Heat Pipe
فکر اولیه لوله حرارتی در ابتدا به وسیله R.S.Gaugler در سال ۱۹۴۲ پیشنهاد شد. اما تا سال ۱۹۶۲ طول کشید تا G.M.Grover مهندسی که در لس آلاموس روی خنک کاری سیستم های تولید انرژی اتمی در فضا کار می کرد، آن را اختراع کند.
لوله حرارتی وسیله ایست که می تواند مقادیر بزرگی از گرما را با اختلاف دمای اندکی به سرعت میان منبع گرم و منبع سرد انتقال دهد. شاید به همین جهت از لوله حرارتی به عنوان ابررسانا یاد می شود. بازدهی بالای آنا در انتقال حرارت برجسته است، به طوری که یک لوله حرارتی با جداره مسی از لوله توپر مسی از همان ابعاد بسیار پر بازده تر است. لوله های حرارتی در اشکال و ابعاد گوناگون ساخته می شوند و از دیگر ابزارهای انتقال حرارت سبک تر هستندو محدودیت های کمتری دارند.
مکانيزمهاي معمول و مرسوم انتقال حرارت در مهندسي به منظور ايجاد سرمايش و گرمايش ، نياز به توان خارجي ، صرف هزينه جاری علاوه بر هزينه ساخت اوليه و در اغلب موارد داراي قطعات متحرک هستند .
با اين وجود ، يک لوله حرارتي ( heat pipe ) وسيله ای نسبتا ساده است که بدون هيچ قسمت متحرکي ، قابليت انتقال مقادير زيادي حرارت را در فواصل مختلف دارد . جذاب ترين مشخصه لوله حرارتي اين است که در اين سيستم ، نياز به انرژي خارجي نيست و لوله حرارتي فقط با اعمال گرما فعال مي شود و در عين حال داراي ضريب رسانايي گرمايي موثر و بسيار بالايي است . دراين بخش از سري مقالات لوله حرارتي به معرفي ، بيان مزايا و ساختار کلي اين پديده جذاب تاسيساتي پرداخته شده است .
ساختار کلي و عملکرد يک لوله حرارتي
لوله حرارتي يک وسيله انتقال حرارت با ضريب رسانايي گرمايي موثر بسيار بالا است که در خلا کار مي کند و براي انتقال حرارت از يک چشمه حرارتي به يک چاه حرارتي مورد استفاده قرار مي گيرد . ساختار يک لوله حرارتي از نظر عملي به سه منطقه تقسيم مي شود :
الف ) منطقه تبخير( قسمت داغ لوله) يا ناحيه اواپراتور که در يک انتهاي لوله قرار دارد و در اين منطقه گرما به محفظه وارد مي شود .
ب ) منطقه چگالش يا ناحيه کندانسور که در انتهاي ديگر لوله است و گرما در اين ناحيه دفع مي گردد. در نتیجه با روی دادن میعان ، بخار به فاز مایع برمی گردد و به خاطر جاذبه و سنگینی و یا به کمک فتیله( با استفاده از اثر موئینگی ) به بخش تبخیر بر می گردد و این به یک چرخه مکرر بدل می شود.
ج ) ناحيه آدياباتيک که بين دوناحيه اواپراتور و کندانسور را شامل مي شود
نواحي سه گانه فوق در شکل (1 و 2 ) براي يک لوله حرارتي نشان داده شده است .
از آنجايي که فرايند هاي جوشش و تقطير همراه با ضرايب انتقال حرارت بسيار بالايي بوده و عملکرد يک لوله حرارتي بر اساس جوشش و تقطير متوالي سيال عامل است مي توان انتظار داشت که لوله حرارتي وسيله بسيار موثري در انتقال حرارت باشد که اين انتظار در آزمايشات متعدد به واقعيتي کاربردي تبديل شده است .
مزاياي لوله حرارتي
- توانايي فوق العاده در انتقال حرارت
- آهنگ يا نرخ سريع انتقال حرارت
- توزيع دماي يکنواخت در بدنه
- ساختار ساده با هزينه ساخت اندک
- فشردگي ، ضريب اطمينان و بازدهي بالا
- اتلاف گرماي بسيار پايين
- سازگار با محيط زيست
گستره کاري لوله هاي حرارتي
ويزگي هاي منحصر به فرد و بارز لوله هاي حرارتي موجب شده است که اين وسيله در طيف وسيعي از کاربردهاي انتقال حرارت مورد استفاده قرار گيرند . گستره کاري لوله هاي حرارتي از کاربردهاي تبريد در دماهاي حدود - 270 o C با به کار گيري هليوم به عنوان سيال عامل تا بازه هاي دمايي 2000 - 3000 o C بوسيله فلزات مايع پراکنده است . لوله هاي حرارتي با کاربردهاي سرمايش ، صرفه جويي و بازيابي انرژي در زمينه هوا فضا ، سرمايش تجهيزات الکترونيکي ، تهويه مطبوع به منظور کنترل رطوبت در هواسازها ، خنک کاري قطعات فلزي در هنگام ماشين کاري ، سرمايش کامپيوتر هاي شخصي ( Laptop , PC ) به عنوان يک سيستم با بازدهي بالاي انرژي مورد استفاده قرار گرفته است . در شکل ۵ يک لوله حرارتي براي سرمايش يک برد الکترونيکي مورد استفاده قرار گرفته است .
شکل شماره ۶
ملاحظات ساخت و نگهداری یک لوله حرارتی
بدنه یک لوله حرارتی باید حتماً از یک رسانای حرارتی بسیار خوب ساخته شود تا انتقال حرارت بین محیط اطراف و لوله حرارتی با مشکلی روبرو نشود. برای رسیدن به این منظور استفاده از دو فلز آلومینیوم و مس بسیار مناسب هستند.
پیش از ساختن یک لوله حرارتی به وسیله یک پمپ خلاء، تمام هوای درون آن مکیده می شود و سیال کاری(مبرد) با توجه به نوع کاربرد و دماهای کاری در آن ریخته می شود. برخی از سیال های رایج برای این منظور عبارتند از: آب، اتانول، استون، سدیم، و جیوه.
درون لوله باید خلاء نسبی برقرار باشد، تا همواره قسمتی از سیال کاری در فاز مایع و قسمت دیگری از آن در فاز بخار قرار داشته باشد.
در قسمت داخلی یک لوله حرارتی معمولاً یک ساختار فتیله مانند قرار دارد. این ساختار یا از پودر فلز که تا نزدیک نقطه ذوب حرارت داده می شود، ساخته می شود، یا در واقع واقع مجموعه ای از شیارهای موازی با محور لوله است. ساختار متخلخلی از مس، آلومینیوم، فولاد و نیکل نیز می تواند مطلوب باشد. ممکن است از مواد دیگری مانند سرامیک ها که سوراخای ریزتری دارند نیز در ساخت قسمت فتیله ای استفاده شود. در مورد سرامیک ها باید دقت کرد که آنها برای ثبات نیازمند شبکه های تثبت کننده فلزی هستند. اخیراً توجه بسیاری به فیبرهای کربنی به عنوان یک ماده فتیله ای خوب جلب شده است. رشته های فیبر کربنی شیارهای ریز طولی زیادی دارند و از فشار موئینگی بالیی برخوردار هستند. آنها همچنین از نظر شیمیایی پایدار هستند. به نظر می رسد آن دسته از لئله های حرارتی که با موفقیت ساحته شده و فیبرهای کربنی را به عنوان ساختار فتیله ای مورد استفاده قرار داده اند، توانایی انتقال حرارت بیشتری دارند. در هر حال مهم اینست که این ساختار اثر موئینگی خوبی از خود به نمایش گذارد تا سیال پس از میعان به راحتی به طرف داغ لوله باز گردد. در صورتی که جاذبه یا هر نیروی شتاب دهنده دیگیر در جهت بازگشت سیال پس از میعان به سمت داغ لوله عمل کند و برآیند آن بر نیروی کشش سطحی فائق آید می توان از استفاده از ساختار فتیله ای چشم پوشید.
لوله های حرارتی هیچ جزء متحرکی ندارند. آنها همچینین نیاز به تعمیر و نگداری خاصی ندارند. مشکلی که بروز آن بریای هر لوله حرارتی محتمل است. نفوذ تدریجی گازهای میعان ناپذیر از جداره لوله لوله حرارتی به داخل آن است. نفوذ گازهای میعان ناپذیر وقتی اتفاق می افتد که فشار داخل لوله افت کند. نحوه دیگر ورود گازهای میعان ناپذیر وجود آنها در ناخالصیهای مواد مورد استفاده در جداره لوله است. این پدیده از بازدهی انتقال حرارت لوله حرارتی می کاهد این کاهش بازدهی خصوصاً وقتی بارز می شود که فشار بخار سیال کاری کم باشد.
انتخاب مواد برای ساخت یک لوله حرارتی به شرایط دمای کاری بستگی دارد. بر این اساس در هر دمایی هر سیالی را نمی توان مورد استفاده قرار داد.
ادامه دارد.
منبع:
.....