Aheat cachimbo é umdispositivo de transferência de calorque combina os princípios de amboscondutividade térmicaetransição de fasepara efetivamente transferir calor entre dois sólidosinterfaces.
Na interface quente de um tubo de calor alíquidoem contato com uma superfície sólida termicamente condutora se transforma em umvaporabsorvendo o calor dessa superfície. O vapor, então, viaja ao longo do tubo de calor para a interface fria e condensa de volta em um líquido - liberando ocalor latente. Olíquidoem seguida, retorna à interface ativa por meio de qualqueração capilar,força centrífuga, ou gravidade, e o ciclo se repete. Devido aos coeficientes de transferência de calor muito altos paraebuliçãoecondensação, os tubos de calor são condutores térmicos altamente eficazes. A condutividade térmica efetiva varia com o comprimento do tubo de calor e pode se aproximar de 100 kW / (m⋅K) para tubos de calor longos, em comparação com aproximadamente 0,4 kW / (m⋅K) paracobre.
Conteúdo
Estrutura, design e construção [editar]
Diagrama mostrando os componentes e o mecanismo de um tubo de calor contendo um pavio
Esta animação de tubo de calor plano (dissipador de calor) de 100 mm por 100 mm por 10 mm de altura foi criada usando análise CFD de alta resolução e mostra trajetórias de fluxo de contorno de temperatura, previstas usando umCFDpacote de análise
Esta animação térmica do projeto do dissipador de calor com câmara de vapor de 120 mm de diâmetro (propagador de calor) foi criada usando análise CFD de alta resolução e mostra a superfície do dissipador de calor com contorno de temperatura e trajetórias de fluxo de fluido previstas usando umCFDpacote de análise
Seção transversal de um tubo de calor para resfriar a CPU de um laptop. A escala da régua está em milímetros.
Vista em corte de um tubo de calor plano de 500 µm de espessura com um capilar plano fino (cor de água)
Tubo de calor plano fino (dissipador de calor) com dissipador de calor remoto e ventilador
Um tubo de calor típico consiste em um tubo selado ou tubo feito de um material que é compatível com o fluido de trabalho, comocobrepara tubos de aquecimento de água, oualumíniopara tubos de calor de amônia. Normalmente, umbomba de vácuoé usado para remover o ar do tubo de calor vazio. O tubo de calor é parcialmente preenchido com um fluido de trabalho e, em seguida, vedado. A massa do fluido de trabalho é escolhida de modo que o tubo de calor contenha vapor e líquido sobre oTemperatura de operaçãofaixa.
Abaixo da temperatura operacional, o líquido está muito frio e não pode vaporizar em um gás. Acima da temperatura operacional, todo o líquido se transformou em gás e a temperatura ambiente é muito alta para que qualquer gás se condense. Seja muito alto ou muito baixo,condução térmicaainda é possível através das paredes do tubo de calor, mas com uma taxa de transferência térmica bastante reduzida.
Os fluidos de trabalho são escolhidos de acordo com as temperaturas nas quais o tubo de calor deve operar, com exemplos que variam dehélio líquidopara aplicações de temperatura extremamente baixa (2–4K) paramercúrio(523–923K),sódio(873-1473K) e mesmoíndio(2000–3000K) para temperaturas extremamente altas. A grande maioria dos tubos de calor para aplicações em temperatura ambiente usamamônia(213–373K),álcool(metanol(283-403K) ouetanol(273-403K)) ouagua(298–573K) como o fluido de trabalho. Os tubos de calor de cobre / água têm um envelope de cobre, usam água como fluido de trabalho e normalmente operam na faixa de temperatura de 20 a 150 ° C.[1][2]Os tubos de aquecimento de água às vezes são enchidos parcialmente com água, aquecendo até que a água ferva e desloque o ar e, em seguida, selados enquanto estiver quente.
Para que o tubo de calor transfira calor, ele deve contersaturadolíquido e seu vapor (fase gasosa). O líquido saturado vaporiza e viaja para o condensador, onde é resfriado e transformado em líquido saturado. Em um tubo de calor padrão, o líquido condensado é retornado ao evaporador usando uma estrutura de pavio exercendo umaação capilarna fase líquida do fluido de trabalho. As estruturas de pavio usadas em tubos de calor incluemsinterizadopó de metal, tela e mechas ranhuradas, que têm uma série de ranhuras paralelas ao eixo do tubo. Quando o condensador está localizado acima do evaporador em um campo gravitacional, a gravidade pode retornar o líquido. Nesse caso, o tubo de calor é um termossifão. Finalmente, os tubos de calor rotativos usam forças centrífugas para retornar o líquido do condensador para o evaporador.
Os tubos de calor não contêm peças móveis mecânicas e normalmente não requerem manutenção, embora os gases não condensáveis que se difundem através das paredes do tubo' resultantes da quebra do fluido de trabalho ou como impurezas existentes no material, possam eventualmente reduzir o tubo Eficácia do' na transferência de calor.
A vantagem dos tubos de calor sobre muitos outros mecanismos de dissipação de calor é sua grande eficiência na transferência de calor. Um tubo de uma polegada de diâmetro e dois pés de comprimento pode transferir 12.500 BTU (3,7 kWh) por hora a 1.800 ° F (980 ° C) com apenas 18 ° F (10 ° C) de queda de ponta a ponta.[2]Alguns tubos de calor demonstraram umfluxo de calorde mais de 23kW / cm², cerca de quatro vezes o fluxo de calor através da superfície do sol.[3]
Materiais de tubos de calor e fluidos de trabalho [editar]
Os tubos de calor têm um envelope, um pavio e um fluido de trabalho. Os tubos de calor são projetados para operação de muito longo prazo sem manutenção, portanto, a parede do tubo de calor e o pavio devem ser compatíveis com o fluido de trabalho. Alguns pares de materiais / fluidos de trabalho que parecem ser compatíveis não são. Por exemplo, a água em um envelope de alumínio desenvolverá grandes quantidades de gás não condensável em algumas horas ou dias, impedindo o funcionamento normal do tubo de calor.
Uma vez que os tubos de calor foram redescobertos porGeorge Groverem 1963, testes extensivos de vida foram conduzidos para determinar pares de envelope / fluido compatíveis, alguns acontecendo por décadas. Em um teste de vida útil do tubo de calor, os tubos de calor são operados por longos períodos de tempo e monitorados quanto a problemas como geração de gás não condensável, transporte de material e corrosão.[4][5]
Os pares de envelope (e mecha) / fluido mais comumente usados incluem:[6]
Envelope de cobre com fluido de trabalho de água pararefrigeração eletrônica. Este é de longe o tipo mais comum de tubo de calor.
Envelope de cobre ou aço com refrigeranteR134afluido de trabalho para recuperação de energia emHVACsistemas.
Envelope de alumínio com fluido de trabalho de amônia paraControle térmico da nave espacial.
Superligaenvelope com fluido de trabalho de metal alcalino (césio, potássio, sódio) para tubos de calor de alta temperatura, mais comumente usado para calibrar dispositivos de medição de temperatura primária.
Outros pares incluem envelopes de aço inoxidável com nitrogênio, oxigênio, néon, hidrogênio ou fluidos de trabalho de hélio em temperaturas abaixo de 100 K, tubos de calor de cobre / metanol para resfriamento de eletrônicos quando o tubo de calor deve operar abaixo da faixa de água, tubos de calor de alumínio / etano para espaçonaves controle térmico em ambientes quando a amônia pode congelar, emetal refratáriofluido de trabalho de envelope / lítio para aplicações de alta temperatura (acima de 1.050 ° C (1.920 ° F)).[7]
Diferentes tipos de tubos de calor [editar]
Além dos tubos de calor de condutância constante (CCHPs) padrão, há uma série de outros tipos de tubos de calor,[8]Incluindo:
Câmaras de vapor (tubos de calor planos), que são usados para a transformação do fluxo de calor e isotermalização de superfícies
Tubos de calor de condutância variável (VCHPs), que usam um gás não condensável (NCG) para alterar a condutividade térmica efetiva do tubo de calor conforme a energia ou as condições do dissipador de calor mudam
Tubos de calor com pressão controlada (PCHPs), que são um VCHP onde o volume do reservatório, ou a massa NCG pode ser alterado, para fornecer um controle de temperatura mais preciso
Tubos de calor de diodo, que têm uma alta condutividade térmica na direção direta e uma baixa condutividade térmica na direção reversa
Termossifões, que são tubos de calor onde o líquido é devolvido ao evaporador por forças gravitacionais / aceleradoras,
Tubos de calor rotativos, onde o líquido é devolvido ao evaporador por forças centrífugas
Câmara de vapor ou tubos de calor planos [editar]
Tubos de calor planos finos (espalhadores de calor) têm os mesmos componentes primários que os tubos de calor tubulares: ahermeticamente fechadovaso oco, um fluido de trabalho e um sistema de recirculação capilar de circuito fechado.[9]Além disso, uma série de postes são geralmente usados em uma câmara de vapor, para evitar o colapso da parte superior e inferior plana quando a pressão é mais baixa do que a atmosférica, que é de 100 ° C para as câmaras de vapor de água.
Existem duas aplicações principais para câmaras de vapor. Primeiro, eles são usados quando altas potências e fluxos de calor são aplicados a um evaporador relativamente pequeno.[10]A entrada de calor no evaporador vaporiza o líquido, que flui em duas dimensões para as superfícies do condensador. Depois que o vapor se condensa nas superfícies do condensador, as forças capilares no pavio retornam o condensado ao evaporador. Observe que a maioria das câmaras de vapor são insensíveis à gravidade e ainda funcionarão quando invertidas, com o evaporador acima do condensador. Nesta aplicação, a câmara de vapor atua como um transformador de fluxo de calor, resfriando um alto fluxo de calor de um chip eletrônico ou diodo laser e transformando-o em um fluxo de calor inferior que pode ser removido por convecção natural ou forçada. Com mechas de evaporador especiais, as câmaras de vapor podem remover 2.000 W em 4cm2 ou 700 W em 1cm2.[11]
Em segundo lugar, em comparação com um tubo de calor tubular unidimensional, a largura de um tubo de calor bidimensional permite uma seção transversal adequada para o fluxo de calor, mesmo com um dispositivo muito fino. Esses tubos de calor planos finos estão encontrando seu caminho para aplicações "sensíveis à altura", como notebooks e núcleos de placas de circuito de montagem em superfície. É possível produzir tubos de calor planos tão finos quanto 1,0 mm (ligeiramente mais espessos que 0,76 mmcartão de crédito).[12]
Tubos de calor de condutância variável (VCHPs) [editar]
Os tubos de calor padrão são dispositivos de condutância constante, onde a temperatura operacional do tubo de calor é definida pelas temperaturas da fonte e do dissipador, as resistências térmicas da fonte ao tubo de calor e as resistências térmicas do tubo de calor ao dissipador. Nestes tubos de calor, a temperatura cai linearmente à medida que a energia ou a temperatura do condensador é reduzida. Para algumas aplicações, como controle térmico de satélite ou balão de pesquisa, os componentes eletrônicos serão super resfriados em baixas potências ou em baixas temperaturas de dissipador. Tubos de calor de condutância variável (VCHPs) são usados para manter passivamente a temperatura dos componentes eletrônicos que estão sendo resfriados à medida que as condições de energia e dissipação mudam.[13]
Os VCHPs têm duas adições em comparação com um tubo de calor padrão: 1. Um reservatório e 2. Um Gás Não Condensável (GNC) adicionado ao tubo de calor, além do fluido de trabalho; veja a imagem na seção de espaçonaves abaixo. Este NCG é tipicamente argônio para VCHPs padrão e hélio para termossifões. Quando o tubo de calor não está operando, o NCG e o vapor do fluido de trabalho são misturados em todo o espaço de vapor do tubo de calor. Quando o VCHP está operando, o NCG é varrido em direção à extremidade do condensador do tubo de calor pelo fluxo do vapor do fluido de trabalho. A maior parte do NCG está localizada no reservatório, enquanto o restante bloqueia uma parte do condensador do tubo de calor. O VCHP funciona variando o comprimento ativo do condensador. Quando a temperatura da energia ou do dissipador de calor aumenta, a temperatura do vapor do tubo de calor e a pressão aumentam. O aumento da pressão de vapor força mais NCG para o reservatório, aumentando o comprimento do condensador ativo e a condutância do tubo de calor. Por outro lado, quando a energia ou a temperatura do dissipador de calor diminuem, a temperatura e a pressão do vapor do tubo de calor diminuem e o NCG se expande, reduzindo o comprimento do condensador ativo e a condutância do tubo de calor. A adição de um pequeno aquecedor no reservatório, com a potência controlada pela temperatura do evaporador, permitirá o controle térmico de aproximadamente ± 1-2 ° C. Em um exemplo, a temperatura do evaporador foi mantida em uma faixa de controle de ± 1,65 ° C, já que a potência variou de 72 a 150 W e a temperatura do dissipador de calor variou de -15 ° C a -65 ° C.
Tubos de calor com pressão controlada (PCHPs) podem ser usados quando um controle de temperatura mais rígido é necessário.[14]Em um PCHP, a temperatura do evaporador é usada para variar o volume do reservatório ou a quantidade de NCG no tubo de calor. PCHPs mostraram controle de temperatura em mili-Kelvin.[15]
Tubos de calor de diodo [editar]
Os tubos de calor convencionais transferem calor em qualquer direção, da extremidade mais quente para a mais fria do tubo de calor. Vários tubos de calor diferentes atuam como umdiodo térmico, transferindo calor em uma direção, enquanto atua como um isolante na outra:[16]
Termossifões, que apenas transferem calor da parte inferior para a parte superior do termossifão, de onde o condensado retorna por gravidade. Quando o termossifão é aquecido na parte superior, não há líquido disponível para evaporar.
Tubos de calor rotativos, onde o tubo de calor é moldado de forma que o líquido só possa viajar por forças centrífugas do evaporador nominal para o condensador nominal. Novamente, nenhum líquido está disponível quando o condensador nominal é aquecido.
Tubos de calor de diodo de armadilha de vapor.
Tubos de calor com diodo de armadilha líquida.
Um Diodo de Armadilha de Vapor é fabricado de maneira semelhante a um Tubo de Calor de Condutância Variável (VCHP), com um reservatório de gás no final do condensador.[17]Durante a fabricação, o tubo de calor é carregado com o fluido de trabalho e uma quantidade controlada de um gás não condensável (GNC). Durante a operação normal, o fluxo do vapor do fluido de trabalho do evaporador para o condensador varre o NCG para o reservatório, onde não interfere na operação normal do tubo de calor. Quando o condensador nominal é aquecido, o fluxo de vapor é do condensador nominal para o evaporador nominal. O NCG é arrastado junto com o vapor em fluxo, bloqueando completamente o evaporador nominal e aumentando significativamente a resistividade térmica do tubo de calor. Em geral, há alguma transferência de calor para a seção adiabática nominal. O calor é então conduzido através das paredes do tubo de calor para o evaporador. Em um exemplo, um diodo de armadilha de vapor carregava 95 W na direção direta e apenas 4,3 W na direção reversa.[18]
Um Diodo de Armadilha de Líquido tem um reservatório com filtro na extremidade do evaporador do tubo de calor, com um pavio separado que não está em comunicação com o pavio no restante do tubo de calor.[19]Durante a operação normal, o evaporador e o reservatório são aquecidos. O vapor flui para o condensador e o líquido retorna para o evaporador por forças capilares no pavio. O reservatório eventualmente seca, uma vez que não há método para retornar o líquido. Quando o condensador nominal é aquecido, o líquido se condensa no evaporador e no reservatório. Enquanto o líquido pode retornar ao condensador nominal a partir do evaporador nominal, o líquido no reservatório fica preso, pois o pavio do reservatório não está conectado. Eventualmente, todo o líquido fica preso no reservatório e o tubo de calor para de funcionar.
Termossifões [editar]
A maioria dos tubos de calor usa um pavio para retornar o líquido do condensador para o evaporador, permitindo que o tubo de calor opere em qualquer orientação. O líquido é sugado de volta para o evaporador poração capilar, semelhante à maneira como uma esponja suga a água quando uma borda é colocada em contato com uma poça d'água. No entanto, a elevação adversa máxima (evaporador sobre condensador) é relativamente pequena, da ordem de 25 cm de comprimento para um tubo de aquecimento de água típico.
Se, no entanto, o evaporador estiver localizado abaixo do condensador, o líquido pode ser drenado de volta por gravidade em vez de exigir um pavio, e a distância entre os dois pode ser muito maior. Esse tubo de calor auxiliado pela gravidade é conhecido como umtermossifão.[20][21](Veja também: tubo de Perkins, apósJacob Perkins.[22]) (Diferente de umtermossifão, que transfere calor por fase únicaConvecção naturaltransferência de calor em um loop).
Em um termossifão, o fluido de trabalho líquido é vaporizado por um calor fornecido ao evaporador na parte inferior do tubo de calor. O vapor viaja para o condensador na parte superior do tubo de calor, onde se condensa. O líquido é então drenado de volta para o fundo do tubo de calor por gravidade e o ciclo se repete. Os termossifões são tubos de calor de díodo; quando o calor é aplicado na extremidade do condensador, não há condensado disponível e, portanto, nenhuma maneira de formar vapor e transferir calor para o evaporador.
Enquanto um tubo de calor de água terrestre típico tem menos de 30 cm de comprimento, os termossifões geralmente têm vários metros de comprimento. Conforme discutido abaixo, os termossifões usados para resfriar a tubulação do Alasca tinham aproximadamente 11 a 12 m de comprimento. Termossifões ainda mais longos foram propostos para a extração de energia geotérmica. Por exemplo, Storch et al. fabricou um termossifão de propano de 53 mm de diâmetro interno e 92 m de comprimento que carregava cerca de 6 kW de calor.[23]
Circuito do tubo de calor [editar]
Atubo de calor em loop(LHP) é um dispositivo de transferência de duas fases passivo relacionado ao tubo de calor. Ele pode transportar maior potência em distâncias mais longas por ter fluxo de líquido e vapor co-corrente, em contraste com o fluxo de contra-corrente em um tubo de calor.[24][25]Isso permite que o pavio em um tubo de calor em loop seja necessário apenas no evaporador e na câmara de compensação.Tubos de calor micro-loopforam desenvolvidos e empregados com sucesso em uma ampla esfera de aplicações no solo e no espaço.
Transferência de calor[editar]
Adissipador de calor(alumínio) com tubos de calor (cobre)
Os tubos de calor empregamresfriamento evaporativopara transferir energia térmica de um ponto a outro peloevaporaçãoecondensaçãode um fluido de trabalho ou refrigerante. Os tubos de calor dependem de uma diferença de temperatura entre as extremidades do tubo e não podem reduzir as temperaturas em nenhuma das extremidades abaixo da temperatura ambiente (portanto, eles tendem a igualar a temperatura dentro do tubo).
Quando uma extremidade do tubo de calor é aquecida, o fluido de trabalho dentro do tubo naquela extremidade evapora e aumenta a pressão de vapor dentro da cavidade do tubo de calor. Ocalor latentede evaporação absorvida pela vaporização do fluido de trabalho reduz a temperatura na extremidade quente do tubo.
A pressão de vapor sobre o fluido de trabalho líquido quente na extremidade quente do tubo é maior do que a pressão de vapor de equilíbrio sobre o fluido de trabalho de condensação na extremidade mais fria do tubo, e esta diferença de pressão leva a uma rápida transferência de massa para a extremidade de condensação, onde o excesso de vapor condensa, libera seu calor latente e aquece a extremidade fria do tubo. Gases sem condensação (causados por contaminação, por exemplo) no vapor impedem o fluxo de gás e reduzem a eficácia do heat pipe, principalmente em baixas temperaturas, onde as pressões de vapor são baixas. A velocidade das moléculas em um gás é aproximadamente a velocidade do som e, na ausência de gases não condensantes (ou seja, se houver apenas uma fase gasosa presente), este é o limite superior para a velocidade com a qual eles poderiam viajar no tubo de calor . Na prática, a velocidade do vapor através do tubo de calor é limitada pela taxa de condensação na extremidade fria e muito menor do que a velocidade molecular. [citação necessária] Nota / explicação: A taxa de condensação está muito próxima do coeficiente de aderência vezes a velocidade molecular vezes a densidade do gás, se a superfície de condensação estiver muito fria. No entanto, se a superfície está próxima da temperatura do gás, a evaporação causada pela temperatura finita da superfície cancela em grande parte esse fluxo de calor. Se a diferença de temperatura for maior do que algumas dezenas de graus, a evaporação da superfície é normalmente insignificante, como pode ser avaliada a partir das curvas de pressão de vapor. Na maioria dos casos, com transporte de calor muito eficiente através do gás, é muito desafiador manter essas diferenças significativas de temperatura entre o gás e a superfície de condensação. Além disso, essas diferenças de temperatura correspondem, naturalmente, a uma grande resistência térmica efetiva por si só. O gargalo costuma ser menos severo na fonte de calor, já que as densidades do gás são maiores lá, correspondendo a fluxos máximos de calor mais elevados.
O fluido de trabalho condensado então flui de volta para a extremidade quente do tubo. No caso de tubos de calor orientados verticalmente, o fluido pode ser movido pela força da gravidade. No caso de tubos de calor contendo mechas, o fluido é devolvido poração capilar.
Ao fazer tubos de calor, não há necessidade de criar vácuo no tubo. Um simplesmente ferve o fluido de trabalho no tubo de calor até que o vapor resultante tenha purgado os gases não condensados do tubo e então sela a extremidade.
Uma propriedade interessante dos tubos de calor é a faixa de temperatura na qual eles são eficazes. Inicialmente, pode-se suspeitar que um tubo de calor carregado com água só funciona quando a extremidade quente atinge o ponto de ebulição (100 ° C, 212 ° F, à pressão atmosférica normal) e o vapor é transferido para a extremidade fria. No entanto, o ponto de ebulição da água depende da pressão absoluta dentro do tubo. Em um tubo evacuado, a água vaporiza de seuponto Triplo(0,01 ° C, 32 ° F) para seuponto crítico(374 ° C; 705 ° F), desde que o tubo de calor contenha líquido e vapor. Assim, um tubo de calor pode operar em temperaturas finais quentes tão baixas quanto ligeiramente mais quentes do que o ponto de fusão do fluido de trabalho, embora a taxa máxima de transferência de calor seja baixa em temperaturas abaixo de 25 ° C (77 ° F). Da mesma forma, um tubo de calor com água como fluido de trabalho pode funcionar bem acima do ponto de ebulição atmosférico (100 ° C, 212 ° F). A temperatura máxima para tubos de calor de água de longo prazo é 270 ° C (518 ° F), com tubos de calor operando até 300 ° C (572 ° F) para testes de curto prazo.[26]
A principal razão para a eficácia dos tubos de calor é a evaporação e condensação do fluido de trabalho. Ocalor da vaporizaçãoexcede em muito o específicocapacidade de calor. Usando a água como exemplo, a energia necessária para evaporar um grama de água é 540 vezes a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura desse mesmo grama de água em 1 ° C. Quase toda essa energia é rapidamente transferida para o" frio" termina quando o fluido se condensa ali, tornando um sistema de transferência de calor muito eficaz, sem partes móveis. [citação necessária]
Desenvolvimento[editar]
O princípio geral dos tubos de calor usando a gravidade, comumente classificados como de duas fasestermossifões, remonta à era do vapor eAngier March Perkinse o filho deleLoftus Perkinse o&Perkins Tube GG, que teve uma utilização generalizada em caldeiras de locomotivas e fornos de trabalho.[27]Os tubos de calor com base capilar foram sugeridos pela primeira vez por RS Gaugler deGeneral Motorsem 1942, que patenteou a ideia,[28][29]mas não o desenvolveu mais.
George Grover desenvolveu independentemente tubos de calor baseados em capilares emLaboratório Nacional de Los Alamosem 1963, com sua patente daquele ano[30]sendo o primeiro a usar o termo GG, tubo de calor GG, e é frequentemente referido como&o inventor do tubo de calor GG.[31]Ele anotou em seu caderno:[32]
Tal sistema fechado, sem necessidade de bombas externas, pode ser de particular interesse em reatores espaciais na movimentação de calor do núcleo do reator para um sistema de radiação. Na ausência de gravidade, as forças devem ser apenas tais que superem o capilar e o arrasto do vapor que retorna através de seus canais.
A sugestão de Grover' foi aceita porNASA, que desempenhou um grande papel no desenvolvimento de tubos de calor na década de 1960, particularmente em relação às aplicações e confiabilidade em voos espaciais. Isso era compreensível, dado o baixo peso, alto fluxo de calor e consumo zero de energia dos tubos de calor - e que eles não seriam adversamente afetados por operar em um ambiente de gravidade zero.
A primeira aplicação de tubos de calor no programa espacial foi o equilíbrio térmico de transponders de satélite. [citação necessária]Comosatélitesórbita, um lado está exposto à radiação direta do sol, enquanto o lado oposto está completamente escuro e exposto ao frio profundo deespaço sideral. Isso causa graves discrepâncias na temperatura (e, portanto, na confiabilidade e na precisão) dos transponders. O sistema de resfriamento do heat pipe projetado para este propósito gerenciou os altos fluxos de calor e demonstrou um funcionamento impecável com e sem a influência da gravidade. O sistema de resfriamento desenvolvido foi o primeiro uso de tubos de calor de condutância variável para regular ativamente o fluxo de calor ou a temperatura do evaporador.
Uso mais amplo [editar]
A NASA testou tubos de calor projetados para condições extremas, alguns usando sódio metálico líquido como fluido de trabalho. Outras formas de tubos de calor são usadas atualmente para resfriar satélites de comunicação.[33]Publicações em 1967 e 1968 por Feldman, Eastman,[34]e Katzoff discutiu primeiro as aplicações de tubos de calor para usos mais amplos, como ar condicionado, resfriamento de motores e resfriamento de eletrônicos. Esses artigos também foram os primeiros a mencionar tubos de calor flexíveis, arteriais e de placa plana. Publicações em 1969 introduziram o conceito de tubo de calor rotacional com suas aplicações para resfriamento de pás de turbina e continham as primeiras discussões sobre aplicações de tubos de calor em processos criogênicos.
Começando na década de 1980Sonycomeçou a incorporar tubos de calor aos esquemas de resfriamento de alguns de seus produtos eletrônicos comerciais no lugar de convecção forçada e dissipadores de calor com aletas passivos. Inicialmente, eles foram usados em receptores e amplificadores, logo se espalhando para outras aplicações eletrônicas de alto fluxo de calor.
Durante o final da década de 1990, CPUs de microcomputadores com fluxo de calor cada vez mais alto gerou um aumento de três vezes no número de pedidos de patente de tubos de calor nos Estados Unidos. À medida que os tubos de calor evoluíram de um componente industrial especializado de transferência de calor para uma mercadoria de consumo, a maior parte do desenvolvimento e da produção mudou dos Estados Unidos para a Ásia.
Os tubos de calor modernos da CPU são normalmente feitos decobree usar água como fluido de trabalho.[35]
Formulários[editar]
Nave espacial [editar]
Tubos de calor em naves espaciais normalmente usam uma extrusão de alumínio com ranhuras como o envelope
VCHP típico de alumínio-amônia ranhurado para controle térmico de espaçonave, com a seção do evaporador na parte inferior e o reservatório de gás não condensável logo abaixo da válvula[36]
Ocontrole térmico da nave espacialO sistema tem a função de manter todos os componentes da espaçonave dentro de sua faixa de temperatura aceitável. Isso é complicado pelo seguinte:
Condições externas amplamente variáveis, comoeclipses
Remoção de calor da espaçonave porradiação térmicasó
Potência elétrica limitada disponível, favorecendo soluções passivas
Longas vidas úteis, sem possibilidade de manutenção
Algumas espaçonaves são projetadas para durar 20 anos, então o transporte de calor sem energia elétrica ou partes móveis é desejável. Rejeitar o calor por radiação térmica significa que grandes painéis de radiador (vários metros quadrados) são necessários. Tubos de calor etubos de calor em loopsão usados extensivamente em naves espaciais, uma vez que não requerem energia para operar, operam quase isotérmicamente e podem transportar calor por longas distâncias.
Mechas ranhuradas são usadas em tubos de aquecimento de espaçonaves, como mostrado na primeira fotografia desta seção. Os tubos de calor são formados por extrusão de alumínio e normalmente têm um flange integral para aumentar a área de transferência de calor, o que diminui a queda de temperatura. Mechas ranhuradas são usadas em espaçonaves, em vez da tela ou mechas sinterizadas usadas para tubos de calor terrestre, uma vez que os tubos de calor não precisam operar contra a gravidade no espaço. Isso permite que os tubos de aquecimento de naves espaciais tenham vários metros de comprimento, em contraste com o comprimento máximo de cerca de 25 cm para um tubo de aquecimento de água operando na Terra. A amônia é o fluido de trabalho mais comum para tubos de calor de espaçonaves. O etano é usado quando o tubo de calor deve operar em temperaturas abaixo da temperatura de congelamento da amônia.
A segunda figura mostra um tubo de calor de condutância variável (VCHP) com ranhuras típicas de alumínio / amônia para controle térmico de nave espacial. O tubo de calor é uma extrusão de alumínio, semelhante ao mostrado na primeira figura. A área flangeada inferior é o evaporador. Acima do evaporador, o flange é usinado para permitir que a seção adiabática seja dobrada. O condensador é mostrado acima da seção adiabática. O reservatório de gás não condensável (NCG) está localizado acima do tubo de calor principal. A válvula é removida após encher e selar o tubo de calor. Quando aquecedores elétricos são usados no reservatório, a temperatura do evaporador pode ser controlada dentro de ± 2K do ponto de ajuste.
Sistemas de computador[editar]
Os tubos de calor começaram a ser usados em sistemas de computador no final da década de 1990,[37]quando os requisitos de energia aumentados e os aumentos subsequentes na emissão de calor resultaram em maiores demandas nos sistemas de resfriamento. Eles agora são amplamente usados em muitos sistemas de computador modernos, normalmente para afastar o calor de componentes comoCPUseGPUspara dissipadores de calor onde a energia térmica pode ser dissipada para o meio ambiente.
Solar térmico [editar]
Tubos de calor também são amplamente usados emsolar térmicaaplicações de aquecimento de água em combinação com coletores solares de tubo evacuado. Nessas aplicações, a água destilada é comumente usada como fluido de transferência de calor dentro de um tubo de cobre vedado que está localizado dentro de um tubo de vidro evacuado e orientado para o sol. Em tubos de conexão, o transporte de calor ocorre na fase de vapor líquido porque o meio de transferência térmica é convertido em vapor em uma grande seção da tubulação de coleta.[38]
Em aplicações de aquecimento solar de água, um tubo absorvedor individual de um coletor de tubo evacuado é até 40% mais eficiente em comparação com a placa plana&mais tradicional GG. coletores solares de água. Isso se deve em grande parte ao vácuo que existe dentro do tubo, que retarda a perda de calor por convecção e condução. As eficiências relativas do sistema de tubo evacuado são reduzidas, no entanto, quando comparadas aos coletores de placa plana, porque os últimos têm um tamanho de abertura maior e podem absorver mais energia solar por unidade de área. Isso significa que, embora um tubo evacuado individual tenha melhor isolamento (menores perdas condutivas e convectivas) devido ao vácuo criado dentro do tubo, uma série de tubos encontrados em uma montagem solar completa absorve menos energia por unidade de área devido à existência de menos superfície absorvente área apontada para o sol por causa do design arredondado de um coletor de tubo evacuado. Portanto, as eficiências do mundo real de ambos os projetos são quase as mesmas.
Coletores de tubos evacuados reduzem a necessidade de aditivos anticongelantes, pois o vácuo ajuda a diminuir a perda de calor. No entanto, sob exposição prolongada a temperaturas de congelamento, o fluido de transferência de calor ainda pode congelar e devem ser tomadas precauções para garantir que o líquido de congelamento não danifique o tubo evacuado ao projetar sistemas para tais ambientes. Aquecedores solares de água adequadamente projetados podem ser protegidos contra congelamento até mais de -3 ° C com aditivos especiais e estão sendo usados emAntárticapara aquecer água. [citação necessária]
Resfriamento do permafrost [editar]
Oleoduto do Alascaapoie as pernas resfriadas por termossifões de tubo de calor para manterpermafrostcongeladas
Construindo empermafrosté difícil porque o calor da estrutura pode descongelar o permafrost. Os tubos de calor são usados em alguns casos para evitar o risco de desestabilização. Por exemplo, noSistema de oleoduto Trans-Alascao calor residual do solo remanescente no óleo, bem como o calor produzido pela fricção e turbulência no óleo em movimento, pode conduzir pelas pernas de suporte do tubo' e derreter o permafrost no qual os suportes estão ancorados. Isso faria com que o encanamento afundasse e possivelmente fosse danificado. Para evitar isso, cada membro de suporte vertical foi montado com quatro tubos de calor verticaistermosifões.[39]
A característica significativa de um termossifão é que ele é passivo e não requer nenhuma alimentação externa para funcionar. Durante o inverno, o ar é mais frio do que o solo ao redor dos suportes. A amônia líquida na parte inferior do termossifão é vaporizada pelo calor absorvido do solo, resfriando o permafrost circundante e baixando sua temperatura. Durante o verão, os termossifões param de funcionar, pois não há amônia líquida disponível no topo do heat pipe, mas o resfriamento extremo durante o inverno permite que o solo permaneça congelado.
Canos de calor também são usados para manter o permafrost congelado ao lado de partes doFerrovia Qinghai-Tibetonde o aterro e a pista absorvem o calor do sol' Tubos de calor verticais em cada lado das formações relevantes evitam que o calor se espalhe ainda mais para o permafrost circundante.
Dependendo da aplicação, existem vários designs de termossifão:[40]termossonda,termopilha,termosifão de profundidade,fundação termossifão inclinada,base termossifão de loop plano,Fundação termossifão de loop plano híbrido.
Culinária[editar]
O primeiro produto de tubo de calor comercial foi o" Thermal Magic Cooking Pin" desenvolvido pela Energy Conversion Systems, Inc. e vendido pela primeira vez em 1966.[41]Os alfinetes de cozinha usavam água como fluido de trabalho. O envelope era de aço inoxidável, com uma camada interna de cobre para compatibilidade. Durante a operação, uma das extremidades do tubo de calor é espetada no assado. A outra extremidade se estende até o forno, onde puxa o calor para o meio do assado. A alta condutividade efetiva do tubo de calor reduz o tempo de cozimento de grandes pedaços de carne pela metade.[42]
O princípio também foi aplicado a fogões de acampamento. O tubo de calor transfere um grande volume de calor a baixa temperatura para permitir que produtos sejam assados e outros pratos sejam cozinhados em situações de camping.
Recuperação de calor de ventilação [editar]
Em sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado,HVAC, os tubos de calor são posicionados dentro das correntes de ar de alimentação e exaustão de um sistema de tratamento de ar ou nos gases de exaustão de um processo industrial, a fim de recuperar a energia térmica.
O dispositivo consiste em uma bateria de tubos de calor com aletas de várias fileiras localizados nos fluxos de ar de entrada e saída. No lado do ar de exaustão do tubo de calor, o refrigerante evapora, extraindo o calor do ar de exaustão. O vapor do refrigerante se move em direção à extremidade mais fria do tubo, dentro do lado do ar fornecido do dispositivo, onde se condensa e libera calor. O refrigerante condensado retorna por uma combinação de gravidade e ação capilar no pavio. Assim, o calor é transferido do fluxo de ar de exaustão através da parede do tubo para o refrigerante e, em seguida, do refrigerante através da parede do tubo para o fluxo de ar fornecido.
Devido às características do dispositivo, melhores eficiências são obtidas quando a unidade é posicionada na vertical com o lado do ar de fornecimento montado sobre o lado do ar de exaustão, o que permite que o refrigerante líquido flua rapidamente de volta para o evaporador auxiliado pela força da gravidade. Geralmente, eficiências brutas de transferência de calor de até 75% são reivindicadas pelos fabricantes. [citação necessária]
Conversão de energia nuclear [editar]
Grover e seus colegas estavam trabalhando em sistemas de refrigeração paracélulas de energia nuclearpranave espacial, onde condições térmicas extremas são encontradas. Esses tubos de calor de metal alcalino transferiram calor da fonte de calor para umtermiônicoouconversor termoelétricopara gerar eletricidade.
Desde o início de 1990, vários sistemas de energia de reator nuclear foram propostos usando tubos de calor para transportar calor entre o núcleo do reator e o sistema de conversão de energia.[43]O primeiro reator nuclear a produzir eletricidade usando tubos de calor foi operado pela primeira vez em 13 de setembro de 2012 em uma demonstração usando fissão de topo plano.[44]
Motores de combustão rotativos Wankel [editar]
A ignição da mistura de combustível sempre ocorre na mesma parte doMotores Wankel, induzindo disparidades de dilatação térmica que reduzem a produção de energia, prejudicam a economia de combustível e aceleram o desgaste. O documento SAE 2014-01-2160, de Wei Wu et al., Descreve:' Um motor Wankel rotativo refrigerado a ar assistido por tubo de calor para maior durabilidade, potência e eficiência' eles obtiveram uma redução no motor superior temperatura de 231 ° C a 129 ° C, e a diferença de temperatura reduzida de 159 ° C a 18 ° C para um resfriado a ar típico de deslocamento de câmara pequenaUAVmotor.
Limitações [editar]
Os tubos de calor devem ser ajustados para condições particulares de resfriamento. A escolha do material, tamanho e refrigerante do tubo influenciam nas temperaturas ideais nas quais os tubos de calor funcionam.
Quando usado fora de sua faixa de calor projetada, o heat pipe'condutividade térmicaé efetivamente reduzido aocondução de calorpropriedades de seu invólucro de metal sólido sozinho - no caso de umcobrerevestimento, cerca de 1/80 do fluxo original. Isso ocorre porque abaixo da faixa de temperatura pretendida, o fluido de trabalho não sofrerá mudança de fase; e acima dele, todo o fluido de trabalho no tubo de calor vaporiza e o processo de condensação cessa.
A maioria dos fabricantes não pode fazer um tubo de calor tradicional menor que 3 mm de diâmetro devido às limitações do material.
Veja também[editar]
Termossifão, um mecanismo semelhante no qual a energia térmica é transferida por fluidoflutuabilidadeem vez de evaporação e condensação.
Referências[editar]
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