Ați accesat site-ul pentru clienții din: Romania. Pe baza datelor dvs. de localizare, vă sugerăm versiunea paginii din USA / US
Panou client
Coşul dvs.
Inregistrare

Tuburi termice (heat pipe) de la Wakefield-Vette

2020-11-26

Tuburi termice (heat pipe) de la Wakefield-Vette

De curând, oferta TME a fost extinsă cu tuburi termice (cunoscute și sub denumirea de heat pipe) produse de Wakefield-Vette, destinate îndepărtării excesului de căldură. În spatele acestora se află o societate, binecunoscută în domeniu, parte a concernului american Wakefield-Vette. Deși tuburile termice par a fi o soluție destul de nouă, de fapt povestea lor a început încă din 1942, când primul brevet pentru utilizarea conductelor de căldură în sistemele de răcire a fost înregistrat de General Motors.

Ce sunt și cum funcționează tuburile termice

Caracterizate de o eficiență foarte ridicată, conductele de căldură sunt, în principiu, dispozitive cu o funcționare foarte simplă, în două faze, fără nicio piesă sau componentă interioară. Acestea sunt bazate pe un ciclu de evaporare și condensare a agentului de lucru pentru transferarea excesului de căldură de la un capăt la altul al acestora. Importantă este utilizarea fenomenului de evaporare, convecție și apoi condensare a agentului de lucru cu care este umplut tubul. Tuburile termice sunt caracterizate de o eficiență enormă față de metodele bazate pe conductivitatea termică și de un domeniu larg al temperaturilor de lucru - de la câțiva kelvini (utilizări în criogenie) la peste 1500 de grade Celsius (tehnologii aerospațiale și aeronautice). Prin urmare, paleta de utilizări a acestora este foarte largă și cuprinde, bineînțeles, răcirea și tehnologiile de încălzire, industria chimică, tehnici de construcție avansate, industria alimentară, șantiere și construcții navale, aviație și tehnologii aerospațiale și, în primul rând și cu siguranță cea mai cunoscută dintre toate utilizările - electronica.

Heat pipe – principiul de funcționare

Principiul de funcționare a tubului termic este puțin diferit pentru fiecare dintre cele două tipuri de bază ale acestuia, și anume tuburi gravitaționale – numite și termosifon - și tuburi cu structură capilară, denumite cel mai adesea tuburi cu fitil. În primele dintre acestea, circulația fluidului de lucru - este vorba de returnarea condensatului în locul inițial al acestuia - este asigurată prin forța gravitațională. În schimb, în conductele de căldură cu structură capilară circulația fluidului de lucru se realizează sub acțiunea forțelor capilare. Însă, indiferent de tipul pe care îl întâlnim, schema de funcționare a tubului termic este aproximativ aceeași. În prima etapă, capătul conductei care preia căldura (zona vaporizatorului) crește temperatura agentului de lucru până la momentul în care acesta trece din faza lichidă în cea gazoasă, transformându-se în vapori. Diferența de temperatură și presiune (forță de convecție) dintre capătul mai cald și cel mai rece al tubului determină crearea unui flux de vapori spre extremitatea rece a tubului, care are rolul de condensator. Aici vaporii se condensează, cedând căldura latentă absorbită materialului tubului, care, apoi, o transferă în mediul ambiant. În etapa finală a ciclului, vaporii condensați revin sub formă de picături de lichid în zona vaporizatorului, realizând acest lucru fie datorită gravitației - de obicei, prin scurgere - fie cu ajutorul forțelor capilare, care acționează datorită structurii poroase de pe pereții interiori ai tubului termic.

Cum funcționează tuburile termice

Cum funcționează tuburile termice:

  1. Fluidul de lucru absoarbe căldura în timpul trecerii în stare gazoasă.
  2. Vaporii se deplasează de-a lungul tubului până în zona cu temperatură mai scăzută.
  3. Vaporii se condensează, revenind în stare lichidă și îndepărtează căldura.
  4. Lichidul este absorbit de structura de fitil.
  5. Lichidul se întoarce în capătul cu temperatură înaltă în interiorul microstructurii capilare.
  6. Fluxul natural sau forțat al aerului disipează excesul de căldură în mediul ambiant.

Heat pipe – cum să alegem soluția potrivită?

Cu aceasta am putea încheia, însă trebuie să atragem atenția asupra unor chestiuni neabordate până acum: presiunea din interiorul tubului și tipul mediului de lucru, care poate fi apă sau un alt fluid. Reglând în mod corespunzător presiunea, pentru fiecare mediu putem influența valoarea temperaturii la care are loc trecerea agentului de lucru în stare gazoasă, precum și punctul de rouă, adică valoarea diferenței de temperatură la care vaporii, în contact cu structura tubului în zona de condensare, trec efectiv în stare lichidă. Alegerea agentului de lucru – care poate fi heliu, hidrogen, azot, acetonă, potasiu, argint lichid și multe altele – este, de asemenea, foarte importantă, pentru că agentul trebuie ales în funcție de condițiile în care tubul termic urmează să funcționeze. Pentru comparație, tuburile termice umplute cu amoniac funcționează excelent într-un interval de temperaturi cuprins între aproximativ 200 și aproape 400 de grade Kelvin, în timp ce tehnologiile aerospațiale trebuie să folosească agenți de lucru care își păstrează proprietățile la temperaturi de ordinul a 1000-2500 grade Kelvin. De aceea, proiectele NASA, ESA sau Space X utilizează tuburi termice specializate umplute, de exemplu, cu litiu sau argint lichid.

Descoperiți oferta de tuburi termice din oferta TME

Heat pipe – tipuri și structură

Din punctul de vedere al funcțiilor îndeplinite în procesul de transfer al căldurii prin circulație dintr-un loc în altul, în cadrul tuburilor termice se disting trei părți sau zone. Prima și a doua sunt zonele deja descrise mai sus, cea de vaporizare și cea de condensare. Între acestea mai funcționează o zonă mediană, numită adiabatică. În aceasta are loc mișcarea liberă, în paralel și neperturbată în niciun sens a fazei gazoase și a celei lichide. Vaporii se deplasează din zona de vaporizare în zona de condensare în întregul volum al tubului, iar lichidul condensat se scurge pe pereții netezi (termosifoane) sau alunecă în interiorul microstructurii capilare poroase create pe peretele interior.

Dacă structura tuburilor gravitaționale (termosifoanelor) este una simplă, în cazul tuburilor termice cu structură capilară avem de-a face cu aspecte mult mai complicate. Producătorii folosesc diferite materiale pentru realizarea miezului și a structurii capilare, aceasta din urmă putând fi fabricată, printre altele, din materiale ceramice, fibre de sticlă, pulbere metalică sinterizată sau micro-site de sârmă. În fond, este vorba de obținerea unei structuri a fitilului care să faciliteze revenirea lichidului la vaporizator, ceea ce nu este totuși ușor. Crearea unei microstructuri corespunzătoare este cea mai complicată etapă a procesului de producție a tubului termic, în special atunci când este vorba de un fitil compozit, adică realizat din cel puțin două materiale diferite. Fitilurile omogene – fabricate dintr-un singur material - sunt, cel mai adesea, fitiluri sub formă de caneluri longitudinale, scobite axial. Sunt fabricate în același timp cu tubul termic, în schimb fitilurile compozite sunt produse în cel puțin două sau trei etape. Însă, indiferent dacă avem de-a face cu un fitil cu caneluri, site, mixt (cu caneluri și site), sinterizat sau rulat, structura acestuia are o influență importantă asupra mișcării capilare a lichidului, asigurată datorită presiunii capilare, care învinge elementele de rezistență interioară opusă fluxului. Aceste două forțe, care încearcă să se anuleze reciproc, acționează în mod diferit asupra tipurilor fluidului de lucru. De aceea, producători precum Wakefield-Vette au trebuit să efectueze multe teste și încercări de precizie pentru fiecare mediu în parte, elaborând astfel structuri în care creșterea forțelor capilare - cu reducerea graduală a dimensiunilor porilor sau a miezului sitei - este mai mare decât creșterea forțelor de frecare. În cazul produselor Wakefield-Vette, marea majoritate a tuburilor termice oferite sunt tuburi cu fitiluri compozite, sinterizate din pulbere de cupru, care formează, în timpul procesului de sinterizare, o structură poroasă, asemănătoare cu un burete. Datorită dimensiunilor corespunzătoare ale microporilor, aceste tuburi sunt un spațiu potrivit pentru fluidul de lucru după condensare, atât în poziție verticală, cât și oblică sau orizontală, fiind astfel foarte apreciate pe piață pentru eficiență.

Un aspect distinct îl reprezintă materialul și construcția carcasei în sine a heat pipe, care este fabricată din diferite tipuri de metale, ceramică sau sticlă, în funcție de utilizarea tubului. Materialul carcasei tubului trebuie să reziste la presiunile care apar în interior în timpul funcționării normale a tubului termic, să nu intre în nicio reacție cu agentul de lucru (risc de corodare) și să fie caracterizat de un coeficient de transfer termic ridicat, pentru ca întregul sistem să își poată îndeplini în mod eficient funcția. Însă, revenind la fluidele de lucru, trebuie subliniat faptul că acestea nu doar că nu trebuie să intre în reacții chimice cu materialul carcasei tubului sau al fitilului, dar trebuie să prezinte și stabilitate termică, o vâscozitate scăzută a lichidului și a vaporilor la un coeficient înalt de tensiune superficială și, bineînțeles, o valoare crescută a coeficientului de transfer termic.

Heat pipe – cum trebuie îmbinate?

De îmbinarea tuburilor termice se leagă și un alt aspect, și anume aplatizarea. Adesea aceasta este necesară pentru a ajusta sistemul la forma dorită, pentru a-l introduce în fanta în care trebuie montat sau, pur și simplu, pentru a crește suprafața de contact a tubului pentru o mai bună preluare a căldurii. Prețul pentru adaptarea tubului la locul în care urmează să funcționeze - prin aplatizarea acestuia - este diminuarea capacității sale termice și reducerea suprafeței secțiunii transversale. În aceste situații, eficiența tubului după aplatizare este asemănătoare cu eficiența unui tub perfect rotund, dar cu un diametru mult mai mic. Mai rău, cu cât este mai mare diametrul tubului termic inițial, cu atât mai puternic se resimte reducerea capacității termice a acestuia după aplatizare. Și în cazul îndoirii tuburilor termice are loc o limitare nesemnificativă a performanței acestora, însă situația se înrăutățește dacă raza de curbură scade sub multiplul de 4 sau de 3 al diametrului tubului respectiv. În cazuri extreme, fluxul de vapori și căldură poate fi întrerupt, ceea ce împiedică funcționarea tubului termic.

Îmbinarea tuburilor termice cu plăci și schimbătoare de căldură constă, în principal, în maximizarea suprafeței de contact, cu respectarea, în același timp, a instrucțiunilor de mai sus privind aplatizarea și îndoirea. În majoritatea cazurilor, tuburile termice sunt încastrate în canalele pregătite pe placă, pentru maximizarea suprafeței de contact a acestora. Tubul termic potrivit poate fi fixat în canal prin lipire sau prin folosirea unei rășini epoxidice cu proprietăți termice. De asemenea, tubul termic poate fi fixat între două plăci cu ajutorul unor caneluri ajustate, îmbinate între ele. Într-o configurație de prindere de acest tip, putem utiliza pastă termoconductoare pentru creșterea contactului dintre tubul termic și plăci și, totodată, pentru reducerea rezistenței termice în locul de contact.

rightColumnPicture

CITIŢI ŞI

Browserul dvs. nu mai este suportat, descărcaţi o versiune nouă