Prohlížíte si webovou stránku pro zákazníky z: Czech Republic. Na základě údajů o poloze doporučená verze stránek pro Vás je USA / US
Panel zákazníka
Váš košík
Registrace

Tepelné trubice firmy Wakefield-Vette

2020-11-26

Tepelné trubice firmy Wakefield-Vette

V nedávné době byla nabídka společnosti TME rozšířena o takzvané tepelné trubice (známé také jako heat pipe), vyráběné společností Wakefield-Vette, které jsou určeny k odvádění přebytečného tepla. Trubice vyrábí v oboru velmi dobře známá společnost, která je součástí amerického koncernu Wakefield-Vette. Ačkoli se tepelné trubice zdají být zdánlivě zcela novým řešením, ve skutečnosti jejich historie začala již v roce 1942, kdy první patent na použití tepelných trubic v chladicích systémech přihlásila společnost General Motors.

Co jsou tepelné trubice a jak fungují.

Vyznačující se velmi vysokou účinností tepelné trubice jsou v podstatě velmi jednoduše fungující dvoufázová zařízení bez jakýchkoliv vnitřních částí nebo podsestav. Využívají odpařovací a kondenzační cyklus pracovního média pro odvádění přebytečného tepla z jednoho konce na druhý. Klíčem je zde využití jevu odpařování, konvekce a následného zkapalnění chladiva, kterým je trubice vyplněna. Tepelné trubice se ve srovnání s metodami založenými na tepelné vodivosti vyznačují mimořádnou účinností a širokým rozsahem provozních teplot, od několika Kelvinů (použití v kryogenice), až po více než jeden a půl tisíce stupňů Celsia (kosmické a letecké technologie). Proto je jejich spektrum použití velmi široké a zahrnuje samozřejmě chladicí a topné technologie, chemický průmysl, pokročilé stavební inženýrství, potravinářský průmysl, lodní stavitelství a loďařství, letecké a kosmické technologie a – možná nejznámější ze všech použití – především elektroniku.

Heat pipe – princip fungování

Princip fungování tepelné trubice je mírně odlišný pro každý ze dvou základních typů, jimiž jsou gravitační trubice – tzv. termosifony, a trubice s kapilární strukturou, nejčastěji nazývané knotovými trubicemi. V prvním případě se jedná o cirkulaci pracovní kapaliny a návrat kondenzátu na původní místo. Dochází k tomu v důsledku působení gravitace. V trubicích s kapilární strukturou je naproti tomu cirkulace pracovní kapaliny založena na působení kapilárních sil. Nicméně, bez ohledu na to, o jaký typ se jedná, je schéma činnosti tepelné trubice přibližně stejné. V první fázi zvyšuje konec trubice odebírající teplo (sekce výparníku) teplotu pracovního média do okamžiku, kdy přechází z kapalného na plynné skupenství a mění se na páru. Rozdíl teplot a tlaku (konvekční síly) mezi teplejším a chladnějším koncem trubice způsobí vytvoření proudu páry směrem ke chladnému konci trubky, který plní úlohu kondenzátoru. Právě zde se pára kondenzuje a předává latentní tepelnou energii materiálu trubice, která ji pak přenáší do svého okolí. V závěrečné fázi cyklu se zkapalněná pára vrací ve formě kapky kapaliny do sekce výparníku, a to buď díky gravitací – jednoduše stékáním zpět – anebo působením kapilárních sil, které působí díky existenci porézní struktury na vnitřních stěnách tepelné trubice.

Jak fungují tepelné trubice

Jak fungují tepelné trubice:

  1. Pracovní kapalina absorbuje teplo při přechodu do těkavého stavu.
  2. Pára putuje podél trubice do oblasti s nižší teplotou.
  3. Pára kondenzuje zpět do kapalné formy a odvádí teplo.
  4. Tekutina je absorbována strukturou knotu.
  5. Kapalina se vrací ke konci s vysokou teplotou uvnitř kapilární mikrostruktury.
  6. Přirozený nebo vynucený průtok vzduchu rozptyluje přebytečné teplo do prostředí.

Heat pipe – jak zvolit vhodné řešení?

A tím bychom mohli skončit, je však důležité věnovat pozornost otázkám, které dosud byly přehlíženy: tlaku uvnitř trubice a typu pracovního média, kterým může být voda nebo jiná kapalina. Když budeme příslušně upravovat tlak, můžeme u každého média ovlivnit hodnotu teploty, při které dochází k přechodu média do těkavého stavu a tzv. rosný bod, čili hodnotu rozdílu teplot, při kterém pára v kontaktu se strukturou trubky v sekci zkapalňování je účinně převedena do kapalného skupenství. Volba pracovního média, kterým může být helium, vodík, dusík, aceton, draslík, tekuté stříbro a mnoho dalších, je také důležitá, protože vhodné médium by mělo být zvoleno v závislosti na podmínkách, ve kterých bude tepelná trubice pracovat. Pro srovnání, tepelné trubice vyplněné amoniakem fungují skvěle v teplotním rozsahu od cca 200 do téměř 400 Kelvinů, zatímco kosmické technologie musí využívat faktory, které fungují správně při teplotách řadově 1000 až 2500 Kelvinů. Proto se v projektech NASA, ESA či Space X používají specializované tepelné trubice vyplněné mimo jiné tekutým lithiem nebo stříbrem.

Seznamte se s nabídkou tepelných trubic, které nabízí společnost TME

Heat pipe – typy a jejich konstrukce

Z hlediska funkcí, které plní v procesu cirkulačního odvodu tepla z jedné oblasti do druhé, v rámci samotných tepelných trubic rozlišujeme tři části, běžně označované jako sekce. První a druhá jsou dříve popsané sekce odpařování a sekce zkapalňování. Mezi nimi je ještě jedna, prostřední sekce, nazývaná adiabatickou. Právě v ní probíhá volný, paralelní a vzájemně nerušený pohyb parní a kapalné fáze. Pára se pohybuje z odpařovací sekce do sekce zkapalňování v rámci celého objemu trubice, zatímco zkapalněná kapalina stéká po hladkých stěnách (termosifonech), nebo se pohybuje uvnitř porézní kapilární mikrostruktury vytvořené na vnitřní stěně.

Zatímco v případě struktury gravitačních trubek (termosifonů) je to jednoduché, tepelné trubice s kapilární strukturou představují mnohem složitější problém. Výrobci používají různé materiály pro výrobu jádra a kapilární struktury, přičemž struktura může být vyrobena mimo jiné z keramických materiálů, skleněných vláken, slinutého kovového prášku nebo drátěného mikropletiva. Ve skutečnosti se jedná o dosažení takové struktury knotu, která zlepšuje návrat kapaliny do výparníku, což však není snadné. Vytvoření vhodné mikrostruktury je nejsložitější etapou výrobního procesu během výroby tepelné trubice, zvláště má-li být knot kompozitní, čili sestavený z nejméně dvou různých materiálů. Homogenní knoty jsou vyrobeny z jednoho materiálu. Jsou to nejčastěji knoty ve formě axiálně rýhovaných podélných drážek. Jsou vyráběny současně se samotnou tepelnou trubicí, zatímco kompozitní knoty jsou vyráběny v průběhu nejméně dvou nebo třech fází. Nicméně, ať už se jedná o drážkovaný, pletivový nebo smíšený knot (drážky a pletivo), slinutý nebo svinovací, jeho struktura má klíčový vliv na kapilární pohyb kapaliny, který probíhá po překonání kapilárním tlakem vnitřních průtokových odporů. Tyto dvě síly, které se snaží vzájemně se vyrušit, působí odlišně na různé typy pracovní tekutiny. Proto velcí výrobci, jako je společnost Wakefield-Vette, museli provést řadu důkladných studií a testů pro každé médium zvlášť, a díky nim vyvinuli takové struktury, v nichž je nárůst kapilárních sil – s postupným snižováním velikosti pórů nebo jádra síta – větší než zvýšení třecí síly. U výrobků firmy Wakefield-Vette je drtivá většina nabízených tepelných trubic s kompozitními knoty, slinutými z měděného prášku, které tvoří během procesu slinování porézní strukturu připomínající houbu. Díky správným rozměrům mikroporů tyto trubice účinně přemísťují pracovní kapalinu po zkapalnění, a to jak vertikálně, tak i diagonálně nebo horizontálně. A proto si trh vysoce cení jejich účinnost.

Samostatnou otázkou je materiál a konstrukce samotného tělesa heat pipe, který je vyrobeno z různých typů kovů, keramiky nebo skla, a to v závislosti na účelu trubice. Materiál tělesa trubice musí odolávat vnitřním tlakům, ke kterým dochází při normálním provozu tepelné trubice, nesmí reagovat s pracovním médiem (riziko výskytu koroze), a musí se vyznačovat vysokým součinitelem tepelné vodivosti, aby celý systém mohl účinně plnit svou úlohu. Pokud se ale vrátíme k otázce pracovních kapalin, je třeba zmínit, že nejenže by neměly chemicky reagovat s materiálem tělesa trubice a samotného knotu, ale musí se také vyznačovat tepelnou stabilitou, nízkou viskozitou kapaliny a páry při vysoké hodnotě povrchového napětí, jakož i samozřejmě vysokou hodnotou součinitele tepelné vodivosti.

Heat pipe – jak je spojovat?

Se spojováním tepelných trubic souvisí další hledisko, kterým je jejich zploštění. Často je totiž nutné upravit systém do požadovaného tvaru, vtěsnat do mezery, ve které bude namontován, nebo jednoduše zvýšit kontaktní plochu trubice pro lepší odběr tepla. Cenou za přizpůsobení trubice v místě, kde má pracovat, a to jejím zploštěním, je snížená tepelná kapacita a zmenšená plocha příčného průřezu. V takových situacích se účinnost trubice po zploštění podobá účinnosti úplně kulaté trubice, ale s podstatně menším průměrem. Aby toho nebylo málo, čím je počáteční průměr tepelné trubice větší, tím silněji je pociťováno snížení její tepelné kapacity po zploštění. Při ohýbání tepelných trubic také dochází k mírnému snížení jejich účinnosti, která se dále zhoršuje, pokud poloměr ohybu klesá pod čtyř nebo trojnásobek průměru samotné trubice. V extrémních situacích může být průtok páry a tepla odříznut, což účinně zabrání fungování tepelné trubice.

Kombinace tepelných trubic s tepelnými deskami a výměníky tepla spočívá především v maximalizaci kontaktní plochy při současném dodržení výše uvedených pokynů týkajících se zploštění a ohybu. Ve většině případů jsou tepelné trubice zapuštěny do kanálů připravených na desce za účelem maximalizace jejich kontaktní plochy. Přizpůsobenou tepelnou trubici lze v takovém kanálu upevnit pájením nebo použitím tepelné epoxidové pryskyřice. Tepelnou trubici lze také upnout mezi dvěma deskami pomocí příslušných drážek, které jsou vzájemně spojeny. V tomto typu upínací konfigurace může být teplovodivá pasta použita ke zvýšení kontaktu tepelné trubice s deskami a současně ke snížení tepelného odporu v místě kontaktu.

rightColumnPicture

TAKÉ SI PŘEČTĚTE

Váš prohlížeč již není podporován, stáhněte si novou verzi