Lämmitysputki

Lämpöputki on lämmönvaihdin , joka, käyttäen höyrystymisen entalpia ja väliaineen, mahdollistaa suuren lämpövirran tiheys . Tällä tavalla voidaan siirtää suuria määriä lämpöä pienen poikkileikkausalueen yli.

Erotetaan kahden tyyppiset lämpöputket: lämpöputki ja kaksivaiheinen termosifoni . Toiminnan perusperiaate on sama molemmissa malleissa; ero on kaasumaisen työvälineen paluukuljetuksessa höyrystimeen, ts. H. pisteeseen, jossa lämpöä käytetään. Paluukuljetus tapahtuu passiivisesti molemmissa malleissa ja siksi ilman apuvälineitä, kuten kiertovesipumppua .

Lämpövastus lämpöputki käyttölämpötilassa on merkittävästi pienempi kuin metallien. Lämpöputkien käyttäytyminen on siten hyvin lähellä isotermistä tilanmuutosta . Lämpötila on lähes vakio koko lämpöputken pituuden ajan. Samalla siirtokapasiteetilla on näin ollen mahdollista tehdä huomattavasti kevyempiä malleja kuin tavanomaisilla lämmönvaihtimilla samoissa käyttöolosuhteissa. Valitsemalla huolellisesti lämpöputken työväliaineen käyttölämpötila muutamasta Kelvinistä noin 3000 Kelviniin voidaan saavuttaa.

Kaavamainen leikkaus lämpöputken läpi

Lämpöputken kyky siirtää energiaa riippuu suurelta osin työväliaineen erityisestä höyrystymisen entalpiasta (kJ / mol tai kJ / kg) eikä astian seinän tai työvälineen lämmönjohtavuudesta . Tehokkuussyistä lämpöputkea käytetään yleensä juuri kuuman pään yläpuolella ja juuri käyttövälineen kiehumispisteen alapuolella kylmässä päässä .

Toiminto ja ero

Termosifonin toimintaperiaate.

Poikkileikkaus lämpöputken läpi. Kapillaarivaikutus syntyy asetetusta kupariverkosta.

Rakenne ja toimintaperiaate

Lämpöputket ovat yleensä pitkänomaisia metallia aluksia , jotka sisältävät hermeettisesti suljettu tilavuus. Se on täytetty työväliaineella (esim. Vedellä tai ammoniakilla), joka täyttää tilavuuden pienessä määrin nestemäisessä tilassa ja suurelta osin kaasumaisessa tilassa.

Säiliön osaa, joka palvelee energiaa, kutsutaan höyrystimeksi, niitä, jotka palvelevat energiaa, kutsutaan lauhduttimeksi . Höyrystin voi olla toisessa päässä tai keskellä.

• Lämmönsyöttö nostaa astian ja työvälineen lämpötilaa, kunnes työväliaineen kiehumispiste saavutetaan; sieltä työväliaine alkaa haihtua ; lämpötila ei enää nouse; Sen sijaan kaikki syötetty energia muuttuu haihtumisen entalpiaksi.
• Tämän seurauksena lämpöputken paine nousee paikallisesti nesteen tason yläpuolelle, mikä johtaa matalapainegradientiin lämpöputken sisällä. Tuloksena oleva höyry alkaa jakautua koko käytettävissä olevaan tilavuuteen, ts. H. se virtaa minne tahansa paine on pienempi; Se tiivistyy pisteisiin, joissa sen lämpötila laskee käyttövälineen kiehumispisteen alapuolelle . Tätä varten höyryn on luovutettava energiaa astialle ja astia ympäristölle. Tämä tapahtuu voimakkaimmin paikassa, jossa lauhdutin sijaitsee, jossa aktiivinen jäähdytys voi tapahtua.
• Lämpötila ei enää laske, ennen kuin koko kondensaation entalpia on päästetty ympäristöön.
• Työväliaineen nesteosa palaa haihduttimeen painovoiman ( termosifoni ) tai kapillaarivoimien ( lämpöputki ) avulla. Jotta jälkimmäinen toimisi, nestemäisen käyttöaineen osuuden on oltava siellä pienempi.

Esimerkki kapillaarivirrasta tiilissä sivulle, jossa on vähemmän nestettä (tässä painovoimaa vasten). Lämpöputkessa lämmönlähde olisi ylhäällä, jossa on vähän nestettä ja paljon nestettä alhaalla, koska siellä tiivistyy jäähdytyksen vuoksi.

Höyry virtaa jäähdytysalueelle, kondenssikalvo virtaa / virtaa / hiipii takaisin. Käyttövoima on tarttumisvoima , vaikutus kuvataan kapillaarisuudessa . Katso kuva vastapäätä.

Koska työväliaineen höyry ja neste ovat samassa huoneessa, järjestelmä sijaitsee märkähöyryalueella . Tämän seurauksena lämpöputkessa on täsmälleen tietty lämpötila tietyllä paineella. Koska paine -erot lämpöputkissa ovat yleensä hyvin pieniä, yleensä muutama Pascal , lämpötilaero höyrystimen ja lauhduttimen välillä on myös pieni ja enintään muutama Kelvin . Lämpöputkella on siksi erittäin alhainen lämmönkestävyys . Höyrystimen ja lauhduttimen välinen alue on käytännössä isoterminen .

Koska lämmönsiirto tapahtuu epäsuorasti haihtumis- tai kondensaatioentalpian aineeseen sitoutuneen kuljetuksen kautta, lämpöputken käyttöalue on rajoitettu sulamislämpötilan ja käyttönesteen kriittisen pisteen lämpötilan välille . Kaikki työväliaineeseen vaikuttavat voimat vaikuttavat myös todelliseen lämmönsiirtokykyyn. Painovoima voi täydentää tai osittain poistaa lämpöputkien kapillaarivoimat. Keskipakovoima vaikuttaa myös pyöriviin onttoihin akseleihin, jotka on rakennettu lämpöputkiksi .

Ero

Painovoimalla toimivilla lämpöputkilla ( kaksivaiheinen termosifoni tai gravitaatiolämpöputket ) väliaine kiertää painovoiman vaikutuksesta . Tämän seurauksena lämmönsiirtoaine virtaa automaattisesti takaisin höyrystimeen. Lämpö syötetään usein vain öljypohjan kautta , eli nesteen korkeuteen asti. Tämä riippuu kalvon muodostumisesta takaisinvirtaavan (nestemäisen) väliaineen avulla. Jos termosymfonit on kohdistettu tasaiselle kaltevuudelle, ne voivat kuivua, jos tiivistynyt väliaine ei virtaa takaisin riittävän nopeasti.

Lämpö putket käyttää sydänlanka periaate ohjaamaan tiivistynyt neste takaisin höyrystimen. Prosessi on siten riippumaton asemasta; Lämpöputket toimivat myös painottomuuden alla . Verrattuna termosifoneihin ne tuskin kuivuvat, koska nesteen virtaus kapillaarin läpi paranee merkittävästi, mikä johtaa suurempaan siirrettävään lämmönvirtaukseen. Kapillaarirakenne varmistaa myös, että toisin kuin termosifoni, lämpöä voidaan syöttää minne tahansa ja millä tahansa korkeudella. Lämpöputkia käytetään kaikkialla, missä vaaditaan suuria lämpötilavuuksia missä tahansa suunnassa.

Toimiva media

Joidenkin aineiden haihtumislämpötilat (paineesta riippuvaiset) lämpöputkissa

Työvälineen kyky toimia lämpöputkessa riippuu sekä termodynaamisista ominaisuuksista, kuten höyrystymisen entalpia, että juoksevista ominaisuuksista, kuten kinemaattisesta viskositeetista ja pintajännityksestä . Pintajännityksen ja höyrystymisen entalpian tulee olla mahdollisimman suuria ja viskositeetin mahdollisimman alhainen. Tämä tarkoittaa, että käyttöpisteelle optimaalinen lämmönsiirtoaine voidaan määrittää. ${\ displaystyle \ Delta h_ {v}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {l}}$ ${\ displaystyle \ sigma}$

Merit numero ( Merit numero , Me ), kuten tietyn suorituskyvyn määrä voidaan laskea seuraavasti:

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

Joten sen yksikkö on wattia neliömetriä kohti; Mutta Me ei vastaa todellista lämpövirtaustiheyttä .

Merkinumeron tulisi olla mahdollisimman suuri lämpöputken määritellyllä toiminta -alueella (lämpötila, lämpövirtaustiheys), jotta lämpöputken lämmönsiirto on mahdollisimman suuri. On huomattava, että nämä ominaisuudet riippuvat lämpötilasta. Normaalisti Me määritetään useille mahdollisille lämmönsiirtimille ja se toimii sitten päätöksenteon apuna oikean väliaineen valinnassa.

Hyvin alhaisissa lämpötiloissa käytetään aineita, jotka ovat kaasumaisia ​​huoneen olosuhteissa. Kaasuja, kuten heliumia ja typpeä, voidaan käyttää kattamaan lämpötila -alue lähellä absoluuttista nollaa (0 K) - noin -20 ° C. Käytetään myös tyypillisiä kylmäaineita , kuten ammoniakkia tai seoksia. 0 ° C: sta alkaen vettä voidaan käyttää lämmönsiirtoaineena. Lämpöputken mahdollisesta paineenkestävyydestä (höyrynpaineesta) riippuen vettä riittää lämpötila -alueelle 340 ° C asti. (Katso veden kriittinen piste 374 ° C: ssa.) 400 ° C: n lämpötilasta puhutaan korkean lämpötilan lämpöputkista. Alkalimetallit, kuten natrium ja litium, ovat tässä parhaita lämmönsiirtäjiä ansioiden lukumäärän mukaan. Alueen ylärajaa rajoittaa ensisijaisesti lämpöputkeen käytetyn materiaalin lujuus.

materiaaleja

Käytetään erilaisia ​​materiaaleja ulkoisista olosuhteista riippuen. Lämmönsiirtoaineen käyttäytyminen suhteessa materiaaliin vaikuttaa myös tässä. Esimerkiksi natrium liuottaa komponentteja teräksistä, mikä johtaisi lämpöputken vikaantumiseen pitkäksi aikaa.

Lämmitysputki

Alemmilla lämpötila -alueilla kuparia käytetään enimmäkseen, koska se on helppo muotoilla ja sillä on korkea lämmönjohtavuus . Korkean lämpötilan lämpöputkien tapauksessa käytetään pääasiassa kuumuutta kestäviä teräksiä, kuten 1.4841 tai nikkelipohjaisia ​​seoksia . Sydämen muoto riippuu suurelta osin toimintapisteestä. Matalaa virtausta vastustavaa sydänlankaa käytetään kaikkialla, missä lämpöputkea käytetään kapillaarivoiman rajoilla. Uratut kapillaarirakenteet ovat tyypillisiä tälle. Korkean lämpötilan lämpöputkien tapauksessa käytetään yleensä lähiverkkoverkkoa, koska lämmönsiirtoaine on tiheä. Jopa yksinkertaisempia tyyppejä käytetään kupari-vesilämpöputkissa, kuten kuparijohtimia sähkökaapeleissa, pääasiassa niiden edullisen tuotannon vuoksi.

Termosifoni

Rakennussovelluksissa termosifonit valmistetaan yleensä tavanomaisista rakenteellisista teräksistä.

Historia ja kehitys

Ensimmäinen lämpöputki patentoitiin vuonna 1944. Tässä vaiheessa ei kuitenkaan ollut vielä mitään hyödyllistä sovellusta. Avaruusmatkailu kehitettiin ratkaisevasti vasta 1960 -luvulla, ja tämä ajatus otettiin uudelleen käyttöön. Vielä nykyäänkin lämpöputkia käytetään satelliittien auringonpuoleisen puolen jäähdyttämiseen. Ensimmäinen korkean lämpötilan lämpöputki esiteltiin vuonna 1964. Siitä lähtien fyysisiä kuvauksia, kuten tiettyjen lämmönsiirtimien ominaisuuksia, kapillaarirakenteita ja lämpöputkien analyyttistä kuvausta, on laajennettu merkittävästi. Lämpöputkia tutkitaan edelleen, koska ne edustavat halpaa ja erittäin tehokasta lämmönsiirtoa.

käyttää

Joustavan rakenteen ja ominaisuuksien vaihtelevuuden vuoksi lämpöputkia käytetään nykyään monilla alueilla. Yleisö on huomannut ne viime vuosina yhä enemmän, koska niitä on käytetty tietokoneissa ja kannettavissa . Kannettavien kokonaiskorkeutta voitaisiin pienentää merkittävästi lämpöputkien avulla, koska lämpöputkien varsinaiset hukkalämpökonvektorit voitaisiin kiinnittää suoraan ulkopintoihin. Lisääntynyt lämmönsiirto mahdollisti tehokkaampien grafiikkaprosessorien integroinnin.

Paljon aikaisemmin, 1960 -luvulla, lämpöputkia käytettiin avaruustekniikassa. Erityisesti satelliittien tapauksessa lämpöputkien käyttö minimoi lämpötilagradientin sivun ja auringosta poispäin.

Tietokone teknologia

Lämmitä putki suorittimen ja tuulettimen välillä muistikirjassa

Tavanomainen jäähdytyslevyjen jäähdyttämiseksi mikroprosessoreiden perustuvat pelkästään pakotettu konvektio on jäähdytysrivat . Parhaan mahdollisen lämmönsiirron saavuttamiseksi tuulettimen tai tuulettimen on oltava mahdollisimman lähellä kylkiluita kylkiluiden rajoitetun lämmönjohtavuuden vuoksi. Lämmitetty ilma virtaa emolevyn suuntaan ja nostaa viereisten komponenttien pintalämpötiloja. Lisäksi on yleensä enemmän tilaa kauempana emolevystä, mikä tarkoittaa, että voidaan käyttää halvempaa muotoa, mikä tarkoittaa, että suurempi pinta voidaan saavuttaa lisäämättä jäähdytyselementin massaa. Lisäksi kotelon lämmönpoisto on hyvin suunnaton. Toisaalta lämpöputkia käyttävät jäähdyttimet eivät ole riippuvaisia ​​paikallisesta läheisyydestä, koska ne mahdollistavat lämmön imeytymisen ja tehon erottamisen toiminnastaan ​​johtuen. Voit siis antaa hukkalämmön kohdennetusti kotelon tuulettimien ilmavirtaan. Verrattuna vesijäähdytykseen, jota käytetään usein vaihtoehtona, lämpöputket eivät vaadi kiertopumppua, mikä lisää melua.

Rakentaminen

Alaskan putki, jossa on lämpöputket, jotka on valmistettu perinteisestä rakenteellisesta teräksestä. Se estää pinnan sulamisen. Jäähdytysrivat näkyvät paaluissa.

Lämpöputkia on käytetty 1970-luvulta lähtien ikiroutan vakauttamiseksi Trans-Alaskan putkilinjan alla . Perinteisissä rakenteissa kaksi teräspaalua lasketaan maahan, jotka ottavat putkilinjan kuorman . Ikuisen huurun alueella tämä ei kuitenkaan ole helposti mahdollista, koska 40–80 ° C lämmin öljy sulaa maaperän paikallisesti paalujen kautta tapahtuvan lämmönjohtamisen kautta. Paalut vajoavat sisään ja putki epämuodostuu. Jos ilman lämpötila on riittävän alhainen, mikä tapahtuu useimmiten ikiroudan alueella, tämä ongelma voidaan kiertää käyttämällä lämpöputkia. Lämpöä ei johdeta maahan, vaan se vapautuu ympäröivään ilmaan lämpöputkiin kiinnitettyjen jäähdytysrivien kautta . Lisäksi lämpö poistetaan ikiroudasta maaperästä termosifoneilla, mikä tarkoittaa, että se pysyy jäädytettynä ja pysyy vakaana. Tätä tekniikkaa käytetään myös Lhasan rautatiellä vakauttamaan pengerrystä ikiroudan maaperässä.

Työvälineen itsenäinen kierrätys lämpöputkissa ja siten lisäenergian poistaminen johtaa lisääntyneeseen käyttöön geotermisen energian käytön alalla. Perinteisissä geotermisissä koettimissa maajohtosilmukan z upotuksen kautta. B. vesi pumpataan ja saatu geoterminen energia siirretään lämpöpumppuun . Hiilidioksidianturit jättävät pois sekä kaksoisjohdon että kiertovesipumpun energian.

Niitä käytetään nykyään menestyksekkäästi myös alueilla, joilla lämpöputkiteknologiaa ei epäillä suoraan, kuten tyhjennetyissä putkikeräimissä . Niitä löytyy myös lämmön talteenottojärjestelmistä tai yksinkertaisista lämmönvaihtimista.

Korkean lämpötilan lämpöputkia käytetään allotermisessä biomassan kaasuttamisessa . Täällä ne siirtävät lämpöä alueella 850 ° C lähes häviämättä. Kehittyneen konseptin ansiosta lämpöputkien avulla on mahdollista muuntaa kiinteä biomassa, kuten hake, suoraan korkean energian tuotekaasuksi.

Moottoriajoneuvot

Jatkuvasta kehityksestä huolimatta nykyaikaisen bensiinimoottorin mekaaninen hyötysuhde 37% ylittyy harvoin. Muut energiat häviävät lämpöhäviöinä jäähdytysveden ja pakokaasulämmön kautta. Lämpöä rasittavien poistoventtiilien jäähdyttämiseksi osa niistä onttoja ja osa täytetty natriumilla. Natrium sulaa käytön aikana, ja venttiilin liike hajottaa lämpöä erityisen kriittisestä venttiililevystä venttiilin karaan. Vain tällä tavalla tehokkaista, ilmajäähdytteisistä suurista lentokoneiden moottoreista voidaan tehdä käyttöturvallisia.

Ohjattavat lämpöputket

Koska lämpöputkien pienen painon ja pienen tilavuuden lisäksi lämmönjohtavuus on jopa 1000 kertaa korkeampi kuin esim. B. kuparitanko , lämpö voidaan siirtää kohdennetulla tavalla ajoneuvoissa yksinkertaisella tavalla. Ainoa haittapuoli olisi hallittavuusongelma eli kyky muuttaa lämmönjohtavuutta halutulla tavalla, kytkeä se päälle tai pois päältä. Kaksi periaatetta soveltuu lämpöputkien ohjattavuuteen:

Säädettävä lämmönsiirto kahden kytketyn lämpöputken kautta, joissa on säädettävät metallirungot

Lämpöputkien ulkoinen lämmönsäätö

Kaksi lämpöputkea, yksi lämmönlähteessä ja toinen jäähdytyselementissä , kulkevat rinnakkain toistensa päässä pienellä etäisyydellä koskematta toisiinsa. Tällä alueella niitä ympäröi runko (liitin), joka on valmistettu lämpöä hyvin johtavasta materiaalista (esim. Kuparista tai alumiinista ) ja jossa on kaksi reikää, jotka ohjaavat lämpöputkia mahdollisimman tarkasti. Koko järjestelmän lämmönjohtavuutta voidaan helposti säätää työntämällä tai vetämällä liitin ulos, koska lämpöputkien ja liittimen välinen kosketusalue riippuu lineaarisesti sisäänsyötön syvyydestä. Pienen moottorin ulkoisella ohjauksella varustettu kytkin voidaan siirtää helposti saavutettavaan paikkaan edellyttäen, että pidempien lämpöputkien (erittäin alhainen) ylimääräinen lämmönkestävyys sallii tämän kiertotien.

Lämpöputkien sisäinen lämmönsäätö

Lämpöputkien sisäinen ohjaus venttiilin kautta. Aktivoitu vasemmalla, ei aktivoitu oikealla.

Lämpöputken sisäistä lämmönsiirtoa voidaan myös ohjata käyttämällä lämpöelementin venttiiliä tai kaasua säätöelementtinä. Kaasuläppä, joka on asennettu pyörivästi ja jota ulkopuolelta ohjataan pienellä moottorilla, voi vaihdella sekä lämmönsiirtoaineen virtausta lämmönlähteestä jäähdytyselementtiin. Vaihtoehtoisesti lämpöputken sisällä oleva pieni magneettiventtiili , joka on toteutettu magneettikuulalla ja paluujousella, mahdollistaa lämmön virtauksen lämpöputken läpi suurelta osin pysäyttää tai vapauttaa sen uudelleen.

Venttiiliin verrattuna kaasulla on suuri etu, että lämmönjohtavuutta voidaan säätää jatkuvasti asetuskulmasta riippuen. Venttiili puolestaan ​​sallii vain lämpöputken kytkemisen päälle tai pois, koska se voidaan avata tai sulkea vain sähkömagneetin kautta tapahtuvan ohjauksen vuoksi. Vahingoksi kuristusventtiilin, toisaalta, on sen ohjausakselin, joka on ohjattu ulkopuolelle ja joka tekee vaikeaksi saavuttaa hermeettinen tiiviste . Erityisesti moottoriajoneuvoissa tämä voi johtaa ei -toivotusti lyhyisiin huoltoväleihin.

Ohjattavien lämpöputkien käyttö ajoneuvoissa

Autossa ylilämpö voidaan kuljettaa lähes mihin tahansa kohtaan lämpöputketekniikan avulla. Pääasiallinen lämmönlähde on pakokaasun linja polttomoottorin. Täällä on valtava lämmöntuotto heti moottorin käynnistymisen jälkeen. (Pakokaasun lämpötila on useita satoja celsiusasteita.) Lämpöä voidaan hyödyntää myös lämmitetyiltä pinnoilta sisä- tai ulkopuolelta , tehoelektroniikasta tai jäähdytys- tai ilmastointipiiristä. Sitä voidaan käyttää sisäilmastointiin, istuinten lämmitykseen, jäähdytysveden ja moottoriöljyn lämmitykseen tai akkujen saavuttamiseen nopeammin. Kuljetetun lämmön hallittavuus on erittäin tärkeää kaikkialla täällä, mikä on jo selvää mukavuusalueella.

Avaruusmatkailu

Poikkileikkaus kahden lämpöputken läpi kuitukomposiittimateriaalin välissä. Vasen: upotettu urien kaltaisiin syvennyksiin. Oikea: suora integraatio

Lämpöputket altistuvat usein voimakkaille lämpötilan vaihteluille, mikä johtaa välittömästi materiaalin tilavuuden vaihteluihin. Jos lämpöputki on nyt materiaalilla, jolla on merkittävästi erilainen lämpölaajenemiskerroin (lyhenne CTE), esiintyy mekaanisia rasituksia, jotka voivat vahingoittaa lämpöputkea tai sen ulkoisia lämmönsiirtopintoja. Tämä tosiasia on erityisen ongelmallinen avaruusteknologian valtavien lämpötilavaihtelujen vuoksi . Lämpötilaero satelliitin aurinkoa kohti ja auringosta poispäin olevan puolen välillä voi olla paikoin 130 Kelvin . Tässä hiilikuituvahvisteinen muovi (CFRP) on vakiinnuttanut asemansa perusmateriaalina monien vuosien ajan .

Lämpöputket eivät kuitenkaan ole pääasiassa CFRP: tä, vaan z. B. valmistettu alumiinista . Tämän elementin etuja ovat muun muassa sen pieni paino, hyvä soveltuvuus kapillaarirakenteiden valmistukseen, optimaalinen lämmönjohtavuus ja kemiallinen kestävyys yleisimmin käytettyjä lämpöä johtavia aineita vastaan. Näiden kahden materiaalin lämpölaajenemiskertoimet eroavat kuitenkin hyvin voimakkaasti: CFRP: n kerroin, jossa ^1-10-6  K ^-1 - ^3,10-6  K ^{-1, on} vain noin 1/24 - 1/8 alumiinia (24 · 10 ^{- 6}  K ⁻¹ ).

Alumiinista ja kuitukomposiittimateriaalista valmistetut komposiittimateriaalit tarjoavat mahdollisen ratkaisun . Alumiininen lämpöputki yhdistetään eri tavoin kuitukomposiittimateriaaliin, jonka CTE on erittäin alhainen tai jopa negatiivinen. Käytännössä se on joko upotettu onteloihin tai urien kaltaisiin syvennyksiin, kääritty alumiinilohkon ympärille eräänlaisena häkkinä, tai tämä tunkeutuu alumiiniin, ts. Suoraan integroituna.

Tällä tekniikalla saavutetaan koko järjestelmän lämpölaajenemiskertoimet noin 5 · ^10–6  K ⁻¹ (komposiittimateriaalin CTE on alumiinin vastainen), mikä tekee lämpöputkitekniikasta sopivan myös avaruusmatkoille.

Fyysinen suunnittelu

Yhtälöt lämpöputken siirrettävän tehon laskemiseksi sisältävät yleensä kertoimet, jotka on valittava kokeellisesti saatujen tietojen perusteella. Lämpöputken erityisominaisuudet, kuten kapillaarirakenteen tyyppi, lämmönsiirtoaineen tyyppi, käytettävissä oleva höyrytila, käyttölämpötila jne. Ovat ratkaisevia. Riittävän hyvin valittujen yhtälöiden ja kertoimien avulla mallin ja kokeen välinen virhe voidaan pitää kapeassa tilassa. Lämpöputken suunnittelun ensimmäiset vaiheet ovat siksi suunnittelun valinta ja vastaavan numeerisen lämpöputkimallin luominen siirrettävän tehon simuloimiseksi.

Luotu malli kalibroidaan kokeellisella tarkistuksella tai määritetään todelliset rajat. Jos testattu lämpöputki ei saavuta vaadittua suorituskykyä, suoritetaan muutoksia (esim. Kapillaarirakenteen muuttaminen) suorituskyvyn parantamiseksi. Puhtaasti kokeellisen menettelyn tapauksessa tarvitaan useita kokeita, joita ei voida määrittää etukäteen.

Pienille ja keskisuurille lämpöputkille (<1 kW) olennaiset yhtälöt ovat lineaarisia tai ne voidaan linearisoida kehityspisteen ympärille . Siksi numeerisia optimointimenetelmiä (esim.) Käytetään suunnittelun rajoittamiseen. Tällaiset menettelyt vähentävät kalibrointitestien kokeiden määrää.

Suunnittelussa kiinnitetään erityistä huomiota käyttörajoihin. Nämä fyysiset reunaehdot saadaan lämmönsiirtoaineen parametreista. Käytettävän lämmönsiirtoaineen tarkka tuntemus on siksi välttämätöntä. Käyttö on mahdollista, jos käyttöpiste (lämpötila, lämpövirta) on näiden rajojen sisällä.

Seuraavat rajat otetaan yleensä huomioon:

Viskositeettiraja

Se rajoittaa lämmönvirtaustiheyttä käyttölämpötiloissa juuri sulamispisteen yläpuolella. Höyryn viskositeetit heikentävät voimakkaasti virtausta.

Äänen nopeusrajoitus

Lämpövirtaustiheyttä voidaan lisätä vain, kunnes paine -eron aiheuttama höyryvirta saavuttaa äänen nopeuden .

Vuorovaikutusraja

Suurilla lämpövirran tiheyksillä höyry imee nestettä, ja kapillaarin osittainen kuivuminen johtaa nesteen virtauksen katkeamiseen.

Kapillaarivoiman raja

Kapillaarivoima raja on saavutettu, kun virtaus tappiot nestemäisen lämmönsiirtoväliaineen ovat suurempi kuin olemassa olevan kapillaaripaine.

Kiehumisraja

Nesteen virtaus on rajoitettua tai se pysähtyy kapillaarissa kiehuvan nukleaatin seurauksena .

Lämpöputkien optimointi

Lämpötilan kestävyyden pienentäminen

Materiaalirakenteiden optimoinnin lisäksi jne. tehokkuuden lämpöputki voidaan myös lisätä merkittävästi muuttamalla nesteiden jotka toimivat lämpöä siirtävän median. Tamkangin yliopiston tutkijat Danshuissa (Taiwan) kehittivät vesiliuoksen, joka sisältää tietyn määrän pieniä nanohiukkasia, ja vertailivat sen ominaisuuksia lämpötilansiirtokäyttäytymisen suhteen tavanomaisten lämpöputkinesteiden ominaisuuksiin.

Kävi selväksi, että tämän liuoksen käyttäminen lämmönsiirtoaineena lämpöputkessa johtaa lämpötilan kestävyyden paranemiseen eli minimointiin 10-80%. Tämän nesteen tehokkuus ei riipu pelkästään lämpöputken tyypistä ja sisäisestä rakenteesta vaan myös liuoksen konsentraatiosta ja nanohiukkasten koosta. Erilaiset testit ovat osoittaneet, että mitä pienempi on nanohiukkasten halkaisija ja mitä pienempi on niiden pitoisuus vesiliuoksessa, sitä suurempi on lämpöputken lämmönkestävyys.

35 nm hopeahiukkaset toimivat nanohiukkasina . Hiukkasten määrä liuoksessa vaihtelee 1 mg: n ja 100 mg: n välillä litrassa.

Kostumaton huokoinen rakenne

Lämpöputken kondensaattikanavan (sydän) ja höyrykanavan esitys

Lämpöputkitekniikassa saavutettiin merkittävä edistysaskel 1990-luvulla, kun kondensaatin ja höyryn virtaus irrotettiin turvallisesti niin sanottua ei-kostutettavaa huokoista rakennetta käyttäen , mikä johti sisäisen siirtokapasiteetin merkittävään kasvuun. Siihen asti ongelma oli se, että palaava lauhde hidasti vastakkaista höyryvirtausta törmäysten kautta ja vaikutti siten negatiivisesti lämpötilan siirtoon.

Tällä kostuttamattomalla huokoisella rakenteella, jota käytetään lämpöputken höyrykanavana , on pienempi pintajännitys kuin itse lämmönsiirtoaineessa ( kondensaattina ). Huokoinen rakenne voidaan lävistää lämmön-kuljettamiseksi väliaineen kaasumaisessa tilassa, ja kaikki lauhde pysyy ulkopuolella.

Lämpötila liikenne on samankaltainen kuin edellä on mainittu, läpi lämpö piirin höyryn ja lauhteen kanavan sijaan. Kostumaton huokoinen rakenne höyrykanavan ja lauhdekanavan välillä muodostaa rajan haihdutusalueen ja lämpöputken lauhdutusalueen välillä.

Lauhde haihtuu ulkoisen lämmönsyötön kautta ja siirtyy nyt edellä mainitun läpi kaasuna. Rakenne lämpöputken sisällä, höyrykanava, jonka kautta se saavuttaa lauhdutusalueen. Siellä jäähdytyselementissä väliseinä muodostaa jälleen kostuttamattoman huokoisen rakenteen muodossa siirtymäkohdan lauhdutusalueelle. Paine- tai pitoisuusgradientin vuoksi kaasu leviää ulos ja joutuu kosketuksiin lämpöputken ulkoseinien kanssa. Tässä vaiheessa lämpöenergia vapautuu ja höyry tiivistyy. Suuren pintajännityksen vuoksi kondensaatti voi virrata takaisin vain lauhdekanavan läpi (kapillaarivaikutus), jonka lopussa lämpötilan lähde lämmönlähteen paikassa alkaa uudelleen ulkoisen lämmöntuonnin kautta.

Nanorakenteiden käyttö

Kapillaarinen toiminta huokosten koon mukaan

Amerikkalaisen tutkimusryhmän kehitys vuodesta 2008 on lisäys:

Käyttämällä nanoteknologiaa lämpöputkien kapillaarirakenteen valmistuksessa kapillaarivaikutus vastaavaan työväliaineeseen kasvaa jälleen merkittävästi. Viereisestä kaaviosta näet selvästi, että kun kapillaarirakenteen huokoshalkaisija pienenee, saavutettavan työnesteen korkeus kasvaa jyrkästi. Väliaine veden toimittaa suurin menestys täällä .

Tästä johtuen suuremman kiihdytysvaikutuksen työväliaineeseen lisäksi tällä tekniikalla on taakka, että nesteen siirto lämpöputken sisällä hyvin pienten rakenteiden läpi, kuten käytännössä halutaan ymmärtää, saavuttaakseen parhaan mahdollisen menestyksen hidastunut tai jopa kokonaan estetty, koska huokosista on tullut liian pieniä tunkeutumaan. Toinen häiritsevä tekijä ovat materiaalin epätoivotut epäyhtenäisyydet (tuotantoon liittyvät) sekä erittäin korkeat tuotantokustannukset.

Lämpöputkien ylikuumenemissuoja

Poikkileikkaus kalvolämpöputken läpi, jossa on ylikuumenemissuoja

Poikkileikkaus kalvolämpöputken läpi normaalikäytössä

Poikkileikkaus kalvolämpöputken läpi ylikuumenemisen sattuessa. Tuloksena oleva ontelo muodostaa lämmönkestävyyden.

Tietty vahvuus lämpöputken ulkovaipasta on yleensä hyödyllistä, ei ainoastaan ​​sen suojaamiseksi mekaanisilta vaurioilta, vaan myös kestämään paine -eroja ilmanpaineen ja lämmönsiirtoaineen aiheuttaman sisäisen paineen välillä .

Ongelmia voi syntyä myös, jos lämpöputki altistuu liiallisille lämpötiloille, ts. Jos syötetty lämpöenergia on suurempi kuin se, joka voidaan purkaa uudelleen ulos lauhdutusalueelle (jäähdytyselementti). Tämä aiheuttaa kohtuuttoman suuren sisäisen paineen, joka voi vahingoittaa ulkovaippaa ja jopa tuhota lämpöputken. Yksi mahdollinen korjaustoimenpide on vuonna 2005 patentoitu tekniikka, jonka on tarkoitus estää ylikuumeneminen joustavan ulkomateriaalin avulla.

Se on rakennettu sisäpuolelta tunnetusta rakenteesta, joka koostuu kahdesta alueesta, joilla on erilaiset huokoshalkaisijat (höyry- ja kondensaattikanava). Keskialueella kaasumaista väliainetta on johdettava huokoisen materiaalirakenteen läpi, jonka huokoshalkaisija on suuri, ja ulkoalueella kondensaatti (kapillaarivaikutuksen kautta) johdetaan huokoisen rakenteen läpi, jonka huokoshalkaisija on pieni. Todellinen ero tavalliseen lämpöputkeen on itse ulkovaipassa. Tämä ei muodostu tavalliseen tapaan jäykästä materiaalista, vaan kahdesta elastisesta ja myös erittäin ohuesta kalvosta, jotka on liitetty päistään ja sijaitsevat ulkokapillaarirakenteen päällä . Sisäinen ja ulkoinen paine kompensoivat toisiaan normaalikäytössä siten, että kalvot ovat yhdensuuntaisesti toistensa kanssa määrätyllä etäisyydellä ja ulompi huokoinen rakenne on suorassa kosketuksessa lämmönlähteen ja jäähdytyselementin kanssa kalvojen kautta .

Jos odottamattoman korkea paine muodostuu, johtuen siitä, että lämpöenergiaa syötetään enemmän kuin poistetaan, voimat vaikuttavat lämpöputken ulkokuoreen, joka työntää sen joustavien ominaisuuksiensa vuoksi ulospäin. Tuloksena oleva kammio täytetään kaasumaisella lämmönsiirtoaineella. Lämpöputken mekaaniset vauriot vältetään tällä tavalla. Lisäksi tämä ilmiö luo lämmönkestävyyden kondensaattia kantavan kapillaarirakenteen ja ulkopinnan välille, koska lauhde ja lämmönlähde eivät ole enää suorassa kosketuksessa toisiinsa, vaan ne erotetaan toisistaan ​​kaasulla. Intensiteetti lämmitysenergian toimivan kondensaatin eli imeytyy lämpöenergia, on siis pienenee, mikä ei koske energiaa annetaan pois, koska tämä on tallennettu kaasu, joka on edelleen kosketuksessa ulkokuoren.

Toinen tämän kalvokannella varustetun tekniikan pluspiste on lämpöputken pienemmät ulkoiset mitat - mikä johtuu siitä, että massiivinen kansi jätetään pois. Käytännössä on varmistettava, että lämpöputki on suojattu paremmin mekaanisilta vaikutuksilta kuin muilla rakenteilla.

Työalueen laajennus

Kuvaus puskurikaasuvyöhykkeestä ja puskurikaasulla täytetyn lämpöputken työalueesta

Työskentely piste lämpöputki on yleensä lämpötilassa, joka lämpöä kuljettavana väliaineena tiivistyy tai haihtuu . Lämpöputken mahdolliset käyttöalueet johtuvat tästä erityisominaisuudesta, minkä vuoksi monenlaisia ​​lämmönsiirtoaineita käytetään käytännössä työvälineinä. Täällä käytetään usein eri kemikaalien seoksia , joiden kautta kiehumispistettä voidaan muuttaa mihin tahansa lämpötilaan.

Usein se on kuitenkin järkevämpää, johtuen siitä, että jotkut aineet joutuvat ei -toivottuihin kemiallisiin reaktioihin käytetyn lämpöputken materiaalin kanssa, tai viimeisenä mutta ei vähäisimpänä, kustannussyistä, mukauttaa haluttu seos siten, että se toimii lämmönsiirtoaine monilla eri lämpötila-alueilla. Tätä varten on suositeltavaa pystyä säätämään kiehumispistettä haluamallaan tavalla, mikä saavutetaan käytännössä puskurikaasun avulla .

Tämä niin sanottu työalueen laajennus perustuu elementtien kiehumispisteiden paineen riippuvuuden fyysiseen ominaisuuteen. Valmistusprosessiin sisältyy nyt vielä yksi vaihe, ennen kuin lämpöputki suljetaan ilmatiiviisti :

Lämmönsiirtoaineella täytön ja ylimääräisten kaasujen evakuoinnin jälkeen asetetaan tietty sisäinen paine täyttämällä lämpöputki lisäksi kaasulla, niin kutsutulla puskurikaasulla. Tämä muodostaa puskurivyöhykkeen lämpöputkeen, johon työväliaine ei pääse. Tärkeä kriteeri tämän puskurikaasun valinnassa on oltava se, ettei se missään olosuhteissa saa joutua kemiallisiin reaktioihin lämpöputken tai lämmönsiirtoaineen kanssa myöhemmällä työalueella. Esimerkiksi kun käytetään väliaineena olevaa elohopeaa, voidaan käyttää inerttiä puskurikaasua, kuten argonia tai heliumia .

Tällä menetelmällä voidaan asettaa haluttu sisäinen paine, joka vaihtelee työvälineen kiehumispistettä ja siten lämpöputken toiminta -aluetta halutulla tavalla.

Sen lisäksi, että tällä menetelmällä voidaan asettaa erilaisia ​​toimintapisteitä, on myös edullista, että kaikki lämpöputkessa mahdollisesti esiintyvät epäpuhtaudet huuhdellaan puskurivyöhykkeelle eivätkä vaikuta jatkokäyttöön, koska tämä on lauhde- ja höyryputken ulkopuolella . Haittapuolena on kuitenkin puskurivyöhykkeen vaatima lisätila. Tämän seurauksena lämpöputkea ei voida käyttää lämmönsiirtoon koko pituudeltaan.

Valmistus

Kun lämpöputken reunaehdot on määritetty, ne on myös otettava huomioon valmistuksen aikana. Olennainen piirre on väliaineen kiehumislämpötila tai höyrynpaine, koska lämpöputki alkaa toimia vasta, kun tämä lämpötila saavutetaan. Kiehumislämpötila voidaan asettaa termodynaamisesti höyrynpaineen avulla . Useimmissa tapauksissa pyritään alimpaan mahdolliseen kiehumislämpötilaan. Esimerkiksi veden tapauksessa tämä olisi kolminkertaisen pisteen lämpötila . Jos katsomaan niihin liittyvien höyrytaulukkoa , käy selväksi, että kun on kyse vedestä on erittäin alhainen paine on tarpeen, jotta voidaan vähentää kiehumislämpötilassa huoneen lämpötilassa, esimerkiksi .

Yksi yleisimmistä menetelmistä on lämpöputken mekaaninen tyhjennys. Vastaava pumppu on kytketty, ja kun tietty paine (tyhjiö) saavutetaan, lämpöputki suljetaan yleensä puhtaasti mekaanisesti.

Tämä prosessi on monimutkainen ja kallis. Siksi toista vaihtoehtoa käytetään täyttämällä lämpöputki itse lämmönsiirtoaineella tyhjiöpumpun tyhjentämisen sijasta . Tätä tarkoitusta varten lämpöputkeen kiinnitetään täyttö- ja jäähdytysputki. Haluttu lämmönsiirtoaine johdetaan lämpöputkeen täyttöputken kautta. Tämän prosessin jälkeen lämpöputki lämmitetään toisesta päästä niin, että tavallinen lämpöjakso käynnistyy. Nyt täytetty väliaine, joka on aluksi kondensaattina , alkaa haihtua. Tämän seurauksena syntyvä paine saa lämpöputken väliaineen laajentumaan ja jäähdytysputken vuoksi kaikki ei -toivotut kaasut, eli ne, jotka eivät ole kondensoituvia, poistuvat täyttöputken läpi.

Jäähdytysputken tarkoitus selviää tässä vaiheessa: Lämmönsiirtoaine, joka sillä välin pyrkii kaasuna täyttöputken suuntaan, tiivistyy jäähdytyksen läpi ja siirtyy takaisin lämmönlähteeksi lauhduttimena lämpöputken ulkohuokosrakenteen kapillaarivaikutus . Jäljelle jäävät kaasut, eli kaikki ne, jotka eivät kondensoidu, eivät pääse kapillaarirakenteeseen, vaan ne huuhtoutuvat ulospäin sisäisen paineen vaikutuksesta.

Täyttöputken on hermeettisesti suljettu , kun kaikki ei-kondensoituvat kaasut on karkotettu ja kiinteän raja ilman ja lämmönsiirtoaineen sijaitsee suoraan täyttöputken.

Ennen kaikkea sitä käytettäessä on huomattava, että lämpöputket ovat suljettuja tilavuuksia. Tämän tilan muutoksen myötä ( isokorinen ) lämmöntuotto menee suoraan paineeseen. Jos sallittu lämpötila ylitetään, se voi johtaa höyryräjähdykseen . Tämä on erityisen tärkeää jatkokäsittelyn aikana, koska lämpöputket juotetaan usein varsinaiseen jäähdytyselementtiin niiden paremman lämmönjohtavuuden vuoksi. Monet lämpöputket ovat täynnä haitallisia aineita, joten lämpöputket on hävitettävä asianmukaisesti eikä niitä saa avata. Avaaminen johtaa yleensä myös toiminnallisuuden menetykseen.

Katso myös

• Vastavirtakerroksen lämmönvaihdin

nettilinkit

• Lämpöputken perusteet (PDF -tiedosto; 3 Mt)
• Merkin numero ja sen käyttö, englanti

lähteet

• Pyörivän anodin jäähdytysjärjestely (keskipakovoima)
• Alloterminen leijupetikaasutus - vaihtoehdot leijupetien lämmöntuonnin toteuttamiseksi (painovoima, lämpöputki; PDF -tiedosto; 1001 kB)
• Adrian Bejan, Allan D.Kraus: Lämmönsiirron käsikirja . Wiley & Sons, Hoboken NJ 2003, ISBN 0-471-39015-1 .
• Stephan Kabelac (punainen): VDI Heat Atlas . Julkaisija Saksan insinööriliitto, VDI Society for Process Engineering and Chemical Engineering (GVC). 10., tarkistettu ja laajennettu painos. Springer-Verlag, Berlin et ai.2006 , ISBN 3-540-25503-6 .

Yksilöllisiä todisteita

1. ↑ M. Groll: Lämpöputket energiatekniikan osina. Julkaisussa: W. Fratzscher, K. Stephan (Toim.): Hukkaenergian käyttö: tekniset, taloudelliset ja sosiaaliset näkökohdat. Akad.-Verlag, Berliini 1995, ISBN 3-05-501706-4 , s. 84. (edoc.bbaw.de ; PDF; 3,1 MB).
2. ↑ ^{a b} W. M. Rohsenow: Käsikirja lämmönsiirrosta. Mcgraw-Hill Publ. Comp., 1998, ISBN 0-07-053555-8 .
3. ↑ ^{a b} A. Faghri: Heat Pipe Science and Technology. Taylor ja Francis, 1995, ISBN 1-56032-383-3 .
4. ↑ ^{a b c d e} P. Dunn: Lämmitysputket. Pergamon Press, 1994.
5. ↑ RS Gaugler: Lämmönsiirtolaite. US -patentti 2 350 348
6. ^ L. Trefethen: Nesteiden pintajännityspumppauksesta tai Candlewickin mahdollisesta roolista avaruustutkimuksessa. GE Tech. Tiedot, Ser. Ei. 615 D114, helmikuu 1962.
7. ^ GM Grover, TP Cotter, GF Erikson: Erittäin korkean lämmönjohtavuuden rakenteet. Julkaisussa: J. Appl. Phys. 35, 1964, s. 1990.
8. ↑ Christopher E. Heuer: Lämpöputkien käyttö Trans-Alaskan putkilinjalla. 6/1979.
9. ^ Trans-Alaskan putkilinjan passiivinen jäähdytysjärjestelmä .
10. ↑ M. Schneider: Lämpöputkilevyjen mallinnus ja optimointi elektronisten piirien jäähdytykseen. IKE, 2007.
11. ↑ ^{a b c d e f} Saksalaisten insinöörien liitto VDI-Wärmeatlas Springer-Verlag, 2006.
12. ↑ Hopeanano-nesteen kokeellinen tutkimus lämpöputken lämpötehokkuudesta .
13. ↑ Mikro- / nano -lämpöputkien sydänrakenteiden kokeellinen tutkimus ( Muisto 30. toukokuuta 2012 Internet -arkistossa ) (PDF; 1,2 Mt).
14. ↑ ^{a b c} Patentti: Litteä lämpöputki ylikuumenemissuojalla
15. ↑ Elohopea-lämpöputkiuunin rakentaminen ja testaus neliaallon sekoittamiseen resonaattorin sisällä  ( sivu ei ole enää saatavilla , etsi verkkoarkistoista )@1@ 2Malli: Toter Link / www.quantum.physik.uni-mainz.de