echilibru la cealaltă extremă rece B, prin urmare acest gradient determină un transfer de căldură foarte rapid (datorită celui de-al doilea tub concentric intern) între cele două surse A și B printr-un mecanism de convecție pe baza evaporării în A și condensării în B a excesului de vapori în raport cu echilibrul la temperatura respectivă.

Lichidul răcit revine apoi la capătul fierbinte al țevii, lingând peretele interior al țevii de izolare în sine: dacă conducta de căldură este orientată vertical ( cu capătul fierbinte în partea de jos ), forța de greutate este suficientă, altfel poate să fie exploatată tehnic.acțiunea capilară a suprafeței interne a peretelui cilindrului menționat anterior.

Dacă ar exista gaze diferite de vaporii lichidului conținut în conducta de căldură, acestea ar crea o pierdere a eficienței procesului de schimb de căldură datorită faptului că temperaturile de evaporare și condensare sunt diferite, rezultând o încetinire a mișcării vaporii descriși mai sus și eficientizând transferul de căldură mai puțin eficient, în special la temperaturi scăzute, unde presiunea vaporilor este, de asemenea, scăzută.

Mișcarea moleculelor de vapori este aproximativ cea a vitezei sunetului (variabilă de la gazos la gazos; de exemplu, pentru aer suntem în jur de 340,3 m / s în cn de 101325 Pa și 288,15 K) și, în absența altor gaze, aceasta este viteza limită de transfer de căldură în conducta de căldură: în practică, totuși, viteza moleculelor de vapori depinde de viteza de condensare a vaporilor înșiși la frig extrem.

În fabricare, nu este necesar să se creeze un vid în conductă: este suficient să fierbeți lichidul de umplere în conducta de căldură, astfel încât aburul rezultat să facă să iasă toate gazele nedorite din conductă; apoi continuăm să sigilăm capătul.

Diagrama care arată funcționarea unei conducte de căldură

O proprietate notabilă a unei conducte de căldură este temperatura de funcționare (adică temperatura de fierbere, cea în jurul căreia conducta de căldură este eficientă). La prima vedere, s-ar putea presupune că o conductă de căldură încărcată cu apă poate funcționa doar la 100 ° C la capătul fierbinte, unde apa fierbe în mod normal și începe transferul de masă care stă la baza operației. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că temperatura de fierbere pentru o anumită substanță depinde de presiune și că, pe măsură ce aceasta din urmă crește, temperatura de fierbere crește în consecință. De fapt, într-o conductă în care a fost creat un vid și apoi introdusă o cantitate foarte mică de apă, temperatura de fierbere se apropie de 0 ° C, în timp ce dacă apa este presurizată în țeavă la o sută de atmosfere, temperatura de fierbere poate crește peste 300 ° C.

Principalul motiv pentru eficiența conductelor de căldură depinde de evaporarea și condensarea lichidului conținut, care necesită sau eliberează mult mai multă energie decât este necesară pentru simpla schimbare de temperatură. Folosind apa ca exemplu, energia necesară pentru evaporarea unui gram de lichid este echivalentă cu cantitatea de energie necesară pentru a crește temperatura acelui gram de apă cu 540 ° C. Aproape toată energia este transferată rapid la capătul rece când fluidul se condensează acolo, creând un sistem de transfer de căldură foarte eficient, fără piese mecanice în mișcare .

Peretele interior al conductei este realizat în așa fel încât să faciliteze capilaritatea fluidului frigorific; acest lucru poate fi realizat, de exemplu, prin aplicarea de metal praf pe suprafața internă a țevii de sinterizare ( țeavă sinterizată ), sau prin obținerea unei serii de caneluri longitudinale paralele cu axa țevii ( țeavă canelată ), sau chiar o „spongioasă” „paie de metal sau o rețea foarte densă din același material care constituie țeava (țeava cu ochiuri ) sau cu o combinație a tehnicilor anterioare: ar trebui totuși specificat că, în principiu, ar putea fi materialul din care este realizată țeava care favorizează ascensiunea prin capilaritate a agentului frigorific.

Dacă conducta de căldură este înclinată cu capătul încălzit în jos, nu este necesară nicio placare interioară. În acest caz, fluidul frigorific curge pur și simplu înapoi în conductă: acest tip de conductă de căldură este cunoscută sub numele de conductă Perkins .

Conductele de căldură nu conțin piese în mișcare și, prin urmare, nu necesită întreținere, chiar dacă conductele de căldură în care fluidul frigorific este un gaz fără condens, pot pierde gaze prin difuzie prin pereții conductei și, pe termen lung, își pierd eficiența, mai ales atunci când presiunea de vapori a fluidului frigorific este scăzută.

Metalul cu care este realizată conducta de căldură și agentul frigorific conținut sunt alese în funcție de condițiile termice în care trebuie să funcționeze conducta de căldură; agenții frigorifici variază de la heliu lichid pentru aplicații cu temperatură extrem de scăzută până la mercur pentru aplicații la temperatură ridicată; totuși, din motive de economie și eliminare, majoritatea conductelor de căldură folosesc amoniac (în acest caz, totuși, cuprul nu trebuie utilizat deloc!) sau apă ca fluid de funcționare.

Conducta de căldură este foarte eficientă în transferul căldurii, mult mai mult decât o conductă de cupru solid cu aceeași secțiune . Au fost înregistrate fluxuri termice mai mari de 230 MW / m² (de aproape 4 ori fluxul termic care trece de la suprafața Soarelui).

Grosimea pereților conductelor depinde de presiunea internă maximă produsă de vaporizarea fluidului frigorific pe care conducta de căldură trebuie să o poată suporta în siguranță. Presiunea totală din conducta de căldură poate fi controlată prin ajustarea cantității de lichid frigorific conținută în conductă. De exemplu, să luăm în considerare o conductă de căldură care are apă ca fluid de răcire care, trecând de la lichid la starea aerului la o presiune de 1 atmosferă , se extinde ocupând de 1600 de ori volumul inițial. Dacă 1/1600 din volumul intern al conductei de căldură este umplut cu apă, când tot lichidul este vaporizat, presiunea internă va fi de o atmosferă. Dacă presiunea de siguranță a conductei în cauză este, de exemplu, de 5 atmosfere, este posibilă umplerea conductei cu o cantitate de apă egală cu 5/1600 din volumul intern.

Plăci de țevi de încălzire

Țevile subțiri de căldură plate (distribuitoare de căldură) sunt realizate în esență ca niște țevi de căldură cilindrice: constau dintr-un vas gol, închis ermetic, care conține un fluid frigorific și un sistem de recirculare a fluidului capilar închis.

Conductele de căldură plate transportă căldura mai bine pe suprafețele conductelor de căldură cilindrice (în special eficiente în transfer liniar, unidimensional, de căldură) și, prin urmare, pot fi mult mai subțiri decât acestea (până la 500 micrometri).

Prin urmare, conductele subțiri de căldură plate au un mare succes în aplicații în care este necesar să se elimine cantități mari de căldură, respectând în același timp anumite limite geometrice, cum ar fi laptopurile.

Origini

Principiul general al conductelor de căldură care exploatează doar forța gravitației datează din era aburului (sfârșitul secolului al XVIII-lea - începutul secolului al XIX-lea); avantajul exploatării difuziei prin capilaritate în conductele de căldură a fost remarcat pentru prima dată de George Grover la Laboratorul Național Los Alamos în 1963; un articol legat de acest subiect a fost publicat ulterior în revista Physics , în 1964.

Limitări

Conductele de căldură trebuie să fie adecvate condițiilor de funcționare: materialul din care este fabricat cilindrul, măsurătorile acestuia și tipul de fluid frigorific au un efect asupra temperaturilor optime în care pot funcționa conductele de căldură.

Când este încălzit peste o anumită temperatură , tot fluidul frigorific din conducta de căldură se evaporă și procesul de condensare încetează; în astfel de circumstanțe, conducta de căldură conduce căldura numai prin metalul cilindrului; cu toate acestea, această conducție este foarte scăzută în comparație cu cea transferată de mecanismul de vaporizare / condensare. De exemplu, dacă cilindrul, la fel ca majoritatea conductelor de căldură, este realizat din cupru (un metal cu conductivitate foarte mare) și este încălzit dincolo de temperatura maximă de funcționare, va continua să conducă căldura numai datorită conductivității metalului în sine care, deși ridicat, va scădea doar aproximativ 1/80 din căldura transferată la condens.

Pe scurt: dacă se depășește temperatura optimă de funcționare (vaporizare / condensare), scăderea căldurii, continuând în mică măsură, se prăbușește la valori foarte scăzute.

Notă

  1. ^ Țevi de căldură - Partea I: De la spațiu la aer condiționat , pe unilab.eu . Adus pe 23 octombrie 2020 .
  2. ^ Tehnologie Heat Pipe , la it.boydcorp.com . Adus pe 23 octombrie 2020 .

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 25677 · LCCN (EN) sh85059798 · GND (DE) 4132614-3 · BNF (FR) cb119795434 (dată) · NDL (EN, JA) 00.57613 milioane