Отопительная труба: Трубы отопления: какие лучше и из какого материала выбрать | Статьи

Тепловые трубки для управления температурным режимом

Все, что вам нужно знать о тепловых трубках

Тепловые трубки — один из наиболее эффективных способов перемещения тепла или тепловой энергии из одной точки в другую. Эти двухфазные системы обычно используются для охлаждения помещений или материалов даже в открытом космосе. Тепловые трубы были впервые разработаны для использования Лос-Аламосской национальной лабораторией для подачи тепла и отвода отработанного тепла из систем преобразования энергии.

Сегодня тепловые трубки используются в самых разных системах охлаждения: от космоса до медицинских устройств, охлаждения силовой электроники, самолетов и многого другого! Если вы не уверены, являются ли тепловые трубы идеальным тепловым решением для вашего проекта, свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваше применение, и наши инженеры смогут определить наилучший путь вперед.

Ответы на все вопросы по практическому использованию тепловых трубок 

1. Что такое тепловые трубки?
2. Как работает тепловая трубка
3. Когда используются тепловые трубки?
4. Примеры использования тепловых трубок
5. Каковы преимущества тепловой трубки?
6. Существуют ли рекомендации по проектированию тепловых трубок?

Тепловая трубка — это простой инструмент, но принцип ее работы весьма изобретателен:

 

Готовы снизить затраты, повысить срок службы и надежность вашего оборудования?

Часто задаваемые вопросы о тепловых трубках:

Что такое тепловые трубки?

Это герметичный сосуд, который вакуумируется и заполняется рабочей жидкостью, как правило, в небольшом количестве. В трубе используется сочетание испарения и конденсации этой рабочей жидкости для чрезвычайно эффективной передачи тепла.

Наиболее распространенная тепловая трубка имеет цилиндрическое сечение, с фитилем на внутреннем диаметре. Холодная рабочая жидкость движется по фитилю от более холодной стороны (конденсатор) к более горячей стороне (испаритель), где испаряется. Затем этот пар движется к радиатору конденсатора, принося с собой тепловую энергию. Рабочее тело конденсируется, выделяя скрытую теплоту в конденсаторе, а затем повторяет цикл непрерывного отвода тепла от части системы.

Падение температуры в системе минимально благодаря очень высоким коэффициентам теплопередачи при кипении и конденсации. Эффективная теплопроводность может достигать от 10 000 до 100 000 Вт/м·К для длинных тепловых труб по сравнению с примерно 400 Вт/м·К для меди. Выбор материала зависит от применения и привел к таким сочетаниям, как калий с нержавеющей сталью, вода с медью и аммиак с алюминием, сталью и никелем.

Преимущества включают пассивную работу и очень долгий срок службы при минимальном техническом обслуживании или вообще без него.

Как работает тепловая трубка?

Тепловая труба состоит из рабочего тела, фитильной конструкции и герметичной оболочки (оболочки). Подводимая теплота испаряет рабочую жидкость в жидком виде на поверхности фитиля в испарительной секции.

Пар и связанная с ним скрытая теплота перетекают в более холодную секцию конденсатора, где они конденсируются, отдавая скрытую теплоту. Капиллярное действие затем перемещает сконденсированную жидкость обратно в испаритель через структуру фитиля. По сути, это работает так же, как губка впитывает воду.

Процессы фазового перехода и циркуляция двухфазного потока в тепловой трубе будут продолжаться до тех пор, пока существует достаточно большая разница температур между секциями испарителя и конденсатора. Жидкость перестает двигаться, если общая температура однородна, но снова начинает двигаться, как только возникает разница температур. Источник питания (кроме тепла) не требуется.

В некоторых случаях, когда нагретая секция находится ниже охлаждаемой секции, для возврата жидкости в испаритель используется сила тяжести. Однако фитиль необходим, когда испаритель находится над конденсатором на земле. Фитиль также используется для возврата жидкости при отсутствии гравитации, например, в приложениях НАСА для микрогравитации.

Когда используются тепловые трубки?

Когда вы спросите, что такое тепловые трубки, вы лучше поймете, когда узнаете, когда они используются. Вы найдете множество простых и сложных систем, которые используют эти трубы в различных вариантах развертывания, основанных на различных принципах работы, требованиях к тепловым характеристикам, требованиях к проводимости, пространственных ограничениях, общей прочности и стоимости.

Наши инженеры-теплотехники согласны с тем, что тепловые трубы — это разумное вложение, если у вас есть устройство или платформа, для которых требуется одно из следующих действий:

• Перенос тепла из одного места в другое. Например, многие электронные устройства используют это для передачи тепла от микросхемы к удаленному радиатору.
• Преобразование тепла с высоким тепловым потоком в испарителе в меньший тепловой поток в конденсаторе, что упрощает отвод всего тепла с помощью традиционных методов, таких как жидкостное или воздушное охлаждение. Тепловые потоки до 1000 Вт/см ² могут быть преобразованы с помощью специальных испарительных камер.
• Обеспечьте изотермическую поверхность. Примеры включают в себя работу нескольких лазерных диодов при одинаковой температуре и создание очень изотермических поверхностей для калибровки температуры.

Несколько стандартных примеров использования тепловых трубок

Наиболее распространенным применением является система медных тепловых трубок, использующая воду внутри медной оболочки для охлаждения электроники, работающая в диапазоне температур от 20°C до 150°C. .

Одним из преимуществ системы медь/вода является то, что ее легко комбинировать с уже существующими в электронике элементами. Радиаторы с тепловыми трубками присутствуют почти в каждом вычислительном устройстве, и их возможности охлаждения улучшаются в сочетании с тепловыми трубками.

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха часто используют тепловые трубы для рекуперации энергии, поскольку они не требуют энергии.

Они также используются для контроля температуры спутников и космических аппаратов. Системы обеспечивают эффективный метод распределения тепла. Эти системы космических кораблей используют чрезвычайно чистые жидкости и построены в соответствии с самыми строгими стандартами, чтобы обеспечить работу в течение 30+ лет. Каждая проблема в космосе имеет решающее значение, и небольшие сбои могут разрушить многомиллионное оборудование.

• Высокая эффективная теплопроводность. Передача тепла на большие расстояния с минимальным падением температуры.
• Пассивная работа. Не содержит движущихся частей и не требует для работы никакой энергии, кроме тепла.
• Изотермический режим. Очень изотермические поверхности с колебаниями температуры до ± 5 мК.
• Долгий срок службы без обслуживания. Нет движущихся частей, которые могут изнашиваться. Вакуумное уплотнение предотвращает потери жидкости, а защитные покрытия обеспечивают длительную защиту каждого устройства от коррозии.
• Снижение затрат. За счет снижения рабочей температуры эти устройства могут увеличить среднее время наработки на отказ (MTBF) электронных узлов. В свою очередь, это снижает потребность в техническом обслуживании и затраты на замену. В системах HVAC они могут снизить потребление энергии для отопления и кондиционирования воздуха со сроком окупаемости в несколько лет.

Существует несколько универсальных преимуществ работы тепловых трубок практически во всех областях применения.

Существуют ли рекомендации по проектированию тепловых трубок?

Общая тепловая нагрузка, которую может нести тепловая труба, зависит от общей длины, длины испарителя и конденсатора, диаметра и ориентации по отношению к силе тяжести. Есть несколько ограничений, которые регулируют теорию тепловых трубок, однако в наземных приложениях предел капиллярности является наиболее ограничивающим фактором. Это происходит, когда способность капиллярного насоса неэффективна для подачи достаточного количества жидкости в испаритель из конденсатора. Это приведет к пересыханию испарителя. Высыхание препятствует продолжению термодинамического цикла, и тепловая трубка больше не работает должным образом.

Тепловые трубы наиболее эффективны, когда испаритель находится ниже конденсатора, создавая обратный путь жидкости, который поддерживается гравитацией, а максимальная мощность уменьшается по мере увеличения неблагоприятной высоты испарителя.

Узнайте больше о рекомендациях по проектированию тепловых труб для стандартных размеров, изгибов и сплющивания…

Ответы на все ваши вопросы по практическому использованию тепловых трубок

Теперь, когда вы знаете основы, мы уверены, что у вас есть более сложные вопросы.

Хотя некоторые ответы относятся к вашим потребностям и системным требованиям, эти ответы на стандартные вопросы помогут вам лучше понять, как работают эти устройства:

• На каком расстоянии может работать тепловая трубка?

Наземные тепловые трубы, работающие против силы тяжести, относительно короткие — обычно не более 2 футов (60 см) в длину и максимальная высота против силы тяжести примерно один фут (30 см).

Тепловые трубы космического корабля обычно имеют длину менее 10 футов (3 м), и допускается дополнительная длина, поскольку они работают в условиях невесомости.

Когда тепловая трубка работает под действием силы тяжести, называемой термосифоном, длина может быть практически неограниченной, и многие из них имеют длину до сотен футов (м).

• Может ли тепловая трубка работать против силы тяжести?

Они могут работать , даже когда испаритель расположен над конденсатором, двигаясь против силы тяжести. Это означает, что капиллярное действие должно возвращать жидкость против перепадов давления жидкости, а также гравитационного напора. Эта установка уменьшит общую максимальную мощность, доступную для перемещения рабочей жидкости. Используйте калькулятор тепловых труб ACT, чтобы точно определить требования и возможности.

• Какой диапазон температур для тепловой трубки?

Отдельные двухфазные системы могут переносить по крайней мере некоторое количество тепла между тройной точкой и критической точкой рабочей жидкости, но мощность, передаваемая как вблизи тройной точки, так и вблизи критической точки, очень мала. Существует меньший практический диапазон температур, который показывает индивидуальные возможности и ограничения, например, медно-водяные тепловые трубы обычно работают при температуре от 25°C до 150°C.

• Какие материалы используются для оболочек тепловых труб, фитилей и рабочих жидкостей?

Нас часто спрашивают, из каких материалов изготавливаются оболочки и фитили, и что можно использовать в качестве рабочих жидкостей.

Существует значительное количество материалов, которые можно использовать для каждого из них, но важным требованием является то, что жидкость и материалы должны быть совместимы. Мы составили этот список совместимых материалов, но наиболее распространенными комбинациями оболочка/фитиль и рабочая жидкость являются медь/вода для охлаждения электроники, алюминий/аммиак для терморегулирования космического корабля, медь/фреон и сталь/фреон для систем рекуперации энергии. , а также суперсплавные/щелочные жидкости для металлообработки для высокотемпературных применений.

Процесс выбора материала начинается с согласования рабочей температуры с подходящей рабочей жидкостью. Правильный выбор оболочки, фитиля и рабочих жидкостей позволяет компании ACT построить для вас систему, которая не требует технического обслуживания.

• Может ли работать водяная тепловая труба после замерзания?

Водяные тепловые трубы передают очень мало энергии при температурах ниже ~ 25°C из-за очень низкой плотности пара, ограничивающей количество передаваемой мощности.

При температурах ниже точки замерзания передача тепла происходит только за счет теплопроводности через стенку и фитиль.

Обратите внимание, что правильно спроектированные медно-водяные тепловые трубы могут выдерживать тысячи циклов замораживания/оттаивания без повреждения несущей способности после того, как вода станет жидкой. Это достигается за счет строгого контроля запасов жидкости, чтобы вся жидкость находилась в фитиле. Это предотвращает образование жидкого мостика и повреждение устройства за счет расширения при замерзании.

Свяжитесь с ACT для получения информации о правильном использовании тепловых трубок

Теперь, когда вы узнали, что такое тепловые трубки и как они используются, пришло время связаться с ACT для получения дополнительной информации и расценок на установку тепловых трубок в ваше оборудование. Мы поможем вам решить, как наилучшим образом удовлетворить ваши потребности с помощью оборудования, в том числе:

• Терморегулирование
• Тепловые трубы в сборе
• Пластины HiK™
• Блоки паровой камеры
• Радиаторы PCM
• Холодильные тарелки
• И многое, многое другое.

Мы предоставим вам все необходимое для понимания стоимости и установки стандартных тепловых трубок, а также вариантов с гравитационным воздействием, работающих в зонах, где внутренние жидкости могут замерзнуть, и в других конкретных случаях на Земле и над Землей.

Сократите свои расходы и увеличьте срок службы и надежность вашего оборудования с помощью простой беседы, призванной сделать вашу работу проще и доступнее. Свяжитесь с ACT сегодня, чтобы узнать обо всех аспектах управления температурным режимом, от разработки до производства тепловых труб и других вариантов рекуперации энергии.

Как работают тепловые трубки | Тепловые трубки 101

 

В этой статье рассказывается о том, как работают тепловые трубки и испарительные камеры, а также о типичных вариантах использования и вариантах конфигурации. Кроме того, он предназначен для быстрого чтения со ссылками на подробную информацию по всему тексту.

 

Как работают тепловые трубки?

Тепловая трубка состоит из трех частей, которые позволяют ей работать: вакуумный герметичный корпус, впитывающая структура и рабочая жидкость. С большим отрывом наиболее распространенным типом является медный корпус, структура фитиля из спеченной меди, которая прикрепляется к внутренней поверхности, и деионизированная вода в качестве рабочей жидкости. Эта конфигурация обычно используется в некосмических средах с требуемой максимальной температурой окружающей среды менее 80 ^o C и будет представлена ​​в этой статье.

На приведенном ниже рисунке показаны принципы работы тепловых трубок. При подаче тепла часть жидкости превращается в пар и перемещается в область более низкого давления к охлаждающим ребрам. Это позволяет парам охлаждаться и возвращаться в жидкую форму, где они поглощаются пористой структурой фитиля и переносятся обратно к источнику тепла за счет капиллярного действия — тот же принцип, который пропитывает все бумажное полотенце, если только один угол подвергается воздействию. вода.

 

Принципы работы тепловых трубок

 

Тепловые трубы обычно имеют размеры от 2 до 12 мм в диаметре, их можно сплющивать и изгибать. Кроме того, свойства фитиля, такие как толщина и пористость, могут быть изменены для настройки тепловых характеристик (Qmax или максимальная допустимая мощность в ваттах). Нажмите здесь, чтобы использовать онлайн-калькулятор тепловых труб, чтобы рассчитать Qmax по размеру трубы и углу ориентации. Несколько моментов:

• Тепловые трубки большего диаметра имеют более высокое значение Qmax.
• Qmax является аддитивным. Если одна труба может нести 20 Вт, то две — 40 Вт и так далее.
• Qmax уменьшается, когда тепловая трубка изогнута, капиллярное действие направлено против силы тяжести, необходимая рабочая высота над уровнем моря увеличивается, а часто и когда труба сплющивается (небольшое сплющивание обычно не влияет на это).

Принцип работы испарительных камер аналогичен тепловым трубам. Фактически испарительные камеры часто называют плоскими тепловыми трубками. Различие действительно сводится к соотношению сторон ширины к высоте. Плоская тепловая трубка обычно не превышает 4:1, тогда как испарительная камера может достигать примерно 60:1.

 

Важность технологии тепловых трубок

Вы уже знаете, что тепловые трубки и испарительные камеры представляют собой двухфазные устройства теплопередачи, используемые для повышения тепловых характеристик радиаторов, которые в противном случае использовали бы только твердое металлическое основание и ребра. Но что привело к их массовому внедрению?

Проще говоря, тепловые трубки широко используются, потому что современные электронные компоненты имеют повышенную расчетную тепловую мощность (ватты рассеянного тепла) и, что, возможно, более важно, удельную мощность (Вт/см ² ). С этим увеличением инженеры поняли, что им необходимо уменьшить пределы проводимости твердого металла. Теплопроводность паровых камер и тепловых труб в большинстве случаев значительно выше, чем у твердого алюминия или меди. Для справки: теплопроводность алюминия составляет ~200 Вт/(мК), меди — ~400 Вт/(мК), а двухфазные устройства обычно имеют теплопроводность свыше 6000 Вт/(мК) — часто на 90 142 значительно выше, чем на 90 143.

В отличие от твердого металла, эффективная теплопроводность двухфазных устройств изменяется в зависимости от множества переменных, но в основном в зависимости от расстояния, на которое передается тепло. Чем больше расстояние, в разумных пределах, тем выше теплопроводность, при прочих равных условиях. См. онлайн-калькулятор производительности тепловых трубок для точного расчета теплопроводности тепловых трубок для вашего применения. На приведенной ниже диаграмме показано, как быстро теплопроводность увеличивается с увеличением длины тепловой трубы.

 

Эффективная теплопроводность тепловой трубы как функция длины

 

 

Типовая конфигурация и использование

Практические советы

• Используйте локальные испарительные камеры для распределения тепла по основанию массива.
• Используйте тепловые трубки для передачи тепла к удаленному массиву ребер или стенке корпуса.

 

Испарительные камеры для распределения тепла | Тепловые трубки перемещают тепло

 

Всегда есть исключения, но вот причины. Тепловые трубки можно изгибать в любом направлении, что делает их идеальными для прокладки вокруг компонентов печатной платы. Это делает их хорошо подходящими для перемещения тепла к удаленному конденсатору, что чаще всего требует некоторого маневрирования. И наоборот, паровые камеры имеют сплошное внутреннее паровое пространство. Это позволяет распределять тепло во всех направлениях к удаленным углам и краям массива ребер, максимально увеличивая общую эффективность ребер.

 

Контрольные признаки того, что вам может понадобиться устройство с тепловой трубой или испарительной камерой

Вот список условий, при которых можно рассмотреть возможность использования двухфазных устройств:

• Необходимость перемещения тепла более чем на 50 мм от источника тепла к удаленному конденсатору. Ниже этого цельный медный стержень или стержни будут почти столь же эффективны.
• Когда площадь дна (основания) локальной решетки ребер более чем в 10 раз превышает площадь источника тепла. Помните, что меньший поток воздуха означает большую площадь ребер для данного источника тепла. Это часто приводит к большему основанию, поскольку у вас может не быть вертикального пространства (Z-высоты), и у вас, конечно, не будет эффективности плавников, чтобы увеличивать высоту плавников до бесконечности. Воспользуйтесь нашим онлайн-калькулятором размера радиатора, чтобы быстро рассчитать требуемый размер радиатора для вашего приложения.
• Если цельный медный радиатор (ребра и основание) соответствует тепловым требованиям, но не требованиям к весу/ударным нагрузкам и вибрации. Твердое медное основание значительно тяжелее аналогичного основания испарительной камеры. Кроме того, использование двухфазного основания может позволить использовать алюминиевые ребра, что еще больше уменьшит вес.
• Когда тепловой баланс ниже 40 ^o C, особенно в сочетании с низким/отсутствующим воздушным потоком. Чтобы рассчитать тепловой баланс, вычтите максимальную рабочую температуру, при которой готовое устройство должно работать (Max Ambient), из максимальной температуры корпуса (Tcase) ИС или температуры перехода для ИС без кристалла (Tjunction). Эта вторая цифра будет предоставлена ​​производителем микросхемы. Вы можете использовать наш онлайн-калькулятор радиатора, чтобы определить общую дельта-Т вашего радиатора и сравнить ее с вашим тепловым бюджетом.

 

Типы радиаторов, используемых с двухфазными устройствами

Низкая стоимость единицы продукции — Экструдированные радиаторы являются наиболее экономичными, но имеют ограниченную гибкость конструкции. Литые под давлением радиаторы обычно используются в качестве крышки корпуса с ребрами, открытыми для окружающей среды, но высокие первоначальные затраты на инструменты ограничивают их использование в приложениях с большими объемами.

Уникальные требования к ребрам . Инженерам-теплотехникам иногда требуются радиаторы либо с очень высокими ребрами, либо с очень тонкими ребрами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга. Соответственно, радиаторы со склеенными ребрами и радиаторы со шлифованными ребрами хорошо удовлетворяют этим требованиям.