Tubo de calor

Una tubería de calor es un intercambiador de calor que, utilizando la entalpía de vaporización de un medio, permite una alta densidad de flujo de calor . De esta manera, se pueden transportar grandes cantidades de calor sobre un área de sección transversal pequeña.

Se hace una distinción entre dos tipos de tubo de calor: el tubo de calor y el termosifón de dos fases . El principio funcional básico es el mismo para ambos diseños; la diferencia radica en el transporte de retorno del medio de trabajo gaseoso al evaporador, i. H. hasta el punto donde se aplica calor. El transporte de retorno se realiza de forma pasiva en ambos diseños y, por tanto, sin ayudas como una bomba de circulación .

La resistencia térmica de un tubo de calor a temperatura de trabajo es significativamente menor que la de los metales. Por tanto, el comportamiento de los tubos de calor se acerca mucho al cambio de estado isotérmico . La temperatura es casi constante a lo largo del tubo de calor. Con la misma capacidad de transferencia, son posibles diseños significativamente más ligeros que con los intercambiadores de calor convencionales en las mismas condiciones de funcionamiento. Seleccionando cuidadosamente el medio de trabajo para el tubo de calor, se pueden alcanzar temperaturas de operación desde unos pocos Kelvin hasta aproximadamente 3000 Kelvin.

Sección esquemática a través de un tubo de calor

La capacidad de un tubo de calor para transportar energía depende en gran medida de la entalpía específica de vaporización (en kJ / mol o kJ / kg) del medio de trabajo y no de la conductividad térmica de la pared del recipiente o del medio de trabajo. Por razones de eficiencia, una tubería de calor generalmente se opera justo por encima del extremo caliente y justo debajo del punto de ebullición del medio de trabajo en el extremo frío .

Función y distinción

Principio de funcionamiento de un termosifón.

Sección transversal a través de un tubo de calor. El efecto capilar es generado por una malla de alambre de cobre insertada.

Estructura y principio de funcionamiento

Los tubos de calor suelen ser recipientes de metal alargados que contienen un volumen sellado herméticamente . Se llena con un medio de trabajo (por ejemplo, agua o amoníaco), que llena el volumen en pequeña medida en estado líquido y en gran medida en estado gaseoso.

La parte del recipiente que sirve para absorber energía se llama evaporador, las que sirven para liberar energía se llaman condensador . El vaporizador puede estar en un extremo o en el medio.

• La entrada de calor aumenta la temperatura del recipiente y del medio de trabajo hasta que se alcanza el punto de ebullición del medio de trabajo; a partir de ahí el medio de trabajo comienza a evaporarse ; la temperatura ya no sube; En cambio, toda la energía suministrada se convierte en entalpía de evaporación.
• Como resultado, la presión en el tubo de calor aumenta localmente por encima del nivel del líquido, lo que conduce a un gradiente de presión bajo dentro del tubo de calor. El vapor resultante comienza a distribuirse en todo el volumen disponible, i. H. fluye donde la presión es menor; Se condensa en los puntos donde su temperatura cae por debajo del punto de ebullición del medio de trabajo . Para hacer esto, el vapor debe emitir energía a la embarcación y la embarcación al medio ambiente. Esto ocurre con más fuerza en el punto donde se encuentra el condensador, en el que puede tener lugar un enfriamiento activo.
• La temperatura ya no desciende hasta que se libera al medio ambiente toda la entalpía de condensación .
• La parte líquida del medio de trabajo regresa al evaporador por gravedad ( termosifón ) o por fuerzas capilares ( tubo de calor ). Para que este último funcione, la proporción de medio de trabajo en estado líquido debe ser menor allí.

Ejemplo de flujo capilar en un ladrillo hacia el lado donde hay menos líquido (aquí contra la gravedad hacia arriba). En la tubería de calor, la fuente de calor estaría en la parte superior, donde hay poco líquido, y mucho líquido en la parte inferior, porque allí se produce la condensación debido al enfriamiento.

El vapor fluye hacia la zona de enfriamiento, una película de condensación fluye / fluye / retrocede. La fuerza impulsora es la fuerza de adhesión , el efecto se describe en capilaridad . Vea la imagen al lado.

Dado que el vapor y el líquido del medio de trabajo están en la misma habitación, el sistema está ubicado en el área de vapor húmedo . Como resultado, hay exactamente una cierta temperatura en el tubo de calor a una cierta presión. Dado que las diferencias de presión en los tubos de calor suelen ser muy pequeñas, generalmente unos pocos Pascal , la diferencia de temperatura entre el evaporador y el condensador también es pequeña y es un máximo de unos pocos Kelvin . Por tanto, un tubo de calor tiene una resistencia térmica muy baja . El área entre el evaporador y el condensador es prácticamente isotérmica .

Dado que el transporte de calor tiene lugar indirectamente a través del transporte ligado a la sustancia de la entalpía de evaporación o condensación, el área de aplicación de un tubo de calor se limita al rango entre la temperatura de fusión y la temperatura del punto crítico del fluido de trabajo. . Todas las fuerzas que actúan sobre el medio de trabajo también influyen en el rendimiento real del transporte de calor. La gravedad puede complementar o cancelar parcialmente las fuerzas capilares en los tubos de calor. La fuerza centrífuga también actúa en ejes huecos giratorios construidos como tubos de calor .

Distinción

Con tubos de calor impulsados ​​por gravedad ( termosifón de dos fases o tubos de calor gravitacional ), el medio circula debido a la gravedad . Como resultado, el medio de transferencia de calor fluye automáticamente hacia el evaporador. A menudo, el calor solo se suministra a través del sumidero , es decir, hasta la altura del nivel del líquido. Esto depende de la formación de película por el medio (líquido) que fluye hacia atrás. Si los termosifones están alineados en una pendiente plana, pueden secarse si el medio condensado no fluye hacia atrás lo suficientemente rápido.

Los tubos de calor utilizan el principio de la mecha para guiar el fluido condensado de regreso al evaporador. Por tanto, el proceso es independiente del puesto; Los tubos de calor también funcionan en condiciones de ingravidez . En comparación con los termosifones, apenas tienden a secarse, ya que el flujo de líquido a través del capilar se mejora significativamente, lo que conduce a un mayor flujo de calor transferible. La estructura capilar también asegura que, a diferencia del termosifón, el calor se pueda suministrar en cualquier lugar y a cualquier altura. Los tubos de calor se utilizan donde se requieren altas densidades de flujo de calor en cualquier orientación.

Medios de trabajo

Temperaturas de evaporación (dependientes de la presión) de algunas sustancias en los tubos de calor

La capacidad del medio de trabajo para trabajar en una tubería de calor depende tanto de propiedades termodinámicas como la entalpía de vaporización como de propiedades fluídicas como la viscosidad cinemática y la tensión superficial . La tensión superficial y la entalpía de vaporización deben ser lo más grandes posible y la viscosidad lo más baja posible. Esto significa que se puede determinar el medio de transferencia de calor óptimo para el punto de funcionamiento. ${\ Displaystyle \ Delta h_ {v}}$ ${\ Displaystyle \ nu _ {l}}$ ${\ Displaystyle \ sigma}$

El número de mérito ( número de mérito , yo ) como una cantidad de desempeño específica se puede calcular como:

${\ Displaystyle Yo = {\ frac {\ sigma \ cdot \ Delta h_ {v}} {\ nu _ {l}}}}$

Entonces su unidad es vatios por metro cuadrado; Pero Me no corresponde a una densidad de flujo de calor real .

El número de mérito debe ser lo más grande posible en el rango de trabajo especificado (temperatura, densidad de flujo de calor) del tubo de calor, de modo que la transferencia de calor del tubo de calor sea lo más grande posible. Cabe señalar que estas propiedades dependen de la temperatura. Normalmente, Me se determina para varios posibles portadores de calor y luego sirve como ayuda para la toma de decisiones para elegir el medio correcto.

Para temperaturas muy bajas, se utilizan medios que son gaseosos en condiciones ambientales. Se pueden usar gases como el helio y el nitrógeno para cubrir el rango de temperatura cercano al cero absoluto (0 K) hasta aproximadamente -20 ° C. También se utilizan refrigerantes típicos como amoniaco o mezclas. A partir de 0 ° C, se puede utilizar agua como medio de transferencia de calor. Dependiendo de la posible resistencia a la presión (presión de vapor) del tubo de calor, el agua es suficiente hasta un rango de temperatura de 340 ° C. (Véase el punto crítico del agua a 374 ° C.) A partir de 400 ° C de temperatura, se habla de tubos de calor de alta temperatura. Los metales alcalinos como el sodio y el litio son los mejores portadores de calor aquí según el número de mérito. El límite superior del rango está limitado principalmente por la resistencia del material utilizado para la tubería de calor.

materiales

Se utilizan diferentes materiales dependiendo de las condiciones externas. El comportamiento del medio de transferencia de calor en relación con el material también juega un papel aquí. Por ejemplo, el sodio disuelve los componentes de los aceros, lo que provocaría la falla de una tubería de calor durante un largo período de tiempo.

Tubo de calor

En los rangos de temperatura más bajos, el cobre se usa principalmente porque es fácil de moldear y tiene una alta conductividad térmica . En el caso de los tubos de calor de alta temperatura, se utilizan principalmente aceros resistentes al calor como el 1.4841 o aleaciones a base de níquel . La forma de la mecha depende en gran medida del punto de operación. Se utiliza una mecha con baja resistencia al flujo dondequiera que el tubo de calor se opere en el límite de fuerza capilar. Las estructuras capilares ranuradas son típicas para esto. En el caso de los tubos de calor de alta temperatura, generalmente se usa una malla de alambre de malla cerrada debido a la alta densidad del medio de transferencia de calor. Incluso se utilizan tipos más simples en las tuberías de calor de cobre-agua, similares a los conductores de cobre en los cables eléctricos, principalmente debido a su producción económica.

Termosifón

Para aplicaciones en la construcción, los termosifones suelen estar hechos de aceros estructurales convencionales.

Historia y desarrollo

Un primer tubo de calor se patentó en 1944. Sin embargo, en este momento todavía no había una aplicación útil. No fue hasta la década de 1960 que los viajes espaciales se desarrollaron de manera decisiva que esta idea se retomó. Incluso hoy en día, los tubos de calor se utilizan para enfriar el lado de los satélites que mira hacia el sol. El primer tubo de calor de alta temperatura se presentó en 1964. Desde entonces, las descripciones físicas como las propiedades de ciertos portadores de calor, estructuras capilares y la descripción analítica de los tubos de calor se han ampliado significativamente. En la actualidad, todavía se están realizando investigaciones sobre los tubos de calor, porque representan un medio de transferencia de calor económico y muy eficaz.

usar

Debido al diseño flexible y la variabilidad de las propiedades, los tubos de calor se utilizan en muchas áreas en la actualidad. En los últimos años, el público en general los ha notado cada vez más debido a su uso en PC y portátiles . La altura total de las computadoras portátiles podría reducirse significativamente mediante el uso de tubos de calor, ya que los convectores de calor residual reales en los tubos de calor se podrían unir directamente a las superficies exteriores. La mayor transferencia de calor hizo posible integrar procesadores gráficos más potentes.

Mucho antes, en la década de 1960, se utilizaron tubos de calor en la tecnología espacial. En el caso de los satélites en particular , el uso de tubos de calor minimiza el gradiente de temperatura entre el lado que mira y el que mira en dirección opuesta al sol.

Tecnologia computacional

Tubo de calor entre el procesador y el ventilador en un portátil

Los disipadores de calor convencionales para refrigerar microprocesadores se basan exclusivamente en la convección forzada en las aletas de refrigeración . Para lograr la mejor transferencia de calor posible aquí, el ventilador o ventilador debe ubicarse lo más cerca posible de las nervaduras debido a la conductividad térmica limitante de las nervaduras. El aire calentado fluye en la dirección de la placa base y aumenta las temperaturas de la superficie de los componentes adyacentes. Además, normalmente hay más espacio más lejos de la placa base, lo que significa que se puede usar una forma más económica, lo que significa que se puede lograr una superficie más grande sin aumentar la masa del disipador de calor. Además, la disipación de calor en la carcasa es muy no direccional. Por otro lado, los refrigeradores que utilizan tubos de calor no dependen de la proximidad local porque permiten un desacoplamiento de la absorción de calor y la salida debido a su función. Por lo tanto, puede emitir calor residual de manera selectiva al flujo de aire de los ventiladores de la carcasa. En comparación con la refrigeración por agua, que a menudo se utiliza como alternativa, las tuberías de calor no requieren una bomba de circulación, lo que genera una generación de ruido adicional.

Construcción

Oleoducto Alaska con tubos de calor de acero estructural convencional. Evita que el subsuelo se descongele. Las aletas de enfriamiento se pueden ver en las pilas.

Los tubos de calor se han utilizado desde la década de 1970 para estabilizar el permafrost bajo el Oleoducto Trans-Alaska . Con las construcciones convencionales, dos pilotes de acero se bajan al suelo, que absorben la carga de la tubería . En el área del permafrost, sin embargo, esto no es fácilmente posible porque el aceite caliente a 40-80 ° C descongela el suelo localmente a través de la conducción de calor a través de las pilas. Las pilas se hundirían y la tubería se deformaría. Si la temperatura del aire es lo suficientemente baja, lo que ocurre principalmente en el área del permafrost, es posible evitar este problema mediante el uso de tubos de calor. El calor no se conduce al suelo, sino que se libera al aire ambiente a través de aletas de enfriamiento unidas a los tubos de calor . Además, el calor se extrae del suelo del permafrost mediante termosifones, lo que significa que permanece congelado y, por lo tanto, estable. Esta tecnología también se utiliza en el ferrocarril de Lhasa para estabilizar el terraplén en suelo de permafrost.

La circulación independiente del medio de trabajo en los tubos de calor y, por lo tanto, la eliminación de la energía auxiliar conduce a un mayor uso en el campo del uso de energía geotérmica. En sondas geotérmicas convencionales, a través de un bucle de línea de tierra hundido z. B. se bombea agua y la energía geotérmica obtenida se transfiere a una bomba de calor . Con las sondas de dióxido de carbono, se omite tanto la línea doble como la energía de bombeo para la circulación.

También se utilizan con éxito hoy en día en áreas donde no se sospecha directamente de la tecnología de tubos de calor, como los colectores de tubos de vacío . También se pueden encontrar en sistemas de recuperación de calor o intercambiadores de calor simples.

Los tubos de calor de alta temperatura se utilizan en la gasificación de biomasa alotérmica . Aquí transfieren calor en el rango de 850 ° C sin casi ninguna pérdida. Gracias a un concepto sofisticado, es posible con los tubos de calor convertir biomasa sólida, como astillas de madera, directamente en gas producto de alta energía.

Vehículos de motor

A pesar del constante desarrollo adicional, raras veces se superan las eficiencias mecánicas del 37% en un motor de gasolina moderno . Otras energías se disipan como pérdidas de calor a través del agua de refrigeración y el calor de los gases de escape. Para enfriar las válvulas de salida sometidas a grandes esfuerzos térmicos, algunas de ellas se hacen huecas y otras se llenan de sodio. El sodio se derrite durante el funcionamiento y el movimiento de la válvula disipa el calor del disco de la válvula particularmente crítico al vástago de la válvula. Solo de esta manera se podrían hacer que los motores de avión grandes potentes y refrigerados por aire pudieran ser operacionalmente seguros.

Tubos de calor controlables

Dado que los tubos de calor, además de su bajo peso y pequeño volumen, tienen una conductividad térmica que es hasta 1000 veces más alta que p. Ej. B. una varilla de cobre , el calor se puede transportar de manera selectiva en vehículos de manera sencilla. El único inconveniente sería el problema de la controlabilidad, es decir, la capacidad de variar la conductividad térmica como se desee, para encenderla o apagarla. Dos principios son adecuados para la controlabilidad de los tubos de calor:

Transferencia de calor controlable a través de dos tubos de calor acoplados con cuerpos metálicos ajustables

Control de calor externo de los tubos de calor

Dos tubos de calor, uno en la fuente de calor y otro en el disipador de calor , corren paralelos entre sí en sus extremos a una pequeña distancia, sin tocarse entre sí. En esta zona están rodeados por un cuerpo (acoplador) hecho de un material que conduce bien el calor (por ejemplo, cobre o aluminio ) con dos orificios que guían los tubos de calor con la mayor precisión posible. La conductividad térmica de todo el sistema se puede ajustar fácilmente presionando o tirando del acoplador, ya que el área de contacto entre los tubos de calor y el acoplador depende linealmente de la profundidad de inserción. El acoplamiento con control externo por un pequeño motor se puede reubicar en un lugar de fácil acceso, siempre que la (muy baja) resistencia térmica adicional de los tubos de calor más largos permita este desvío.

Control de calor interno de los tubos de calor

Control interno de heatpipes mediante válvula. Activado a la izquierda, no activado a la derecha.

El transporte de calor interno en el propio tubo de calor también se puede controlar, utilizando una válvula o un acelerador dentro del tubo de calor como elemento de control. Un acelerador que está montado de forma giratoria y controlado desde el exterior por un pequeño motor puede variar tanto el flujo hacia y desde el flujo del medio de transporte de calor desde la fuente de calor hasta el disipador de calor. Alternativamente, una pequeña válvula de solenoide ubicada dentro del tubo de calor , implementada por una bola magnética con un resorte de retorno, permite que el flujo de calor a través del tubo de calor se detenga en gran medida o se libere de nuevo.

En comparación con la válvula, el acelerador tiene la gran ventaja de que la conductividad térmica se puede controlar de forma continua, dependiendo del ángulo de ajuste. La válvula, por otro lado, solo permite encender o apagar la tubería de calor, ya que solo se puede abrir o cerrar debido al control a través de un electroimán. La desventaja de la válvula de mariposa, por otro lado, es su eje de control, que tiene que ser guiado hacia el exterior y que dificulta la consecución de un cierre hermético . En los vehículos de motor en particular, esto puede conducir a intervalos de mantenimiento indeseablemente cortos.

Uso de tubos de calor controlables en vehículos.

En un automóvil, el exceso de calor se puede transportar a casi cualquier punto utilizando tecnología de tubería de calor. La principal fuente de calor es la línea de gases de escape del motor de combustión interna. Aquí se dispone de una enorme potencia calorífica inmediatamente después de arrancar el motor. (La temperatura de los gases de escape es de varios cientos de ° C). El calor también se puede extraer de las superficies calientes del interior o del exterior , de la electrónica de potencia o del circuito de refrigeración o aire acondicionado. Luego se puede usar para aire acondicionado interior, calefacción de asientos, agua de refrigeración y calefacción de aceite del motor o para que las baterías alcancen la temperatura de funcionamiento más rápidamente. La controlabilidad del calor transportado es de gran importancia en todas partes aquí, lo que ya está claro en el área de confort.

Viaje espacial

Sección transversal a través de dos tubos de calor intercalados con material compuesto de fibra. Izquierda: incrustado en depresiones en forma de surcos. Derecha: integración directa

Las tuberías de calor a menudo están expuestas a fuertes fluctuaciones de temperatura, lo que resulta inmediatamente en fluctuaciones en el volumen del material. Si el tubo de calor está ahora sobre un material con un coeficiente de expansión térmica significativamente diferente (CTE para abreviar), se producen tensiones mecánicas que pueden dañar el tubo de calor o sus superficies externas de transferencia de calor. Este hecho es particularmente problemático debido a las enormes fluctuaciones de temperatura en la tecnología espacial . La diferencia de temperatura entre el lado de un satélite orientado hacia el sol y el lado opuesto al sol puede ser de 130 Kelvin en algunos lugares . Aquí, el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) se ha afirmado como material básico durante muchos años .

Sin embargo, los tubos de calor no están hechos principalmente de CFRP, sino de z. B. hecho de aluminio . Las ventajas de este elemento son, entre otras cosas, su bajo peso, su buena idoneidad para la producción de estructuras capilares, su óptima conductividad térmica y su resistencia química a los medios térmicamente conductores más utilizados. Los coeficientes de expansión térmica de los dos materiales difieren, sin embargo, muy fuertemente: el de CFRP, con 1 · 10 ⁻⁶  K ⁻¹ hasta 3 · 10 ⁻⁶  K ^{−1, es} solo alrededor de 1/24 a 1/8 la del aluminio (24 · 10 ^{- 6}  K ⁻¹ ).

Los materiales compuestos hechos de aluminio y material compuesto de fibra proporcionan un posible remedio . El tubo de calor de aluminio se combina de varias formas con material compuesto de fibra, que tiene un CTE muy bajo o incluso negativo. En la práctica, está incrustado en cavidades o depresiones en forma de ranuras, envuelto alrededor del bloque de aluminio como una especie de jaula, o el aluminio es penetrado por éste, es decir, directamente integrado.

Esta tecnología logra coeficientes de expansión térmica del sistema general de alrededor de 5 · 10 ⁻⁶  K ⁻¹ (el CTE del material compuesto contrarresta el del aluminio), lo que hace que la tecnología de tubería de calor también sea adecuada para viajes espaciales.

Diseño físico

Las ecuaciones para calcular la potencia transferible de una tubería de calor generalmente contienen coeficientes que deben seleccionarse sobre la base de datos obtenidos experimentalmente. Son decisivas las propiedades específicas del tubo de calor, como el tipo de estructura capilar, el tipo de medio de transferencia de calor, el espacio de vapor disponible, la temperatura de funcionamiento, etc. Con ecuaciones y coeficientes suficientemente bien elegidos, el error entre el modelo y el experimento se puede mantener en un espacio estrecho. Los pasos iniciales en el diseño de una tubería de calor son, por lo tanto, la elección del diseño y el establecimiento de un modelo numérico de tubería de calor correspondiente para simular la potencia transferible.

El modelo creado se calibra mediante un control experimental o se determinan los límites reales. Si el tubo de calor probado no alcanza el rendimiento requerido, se llevan a cabo cambios (por ejemplo, cambio de la estructura capilar) con el objetivo de aumentar el rendimiento. En el caso de un procedimiento puramente experimental, es necesario realizar una serie de experimentos que no se pueden determinar de antemano.

Para los tubos de calor de pequeña y mediana potencia (<1 kW), las ecuaciones esenciales son lineales o pueden linealizarse alrededor de un punto de desarrollo . Por lo tanto, se utilizan métodos de optimización numérica (p. Ej.) Para limitar el esfuerzo de diseño. Tales procedimientos reducen el número de experimentos en pruebas de calibración.

Se presta especial atención a los límites operativos al diseñar. Estas condiciones de contorno físicas se obtienen a partir de los parámetros del medio de transferencia de calor. Por lo tanto, es esencial un conocimiento preciso del medio de transferencia de calor utilizado. El funcionamiento es posible si el punto de funcionamiento (temperatura, flujo de calor) se encuentra dentro de estos límites.

Por lo general, se tienen en cuenta los siguientes límites:

Límite de viscosidad

Limita la densidad del flujo de calor a temperaturas de trabajo justo por encima del punto de fusión. El flujo se ve gravemente afectado por las fuerzas de viscosidad del vapor.

Límite de velocidad del sonido

La densidad del flujo de calor solo se puede aumentar hasta que el flujo de vapor creado por la diferencia de presión alcance la velocidad del sonido .

Límite de interacción

A altas densidades de flujo de calor, el líquido es arrastrado por el vapor y el secado parcial del capilar conduce a una interrupción en el flujo de líquido.

Límite de fuerza capilar

El límite de fuerza capilar se alcanza cuando las pérdidas de flujo del medio de transferencia de calor líquido son mayores que la presión capilar existente.

Límite de ebullición

El flujo de líquido está restringido o se detiene como resultado de la ebullición nucleada en el capilar.

Optimización de tubos de calor

Reducción de la resistencia a la temperatura.

Además de optimizar estructuras de materiales, etc. la eficiencia de un tubo de calor también se puede aumentar significativamente modificando los líquidos que actúan como medios de transferencia de calor. Investigadores de la Universidad de Tamkang en Danshui (Taiwán) desarrollaron una solución acuosa que contiene una cierta cantidad de diminutas nanopartículas y compararon sus propiedades con respecto al comportamiento de transferencia de temperatura con las de los líquidos de tubería de calor convencionales.

Quedó claro que el uso de esta solución como medio de transporte de calor en una tubería de calor da como resultado una mejora, es decir, una minimización de la resistencia a la temperatura del 10% al 80%. La eficiencia de este líquido no solo depende del tipo y estructura interna del tubo de calor, sino también de la concentración de la solución y el tamaño de las nanopartículas. Varias pruebas han demostrado que cuanto menor es el diámetro de las nanopartículas y menor su concentración en la solución acuosa, mayor es la resistencia a la temperatura del tubo de calor.

Las partículas de plata de 35 nm sirven como nanopartículas . La cantidad de partículas en la solución varía entre 1 mg y 100 mg por litro.

Estructura porosa no humectable

Representación del canal de condensado (mecha) y canal de vapor de una tubería de calor

En la década de 1990 se logró un gran avance en la tecnología de tubos de calor mediante el desacoplamiento seguro del condensado y el flujo de vapor utilizando una estructura porosa denominada no humectable , lo que condujo a un aumento significativo en la capacidad de transmisión interna. El problema hasta entonces era que el condensado de retorno ralentizaba el flujo de vapor opuesto a través de colisiones y, por lo tanto, tenía un impacto negativo en la transferencia de temperatura.

Esta estructura porosa no humectable, utilizada como canal de vapor de la tubería de calor, tiene la propiedad de una tensión superficial más baja que el propio medio de transporte de calor (como condensado ). Por lo tanto, la estructura porosa solo puede ser penetrada por el medio de transporte de calor en estado gaseoso y el condensado permanece en el exterior.

El transporte de temperatura es similar al mencionado anteriormente, a través del circuito de calor por canal de vapor y condensado en su lugar. La estructura porosa no humectable entre el canal de vapor y el canal de condensado forma el límite entre el área de evaporación y el área de condensación del tubo de calor.

El condensado se evapora a través del suministro de calor externo y ahora se mueve a través del anterior como un gas. Estructura dentro de la tubería de calor, el canal de vapor, a través del cual luego llega a la zona de condensación. Allí, en un disipador de calor , el tabique, de nuevo en forma de estructura porosa no humectable, forma el punto de transición a la zona de condensación. Debido al gradiente de presión o concentración , el gas se difunde hacia el exterior y entra en contacto con las paredes exteriores del tubo de calor. En este punto, se desprende energía térmica y el vapor se condensa. Debido a su alta tensión superficial, el condensado solo puede fluir de regreso a través del canal de condensado (efecto capilar), al final del cual, en la ubicación de la fuente de calor , el ciclo de temperatura comienza nuevamente a través de la entrada de calor externa.

Uso de nanoestructuras

Acción capilar en función del tamaño de los poros.

El desarrollo de un equipo de investigación estadounidense a partir de 2008 representa un aumento adicional:

Mediante el uso de nanotecnología en la producción de la estructura capilar en los tubos de calor, el efecto capilar sobre el medio de trabajo correspondiente aumenta de nuevo significativamente. En el diagrama adyacente puede ver claramente que a medida que disminuye el diámetro de los poros de la estructura capilar, la altura del fluido de trabajo que se puede alcanzar aumenta bruscamente. El agua mediana ofrece el mayor éxito aquí .

Además del mayor efecto de aceleración resultante sobre el medio de trabajo, esta tecnología tiene la carga de que el transporte de líquido dentro del tubo de calor a través de estructuras muy pequeñas, como uno quisiera realizar en la práctica, para lograr el mayor éxito posible, es de nuevo se ralentizó o incluso se evitó por completo porque los poros se han vuelto demasiado pequeños para penetrar. Otro factor perturbador son las indeseables falta de homogeneidad en el material (relacionadas con la producción), así como los altísimos costes de producción.

Protección contra sobrecalentamiento para tubos de calor

Sección transversal a través de un tubo de calor de lámina con protección contra sobrecalentamiento

Sección transversal a través de un tubo de calor de lámina en funcionamiento normal

Sección transversal a través de un tubo de calor de lámina en caso de sobrecalentamiento. La cavidad resultante forma una resistencia térmica.

Una cierta resistencia de la cubierta exterior de una tubería de calor suele ser útil, no solo para protegerla de daños mecánicos, sino también para poder soportar las diferencias de presión entre la presión atmosférica y la presión interna provocadas por el medio de transferencia de calor.

También pueden surgir problemas si la tubería de calor se expone a temperaturas excesivas, es decir, si la energía térmica suministrada es mayor que la que se puede descargar al exterior nuevamente en la zona de condensación (disipador de calor). Esto crea una presión interna inadmisiblemente alta, que puede dañar la cubierta exterior e incluso destruir el tubo de calor. Un posible remedio es una tecnología patentada en 2005, que se supone que previene el sobrecalentamiento a través del material exterior flexible.

Está construido en el interior a partir de una estructura conocida que consta de dos áreas con diferentes diámetros de poro (canal de vapor y condensado). En la zona media, el medio gaseoso debe guiarse a través de una estructura de material poroso con un gran diámetro de poro y en la zona exterior el condensado (a través del efecto capilar) debe guiarse a través de una estructura porosa con un diámetro de poro pequeño. La verdadera diferencia con el tubo de calor habitual radica en la propia camisa exterior. Esta no consiste en un material rígido, como es habitual, sino en dos láminas elásticas y también muy delgadas, que están conectadas en sus extremos y se apoyan en la estructura capilar exterior. . La presión interna y externa se compensan entre sí en el funcionamiento normal de tal manera que las láminas quedan paralelas entre sí a una distancia especificada y la estructura porosa externa está en contacto directo con la fuente de calor y el disipador de calor a través de las láminas .

Si se acumula una presión inesperadamente alta, ya sea debido al hecho de que se suministra más energía térmica de la que se elimina, las fuerzas actúan sobre la piel exterior del tubo de calor, que, debido a sus propiedades elásticas, lo empuja hacia afuera. La cámara resultante se llena con medio gaseoso de transferencia de calor. De esta manera se evita el daño mecánico al tubo de calor. Además, este fenómeno crea una resistencia térmica entre la estructura capilar que lleva el condensado y la piel exterior, porque el condensado y la fuente de calor ya no están en contacto directo entre sí, sino que están separados entre sí por el gas. Por tanto, se reduce la intensidad de la energía de calentamiento que actúa sobre el condensado, es decir, la energía térmica absorbida, lo que no se aplica a la energía emitida, ya que esta se almacena en el gas que todavía está en contacto con la piel exterior.

Otro punto a favor de esta tecnología con una cubierta de película son las dimensiones externas más pequeñas del tubo de calor, como resultado del hecho de que se prescinde de la cubierta masiva. En la práctica, debe asegurarse que el tubo de calor debe estar mejor protegido contra influencias mecánicas que con otros diseños.

Ampliación del área de trabajo

Representación de la zona de gas tampón y el área de trabajo de un tubo de calor lleno de gas tampón

El punto de trabajo de un tubo de calor se encuentra generalmente a la temperatura a la que el medio de transporte de calor se condensa o se evapora . Las áreas potenciales de aplicación de una tubería de calor son el resultado de esta propiedad específica, que es la razón por la que se utiliza una amplia variedad de medios de transporte de calor como medios de trabajo en la práctica. Aquí se utilizan a menudo mezclas de diferentes productos químicos, a través de las cuales se puede variar el punto de ebullición a cualquier temperatura.

Sin embargo, a menudo tiene más sentido, ya sea porque algunas sustancias entran en reacciones químicas no deseadas con el material de la tubería de calor utilizado o, por último, pero no menos importante, por razones de costo, para adaptar una mezcla deseada de tal manera que funcione como un medio de transporte de calor en muchos rangos de temperatura diferentes. Para ello, es aconsejable poder ajustar el punto de ebullición a voluntad, lo que se consigue en la práctica con la ayuda de un gas tampón .

Esta llamada extensión del rango de trabajo se basa en la propiedad física de la dependencia de la presión de los puntos de ebullición de los elementos. Ahora se incluye un paso adicional en el proceso de fabricación antes de que el tubo de calor se selle herméticamente :

Después del llenado con el medio transportador de calor y la evacuación del exceso de gases, se establece una presión interna definida llenando adicionalmente el tubo de calor con un gas, el llamado gas tampón. Esto forma una zona de amortiguación dentro del tubo de calor, en la que el medio de trabajo no puede penetrar. Un criterio importante para la elección de este gas tampón debe ser que en ningún caso debe entrar en reacciones químicas con el tubo de calor o con el medio de transporte de calor en la zona de trabajo posterior. Por ejemplo, cuando se usa mercurio como medio de trabajo , se podría usar un gas tampón inerte como argón o helio .

Con este método, se puede establecer una presión interna deseada, que varía el punto de ebullición del medio de trabajo y, por lo tanto, el rango de trabajo del tubo de calor, según se desee.

Además de poder establecer varios puntos de funcionamiento con este método, también es ventajoso que las impurezas que puedan surgir en el tubo de calor se descarguen en la zona de amortiguación y no afecten al funcionamiento posterior, ya que está fuera del conducto de condensado y vapor. . Sin embargo, la desventaja es el espacio adicional que requiere la zona de amortiguamiento. Como resultado, el tubo de calor no se puede utilizar para el transporte de calor en toda su longitud.

Fabricación

Una vez que se han resuelto las condiciones límite de la tubería de calor, estas también deben tenerse en cuenta durante la fabricación. La característica esencial es la temperatura de ebullición o la presión de vapor del medio, ya que la tubería de calor solo comienza a funcionar cuando se alcanza esta temperatura. La temperatura de ebullición se puede ajustar termodinámicamente a través de la presión de vapor . En la mayoría de los casos, se busca la temperatura de ebullición más baja posible. En el caso del agua, por ejemplo, esta sería la temperatura del punto triple . Si se echa un vistazo a The Associated mesa de vapor , se hace evidente que en el caso del agua es necesaria una presión extremadamente baja con el fin de reducir la temperatura de ebullición a la sala de temperatura, por ejemplo .

Uno de los métodos más comunes es la evacuación mecánica del tubo de calor. Se conecta una bomba correspondiente, y cuando se alcanza una cierta presión (vacío), la tubería de calor generalmente se cierra de forma puramente mecánica.

Este proceso es complejo y caro. Es por eso que se usa otra opción llenando la tubería de calor con el propio medio de transferencia de calor, en lugar de la evacuación con una bomba de vacío . Para este propósito, un tubo de llenado y un tubo de enfriamiento se conectan al tubo de calor. El medio de transporte de calor deseado se introduce en el tubo de calor a través del tubo de llenado. Después de este proceso, el tubo de calor se calienta en el otro extremo, de modo que se inicia el ciclo de calor habitual. Ahora el medio llenado, que inicialmente está presente como condensado , comienza a evaporarse. La presión que se acumula como resultado hace que el medio en la tubería de calor se expanda y, debido a la tubería de enfriamiento, todos los gases indeseables, es decir, aquellos que no son condensables, escapan a través de la tubería de llenado.

El propósito de la tubería de enfriamiento se hace evidente en este punto: el medio de transporte de calor, que mientras tanto se esfuerza como gas en la dirección de la tubería de llenado, se condensa a través del enfriamiento y regresa a la fuente de calor como condensado debido a la Acción capilar de la estructura de poros externos del tubo de calor . Los gases restantes, es decir, todos los que no son condensables, no entran en la estructura capilar, sino que son expulsados ​​hacia afuera por la presión interna.

La tubería de llenado se cierra herméticamente cuando se han expulsado todos los gases no condensables y el límite estacionario de aire y medio de transferencia de calor se encuentra directamente en la tubería de llenado.

Sobre todo, a la hora de utilizarlo hay que tener en cuenta que los tubos de calor son volúmenes cerrados. Con este cambio de estado ( isocórico ), la entrada de calor pasa directamente a la presión. Si se excede la temperatura permitida, puede provocar una explosión de vapor . Esto es particularmente importante durante el procesamiento posterior, ya que los tubos de calor a menudo se sueldan al disipador de calor real debido a su mejor conductividad térmica. Muchos tubos de calor están llenos de sustancias nocivas, por lo que los tubos de calor deben desecharse correctamente y no deben abrirse. La apertura también suele provocar una pérdida de funcionalidad.

Ver también

• Intercambiador de calor de capa a contracorriente

enlaces web

• Conceptos básicos de la tubería de calor (archivo PDF; 3 MB)
• Definición del número de mérito y su uso, inglés

fuentes

• Disposición de refrigeración para un ánodo giratorio (fuerza centrífuga)
• Gasificación alotérmica de lecho fluidizado: opciones para realizar la entrada de calor en lechos fluidizados (gravedad, tubería de calor; archivo PDF; 1001 kB)
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