لوله حرارتی

لوله حرارتی همانطور که از اسمش انتظار میرود یک وسیله انتقال حرارت است که هر دو اصول هدایت حرارتی و انتقال فاز را ترکیب می کند تا به طور موثر حرارت را بین دو رابط جامد منتقل کند.

در رابط گرم لوله حرارتی مایع در تماس با یک سطح جامد رسانا حرارتی با جذب گرما از آن سطح به بخار تبدیل می شود. بخار سپس در امتداد لوله گرما به رابط سرد می رود و مجدداً منقبض و متمرکز به درون مایع می شود و در عین حال گرمای نهان جذب شده طی بخار شدنش را آزاد می کند. سپس مایع از طریق هر دو عمل مویرگی(لوله ای که قطر داخلی به اندازه تار مو دارد) ، نیروی گریز از مرکز یا گرانش به رابط گرم برمی گردد و چرخه دوباره تکرار می شود. با توجه به ضرایب حرارت بسیار بالا برای جوش و میعان در چرخه انتقال بخار، لوله های حرارتی رسانای حرارتی بسیار بالایی دارند، در نتیجه مقدار کارایی لوله حرارتی رابطه مستقیم با رسانایش حرارتی آن دارد. رسانایی گرمایی تاثیر گذارنسبت به طول لوله حرارتی مورد استفاده تغییر کرده و متفاوت است ، به عنوان مثال می تواند برای لوله های گرمای طویل به 100 کیلو وات بر (متر مربع) نزدیک شود ، در مقایسه با رسانایی گرمایی تقریبا 0.4 کیلو وات بر (متر مربع) برای لوله های مسی مورد استفاده قرار میگیرند.

ساختار ، طراحی و ساخت لوله های حرارتی

یک لوله حرارتی معمولی از یک لوله مهر و موم شده و یا سیلندر طولانی و تو خالی فلز پلاستیک و... به فرم تیوپ ساخته شده از جنس ماده ای است که با ساختار سیالات سازگار است ، مثل مس برای لوله های آب گرم یا آلومینیوم برای لوله های گرمائی آمونیاک. به طور معمول ، از پمپ خلا برای خارج کردن هوا از لوله گرمایی خالی استفاده می شود. لوله حرارتی به طور بخش-بخش با یک مایع مختص کار با ضریب حرارتی بالا پر شده و سپس آب بندی می شود. جرم سیال مورد استفاده در سیستم کار به گونه ای انتخاب می شود که لوله گرمایی حاوی هر دو حالت بخار و مایع در محدوده تغییرات دمای عملیاتی باشد.

در درجه حرارتی زیر دمای عملیاتی لوله گرمایی ، مایع خیلی سرد است و نمی تواند تبدیل به گاز(بخار) شود. بالاتر از دمای عملیاتی مورد نیاز ، تمام مایع به گاز تبدیل شده و در نتیجه دمای محیط برای چگالش گاز(و تبدیل دوباره آن به مایع در چرخه و جذب گرمای آن) خیلی زیاد و غیر قابل امکان پذیر است. به عبارت دیگر ، برای تبدیل چگالش مایع-گاز هادی حرارتی بسیار بالا یا خیلی پایین ، هنوز هم از طریق دیواره های لوله گرمایی امکان پذیر است ، اما با سرعت بسیار کم انتقال حرارت و در نتیجه کارایی کمتر و هدر رفت بیشتر انرژی.

برای انتقال سیال ، لوله گرمایی باید حاوی مایع اشباع(سیر شده) و بخار آن (فاز گاز) باشد. مایع اشباع بخار می شود و به کندانسور(دستگاه یا ظرفی برای بخار چگالشی.) می رود و در آنجا خنک می شود و به مایع اشباع باز می گردد. در یک لوله استاندارد گرما ، مایع تغلیظ شده با استفاده از ساختار افروزشی که عملکرد مویرگی را در فاز مایع مخصوص سیال کار انجام می دهد ، به بخار کننده برگردانده می شود. سازه های حصیری مورد استفاده در لوله های حرارتی شامل پودر فلزی سینتر ، صفحه نمایش و فتیله های شیار دار می باشد که دارای یک سری شیارها به موازات محور لوله هستند.

هنگامی که کندانسور(ظرف تبخیر کننده چگالشی) در بالای میدان تبخیر کننده در یک میدان گرانشی(مربوط به حرکت به سمت مرکز ثقل.) قرار دارد ، میدان گرانشی میتواند مایع را دوباره به چرخه برگرداند. در این حالت ، لوله گرما یک ترموسیفون است.( ترموسیفون روشی برای تبادل گرما منفعل و بر اساس همرفت طبیعی است که سیال را بدون نیاز به پمپ مکانیکی به گردش در می آورد.)

 سرانجام ، لوله های حرارتی چرخان از نیروهای گریز از مرکز برای برگرداندن مایع از کندانسور به اواپراتور استفاده می کنند.

مواد لوله حرارتی و مایعات کار

لوله های حرارتی دارای یک پاکت ، یک فتیله جامد و یک مایع کار هستند. لوله های حرارتی برای کارکرد طولانی مدت و بی نیاز از تعمیر و نگهداری طراحی شده اند ، بنابراین دیواره و فتیله لوله گرما باید با سیال کار سازگاری کامل داشته باشند. برخی از جفتهای مایعات و مواد که به نظر می رسد سازگار نیستند کار آمدی مورد نیاز برای لوله گرمایی را فراهم نمیسازند و به تعمیر و تعویض پیاپی نیاز دارند. به عنوان مثال ، آب در یک پاکت آلومینیومی در طی چند ساعت یا چند روز مقادیر زیادی از گاز غیر قابل تراکم را تولید می کند و از کارکرد طبیعی لوله گرما جلوگیری می کند و رفته رفته از کارکرد آنها کاسته میشود.

از آنجا که لوله های گرما توسط جورج گروور در سال 1963 کشف شدند ، آزمایش های گسترده ای برای تعیین جفت پاکت / سیال  هرچه سازگارتر انجام شده است ، برخی از آنها به مدت چندین دهه ادامه دارد. در یک آزمایش عمر لوله های حرارتی ، لوله های حرارتی برای مدت طولانی کار می کنند و برای مشکلاتی از جمله تولید گاز غیر قابل احتراق ، انتقال مواد و خوردگی کنترل می شوند و با استفاده از تحلیلات و مهندسی های مربوطه رو به بهبود و افزایش طول عمر میروند.

انواع لوله های حرارتی

علاوه بر استاندارد ، لوله های حرارتی با هدایت ثابت (CCHP) ، تعدادی دیگر از لوله های گرما نیز وجود دارد از جمله؛

اتاق بخار (لوله های حرارتی مسطح) ، که برای تبدیل شار گرما و ایزوترمال زدایی سطوح استفاده می شود

- لوله های حرارتی با هدایت متغیر (VCHPs) ، که از یک گاز غیر چگالنده (NCG) استفاده می کنند تا لوله حرارتی هدایت حرارتی مؤثر را تغییر دهند ، زیرا قدرت یا شرایط غرق شدن تغییر می کند.

- لوله های حرارتی کنترل شده فشار (PCHPs) ، که یک VCHP هستند که در آن می توان حجم مخزن یا جرم (گاز غیر چگالنده)NCG را تغییر داد ، برای کنترل دقیق تر دما.

انتقال حرارت

لوله های گرما از تغییر فاز برای انتقال انرژی حرارتی از یک نقطه به نقطه دیگر با تبخیر و تراکم یک مایع کار یا مایع خنک کننده استفاده می کنند. لوله های حرارتی به اختلاف دما بین دو انتهای لوله متکی هستند و نمی توانند درجه حرارت را در هر دو انتهای پایین تر از دمای محیط کاهش دهند (از این رو آنها تمایل به مساوی کردن دمای درون لوله دارند).

هنگامی که یک انتهای لوله گرما گرم می شود ، مایع کار داخل لوله در آن انتها بخار می شود و فشار بخار داخل حفره لوله گرما را افزایش می دهد. گرمای نهان بخار جذب شده توسط مایع کار باعث کاهش دما در انتهای داغ لوله می شود.

فشار بخار روی مایع کارگر داغ در انتهای داغ لوله بیشتر از فشار بخار تعادل بر روی مایعات کار کندانسور در انتهای خنک کننده لوله است و این اختلاف فشار باعث انتقال سریع جرم به انتهای کندانسور می شود. بخار اضافی متراکم می شود ، گرمای نهان آن را آزاد می کند و انتهای سرد لوله را گرم می کند. گازهای غیر چگالشی (به عنوان مثال در اثر آلودگی) در بخار مانع جریان گاز شده و باعث کاهش کارآیی لوله گرما ، به ویژه در دماهای پایین ، در جایی که فشار بخار کم است، میشود. سرعت مولکولهای موجود در یک گاز تقریباً برابر با سرعت صوت است و در صورت عدم وجود گازهای بدون کنسانتره (یعنی اگر فقط یک فاز گازی وجود داشته باشد) این بالاترین حد برای سرعت است که با آن می توانند در لوله گرما حرکت کنند.

توسعه

اصل کلی لوله های حرارتی با استفاده از گرانش ، که معمولاً به عنوان ترموسیفون های دو فاز طبقه بندی می شوند ، به دوران بخار و آنجیر مارس پرکینز و پسرش لوفتوس پرکینز و اختراع آنها که به نام خودشان نیز ثبت شده است یعنی  "لوله پرکینز" می رسد که کاربرد گسترده ای در دیگهای بخار لوکوموتیو و اجاق های کار داشتند. لوله های حرارتی مبتنی بر مویرگی برای اولین بار توسط (R. S. Gaugler) از جنرال موتورز در سال 1942 پیشنهاد شد ، که این ایده را ثبت کرد ، اما آن را توسعه نداد. جورج گروور در سال 1963 بطور مستقل لوله های حرارتی مبتنی بر مویرگ را در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس طراحی کرد ، با ثبت اختراع خود در آن سال اولین کسی بود که از اصطلاح لوله گرما استفاده کرد و اغلب او را "مخترع" نام می دهند.پیشنهاد گروور توسط ناسا مطرح شد ، که نقش مهمی در توسعه لوله های حرارتی در دهه 1960 به ویژه در مورد کاربردها و قابلیت اطمینان در پرواز فضایی ایفا کرد. این امر با توجه به وزن کم ، شار گرمای زیاد و تساوی قدرت صفر لوله های حرارتی قابل درک بود - و اینکه با عملکرد در یک محیط گرانشی صفر تحت تأثیر آنها قرار نمی گیرند.

حرارتی خورشیدی

لوله های گرما همچنین در کاربردهای گرمایش خورشیدی به طور گسترده ای استفاده می شوند. در این کاربردها ، آب مقطر معمولاً به عنوان مایع انتقال گرما در طول آب بندی شده از لوله های مسی که در یک لوله شیشه ای تخلیه شده قرار دارد و به سمت خورشید قرار گرفته ، استفاده می شود. در لوله های اتصال ، انتقال حرارت در فاز بخار مایع رخ می دهد زیرا محیط انتقال حرارتی در بخش بزرگی از لوله جمع آوری به بخار تبدیل می شود.

در برنامه های گرمایشی آب گرم کن خورشیدی ، یک لوله جذب کننده فرد از یک لوله جمع کننده تخلیه شده در مقایسه با جمع کننده های خورشیدی سنتی "صفحه تخت" تا 40٪ کارآمد تر است. که این تا حد زیادی به دلیل خلاء موجود در لوله است که باعث کاهش گرماگرشی(از دست دادن گرما) و رسانا می شود. به هر حال راندمان نسبی سیستم لوله تخلیه شده کاهش می یابد ، اما همچنان در این مورد، در مقایسه با جمع کننده های صفحه تخت برتری دارد، دومی اندازه دیافراگم(مظور به نوعی همان مقطع است) بزرگتر دارند و می تواند انرژی خورشیدی بیشتری را در هر واحد واحد جذب کنند. این در حالیست که یک لوله تخلیه شده فردی به دلیل خلاء ایجاد شده در داخل لوله ، عایق بهتری دارد. منطقه به سمت خورشید به دلیل طراحی گرد یک جمع کننده لوله تخلیه شده نشان داده شده است. بنابراین ، راندمان حقیقی و نهایی هر دو طرح تقریباً یکسان است.

خنک کننده پرماست

پایه ها برای حمایت از خط لوله آلاسکا که توسط ترموسیفونهای لوله گرما خنک شده اند تا از یخبندان حفظ شود.

ساخت روی پراکندگی(یک لایه زیرزمینی ضخیم از خاک که در تمام طول سال منجمد می ماند و در مناطق قطبی رخ می دهد.) مشکل است زیرا گرمای حاصل از ساختار می تواند نفوذپذیری را ذوب کند. در بعضی موارد از لوله های گرما استفاده می شود تا از خطر بی ثباتی آن جلوگیری شود. به عنوان مثال ، در سیستم خط لوله ترانس-آلاسکا گرمای زمین باقیمانده در روغن و همچنین گرمای حاصل از اصطکاک و تلاطم در روغن در حال حرکت می تواند پاهای تکیه گاه لوله را بپیماید و پروفیستی را که روی آن تکیه می شود ذوب کند. این امر باعث می شود خط لوله غرق شود و یحتمل آسیب ببیند. برای جلوگیری از این امر ، هر عضو پشتیبانی عمودی با چهار ترموسیفون لوله حرارتی عمودی سوار شده(نصب شده) است.