U bekijkt de website voor klanten uit: Netherlands. Op basis van uw locatiegegevens is de voorgestelde pagina voor u USA / US
Klantpaneel
In uw winkelwagen
Laat zich registreren

Warmtebuizen (heat pipe) van Wakefield-Vette

2020-11-26

Warmtebuizen (heat pipe) van Wakefield-Vette

Sinds kort is het aanbod van TME uitgebreid met de zgn. warmtebuizen (ook bekend onder de naam heat pipe) die zijn geproduceerd door Wakefield-Vette en dienen voor het afvoeren van overmatige warmte. Hier zit een bekend bedrijf achter, onderdeel van het Amerikaanse concern Wakefield-Vette. Hoewel warmtebuizen een nieuwe oplossing lijken, begon hun geschiedenis in werkelijkheid al in 1942, toen het eerste patent voor het gebruik van warmtebuizen in koelsystemen werd aangevraagd door General Motors.

Wat zijn warmtebuizen en hoe werken ze.

Warmtebuizen zijn bijzonder effectief en hebben eigenlijk een bijzonder simpele werking. Het zijn 2-fasige apparaten zonder onderdelen of componenten aan de binnenkant. Ze gebruiken de cyclus van verdamping en condensatie van het transfermedium om overtollige warmte van het ene naar het andere uiteinde af te voeren. De sleutel is het gebruik van het fenomeen van verdamping, convectie en vervolgens condensatie van het medium waarmee de buis is gevuld. Warmtebuizen zijn uitermate effectief in vergelijking met methoden die zijn gebaseerd op warmtegeleiding en hebben een breed bereik aan bedrijfstemperaturen - van enkele Kelvin (toepassing in cryogenie) tot meer dan 1.500 graden Celsius (ruimte- en luchtvaart technologie). Hun toepassingsmogelijkheden zijn dan ook zeer breed en omvatten uiteraard koel- en verwarmingstechnologieën, chemische industrie, geavanceerde bouwtechnieken, levensmiddelenindustrie, scheepswerven en scheepsbouw, lucht- en ruimtevaarttechnologie en vooral en waarschijnlijk de bekendste van alle toepassingen - elektronica.

Heat pipe - werkingsprincipe

Het werkingsprincipe van een warmtebuis is enigszins verschillend voor elk van de twee basistypen, namelijk zwaartekrachtbuizen – de zgn. thermosifons - en buizen met een capillaire structuur, vaak warmtebuizen met pit genoemd. In het eerste geval vindt de circulatie van het transfermedium - het gaat hierbij om terugkeer van condensaat naar zijn oorspronkelijke plek - plaats als gevolg van de zwaartekracht. Bij warmtebuizen met een capillaire structuur is de circulatie van het transfermedium gebaseerd op capillaire werking. Ongeacht met welk type we te maken hebben, is het werkingspatroon van de warmtebuis min of meer hetzelfde. In de eerste fase verhoogt het uiteinde van de warmtebuis dat warmte ontvangt (verdampergedeelte) de temperatuur van het transfermedium totdat zijn toestand overgaat van vloeibaar naar gasvormig en verandert in damp. Door het verschil in temperatuur en druk (convectiekracht) tussen het warmere en koudere uiteinde van de buis ontstaat een dampstroom naar het koude uiteinde van de buis dat als condensor fungeert. Dit is waar de damp condenseert en zijn latente thermische energie overbrengt op het materiaal van de buis, die de energie vervolgens afgeeft aan zijn omgeving. In de laatste fase van de cyclus keert de gecondenseerde damp in de vorm van een druppelvloeistof terug naar het verdampergedeelte, hetzij door de zwaartekracht - door naar beneden te vloeien - of door de capillaire werking van de poreuze structuur op de binnenwanden van de warmtebuis.

Hoe werken warmtebuizen

Hoe werken warmtebuizen:

  1. Het transfermedium absorbeert warmte tijdens het overgaan naar de vluchtige fase.
  2. De damp stijgt op in de buis naar het gebied met een lagere temperatuur.
  3. De damp condenseert tot een vloeistof en geeft de warmte af.
  4. De vloeistof wordt geabsorbeerd door de structuur van de pit.
  5. De vloeistof keert terug naar het uiteinde met de hoge temperatuur in de capillaire microstructuur.
  6. Een natuurlijke of geforceerde luchtstroom voert overtollige warmte af naar de omgeving.

Heat pipe – hoe kies ik de juiste oplossing?

Hier zouden we kunnen stoppen, maar u moet echter ook letten op kwesties die tot nu toe nog niet aan de orde zijn geweest: de druk in de buis en het soort transfermedium: water of een andere vloeistof. Door de druk op de juiste manier te regelen, is het voor elk medium mogelijk om de temperatuurwaarde te beïnvloeden waarbij het medium in de vluchtige toestand komt, en het zgn. dauwpunt, ofwel de hoogte van het temperatuurverschil waarbij de damp in contact met de buisconstructie in het condensatiegedeelte effectief in de vloeibare toestand overgaat. De keuze van het transfermedium – het kan hierbij gaan om helium, waterstof, stikstof, aceton, kalium, vloeibaar zilver en vele andere – is ook van groot belang omdat u het juiste medium moet kiezen, afhankelijk van de omstandigheden waarin de warmtebuis zal werken. Ter vergelijking, warmtebuizen die zijn gevuld met ammoniak werken uitstekend bij temperaturen van circa 200 tot bijna 400 Kelvin, terwijl kosmische technologieën een medium moeten gebruiken dat geschikt is voor temperaturen in de orde van 1000-2500 Kelvin. Daarom gebruiken de projecten van NASA, ESA en Space X gespecialiseerde warmtebuizen gevuld met o.a. vloeibaar lithium of zilver.

Maak kennis met het aanbod aan warmtebuizen in het aanbod van TME

Heat pipe – soorten en hun constructie

Vanuit het oogpunt van de functies die worden uitgevoerd bij de circulaire warmteafvoer van het ene gebied naar het andere, zijn in de warmtebuizen drie delen te onderscheiden die ook wel gebieden worden genoemd. De eerste en tweede zijn het eerder beschreven verdampingsgebied en condensatiegebied. Daartussenin functioneert nog het middelste gebied, dat het adiabatisch gebied wordt genoemd. Hierin vindt de vrije, parallelle en wederzijds ongestoorde beweging van de damp- en vloeistoffase plaats. De damp verplaatst zich van het verdampingsgebied naar het condensatiegebied over de hele volume van de buis, terwijl de gecondenseerde vloeistof langs de gladde wanden (thermosifons) vloeit of zich verplaatst in de poreuze capillaire microstructuur die op de binnenwand is gemaakt.

Terwijl de structuur van zwaartekrachtbuizen (thermosifons) een eenvoudige kwestie is, hebben we bij warmtebuizen met een capillaire structuur te maken met een veel complexer vraagstuk. Fabrikanten gebruiken verschillende materialen voor de productie van de kern en van de capillaire structuur. De laatste kan o.a. bestaan uit keramische materialen, glasvezels, gesinterd metaalpoeder of microgaas, In feite gaat het erom dat de structuur van de pit de terugkeer van de vloeistof naar de verdamper verbetert, maar dat is niet zo eenvoudig. Het creëren van een geschikte microstructuur is de meest gecompliceerde stap in het productieproces van warmtebuizen, vooral als het een composietpit moet zijn, nl. een pit die is gemaakt van ten minste twee verschillende materialen. Enkelvoudige pitten – gemaakt van slechts één materiaal – zijn meestal pitten in de vorm van axiaal aangebrachte lengtegroeven. Ze worden gelijktijdig met de warmtebuis zelf gemaakt, terwijl composietpitten in minimaal twee of drie fasen worden vervaardigd. Maar of het nu gaat om een gegroefde pit, zeefpit, gemengde (groeven en gaas), gesinterde of gerolde pit, de structuur heeft de grootste invloed op de capillaire beweging van de vloeistof, die plaatsvindt door het overwinnen van de interne stromingsweerstand door middel van capillaire druk. Deze twee krachten die elkaar proberen op te heffen, werken anders bij verschillende typen transfermedium. Producenten als Wakefield-Vette moesten daarom voor elk medium afzonderlijk veel nauwkeurige onderzoeken en proeven uitvoeren, waardoor ze structuren hebben ontwikkeld waarin de toename van capillaire krachten - met een geleidelijke afname van de grootte van de poriën of de zeefkern - groter is dan de toename van wrijvingskrachten. In het geval van de producten van Wakefield-Vette bestaat de overgrote meerderheid van de aangeboden warmtebuizen uit samengestelde pitbuizen die zijn gesinterd met koperpoeder, waardoor tijdens het sinterproces een poreuze, sponsachtige structuur ontstaat. Door de juiste afmetingen van de microporiën verplaatsen deze buizen het transfermedium na condensatie effectief, zowel in verticale, schuine als horizontale positie, waardoor ze op de markt een hoge waardering krijgen voor hun prestaties.

Een apart probleem is het materiaal en de constructie van het lichaam van de warmtebuis zelf. Het kan gemaakt zijn van verschillende soorten metalen, keramiek of glas - afhankelijk van het doel van de buis. Het materiaal van het buislichaam moet bestand zijn tegen de interne druk die ontstaat bij normaal gebruik van de warmtebuis, mag niet reageren met het transfermedium (risico op corrosie) en moet een hoge warmtegeleidingscoëfficiënt hebben, zodat het hele systeem zijn rol effectief kan vervullen. Terugkomend op het transfermedium: dit mag niet chemisch reageren met het materiaal van het buislichaam en de pit zelf. Daarnaast moet het zich ook kenmerken door thermische stabiliteit, lage viscositeit van de vloeistof en damp bij een hoge oppervlaktespanning en natuurlijk een hoge warmtegeleidingscoëfficiënt.

Heat pipe – hoe verbind ik ze met elkaar?

Verbinding van warmtebuizen vestigt de aandacht op een ander aspect, namelijk hun afvlakking. Dit is vaak nodig om het systeem aan te passen aan de gewenste vorm, het in de gleuf te passen waarin het wordt gemonteerd of simpelweg het contactoppervlak van de buis te vergroten voor een betere warmteopname. De prijs die moet worden betaald voor het aanpassen van de buis aan de plaats waar hij gaat werken door hem af te vlakken, is zijn verminderde warmtecapaciteit en verminderde dwarsdoorsnede. In dergelijke situaties is de efficiëntie van de buis in afgevlakte toestand vergelijkbaar met die van een volledig ronde buis, maar met een aanzienlijk kleinere diameter. Erger nog, hoe groter de diameter van de oorspronkelijke warmtebuis, hoe ernstiger het verlies aan warmtecapaciteit na het afvlakken. Bij het buigen van warmtebuizen wordt hun efficiëntie ook enigszins beperkt, maar die verslechtert verder als de buigradius lager is dan 4 of 3 keer de diameter van de buis zelf. In extreme situaties kan de stroom van damp en warmte worden afgesneden, waardoor de warmtebuis niet meer functioneert.

Het aansluiten van warmtebuizen op platen en warmtewisselaars berust vooral op het maximaliseren van het contactoppervlak, terwijl tegelijkertijd rekening wordt gehouden met de eerder genoemde richtlijnen voor afvlakken en buigen. In de meeste gevallen worden warmtebuizen ingebed in kanalen die op de plaat zijn gemaakt om hun contactoppervlak te maximaliseren. Een aangepaste warmtebuis kan in een dergelijk kanaal worden bevestigd door solderen of het gebruik van thermische epoxyhars. De warmtebuis kan ook tussen twee platen geklemd worden met behulp van bijpassende groeven die met elkaar verbonden zijn. In dit type klemconfiguratie kunt u warmtegeleidende pasta gebruiken om het contact van de warmtepijp met de platen te vergroten en tegelijkertijd de thermische weerstand op het contactpunt te verminderen.

rightColumnPicture

Uw browser wordt niet meer ondersteund, download een nieuwe versie

Chrome Chrome Download
Firefox Firefox Download
Internet explorer Internet Explorer Download