Ország, amelynek oldalán vagy: Hungary. Számodra javasolt verzió USA / US
Vevői fiók
A TE kosaradban
Regisztráció

Hőcsövek (heat pipe) a Wakefield-Vette cégtől

2020-11-26

Hőcsövek (heat pipe) a Wakefield-Vette cégtől

A közelmúltban a TME termékkínálata a Wakefield-Vette által gyártott hőcsövekkel (heat pipes) bővült, melyek a többlethő elvezetésére szolgálnak. Ezek mögött egy, az ágazaton belül jól ismert, és az amerikai Wakefield-Vette konszernhez tartozó cég áll. Bár a hőcsövek meglehetősen új megoldásnak tűnnek, valójában történelmük 1942-ben kezdődött, amikor a General Motors benyújtotta az első szabadalmat a hőcsövek hűtőrendszerekben történő felhasználására.

Mik azok a hőcsövek és hogyan működnek?

A nagy hatásfokkal hőcsövek a működésük során alapvetően nagyon egyszerű a kétfázisú eszközök, mindenféle belső alkatrészek nélkül. A munkaközeg párolgási és páralecsapódási ciklusát hasznosítva a felesleges hőt az egyik végükből a másikba továbbítják. Kulcsfontosságú itt azon közeg párolgási, konvekciós és kondenzációs jelenségeinek fel/kihasználása, amellyel a csövet megtöltjük. A hőcsöveket a hővezetőképességen valamint - a néhány Kelvintől (kriogenikai alkalmazások) az akár több mint 1500 Celsius fokig (űr- és repüléstechnikai alkalmazások) terjedő – széles, működési hőmérsékleti tartományon alapuló módszerekhez képest rendkívül nagy hatékonyság jellemzi. Ebből következően az alkalmazási területük is nagyon széles, és természetesen magában foglalja a hűtési és fűtéstechnológiákat, a vegyipart, a fejlett építőmérnöki tudományokat, az élelmiszeripart, a hajógyártást, a repüléstechnikát és az űrtechnológiákat, és elsősorban – a minden alkalmazás közül valószínűleg a legismertebbet - az elektronikát.

Hőcsövek – működési elv

A hőcsövek működési elve a két alaptípusra vonatkozóan némileg eltér, vagyis más a gravitációs csövek (ún. termoszifonok), más és kapilláris szerkezetű csövek esetében, mely utóbbiakat leggyakrabban „kanócos” csöveknek neveznek. Az első típus esetében a munkaközeg cirkulációja – vagyis a kondenzátum eredeti helyre történő visszajutása – a gravitációs erő hatására következik be. A kapilláris szerkezetű hőcsövek esetében viszont a munkaközeg cirkulációja a kapilláris erők hatására játszódik le. Függetlenül azonban attól, hogy melyik típussal van dolgunk, a hőcső működési sémája nagyjából megegyezik. Az első szakaszban a hőcső hőt fogadó vége (párologtató szekció) addig a pontig emeli a munkaközeg hőmérsékletét, amelynél az folyadékból gázállapotba nem változik, ás gőzzé nem alakul. A hőmérsékletek és a nyomások különbsége (konvekciós erők) gőzáramlást generál a cső melegebb és hűvösebb vége között, ami a kondenzátor funkcióját betöltő, hűvös csővég felé áramlik. Itt a gőz lekondenzálódik, a látens hőenergiáját átadja a hőcső szerkezeti anyagának, az pedig majd továbbítja a hőt környezetébe. A ciklus utolsó szakaszában a kondenzált gőz folyadékcseppként visszatér az elpárologtató szekcióba, és ezt vagy gravitációs úton - egyszerűen lefolyva - vagy kapilláris hatással teszi meg, a hőcső belső falainak porózus szerkezete miatt.

Hogyan működnek a hőcsövek

Hogyan működnek a hőcsövek:

  1. A munkaközeg elnyeli a hőt, miközben gáz halmazállapotúvá válik.
  2. A gőz a cső hossza mentén az alacsonyabb hőmérsékletű terület felé halad.
  3. A gőz visszakondenzálódik folyadékká, és elvezeti a hőt.
  4. A folyadékot a kanócszerkezet felszívja.
  5. A folyadék a kapilláris mikrostruktúra belsejében visszatér a hőcső magas hőmérsékletű végébe.
  6. A természetes vagy kényszerített légáramlás elvezeti a felesleges hőt a környezetbe

Hőcsövek – hogyan válasszuk ki a megfelelő megoldást?

Ennyivel a dolog akár le is zárható, de figyelmet kell fordítanunk eddig nem tárgyalt kérdésekre is, úm.: a csövön belüli nyomásra, valamint a munkaközeg fajtájára is, ami lehet víz vagy egyéb folyadék. A nyomás megfelelő szabályozásával mindegyik munkaközegre vonatkozóan befolyásolhatjuk azt a hőmérséklet értéket, amelyiknél bekövetkezik a közeg légneművé válása, illetve megváltoztathatjuk az ún. harmatpontot, vagyis azt a hőmérsékletkülönbség értéket, amelynél a kondenzációs szekcióban a cső szerkezetével érintkező gőz hatékonyan megy át folyékony halmazállapotba. A munkaközeg – ami lehet hélium, hidrogén, nitrogén, aceton, kálium, folyékony ezüst, és még sok egyéb – megválasztása szintén lényeges jelentőségű, mivel a megfelelő közeget azoktól a körülményektől függően kell kiválasztani, amelyben a hőcső üzemelni fog. Összehasonlításul: az ammóniával töltött hőcsövek** nagyszerűen teljesítenek körülbelül 200 és csaknem 400 Kelvin közötti hőmérséklet-tartományban, míg az űrtechnológiákban olyan közegeket kell használni, amelyek 1000-2500 Kelvin-fokon működnek jól. Emiatt a NASA, ESA vagy Space X projektek speciális hőcsöveket használnak, amik pl. folyékony lítiummal vagy ezüsttel vannak megtöltve.

Ismered meg a hőcsöveket a TME kínálatában

Hőcsövek – egyes fajták és szerkezetük

A hőcsövekre vonatkozóan, az egyik területről a másikra történő cirkulációs hőátadási folyamat során betöltött funkciók szempontjából három részt/szakaszt különböztetünk meg, amelyeket általában szekcióknak nevezünk. Az első és a második a már korábban leírt párolgási szekció és a kondenzációs szekció. Közöttük van még egy, a középső, az úgynevezett adiabatikus szakasz. Ott történik a gőz- és a folyadékfázis szabad, párhuzamos és kölcsönösen zavartalan mozgása. A gőz a párolgási szekcióból a kondenzációs szekcióba a cső teljes térfogatában áthelyeződik, a kondenzált folyadék pedig a sima csőfalakon (termoszifonokon) áramlik, vagy a cső belső falán kialakított, porózus, kapilláris mikrostruktúra belsejében mozog.

Amennyire egyszerű kérdés a gravitációs csövek (termoszifonok) felépítése, a kapilláris szerkezetű hőcsövek esetében annyival összetettebb kérdéssel kell foglalkozunk. A gyártók különböző anyagokat használnak a csőmag és a kapilláris szerkezet előállításához, amelyek közül az utóbbi elkészíthető többek között kerámiából, üvegszálakból, szinterezett fémporból vagy mikrohuzalból. Lényegében az a szándék, hogy olyan „kanóc”-szerkezetet hozzanak létre, amely megkönnyíti a folyadék visszatérését a párologtatóba, azonban ez korántsem annyira egyszerű. Megfelelő mikrostruktúra létrehozása a hőcsövek gyártási folyamatának legbonyolultabb szakasza, különösen akkor, ha a „kanócnak” kompozit anyagúnak kell lennie, vagyis legalább két különböző anyagból kell készülnie. Az egy anyagból készülő egynemű kanócok – általában tengelyirányban hornyolt, hosszanti barázdás kanócok. Egyszerre készülnek magukkal a hőcsövekkel, viszont a kompozit kanócokat legalább kettő vagy három etapban állítják elő. Függetlenül attól, hogy barázdált, hálós, vegyes, (barázdás és hálós), szinterezett vagy tekercselt „kanóccal” van dolgunk, a szerkezete kulcsfontosságú hatással van a folyadék kapilláris mozgására, amely a belső áramlási ellenállás erőnek a kapilláris nyomással keltett erő általi legyőzésével valósul meg. Ez az egymást hatástalanítani kívánó két erő másként hat különböző típusú munkaközegek esetén. Ezért az olyan gyártóknak, mint a Wakefield-Vette nagyon sok részletes kutatást és tesztet kellett elvégezniük mindegyik médiumra külön-külön, aminek köszönhetően olyan struktúrákat fejleszthettek ki, amelyeknél a kapilláris erők - a pórusméret vagy a szita-mag méret fokozatos csökkentésére bekövetkező - növekedései nagyobbak, mint a súrlódási erők növekedése. A Wakefield-Vette termékek esetében az általuk kínált hőcsövek túlnyomó része rézporból szinterezett, “kanócos” hőcsövekből áll, amelyek porózus, szivacsosra emlékeztető szerkezete a szinterezés folyamat során alakult ki. A megfelelő méretű mikropórusoknak köszönhetően ezek a csövek a kondenzáció után hatékonyan mozgatják a munkaközeget függőleges, ferde vagy vízszintes helyzetben is, ezért a magas piacon nagyra értékelik ezek hatékonyságát.

Külön kérdés magának a „heat pipe” testének az anyaga és a felépítése. A cső különféle fémekből, kerámiából vagy üvegből készülhet - a cső rendeltetésétől függően. A csőtest anyagának ellen kell állnia a hőcső normál működése során fellépő belső nyomásoknak, és a csőanyag nem léphet semmilyen reakcióba a munkaközeggel (korrózió veszélye miatt), és magas hővezetési együtthatóval kell rendelkeznie annak érdekében, hogy az egész rendszer hatékonyan be tudja tölteni a szerepét. Visszatérve a munkafolyadékokhoz, meg kell említeni azt is, hogy nem csak hogy kémiai reakcióba nem léphetnek a csőtest anyagával és magával a „kanóccal” sem, hanem olyan tulajdonságokkal is rendelkezniük kell, mint jó termikus stabilitás, magas felületi feszültség melletti alacsony folyadék és gőzviszkozitás, valamint - természetesen - magas hővezetési együttható.

Heat pipe – hogyan kössük őket össze?

A hőcsövek összekötéséhez kapcsolódik egy aspektus, ami nem más, mint a csövek lapítása. Ez gyakran szükséges ahhoz, hogy a rendszert a kívánt alakra tudjuk formálni, beilleszteni egy szűkületbe, vagy egy résbe, amelybe fixre be lesz szerelve, vagy csak egyszerűen meg kell növelni a cső érintkezési felületét a jobb hőfogadás érdekében. A cső konkrét helyére történő illesztésnek az az ára, hogy az ellapítással csökken a hőtérfogat és a cső keresztmetszetének a területe. Ilyen helyzetekben ellapítás után a cső teljesítménye hasonló egy teljesen kerek, de lényegesen kisebb átmérőjű csőéhez. Ami ennél rosszabb, az az, hogy minél nagyobb a hőcső induló átmérője, annál jobban érzékelhető a hőkapacitás csökkenése, ha ellapítják. A hőcsövek hajlításakor is bekövetkezik egy kisebb mértékű teljesítmény csökkenés, ami gyorsan tovább romlik, ha a hajlítási sugár a cső átmérőjének 4-szerese vagy 3-szorosa alá csökken. Szélsőséges helyzetekben bekövetkezhet a gőz- és hőáramlás elzáródása, ami teljesen ellehetetleníti a hőcső működését.

A hőcsövek lemezekkel és hőcserélőkkel való összekapcsolása elsősorban az érintkezési felület maximalizálásáról szól úgy, hogy közben figyelemmel kell lennünk a csövek toldásával és hajlításával kapcsolatos, előbbiekben említett intelmekre. A legtöbb esetben a hőcsöveket az alaplemezen előkészített csatornákba ágyazzák bele úgy, hogy közben maximalizálják érintkezési felületeket. A formázott és illesztett hőcsövet forrasztással vagy hő hatására térhálósodó epoxigyanta segítségével rögzíthetjük egy ilyen csatornában. A hőcső két PCB lemez közé is rögzíthető egymással összekötött illesztési hornyokkal. Az ilyen típusú összepattintós konfigurációban célszerű hővezető pasztát használni a hőcső és a lemezek közötti jobb kontaktus biztosítására, és ezáltal a csatlakozási felületek hőellenállásának csökkentésére.

rightColumnPicture

EZT IS OLVASD EL

A Te böngésződ már elavult, tölts le egy újabb verziót

Firefox Firefox Letöltés
Internet explorer Internet Explorer Letöltés