Isı borusu

Bir ısı borusu a, ısı eşanjörü kullanan ısı arasında buharlaşma yüksek elde etmek için bir ortam ısı akışı yoğunluğu . Bu şekilde, büyük miktarlarda ısı, küçük bir kesit alanı üzerinden taşınabilir.

İki tür ısı borusu arasında bir ayrım yapılır: ısı borusu ve iki fazlı termosifon . Her iki tasarım için de temel işlevsel ilke aynıdır; fark, gazlı çalışma ortamının buharlaştırıcıya geri dönüşünde yatmaktadır, yani. H. ısının uygulandığı noktaya. Geri dönüş nakli, her iki tasarımda da pasif olarak ve dolayısıyla bir sirkülasyon pompası gibi yardımcılar olmadan gerçekleşir .

Termal direnci çalışma sıcaklığı bir ısı borusunun metallerin önemli ölçüde daha düşüktür. Isı borularının davranışı bu nedenle durumdaki izotermal değişikliğe çok yakındır. Sıcaklık, ısı borusunun uzunluğu boyunca neredeyse sabittir. Aynı aktarım kapasitesi ile, aynı çalışma koşulları altında geleneksel ısı eşanjörlerine göre önemli ölçüde daha hafif tasarımlar mümkündür. Isı borusu için çalışma ortamını dikkatlice seçerek, birkaç Kelvin ila yaklaşık 3000 Kelvin arasında çalışma sıcaklıkları elde edilebilir.

Bir ısı borusu içinden şematik kesit

Bir ısı borusunun enerji taşıma yeteneği , kap duvarının veya çalışma ortamının termal iletkenliğine değil, büyük ölçüde çalışma ortamının spesifik buharlaşma entalpisine (kJ / mol veya kJ / kg cinsinden) bağlıdır . Verimlilik nedeniyle, bir ısı borusu genellikle sıcak ucun hemen üzerinde ve soğuk uçta çalışma ortamının kaynama noktasının hemen altında çalıştırılır.

İşlev ve ayrım

Bir termosifonun çalışma prensibi.

Bir ısı borusundan enine kesit. Kılcal etki, yerleştirilmiş bir bakır tel ağ tarafından oluşturulur.

Yapısı ve çalışma prensibi

Isı boruları genellikle hava geçirmez şekilde kapatılmış bir hacim içeren uzun metal kaplardır . Hacmi az miktarda sıvı halde ve büyük ölçüde gaz halinde dolduran bir çalışma ortamı (örneğin su veya amonyak) ile doldurulur.

Tankın enerjiyi emmeye yarayan kısmına evaporatör, enerji salmaya hizmet eden kısmına ise kondansatör denir . Buharlaştırıcı bir uçta veya ortada olabilir.

• Isı girdisi, kazanın ve çalışma ortamının sıcaklığını, çalışma ortamının kaynama noktasına ulaşılana kadar artırır ; oradan çalışma ortamı buharlaşmaya başlar ; sıcaklık artık yükselmiyor; Bunun yerine, sağlanan enerjinin tamamı buharlaşma ısısına dönüştürülür .
• Sonuç olarak, ısı borusundaki basınç yerel olarak sıvı seviyesinin üzerine çıkar ve bu da ısı borusu içinde düşük bir basınç gradyanına yol açar. Ortaya çıkan buhar, mevcut tüm hacimde, yani kendini dağıtmaya başlar. H. basıncın daha düşük olduğu her yerde akar; Sıcaklığının çalışma ortamının kaynama noktasının altına düştüğü noktalarda yoğunlaşır . Bunun için buharın tekneye ve tekneye çevreye enerji vermesi gerekir. Bu, en güçlü şekilde, aktif soğutmanın gerçekleşebileceği kondansatörün bulunduğu noktada gerçekleşir.
• İçerdiği tüm gizli ısı, yoğuşma ısısı ortama salınana kadar sıcaklık artık düşmez .
• Çalışma ortamının sıvı kısmı yerçekimi ( termosifon ) veya kılcal kuvvetler ( ısı borusu ) ile evaporatöre geri döner . İkincisinin çalışması için, sıvı haldeki çalışma ortamının oranı burada daha düşük olmalıdır.

Bir tuğlada daha az sıvının olduğu tarafa (burada yukarı doğru yerçekimine karşı) kılcal akış örneği. Isı borusunda, ısı kaynağı üstte, çok az sıvının olduğu yerde ve altta çok fazla sıvının olması, çünkü orada soğutma nedeniyle yoğuşma meydana gelir.

Buhar, soğutma bölgesine akar, bir yoğunlaşma filmi akar / akar / geri akar. İtici güç yapışma gücüdür , etki kılcallık altında açıklanmıştır . Karşıdaki resme bakın.

Çalışma ortamının buharı ve sıvısı aynı odada olduğu için sistem ıslak buhar bölgesinde yer almaktadır . Sonuç olarak, ısı borusunda belirli bir basınçta tam olarak belirli bir sıcaklık vardır. Isı borularındaki basınç farkları çok küçük, genellikle birkaç Pascal olduğundan , evaporatör ile kondansatör arasındaki sıcaklık farkı da küçüktür ve maksimum birkaç Kelvin'dir . Bu nedenle bir ısı borusu çok düşük bir termal dirence sahiptir . Evaporatör ve kondansatör arasındaki alan pratikte izotermaldir .

Isı aktarımı, gizli ısının (buharlaşma / yoğunlaşma ısısı) malzemeye bağlı taşınması yoluyla dolaylı olarak gerçekleştiğinden, bir ısı borusunun uygulama alanı, erime sıcaklığı ile kritik noktanın sıcaklığı arasındaki aralıkla sınırlıdır . çalışma sıvısı. Çalışma ortamına etki eden tüm kuvvetler aynı zamanda gerçek ısı taşıma performansını da etkiler. Yerçekimi, ısı borularındaki kılcal kuvvetleri tamamlayabilir veya kısmen ortadan kaldırabilir. Merkezkaç kuvveti ayrıca ısı boruları olarak inşa edilmiş dönen içi boş şaftlarda da etkimektedir .

Ayrım

Yerçekimi ile çalışan ısı boruları ( iki fazlı termosifon veya yerçekimi ısı boruları ) ile ortam, yerçekimi nedeniyle daireler çizer . Sonuç olarak, ısı transfer ortamı otomatik olarak evaporatöre geri akar. Isı genellikle yalnızca hazne yoluyla , yani sıvı seviyesinin yüksekliğine kadar sağlanır. Bu, geri akan (sıvı) ortamın film oluşumuna bağlıdır. Termosifonlar düz bir eğimde hizalanırsa, yoğunlaştırılmış ortam yeterince hızlı geri akmazsa kuruyabilirler.

Isı boruları , yoğunlaşan sıvıyı buharlaştırıcıya geri yönlendirmek için fitil prensibini kullanır. Süreç bu nedenle konumdan bağımsızdır; Isı boruları da ağırlıksız olarak çalışır . Termosifonlarla karşılaştırıldığında, kılcal damar içinden sıvı akışı önemli ölçüde iyileştirildiğinden, daha yüksek bir aktarılabilir ısı akışına yol açtığından, neredeyse hiç kuruma eğilimi göstermezler. Kılcal yapı aynı zamanda termosifonun aksine ısının her yerde ve her yükseklikte sağlanabilmesini sağlar. Isı boruları, herhangi bir yönde yüksek ısı akış yoğunluklarının gerekli olduğu her yerde kullanılır.

Çalışma ortamı

Isı borularındaki bazı maddelerin buharlaşma sıcaklıkları (basınca bağlı)

Bir ısı borusundaki çalışma ortamının çalışma kapasitesi, hem buharlaşma entalpisi gibi termodinamik özelliklere hem de kinematik viskozite ve yüzey gerilimi gibi akışkan özelliklere bağlıdır . Yüzey gerilimi ve buharlaşma entalpisi mümkün olduğu kadar büyük ve viskozitesi olabildiğince düşük olmalıdır. Bu şekilde, çalışma noktası için en uygun ısı transfer ortamı belirlenebilir. ${\ displaystyle \ Delta h_ {v}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {l}}$ ${\ displaystyle \ sigma}$

Merit numarası ( Merit numarası , Me , bir özgül performans miktar olarak) olarak hesaplanabilir:

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

Yani birimi metrekare başına watt ; Ama Ben gerçek bir ısı akısı yoğunluğuna karşılık gelmez .

Başarı numarası, ısı borusunun ısı transferinin mümkün olduğu kadar büyük olması için, ısı borusunun belirtilen çalışma aralığında (sıcaklık, ısı akış yoğunluğu) mümkün olduğu kadar büyük olmalıdır. Bu özelliklerin sıcaklığa bağlı olduğu unutulmamalıdır. Normalde, Me birkaç olası ısı taşıyıcı için belirlenir ve daha sonra doğru ortamı seçmek için bir karar verme yardımcısı olarak hizmet eder.

Çok düşük sıcaklıklar için, oda koşullarında gaz halinde olan ortamlar kullanılır. Helyum ve nitrojen gibi gazlar , mutlak sıfıra (0 K) yakın −20 ° C'ye kadar olan sıcaklık aralığını kapsamak için kullanılabilir. Amonyak veya karışımlar gibi tipik soğutkanlar da kullanılır. 0 ° C'den itibaren su, ısı transfer ortamı olarak kullanılabilir. Isı borusunun olası basınç direncine (buhar basıncı) bağlı olarak, 340 ° C sıcaklık aralığına kadar su yeterlidir. (374 ° C'de kritik su noktası) 400 ° C sıcaklıktan itibaren, yüksek sıcaklıklı ısı borularından söz edilir. Sodyum ve lityum gibi alkali metaller , liyakat numarasına göre burada en iyi ısı taşıyıcılarıdır. Aralığın üst sınırı, öncelikle ısı borusu için kullanılan malzemenin mukavemeti ile sınırlıdır.

malzemeler

Dış koşullara bağlı olarak farklı malzemeler kullanılır. Isı transfer ortamının malzemeye göre davranışı da burada bir rol oynar. Örneğin, sodyum, çeliklerin bileşenlerini çözer, bu da bir ısı borusunun uzun süre arızalanmasına neden olur.

Isı borusu

Daha düşük sıcaklık aralıklarında, şekillendirmesi kolay ve yüksek ısı iletkenliğine sahip olduğu için çoğunlukla bakır kullanılır . Yüksek sıcaklıklı ısı boruları söz konusu olduğunda, 1.4841 gibi ısıya dayanıklı çelikler veya nikel bazlı alaşımlar esas olarak kullanılır. Fitil şekli büyük ölçüde çalışma noktasına bağlıdır. Isı borusunun kılcal kuvvet sınırında çalıştırıldığı her yerde düşük akış direncine sahip bir fitil kullanılır. Yivli kılcal yapılar bunun için tipiktir. Yüksek sıcaklıklı ısı boruları durumunda, ısı transfer ortamının yüksek yoğunluğu nedeniyle genellikle sıkı örgülü tel örgü kullanılır. Bakır-su ısı borularında, elektrik kablolarındaki bakır iletkenlere benzeyen daha basit tipler bile, esas olarak ucuz üretimleri nedeniyle kullanılmaktadır.

Termosifon

İnşaat alanındaki uygulamalar için, termosifonlar genellikle geleneksel yapısal çeliklerden yapılır.

Tarih ve Gelişim

İlk ısı borusu 1944'te patentlendi. Ancak, bu noktada, hala yararlı bir uygulama yoktu. 1960'lara kadar uzay yolculuğu kesin olarak geliştirilmedi ve bu fikir yeniden ele alındı. Günümüzde bile, uyduların güneşe bakan tarafını soğutmak için ısı boruları kullanılmaktadır. İlk yüksek sıcaklıklı ısı borusu 1964'te sunuldu. O zamandan beri, belirli ısı taşıyıcılarının özellikleri, kılcal yapılar ve ısı borularının analitik açıklaması gibi fiziksel tanımlar önemli ölçüde genişletildi. Pahalı olmayan ve oldukça etkili bir ısı transferi aracı sundukları için günümüzde ısı boruları üzerinde araştırmalar yürütülmektedir.

uygulama

Esnek tasarımı ve özellik çeşitliliği nedeniyle günümüzde birçok alanda ısı boruları kullanılmaktadır. Geçtiğimiz birkaç yıl içinde, PC ve dizüstü bilgisayarlarda kullanımları nedeniyle daha fazla kamuoyu bilinci kazandılar . Isı boruları üzerindeki gerçek atık ısı konvektörleri doğrudan dış yüzeylere bağlanabildiğinden , dizüstü bilgisayarların toplam yüksekliği ısı borularının kullanılmasıyla önemli ölçüde azaltılabilir . Artan ısı transferi, daha güçlü grafik işlemcileri entegre etmeyi mümkün kıldı.

Çok daha önce, 1960'larda, uzay teknolojisinde ısı boruları kullanılıyordu. Özellikle uydular söz konusu olduğunda , ısı borularının kullanılması , güneşe bakan taraf ile güneşe bakan taraf arasındaki sıcaklık değişimini en aza indirir.

Bilgisayar Teknolojisi

Bir dizüstü bilgisayardaki işlemci ve fan arasındaki ısı borusu

Geleneksel ısı emiciler soğutma için mikroişlemciler zorunlu üzerinde sadece dayanmaktadır konveksiyon ile soğutma kanatçıklarının . Burada mümkün olan en iyi ısı transferini elde etmek için, vantilatör veya vantilatör, nervürlerin sınırlayıcı termal iletkenliği nedeniyle nervürlere mümkün olduğunca yakın oturmalıdır. Isınan hava ana kart yönünde akar ve bitişik bileşenlerin yüzey sıcaklıklarını artırır. Ek olarak, genellikle ana karttan uzakta daha fazla alan vardır, bu da daha ucuz bir şeklin kullanılabileceği anlamına gelir, bu da ısı alıcının kütlesini artırmadan daha geniş bir yüzeyin elde edilebileceği anlamına gelir. Dahası, mahfazadaki ısı dağılımı çok yönsüzdür. Öte yandan, ısı boruları kullanan soğutucular, işlevleri nedeniyle ısı emiliminin ve çıktının ayrılmasına izin verdikleri için yerel yakınlığa bağlı değildir. Böylece, atık ısıyı hedefli bir şekilde muhafaza fanlarının hava akışına verebilirsiniz. Genellikle alternatif olarak kullanılan su soğutmaya kıyasla, ısı boruları bir sirkülasyon pompası gerektirmez, bu da ek gürültü oluşumuna neden olur.

İnşaat

Geleneksel yapısal çelikten yapılmış ısı borularına sahip Alaska boru hattı. Yeraltının çözülmesini engeller. Kazıklarda soğutma kanatları görülebilir.

Trans-Alaska Boru Hattı altındaki permafrostu stabilize etmek için 1970'lerden beri ısı boruları kullanılmaktadır . Geleneksel yapılarda, boru hattının yükünü alan iki çelik kazık zemine indirilir . Bununla birlikte, permafrost alanında, 40–80 ° C'lik ılık yağ, yığınlar yoluyla ısı iletimi yoluyla toprağı yerel olarak çözdüğünden, bu kolayca mümkün değildir. Kazıklar batar ve boru hattı deforme olur. Hava sıcaklığı yeterince düşükse, ki bu genellikle permafrost alanında meydana gelirse, bu sorunu ısı boruları kullanarak aşmak mümkündür. Isı zemine iletilmez, ancak ısı borularına takılan soğutma kanatları vasıtasıyla ortam havasına verilir. Ek olarak, termosifonlar donmuş topraktan ısıyı çeker, bu da onun donmuş ve dolayısıyla stabil kaldığı anlamına gelir. Bu teknik aynı zamanda Lhasa Demiryolunda setin permafrost topraklarında stabilize edilmesi için de kullanılmaktadır .

Isı borularında çalışma ortamının bağımsız sirkülasyonu ve dolayısıyla yardımcı enerjinin ortadan kaldırılması, jeotermal enerji kullanımı alanında kullanımın artmasına neden olur. Geleneksel jeotermal sondalarla, z. B. su pompalanır ve elde edilen jeotermal enerji bir ısı pompasına aktarılır . Karbondioksit probları ile hem çift hat hem de sirkülasyon için pompa enerjisi çıkarılır.

Ayrıca günümüzde , boşaltılmış tüp kollektörleri gibi ısı borusu teknolojisinden doğrudan şüphe edilmeyen alanlarda başarıyla kullanılmaktadırlar. Onlar da bulunabilir ısı geri kazanım sistemleri veya basit ısı değiştirici.

Allotermal biyokütle gazlaştırmada yüksek sıcaklıklı ısı boruları kullanılır . Burada 850 ° C aralığında neredeyse hiç kayıpsız ısı transfer ederler. Gelişmiş bir konsept sayesinde, ısı boruları, odun yongaları gibi katı biyokütlenin doğrudan yüksek enerjili ürün gazına dönüştürülmesini mümkün kılar.

Motorlu Taşıtlar

Sürekli olarak daha da geliştirilmesine rağmen, modern bir Otto motoru için % 37'lik mekanik verimlilik nadiren aşılır. Diğer enerjiler soğutma suyu ve egzoz gazı ısısı yoluyla ısı kayıpları olarak dağıtılır. Termal olarak yüksek gerilimli çıkış vanalarını soğutmak için, bazıları oyuk yapılır ve bazıları sodyum ile doldurulur. Sodyum çalışma sırasında erir ve valfin hareketi ısıyı özellikle kritik valf diskinden valf gövdesine dağıtır. Ancak bu şekilde güçlü, hava soğutmalı büyük uçak motorları operasyonel olarak güvenli hale getirilebilir.

Kontrol edilebilir ısı boruları

Isı boruları bu yana, düşük ağırlık ve küçük bir hacme ek olarak, sahip ısı iletkenliği olan en yüksek 1000 kata kadar ör olarak B. bir bakır çubuk , ısı hedefli bir şekilde araçlarda basit bir şekilde taşınabilir. Tek dezavantaj, kontrol edilebilirlik sorunu, yani termal iletkenliği istenildiği gibi değiştirme, açma veya kapatma yeteneği olacaktır. Isı borularının kontrol edilebilirliği için iki prensip uygundur:

Ayarlanabilir metal gövdeli iki bağlı ısı borusu aracılığıyla ayarlanabilir ısı transferi

Isı borularının harici ısı kontrolü

Biri ısı kaynağında ve diğeri soğutucuda bulunan iki ısı borusu, uçlarından küçük bir mesafede birbirine değmeden birbirine paralel uzanır. Bu alanda , ısı borularını olabildiğince hassas bir şekilde yönlendiren iki delik ile ısıyı iyi ileten bir malzemeden (örneğin bakır veya alüminyum ) yapılmış bir gövde (kuplör) ile çevrelenmişlerdir . Isı boruları ile kuplör arasındaki temas alanı, yerleştirme derinliğine doğrusal olarak bağlı olduğundan, tüm sistemin termal iletkenliği, kuplörü içeri iterek veya çekerek kolayca ayarlanabilir. Daha uzun ısı borularının (çok düşük) ek termal direncinin bu sapmaya izin vermesi koşuluyla, küçük bir motorla harici kontrollü bağlantı, kolayca erişilebilen bir yere taşınabilir.

Isı borularının iç ısı kontrolü

Bir valf aracılığıyla ısı borularının dahili kontrolü. Solda etkinleştirildi, sağda etkinleştirilmedi.

Isı borusundaki dahili ısı aktarımı, bir kontrol elemanı olarak ısı borusu içindeki bir valf veya bir kısma kullanılarak da kontrol edilebilir . Küçük bir motor tarafından dışarıdan döndürülebilir şekilde monte edilen ve kontrol edilen bir gaz kelebeği, ısı aktarım ortamının akışını ısı kaynağından ısı alıcısına hem akışını hem de akışını değiştirebilir. Alternatif olarak, ısı borusunun içine yerleştirilmiş küçük bir solenoid valf , bir geri dönüş yayına sahip bir manyetik bilye ile uygulanır , ısı borusundaki ısı akışının büyük ölçüde durdurulmasına veya tekrar serbest bırakılmasına izin verir .

Valf ile karşılaştırıldığında, ayar açısına bağlı olarak gaz kelebeği ısıl iletkenliğin sürekli olarak kontrol edilebilmesi gibi büyük bir avantaja sahiptir. Öte yandan vana, yalnızca ısı borusunun açılmasına veya kapatılmasına izin verir, çünkü yalnızca bir elektromıknatıs aracılığıyla kontrol nedeniyle açılabilir veya kapatılabilir. Gaz kelebeği valfinin dezavantajı ise dışarıya yönlendirilmesi gereken ve hermetik sızdırmazlık sağlamayı zorlaştıran kontrol milidir . Özellikle motorlu taşıtlarda, bu istenmeyen şekilde kısa bakım aralıklarına yol açabilir.

Araçlarda kontrol edilebilir ısı borularının kullanılması

Bir arabada aşırı ısı, ısı borusu teknolojisi kullanılarak neredeyse her noktaya taşınabilir. Ana ısı kaynağı , içten yanmalı motorun egzoz sistemidir . Motor çalıştıktan hemen sonra muazzam ısı çıkışı burada mevcuttur. (Egzoz gazı sıcaklığı birkaç yüz ° C'dir) Isı, iç veya dış kısımdaki ısıtılmış yüzeylerden , güç elektroniklerinden veya soğutma veya klima devresinden de alınabilir . Daha sonra iç mekan iklimlendirmesi, koltuk ısıtması, soğutma suyu ve motor yağı ısıtması için veya pillerin çalışma sıcaklığına daha hızlı ulaşması için kullanılabilir. Taşınan ısının kontrol edilebilirliği burada her yerde büyük önem taşıyor ve bu konfor alanında zaten açıkça görülüyor.

Uzay yolculuğu

Fiber kompozit malzeme ile serpiştirilmiş iki ısı borusundan enine kesit. Sol: Oluk benzeri çukurlara gömülü. Sağ: doğrudan entegrasyon

Isı boruları genellikle güçlü sıcaklık dalgalanmalarına maruz kalır ve bu da malzemenin hacminde hemen dalgalanmalara neden olur. Isı borusu şimdi önemli ölçüde farklı bir termal genleşme katsayısına (kısaca CTE) sahip bir malzeme üzerindeyse , ısı borusuna veya dış ısı transfer yüzeylerine zarar verebilecek mekanik gerilmeler meydana gelir. Bu gerçek, uzay teknolojisindeki muazzam sıcaklık dalgalanmaları nedeniyle özellikle sorunludur . Bir uydunun güneşe bakan tarafı ile güneşten uzak olan tarafı arasındaki sıcaklık farkı yer yer 130 Kelvin olabilir . Burada karbon fiber takviyeli plastik (CFRP) uzun yıllardır kendisini temel malzeme olarak öne sürüyor .

Bununla birlikte, ısı boruları öncelikle CFRP'den değil, z'den yapılmıştır. B. alüminyumdan yapılmıştır . Bu elementin avantajları, diğer şeylerin yanı sıra, düşük ağırlığı, kılcal yapıların üretimi için iyi uygunluğu, optimal termal iletkenliği ve en yaygın olarak kullanılan termal olarak iletken ortama kimyasal direncidir. Bununla birlikte, iki malzemenin termal genleşme katsayıları çok güçlü bir şekilde farklılık gösterir: CFRP'nin 1 · 10 ⁻⁶  K ^−1'den 3 · 10 ⁻⁶  K ^{−1'e kadar,} sadece 1/24 ila 1/8 alüminyum (24 · 10 ^{- 6}  K ⁻¹ ).

Alüminyum ve fiber kompozit malzemeden yapılan kompozit malzemeler , olası bir çare sağlar . Alüminyum ısı borusu, çok düşük veya hatta negatif bir CTE'ye sahip olan fiber kompozit malzeme ile çeşitli şekillerde birleştirilir. Uygulamada, ya boşluklara ya da oluk benzeri girintilere gömülüdür, alüminyum bloğun etrafına bir tür kafes olarak sarılır ya da alüminyuma bununla girilir, yani doğrudan entegre edilir.

Bu teknoloji ile, genel sistemin yaklaşık 5 · 10 ⁻⁶  K ^overall1 termal genleşme katsayılarına ulaşılır (kompozit malzemenin CTE'si alüminyumunkine karşı koyar), bu da ısı borusu teknolojisini uzay yolculuğu için de uygun hale getirir.

Fiziksel tasarım

Bir ısı borusunun aktarılabilir gücünü hesaplamak için denklemler genellikle deneysel olarak elde edilen verilere dayanarak seçilecek katsayıları içerir. Kılcal yapı tipi, ısı transfer ortamının tipi, mevcut buhar boşluğu, çalışma sıcaklığı vb. Gibi spesifik ısı borusu özellikleri belirleyicidir. Yeterince iyi seçilmiş denklemler ve katsayılarla, model ve deney arasındaki hata dar bir alanda tutulabilir. Bu nedenle, bir ısı borusunun tasarımındaki ilk adımlar, tipin seçimi ve aktarılabilir gücü simüle etmek için karşılık gelen sayısal bir ısı borusu modelinin kurulmasıdır.

Oluşturulan model deneysel bir kontrol ile kalibre edilir veya gerçek limitler belirlenir. Test edilen ısı borusu gerekli performansı sağlayamazsa, performansı artırmak amacıyla değişiklikler (ör. Kılcal yapının değiştirilmesi) gerçekleştirilir. Tamamen deneysel bir prosedür olması durumunda, tahmin edilemeyen bir dizi deney gereklidir.

Küçük ve orta güçte (<1 kW) ısı boruları için temel denklemler doğrusaldır veya bir geliştirme noktası etrafında doğrusallaştırılabilir . Bu nedenle, tasarım çabasını sınırlamak için sayısal optimizasyon yöntemleri (örneğin) kullanılır. Bu tür prosedürler, kalibrasyon testleri üzerindeki deneylerin sayısını azaltır.

Sistem tasarlanırken işletim sınırlarına özellikle dikkat edilir. Bu fiziksel sınır koşulları, ısı transfer ortamının parametrelerinden elde edilir. Bu nedenle kullanılan ısı transfer ortamının kesin bilgisi önemlidir. Çalışma noktası (sıcaklık, ısı akışı) bu sınırlar içindeyse çalıştırma mümkündür.

Aşağıdaki sınırlar genellikle dikkate alınır:

Viskozite sınırı

Erime noktasının hemen üzerindeki çalışma sıcaklıklarında ısı akış yoğunluğunu sınırlar. Akış, buhardaki viskozite kuvvetleri tarafından ciddi şekilde bozulur.

Ses hızı sınırı

Isı akış yoğunluğu ancak basınç farkının yarattığı buhar akışı ses hızına ulaşıncaya kadar artırılabilir .

Etkileşim sınırı

Yüksek ısı akısı yoğunluklarında, sıvı, buhar tarafından sürüklenir ve kılcalın kısmen kurutulması, sıvı akışında bir kesintiye yol açar.

Kılcal kuvvet sınırı

Kapiler kuvvet sıvı haldeki ısı transfer ortamının akış kayıpları mevcut kılcal basınçtan daha büyük olduğu zaman sınırına ulaşıldığında.

Kaynama sınırı

Sıvı akışı, kılcal damar içinde çekirdek kaynamasının bir sonucu olarak sınırlanır veya durur.

Isı borularının optimizasyonu

Sıcaklık direncinin azaltılması

Malzeme yapılarını vb. Optimize etmeye ek olarak etkinliği , bir ısı borusu da ısı ileten ortam olarak hareket sıvıları değiştirerek önemli ölçüde arttırılabilir. Danshui'deki (Tayvan) Tamkang Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, belirli miktarda küçük nanoparçacık içeren sulu bir çözelti geliştirdi ve özelliklerini, geleneksel ısı borusu sıvılarıyla sıcaklık transfer davranışına göre karşılaştırdı.

Burada, bu çözeltinin bir ısı borusu içinde bir ısı taşıma ortamı olarak kullanılmasının,% 10 ila% 80'lik bir sıcaklık direncinde bir iyileşme, yani bir en aza indirme ile sonuçlandığı açıkça görülmüştür. Bu sıvının verimliliği sadece ısı borusunun tipine ve iç yapısına değil, aynı zamanda çözeltinin konsantrasyonuna ve nanopartiküllerin boyutuna da bağlıdır. Çeşitli testler , nanopartiküllerin çapı ne kadar küçükse ve sulu çözelti içindeki konsantrasyonları ne kadar düşükse, ısı borusunun sıcaklık direncinin o kadar yüksek olduğunu göstermiştir.

35 nm gümüş parçacıkları nanoparçacık görevi görür . Çözeltideki partikül miktarı litre başına 1 mg ile 100 mg arasında değişir.

Islanmayan gözenekli yapı

Bir ısı borusunun kondens kanalının (fitil) ve buhar kanalının temsili

Isı borusu teknolojisinde 1990'larda, ıslanmayan gözenekli yapı olarak adlandırılan ve dahili iletim kapasitesinde önemli bir artışa yol açan kondens ve buhar akışının güvenli bir şekilde ayrıştırılması yoluyla büyük bir ilerleme sağlandı . O zamana kadarki sorun, geri dönen yoğuşmanın, çarpışmalardaki karşıt buhar akışını yavaşlatması ve dolayısıyla sıcaklık aktarımı üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olmasıydı.

Isı borusunun buhar kanalı olarak kullanılan bu ıslanmayan gözenekli yapı, ısı taşıyıcı ortamın kendisinden ( yoğuşma olarak ) daha düşük yüzey gerilimi özelliğine sahiptir . Bu nedenle, gözenekli yapıya yalnızca gaz halindeki ısı taşıma ortamı tarafından nüfuz edilebilir ve herhangi bir yoğuşma dışarıda kalır.

Sıcaklık taşıma yerine buhar ve kondensat kanalı ısı devresi vasıtasıyla, yukarıda belirtildiği gibi benzer. Buhar kanalı ile yoğuşma kanalı arasındaki ıslanmayan gözenekli yapı, buharlaşma alanı ile ısı borusunun yoğunlaşma alanı arasındaki sınırı oluşturur.

Yoğuşma, harici ısı kaynağı yoluyla buharlaşır ve şimdi yukarıdakilerden bir gaz olarak hareket eder. Isı borusu içindeki yapı, daha sonra içinden yoğunlaşma alanına ulaşan buhar kanalı. Orada, bir soğutucu üzerinde , yine ıslanmayan gözenekli bir yapı şeklindeki bölme, yoğunlaşma alanına geçiş noktasını oluşturur. Basınç veya konsantrasyon gradyanı nedeniyle , gaz dışarıya yayılır ve ısı borusunun dış duvarlarıyla temas eder. Bu noktada ısı enerjisi dışarı verilir ve buhar yoğunlaşır. Yüksek yüzey gerilimi nedeniyle, yoğuşma suyu yalnızca yoğuşma kanalından geri akabilir (kılcal etki), sonunda ısı kaynağının bulunduğu yerde sıcaklık döngüsü tekrar harici ısı girdisi ile başlar.

Nanoyapıların kullanımı

Gözenek boyutuna bağlı olarak kılcal etki

2008'den itibaren bir Amerikan araştırma ekibinin geliştirilmesi, daha fazla artışı temsil ediyor:

Isı borularında kılcal yapının üretiminde nanoteknoloji kullanılarak , ilgili çalışma ortamı üzerindeki kılcal etki yine önemli ölçüde artırılmıştır. Yandaki diyagramda kılcal yapının gözenek çapı azaldıkça ulaşılabilen çalışma sıvısının yüksekliğinin keskin bir şekilde arttığını açıkça görebilirsiniz. Orta su burada en büyük başarısını sağlıyor .

Çalışma ortamı üzerinde ortaya çıkan daha büyük hızlanma etkisine ek olarak, bu teknoloji, mümkün olan en büyük başarıyı elde etmek için, pratikte gerçekleştirmek istendiği gibi, ısı borusu içinde çok küçük yapılar yoluyla sıvı taşınmasının bir yüküne sahiptir. tekrar yavaşladı veya hatta tamamen engellendi çünkü gözenekler nüfuz etmek için çok küçük hale geldi. Diğer bir bozucu faktör , malzemedeki (üretimle ilgili) istenmeyen homojenliklerin yanı sıra çok yüksek üretim maliyetleridir.

Isı boruları için aşırı ısınma koruması

Aşırı ısınma korumalı bir folyo ısı borusu içinden kesit

Normal çalışmada bir folyo ısı borusu boyunca enine kesit

Aşırı ısınma durumunda bir folyo ısı borusundan enine kesit. Ortaya çıkan boşluk, termal bir direnç oluşturur.

Genellikle, bir ısı borusunun dış ceketinin belirli bir mukavemeti, sadece onu mekanik hasardan korumak için değil, aynı zamanda ısı transfer ortamının neden olduğu atmosferik basınç ile iç basınç arasındaki basınç farklılıklarına dayanabilmek için de yararlıdır .

Isı borusu aşırı sıcaklıklara maruz kalırsa, yani sağlanan ısı enerjisi, yoğunlaşma alanında (soğutucu) tekrar dışarıya deşarj edilebilen enerjiden daha büyükse de problemler ortaya çıkabilir. Bu, dış ceketi ve hatta ısı borusunu tahrip edebilen, kabul edilemez derecede yüksek bir iç basınç yaratır. Olası çözümlerden biri, esnek dış malzeme yoluyla aşırı ısınmayı engellemesi beklenen 2005 yılında patentli bir teknolojidir.

Farklı gözenek çaplarına sahip (buhar ve yoğuşma kanalı) iki bölgeden oluşan bilinen bir yapıdan içeriye inşa edilmiştir. Orta alanda, gazlı ortam geniş bir gözenek çapına sahip gözenekli bir malzeme yapısı boyunca yönlendirilmeli ve dış alanda yoğunlaşma (kılcal etki yoluyla) küçük bir gözenek çapına sahip gözenekli bir yapı boyunca yönlendirilmelidir. Normal ısı borusundan gerçek fark, dış kılıfın kendisinde yatmaktadır.Bu, her zamanki gibi sert bir malzemeden değil, uçlarından birbirine bağlanan ve dış kılcal yapıya uzanan iki elastik ve ayrıca çok ince folyodan oluşur. . İç ve dış basınç, normal çalışmada, folyoların önceden belirlenmiş bir mesafede birbirine paralel uzanması ve dış gözenekli yapı, folyolar aracılığıyla ısı kaynağı ve ısı emici ile doğrudan temas halinde olacağı şekilde birbirini dengeler .

Beklenmedik bir şekilde yüksek bir basınç oluşursa, bunun nedeni çıkarılandan daha fazla ısı enerjisi sağlandığı için, kuvvetler ısı borusunun dış yüzeyine etki eder ve bu da elastik özelliklerinden dolayı onu dışarı doğru iter. Ortaya çıkan bölme, gazlı ısı transfer ortamı ile doldurulur. Bu şekilde ısı borusunun mekanik olarak hasar görmesi önlenir. Ek olarak, bu fenomen , yoğuşmayı taşıyan kılcal yapı ile dış yüzey arasında ısıl bir direnç yaratır , çünkü yoğuşma ve ısı kaynağı artık birbiriyle doğrudan temas halinde olmayıp, gazla birbirinden ayrılır. Yoğunluğu kondensat üzerine etki eden ısıtma enerjisi, yani, termal enerjiyi absorbe, bu nedenle, bu dış deri ile hala temas içinde gaz içinde depolanan bu yana, açığa çıkan enerji için geçerli değildir ki, azaltılır.

Folyo kapaklı bu teknoloji için bir başka artı nokta, ısı borusunun daha küçük dış boyutlarıdır - bu, masif kapağın ortadan kalkması nedeniyle. Uygulamada, ısı borusunun mekanik etkilere karşı diğer tasarımlara göre daha iyi korunması sağlanmalıdır.

Çalışma alanı genişletme

Tampon gaz ile dolu bir ısı borusunun tampon gaz bölgesi ve çalışma alanının temsili

İşletme noktası , bir ısı borusu genellikle sıcaklığı olan ısı transfer aracısı, en yoğuşur ve buharlaşır . Bir ısı borusunun potansiyel uygulama alanları bu özel özellikten kaynaklanmaktadır, bu nedenle pratikte çalışma ortamı olarak çok çeşitli ısı taşıma ortamlarının kullanılmasının nedeni budur. Kaynama noktasının herhangi bir sıcaklığa değiştirilebildiği farklı kimyasalların karışımları burada sıklıkla kullanılır .

Bununla birlikte, çoğu zaman, bazı maddelerin , kullanılan ısı borusu malzemesi ile istenmeyen kimyasal reaksiyonlara girmesi veya son olarak, ancak en önemlisi, maliyet nedenleriyle, istenen bir karışımı şu şekilde işlev görecek şekilde uyarlaması daha mantıklıdır . birçok farklı sıcaklık aralığında bir ısı taşıma ortamı. Bu amaçla, pratikte bir tampon gaz yardımıyla elde edilen kaynama noktasının isteğe göre ayarlanabilmesi tavsiye edilir .

Çalışma aralığının bu sözde uzantısı, elemanların kaynama noktalarının basınca bağımlılığının fiziksel özelliğine dayanmaktadır. Isı borusu hava geçirmez şekilde kapatılmadan önce artık üretim sürecine başka bir adım dahil edilmiştir :

Isı taşıma ortamı ile doldurulduktan ve fazla gazların boşaltılmasından sonra , ısı borusunun ilave olarak tampon gaz olarak adlandırılan bir gazla doldurulmasıyla tanımlanmış bir iç basınç ayarlanır . Bu, ısı borusu içinde çalışma ortamının giremeyeceği bir tampon bölge oluşturur. Bu tampon gazın seçimi için önemli bir kriter, daha sonraki çalışma alanında hiçbir koşulda ısı borusu veya ısı taşıma ortamı ile kimyasal reaksiyona girmemesi olmalıdır. Örneğin, çalışma ortamı cıva kullanılırken, argon veya helyum gibi bir inert tampon gazı kullanılabilir.

Bu yöntemle, çalışma ortamının kaynama noktasını ve dolayısıyla ısı borusunun çalışma aralığını değiştiren arzu edilen bir iç basınç istenildiği gibi ayarlanabilir.

Bu yöntemi kullanarak çeşitli çalışma noktalarını ayarlayabilmenin yanı sıra, ısı borusunda ortaya çıkabilecek herhangi bir kirliliğin tampon bölgesine boşaltılması ve bu kondensat ve buhar kanalının dışında olduğu için daha fazla çalışmayı etkilememesi de avantajlıdır. . Ancak dezavantaj, tampon bölge tarafından ihtiyaç duyulan ek alandır. Sonuç olarak, ısı borusu tüm uzunluğu boyunca ısı transferi için kullanılamaz.

İmalat

Isı borusunun sınır koşulları belirlendikten sonra, bunlar üretim sırasında da dikkate alınmalıdır. Isı borusu ancak bu sıcaklığa ulaşıldığında çalışmaya başladığından, temel özellik kaynama sıcaklığı veya ortamın buhar basıncıdır. Kaynama sıcaklığı, buhar basıncıyla termodinamik olarak ayarlanabilir. Çoğu durumda, mümkün olan en düşük kaynama sıcaklığı hedeflenir. Örneğin su durumunda bu, üçlü noktanın sıcaklığı olacaktır . İlişkili buhar tablosuna bakarsanız, su durumunda, örneğin kaynama sıcaklığını oda sıcaklığına düşürmek için son derece düşük bir basıncın gerekli olduğu anlaşılır .

En yaygın yöntemlerden biri, ısı borusunun mekanik tahliyesidir. Karşılık gelen bir pompa bağlanır ve belirli bir basınca (vakum) ulaşıldığında, ısı borusu genellikle tamamen mekanik olarak kapatılır.

Bu süreç karmaşık ve pahalıdır. Bu nedenle, ısı borusunu bir vakum pompası kullanarak tahliye etmek yerine ısı transfer ortamının kendisi ile doldurarak başka bir seçenek kullanılır . Bu amaçla, ısı borusuna bir doldurma borusu ve bir soğutma borusu bağlanır. Arzu edilen ısı taşıma ortamı, doldurma borusu vasıtasıyla ısı borusuna verilir. Bu işlemden sonra, ısı borusu diğer uçta ısıtılır, böylece normal ısı döngüsü başlatılır. Şimdi, başlangıçta kondens olarak bulunan doldurulmuş ortam buharlaşmaya başlar . Sonuç olarak oluşan basınç, ısı borusundaki ortamın genişlemesine ve soğutma borusu nedeniyle istenmeyen tüm gazlar, yani yoğunlaşamayan gazların doldurma borusundan dışarı çıkmasına neden olur.

Bu noktada soğutma borusunun amacı netleşir: Bu sırada doldurma borusuna doğru bir gaz olarak hareket eden ısı taşıyıcı ortam, soğutma yoluyla yoğunlaşır ve kılcal etkisiyle yoğuşma olarak ısı kaynağına geri döner . ısı borusunun dış gözenek yapısı . Kalan gazlar, yani yoğunlaşmayan gazların tümü, kılcal yapıya girmez, ancak iç basınçla dışarı doğru temizlenir.

Doldurma borusu, tüm yoğunlaşmayan gazlar dışarı atıldığında ve hava ve ısı transfer ortamının sabit sınırı doğrudan doldurma borusu üzerine yerleştirildiğinde hava geçirmez şekilde kapatılır .

Bunları kullanırken, ısı borularının kapalı hacimler olduğuna dikkat edilmelidir. Bu durum değişikliğiyle ( izokorik ), ısı girişi doğrudan basınca girer. İzin verilen sıcaklık aşılırsa, buhar patlamasına neden olabilir . Isı boruları, daha iyi termal iletkenliklerinden dolayı genellikle gerçek soğutucuya lehimlendiğinden, bu, daha sonraki işlemler sırasında özellikle önemlidir. Birçok ısı borusu zararlı maddelerle doldurulur, bu nedenle ısı boruları uygun şekilde atılmalı ve açılmamalıdır. Açmak da genellikle işlevsellik kaybına yol açar.

Ayrıca bakınız

• Karşı akım tabakalı ısı eşanjörü

İnternet linkleri

• Isı borusu temel bilgileri (PDF dosyası; 3 MB)
• Başarı numarasının tanımı ve kullanımı, İngilizce

kabarma

• Dönen bir anot için soğutma düzeni (merkezkaç kuvveti)
• Allothermal akışkan yatak gazlaştırma - akışkanlaştırılmış yataklarda ısı girişini gerçekleştirme seçenekleri (yerçekimi, ısı borusu; PDF dosyası; 1001 kB)
• Adrian Bejan, Allan D. Kraus: Isı Transferi El Kitabı . Wiley & Sons, Hoboken NJ 2003, ISBN 0-471-39015-1 .
• Stephan Kabelac (Kırmızı): VDI Isı Atlası . Alman Mühendisler Birliği, VDI Proses Mühendisliği ve Kimya Mühendisliği Derneği (GVC) tarafından yayınlanmıştır. 10., gözden geçirilmiş ve genişletilmiş baskı. Springer-Verlag, Berlin ve diğerleri 2006, ISBN 3-540-25503-6 .

Bireysel kanıt

1. ↑ M. Groll: Enerji teknolojisinin bileşenleri olarak ısı boruları. İçinde: W. Fratzscher, K. Stephan (Ed.): Atık enerjinin kullanımı: teknik, ekonomik ve sosyal yönler. Akad.-Verlag, Berlin 1995, ISBN 3-05-501706-4 , s. 84. (edoc.bbaw.de ; PDF; 3.1 MB).
2. ↑ ^{a b} W. M. Rohsenow: Isı Transferi El Kitabı. Mcgraw-Hill Publ. Comp., 1998, ISBN 0-07-053555-8 .
3. ↑ ^{a b} A. Faghri: Isı Borusu Bilimi ve Teknolojisi. Taylor ve Francis, 1995, ISBN 1-56032-383-3 .
4. ↑ ^{a b c d e} P. Dunn: Isı boruları. Pergamon Press, 1994.
5. ↑ RS Gaugler: Isı Transfer Cihazı. ABD Patenti 2,350,348
6. ^ L. Trefethen: Sıvıların Yüzey Gerilimi Pompalanması veya Uzay Araştırmalarında Şamdanın Olası Rolü Üzerine. GE Tech. Bilgi, Ser. Hayır. 615 D114, Şubat 1962.
7. ^ GM Grover, TP Cotter, GF Erikson: Çok Yüksek Isıl İletkenlik Yapıları. İçinde: J. Appl. Phys. 35, 1964, s. 1990.
8. ↑ Christopher E. Heuer: Trans-Alaska Boru Hattında Isı Borularının Uygulanması. 6/1979.
9. ^ Trans-Alaska Boru Hattı Pasif Soğutma Sistemi .
10. ↑ M. Schneider: Elektronik devrelerin soğutulması için ısı borusu plakalarının modellenmesi ve optimizasyonu. IKE, 2007.
11. ↑ ^{a b c d e f} Alman Mühendisler Birliği VDI-Wärmeatlas Springer-Verlag, 2006.
12. ↑ Gümüş nano-akışkanın ısı borusu ısıl performansı üzerine deneysel olarak incelenmesi .
13. ↑ mikro / nano ısı borusu fitil yapıların deneysel incelenmesi ( içinde Memento Mayıs 30, 2012 , Internet Archive ) (PDF; 1,2 MB).
14. ↑ ^{a b c} Patent: Aşırı ısınma korumalı düz ısı borusu
15. ↑ Rezonatör içinde dört dalgalı karışım için cıva ısı borusu fırınının yapımı ve testi  ( sayfa artık mevcut değil , web arşivlerinde ara )@ 1@ 2Şablon: Toter Bağlantısı / www.quantum.physik.uni-mainz.de