Здесь вы найдете бывший «паркинг»
Панель клиента
В вашей корзине
Регистрация

Тепловые трубки (heat pipe) от Wakefield-Vette

2020-11-26

Тепловые трубки (heat pipe) от Wakefield-Vette

Недавно предложение TME пополнилось так называемыми тепловыми трубками (они также известны как heat pipe) производства Wakefield-Vette для отвода избытка тепла. За ними стоит известная в отрасли компания, входящая в американский концерн Wakefield-Vette. Хотя тепловые трубки на вид кажутся довольно новым решением, на самом деле их история началась еще в 1942 году, когда General Motors подал первую патентную заявку на использование теплотрубок в системах охлаждения.

Что такое тепловые трубки и как они работают.

Отличающиеся очень высокой эффективностью теплотрубки - это, в принципе, весьма простые в своей работе 2-фазные устройства без каких-либо внутренних деталей или компонентов. Они используют цикл испарения и конденсации рабочего агента для отвода избытка тепла от одного конца к другому. Ключевым моментом здесь является использование явления испарения, конвекции и затем конденсации агента, которым заполнена трубка. Тепловые трубки чрезвычайно эффективны по сравнению с методами, основанными на теплопроводности и широком диапазоне рабочей температуры – от нескольких градусов Кельвина (применение в криогенике) до более 1,5 тысячи градусов Цельсия (космические и авиационные технологии). Следовательно, их применение очень широко и включает, конечно же, холодильное дело и отопительные технологии, химическую промышленность, передовую строительную инженерию, пищевую промышленность, судостроительную промышленность и кораблестроение, авиацию и космические технологии, а также, вероятно, наиболее известное из всех применений, прежде всего, электронику.

Heat pipe – принцип работы

Принцип работы тепловой трубки несколько отличается для каждого из двух ее основных типов, которыми являются гравитационные трубки, так называемые термосифоны, и трубки с капиллярной структурой, чаще всего называемые фитильными трубками. В первом случае циркуляция рабочей жидкости, имеется в виду возвращение конденсата на его первоначальное место, происходит под действием силы тяжести. С другой стороны, в теплотрубках с капиллярной структурой циркуляция рабочей жидкости происходит на основе действия капиллярных сил. Однако, независимо от того, с каким типом мы имеем дело, схема работы тепловой трубки более или менее одинакова. На первом этапе конец теплотрубки, принимающий тепло (секция испарителя), повышает температуру рабочего агента до тех пор, пока оно не перейдет из жидкого состояния в газовое, превращаясь в пар. Разница в температуре и давлении (сила конвекции) между более теплым и более холодным концом трубки создает поток пара к холодному концу трубки, который исполняет роль конденсатора. Здесь пар конденсируется, отдавая свою скрытую тепловую энергию материалу трубки, которая затем передает ее своему окружению. На последнем этапе цикла сконденсированный пар возвращается в виде капли жидкости в испарительную секцию, и это происходит либо под действием силы тяжести, обычно стекая, либо на основе капиллярных сил, действующих благодаря пористой структуре на внутренних стенках тепловой трубки.

Как работают тепловые трубки

Как работают тепловые трубки:

  1. Рабочая жидкость поглощает тепло во время перехода в газообразное состояние.
  2. Пар движется по трубке в зону с более низкой температурой.
  3. Пар конденсируется обратно в жидкость и отводит тепло.
  4. Жидкость поглощается структурой фитиля.
  5. Жидкость возвращается к концу с высокой температурой внутри капиллярной микроструктуры.
  6. Естественный или принудительный поток воздуха рассеивает избыток тепла в окружающую среду.

Heat pipe – как выбрать подходящее решение?

На этом можно было бы закончить, однако, следует обратить внимание на опущенные выше моменты: давление внутри трубки и тип рабочего агента, которым может быть вода или другая жидкость. Правильно регулируя давление, можно влиять на значение температуры любого агента, при которой он переходит в газообразное состояние, и на так называемую точку росы, то есть на значение разницы температур, когда пар, контактирующий со ​​структурой трубки в секции конденсации, эффективно переходит в жидкое состояние вещества. Выбор рабочего агента, которым может быть гелий, водород, азот, ацетон, калий, жидкое серебро и многие другие, также важен, поскольку подходящее тело следует выбирать в зависимости от условий, в каких будет работать тепловая трубка. Для сравнения, тепловые трубки, заполненные аммиаком, отлично работают в диапазоне температур от около 200 до почти 400 градусов Кельвина, в то время как космические технологии должны использовать вещества, которые хорошо работают при температуре в диапазоне 1000-2500 градусов Кельвина. Вот почему в проектах NASA, ESA и Space X используются специальные тепловые трубки, заполненные, в частности, жидким литием или серебром.

Смотреть тепловые трубки в предложении TME

Heat pipe – виды и их конструкция

С точки зрения функций, выполняемых в процессе циркуляционного отвода тепла из одной зоны в другую, в пределах самих тепловых трубок выделяются три части, обычно называемые секциями. Первая и вторая – это ранее описанные секции испарения и конденсации. Между ними есть еще одна, средняя, называемая адиабатической. Именно в ней происходит свободное, параллельное и взаимно беспрепятственное движение паровой и жидкой фаз. Пар перемещается из секции испарения в секцию конденсации по всей емкости трубки, а конденсированная жидкость течет по гладким стенкам (термосифонам) или движется внутри пористой капиллярной микроструктуры, сформированной на внутренней стенке.

Если конструкция гравитационных трубок (термосифонов) проста, то в случае тепловых трубок с капиллярной структурой мы имеем дело с гораздо более сложным вопросом. Производители используют различные материалы для изготовления сердцевины и капиллярной структуры, последняя из которых может быть изготовлена, в частности, из керамических материалов, стекловолокна, спеченного металлического порошка или проволочной микросетки. По сути, идея состоит в том, чтобы получить такую структуру фитиля, которая облегчит возврат жидкости в испаритель, что, однако, непросто. Создание соответствующей микроструктуры является наиболее сложным этапом в процессе производства тепловых трубок, особенно, если это должен быть композитный фитиль, т.е. изготовленный как минимум из двух разных материалов. Однородные фитили – из одного материала – это обычно фитили в виде осевых продольных канавок. Они изготавливаются одновременно с самой тепловой трубкой, а композитные фитили производятся как минимум в два или три этапа. Независимо от того, имеем ли мы дело с рифленым, сетчатым, смешанным (канавки и сетка), спеченным или крученым фитилем, его структура имеет ключевое влияние на капиллярное движение жидкости, которое происходит благодаря преодолению внутреннего сопротивления потоку за счет капиллярного давления. Эти две силы, пытающиеся нейтрализовать друг друга, по-разному действуют на различные типы рабочей жидкости. Поэтому таким производителям, как Wakefield-Vette пришлось провести множество тщательных исследований и испытаний для каждого рабочего агента отдельно, благодаря чему они разработали такие структуры, в которых рост капиллярных сил, при постепенном уменьшении размеров пор или сердцевины сита, больше, чем увеличение сил трения. Что касается изделий фирмы Wakefield-Vette, подавляющее большинство предлагаемых тепловых трубок представляют собой композитные фитильные трубки, спеченные из медного порошка, который создает в процессе спекания пористую структуру, похожую на губку. Благодаря соответствующим размерам микропор эти трубки эффективно перемещают рабочую жидкость после конденсации, как в вертикальном, так и в диагональном или горизонтальном положении, что обеспечивает высокую оценку их продуктивности на рынке.

Отдельным вопросом является материал и конструкция самого корпуса heat pipe, который изготавливается из различных видов металла, керамики или стекла, в зависимости от назначения трубки. Материал корпуса трубки должен выдерживать внутренние давления, возникающие при нормальной работе тепловой трубки и не вступать в реакцию с рабочим телом (опасность коррозии), а также иметь высокий коэффициент теплопроводности, чтобы вся система могла эффективно выполнять свою роль. Однако, возвращаясь к рабочим жидкостям, следует отметить, что они не только не должны вступать в химические реакции с материалом корпуса трубки и самого фитиля, но также должны отличаться термической стабильностью, низкой вязкостью жидкости и пара при высоком уровне поверхностного натяжения и, конечно же, высоким значением коэффициента теплопроводности.

Heat pipe – как их соединить вместе?

Еще один аспект соединения тепловых трубок – это их сплющивание. Часто оно необходимо для того, чтобы подогнать схему под нужную форму, вставить ее в проем, в котором она будет установлена, или просто увеличить поверхность соединения трубки для лучшей приемки тепла. Плата за установку трубки по месту, где она должна работать, путем сплющивания – это ее пониженная теплоемкость и уменьшенная площадь поперечного сечения. В таких ситуациях эффективность трубки после сплющивания аналогична эффективности полностью круглой трубки, но при значительно меньшем диаметре. Что еще хуже, чем больше диаметр исходной тепловой трубки, тем сильнее ощущается снижение ее теплоемкости после сплющивания. При изгибе тепловых трубок их эффективность также немного снижается, что еще больше ухудшается, если радиус изгиба становится мешьше 3…4-х диаметров самой трубки. В экстремальных ситуациях может произойти отсечка потока пара и тепла, полностью блокируя функционирование тепловой трубки.

Соединение тепловых трубок с пластинами и теплообменниками в основном связано с максимизацией площади контакта при одновременном соблюдении вышеупомянутых правил сплющивания и изгиба. В большинстве случаев тепловые трубки вводятся в каналы, подготовленные на пластине, чтобы максимально увеличить поверхность их контакта. Подогнанная тепловая трубка может быть закреплена в таком канале пайкой или с помощью термальной эпоксидной смолы. Тепловую трубку также можно зажать между двумя пластинами с адаптированными канавками, которые соединены друг с другом. В этом типе зажимной конфигурации можно использовать теплопроводную пасту для увеличения контакта тепловой трубки с пластинами и одновременно уменьшения теплового сопротивления по месту соединения.

rightColumnPicture

ЧИТАТЬ ТАКЖЕ

Ваш браузер уже не поддерживается, загрузите новую версию