Tubo de calor

Um tubo de calor é um trocador de calor que usa o calor da vaporização de um meio para atingir uma alta densidade de fluxo de calor . Desta forma, grandes quantidades de calor podem ser transportadas por uma pequena área de seção transversal.

É feita uma distinção entre dois tipos de tubos de calor: o tubo de calor e o termossifão de duas fases . O princípio funcional básico é o mesmo para ambos os designs; a diferença está no retorno do meio de trabalho gasoso para o evaporador, ou seja, H. até o ponto onde o calor é aplicado. O transporte de retorno ocorre passivamente em ambos os modelos e, portanto, sem auxiliares como uma bomba de circulação .

A resistência térmica de um tubo de calor à temperatura de trabalho é significativamente mais baixa do que a dos metais. O comportamento dos tubos de calor, portanto, chega muito perto da mudança isotérmica de estado. A temperatura é quase constante em todo o comprimento do tubo de calor. Com a mesma capacidade de transferência, designs significativamente mais leves são, portanto, possíveis do que com trocadores de calor convencionais sob as mesmas condições de operação. Selecionando cuidadosamente o meio de trabalho para o tubo de calor, podem ser alcançadas temperaturas de operação de alguns Kelvin a aproximadamente 3000 Kelvin.

Seção esquemática através de um tubo de calor

A capacidade de um tubo de calor de transportar energia depende muito da entalpia de evaporação específica (em kJ / mol ou kJ / kg) do meio de trabalho e não da condutividade térmica da parede do vaso ou do meio de trabalho. Por razões de eficiência, um tubo de calor é normalmente operado logo acima da extremidade quente e logo abaixo do ponto de ebulição do meio de trabalho na extremidade fria .

Função e distinção

Princípio de funcionamento de um termossifão.

Seção transversal através de um tubo de calor. O efeito capilar é gerado por uma malha de fio de cobre inserida.

Estrutura e princípio de operação

Os tubos de calor são geralmente vasos de metal alongados que contêm um volume hermeticamente fechado. É preenchido com um meio de trabalho (por exemplo, água ou amônia), que preenche o volume em uma pequena extensão no estado líquido e em grande parte no estado gasoso.

A parte do vaso que serve para absorver energia é chamada de evaporador, aqueles que servem para liberar energia são chamados de condensador . O vaporizador pode estar em uma extremidade ou no meio.

• A entrada de calor aumenta a temperatura do recipiente e do meio de trabalho até que o ponto de ebulição do meio de trabalho seja alcançado; a partir daí, o meio de trabalho começa a evaporar ; a temperatura não sobe mais; Em vez disso, toda a energia fornecida é convertida em calor de vaporização .
• Como resultado, a pressão no tubo de calor é aumentada localmente acima do nível do líquido, o que leva a um gradiente de baixa pressão dentro do tubo de calor. O vapor resultante começa a se distribuir em todo o volume disponível, i. H. flui onde quer que a pressão seja mais baixa; Ele condensa nos pontos onde sua temperatura cai abaixo do ponto de ebulição do meio de trabalho . Para fazer isso, o vapor deve liberar energia para a embarcação e a embarcação para o meio ambiente. Isso acontece mais fortemente no ponto onde o condensador está localizado, no qual o resfriamento ativo pode ocorrer.
• A temperatura não cai mais até que todo o calor latente contido, o calor de condensação , seja liberado no meio ambiente.
• A parte líquida do meio de trabalho retorna ao evaporador por gravidade ( termossifão ) ou por forças capilares ( tubo de calor ). Para que o último funcione, a proporção de meio de trabalho no estado líquido deve ser menor lá.

Exemplo de fluxo capilar em um tijolo, para o lado onde há menos líquido (aqui contra a gravidade para cima). No tubo de calor, a fonte de calor ficaria no topo, onde há pouco líquido, e muito líquido na parte inferior porque ali ocorre condensação devido ao resfriamento.

O vapor flui para a zona de resfriamento, uma película de condensação flui / flui / se arrasta de volta. A força motriz é a força de adesão , o efeito é descrito sob a capilaridade . Veja a foto ao lado.

Como o vapor e o líquido do meio de trabalho estão na mesma sala, o sistema está localizado na área de vapor úmido . Como resultado, existe exatamente uma certa temperatura no tubo de calor a uma certa pressão. Como as diferenças de pressão nos tubos de calor são muito pequenas, geralmente alguns Pascal , a diferença de temperatura entre o evaporador e o condensador também é pequena e, no máximo, alguns Kelvin . Um tubo de calor, portanto, tem uma resistência térmica muito baixa . A área entre o evaporador e o condensador é praticamente isotérmica .

Uma vez que o transporte de calor ocorre indiretamente por meio do transporte de calor latente ligado ao material (calor de evaporação / condensação), a área de aplicação de um tubo de calor é limitada à faixa entre a temperatura de fusão e a temperatura do ponto crítico de o fluido de trabalho. Todas as forças que atuam no meio de trabalho também influenciam o desempenho real do transporte de calor. A gravidade pode complementar ou cancelar parcialmente as forças capilares nos tubos de calor. A força centrífuga também atua em eixos ocos rotativos construídos como tubos de calor .

Distinção

Com tubos de calor acionados pela gravidade ( termossifão bifásico ou tubos de calor gravitacional ), o meio circula devido à gravidade . Como resultado, o meio de transferência de calor flui automaticamente de volta para o evaporador. O calor é frequentemente fornecido apenas através do reservatório , ou seja, até a altura do nível do líquido. Isso depende da formação do filme pelo fluido de retorno (líquido). Se os termossifões estiverem alinhados em uma inclinação plana, eles podem secar se o meio condensado não fluir de volta com rapidez suficiente.

Os tubos de calor usam o princípio do pavio para guiar o fluido condensado de volta ao evaporador. O processo é, portanto, independente da posição; Os tubos de calor também funcionam em condições de gravidade zero . Comparados aos termossifões, dificilmente tendem a secar, uma vez que o fluxo de líquido através do capilar é significativamente melhorado, o que leva a um maior fluxo de calor transferível. A estrutura capilar também garante que, ao contrário do termossifão, o calor pode ser fornecido em qualquer lugar e a qualquer altura. Os tubos de calor são usados ​​sempre que altas densidades de fluxo de calor são necessárias em qualquer orientação.

Meios de comunicação

Temperaturas de evaporação (dependente da pressão) de algumas substâncias em tubos de calor

A capacidade de trabalho do meio de trabalho em um tubo de calor depende tanto das propriedades termodinâmicas , como a entalpia de vaporização, quanto das propriedades fluídicas, como a viscosidade cinemática e a tensão superficial . A tensão superficial e a entalpia de vaporização devem ser as maiores possíveis e a viscosidade a mais baixa possível. Desta forma, o meio de transferência de calor ideal para o ponto de operação pode ser determinado. ${\ displaystyle \ Delta h_ {v}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {l}}$ ${\ displaystyle \ sigma}$

O número de mérito ( número de mérito , eu ) como uma quantidade de desempenho específica pode ser calculado como:

${\ displaystyle Me = {\ frac {\ sigma \ cdot \ Delta h_ {v}} {\ nu _ {l}}}}$

Portanto, sua unidade é watts por metro quadrado; Mas Me não corresponde a uma densidade de fluxo de calor real .

O número de mérito deve ser o maior possível na faixa de trabalho especificada (temperatura, densidade do fluxo de calor) do tubo de calor, de modo que a transferência de calor do tubo de calor seja a maior possível. Deve-se notar que essas propriedades dependem da temperatura. Normalmente, Me é determinado para vários portadores de calor possíveis e serve como um auxílio na tomada de decisão para escolher o meio certo.

Para temperaturas muito baixas, são usados ​​meios gasosos em condições ambientes. Gases como hélio e nitrogênio podem ser usados ​​para cobrir a faixa de temperatura próxima do zero absoluto (0 K) até cerca de -20 ° C. Refrigerantes típicos , como amônia ou misturas, também são usados. A partir de 0 ° C, a água pode ser usada como meio de transferência de calor. Dependendo da possível resistência à pressão (pressão de vapor) do tubo de calor, a água é suficiente até uma faixa de temperatura de 340 ° C. (Cf. ponto crítico da água a 374 ° C). Da temperatura de 400 ° C, fala-se de tubos de calor de alta temperatura. Metais alcalinos como sódio e lítio são os melhores transportadores de calor aqui de acordo com o número de mérito. O limite superior da faixa é principalmente limitado pela resistência do material usado para o tubo de calor.

materiais

Diferentes materiais são usados ​​dependendo das condições externas. O comportamento do meio de transferência de calor em relação ao material também desempenha um papel aqui. Por exemplo, o sódio dissolve os componentes dos aços, o que levaria à falha de um tubo de calor por um longo período de tempo.

Tubo de calor

Nas faixas de temperatura mais baixas, o cobre é mais usado porque é fácil de moldar e tem uma alta condutividade térmica . No caso de tubos de calor de alta temperatura, aços resistentes ao calor como 1.4841 ou ligas à base de níquel são usados principalmente . A forma do pavio depende muito do ponto de operação. Um pavio com baixa resistência ao fluxo é usado sempre que o tubo de calor é operado no limite da força capilar. Estruturas capilares ranhuradas são típicas para isso. No caso de tubos de calor de alta temperatura, a malha de arame de malha fechada é geralmente usada por causa da alta densidade do meio de transferência de calor. Tipos ainda mais simples são usados ​​em tubos de calor de cobre-água, semelhantes aos condutores de cobre em cabos elétricos, principalmente por causa de sua produção barata.

Termossifão

Para aplicações em construção, os termossifões são geralmente feitos de aços estruturais convencionais.

História e Desenvolvimento

Um primeiro tubo de calor foi patenteado em 1944. No entanto, neste momento ainda não havia uma aplicação útil. Foi só na década de 1960 que as viagens espaciais se desenvolveram de forma decisiva que essa ideia foi retomada. Ainda hoje, tubos de calor são usados ​​para resfriar o lado voltado para o sol dos satélites. O primeiro tubo de calor de alta temperatura foi apresentado em 1964. Desde então, as descrições físicas como as propriedades de certos portadores de calor, estruturas capilares e a descrição analítica de tubos de calor foram significativamente expandidas. A pesquisa ainda está sendo realizada em tubos de calor hoje, porque eles representam um meio barato e altamente eficaz de transferência de calor.

inscrição

Devido ao design flexível e à variabilidade de propriedades, os tubos de calor são usados ​​em muitas áreas atualmente. Nos últimos anos, eles ganharam maior consciência pública devido ao seu uso em PCs e notebooks . A altura geral dos portáteis pode ser significativamente reduzida através do uso de tubos de calor, uma vez que os convetores de calor atuais nos tubos de calor podem ser fixados diretamente nas superfícies externas. A maior transferência de calor tornou possível integrar processadores gráficos mais poderosos.

Muito antes, na década de 1960, os tubos de calor eram usados ​​na tecnologia espacial. No caso de satélites em particular , o uso de tubos de calor minimiza o gradiente de temperatura entre o lado voltado e voltado para o lado oposto ao sol.

Tecnologia informática

Tubo de calor entre o processador e o ventilador em um notebook

Dissipadores de calor convencionais para resfriar microprocessadores são baseados puramente na convecção forçada em aletas de resfriamento . Para obter a melhor transferência de calor possível aqui, o ventilador ou o ventilador deve ficar o mais próximo possível das costelas por causa da condutividade térmica limitante das costelas. O ar aquecido flui na direção da placa-mãe e aumenta as temperaturas da superfície dos componentes adjacentes. Além disso, geralmente há mais espaço longe da placa-mãe, o que significa que um formato mais barato pode ser usado, o que significa que uma superfície maior pode ser alcançada sem aumentar a massa do dissipador de calor. Além disso, a dissipação de calor na caixa é muito não direcional. Por outro lado, os refrigeradores que utilizam tubos de calor não dependem da proximidade local, pois permitem um desacoplamento da absorção e da saída de calor devido à sua função. Portanto, você pode liberar o calor residual de uma maneira direcionada para o fluxo de ar dos ventiladores da caixa. Em comparação com o resfriamento a água, que costuma ser usado como alternativa, os tubos de calor não precisam de bomba de circulação, o que gera mais ruído.

Construção

Pipeline do Alasca com tubos de calor feitos de aço estrutural convencional. Impede o degelo da subsuperfície. As aletas de resfriamento podem ser vistas nas pilhas.

Tubos de calor têm sido usados ​​desde 1970 para estabilizar o permafrost sob o Gasoduto Trans-Alaska . Nas construções convencionais, duas estacas de aço são baixadas até o solo, que suportam a carga do oleoduto . Na área de permafrost, no entanto, isso não é facilmente possível porque o óleo quente a 40–80 ° C descongela o solo localmente por meio da condução de calor através das pilhas. As pilhas afundariam e o oleoduto seria deformado. Se a temperatura do ar for suficientemente baixa, o que geralmente ocorre na área do permafrost, é possível contornar esse problema usando tubos de calor. O calor não é conduzido para o solo, mas liberado para o ar ambiente por meio de aletas de resfriamento presas aos tubos de calor . Além disso, os termossifões extraem calor do solo permafrost, o que significa que ele permanece congelado e, portanto, estável. Esta técnica também é usada na Ferrovia de Lhasa para estabilizar o aterro em solo permafrost.

A circulação independente do meio de trabalho em tubos de calor e, portanto, a eliminação de energia auxiliar leva a um maior uso no campo do uso de energia geotérmica. Com sondas geotérmicas convencionais, z. B. a água é bombeada e a energia geotérmica obtida é transferida para uma bomba de calor . Com as sondas de dióxido de carbono, a linha dupla e a energia da bomba para circulação são omitidas.

Eles também são usados ​​com sucesso hoje em dia em áreas onde a tecnologia de tubos de calor não é diretamente suspeitada, como coletores de tubos evacuados . Eles também podem ser encontrados em sistemas de recuperação de calor ou trocadores de calor simples.

Tubos de calor de alta temperatura são utilizados em allothermal gaseificação da biomassa . Aqui, eles transferem calor na faixa de 850 ° C quase sem perda. Graças a um conceito sofisticado, os tubos de calor possibilitam a conversão de biomassa sólida, como aparas de madeira, diretamente em gás produto de alta energia.

Veículos motorizados

Apesar do constante desenvolvimento, eficiências mecânicas de 37% raramente são excedidas para um motor Otto moderno . Outras energias são dissipadas como perdas de calor por meio da água de resfriamento e do calor do gás de exaustão. Para resfriar as válvulas de saída com alta tensão térmica, algumas delas são ocas e outras são preenchidas com sódio. O sódio derrete durante a operação e o movimento da válvula dissipa o calor do disco particularmente crítico da válvula para a haste da válvula. Somente dessa forma os motores de aeronaves de grande porte resfriados a ar poderiam ser operacionalmente seguros.

Tubos de calor controláveis

Uma vez que os tubos de calor, além de seu baixo peso e pequeno volume, têm uma condutividade térmica que é até 1000 vezes mais alta que, por exemplo, B. uma barra de cobre , o calor pode ser transportado de forma direcionada em veículos de uma maneira simples. A única desvantagem seria o problema de controlabilidade, ou seja, a capacidade de variar a condutividade térmica conforme desejado, para ligá-la ou desligá-la. Dois princípios são adequados para a controlabilidade de tubos de calor:

Transferência de calor ajustável através de dois tubos de calor acoplados com corpos metálicos ajustáveis

Controle de calor externo de tubos de calor

Dois tubos de calor, um na fonte de calor e um no dissipador de calor , correm paralelos um ao outro em suas extremidades a uma pequena distância, sem se tocarem. Nesta área, eles são circundados por um corpo (acoplador) feito de um material que conduz bem o calor (por exemplo, cobre ou alumínio ) com dois orifícios que orientam os tubos de calor com a maior precisão possível. A condutividade térmica de todo o sistema pode ser facilmente ajustada empurrando ou puxando o acoplador, pois a área de contato entre os tubos de calor e o acoplador depende linearmente da profundidade de inserção. O acoplamento com controle externo por um pequeno motor pode ser realocado para um local de fácil acesso, desde que a resistência térmica adicional (muito baixa) dos tubos de calor mais longos permita este desvio.

Controle de calor interno de tubos de calor

Controle interno de tubos de calor por meio de uma válvula. Ativado à esquerda, não ativado à direita.

O transporte interno de calor no próprio tubo de calor também pode ser controlado, usando uma válvula ou um estrangulador dentro do tubo de calor como elemento de controle. Um acelerador que é montado rotativamente e controlado de fora por um pequeno motor pode variar o fluxo de e para o fluxo do meio de transporte de calor da fonte de calor para o dissipador de calor. Alternativamente, uma pequena válvula solenóide localizada dentro do tubo de calor , implementada por uma esfera magnética com uma mola de retorno, permite que o fluxo de calor através do tubo de calor seja amplamente interrompido ou liberado novamente.

Comparado com a válvula, o acelerador tem a grande vantagem de que a condutividade térmica pode ser controlada continuamente, dependendo do ângulo de ajuste. A válvula, por sua vez, permite apenas ligar ou desligar o heat pipe, pois só pode ser aberto ou fechado devido ao comando por eletroímã. A desvantagem da válvula borboleta, por outro lado, é o seu eixo de controle, que deve ser conduzido para fora e o que dificulta a vedação hermética . Em veículos motorizados, em particular, isso pode levar a intervalos de manutenção indesejáveis ​​curtos.

Uso de tubos de calor controláveis ​​em veículos

Em um carro, o excesso de calor pode ser transportado para quase qualquer ponto usando a tecnologia de tubo de calor. A principal fonte de calor é o sistema de exaustão do motor de combustão interna. Uma enorme saída de calor está disponível aqui imediatamente após a partida do motor. (A temperatura dos gases de escape é de várias centenas de ° C). O calor também pode ser extraído de superfícies aquecidas no interior ou exterior , da eletrônica de potência ou no circuito de refrigeração ou ar condicionado. Ele pode então ser usado para ar condicionado interno, aquecimento de bancos, água de resfriamento e aquecimento de óleo do motor ou para baterias para atingir a temperatura operacional mais rapidamente. A controlabilidade do calor transportado é de grande importância em todos os lugares aqui, o que já é evidente na área de conforto.

Viagem ao espaço

Seção transversal através de dois tubos de calor intercalados com material composto de fibra. Esquerda: embutido em depressões semelhantes a sulcos. Certo: integração direta

Os tubos de calor são frequentemente expostos a fortes flutuações de temperatura, o que resulta imediatamente em flutuações no volume do material. Se o tubo de calor agora está em um material com um coeficiente de expansão térmica significativamente diferente (CTE para breve), ocorrem tensões mecânicas que podem danificar o tubo de calor ou suas superfícies externas de transferência de calor. Este fato é particularmente problemático por causa das enormes flutuações de temperatura na tecnologia espacial . A diferença de temperatura entre o lado de um satélite voltado para o sol e o lado voltado para o lado oposto ao sol pode ser de 130 Kelvin em alguns lugares . Aqui, o plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) afirmou- se como o material de base por muitos anos .

No entanto, os tubos de calor não são feitos principalmente de CFRP, mas z. B. feito de alumínio . As vantagens deste elemento são, entre outras coisas, seu baixo peso, sua boa adequação para a produção de estruturas capilares, sua condutividade térmica ótima e sua resistência química aos meios termicamente condutores mais comumente usados. No entanto, os coeficientes de expansão térmica dos dois materiais diferem muito fortemente: o de CFRP, com 1 · 10 ⁻⁶  K ⁻¹ até 3 · 10 ⁻⁶  K ^{−1, é} apenas cerca de 1/24 a 1/8 que de alumínio (24 · 10 ^{- 6}  K ⁻¹ ).

Materiais compostos feitos de alumínio e material composto de fibra fornecem uma solução possível . O tubo de calor de alumínio é combinado de várias maneiras com um material composto de fibra, que tem um CTE muito baixo ou mesmo negativo. Na prática, ele é embutido em cavidades ou depressões em forma de ranhura, enrolado em torno do bloco de alumínio como uma espécie de gaiola, ou o alumínio é penetrado por este, ou seja, diretamente integrado.

Com essa tecnologia, os coeficientes de expansão térmica do sistema geral de cerca de 5 · 10 ⁻⁶  K ^{−1 são} alcançados (o CTE do material composto se contrapõe ao do alumínio), o que torna a tecnologia do heat pipe também adequada para viagens espaciais.

Design físico

As equações para calcular a potência transferível de um tubo de calor geralmente contêm coeficientes que devem ser selecionados com base em dados obtidos experimentalmente. As propriedades específicas do tubo de calor, como o tipo de estrutura capilar, o tipo de meio de transferência de calor, o espaço de vapor disponível, a temperatura de operação, etc. são decisivas. Com equações e coeficientes suficientemente bem escolhidos, o erro entre o modelo e o experimento pode ser mantido em um espaço estreito. As etapas iniciais no projeto de um tubo de calor são, portanto, a escolha do tipo e a configuração de um modelo numérico de tubo de calor correspondente para simular a energia transferível.

O modelo criado é calibrado por meio de uma verificação experimental ou os limites reais são determinados. Se o tubo de calor testado não atingir o desempenho necessário, alterações (por exemplo, alteração da estrutura capilar) são realizadas com o objetivo de aumentar o desempenho. No caso de um procedimento puramente experimental, uma série de experimentos que não podem ser previstos são necessários.

Para tubos de calor de pequena e média potência (<1 kW), as equações essenciais são lineares ou podem ser linearizadas em torno de um ponto de desenvolvimento . Portanto, métodos de otimização numérica (por exemplo) são usados ​​para limitar o esforço de projeto. Esses procedimentos reduzem o número de experimentos em testes de calibração.

É dada atenção especial aos limites operacionais ao projetar o sistema. Essas condições físicas de contorno são obtidas a partir dos parâmetros do meio de transferência de calor. O conhecimento preciso do meio de transferência de calor usado é, portanto, essencial. A operação é possível se o ponto de operação (temperatura, fluxo de calor) estiver dentro desses limites.

Os seguintes limites geralmente são levados em consideração:

Limite de viscosidade

Limita a densidade do fluxo de calor em temperaturas de trabalho logo acima do ponto de fusão. O fluxo é severamente prejudicado pelas forças de viscosidade no vapor.

Limite de velocidade do som

A densidade do fluxo de calor só pode ser aumentada até que o fluxo de vapor criado pela diferença de pressão atinja a velocidade do som .

Limite de interação

Em altas densidades de fluxo de calor, o líquido é arrastado pelo vapor e a secagem parcial do capilar leva a uma interrupção no fluxo de líquido.

Limite de força capilar

O limite da força capilar é alcançado quando as perdas de fluxo do meio de transferência de calor líquido são maiores do que a pressão capilar existente.

Limite de ebulição

O fluxo de líquido é restringido ou pára como resultado da ebulição nucleada no capilar.

Otimização de tubos de calor

Redução da resistência à temperatura

Além de otimizar estruturas de materiais, etc. a eficiência de um tubo de calor também pode ser aumentada significativamente, modificando os líquidos que atuam como meio de transferência de calor. Pesquisadores da Universidade Tamkang em Danshui (Taiwan) desenvolveram uma solução aquosa contendo uma certa quantidade de minúsculas nanopartículas e compararam suas propriedades com relação ao comportamento de transferência de temperatura com as de líquidos convencionais de tubos de calor.

Tornou-se claro aqui que o uso desta solução como meio de transporte de calor em um tubo de calor resulta em uma melhoria, ou seja, uma minimização, da resistência à temperatura de 10% a 80%. A eficiência desse líquido não depende apenas do tipo e da estrutura interna do tubo de calor, mas também da concentração da solução e do tamanho das nanopartículas. Vários testes mostraram que quanto menor o diâmetro das nanopartículas e quanto menor sua concentração na solução aquosa, maior a resistência à temperatura do tubo de calor.

Partículas de prata de 35 nm atuam como nanopartículas . A quantidade de partículas na solução varia entre 1 mg e 100 mg por litro.

Estrutura porosa não molhável

Representação do canal de condensado (pavio) e canal de vapor de um tubo de calor

Um grande avanço na tecnologia de tubos de calor foi alcançado na década de 1990 por meio do desacoplamento seguro do condensado e do fluxo de vapor usando a chamada estrutura porosa não molhada , o que levou a um aumento significativo na capacidade de transmissão interna. O problema até então era que o condensado de retorno desacelerava o fluxo de vapor oposto por meio de colisões e, portanto, tinha um impacto negativo na transferência de temperatura.

Esta estrutura porosa não molhável, usada como canal de vapor do tubo de calor, tem a propriedade de uma tensão superficial mais baixa do que o próprio meio transportador de calor (como condensado ). Assim, a estrutura porosa só pode ser penetrada pelo meio transportador de calor no estado gasoso , e qualquer condensado permanece do lado de fora.

O transporte de temperatura é semelhante ao mencionado acima, através do circuito de calor pelo canal de vapor e condensado. A estrutura porosa não molhável entre o canal de vapor e o canal de condensado forma o limite entre a área de evaporação e a área de condensação do tubo de calor.

O condensado evapora através do fornecimento de calor externo e agora se move através do suprimento acima como um gás. Estrutura dentro do tubo de calor, o canal de vapor, através do qual chega então à área de condensação. Lá, em um dissipador de calor , a partição, novamente na forma de uma estrutura porosa não umedecedora, forma o ponto de transição para a área de condensação. Devido ao gradiente de pressão ou concentração , o gás se difunde para o exterior e entra em contato com as paredes externas do tubo de calor. Nesse ponto, a energia térmica é liberada e o vapor se condensa. Devido à sua alta tensão superficial, o condensado só pode fluir de volta através do canal de condensado (efeito capilar), ao final do qual, no local da fonte de calor , o ciclo de temperatura se inicia novamente por meio de aporte externo de calor.

Uso de nanoestruturas

Ação capilar dependendo do tamanho do poro

O desenvolvimento de uma equipe de pesquisa americana a partir de 2008 representa um aumento adicional:

Usando nanotecnologia na produção da estrutura capilar em tubos de calor, o efeito capilar no meio de trabalho correspondente é novamente aumentado significativamente. No diagrama adjacente, você pode ver claramente que à medida que o diâmetro dos poros da estrutura capilar diminui, a altura do fluido de trabalho que pode ser alcançado aumenta drasticamente. O meio de água oferece o maior sucesso aqui .

Além do efeito de maior aceleração resultante no meio de trabalho, esta tecnologia tem um fardo que o transporte de líquido dentro do tubo de calor através de estruturas muito pequenas, como se gostaria de perceber na prática, a fim de alcançar o maior sucesso possível, é novamente desacelerado ou mesmo completamente evitado porque os poros se tornaram muito pequenos para penetrar. Outro fator perturbador são as indesejáveis não homogeneidades do material (relacionadas à produção), bem como os altíssimos custos de produção.

Proteção de superaquecimento para tubos de calor

Corte transversal através de um tubo de calor de folha com proteção contra superaquecimento

Seção transversal através de um tubo de calor de folha em operação normal

Corte transversal através de um tubo de calor de folha em caso de superaquecimento. A cavidade resultante forma uma resistência térmica.

Normalmente, uma certa resistência do revestimento externo de um tubo de calor é útil, não apenas para protegê-lo de danos mecânicos, mas também para ser capaz de suportar as diferenças de pressão entre a pressão atmosférica e a pressão interna causadas pelo meio de transferência de calor.

Também podem surgir problemas se o tubo de calor for exposto a temperaturas excessivas, ou seja, se a energia térmica fornecida for maior do que aquela que pode ser descarregada para o exterior novamente na área de condensação (dissipador de calor). Isso cria uma pressão interna inadmissivelmente alta, que pode danificar o revestimento externo e até mesmo destruir o tubo de calor. Uma solução possível é uma tecnologia patenteada em 2005 que supostamente evita o superaquecimento por meio de um material externo flexível.

É construído internamente a partir de uma estrutura conhecida que consiste em duas áreas com diferentes diâmetros de poros (canal de vapor e condensado). Na área intermediária, o meio gasoso deve ser guiado por uma estrutura de material poroso com um grande diâmetro de poro e na área externa o condensado (via efeito capilar) deve ser guiado por uma estrutura porosa com um pequeno diâmetro de poro. A verdadeira diferença em relação ao tubo de calor usual está na própria capa externa, que não consiste de um material rígido, como de costume, mas de duas folhas elásticas e também muito finas, que são conectadas em suas extremidades e repousam sobre a estrutura capilar externa . A pressão interna e externa compensam-se mutuamente em operação normal, de modo que as folhas fiquem paralelas entre si a uma distância predeterminada e a estrutura porosa externa esteja em contato direto com a fonte de calor e o dissipador de calor através das folhas .

Se uma pressão inesperadamente alta se acumular, seja porque mais energia térmica é fornecida do que removida, forças atuam na pele externa do tubo de calor, que, devido às suas propriedades elásticas, empurra-o para fora. A câmara resultante é preenchida com meio gasoso de transferência de calor. Danos mecânicos ao tubo de calor são evitados desta forma. Além disso, esse fenômeno cria uma resistência térmica entre a estrutura capilar que carrega o condensado e a pele externa, porque o condensado e a fonte de calor não estão mais em contato direto um com o outro, mas estão separados um do outro pelo gás. A intensidade da energia de aquecimento que atua sobre o condensado, ou seja, a energia térmica absorvida, é portanto reduzida, o que não se aplica à energia emitida, uma vez que esta é armazenada no gás que ainda está em contato com a pele externa.

Outro ponto positivo desta tecnologia com cobertura de folha metálica são as menores dimensões externas do heat pipe - resultado da dispensa da cobertura maciça. Na prática, deve-se garantir que o tubo de calor deve ser melhor protegido contra influências mecânicas do que com outros projetos.

Expansão da área de trabalho

Representação da zona de gás tampão e área de trabalho de um tubo de calor preenchido com gás tampão

O ponto de operação de um tubo de calor é geralmente a temperatura na qual o meio de transporte de calor se condensa ou evapora . As áreas potenciais de aplicação de um tubo de calor resultam desta propriedade específica, razão pela qual uma grande variedade de meios de transporte de calor são usados ​​como meio de trabalho na prática. Muitas vezes são usadas aqui misturas de diferentes produtos químicos, por meio dos quais o ponto de ebulição pode variar para qualquer temperatura.

Muitas vezes, no entanto, faz mais sentido, seja porque algumas substâncias entram em reações químicas indesejadas com o material do tubo de calor usado ou, por último, mas não menos importante, por razões de custo, para adaptar uma mistura desejada de modo que funcione como um meio de transporte de calor em muitas faixas de temperatura diferentes. Para isso, é aconselhável ser capaz de ajustar o ponto de ebulição à vontade, o que é conseguido na prática com a ajuda de um gás tampão .

Esta chamada extensão da faixa de trabalho é baseada na propriedade física da dependência da pressão dos pontos de ebulição dos elementos. Uma etapa adicional agora está incluída no processo de fabricação antes que o tubo de calor seja hermeticamente selado :

Após o enchimento com o meio de transporte de calor e a evacuação dos gases em excesso, uma pressão interna definida é ajustada enchendo adicionalmente o tubo de calor com um gás, o chamado gás tampão. Isso forma uma zona tampão dentro do tubo de calor, na qual o meio de trabalho não pode penetrar. Um critério importante para a seleção deste gás tampão deve ser que ele não deve, sob nenhuma circunstância, entrar em reações químicas com o tubo de calor ou com o meio de transporte de calor na área de trabalho posterior. Por exemplo, ao usar o mercúrio como meio de trabalho , um gás tampão inerte , como argônio ou hélio, pode ser usado.

Com este método, uma pressão interna desejada pode ser ajustada, o que varia o ponto de ebulição do meio de trabalho e, portanto, a faixa de trabalho do tubo de calor, conforme desejado.

Além de ser capaz de definir vários pontos de operação usando este método, também é vantajoso que quaisquer impurezas que possam surgir no tubo de calor sejam liberadas para a zona tampão e não afetem a operação posterior, uma vez que está fora do condensado e do duto de vapor . A desvantagem, entretanto, é o espaço adicional exigido pela zona de amortecimento. Como resultado, o tubo de calor não pode ser usado para transporte de calor em todo o seu comprimento.

Manufatura

Uma vez que as condições de contorno do tubo de calor foram determinadas, elas também devem ser levadas em consideração durante a fabricação. A característica essencial é a temperatura de ebulição ou pressão de vapor do meio, já que o heat pipe só começa a funcionar quando essa temperatura é atingida. A temperatura de ebulição pode ser ajustada termodinamicamente através da pressão de vapor . Na maioria dos casos, visa-se a temperatura de ebulição mais baixa possível. No caso da água, por exemplo, essa seria a temperatura do ponto triplo . Se você der uma olhada na tabela de vapor associada , fica claro que no caso da água uma pressão extremamente baixa é necessária para reduzir a temperatura de ebulição à temperatura ambiente, por exemplo .

Um dos métodos mais comuns é a evacuação mecânica do tubo de calor. Uma bomba correspondente é conectada, e quando uma certa pressão (vácuo) é alcançada, o tubo de calor é normalmente fechado de forma puramente mecânica.

Este processo é complexo e caro. É por isso que outra opção é usada, enchendo o tubo de calor com o próprio meio de transferência de calor, em vez de evacuar usando uma bomba de vácuo . Para isso, um tubo de enchimento e um tubo de resfriamento são acoplados ao tubo de calor. O meio de transporte de calor desejado é introduzido no tubo de calor através do tubo de enchimento. Após este processo, o tubo de calor é aquecido na outra extremidade, para que o ciclo de calor normal seja iniciado. Agora o meio preenchido, que está inicialmente presente como condensado , começa a evaporar. A pressão que se acumula como resultado faz com que o meio no tubo de calor se expanda e, por causa do tubo de resfriamento, todos os gases indesejáveis, ou seja, aqueles que não são condensáveis, escapam através do tubo de enchimento.

O propósito do tubo de resfriamento torna-se claro neste ponto: O meio de transporte de calor, que entretanto se dirige como um gás para o tubo de enchimento, condensa através do resfriamento e retorna à fonte de calor como condensado devido à ação capilar a estrutura de poros externos do tubo de calor . Os gases restantes, ou seja, todos aqueles que não são condensáveis, não entram na estrutura capilar, mas são liberados para fora pela pressão interna.

O tubo de enchimento é hermeticamente selado quando todos os gases não condensáveis ​​forem expulsos e o limite estacionário do ar e do meio de transferência de calor estiver localizado diretamente no tubo de enchimento.

Ao utilizá-los, deve-se observar que os tubos de calor são volumes fechados. Com essa mudança de estado ( isocórica ), a entrada de calor vai diretamente para a pressão. Se a temperatura permitida for excedida, pode ocorrer uma explosão de vapor . Isso é particularmente importante durante o processamento posterior, uma vez que os tubos de calor são frequentemente soldados ao dissipador de calor real devido à sua melhor condutividade térmica. Muitos tubos de calor estão cheios de substâncias nocivas, por isso os tubos de calor devem ser eliminados de forma adequada e não devem ser abertos. A abertura também geralmente leva à perda de funcionalidade.

Veja também

• Trocador de calor de camada contracorrente

Links da web

• Noções básicas do tubo de calor (arquivo PDF; 3 MB)
• Definição do número de mérito e seu uso, Inglês

inchar

• Arranjo de resfriamento para um ânodo giratório (força centrífuga)
• Gaseificação alotérmica de leito fluidizado - opções para realizar a entrada de calor em leitos fluidizados (gravidade, tubo de calor; arquivo PDF; 1001 kB)
• Adrian Bejan, Allan D. Kraus: Heat Transfer Handbook . Wiley & Sons, Hoboken NJ 2003, ISBN 0-471-39015-1 .
• Stephan Kabelac (vermelho.): VDI Heat Atlas . Publicado pela Associação de Engenheiros Alemães, VDI Society for Process Engineering and Chemical Engineering (GVC). 10ª edição revisada e ampliada. Springer-Verlag, Berlin et al., 2006, ISBN 3-540-25503-6 .

Evidência individual

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