Panel zákazníka
Vo Vašom košíku
Zaregistruj sa

Tepelné trubice (heat pipe) od Wakefield-Vette

2020-11-26

Tepelné trubice (heat pipe) od Wakefield-Vette

Nedávno bola ponuka TME rozšírená o tzv. tepelné trubice (známe aj ako heat pipe) vyrábané spoločnosťou Wakefield-Vette, ktoré slúžia na odvádzanie nadbytku tepla. Stojí za nimi známa spoločnosť, ktorá je časťou amerického koncernu Wakefield-Vette. Aj keď sa tepelné trubice zdajú na pohľad novým riešením, v skutočnosti ich história siaha do roku 1942, keď spoločnosť General Motors požiadala o prvý patent na používanie tepelných trubíc v chladiacich systémoch.

Čo sú tepelné trubice a ako fungujú.

Veľmi vysokou účinnosťou charakteristické tepelné trubice sú v podstate vo svojom princípe veľmi jednoduché dvojfázové zariadenia zbavené akýchkoľvek vnútorných častí alebo podsystémov. Využívajú cyklus odparovania a kondenzácie prevádzkovej kvapaliny pre odvádzanie nadbytočného tepla z jedného ich konca na druhý. Kľúčom je využívanie vyparovania, konvekcie a následnej kondenzácie média, ktorým je trubica vyplnená. Tepelné trubice sa vyznačujú priam obrovskou účinnosťou v porovnaní s metódami na báze vedenia tepla a širokým rozsahom pracovných teplôt - od niekoľkých Kelvinov (aplikácie v kryogenike) po viac ako 1500 stupňov Celzia (vesmírne a letecké technológie). Preto je ich používanie veľmi rozšírené a zahŕňa oblasť chladenia a ohrievania, chemický priemysel, pokročilé stavebné aplikácie, potravinársky priemysel, lodenice a výrobu lodí, letectvo a vesmírne technológie a – určite najznámejšie zo všetkých aplikácií – predovšetkým elektroniku.

Heat pipe – princíp fungovania

Princíp fungovania tepelnej trubice sa trochu odlišuje pri ich dvoch typoch, ktorými sú gravitačné rúrky a kapilárne. V tých prvých prebieha cirkulácia média – ide o stekanie kondenzátu do výparného miesta – v dôsledku samospádu, teda pôsobenia gravitačnej sily. V tepelných trubiciach s kapilárnou štruktúrou prebieha cirkulácia média na základe pôsobenia kapilárnych síl. Bez ohľadu na to, s ktorým druhom trubíc máme do činenia, schéma fungovania tepelnej trubice je viac menej podobná. V prvej fáze kraj tepelnej trubice odoberajúci teplo (výparník) zvyšuje teplotu pracovnej látky do momentu, v ktorom prechádza z tekutého stavu do plynného, pričom sa mení na paru. Rozdiel v teplote a tlaku (konvekčné sily) medzi teplejším a chladnejším koncom trubice vytvorí prúd pary smerujúci ku chladnému koncu trubice, ktorý plní funkciu kondenzátora. Tam para kondenzuje a odovzdáva tepelnú energiu, ktorú v sebe nesie, materiálu trubice, ktorá ju následne odovzdá do okolia. V záverečnej fáze kondenzačného cyklu sa skondenzovaná para vracia v podobe kvapaliny do výparníka, čo sa deje vďaka gravitácii – zvyčajne samospádom alebo na báze kapilárnych síl, ktoré pôsobia vďaka existencii pórovitej štruktúry na vnútorných stranách tepelnej trubice.

Ako fungujú tepelné trubice

Ako fungujú tepelné trubice:

  1. Pracovná látka prijíma teplo počas prechodu do plynného stavu.
  2. Para prechádza pozdĺž trubice do časti s nižšou teplotou.
  3. Para kondenzuje a tým sa opäť mení na kvapalinu a odvádza teplo.
  4. Kvapalinu nasáva knôt.
  5. Kvapalina sa vracia na koniec s vysokou teplotou vo vnútri kapilárnej mikroštruktúry.
  6. Prirodzený alebo nútený obeh vzduchu rozvádza nadbytočné teplo do okolia.

Heat pipe – ako vybrať vhodné riešenie?

Tu by sme mohli skončiť, no pozornosť si zaslúžia otázky, ktorým sme sa ešte nevenovali: tlak v trubici a druh prevádzkového média, ktorým môže byť voda alebo iná kvapalina. Vhodnou reguláciou tlaku je možné pre každé médium upravovať hodnotu teploty, pri ktorej prebieha zmena skupenstva na plynné a tzv. rosný bod, teda hodnotu rozdielu teplôt, pri ktorej para v kontakte so štruktúrou trubice v kondenzačnej časti prechádza do kvapalného skupenstva. Výber pracovnej látky – ktorou môže byť hélium, vodík, dusík, acetón, draslík, tekuté striebro a mnoho iných – je tiež významný, pretože správne médium je potrebné vyberať v závislosti od podmienok, v ktorých bude tepelná trubica pracovať. Pre porovnanie tepelné trubice vyplnené amoniakom výborne zvládajú prevádzku v teplotnom rozsahu od cca 200 až po necelých 400 stupňov Kelvina, pričom vesmírne technológie musia využívať médiá zvládajúce teploty 1000-2500 stupňov Kelvina. Preto projekty NASA, ESA alebo Space X používajú špeciálne tepelné trubice vyplnené napríklad lítiom alebo striebrom.

Oboznámte sa s ponukou tepelných trubíc v TME

Heat pipe – druhy a ich konštrukcia

Z hľadiska funkcií v procese cirkulačného odvádzania tepla z jedného priestoru do druhého, v rámci samotných tepelných trubíc ich môžeme rozdeliť na tri časti či sekcie. Prvá a druhá, to je už spomínaná odparovacia a kondenzačná časť. Medzi nimi je ešte jedna, transportná, adiabatická časť. Práve v nej prebieha slobodný, rovnomerný a navzájom nenarušený pohyb pary a kvapaliny. Para sa presúva z odparovacej časti do kondenzačnej časti v celom objeme trubice, skondenzovaná kvapalina steká po hladkých stenách alebo sa presúva po pórovitej mikroštruktúre na vnútornej stene.

Kým štruktúra gravitačných trubíc je jednoduchá vec, v prípade tepelných trubíc s kapilárnou štruktúrou – absorbérom – máme do činenia s oveľa komplikovanejšími otázkami. Producenti používajú pre vytvorenie jadra a kapilárnej štruktúry rôzne materiály, pričom spomínaná štruktúra môže byť vyrobená z keramických materiálov, skleného vlákna, spekaného metalického prášku alebo drôtenej mikromriežky. V podstate ide o získanie takej štruktúry absorbéra, ktorá zlepšuje návrat kvapaliny do odparovacej časti, čo však nie je jednoduché. Vytvorenie vhodnej mikroštruktúry je najkomplikovanejšia fáza výrobného procesu tepelnej trubice, predovšetkým vtedy, keď má ísť o kompozitný absorbér, teda vytvorený z minimálne dvoch rozličných materiálov. Homogénne absorbéry vyrobené z jedného materiálu, to sú najčastejšie absorbéry vo forme axiálnych drážok. Vyrábajú sa súčasne so samotnou tepelnou trubicou, ale kompozitné absorbéry sa vyrábajú minimálne v dvoch alebo troch fázach. Bez ohľadu na to, či máme do činenia s drážkami, mriežkou alebo ich spojením (drážky a mriežka), či ide o spekaný alebo zvíjaný absorbér, jeho štruktúra má kľúčový význam pre kapilárny pohyb kvapaliny, ktoré prebieha vďaka tomu, že kapilárny tlak prekonáva vnútorný odpor. Tieto dve proti sebe stojace sily pôsobia rozlične na rôzne typy pracovnej látky. Preto takí výrobcovia ako Wakefield-Vette museli uskutočniť veľa pokusov a skúšok samostatne pre každé médium, vďaka čomu vypracovali také štruktúry, v ktorých je nárast kapilárnych síl pri postupnom znižovaní veľkosti pórov alebo jadra mriežky väčší ako nárast trecích síl. V prípade výrobkov spoločnosti Wakefield-Vette má väčšina ponúkaných tepelných trubíc kompozitný absorbér, spekaný z medeného prášku, ktorý vytvára v procese spekania pórovitú štruktúru pripomínajúcu špongiu. Vďaka vhodnej veľkosti dokážu tieto mikropóry premiestňovať pracovnú kvapalinu po skondenzovaní rovnako vo vertikálnej, diagonálnej aj horizontálnej polohe, preto si trh veľmi cení ich vysokú účinnosť.

Samostatnou otázkou je materiál a konštrukcia samotného korpusu heat pipe, ktorý sa vyrába z rôznych kovov, keramiky alebo zo skla v závislosti od účelu použitia trubice. Materiál korpusu – tela – musí vydržať vnútorný tlak normálnej prevádzky tepelnej trubice a nevstupovať do reakcie s pracovnou látkou (riziko korózie), tiež sa musí vyznačovať vysokým súčiniteľom tepelnej vodivosti, aby celý systém plnil svoj účel efektívne. V kontexte pracovných kvapalín treba poznamenať, že by nielenže nemali chemicky reagovať s materiálom korpusu trubice a samotného absorbéra, ale musia sa vyznačovať tepelnou stabilitou, nízkou viskozitou kvapaliny a pary pri vysokom stupni povrchového napätia a samozrejme vysokou hodnotou súčiniteľa tepelnej vodivosti.

Heat pipe – ako ich spájať?

So spájaním tepelných trubíc súvisí ďalší aspekt, ktorým je ich splošťovanie. To je často potrebné na prispôsobenie požadovanému tvaru, priestoru v škáre v ktorej bude trubica inštalovaná alebo ide o zvýšenie styčnej plochy trubice pre lepšie odber tepla. Cenou za prispôsobenie trubice miestu, kde má fungovať – formou sploštenia – je jej znížená tepelná kapacita a redukovaná plocha prierezu. V takých situáciách pripomína efektivita trubice po sploštení efektivitu plne okrúhlej trubky, ibaže s podstatne menším priemerom. A čo je horšie, čím väčší je priemer počiatočnej tepelnej trubice, tým viac pociťujeme zníženie jej tepelnej kapacity po sploštení. V prípade ohýbania tepelných trubíc ide tiež o čiastočné obmedzenie ich účinnosti, ktorá sa zhoršuje ešte viac, ak uhol ohybu klesne pod 4-3 násobok priemeru samotnej trubice. V extrémnych situáciách môže dôjsť k prerušeniu odvádzania pary a tepla, čo tepelnú trubicu znefunkční.

Spájanie tepelných trubíc s doskami a tepelnými výmenníkmi spočíva najmä v maximalizácii styčnej plochy za dodržania uvedených parametrov pre splošťovanie a ohýbanie. Vo väčšine prípadov sa tepelné trubice púšťajú do predpripravených kanálov na doske, aby sa maximalizovala ich dotyková plocha. Prispôsobenú tepelnú trubicu je možné upevniť v takom kanály spájkovaním alebo s použitím epoxidovej živice. Tepelnú trubicu je možné osadiť medzi dve dosky aj pomocou prispôsobených drážok, ktoré sú navzájom spojené. V tomto type konfigurácie sa môže použiť teplovodivá pasta kvôli zvýšeniu kontaktu tepelnej trubice s doskami a na zníženie tepelného odporu styčných plôch.

rightColumnPicture

Váš prehliadač už nie je podporovaný, stiahnite si novú verziu