Теплові трубки: Перенесення Тепла За допомогою Фазового Змінного Процесу, а не Кондукції

Трубка, що переносить тепло, а не просто його проводить

Щебенець із м’якого металу добре проводить тепло, але це все ще теплопровідність: тепло розповсюджується вниз за температурним градієнтом з швидкістю, заданою тепловіддачею матеріалу – приблизно кілька сотень Вт/(м·К) для міді. Теплоносна трубка - це герметична труба, частково заповнена робочим середовищем і обмотана мохтурою, яка переносить тепло шляхом фазового переходу замість розповсюдження відчутного тепла через твердий матеріал. Це дозволяє ефективній провідності в поздовжньому напрямку досягти десятків тисяч Вт/(м·К), що на один-два порядки перевищує теплопровідність твердої міді, у пристрої без рухомих частин і без зовнішнього живлення.

Цикл: випаровування, переміщення, конденсація, повернення

На кінці з парогенератором тепловий вплив перетворює водяну пару, що вбирається у решітку, на пар; потенціальна теплова енергія випаровування поглинає значну кількість енергії при невеликому підвищенні температури. Цей пар тепер знаходиться під дещо вищим тиском, ніж холодний кінець, тому він майже вільно тече вниз по основі труби до конденсатора, де він віддає свою потенційну теплову енергію будь-чому, що охолоджує цю кінцівку, і конденсується назад у рідкий стан. Цей річний стан повинен повернутися на кінці з парогенератором, щоб закрити цикл, і не можна покладатися на гравітацію, якщо труба горизонтальна або парогенератор знаходиться вище конденсатора — тоді решітка виконує роботу за допомогою капілярного дії.

Капілярне перекачування: свічка як насос

Свічка — це висічена металева порошка, канавки або дрібнотканий матеріал — це пористий структур, з малим ефективним радіусом пор r. Напруга поверхневого натягу через рідинно-парові мениски в цих порах створює капілярний тиск, який тягне рідину назад до випарника без зовнішнього насоса:

ΔP_капілярний ≈ 2σ·cos(θ) / r_еф σ = поверхневий натяг робочої рідини θ = кут змочування (контакт), ≈0 для добре змоченої свічки r_еф = ефективний радіус пор структури свічки Вимоги до експлуатації: ΔP_капілярний ≥ ΔP_рідинна + ΔP_паровий + ΔP_гравітаційний Це нерівність є повною робочою областю теплоносія. Якщо капілярний тиск, який може згенерувати свічка, перевищує суму втрат від в’язкості рідини, втрат від парового потоку та будь-якого несприятливого гравітаційного тиску, свічка висихає на випарнику і труба досягає свого капілярного ліміту — найбільш поширеної причини її відмови. Більш тонкі свічки генерують більший капілярний тиск, але також створюють більше опору в’язкості рідини, тому дизайн свічки є прямим компромісом між цими двома факторами.

ΔP_capillary ≈ 2σ·cos(θ) / r_eff

σ    = surface tension of the working fluid
θ    = wetting (contact) angle, ≈0 for a well-wetted wick
r_eff = effective pore radius of the wick structure

Operating requirement:  ΔP_capillary  ≥  ΔP_liquid + ΔP_vapour + ΔP_gravity

Інші межі експлуатації

Капілярний ліміт зазвичай є основним, але три інші також можуть домінувати залежно від температури та геометрії. Сонічний ліміт виникає при дуже низькій вологості пари (поблизу точки замерзання рідини), коли швидкість пари наближається до місцевої швидкості звуку, і потік пари обмежується, незалежно від градієнту температури. Ліміт залучення виникає, коли швидкий потік пари розрізає краплі з рідкого шару у вати проти напрямку руху рідини, необхідного для переміщення. Ліміт кипіння виникає при високому тепловому потоці, коли нуклеарне кипіння всередині вати створює бульбашки пари, які блокують постачання рідини до поверхні випарника — аналог критичного теплового потоку в кипінні басейнах.

Вибір робочої рідини

Рідина повинна бути рідкою протягом усього діапазону робочих температур і мати високу теплоємність фаз переходу, висока поверхнева напруга та низька в’язкість – що сприяє транспортуванню пари та капілярному насосу, мінімізуючи внутрішні втрати. Вода є основним елементом поблизу кімнатних температур і електронного охолодження (0–200°C) завдяки її комбінації теплоємності фаз переходу та поверхневої напруги, яка важко обійтись; аміак та метанол – холодніші діапазони; рідкий натрій та інші лужні метали розширюють охолодження трубок з виділенням тепла до сотень або тисяч градусів для використання в космічній галузі та ядерній енергетиці.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Heat Pipe і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.