Опубликовано Автор: Категории: Разное

Содержание

Греющий кабель для обогрева труб ♨ Москва, СПб, Казань.

Греющий кабель сохраняет целостность коммуникаций круглый год, предотвращая образование в трубах ледяных заторов и, как следствие, промерзание и прорыв. Целесообразно применять кабели нагрева в условиях сурового российского климата в зимние месяцы, когда расположенные в грунте инфраструктуры, вследствие сильных морозов теряют эксплуатационные характеристики. При монтаже трубопровода применяют теплоизоляционные материалы, однако, как показывает практика, данных мер не достаточно. Работа и водопроводов при длительной минусовой температуре вызывает изменение вязкости жидкости, проходящей по ним. Комплексный подход с применением греющего кабеля и теплоизоляционного материала позволяет исключить данную проблему. В каталоге интернет-магазина Вы можете купить с доставкой греющий кабель для обогрева труб от известных производителей, таких как: Heatus, Devi, Lavita, Fine, HandyHeat, Nexans, Nelson за несколько минут подобрав рациональный материал для защиты и утеплитель для трубопровода.


Как выбрать греющий кабель обогрева труб

Кабель для труб и трубопроводов от компании «Аварит» — это несколько десятков складских позиций продукции для защиты коммуникаций. Разделы каталога оформлены в формате рейтингов, что позволяет выбрать позиции, пользующиеся наибольшим спросом и кабель, рекомендованный инженерами.  Для расчетов потребуется: тип монтажа, требуемая мощность и материал трубы.

За клиентом остается выбор: купить ли кабели метражом на отрез или в комплекте с муфтами и термостатами. На греющий кабель для обогрева труб предоставляется инструкция. Монтаж не требует специальных навыков. Рекомендуется утеплять трубопровод кабелем до первых заморозков.

Мы предлагаем прогревочные кабели для труб, выдерживающие воздействие агрессивных сред, их применение целесообразно для производственных целей. Обратите внимание на специальные гигиенические кабели, которые опускают внутрь трубы с питьевой воды. Они специально разработаны для решения задач защиты от замерзания в быту.

Цены и доставка

Продажа греющего кабеля для труб с доставкой в регионы России. Пункты самовывоза в Москве, Санкт-Петербурге и Казани (цены интернет-магазина).

Промышленный обогрев протяженных трубопроводов с помощью СКИН-систем

Развитие рынка промышленного электрообогрева неразрывно связано с освоением новых нефтяных и газовых месторождений, строительством перерабатывающих комплексов и трубопроводных сетей в северных районах Российской Федерации. Инжиниринговые компании в последние годы предлагают все более надежные и экономичные системы промышленного электрообогрева. Именно таким решением является обогрев протяженных трубопроводов с помощью СКИН-систем. Применение СКИН-систем также решает задачи энергосбережения и повышения энергоэффективности, которые являются основными направлениями модернизации российской экономики.

Преимущества кабельных систем обогрева перед водяными и паровыми очевидны: они обладают малой материалоемкостью, их легче устанавливать, они не подвержены коррозии, не боятся разморозки, запитываются от общей системы электроснабжения предприятия, оснащаются автоматизированными системами управления, которые точно и по заданному алгоритму поддерживают выбранный режим, легко интегрируются с АСУ верхнего уровня и могут применяться на сложных и разветвленных сетях трубопроводов.

Применение кабельных систем обогрева трубопроводов успешно решает следующие задачи: полная или частичная компенсация тепловых потерь с целью обеспечения стабильного протекания технологического процесса; поддержание минимально допустимой температуры жидкости при остановке процесса; разогрев труб до заданной температуры при возобновления процесса после остановки (холодный пуск объекта).

Группа компаний «Специальные системы и технологии» начала свою деятельность на российском рынке систем промышленного обогрева в девяностых годах прошлого века. В 1998 году были реализованы первые проекты промышленного обогрева трубопроводов «Тепломаг», созданные на основе резистивных и саморегулирующихся кабелей. С самого начала работы на этом рынке Группа компаний «ССТ» обеспечивала заказчикам систем промышленного обогрева трубопроводов комплексные проектные решения: теплотехнические расчеты, проектирование, производство нагревательных кабелей и сопутствующих аксессуаров, поставку оборудования, монтаж, пусконаладку и сервисное обслуживание систем обогрева.

Для систем электрообогрева трубопроводов на основе резистивных и саморегулирующихся нагревательных кабелей требуется сопроводительная электрическая сеть, по которой подается напряжение к нагревательным секциям. При относительно малой длине трубопровода (примерно до 150 метров) величина сопроводительной сети минимальна, и мал ее «вклад» в стоимость системы в целом. Трубопроводы длиной 200 —500 м также могут обогреваться резистивными и саморегулирующимися кабелями, но в этом случае стоимость сопроводительной сети становится сопоставимой с затратами на нагревательные кабели. Для трубопроводов длиной 500–3000 м. оптимальным решением становится применение специальных трехжильных резистивных нагревательных кабелей серии «Лонглайн», подключаемых по схеме «звезды». Такой кабель одновременно выполняет функцию нагревательного элемента и питающей линии.

Промышленные системы обогрева на основе резистивных и саморегулирующихся кабелей успешно решали ранее и решают сегодня задачи обогрева трубопроводов длиной до 3 километров. Но развивающемуся нефтегазовому сектору российской экономики необходимо было надежное и экономичное инженерное решение для обогрева трубопроводов протяженностью от 3 километров и более. Группа ведущих инженеров ГК «ССТ» (в числе которых 10 кандидатов технических наук) в конце девяностых годов двадцатого века приступила к изучению вопроса создания промышленных систем электрообогрева протяженных трубопроводов на основе индукционно-резистивной системы нагрева, или СКИН-системы. На основании многолетних научных исследований и лабораторных испытаний специалисты ГК «ССТ» пришли к выводу, что

единственным способом промышленного электрообогрева трубопроводов длиной до 30 километров, который не требует сопроводительной сети, является СКИН-система. Первая промышленная система обогрева протяженного трубопровода на основе СКИН-системы, спроектированная и произведенная в ГК «ССТ» была смонтирована в 2002 году
. На сегодня Группа компаний «Специальные системы и технологии» является одним из мировых лидеров в области профессионального проектирования, производства, монтажа и обслуживания СКИН-систем.

СКИН-система, или индукционно-резистивная система нагрева (ИРСН), предназначена для разогрева, поддержания температуры и защиты от замерзания сверхдлинных трубопроводов. Основными объектами, на которые устанавливаются СКИН-системы являются: водоводы (при освоении и эксплуатации всех видов месторождений), выкидные линии (транспортируемые продукты — сырая нефть и нефтепродукты), серопроводы (транспорт жидкой серы), трубопроводы транспорта вязких химических веществ (внутризаводские межцеховые трубопроводы предприятий химии и нефтехимии).

Принцип работы СКИН-системы основан на применении специальных нагревательных элементов, использующих явление скин-эффекта и эффекта близости в проводниках из ферромагнитных материалов на переменном токе промышленной частоты (50 Гц). Нагревательный элемент представляет собой трубку из специальной низкоуглеродистой стали с наружным диаметром от 20 до 60 мм., внутри которой располагается специальный проводник из немагнитного материала (меди или алюминия) сечением от 8 до 40 кв.

 мм. Проводник в конце плеча обогрева надежно соединяется со стальной трубкой, а в начале плеча между трубкой и проводником подается переменное напряжение, величина которого рассчитывается исходя из необходимого тепловыделения и длины участка обогрева.

Питающее напряжение прикладывается таким образом, что по медному проводнику ток течет в одном направлении, а по стальной трубке возвращается. Переменный ток течет по всему сечению внутреннего проводника, поскольку на промышленной частоте в немагнитном материале с хорошей проводимостью заметного поверхностного эффекта не возникает. В ферромагнитном внешнем проводнике (стальной трубке) скин-эффект ярко выражен, т.е. ток протекает не по всей толще стенки трубки, а в тонком (около 1 мм.) поверхностном слое. Причем этот слой расположен у внутренней поверхности стальной трубки.

Принцип действия СКИН-системы

Как отмечено выше, ток протекает по внутренней поверхности трубки скин-нагревателя, а на внешней ее поверхности он практически отсутствует. Отсутствие электрических потенциалов делает систему безопасной для обслуживающего персонала. Этот эффект позволяет заземлять трубку в любом месте. На ближнем и дальнем концах системы обогрева трубка заземляется обязательно.

При протекании тока происходит выделение тепла в обоих проводниках. При правильном конструировании системы 60-80 % тепла выделяется в стальной трубке и только 20-40% — в проводнике с медной жилой. Электрически система строится так, чтобы обеспечить непрерывность как скин-проводника, так и трубки скин-нагревателя, представляющей собой обратный проводник.

Рабочий диапазон температур СКИН-систем составляет от -50 до +160°С. Напряжение питания — до 4,0 кВ, частота — 50 Гц. Удельное тепловыделение одного элемента — до 100 Вт/м.

Зависимость удельного тепловыделения одного элемента от длины обогреваемого участка.

В зависимости от рабочей и максимально возможной температуры трубопровода можно выделить три исполнения СКИН-системы. Низкотемпературный вариант СКИН-системы обеспечивает защиту от замерзания водоводов, поддерживая температуру от 3 до 5°С. Среднетемпературный вариант СКИН-системы, поддерживающий температуру до 60°С, предназначен для обогрева трубопроводов, по которым транспортируется сырая нефть и нефтепродукты. Высокотемпературный вариант СКИН-системы может поддерживать температуру до 160°С и используется для обогрева трубопроводов, по которым транспортируются вязкие нефтепродукты, сера, химические вещества.

Расчетное распределение температур на примере обогрева теплоизолированного трубопровода двумя нагревательными элементами СКИН-системы суммарной мощностью 120 Вт/м. Диаметр трубы 108 мм, температура окружающего воздуха −35°С.

В зависимости от схемы прокладки трубопровода, конструктивное исполнение СКИН-систем может быть трех типов: надземное, подземное и подводное. В рамках одной системы возможна комбинация нескольких исполнений, например, надземный трубопровод имеет участки прохода под дорогами (подземное исполнение) или под реками (подводное исполнение). Каждое из исполнений требует применения своих конструктивных решений и материалов.

Важную роль при монтаже СКИН-систем играет тип применяемой теплоизоляции. Возможен вариант монтажа систем на предварительно изолированные трубы, либо изоляция в виде скорлуп укладывается на месте.

В зависимости от необходимой мощности подогрева используются одно-, двух- или трехтрубные СКИН-системы.

Группа компаний «Специальные системы и технологии» обладает опытом проектирования, производства и монтажа практически всех описанных выше типов СКИН-систем, включая систему обогрева подводных трубопроводов. Производственная и научно-исследовательская база ГК «ССТ» позволяют предлагать заказчикам комплексные проекты обогрева трубопроводов на основе СКИН-систем с гарантией 5 лет с момента ввода в эксплуатацию. СКИН-системы, производимые ГК «ССТ» имеют российский сертификат соответствия, разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору, аттестацию Российского Морского регистра судоходства. СКИН-системы сертифицированы и аттестованы для использования на объектах ОАО «Газпром», АК «Транснефть».

В состав комплекта, поставляемого для монтажа СКИН-системы, входят следующие материалы и оборудование:

СКИН-проводник (индукционно-резистивный проводник — ИРП) — высоконадежный, изготавливаемый специально для СКИН-систем многожильный медный проводник, со сроком службы не менее 25 лет.

СКИН-нагреватель (индукционно-резистивный нагреватель — ИРН) или скин-трубка — металлическая ферромагнитная трубка с нормированным значением магнитной проницаемости со сроком службы не менее 25 лет. Скин-трубка поставляется в готовом для монтажа виде. Крепление скин-трубки к основной трубе производится либо точечной сваркой (если сварка разрешена), либо металлическими хомутами при помощи специального инструмента. Метод крепления определяется по согласованию с Заказчиком.

Соединительные коробки конструкции «ССТ» — используются для облегчения протяжки СКИН-проводника и для установки соединительных муфт между участками СКИН-проводника.

Соединители СКИН-проводника — многослойные высоконадежные высоковольтные соединители для СКИН-проводника.

Питающий трансформатор — в данной системе используются нестандартные трансформаторы, изготавливаемые специально для конкретного проекта, обеспечивающие подключение однофазной или двухфазной нагрузки при сохранении симметрии первичной сети.

Шкафы управления — предназначены для формирования сигналов включения — выключения системы электрообогрева и контроля параметров системы. Контроль температурных параметров осуществляется от датчиков температуры воздуха и обогреваемого трубопровода через многофункциональный контроллер PSTAB. Пульт дистанционного управления предусматривает возможность снятия параметров СКИН-системы, при необходимости их передачи на диспетчерский пункт. Система управления позволяет оптимизировать использование потребляемой электроэнергии в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Комплектная трансформаторная подстанция (КТП) запитки системы (поставляется по дополнительному заказу) — предназначена для размещения понижающего трансформатора, устройств защиты и пуска системы со стороны высокого и низкого напряжений. Блок-бокс, в котором размещается КТП, представляет собой модульную закрытую конструкцию, внутри которой оборудование защищено от наружных атмосферных воздействий.

В состав поставки по дополнительному согласованию могут входить запасные части для системы электрообогрева и специальный монтажный инструмент.

Схема электропитания СКИН-системы

Из основных эксплуатационных преимуществ применения СКИН-систем для обогрева протяженных трубопроводов необходимо выделить следующие.

Установка СКИН-систем требует меньших капитальных затрат относительно других систем обогрева трубопроводов. Даже при длине трубопровода 2-3 километра стоимость СКИН-системы остается сравнимой с другими способами подогрева (с использованием резистивных или саморегулирующихся нагревательных кабелей).

Срок службы СКИН-системы составляет не менее 25 лет. Это связано с тем, что скин-проводник большого сечения разгружен от функции тепловыделения и выполняет фактически функцию встроенной сопроводительной сети электропитания. Металлическая трубка при правильной обработке и обустройстве заземления также весьма долговечна, поскольку находится под слоем теплоизоляции и защитной оболочкой трубопровода. Прочные тепловыделяющие элементы в виде стальных труб обеспечивают механическую прочность и защиту токонесущих проводников от повреждений.

СКИН-системы являются электро- и взрывобезопасными. Наружная поверхность тепловыделяющего элемента (скин-трубки) имеет нулевой потенциал относительно земли, кроме этого, она надежно заземлена, полностью экранирует и защищает находящийся внутри токонесущий скин-проводник. Соответствующее исполнение соединений и конструкции протяжных и соединительных коробок также обеспечивает электрическую и механическую безопасность.

СКИН-система обеспечивает хороший тепловой контакт. Металлический тепловыделяющий элемент (скин-трубка) непосредственно приваривается к магистральному трубопроводу или прикрепляется к нему с помощью стяжных хомутов. Для улучшения теплопередачи между обогреваемой трубой и скин-трубкой используется специальная теплопроводящая паста Silarm.

В системе питания СКИН-систем применяется запатентованное ООО «ССТ» устройство питания одно- и двухфазных индукционно-резистивных нагрузок, обеспечивающее симметрию в первичной трехфазной сети. Применение данных устройств позволяет решить проблему так называемого «перекоса фаз» (неравномерного распределения токов по фазам). «Перекос фаз» особенно нежелателен при питании системы от автономных дизель-генераторных установок.

СКИН-систему достаточно просто монтировать. Тепловыделяющие элементы системы не имеют наружной электрической изоляции, которую можно повредить при монтаже. Кроме того, специалистами ГК «ССТ» разработан комплект специальных приспособлений, ускоряющих монтаж СКИН-систем.

Компания «Специальные системы и технологии» является крупнейшим российским производителем бытовых и промышленных систем кабельного электрообогрева и одним из ведущих мировых производителей СКИН-систем. ГК «ССТ» обладает всеми необходимыми технологическими возможностями для производства СКИН-систем, применяемых на любых типах трубопроводов.

В процессе проектирования СКИН-систем специалистами ГК «Специальные системы и технологии» были разработаны научные основы расчетов характеристик систем, отработаны методы испытаний. Разработаны конструкции и освоено производство всех элементов СКИН-системы: высоковольтных кабелей, питающих, соединительных и концевых коробок, высоковольтных соединителей. Разработаны и запатентованы схемы специальных трансформаторов. Созданы конструкции автономных КТП, приспособленных к условиям эксплуатации в районах Крайнего Севера. Отработаны методы монтажа и пуско-наладки СКИН-систем.

Вся продукция, производимая ГК «ССТ», проходит до 14 ступеней контроля перед поставкой ее на объекты. Продукция ГК «ССТ» сертифицирована для использования во взрывоопасных зонах в России, Украине, Казахстане и Республике Беларусь.

Инжиниринговая компания «ССТэнергомонтаж», входящая в Группу компаний «ССТ» предоставляет заказчику комплексные решения в сфере промышленного обогрева, включая проектирование, поставку оборудования, монтаж, пуско-наладку и сервисное обслуживание СКИН-систем. На основании исходных тепловых расчетов определяется предварительная стоимость системы обогрева, выполняется моделирование наиболее ответственных узлов, разрабатывается проект, в соответствии с которым производится изготовление элементов системы обогрева, систем управления обогревом и вспомогательных элементов.

Инжиниринговой компанией «ССТэнергомонтаж» накоплен большой опыт проектно-сметных работ, установки, пуско-наладки и эксплуатационного обслуживания СКИН-систем на различных предприятиях нефтегазовой промышленности. «ССТэнергомонтаж» является членом саморегулирующихся организаций: НП «Гильдия архитекторов и проектировщиков» и Некоммерческое партнерство по строительству нефтегазовых объектов «Нефтегазстрой». В инжиниринговой компании «ССТэнергомонтаж» внедрена и сертифицирована система менеджмента качества по стандарту ISO9001:2000.

За 15 лет работы специалистами «ССТэнергомонтаж» спроектировано и смонтировано более 3,5 тысяч промышленных систем обогрева трубопроводов и резервуаров (включая СКИН-системы), которые работают на объектах РАО «Газпром», ОАО «НК Лукойл», ОАО «НК Роснефть», АНК «Башнефть», ОАО «Татнефть», ОАО «АК «Транснефть», АК «Алроса» и многих других российских и зарубежных компаний. (Приложение 1)

Приложение 1. Референс-лист ГК «ССТ». Проектирование и монтаж СКИН-систем

ЗаказчикОбъектВыполненные работы
РАО «Газпром»
ОАО «Газпром Добыча Ямбург»		Заполярное ГНКМСКИН-система на межплощадочном водоводе длиной 18000 метров
РАО «Газпром»
ООО «Уренгойгазпром»		Песцовое ГКМСКИН-система на водоводе длиной 40000 метров и межплощадочных сетях − 5000 метров
РАО «Газпром»
ОАО «Сибирская нефтегазовая компания»		Береговое ГНКМСКИН-система на водоводе длиной 10000 метров
Total-Fina-ElfХарьягинское нефтяное месторождение. Харьяга-IIIСКИН-система на нефтяных межплощадочных трубопроводах длиной 50000 метров
ОАО НК «ЛУКОЙЛ» ЗАО «ЛУКОЙЛ-СЕВЕР»Южно-Инзырейское нефтяное месторождение Напорный нефтепровод от скв. № 253 до врезки в магистральный тр-д ПечоранефтьСКИН-система на трубопроводе длиной 12,5 км. Длина ИР-проводника 25 км. S=542 кВА. В работе с 2002 г.
РАО «Газпром»
ОАО «Ямбурггаздобыча»		Заполярное ГНКМ Межплощадочный водовод УКПГ 2С — УКПГ 3С «Заполярное»СКИН-система на трубопроводе длиной 8 км. Длина ИР-проводника 8 км. S=240×2=480 кВА. В работе с 2004 г.
Заполярное ГНКМ Межплощадочный водовод ВЖК НГКМ Заполярное — АРЗ ПромбазаСКИН-система на трубопроводе длиной 5 км. Длина ИР-проводника 8 км. S=299 кВА. В работе с 2004 г.
РАО «Газпром»
ООО «Уренгойгазпром»		Песцовое ГКМ Межплощадочный водовод ВЗС — УКПГ «Песцовое»СКИН-система на трубопроводе длиной 2×20 км. Длина ИР-проводника 40 км. S=308×5=1540 кВА. В работе с 2004 г.
НК «ЛУКОЙЛ»
ООО «Нарьянмарнефтегаз»		Тэдинское НГКМ Нефтегазосборные коллектора
1) от куста № 2 до куста № 1
2) от куста № 4, № 3 до ЦПС Напорный водовод
3) от ЦПС до куста № 1		СКИН-система на трубопроводе общей длиной 12 км. Длина ИР-проводника 12 км. S=113+360+162=635 кВА. В работе с 2004 г.
Тобойское НГКМ Нефтегазосборные коллектора
1) от куста № 6 до ЦПС «Тобой»
2) от куста № 2 до ЦПС «Тобой»
3) от куста № 5 до ЦПС «Тобой»
4) от скв. № 66 до ЦПС «Тобой»		СКИН-система на трубопроводе общей длиной 16,5 км. Длина ИР-проводника 17 км. S=204+539+161+399=1303 кВА. В работе с 2005 г.
Мядсейское НГКМ Нефтегазосборные коллектора
1) от куста № 8 до ДНС «Мядсей»
2) от скв. № 49 до ДНС «Мядсей»
3) от скв. № 51 до куста № 8 «Мядсей»		СКИН-система на трубопроводе общей длиной 11,7км. Длина ИР-проводника 12 км. S=185+139+101=425 кВА. В работе с 2005 г.
НГКМ Перевозная Нефтегазосборные коллектора
1) от скв. № 7 до т. врезки в НГС коллектор куста скв. № 2 ЦПС «Тобой»		СКИН-система на трубопроводе длиной 13,4 км. Длина ИР-проводника 13,5 км. S=355+174=529 кВА. В работе с 2005 г.
Торавейское НГКМ Высоконапорный водовод
1) от скв. № 2 ВЗ (куст № 3) до скв. № 27		СКИН-система на трубопроводе длиной 3 км. Длина ИР-проводника 3 км. S=81кВА. В работе с 2005 г.
ОАО «ИТЕРА»
ОАО «Сибирская нефтегазовая компания»		Межплощадочный водовод Берегового ГНКМСКИН-система на трубопроводе длиной 2×5 км. Длина ИР-проводника 10 км. S=165 кВА. В работе с 2003 г.
АК «АЛРОСА»Межплощадочный водовод Нюрбинского горно-обогатительного комбинатаСКИН-система на трубопроводе длиной 20 км. Длина ИР-проводника 20 км. S=1105 кВА. В работе с 2005 г.
НК «ЛУКОЙЛ»
ЗАО «Север ТЭК»		Межплощадочные водоводы НГКМ «Южно-Шапкинское»СКИН-система на трубопроводе общей длиной 13 км. Длина ИР-проводника 13 км. S=180+63+98=341 кВА. В работе с 2004 г.
НК «АЛЬЯНС»
(ООО «Дон терминал»)		Мазутопровод на водно-железнодорожной перевалочной базе нефтепродуктов Азовского района, Ростовской областиСКИН-система на двухплечевой системе трубопроводов (подземная+надземная) общей длиной 3612 м

Специалисты инжиниринговой компании «ССТэнергомонтаж» проводят обучающие семинары и тренинги для инженеров компаний, эксплуатирующих промышленные системы обогрева. Инжиниринговая компания «ССТэнергомонтаж» постоянно работает в направлении совершенствования технологий и повышения эффективности устанавливаемых систем обогрева. «ССТэнергомонтаж» является инициатором и одним из организаторов международного Форума «Промышленный электрообогрев», который ежегодно становится одной из ведущих дискуссионных площадок профессионалов отрасли промышленного обогрева.

М.Л. Струпинский, генеральный директор ООО «Специальные системы и технологии», кандидат технических наук
Н.Н. Хренков, технический директор ООО «Специальные системы и технологии», кандидат технических наук
В.Д. Тюлюканов, директор ООО «ССТэнергомонтаж»

водопровод саморегулирующий, обогрев труб и инструкция обогревающая, нагревательный внутри

Для качественного электрического отопления следует правильно подобрать греющий кабель

Основой любой системы электрического отопления является греющий кабель, напоминающий своей структурой классический проводник. С физической точки зрения, конструкция разработана таким образом, чтобы трансформировать электрическую энергию в тепловую с минимальными потерями. В отличие от традиционных кабелей, где нагрев является побочным эффектом, греющий кабель сконструирован таким образом, чтобы весь ток превращался в тепло.

Положительный аспект подогрева трубы водопровода от замерзания

Надежность – схема установки разработана таким образом, чтобы полностью исключить вероятность замерзания системы. Непосредственным образом с этим связана безопасность конструкции. Вне зависимости от разновидности электрокабеля, его можно использовать для поддержания требуемой температуры труб с питьевой водой.

Помимо перечисленных возможностей, конструкции подобного рода имеют ряд других преимуществ:

  • Универсальность – теплокабель подключается к действующему трубопроводу, расположенному под землей или на открытом воздухе;
  • Простота в обслуживании – самогреющий агрегат подключит даже новичок, что уменьшает издержки, связанные с инсталляцией;
  • Экономия ресурсов – система утепления изнутри и снаружи регулируется в зависимости от климатических особенностей;

Насладиться в полной мере водопроводной трубой, в которой установлен термопровод можно только в одном случае. Необходимо правильно оценить плюсы и минусы подобной идеи, по завершению установки проверить надежность каждого элемента.

Структура греющего кабеля для труб

Ошибочно полагать, что продукция подобного рода характеризуется унифицированным характером.

В зависимости от условий эксплуатации, обогревающий шнур дифференцируется на основании количества обмоток и физико-химического состава оболочек.

Чем таковых больше, тем меньше потери тепла. При этом нужно помнить, что для прогрева просторного и не очень помещения нельзя использовать один и тот же кабель.

Вне зависимости от производителя, греющий кабель имеет перечисленные ниже элементы конструкции:

  • Нагревательный проводник, который изготовлен из медной ленты;
  • Плотная наружная оболочка, выполненная из кремния и ряда органических соединений с добавлением резины;
  • Благодаря использованию прочной оплетки из медной проволоки, обогрев труб проходит с минимальной потерей тепловой энергии;
  • Завершает конструкцию первичный изоляционный слой, произведенный на основе кремния и органических соединений.

Вне зависимости от того, какую нагревательную систему планируется установить, в обязательном порядке нужно ознакомиться с имеющейся инструкцией. Там расписано внутреннее устройство кабеля. В большей степени проверяется качество внешней и внутренней обмотки, которая заметна на разрезе. Помимо этого, подключить кабель будет гораздо проще, если он имеет защитный кожух.

Разновидности греющего кабеля для водопровода

Открывает список модель HTS-1F, которая применяется для регионов с умеренным климатом. Внутри расположен нагревающий элемент, отвечающий за последовательное увеличение температуры.

Вся система основана на 1-жильной тепловой ленты. Если погода за окном достаточно капризна или речь идет о промышленном объекте, то внимание стоит обратить на MIC.

Самонагревающийся резистивный шнур работает в диапазоне от -60 до +500 градусов по шкале Цельсия. Среди других его преимуществ можно выделить устойчивость к продолжительному воздействию агрессивных сред, а также возможности выполнить монтаж и последующий подогрев участков, расположенных вблизи зон с повышенным риском взрыва.

Помимо перечисленных разновидностей, в торговой сети можно найти ряд иных моделей:

  1. В экстремальных погодных условиях, где резкий и значительный перепад температур зимнего и летнего периода предпочтительнее использовать кабель ССУ. Улучшенные показатели обеспечены многослойной обжимкой.
  2. Конструкция постоянной мощности LLS – идеальна в тех случаях, когда прокладка обогревочного контура выполнена на большой территории. Речь идет о расстоянии свыше трех километров. Помимо значительных расстояний, согревающий кабель обеспечивает высокую генерацию тепловой энергии – 55 Вт/м.
  3. Резистивная модель ТМФ применяется в безмуфтовых сварных секциях. Использованный электропривод позволяет охватить большую площадь. К примеру, его можно использовать для нагрева промышленных резервуаров.
  4. Модель СНКЭО разработан таким образом, что его двойная обмотка выдерживает продолжительные температурные скачки и перепады уровня влажности. Благодаря этому, его укладка становится возможной на даче в бассейне или сауне. Диапазон рабочих температур составляет от 0 до +100С. Для поддержания его работы требуется постоянный уровень мощности.

Перед тем как приобрести ту или иную систему нагрева водопровода, необходимо изучить ее эксплуатационные характеристики. В большей степени внимание обращается на диапазон рабочих температур, разрешенную глубину и уровень влажности. В том случае, если на подготовительном этапе допускается ошибка, даже при незначительном похолодании произойдет замерзание всей системы подогрева.

Выбираем нагревательный кабель для водопровода

Купленный электрический обогреватель не станет серьезным потрясением для бюджета, если на этапе проектирования тщательно рассмотреть все технические нюансы. В основе рационального выбора находится конкретная цель проекта и предполагаемые эксплуатационные характеристики.

Для начала нужно запомнить, что термокабель подразделяется на бытовой, промышленный и загородный. Не сложно догадаться, что представленная классификации основана на месте установки конструкции.

Другая система классификации основана на степени устойчивости материала – кабель для внутренних и наружных работ. Если речь идет о первом варианте, то его мощность рассчитывается таким образом, чтобы устройство создало оптимальную атмосферу в комнате с заданными параметрами.

Помимо перечисленных характеристик, конструкции подобного рода имеют ряд других характеристик:

  1. В отдельную категорию выделяются системы, используемые в канализации. Их задача – обеспечить заданный температурный режим. В зависимости от технического задания, терморегулирующий кабель можно установить внутри водостока и водосброса. Помимо этого, наличие тройной обмотки защитит систему водоснабжения от замерзания.
  2. Для бытовых нужно рекомендуется использовать конструкцию, мощность которой не превышает 60 Ватт на 1 метр площади. Необходимо избежать подключения более мощного термошнура, иначе счета за коммунальные услуги существенно увеличатся.

Правильно выбрать тип конструкции поможет предварительный расчет сети. Вне зависимости от производителя, все виды кабелей имеют две основных характеристики. В первом случае речь идет о мощности в состоянии покоя. В тот момент, когда провод не задействован в системе обогрева, данный показатель должен быть около «0». Второй значимой характеристикой является рабочая мощность трубопровода. Чем она больше, тем проще обогреть большое помещение.

Устанавливаем греющий кабель внутри трубы

Как только основа водяной системы отопления подготовлена, можно смело переходить к основной части работы. Новичок обязан смонтировать все таким образом, чтобы исключить внеплановые потери тепла. Установка производится внутри канализационной системы с учетом необходимости формирования требуемого уровня сопротивления.

Для начала производится монтаж трубы своими руками. Делается это открытым или закрытым способом в зависимости от климатических особенностей региона.

После этого нужно зафиксировать кабель на поверхности трубы. Выбор здесь невелик, ведь подогревающий провод монтируется внутри или снаружи.

Дальнейший порядок действий выглядит следующим образом:

  1. Выбор местоположения кабеля во многом зависит от климатических особенностей региона. К примеру, если речь идет о круглогодичном использовании, то в этом случае нужно зафиксировать источник тепла внутри шланга. Аналогичным образом рекомендуется поступить, если средняя температура самого теплого месяца не превышает -19С.
  2. Вне зависимости от положения, теплый Мерлен провод монтируется в несколько рядом. Оптимальным способом считается спиральная конструкция. В качестве амортизатора применяется пластиковая лента или сетка, сделанная из металла.

Как уже говорилось ранее, каждый шаг определяется не только конечной целью, но и характеристиками эксплуатационных условий. К примеру, если погода за окном большую часть года не радует теплыми деньками, то качественный прогрев летом и зимой обеспечит установленный внутри шланга шнур.

Резистивный и саморегулирующий греющий кабель для водопровода

Как было сказано раньше, выбор между двумя разновидностями основан на практической составляющей. Если планируется остановить свой выбор на резистивной модели, то прогревающий провод делится на ленточную и зональную категорию.

В обоих реализован принцип генерации тепла в момент непосредственного прохождения через обогревательный элемент тока.

Это выгодно, ведь в режиме покоя установка не потребляет ресурсы.

Сложнее обстоит дело с саморегулирующейся разновидностью:

  • Делятся на 1-жильные и 2-жильные в зависимости от объема генерации тепла;
  • При необходимости система может работать с большей мощностью, но для этого потребуется нарастить количество жил и увеличить термоизоляцию;
  • Если его правильно заизолировать конструкцию, то генерация тепла происходит по всей длине провода.

Резистивные нагреватели используются в тех местах, где нет потребности в режиме 24/7 поддерживать заданную t. Если речь идет о бане, всевозможных скважинах и так далее, то ставка делается на саморегулирующийся прогревочный кабель Леруа.

Особенности саморегулирующегося греющего кабеля

Сделать выбор в пользу данной разновидности оправдано в том случае, когда на участке присутствует системы умный дом. Благодаря использованию блока управления, электропровод точечно доставляет необходимое количество тепловой энергии.

Избежать распространенных проблем, связанных с эксплуатацией подобной системы, помогут приведенные ниже практические советы:

  • Установка производится при t не ниже +17С;
  • Не допускается использование такого электрообогрева для пищевых нужд, например, для труб, доставляющих питьевую воду;
  • В качестве дополнительного элемента фиксации провода вблизи сливных систем применяется монтажный скотч.

Саморегулирующиеся конструкции способны более рационально использовать тепловую энергию. Залогом успеха является правильная установка и регулярное обслуживание системы.

Эксплуатируем греющий кабель саморегулирующийся для обогрева труб: инструкция

Часто можно услышать, что водонагревательный элемент быстро выходит из строя. Как правило, проблемы возникают спустя 2-4 месяца с момента установки. Анализ всех случаев показывает, что многих неурядиц можно избежать.

В 7 случаях из 10 речь идет о человеческом факторе.

Проще говоря, электронагревательная система становится жертвой перечисленных ниже ошибок:

  • Отсутствие достаточной системы изоляции;
  • Неправильный выбор внешнего покрытия, что привело к быстрой коррозии;
  • Даже мощный электроподогрев не справится с поставленной задачей, если неправильно рассчитана мощность.

Монтаж греющего кабеля внутри трубы (видео)

Технология использования греющего кабеля позволяет обеспечить необходимый температурный режим в канализации, системах водяного отопления и так далее. Для того чтобы не пришлось жалеть о потраченных средствах, на этапе проектирования учитываются климатические характеристики и параметры того помещения, которое планируется отапливать.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Кабель греющий для водостоков и крыши: виды электрокабелей

Чтобы на кровле не образовывались сосульки, по ее краю прокладывают кабель греющий для водостоков. Есть несколько видов кабельного обогрева, поэтому нужно заранее рассчитать мощность провода и его протяженность.

Обогрев крыши и водостоков греющим кабелем необходим для устранения снежных осадков и наледи.

Что такое электрическая система обогрева

В основе работы лежит использование электрического кабеля. Нагреваясь, он отдает тепло, растапливает снег. Система простая, но отличается эффективностью. Ее монтируют в частных домах, обогревают трубопровод канализации, ливневки, а также водостоки.

Инженеры создали несколько моделей, но до их приобретения нужно определить, какой вид подходит лучше всего. Если монтаж сделан без ошибок, снег больше не будет скапливаться.

При таянии льда весной вода будет быстро отводиться в водослив. Это означает, что можно не бояться разрыва труб, а водосточные желоба не деформируются под весом сосулек, не обрушатся вниз.

Технологические требования

На проложенный по краю крыши нагревательный провод окружающая среда оказывает негативное воздействие. Он нагревается под солнечными лучами, расширяется и сжимается при суточных и сезонных колебаниях температуры. На него воздействует влага и ветер.

Чтобы кабель не вышел из строя, он должен соответствовать следующим требованиям:

  1. Быть устойчивым к воздействию ультрафиолета.
  2. Быть прочным и герметичным.
  3. Иметь длительный срок службы и быть безопасным.

Производители выпускают электропровод в бухтах или в муфтах. Если планируется монтировать нагревательную систему, стоит купить электрический кабель в секциях. Его проще пробросить на крыше. Для обогрева водостоков лучше подходит выпущенный в бухте.

Виды г

Технологии и решения по управлению температурным режимом

  • Дом
  • О компании
    • Новости
    • События
    • О нас
    • Объект
    • Качество
    • Наша команда
    • Отзывы клиентов
    • Туристическая информация
    • ACT Социальная ответственность
  • Карьера
  • Связаться
    • Связаться с ACT
    • Найди своего представителя

  • Звоните: 717.295.6061

  • Звоните: 717.295.6061
Связаться с инженером Усовершенствованные технологии охлаждения

  • Дом
  • О компании
    • Назад
    • Новости
    • События
    • Около
    • Объект
    • Качество
    • Наша команда
    • Отзывы клиентов
    • Корпоративная социальная ответственность
    • Карьера: мы нанимаем!
  • Связаться
    • Назад
    • Найти представителя
  • Рынки
    • Назад
    • Авиация
    • Охлаждение электроники
    • Охлаждение корпуса
      • Назад
      • Заказать онлайн
      • Инструмент выбора
    • Рекуперация энергии HVAC
    • Обработка материалов
    • Медицинский
    • Военный
      • Назад
      • Оружие направленной энергии
      • Решения для встраиваемых вычислений
    • Фотоника
    • Силовая электроника
    • Солнечная
    • Тепловой контроль космического корабля
    • Калибровка и контроль температуры
    • Транспорт
  • Продукты
    • Назад
    • Тепловые трубки для управления температурным режимом
      • Назад
      • Узлы тепловых труб
      • Пластины HiK ™
      • Узлы паровой камеры
    • Двухфазные системы охлаждения с насосом
    • Радиаторы PCM
    • Изделия для контроля температуры космических аппаратов
      • Назад
      • Тепловые трубки постоянной проводимости
      • Тепловые трубки с переменной проводимостью
      • Контурные тепловые трубки
      • Медные / водяные тепловые трубы
      • Аккумулятор для гидравлических систем
    • Охладители герметичных корпусов
      • Назад
      • Охладители радиатора ACT-HSC
      • Охладители с тепловыми трубками ACT-HPC
      • Термоэлектрические кондиционеры ACT-TEC
      • Заказать онлайн
      • Инструмент выбора
    • Теплообменники HVAC
      • Задний
      • Теплообменник с воздушно-воздушной трубкой
      • Теплообменник с тепловой трубкой для повышенного осушения воздуха
      • Термосифонный теплообменник с пассивным разделением контура WAHX
      • AAHX Термосифонная система теплообменника с пассивным разделением контура
      • AAHX Термосифонный теплообменник с разделенным контуром и насосом
      • Вентилятор с пассивной тепловой трубкой (HRV)
      • Тепловой пассивный клапан ACT

Тепловые трубки для компьютерного охлаждения

1.Введение

Эффективное охлаждение электронных компонентов — важный фактор для успешной работы и высокой надежности электронных устройств. Быстрое развитие микропроцессоров требует повышенной вычислительной мощности для обеспечения более быстрых операций. Электронные устройства имеют высокоинтегрированные схемы, которые создают высокий тепловой поток, что приводит к увеличению рабочей температуры устройств, что приводит к сокращению срока службы электронных устройств [1].Следовательно, необходимость в методах охлаждения для отвода связанного тепла совершенно очевидна. Таким образом, тепловые трубы были идентифицированы и зарекомендовали себя как один из жизнеспособных и многообещающих вариантов для достижения этой цели, в частности, до их простой конструкции, гибкости и высокой эффективности. Тепловые трубы используют фазовые превращения в рабочем теле внутри, чтобы облегчить перенос тепла. Тепловые трубки — лучший выбор для охлаждения электронных устройств, потому что в зависимости от длины эффективная теплопроводность тепловых трубок может быть в несколько тысяч раз выше, чем у медного стержня.Основное восприятие тепловой трубы связано с пассивным двухфазным устройством теплопередачи, которое может передавать большое количество тепла с минимальным перепадом температуры. Этот метод предлагает возможность высокой локальной скорости отвода тепла с возможностью равномерного рассеивания тепла.

Тепловые трубки используются в широком спектре продуктов, таких как кондиционеры, холодильники, теплообменники, транзисторы и конденсаторы. Тепловые трубки также используются в настольных компьютерах и ноутбуках для снижения рабочей температуры и повышения производительности.Тепловые трубы коммерчески представлены с середины 1960-х годов. Электронное охлаждение только что восприняло тепловую трубку как надежное и экономичное решение для сложных систем охлаждения.

2. Расчетная тепловая мощность

Расчетная тепловая мощность (TDP) вызвала наибольший интерес разработчиков тепловых решений и относится к максимальной мощности, рассеиваемой процессором в различных приложениях [2]. Цель TDP — представить тепловые решения, которые могут информировать производителей о том, сколько тепла должно рассеивать их решение.Обычно TDP оценивается на 20–30% ниже максимальной рассеиваемой мощности процессора. Максимальная рассеиваемая мощность — это максимальная мощность, которую ЦП может рассеять в наихудших условиях, таких как максимальная температура, максимальное напряжение ядра и условия максимальной нагрузки сигнала, тогда как минимальная рассеиваемая мощность относится к мощности, рассеиваемой процессором, когда он включается. один из режимов пониженного энергопотребления. Максимальный TDP колеблется от 35 до 77 Вт для современных процессоров, таких как Intel® Core ™ i5-3400 Series Desktop Processor [3], тогда как максимальный TDP для современных ноутбуков колеблется от 17 до 35 Вт [4].

3. Методы охлаждения электронного оборудования

Воздушное охлаждение является наиболее важной технологией, которая способствует охлаждению электронных устройств [5]. В прошлом существовало три основных способа охлаждения электронного оборудования: (1) пассивное воздушное охлаждение, которое рассеивает тепло с помощью воздушного потока, создаваемого разницей в температуре, (2) принудительное воздушное охлаждение, которое рассеивает тепло, заставляя воздух течь с помощью вентиляторов, и (3) принудительное жидкостное охлаждение, которое рассеивает тепло, заставляя проходить охлаждающие жидкости, такие как вода [6].Традиционным способом отвода тепла от настольных компьютеров была принудительная конвекция с использованием вентилятора с радиатором напрямую. Такие преимущества, как простая обработка, простая конструкция и меньшая стоимость, сделали радиаторы с пластинчатыми ребрами очень полезными для охлаждения электронных устройств [7]. Однако из-за меньшего размера ЦП и повышенной мощности, которые встречаются в современных компьютерах, тепловой поток в ЦП значительно увеличился [8]. В то же время были наложены ограничения на размер радиаторов и вентиляторов, а также на уровень шума, связанный с увеличением скорости вращения вентиляторов.Следовательно, существует растущая озабоченность по поводу улучшенных методов охлаждения, соответствующих современным требованиям ЦП. В качестве альтернативы обычным радиаторам двухфазные охлаждающие устройства, такие как тепловая трубка и термосифон, оказались многообещающими устройствами теплопередачи с эффективной теплопроводностью более чем в 200 раз выше, чем у меди [9].

4. Теория и работа тепловой трубы

Для того, чтобы тепловая труба работала, максимальное капиллярное давление должно быть больше суммы всех перепадов давления внутри тепловой трубы, чтобы преодолеть их; таким образом, основным критерием работы тепловой трубы является следующий:

, где ΔP c — максимальная капиллярная сила внутри фитильной конструкции; ΔP l — перепад давления, необходимый для возврата жидкости из конденсатора в испарительную секцию; ΔP v — перепад давления для перемещения потока пара из зоны испарения в секцию конденсатора; и ΔP g — это падение давления, вызванное разностью гравитационной потенциальной энергии (может быть положительным, отрицательным или нулевым, в зависимости от ориентации и направления тепловой трубы).
Рисунок 1.

Работа тепловой трубы [10].

Основные этапы работы тепловой трубы резюмируются следующим образом со ссылкой на рисунок 1 [10]:

  1. Тепло, добавляемое в секции испарителя за счет теплопроводности через стенку тепловой трубы, позволяет испарять рабочую жидкость.

  2. Пар движется из секции испарителя в секцию конденсатора под действием перепада давления пара в результате испарения рабочей жидкости.

  3. Пар конденсируется в секции конденсатора, высвобождая скрытую теплоту испарения.

  4. Жидкость возвращается из секции конденсатора в секцию испарителя через фитиль под действием капиллярной силы и перепада давления жидкости.

Перепад давления жидкости можно рассчитать из эмпирического соотношения [11]:

где μ л = вязкость жидкости, л eff = эффективная длина тепловой трубки, ρ л = жидкость плотность, K = проницаемость фитиля, A w = площадь поперечного сечения фитиля и h fg = теплота испарения жидкости.Падение давления пара можно рассчитать по следующему уравнению [12]:

ΔPv = 16µvLeffQ2Dv22AvρvhfgE3

, где μ v = вязкость пара, ρ v = плотность пара, D v = расстояние между паровым пространством и A v = площадь поперечного сечения парового ядра.

Максимальное капиллярное давление ΔP c , создаваемое внутри фитильной области, определяется уравнением Лапласа – Юнга [13].

, где σ l — поверхностное натяжение, а r eff — эффективный радиус пор фитиля.

Максимально достижимая теплопередача по тепловой трубке может быть получена из уравнения [11]:

Qmax = ρlσlhfgµlAwKLeff2reff − ρlgLeffsinφσlE5

, где φ — угол между осью тепловой трубки и горизонталью (положительный, когда испаритель находится выше конденсатор и отрицательный, если наоборот).

При горизонтальной ориентации φ = 0 уравнение (5) примет вид

Qmax = ρlσlhfgµlAwKLeff2reffE6

5. Преимущества тепловой трубки

Тепловая трубка имеет много преимуществ по сравнению с другими охлаждающими устройствами, например:

  • Эффективный теплопроводность очень высока, поскольку тепловая трубка работает по замкнутому двухфазному циклу.Следовательно, он может передавать большое количество тепла с очень небольшой разницей температур между секциями испарителя и конденсатора.

  • Он может передавать тепло без каких-либо движущихся частей, поэтому тепловая трубка работает бесшумно, бесшумно, не требует обслуживания и очень надежна.

  • Благодаря небольшому размеру и весу может использоваться для охлаждения электронных устройств.

  • Это простое устройство, которое работает в любой ориентации и передает тепло от места, где нет возможности и возможности разместить обычный вентилятор; например, в записных книжках.

  • Тепловые трубы демонстрируют точный изотермический контроль, благодаря которому подводимые тепловые потоки могут изменяться без значительных изменений рабочей температуры [14].

  • Испаритель и конденсатор работают независимо, и ему нужны только общие жидкость и пар, так что размер и форма области подвода тепла отличаются от области отвода тепла при условии, что скорость испарения жидкости не превышать скорость конденсации пара.Таким образом, тепловые потоки, генерируемые на меньших площадях, могут рассеиваться на больших площадях с меньшими тепловыми потоками.

6. Компоненты тепловых труб

Чтобы получить достаточную информацию о тепловой трубе, исследователи должны изучить ее основные компоненты, которые играют важную роль в эффективности трубы. Многие исследователи сосредоточили свои исследования на наиболее важных аспектах этих компонентов, таких как контейнер с тепловой трубкой, структура фитиля и рабочая жидкость. Исследования этих компонентов проводились с помощью экспериментального и численного анализа.

6.1. Контейнер или стенка тепловой трубы

Контейнер представляет собой металлическое уплотнение, способное передавать тепло через него рабочей жидкости. Этот металл обладает хорошей теплопроводностью. На выбор материала контейнера влияют многие факторы, например, смачиваемость, соотношение прочности и веса, обрабатываемость и пластичность, совместимость с внешней средой и рабочей жидкостью, теплопроводность, свариваемость и пористость. Материал контейнера должен обладать высоким отношением прочности к весу, он должен быть непористым, чтобы избежать диффузии частиц пара, и в то же время должен обеспечивать минимальную разницу температур между фитилем и источником тепла благодаря своей более высокой теплопроводности.

6.2. Фитиль или капиллярная структура

Фитильная структура является наиболее важным компонентом тепловой трубы. Он отвечает за возврат жидкости из секции конденсатора в секцию испарителя за счет капиллярности даже против направления силы тяжести. Таким образом, наличие фитиля заставляет тепловые трубки работать во всех направлениях. Фитиль с рифлением, спеченный фитиль и фитиль из сетки являются наиболее важными типами фитилей, которые тщательно изучаются. Эти типы фитилей широко используются в электронной промышленности и подробно описаны ниже.

6.2.1. Фитиль из спеченного металлического порошка

Как показано на Рисунке 2, этот тип фитиля имеет небольшой размер пор, что приводит к низкой проницаемости фитиля, что приводит к возникновению высоких капиллярных сил для антигравитационных применений. Тепловая трубка, на которой установлен этот тип фитиля, дает небольшую разницу в температуре между секциями испарителя и конденсатора. Это снижает тепловое сопротивление и увеличивает эффективную теплопроводность тепловой трубки.

Рисунок 2.

Фитиль из спеченного металлического порошка [15].

Leong et al. [16] исследовали тепловую трубку со спеченными медными фитилями. Плоские пластинчатые тепловые трубки с прямоугольными пористыми фитилями были изготовлены с использованием медного порошка (63 мкм), спеченного при 800 и 1000 ° C. Они использовали методы ртутной порометрии и сканирующей электронной микроскопии (SEM) для исследования пористости и распределения пор по размерам в этих фитилях. Результаты показали одномодальное распределение пор по размерам, при этом большинство размеров пор находится в пределах 30-40 мкм. Кроме того, сравнивались цилиндрические фитили, изготовленные методом литья под давлением с тем же связующим и той же температурой спекания.Расчетные значения проницаемости для прямоугольных фитилей были такими же хорошими, как и для промышленных цилиндрических фитилей. По сравнению с проволочной сеткой, спеченные фитили имели меньшие поры и позволяли контролировать пористость и размер пор для достижения наилучших характеристик.

6.2.2. Фитиль с канавками

Фитиль с канавками показан на рисунке 3; этот тип фитиля создает небольшую капиллярную движущую силу, но подходит или достаточен для тепловых труб малой мощности, которые работают горизонтально или с направлением силы тяжести.

Рис. 3.

Фитиль с пазами [15].

Чжан и Фагри [17] моделировали конденсацию на капиллярно-желобчатой ​​структуре. Они исследовали влияние поверхностного натяжения, угла смачивания, перепада температуры и толщины ребер с использованием модели объема жидкости (VOF). Результаты показали, что краевые углы и коэффициенты теплопередачи уменьшаются при увеличении разницы температур. Значительное увеличение толщины пленки жидкости наблюдалось также при увеличении толщины ребра.Ахамед и др. [18] экспериментально исследовали тонкую плоскую тепловую трубку с характерной толщиной 1,0 мм. Использовалась специальная структура волоконного фитиля, которая состояла из комбинации медного волокна и осевых канавок в качестве капиллярного фитиля вдоль внутренней стенки тепловой трубы. Тонкая плоская тепловая трубка была прямой с прямоугольным сечением 1,0 мм × 5,84 мм. Тепловая труба была сделана из медной трубы диаметром 4 мм, а в качестве рабочего тела использовалась чистая деионизированная вода. Их наблюдение показало, что максимальное количество тепла, которое может передать тонкая плоская тепловая трубка 1.Толщина 0 мм составляла 7 Вт. Тепловое сопротивление тепловой трубки составляло 0,44 ° C / Вт. Также было обнаружено, что новая структура волоконного фитиля обеспечивает оптимальное паровое пространство и капиллярную головку для лучшей теплопередачи при меньшем тепловом сопротивлении.

6.2.3. Фитиль с сеткой экрана

На рис. 4 показан фитиль с сеткой экрана, который используется во многих продуктах, и они продемонстрировали полезные характеристики в отношении передачи энергии и чувствительности к ориентации.

Рисунок 4.

Фитиль из сетки экрана [15].

Вонг и Као [19] представили визуализацию процесса испарения / кипения и тепловые измерения горизонтальных прозрачных тепловых труб. Тепловые трубки имели двухслойный фитиль из медной сетки, состоящий из сеток 100 и / или 200 меш, стеклянной трубки и воды в качестве рабочего тела. В условиях более низкой тепловой нагрузки толщина водяной пленки была менее 100 мкм, а пузырьковое кипение наблюдалось при Q = 40 Вт и Q = 45 Вт соответственно. Оптимальные тепловые характеристики были определены для комбинации фитиль / заряд, которая обеспечивает наименьшее тепловое сопротивление испарителя с наименьшим общим распределением температуры.В отличие от условий более низкой нагрузки, более высокие тепловые нагрузки при небольшой загрузке приводили к частичному высыханию в испарителе. Однако при более высоком заряде наблюдался ограниченный спад жидкости с увеличением тепловой нагрузки, и было обнаружено, что рост пузырьков был неустойчивым и сильно лопнул. Liou et al. [20] представили визуализацию и измерение термического сопротивления испарителя из спеченной сетки с фитилем в плоских пластинчатых тепловых трубках. Толщина фитиля составляла от 0,26 до 0,80 мм при различных комбинациях сит 100 и 200 меш.Результаты показали, что увеличение тепловой нагрузки приводит к снижению сопротивления испарению до тех пор, пока не произойдет частичное высыхание. После этого сопротивление испарению начало медленно увеличиваться. Низкая проницаемость фитиля ограничивала снижение сопротивления испарению и вызывала высыхание.

Исследования типов фитилей привели к следующим основным выводам:

  • Фитиль из спеченного металлического порошка имеет небольшой размер пор, что приводит к низкой проницаемости фитиля. Это приводит к возникновению высоких капиллярных сил для антигравитационных приложений.Тепловая трубка, на которой установлен этот тип фитиля, создает небольшую разницу температур между секциями испарителя и конденсатора. Следовательно, снижается тепловое сопротивление и увеличивается эффективная теплопроводность тепловой трубки.

  • Рифленый фитиль создает небольшую капиллярную движущую силу, которая подходит или достаточна для тепловых труб малой мощности, которые действуют горизонтально или в направлении силы тяжести.

  • Эффективность тепловой трубы с фитилем из сетки экрана зависит от количества слоев и количества используемых ячеек, так как она обеспечивает легко изменяемые характеристики, которые определяют теплопередачу и чувствительность к ориентации.

6.3. Рабочие жидкости

Выбор рабочего тела в первую очередь зависит от диапазона рабочих температур пара. Это связано с тем, что в основе работы тепловой трубы лежит процесс испарения и конденсации рабочей жидкости. Выбор подходящей рабочей жидкости должен производиться тщательно, принимая во внимание следующие факторы [21]:

  • должно иметь очень высокое поверхностное натяжение;

  • должен демонстрировать хорошую термическую стабильность;

  • смачиваемость стеновых материалов и фитиля;

  • должно иметь высокую скрытую теплоту;

  • должен обладать высокой теплопроводностью;

  • должны иметь низкую вязкость жидкости и пара; и

  • он должен быть совместим как с материалами стен, так и с фитилем.

Самым важным свойством рабочей жидкости является высокое поверхностное натяжение, так что тепловая трубка работает против силы тяжести, поскольку она создает высокую силу характеристики капиллярности. В таблице 1 приведены свойства некоторых рабочих жидкостей с указанием их рабочих температур [21].

до −269 904 от 50 до 200 90 457
Средний Точка плавления (° C) Точка кипения (° C) Полезный диапазон (° C)
Гелий −271 −261
Азот −210 −196 −203 до −160
Аммиак −78 −33 −60 от −60 до 100 −1 −60 −60 57 от 0 до 120
Метанол −98 64 от 10 до 130
Flutec PP2 −50 761 90664 9045 9045 −112 78 от 0 до 130
Вода 0 100 30 до 200
Толуол −95 110 Меркурий −39 361 от 250 до 650

Таблица 1.

Свойства рабочей жидкости тепловых трубок.

Дистиллированная вода является наиболее подходящей жидкостью для тепловых трубок, используемых для охлаждения электронного оборудования. Однако немногие исследователи пытались улучшить тепловые характеристики тепловых трубок, добавляя наночастицы металлов, которые имеют хорошие теплопроводности, такие как серебро, оксид железа и титан, в дистиллированную воду, в которой жидкость известна как наножидкости. Некоторые исследователи изучали различные способы улучшения характеристик тепловых трубок за счет использования различных рабочих жидкостей.Уддин и Фероз [22] экспериментально исследовали влияние ацетона и этанола в качестве рабочих жидкостей на характеристики миниатюрной тепловой трубки. Эксперименты были направлены на отвод тепла от процессора к одному концу миниатюрных тепловых трубок, а на другом конце — удлиненные медные ребра для отвода тепла в воздух. Результаты показывают, что ацетон имеет лучший охлаждающий эффект, чем этанол. Фадхил и Салех [23] сообщили об экспериментальном исследовании влияния этанола и воды в качестве рабочих жидкостей на тепловые характеристики тепловой трубы.Во время экспериментов тепловая трубка находилась в горизонтальной ориентации. Диапазон теплового потока изменялся в пределах 2,8–13,13 кВт / м 2 , при прочих равных условиях. Результаты показывают, что тепловые характеристики тепловой трубы с водой в качестве рабочего тела были лучше, чем с этанолом.

7. Типы тепловых труб

7.1. Цилиндрическая тепловая трубка

Цилиндрическая тепловая трубка с закрытыми концами — это распространенный и традиционный тип тепловых трубок. Он включает в себя циркуляцию рабочей жидкости и фитиль для возврата жидкости.По сути, он состоит из трех секций, а именно испарителя, адиабатической и конденсаторной, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5.

Цилиндрическая тепловая трубка [24].

Эль-Генк и Лианмин [25] сообщили об экспериментальном исследовании переходной характеристики цилиндрической медной тепловой трубы с водой в качестве рабочего тела. Медная тепловая трубка с медным экранным фитилем состояла из двух слоев по 150 ячеек. Результаты показали, что температура пара была равномерной вдоль тепловой трубы, тогда как перепад температуры на стенке был очень небольшим (максимальное изменение менее 5 К) между секцией испарителя и секцией конденсатора.Установившееся значение температуры пара увеличивалось при увеличении подводимого тепла или уменьшении расхода охлаждающей воды. Саид и Акаш [26] экспериментально изучали характеристики цилиндрической тепловой трубки с использованием двух типов тепловых трубок с фитилем и без него, а также воды в качестве рабочего тела. Они также изучили влияние различных углов наклона, таких как 30 °, 60 ° и 90 °, по отношению к горизонтали на характеристики тепловой трубы. Результаты показали, что тепловая трубка с фитилем работает лучше, чем тепловая трубка без фитиля.Общий коэффициент теплопередачи был наилучшим при угле 90 °.

7.2. Плоские тепловые трубки

Ван и Вафай [27] представили экспериментальное исследование тепловых характеристик асимметричных плоских тепловых трубок. Как показано на рисунке 6, плоская тепловая трубка состоит из четырех секций, одна из которых испарительная секция посередине, а три секции конденсатора. Получены коэффициент теплоотдачи и распределение температуры. Результаты показали, что температура была равномерной вдоль поверхностей стенок тепловой трубы, а пористый фитиль секции испарителя оказывал значительное влияние на тепловое сопротивление.Коэффициент теплопередачи также оказался равным 12,4 Вт / м 2 ° C в диапазоне входного теплового потока 425–1780 Вт / м 2 .

Рис. 6.

Схема плоской тепловой трубы: (а) геометрия тепловой трубы и (б) вид в разрезе тепловой трубы [27].

Тепловые характеристики теплового распределителя с плоской тепловой трубкой были исследованы Carbajal et al. [28]. Они провели квазитрехмерный численный анализ, чтобы определить распределения переменных поля и эффекты изменения параметров в системе плоских тепловых труб.Исследования показали, что плоская тепловая трубка, работающая как расширитель тепла, приводит к более равномерному распределению температуры на стороне конденсатора по сравнению с цельной алюминиевой пластиной, имеющей аналогичные граничные условия и тепловложение.

7.3. Микро-тепловые трубки

Микро-тепловые трубки отличаются от обычных тепловых трубок тем, что они заменяют фитильную структуру остроугольными углами, которые играют важную роль в обеспечении капиллярного давления для движения жидкой фазы.Hung и Seng [29] изучали влияние геометрического дизайна на тепловые характеристики микротепловых трубок со звездообразным желобом. Как показано на рисунке 7, были рассмотрены три различных типа поперечного сечения микротепловых трубок, такие как квадратная звезда (4 угла), шестиугольная звезда (6 углов) и восьмиугольная звезда (8 углов) канавки с шириной угла w. . Соответственно, угол 2θ при вершине угла изменялся от 20 ° до 60 °. В установившемся режиме была разработана одномерная математическая модель для получения характеристик потока тепла и жидкости в микротепловой трубе.Результаты показали, что геометрическая конструкция микротепловых трубок со звездообразным желобом позволяет лучше понять влияние различных геометрических параметров, таких как площадь поперечного сечения, общая длина, форма поперечного сечения, количество углов и острота изображения. угол при вершине угла.

Рис. 7.

(a) Геометрия различных форм поперечного сечения микротепловой трубы: (i) квадратная канавка в виде звезды, (ii) канавка в форме шестиугольной звезды, (iii) канавка в форме восьмиугольной звезды и (iv) равносторонний треугольник .(б) Принципиальная схема оптимально заряженных равносторонних треугольных и звездообразных микротепловых трубок [29].

7.4. Колеблющаяся (пульсирующая) тепловая трубка

Колеблющаяся (пульсирующая) тепловая трубка (OHP) — одно из многообещающих охлаждающих устройств в современном приложении, которое может быстро отводить тепло в любой ориентации, где колебательные явления обеспечивают улучшенный механизм теплопередачи, как показано на Рисунке 8. Уникальная особенность МНД по сравнению с обычными тепловыми трубками состоит в том, что в них отсутствует фитильная конструкция, возвращающая конденсат в секцию нагрева; таким образом, нет противотока между жидкостью и паром [30].Колебания волн давления вызывают автоколебания внутри тепловой трубы, а осциллятор ускоряет сквозную теплопередачу [31]. Изменение давления при расширении и сжатии объема во время фазового перехода инициирует и поддерживает термически возбужденное колебательное движение жидких пробок и пузырьков пара между испарителем и конденсатором [32], потому что обе фазы потока жидкости и пара имеют одинаковое направление. Осциллирующий поток внутри капиллярной трубки с тепловым приводом эффективно создает несколько свободных поверхностей, которые значительно улучшают теплообмен при испарении и конденсации.

Рис. 8.

Схема колеблющейся тепловой трубы [33].

Несмотря на то, что многие исследователи рассматривали влияние параметров МНР на тепловые характеристики, такие как внутренний диаметр, количество витков, степень заполнения и наножидкости, разработка комплексных инструментов проектирования для прогнозирования характеристик МНД все еще отсутствует [30] . Более того, согласно Zhang и Faghri [34], предыдущие теоретические модели OHP были в основном сосредоточенными, одномерными или квазиодномерными, и в основном были представлены многие нереалистичные предположения.

8. Математическое моделирование и численное моделирование

Математические модели тепловых труб подразделяются на аналитические методы и численное моделирование. Аналитический метод подтверждает достоверность результатов экспериментов и моделирования, которые невозможно измерить экспериментально, таких как давление и скорость рабочей жидкости внутри тепловой трубы. Численное моделирование жизненно важно для исследования теплового поведения рабочей жидкости внутри тепловых труб и прогнозирования температуры стенки тепловых труб, по которой можно рассчитать тепловое сопротивление и количество тепла, передаваемого тепловыми трубками.Кроме того, определение характеристик жидкости внутри фитиля и предсказание давления и скорости пара и жидкости позволяет разработать высокоэффективную тепловую трубку для охлаждения электронных устройств.

8.1. Допущения математической модели

Для математической формулировки были сделаны следующие допущения:

  1. Предполагается, что потоки пара и жидкости являются установившимися, двумерными, ламинарными и несжимаемыми.

  2. Пар считается идеальным газом.

  3. Отсутствует выделение тепла из-за фазового перехода и химической реакции в системе.

  4. На границе жидкость – пар жидкая и паровая фазы связаны, а инжекция и отсос пара однородны [34].

  5. Физические свойства постоянны.

8.2. Основные уравнения

На основе сделанных выше предположений уравнения непрерывности, импульса и энергии перечислены ниже:

8.2.1. Область пара

Непрерывность :

, где u и ν — компоненты скорости в направлениях x и y соответственно.

Импульс:

ρvuvuvx + vvuvy = −px + µv2uvx2 + 2uvy2E8ρvuvvvx + vvvvy = −py + ρg + µv2vvx2 + 2vvy2E9

Энергия :

ρvcpuTy10 = ρvcpuTy10 + 2 vcpuTx2 + 2 vcpuTx2 , ρvvapor density, μ v — эффективная вязкость пара для ламинарного случая — это просто динамическая вязкость, c p удельная теплоемкость и k v — теплопроводность пара.

8.2.2. Область жидкостного фитиля

Непрерывность :

где u и ν — компоненты скорости в направлениях x и y соответственно.

Momentum :

ρlululx + vluly = −Plx + µl2ulx2 + 2uly2 + RxE12ρlulvlx + vlvly = −Ply + ρlg + µl2vlx2 + 2vly2 + RyE13

R 9023 9023 9023 9023 9023 9023 9023 902 9023 902 9023 9023 9023 902 — это распределенные компоненты сопротивления в направлениях x и y соответственно.Распределенное сопротивление — подходящий метод для оценки влияния пористой среды.

Энергия:

ρlcp, lulTlx + vlTly = ke2Tlx2 + 2Tly2 + QvE14

где, g , ρ , μ , C p , k и и e, v — это ускорение свободного падения, плотность, динамическая вязкость, удельная теплоемкость, эффективная теплопроводность для структуры фитиля жидкости и объемный тепловой поток, соответственно. Индексы v и l относятся к паровой и жидкой областям соответственно. k e — эффективная теплопроводность структуры жидкого фитиля для фитиля из спеченного порошка, выраженная формулой [12]:

ke = kl2kl + kw − 21 − φkl − kw2kl + kw + 1 − φkl − kwE15

Для фитиль сетки экрана, k e рассчитывается по [12]:

ke = klkl + kw − 1 − φkl − kwkl + kw + 1 − φkl − kwE16

, где φ — пористость, а k l и k w — теплопроводность жидкости и материала фитиля соответственно.

Уравнение стационарной теплопроводности для прогнозирования температуры стенки выглядит следующим образом:

где k s — теплопроводность твердого тела, а T s — температура стенки (поверхности).

8.3. Граничные условия

На обоих концах тепловой трубы, u v = ν v = u l = ν l = 0, и P v = P л .

На средней линии секции испарителя ν v = 0, uvy = 0 и Ty = 0.

По средней линии секции конденсатора u v = 0, vvy = 0 и Tx = 0.

При r = R w , u l = ν l = 0.

На адиабатическом участке ρ v ν v = ρ l ν l = 0.

Непрерывность потоков массы в направлении y на границе пар – жидкость дает

ρ v ν v = ρ l ν l = — v ν 1

где, ν 1 — скорость впрыска пара, выраженная как [35]:

Аналогично, непрерывность потоков массы в направлении x в пар-жидкость выходная мощность на границе раздела

ρ v u v = ρ l u l = ρ v u 1

  • 5
  • 5 1 — скорость всасывания пара, указанная в исследовании Кая и Голдака [35]:

    Температура границы раздела (∫ T ) рассчитывается по уравнению Клаузиуса-Клапейрона, предполагая, что насыщение te температура ( T 0 ) и давление пара ( P 0 ) на границе жидкость – пар [36]:

    ∫ = 11T0 − RhfglnPvP0TE20

    Для границы твердое тело – жидкость:

    На испарительной части , KeTly = ksTsy

    В конденсаторной части KeTlx = ksTsx

    , где K e — эффективная теплопроводность области фитиля жидкости, а K eff — эффективная теплопроводность всего тепла. труба.

    На внешней стенке тепловой трубы = EvaporatorksTy = qeAdiabaticTy = 0∧Tx = 0Condenser − ksTx = hTs − Ta

    , где h — коэффициент конвективной теплопередачи, а T w и T a — температура поверхности стены и температура окружающей среды соответственно.

    Mistry et al. [37] выполнили двумерный переходный и стационарный численный анализ для исследования характеристик цилиндрической тепловой трубы с медно-водяным фитингом (экран 80 меш SS-304) с водой в качестве хладагента при постоянном тепловложении.Конечная разность и явный метод Эйлера (маршевая схема) использовались для решения основных уравнений. Как показано на рисунке 9, было проведено двухмерное вычислительное исследование с использованием концепции растущего теплового слоя в стене и области фитиля. Были измерены неустановившиеся осевые распределения температуры, и все три секции тепловой трубы были сопоставлены с численным решением разработанной двумерной модели. Было получено время, необходимое для достижения устойчивого состояния.Переходные и установившиеся предсказания температур из двумерной модели были в хорошем согласии с экспериментально полученными профилями температуры.

    Рисунок 9.

    Система координат тепловой трубы [38].

    Таблица 2 суммирует и сравнивает некоторые математические исследования тепловых труб с точки зрения модели, методологии, структуры фитиля, ориентации и типов тепловых труб.

    Цилиндрический SS 9047 9047 , конечный объем
    Автор Модель Метод Тип Фитильная структура Ориентация * Режим **
    Mistry et al.[37] 2D Числовое, конечное значение
    разность    		 Micro Сетка экрана H T, SS
    Maziuk et al. [38] 1D, 2D Аналитическое программное обеспечение
    разработка    		 Плоский
    миниатюрный    		 Спеченный медный порошок
    		I SS
    Suman et al. [39] 1D Аналитический Micro Рифленый H T
    Zhu and Vafai [34] 2D Аналитический Цилиндрический
    Но и Сонг [40] 2D Числовой, конечный объем
    		Цилиндрический Сетка экрана H T
    Mahjoub и
    Mahtabroshan    		 Цилиндрический Пористая среда H SS
    Кайя и Голдак [36] 3D Числовой метод конечных элементов
    		Цилиндрическая сетка Цилиндрическая сетка SS
    Ranjan et al.[42] 3D Числовая макромодель ** Плоская Спеченная, сетка
    сетка    		 H T

    Таблица 2.

    Обзор некоторых математических исследований тепловых труб.

    * H, горизонтальная ориентация; I — наклонная ориентация; ** SS, устойчивое состояние; и T, переходный.

    Как показано в таблице 2, трехмерной модели уделялось мало внимания по сравнению с двумерной моделью. Кроме того, большинство исследований касалось горизонтальных тепловых труб, которые охватывают как переходные, так и установившиеся случаи.

    9. Тепловая трубка для охлаждения компьютеров (настольных ПК и ноутбуков)

    Благодаря высокой эффективной теплопроводности тепловых трубок по сравнению с традиционными радиаторами, были предложены и выбраны тепловые трубки для электронного охлаждения. Таким образом, тепловая трубка очень быстро передает и рассеивает тепло. Многие исследователи сосредоточили свои исследования на использовании тепловой трубки для охлаждения электронных устройств, и все они доказали, что тепловая трубка является лучшим инструментом для охлаждения электронных устройств, таких как настольные компьютеры и ноутбуки.Ребра охлаждения, оборудованные тепловыми трубками для электронных схем и устройств большой мощности и высоких температур, были смоделированы Легерски и Виеком [43], и было продемонстрировано превосходство предлагаемой системы над традиционными устройствами. Kim et al. [44] разработали охлаждающий модуль в виде выносного теплообменника, использующего тепловую трубку для процессора Pentium-IV в качестве средства обеспечения улучшенного охлаждения и снижения уровня шума по сравнению с обычными радиаторами с вентилятором. Saengchandr и Afzulpurkar [45] предложили систему, сочетающую в себе преимущества тепловых трубок и термоэлектрических модулей для настольных ПК.Как показано на рисунке 10, использование тепловых трубок с радиатором может улучшить тепловые характеристики [46].

    Рис. 10.

    Радиатор с тепловыми трубками для охлаждения настольных ПК [47].

    Ю и Харви [47] разработали высокоточную тепловую трубку для охлаждения Pentium II в Compact PCI. В этой работе для модуля процессора учитывались такие критерии проектирования, как максимальная температура, теплообменная пластина с тепловой нагрузкой, максимальная температура окружающего воздуха и общее тепловое сопротивление решения.Было замечено, что с помощью тепловой трубки улучшилось как тепловое, так и механическое управление системой. Kim et al. [44] представили технологию охлаждения тепловых трубок для процессора настольных ПК. Они разработали кулер, использующий тепловую трубку с радиатором, чтобы уменьшить шум вентилятора. Результаты показали, что использование тепловой трубки для охлаждения процессора настольного ПК приведет к увеличению рассеиваемого тепла без необходимости использования высокоскоростного вентилятора. Таким образом, проблема шума, создаваемого традиционным охлаждением радиатора, была решена.Кроме того, закрытая осциллирующая тепловая трубка (CEOHP), используемая для охлаждения процессора настольных ПК, была представлена ​​Rittidech и Boonyaem [48]. Как показано на рисунке 11, комплект CEOHP разделен на две части: испаритель имеет длину 0,05 м и секцию конденсатора имеет длину 0,16 м с вертикальной ориентацией. В качестве рабочего тела они выбрали R134a с долей заполнения 50%. Для правильной работы комплект CEOHP должен передавать не менее 70 Вт тепловой мощности. Чип процессора мощностью 58 Вт имел температуру 70 ° C. Результаты показывают, что эффективность охлаждения увеличивается при увеличении скорости вращения вентилятора, когда использовались скорости вращения вентилятора 2000 и 4000 об / мин.Тепловые характеристики при использовании охлаждающего модуля CEOHP были лучше, чем при использовании обычного радиатора.

    Рис. 11.

    Прототип: (а) алюминиевая опорная пластина, (б) медное ребро, (в) CEOHP. [49].

    Недавно были представлены радиаторы с ребристыми U-образными тепловыми трубками для охлаждения высокочастотных микропроцессоров, таких как Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad, AMD Phenom series и AMD Athlon 64 series, как сообщает Wang et al. al. [49], Ван [50], Лян и Хунг [51]. Wang et al.[49] экспериментировали с горизонтальной двойной тепловой трубкой с радиатором. Теплоотдача передавалась от процессора к базовой пластине и от базовой пластины к тепловым трубкам и радиаторам одновременно. Тепло от ребер рассеивалось в окружающую среду за счет принудительной конвекции. Как показано на рисунке 12, эксперименты проводились в два этапа, на первом этапе измерялась температура тепловых трубок только для расчета их теплового сопротивления. Второй этап был направлен на измерение температуры радиатора без тепловых трубок и с тепловыми трубками для расчета их теплового сопротивления.Было замечено, что 64% ​​общего рассеиваемого тепла передавалось от ЦП к базовой пластине, а затем к ребрам, тогда как 36% передавалось от тепловых трубок к ребрам. Наименьшее значение общего теплового сопротивления тепловых трубок с радиатором составило 0,27 ° C / Вт.

    Рисунок 12.

    Радиатор без тепловых трубок и со встроенными тепловыми трубками [50].

    Исследования Elnaggar et al. [52] по экспериментальному моделированию и моделированию методом конечных элементов (КЭ) вертикально ориентированных оребренных U-образных мульти-тепловых трубок для охлаждения настольных компьютеров, показанных на рисунке 13a.Было обнаружено, что полное тепловое сопротивление уменьшается с увеличением погонной энергии и скорости теплоносителя. Кроме того, вертикальный монтаж продемонстрировал улучшенные тепловые характеристики по сравнению с горизонтальным расположением. Наименьшее достигнутое общее тепловое сопротивление составило 0,181 ° C / Вт при тепловой нагрузке 24 Вт и скорости теплоносителя 3 м / с. Это исследование было продолжено Elnaggar et al. [53] для определения оптимального подводимого тепла и скорости охлаждающего воздуха для вертикальной сдвоенной U-образной тепловой трубы с целью максимизации эффективной теплопроводности, как показано на рисунке 13b.

    Рис. 13.

    Оребренная U-образная тепловая трубка для охлаждения настольных компьютеров [53, 54]. (а) П-образная ребристая мульти-тепловая труба [53]. (b) Ребристая U-образная двойная тепловая трубка [54].

    Сводка исследований тепловой трубки с радиатором для охлаждения ЦП ПК приведена в таблице 3.

    Автор Ориентация Форма тепловой трубки Номер тепловой трубки Общее тепловое сопротивление
    Kim et al.[44] Горизонтально L-образная 3 0,475 ° C / Вт
    Wang et al. [49] Горизонтально U-образная 2 0,27 ° C / Вт
    Wang [50] Горизонтально U-образная 2 и 4 0,24 ° C / W 9047
    Лян и Хунг [51] Горизонтальное U-образное 1 0,5 ° C / W
    Wang [54] Вертикальное L-образное 6 L-образное 622 ° C / Вт
    Elnaggar et al. [52] Вертикальный U-образный 4 0,181 ° C / Вт
    Elnaggar et al. [53] Вертикальный U-образный 2 0,2 ° C / Вт

    Таблица 3.

    Сводка исследований тепловой трубки с радиатором для охлаждения центрального процессора ПК.

    Из обзора тепловой трубки с радиатором, используемой при охлаждении ЦП ПК, можно сделать следующие выводы:

    • Радиатор с тепловыми трубками работает намного эффективнее, чем радиатор без тепловых трубок.

    • Ориентация тепловой трубы играет жизненно важную роль, при которой вертикальный монтаж может улучшить характеристики тепловой трубы по сравнению с горизонтальным расположением.

    • Использование нескольких тепловых трубок приводит к значительному снижению теплового сопротивления, что повышает эффективность тепловых трубок.

    Рисунок 14.

    Охлаждение ноутбука с помощью тепловой трубки с радиатором [56].

    Поверхность процессора в ноутбуках или портативных компьютерах, где выделяется больше всего тепла, обычно небольшая, приблизительно 10 мм × 10 мм.Для эффективного охлаждения тепло должно распространяться по большей площади вдали от процессора, так как пространство, доступное рядом с процессором, ограничено, как показано на рисунке 14. Следовательно, тепло должно отводиться от процессора и передаваться в место, откуда оно могут рассеиваться обычными способами. Эта задача успешно решается с помощью тепловой трубы, поскольку она может быть размещена в очень ограниченном пространстве таким образом, что ее испарительная секция сообщается с источником тепла, в то время как секция оребрения конденсатора открыта для стока [55].

    10. Заключение

    В этой главе мы представили TDP для охлаждения процессора, методы охлаждения электронного оборудования, теорию и работу тепловых трубок, компоненты тепловых труб, такие как материал стенок, структуру фитиля и рабочую жидкость. . Кроме того, мы рассмотрели экспериментально, аналитически и численно типы тепловых трубок и их применение для электронного охлаждения в целом и охлаждения компьютеров в частности. Очевидно, что тепловая трубка может рассматриваться как перспективный способ охлаждения электронного оборудования.Благодаря своей простоте он может работать в любой ориентации и может передавать тепло от места, где нет возможности и возможности разместить обычный вентилятор, например, ноутбуков или ноутбуков. Наконец, мы считаем, что эта работа определенно откроет возможности для дальнейших исследований в соответствии с растущим вниманием к использованию тепловых трубок в электронном охлаждении.

    Пористые структуры в тепловых трубках

    1. Введение

    Двухфазные системы теплопередачи с капиллярным приводом имеют важные преимущества по сравнению с традиционными однофазными системами.Наиболее значительным преимуществом, связанным с фазовым переходом рабочего тела, является более высокий коэффициент теплопередачи, что приводит к улучшенной теплопередаче. По сравнению с однофазной жидкой системой требуются меньшие массовые расходы для передачи эквивалентных количеств теплового потока для заданного диапазона температур. Лучшие тепловые характеристики и более низкий массовый расход обеспечивают преимущество двухфазной системы в виде меньшей и легкой конструкции и повышенной производительности. Однофазная система требует высокого температурного градиента или высокого массового расхода для передачи большого количества теплового потока, потому что теплоемкость однофазной системы зависит от изменения температуры рабочей жидкости.Двухфазная система обеспечивает практически изотермический режим работы независимо от тепловой нагрузки.

    Кроме того, однофазные системы нуждаются в механических насосах или вентиляторах для циркуляции рабочей жидкости, в то время как в двухфазных системах с капиллярным приводом рабочая жидкость циркулирует без каких-либо дополнительных механических устройств, что делает такие системы более надежными и свободными от электроэнергии. . Самая известная двухфазная система с капиллярным приводом — тепловая трубка, ее схема показана на рисунке 1. Концепция тепловой трубки была впервые предложена Гоглером в 1944 году [1] и Трефетеном [2], но не получила широкого распространения до серьезные опытно-конструкторские работы Гровера и его коллеги в лаборатории Лос-Аламоса [3].Тепловые трубки — это пассивные устройства теплопередачи, которые переносят тепло от одной точки (источника тепла) к другой (радиатор) с чрезвычайно высокой теплопроводностью из-за скрытой теплоты испарения рабочего тела. Как показано на рисунке 1, он состоит из контейнера, рабочего тела, фитильной конструкции и имеет три секции (испарительную, адиабатическую и конденсаторную) [4].

    Рисунок 1.

    Схема тепловой трубы.

    Поскольку одной из наиболее важных частей тепловой трубки HP и петлевой тепловой трубки LHP является пористая фитильная структура, в данной работе основное внимание уделяется экспериментам, в которых пористая фитильная структура влияет на способность теплопередачи тепловой и петлевой тепловых трубок.

    2. Тепловая труба

    Тепловая труба представляет собой устройство теплопередачи, использующее фазовый переход рабочей жидкости для передачи тепла от источника тепла к радиатору и капиллярных сил, возникающих в структуре фитиля, к циркуляции рабочей жидкости. Тепловая трубка состоит из герметично закрытой емкости с фитильной структурой на внутренней поверхности и рабочей жидкости, близкой к температуре насыщения. Тепло, передаваемое через контейнер жидкости в испарителе, вызывает испарение жидкости и прохождение пара через открытую сердцевину испарителя с тепловой трубой.Пар выходит из испарителя через адиабатическую секцию в конденсатор. Там пар конденсируется, и выделяемое тепло передается через структуру фитиля и стенку емкости в окружающую среду конденсатора. Конденсированная жидкость насыщает структуру фитиля и создает капиллярное давление; таким образом жидкость перекачивается обратно в испаритель. Работа тепловой трубы в основном зависит от параметров емкости, рабочей жидкости и конструкции фитиля. Правильный выбор и конструкция основных частей тепловой трубы влияют на ее рабочие характеристики, определяемые ограничениями теплопередачи, эффективной теплопроводностью и осевым перепадом температур.Двухфазная теплопередача рабочей жидкости делает тепловую трубу идеальной для передачи тепла на большие расстояния с очень небольшим перепадом температуры из-за температурной стабилизации почти изотермической поверхности, создаваемой во время работы. Практически изотермические условия работы тепловой трубы связаны с работой рабочей жидкости в термодинамическом насыщенном состоянии, когда тепло переносится с использованием скрытой теплоты парообразования вместо явной теплоты или теплопроводности. Тепло, переносимое с использованием скрытой теплоты парообразования, в несколько раз больше, чем тепло, переносимое явным теплом для геометрически эквивалентной системы.Двухфазная система рабочей жидкости с капиллярным приводом позволяет эффективно передавать большое количество тепла без дополнительных механических насосных систем, уменьшая площадь теплопередачи и, таким образом, экономя материал, стоимость и вес. Широкий выбор используемой рабочей жидкости, высокий КПД, малые размеры и вес, а также отсутствие внешних насосов делают тепловые трубы привлекательными вариантами в широком диапазоне приложений теплопередачи [4].

    2.1. Конструкция тепловой трубки

    В зависимости от типа тепловая трубка может состоять из нескольких основных частей.При разработке тепловых трубок основные компоненты и материалы остались прежними. Самая простая тепловая трубка состоит из двух основных частей: корпуса (контейнера) и рабочего тела. Внутри корпуса тепловой трубы может быть размещена капиллярная структура (фитиль), позволяющая конденсированной жидкой фазе рабочей жидкости капать против потока пара из-за капиллярного действия. Такая тепловая трубка называется фитильной тепловой трубкой. Тепловая труба без капиллярной структуры называется гравитационной тепловой трубкой, потому что она возвращает жидкую фазу из конденсаторной части в испарительную часть, что происходит под действием силы тяжести [5].

    2.1.1. Контейнер

    Контейнер тепловой трубы может иметь разную форму для разных применений, но чаще всего имеет форму замкнутой трубы круглого, плоского или треугольного сечения. Основная функция контейнера с тепловой трубкой — изолировать рабочую жидкость от внешней среды. Контейнер тепловой трубы должен быть достаточно прочным, чтобы предотвратить внутренние размеры и внутреннее давление в случае сжатия или изгиба. Выбор материала контейнера зависит от многих свойств и должен иметь наиболее подходящую комбинацию (совместимость с рабочей жидкостью и окружающей средой, отношение прочности к весу, теплопроводность, пористость, смачиваемость, обрабатываемость, формуемость, свариваемость или склеиваемость).Материал контейнера должен обладать высокой теплопроводностью, твердым и прочным, но при этом легко поддающимся механической обработке, формованию, а также пайке и сварке. Поверхность материала должна быть хорошо увлажненной, но, по крайней мере, пористой, насколько это возможно, чтобы избежать диффузии газа. Тепловые трубки чаще всего изготавливаются из стали, меди, алюминия и их сплавов. Также используются различные покрытия из стальных материалов [6].

    2.1.2. Рабочая жидкость

    Поскольку работа тепловой трубы основана на испарении и конденсации рабочей жидкости, ее выбор является важным фактором при проектировании и производстве тепловой трубы.Рабочая жидкость выбирается, в частности, в соответствии с диапазоном рабочих температур тепловой трубы. Поэтому при выборе рабочего тела необходимо соблюдать осторожность, если диапазон рабочих температур рабочего тела лежит в диапазоне рабочих температур тепловой трубы. Тепловая трубка может работать при любой температуре, которая находится в диапазоне от тройной до критической точки рабочего тела. Критерием принятия решения при выборе рабочего тела, в случае использования рабочих жидкостей с одинаковой рабочей температурой, является соответствующее сочетание термодинамических свойств рабочего тела.Рекомендуемые характеристики, которыми должна обладать рабочая жидкость, — это совместимость с материалом капиллярной структуры и контейнера с тепловой трубкой, хорошая термическая стабильность, смачиваемость капиллярной структуры и контейнера с тепловой трубкой, давление пара в диапазоне рабочих температур, высокое поверхностное натяжение, низкая вязкость жидкая и паровая фаза, высокая теплопроводность, высокая скрытая теплота парообразования, приемлемая температура плавления и точка затвердевания [6]. В таблице 1 показаны типичные рабочие жидкости для тепловых труб, отсортированные по диапазону рабочих температур.

    948 Полезный диапазон (° C) 9047 450 до 900 9047 9047 9047 9047 9047 9047 9047
    Рабочая жидкость Точка плавления при атмосферном давлении (° C) Точка кипения при атмосферном давлении (° C) Скрытая теплота испарения (кДж кг −1 )
    Гелий −271 −269 21 −271 до −269
    Азот −210 −1 −1 −1 От 203 до -160
    Аммиак −78 −33 1360 −60 до 100
    Ацетон −95 57 −98 64 1093 от 10 до 130
    Этанол −112 78 850 0 до 130
    Вода 0100 2260 от 30 до 200
    Ртуть −39 361 298 250 до 650
    Цезий
    Калий 62774 1938 500 до 1000
    Натрий 98 895 3913 895 3913 1340 19,700 от 1000 до 1800
    Серебро 960 2212 2350 1800 до 2300

    Таблица 1.

    Типичные рабочие жидкости для тепловых трубок.

    2.1.3. Фитильные структуры

    Фитиль и рабочая жидкость создают капиллярные силы, необходимые для перекачивания жидкости из конденсатора в испаритель и поддержания равномерного распределения жидкости в капиллярном материале. Фитили для тепловых трубок можно разделить на однородные или составные. Однородные фитили состоят из одного материала и одной конфигурации. Наиболее распространенными типами однородных фитилей являются сетчатый фильтр, металлокерамика и осевая канавка.Композитные фитили состоят из двух или более материалов и конфигураций. Наиболее распространенными типами композитных фитилей являются переменная сетка сита, канавка с сеткой, плита сита с канавками и туннель сита с канавками. Независимо от конфигурации фитиля, желаемые свойства материала и структурные характеристики фитильных конструкций с тепловыми трубками включают высокую теплопроводность, высокую пористость фитиля, малый радиус капилляров и высокую проницаемость фитиля [6].

    2.2. Работа тепловой трубы

    Для работы тепловой трубы максимальное капиллярное давление должно быть больше, чем полное падение давления в тепловой трубе.

    Суммарный перепад давления в тепловой трубе состоит из трех частей:

    1. ΔP л — перепад давления в фитильной конструкции, необходимый для возврата жидкости из конденсатора в испаритель.

    2. ΔP v — это перепад давления в паровой сердцевине, необходимый для потока пара из испарителя в конденсатор.

    3. ΔP г — это падение давления под действием силы тяжести, зависящее от наклона тепловой трубы, которое может быть нулевым, положительным или отрицательным.

    Правильная работа тепловой трубы должна соответствовать условию:

    ΔPc, max≥ΔPl + ΔPv + ΔPgE1

    Если тепловая трубка не соответствует этому условию, она не будет работать из-за высыхания фитиля внутри. секция испарителя. Это состояние называется капиллярным пределом, который определяет максимальный тепловой поток в рабочем диапазоне большинства тепловых труб. Скорость пара в жидкометаллических тепловых трубках может достигать звуковых значений при запуске и при определенных высоких температурах. Тогда производительность тепловой трубы ограничивается скоростью звука, и эффекты сжимаемости необходимо учитывать при расчете падения давления пара.Другими наиболее важными ограничениями являются давление пара или предел вязкости, которые возникают при включении тепловой трубы, когда тепловая труба работает при низкой температуре. Однако давление в конденсаторе не может быть меньше нуля, низкое давление пара жидкости в испарителе приводит к тому, что разница давлений пара между испарителем и конденсатором тепловой трубы недостаточна для преодоления сил вязкости и силы тяжести. Когда тепловая труба работает при высоких тепловых потоках, поток пара может увлекать жидкость, возвращающуюся в испаритель, и вызывать высыхание испарителя.Это состояние называется ограничением уноса. Вышеупомянутые ограничения тепловой трубки относятся к осевому потоку. Во время работы тепловой трубы разница температур радиального теплового потока относительно мала. Когда тепловой поток достигает критического значения, поверхность стенки испарителя покрывается паровой подушкой, что приводит к увеличению разницы температур в испарителе. Ограничение, связанное с радиальным потоком в тепловой трубе, называется пределом кипения [7].

    Если предполагаются стабильные свойства жидкости вдоль трубы, однородная структура фитиля вдоль трубы и пренебрежение падением давления из-за потока пара, общий тепловой поток тепловой трубы определяется как

    Q = mmax..L.E2

    mmax. = Ρl.σlμl.K.Al.2re − ρl.g.lσl.sinθE3

    3. Петлевая тепловая трубка

    Петлевая тепловая трубка была разработана для решения неотъемлемой проблемы включения длинного фитиля с малым радиусом пор в обычных тепловых трубках Герасимова и Майданика в 1972 году. LHP — это двухфазное устройство теплопередачи, которое использует испарение и конденсацию рабочей жидкости для отвода тепла и капиллярных сил, возникающих в мелких пористых фитилях для циркуляции жидкости. . На рисунке 2 показана схема LHP.Он состоит из испарителя с фитильной структурой, компенсационной камеры, конденсатора и трубопровода для жидкости и пара. Фитильная конструкция есть только в испарителе и компенсационной камере. Остальные части ЛТН выполнены из гладкостенной трубы. Фитильная структура испарителя имеет мелкие поры для создания капиллярного давления и обеспечения циркуляции рабочей жидкости в контуре. Фитильная конструкция компенсационной камеры имеет более крупные поры для транспортировки рабочей жидкости к испарителю.Тепло, приложенное к испарителю, заставляет эту рабочую жидкость начать испаряться, и пар проталкивается через паропровод к конденсатору из-за капиллярных сил в фитиле испарителя. Пар конденсируется в конденсаторе, и жидкость течет по жидкостной линии в компенсационную камеру. Функция компенсационной камеры заключается в хранении излишков жидкости и в регулировании рабочей температуры петлевой тепловой трубы. Таким образом, рабочая жидкость циркулирует в контуре без внешнего насоса [8, 9].

    Рисунок 2.

    Схема контура тепловой трубы.

    LHP может работать только в том случае, если капиллярное давление, создаваемое в фитиле испарителя, больше, чем полное падение давления в контуре. Общее падение давления в тепловой трубке контура складывается из перепадов давления на трение в канавках испарителя, паропровода, конденсатора, жидкостной линии, фитиля испарителя и статического падения давления под действием силы тяжести:

    ΔPtotal = ΔPgrove + ΔPvap + ΔPcon + ΔPliq + ΔPw + ΔPgE4

    Капиллярное давление фитиля испарителя определяется выражением

    ΔPcap = 2σ.cosθRE5

    где σ — поверхностное натяжение рабочей жидкости, θ — угол контакта между жидкостью и фитилем, а R — радиус кривизны мениска в фитиле. Увеличение тепловой нагрузки на испаритель увеличивает массовый расход и общее падение давления в системе. Реакцией на это является уменьшение радиуса кривизны мениска, так что капиллярное давление будет выше, чем падение давления всей системы. Увеличение тепловой нагрузки уменьшит радиус кривизны мениска до радиуса пор фитиля.Максимальная капиллярная насосная способность фитиля выражена выражением.

    ΔPcap, max = 2σ.cosθRvE6

    Дальнейшее увеличение тепловой нагрузки приведет к проникновению пара через фитиль и разгрузке системы. Таким образом, при нормальной работе должно всегда выполняться следующее условие [10]:

    ΔPtotal≤ΔPcapE7

    Вильямс и Харрис [11] исследовали плоские и поперечные свойства ступенчатых металлических войлочных фитилей для применения тепловых труб. Пористость, эффективный радиус пор и проницаемость для жидкости определяли с использованием данных по пропитке, капиллярной порометрии и скорости потока давления, соответственно.Авторы определили, что многие корреляции в литературе для размера пор и проницаемости носят слишком общий характер, повторяя выводы Боннефоя и Охтербека [12] в отношении эффективной теплопроводности.

    Холли и Фэгри [13] описали методы измерения проницаемости и эффективного радиуса пор, основанные на тесте скорости нарастания.

    Как правило, испытание скорости подъема требует наблюдения за фронтом жидкости, когда она поднимается в сухом фитиле, частично погруженном в лужу жидкости.Поскольку точное местоположение этого фронта может быть трудно обнаружить, авторы разработали метод, использующий поглощение массы, а не фронт мениска, для определения скорости подъема жидкости в фитиле. Анализируя восходящий мениск, авторы разработали серию уравнений, которые можно использовать для численного уменьшения данных по поглощению массы, чтобы получить результаты по проницаемости и размеру пор.

    Можно найти несколько соотношений для проницаемости, наиболее распространенным из которых является уравнение Блейка-Козени [14, 15], которое дает проницаемость слоя уплотненных сфер как

    K = rv2ε337.51 − ε2E8

    , где K — проницаемость, r p — радиус поры, а ε — пористость.

    Рен и Ву [16] смоделировали эффект эффективной теплопроводности фитиля в испарителях LHP; Была разработана двумерная осесимметричная модель, дающая результаты, в некоторых отношениях согласующиеся с литературными данными, а именно положение фронта жидкости по отношению к нагретому ребру [17, 18].

    Чжао и Ляо [18] представили температурные профили, указывающие на уменьшение утечки тепла для увеличения теплового потока в слое упакованных сфер.

    Iverson et al. [19] исследовали тепломассоперенос в спеченных медных фитильных структурах. Образцы фитилей были установлены вертикально, нижняя часть которых была погружена в бассейн с водой. Нагреватель, установленный на задней стороне фитиля, подавал энергию на образец, и результирующие градиенты температуры измерялись вместе с массовым расходом рабочей жидкости.

    Большая часть тепловой нагрузки используется при испарении на внешней поверхности фитиля [20]. Остальная часть подводимого тепла (так называемая «утечка тепла») проходит через фитиль и пропорциональна эффективной теплопроводности (ETC) капиллярных фитилей [21].Более низкая теплопроводность пористого фитиля обеспечивает меньшую теплопроводность жидкости внутри внутренней поверхности фитиля и поддерживает рабочую температуру и, следовательно, тепловое сопротивление всего LHP.

    Ку [10] и Фурукава [22] разработали простейшую модель утечки тепла LHP, в которой используется параметр проводимости, который зависит от геометрии и рабочих условий.

    Qe, cc = Ge, ccTe-TccE9

    где Q — мощность, G — параметр проводимости, а T — температура испарителя и компенсационной камеры.

    В установившемся режиме утечка тепла в компенсационную камеру должна компенсироваться жидкостью, возвращающейся из конденсатора; Уравнение (7) результаты, где ΔT представляет собой переохлаждение возвращающейся жидкости

    Qe, cc = m.cpΔTE10

    , где m — массовый расход, а c p — удельная теплоемкость.

    Чуанг [23] разработал стационарную модель LHP, которая разбивает общую утечку тепла на два отдельных компонента: в осевом направлении от испарителя к компенсационной камере и радиально от источника тепла к сердечнику испарителя.Эти два эффекта связаны между собой тем, что образование пузырьков пара в активной зоне испарителя из-за радиальной утечки уменьшает общий путь теплового потока обратно в компенсационную камеру, увеличивая осевую утечку [10].

    Чуанг вывел следующие выражения для осевой и радиальной утечки тепла соответственно:

    Qleak, a = keffATe − TccL + NukfπLTe − Tcc2E11

    Qleak, r = 2πkeffLςroriς − 1ΔTWE12

    , где Q Leak power — тепловая мощность. , k eff — эффективная теплопроводность, A — площадь, L — характерная длина, Nu — число Нуссельта, k f — теплопроводность жидкости, и ς представляет собой безразмерное соотношение адвекции и проводимости, задаваемое уравнением

    ς = м.cp2πkeffLE13

    В своем анализе и эксперименте Чуанг предположил, что этот параметр равен нулю, то есть чистой проводимости. Для исследованных случаев малой мощности это предположение было верным и привело к низкой ошибке; однако для высоких уровней мощности или низкой проводимости фитиля это предположение теряет силу.

    3.1. Фитиль LHP

    Фитиль — одна из основных частей петлевой тепловой трубы. Для достижения хорошей теплопередачи LHP ожидается фитильная структура с высокой пористостью и проницаемостью и мелким радиусом пор.Наиболее часто используемые фитильные конструкции в петлевых тепловых трубках изготавливаются из спеченных металлов, таких как медь, никель, нержавеющая сталь, титан или полимеры (полипропилен, полиэтилен, ПТФЭ) [24, 25, 26].

    Reimbrechta et al. использовали метод спекания порошкового крана с использованием графитовой матрицы для изготовления никелевых фитилей для капиллярных насосов [27]. Это показывает, что графит слабо взаимодействует с никелем за счет спекания никелевых порошков при обычных температурах спекания. Комбинация двух различных методов, спекания холодным прессованием и прямого спекания рыхлого типа, была использована Gongming et al.[28], для разработки фитилей из Ni и Ni-Cu (90% никеля и 10% меди) для петлевых тепловых труб. Они обнаружили, что с помощью метода прямого спекания со средним радиусом пор 0,54 мкм можно получить оптимальную структуру фитиля Ni-Cu. Хуанг и Франчи [29] использовали медную сетку экрана и два порошковых материала (никелевый нитевидный порошок и сферический медный порошок) для изготовления бимодальной структуры фитиля. Но он показал, что эти фитили могут быть неисправными. Саманта и др. [30] разработали металлические конструкции с никелевым фитилем для литья под давлением и провели исследование его физических характеристик в зависимости от времени спекания (30, 60 и 90 мин) и температуры (900, 930 и 950 ° C).Gernert et al. [31] разработали тонкопористую фитильную структуру для LPH. Wu et al. [32] обсуждали влияние кривой температуры спекания на структуру фитиля, изготовленную для LHP. Launay et al. в работе [20] к основным параметрам фитильной структуры относят пористость, диаметр пор и проницаемость. Оптимальная пористость спеченного фитиля находится между 30 и 75%, а оптимальная проницаемость — между 10 −14 и 3 × 10 −13 м 2 . Пористость фитильной структуры уменьшается при повышении температуры спекания или давления формования.Большинство спеченных пористых материалов имеет диаметр пор от 1 до 20 мкм, за исключением меди, диаметр пор которой составляет от 20 до 1000 мкм.

    В исх. [33] оптимальным капиллярным фитилем было спекание при 650 ° C в течение 30 мин с использованием метода прямого спекания с 90% никеля и 10% меди. Фитиль достигает пористости 70% и среднего диаметра пор 1,8 мкм. В исх. [10] изготовлены бипористые никелевые фитили. Пористость 77,4% была достигнута методом холодного спекания под давлением при температуре 700 ° C и содержании порообразователя 30% по объему.

    4. Эксперименты с петлевыми тепловыми трубками

    Следующий эксперимент был проведен в рамках научных исследований пористых структур, пригодных для LHP, и определения возможности отвода тепла, производимого IGBT. Знания, полученные при охлаждении IGBT компанией LHP, дали нам информацию, необходимую для того, чтобы узнать, какой тепловой поток может отвести LHP от источника тепла. Эта информация будет полезна в будущем при проектировании охлаждающих устройств, работающих с LHP.

    4.1. Характеристики спеченных структур

    Согласно вышеупомянутому опыту со спеченными конструкциями для LHP, мы решили изготовить фитильные структуры из никелевого и медного порошка.Сначала мы проводим анализ нескольких спеченных структур в зависимости от размера зерна, температуры спекания и времени спекания на пористость, размер пор и прочность. В электропечи спекали эталоны из порошков меди с размерами зерен 50 и 100 мкм и никелевых порошков с размерами зерен 10 и 25 мкм. Порошки меди спекали при температуре 800 и 950 ° C в течение 30 и 90 мин, а порошки никеля спекали при температуре 600 ° C в течение 30 и 90 мин.

    4.1.1. Измерение пористости

    Пористость фитильной структуры описывает долю пустого пространства в материале, где пустота может содержать рабочую жидкость [34].Для измерения пористости использовался весовой метод. Сначала образец взвешивали в сухом состоянии. Во-вторых, образец пропитывали дистиллированной водой (ρ = 0,998 г · см −3 при 20 ° C). Вес поглощенной воды оценивали по разнице между обоими значениями, а затем вычитали «пустое пространство» (то есть общий объем пор) и пористость.

    ε = Mss − MdsVtotal − ρwE14

    где ε — пористость фитильной структуры, M ss — масса пористого пропитанного образца, M ds — масса пористого сухого образца, V total — объем пор пористого образец, а ρ w — плотность поглощенной жидкости (воды).

    Результаты измерения пористости представлены в таблицах 2–5.

    Таблица

    50

    Размер зерна (мкм) 50 50 50 50
    Температура спекания (° C) 800 800
    Время спекания (мин) 30 90 30 90
    Пористость (%) 55 54 52
    90.

    Пористость спеченных структур из медного порошка с размером зерна 50 мкм.

    Таблица
    Размер зерна (мкм) 100 100 100 100
    Температура спекания (° C) 800 800
    Время спекания (мин) 30 90 30 90
    Пористость (%) 58 56 55 52
    90.

    Пористость спеченных структур из медного порошка с размером зерна 100 мкм.

    Размер зерна (мкм) 10 10
    Температура спекания (° C) 600 600
    Пористость (%) 69 67

    Таблица 4.

    Пористость спеченных структур из никелевого порошка с размером зерна 10 мкм.

    Размер зерна (мкм) 25 25
    Температура спекания (° C) 600 600
    Время спекания (мин)
    Пористость (%) 72 70

    Таблица 5.

    Пористость спеченных структур из никелевого порошка с размером зерна 25 мкм.

    4.1.2. Микроскопический анализ размера пор

    Исследование спеченных эталонов структур с помощью микроскопического анализа показало, как влияет температура и время спекания на размер пор и на соотношение размера зерна к размеру поры каждой структуры.Эталоны на рисунках 3–8 были созданы при увеличении в 100 раз пористых структур, спеченных из медного порошка размером 50 и 100 мкм. Рисунки 3 и 6 показывают, что структуры, спеченные при температуре 800 ° C, имеют поры в два раза больше, чем зерна порошка. Сравнение эталонов, спеченных при температурах 800 и 950 ° C, показывает, что эталоны, спеченные при температуре 800 ° C, имеют гораздо больший размер пор, чем при температуре 950 ° C. Это означает, что размеры пор настолько велики, что создают капиллярное действие в структуре.Сравнение эталонов, спеченных при одинаковой температуре и в различные интервалы времени, показало, что время спекания при температуре, ближайшей к температуре плавления спекаемого материала, не имеет решающего значения. Сравнение эталонов при одинаковой температуре спекания и интервале времени показало, что размер зерна спеченного материала влияет на размер пор. Согласно микроскопическому анализу спеченных структур, который уточняет их форму и профиль, можно сделать вывод, что основными факторами, влияющими на размер пор, являются размер зерна, температура спекания и не столько время спекания.

    Рисунок 3.

    Размер зерна 50 мкм, температура спекания 800 ° C, время спекания 30 мин.

    Рисунок 4.

    Размер зерна 50 мкм, температура спекания 950 ° C, время спекания 30 мин.

    Рисунок 5.

    Размер зерна 50 мкм, температура спекания 950 ° C, время спекания 90 мин.

    Рисунок 6.

    Размер зерна 100 мкм, температура спекания 800 ° C, время спекания 30 мин.

    Рисунок 7.

    Размер зерна 100 мкм, температура спекания 950 ° C, время спекания 30 мин.

    Рисунок 8.

    Размер зерна 100 мкм, температура спекания 950 ° C, время спекания 90 мин.

    Следующие рисунки 9–12 созданы с 500-кратным увеличением пористых структур, спеченных из порошка никеля размером 10 и 25 мкм. Сравнение эталонов, спеченных из никелевого порошка, привело к такому же выводу, что и спеченные эталоны из медного порошка. На размер пор образование спеченной структуры влияет не на время спекания, а на размер зерна.

    Рисунок 9.

    Размер зерна 10 мкм, температура спекания 600 ° C, время спекания 30 мин.

    Рисунок 10.

    Размер зерна 25 мкм, температура спекания 600 ° C, время спекания 30 мин.

    Рисунок 11.

    Размер зерна 10 мкм, температура спекания 600 ° C, время спекания 90 мин.

    Рисунок 12.

    Размер зерна 25 мкм, температура спекания 600 ° C, время спекания 90 мин.

    4.2. Производство фитильных структур

    На основании результатов измерения пористости и микроскопического анализа были выбраны фитильные структуры двух медных эталонов и двух никелевых эталонов LHP.Первая структура была изготовлена ​​из зерна меди размером 50 мкм и спечена при температуре 950 ° C в течение 30 мин (рис. 13). Вторая структура была изготовлена ​​из зерна меди размером 100 мкм и спечена при температуре 950 ° C в течение 30 мин. Третья структура была изготовлена ​​из никелевого зерна размером 10 мкм и спечена при температуре 600 ° C в течение 90 мин (Рисунок 14). Четвертая структура была изготовлена ​​из никеля размером зерна 25 мкм и спечена при температуре 600 ° C в течение 90 мин. Фитильные конструкции были спечены в отправляемой форме (кристаллизаторе) и изготовлены по модели требуемой формы в муфельной печи.

    Рис. 13.

    Пористые структуры из спеченного фитиля: а — медь, б — никель.

    Рисунок 14.

    Модель LHP: 1 — компенсационная камера; 2 — резиновое уплотнение; 3 — испаритель; 4 — паропровод; 5 — конденсатор; 6 — заправочный клапан; 7 — жидкостная линия.

    4.3. Конструкция петлевой тепловой трубы

    Целью экспериментов было определение влияния различных зависимостей, таких как вид конструкции фитиля, тип рабочей жидкости и количество рабочей жидкости на эффективность охлаждения LHP. Поэтому был разработан специальный экспериментальный LHP с алюминиевым блоком, установленным на части испарителя для фиксации биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT).Все части LHP (испаритель, компенсационная камера, парожидкостный трубопровод) были изготовлены из медных труб. В качестве рабочего тела использовались дистиллированная вода и ацетон. Внутри испарителя была вставлена ​​фитильная конструкция из спекания металлического порошка. Чтобы избежать потерь тепла (это еще называют утечкой тепла) в компенсационную камеру, между испарителем и компенсационной камерой был вставлен латунный фланец с резиновым уплотнением. На рисунке 15 представлена ​​модель конструкции LHP, а основные параметры конструкции LHP приведены в таблице 6.

    Рисунок 15.

    Схема измерительного блока: 1 — ПК; 2 — регистратор данных; 3 — IGBT; 4 — электроснабжение; 5 — термопара; 6 — термостат.

    9
    Испаритель Компенсационная камера
    Общая длина (мм) 130 Наружный / внутренний диаметр (мм) длина (мм) 86 Длина (мм) 110
    Внешний / внутренний диаметр (мм) 28/26 Масса заряда
    Материал Медь Медь 60%
    Седло Vapor line
    Размер (длина / высокий / широкий) 118/89/40 Длина (мм) Материал Глинозем Внешний / внутренний диаметр (мм) 6/4
    Спеченный медный порошок L iquid line
    Количество канавок для пара 6 Длина (мм) 820
    Пористость (%) 52–55 Наружный / внутренний диаметр (мм) 6 9047 4
    Наружный / внутренний диаметр (мм) 26/8 Конденсатор
    Спеченный никелевый порошок Длина (мм) 420 Количество канавок 6 Наружный / внутренний диаметр (мм) 6/4
    Пористость (%) 67–70
    Наружный / внутренний диаметр (мм)200 26/8

    Таблица 6.

    Основные конструктивные параметры ЛТД.

    4.4. Определение эффективности охлаждения тепловой трубы контура

    Определение эффективности охлаждения LHP было выполнено на экспериментальном измерительном блоке, который показан на рисунке 15. Фиксированный IGBT на испарителе LHP был нагружен электроэнергией. Тепло, выделяемое IGBT на испарителе LHP, отводилось рабочей жидкостью в конденсатор LHP. Конденсатор ЛТД выполнен в виде трубчатого теплообменника, а охлаждающий контур теплообменника регулировался термостатом при постоянной температуре 20 ° C.Суть определения эффективности охлаждения LHP заключается в измерении температуры IGBT с постепенным увеличением нагруженного тепла IGBT с шагом 50 Вт от 100 Вт до тех пор, пока IGBT не достигнет допустимой температуры 100 ° C. Температура IGBT измерялась термопарой, вставленной под IGBT. Для лучшего отвода тепла на соединение между IGBT и алюминиевым блоком и между алюминиевым блоком и испарителем была нанесена теплопроводная паста.

    Сначала были проведены измерения влияния количества рабочего тела на эффективность охлаждения ЛТД.Исследованы четыре количества 40, 50, 60, 80% от общего объема LHP в LHP с рабочей жидкостью вода. На рисунке 16 показано влияние количества рабочей жидкости в зависимости от эффективности охлаждения LHP водой с рабочей жидкостью в зависимости от нагруженного тепла. Видно, что LHP с объемом рабочего тела составляет 60%, а наилучшее рабочее LHP находится в диапазоне 150–350 Вт.

    Рисунок 16.

    Влияние количества рабочего тела на работу LHP.

    Затем было выполнено измерение влияния фитильных структур на способность LHP отводить тепло от IGBT.Измерение проводилось на LHP с рабочей жидкостью воды в количестве 60% от общего объема LHP. На рисунке 17 показаны результаты влияния структуры фитиля на эффективность охлаждения LHP в зависимости от нагруженного тепла. Сравнивались две фитильные структуры, изготовленные из порошка Cu с размером зерна 50 мкм и 100 мкм, и две фитильные структуры, изготовленные из порошка Ni с размером зерна 20 мкм и 10 мкм.

    Рисунок 17.

    Влияние структуры фитиля на эффективность охлаждения ЛТД водой с рабочей жидкостью в зависимости от нагруженного тепла.

    Сравнивая результаты зависимости температуры от входной мощности IGBT, охлаждаемого LHP, с вариантами структуры спеченного фитиля, LHP со структурой никелевого фитиля не показывает столь хороших свойств отвода тепла, как LHP со структурой медного фитиля. Сравнивая температурные кривые LHP со структурой первого фитиля (из порошка Cu 50 мкм) и LHP со структурой второго фитиля (из порошка Cu 100 мкм), видно, что оба LHP имеют почти одинаковые результаты при тепловой нагрузке более до 200 Вт.При более высокой входной мощности, чем 200 Вт, загруженной на IGBT, видно, что LHP с первой структурой не отводит тепло от IGBT, а температура IGBT превышает 100 ° C. LHP со второй структурой фитиля может охлаждать IGBT при температуре 100 ° C до входной мощности IGBT 450 Вт. Сравнение температурных кривых LHP со структурой третьего фитиля (изготовлен из порошка Ni 10 мкм) и LHP со структурой четвертого фитиля (изготовленный из порошка Ni 20 мкм) видно, что температура IGBT, охлаждаемого LHP с третьей структурой, быстро возрастает уже при входной мощности 150 Вт.LHP с четвертой фитильной структурой может охлаждать IGBT при температуре 100 ° C до входной мощности IGBT 250 Вт.

    В-третьих, измерение воздействия рабочей жидкости в LHP с фитильной структурой из порошка Cu 100 мкм и 50 мкм и количеством Выполнено 60% общего объема LHP с возможностью отвода тепла от IGBT. На рисунке 18 показан результат влияния рабочего тела на эффективность охлаждения ЛТД в зависимости от нагруженного тепла. Этот эксперимент показывает, что LHP с рабочей жидкостью ацетон лучше отводит тепло от IGBT при более низкой тепловой нагрузке в диапазоне 100–300 Вт.При более высоких тепловых нагрузках лучше работает ЛТД с рабочей жидкостью вода.

    Рис. 18.

    Влияние рабочей жидкости на эффективность охлаждения LHP с фитильной структурой из медного порошка 100 мкм и 50 мкм в зависимости от нагруженного тепла.

    5. Эксперименты с тепловыми трубками

    Следующие эксперименты проводились в рамках научных исследований тепловых трубок с пористым фитилем, в которых исследуется способность теплопередачи в зависимости от структуры фитиля и рабочей жидкости. Популярность тепловых трубок с пористым фитилем и отсутствие экспериментов с ними стали причиной проведения эксперимента, посвященного тепловым трубам со спеченными фитильными конструкциями из медных порошков.В этом разделе описывается процесс производства фитильных тепловых трубок, экспериментальное измерение теплопередающей способности тепловой трубки и математический расчет ограничения теплопередачи тепловых труб.

    5.1. Процессы производства тепловых труб

    Основными требованиями к производству тепловых трубок являются высокая чистота материала отдельных деталей и рабочего тела, а также их взаимная совместимость.

    Основа конструкции тепловой трубы — это тело трубы и рабочая жидкость.Производство тепловой трубы в первую очередь заключается в выборе подходящего материала трубы и рабочей жидкости. Рабочая жидкость выбирается в соответствии с температурными условиями, в которых будет использоваться тепловая трубка, поскольку тепловой поток, передаваемый тепловой трубкой, зависит от материала трубы, рабочей жидкости и их взаимной совместимости. Важной частью фитильной тепловой трубки является фитильная конструкция, которая также оказывает большое влияние на количество передаваемого теплового потока.

    Основными компонентами тепловой трубы являются:

    • Тело трубы (контейнер)

    • Рабочая жидкость

    • Фитильная структура

    • Торцевые заглушки

    • Напорная труба

    Тепловая труба Корпус может иметь любое поперечное сечение, например круглое или квадратное, может включать монтажные фланцы для облегчения сборки и может иметь различные формы.Фитильная структура может быть образована канавками, выдавленными в теле трубы, или сеткой с мелкими ячейками, пористым материалом и артерией, вставленными в тело тепловой трубы [35]. На рисунке 19 показана схема конструкции фитильной тепловой трубы.

    Рисунок 19.

    Схема конструкции фитильной тепловой трубы.

    Самая распространенная форма тепловой трубы — цилиндрическая, потому что помимо легкодоступного продукта (широкий ассортимент материалов и размер поперечного сечения трубы) она дает определенные преимущества также с точки зрения прочности и термомеханических параметров.Преимущество производства тепловой трубы цилиндрической формы заключается в простоте обращения с цилиндрическим материалом. На практике также используются тепловые трубы с плоским прямоугольным, треугольным или другим сечением. Наиболее распространенные тепловые трубки производятся с внутренним диаметром 8–25 мм и внутренним диаметром 2–5 мм — так называемые микротепловые трубки. Процесс производства тепловой трубы можно разделить на несколько подпроцессов, включающих механическую и химическую обработку материалов.

    Технологический процесс цикла изготовления тепловых труб:

    • Изготовление корпусов и заглушек.

    • Изготовление фитилей.

    • Очистка компонентов.

    • Закрытие торцевых заглушек герметичными соединениями (сварка, пайка).

    • Механическая проверка прочности и герметичности корпуса.

    • Вакуумирование внутреннего пространства и заполнение рабочей жидкостью.

    • Герметизация наливной трубы (сварка, пайка).

    Перед изготовлением тепловых трубок необходимо тщательно очистить все компоненты тепловой трубки, чтобы избежать нежелательного воздействия, которое в конечном итоге может повлиять на снижение способности теплопередачи.В процессе очистки сначала вручную удаляются механические загрязнения и ржавчина с корпуса трубы, а затем следует химическая очистка корпуса, конструкции фитиля, торцевых крышек и наливной трубы [36].

    5.1.1. Механическая часть производства тепловой трубы

    В механической части производства сначала подготавливаются отдельные компоненты тепловой трубы: корпус, наполняющая труба, конструкция фитиля и торцевые крышки. Затем все компоненты соединяются сваркой или пайкой.В случае изготовления фитильных тепловых труб, фитильная конструкция помещается во внутреннее пространство корпуса перед закрытием тепловой трубки. Замыкание тепловой трубки — это соединение корпуса с торцевыми заглушками. На рисунке 20 показаны стандартные типы закрытия тепловой трубы торцевыми заглушками. Наливная труба соединяется с одной из торцевых крышек за счет вакуумирования внутреннего пространства. После вакуумирования тепловая трубка заполняется рабочей жидкостью, заливная трубка прижимается, а после отключения от вакуумного насоса наливная трубка запаивается пайкой.

    Рисунок 20.

    Типы закрытия тепловой трубки торцевыми заглушками.

    5.1.2. Химическая часть производства тепловой трубы

    В химической части производства сначала удаляются механические загрязнения и ржавчина с корпуса тепловой трубы. Затем следует влажная очистка компонентов тепловой трубы, включая очистку растворами, кислотами и щелочными кислотами, которые точно определены для каждого типа материала. Ультразвуковая очистка, вакуумирование, дегазация и пассивация — это процессы, которые гарантируют высокую чистоту материала тепловых трубок и, таким образом, способствуют длительной безотказной работе.Как правило, очистка позволяет достичь двух важных целей. Первая цель — обеспечить хорошее смачивание материала тепловой трубки при работе. Вторая цель — удалить все частицы грязи, потому что присутствие примесей в твердой, жидкой или газообразной форме может отрицательно сказаться на способности теплопередачи тепловой трубы. Мелкие частицы могут препятствовать образованию капиллярного давления в структуре фитиля. Смазка для машинной обработки или смазка для рук может снизить смачиваемость фитиля. Оксиды, образующиеся на стенках фитильной конструкции, также могут снижать способность рабочей жидкости смачивать поверхность.Также настоятельно рекомендуется использовать ультразвуковой очиститель для очистки материала тепловых трубок, так как ультразвук разрушает загрязнения, прочно абсорбированные на поверхности металлических частиц, которые невозможно удалить никаким другим способом. Очистка тепловой трубки повторяется непосредственно перед заливкой рабочей жидкостью, после соединения корпуса с торцевыми заглушками и наливной трубкой. После очистки трубка дегазируется путем нагрева до более высокой температуры и вакуумирования салона. В случае фитильной тепловой трубы необходимо удалить оксидные слои с фитильной конструкции путем химической очистки (например,г., растворители).

    5.1.3. Заполнение тепловой трубки рабочей жидкостью

    Рабочая жидкость, добавляемая в тепловую трубку, должна быть полностью чистой, без механических примесей и газов, поскольку их следовые остатки также могут вступать в реакцию с материалом корпуса тепловой трубки и образовывать нежелательные элементы. Чистые вещества без проблем можно приобрести в специальных магазинах химии. Однако даже в чистых жидкостях и твердых телах может присутствовать несжимаемый газ. Эти газы можно удалить, повторяя циклы замораживания и оттаивания.Рабочая жидкость в бутыли может замерзнуть жидким азотом или сухим льдом.

    Заливка каждого типа рабочей жидкости происходит при других условиях. Характеристика процесса розлива зависит от состояния рабочей жидкости при температуре окружающей среды. Если рабочая жидкость находится в газообразном состоянии (криогенном) комнатной температуры, заправка может производиться через газовый баллон высокого качества. Заполнение и закрытие жидкометаллических тепловых труб целесообразно производить в вакуумной камере [37].

    Заполнение низкотемпературных тепловых трубок может производиться при комнатной температуре без использования какой-либо защитной атмосферы. Перед заполнением тепловой трубки рекомендуется отсосать из нее воздух, чтобы обеспечить удаление нежелательных компонентов, содержащихся в материалах, которые впоследствии могут быть показаны как неконденсирующиеся компоненты. Кроме того, под давлением рабочая жидкость естественным образом попадает в тепловую трубу, и таким образом достигается состояние равновесия чистой паровой и жидкой фаз при более низком давлении, чем атмосферное [38].

    5.2. Производство тепловых труб

    Хотя изготовление пористой фитильной структуры наиболее сложно из всех типов фитильных структур, это одна из трех наиболее часто используемых фитильных структур в тепловой трубке, поскольку она способна создавать большое капиллярное давление, которое позволяет тепловая трубка для передачи высокого теплового потока в антигравитационном положении. Один из методов создания пористой фитильной структуры заключается в спекании медного порошка, равномерно насыпанного вокруг соосно центрированной стальной оправки, расположенной внутри медной трубы, при температуре, близкой к плавлению порошкового материала в высокотемпературной электропечи.Путем спекания медных порошков можно получить фитильную структуру с высокой теплопроводностью, высокой пористостью фитиля, малым радиусом капилляра и высокой проницаемостью фитиля, которые являются основными характеристиками фитильной структуры, обеспечивающей снабжение испарителя конденсированной жидкостью. Высокая теплопроводность меди гарантирует, что фитильная структура не будет иметь высокого термического сопротивления, что также является одним из ожидаемых свойств фитильной конструкции. Формирование подходящей пористой структуры путем спекания металлического порошка зависит, помимо температуры спекания, как от времени спекания, так и от размера зерен порошка.Для получения пористой структуры спекания используются медные порошки с размером частиц 30–100 мкм или медные волокна длиной 2–3 мм и диаметром 20–100 мкм.

    Самая важная часть тепловой трубы — это фитильная конструкция. Этот эксперимент относится к тепловым трубкам со структурой спеченного фитиля, изготовленным из медного порошка с зернистостью 100, 63 и 35 мкм путем спекания в высокотемпературной электрической печи с использованием порошковой металлургии. Путем спекания медного порошка на внутренней стенке контейнера с тепловой трубкой: 1.Созданы фитильные конструкции толщиной 5 мм. Процесс спекания фитильной структуры составлял ок. при температуре 1000 ° С и времени 30 мин. Поскольку размер пор в фитильной структуре зависит от размера зерен медного порошка, спекание медного порошка с различным размером зерна создает фитильную структуру с различным размером пор. Общая длина тепловых трубок 0,5 м.

    На рисунке 21 показаны медные порошки, а на рисунке 22 — изготовленная пористая структура фитиля.

    Рисунок 21.

    Порошки меди (35, 63 и 100 мкм).

    Рисунок 22.

    Спеченные пористые фитильные структуры.

    Другая важная часть конструкции тепловой трубы зависит от факторов, связанных со свойствами рабочей жидкости. Рабочая жидкость должна иметь хорошую термическую стабильность по отношению к определенной рабочей температуре и давлению. Наиболее важные требования, которые должна иметь рабочая жидкость: совместимость с капиллярной системой и материалом трубы, высокая термическая стабильность, высокая степень нагрева, высокая теплопроводность, низкая вязкость жидкой и паровой фазы, высокая поверхностное натяжение и допустимая температура замерзания.Для этого эксперимента в качестве рабочей жидкости были выбраны вода и этанол.

    Количество рабочей жидкости в тепловых трубках — другая алхимия производства тепловых трубок. Есть несколько рекомендаций по количеству рабочей жидкости в тепловой трубке. Недостаток рабочей жидкости может привести к высыханию испарительной части тепловой трубы. Избыток рабочей жидкости может привести к закупорке конденсирующей части тепловой трубы. Одна из рекомендаций относительно количества рабочей жидкости в тепловой трубе состоит в том, что она должна заполнять не менее 50% испарительной части тепловой трубы.В целом количество рабочего тела определяется в пределах 15–30% от общего объема тепловых трубок [35]. В этом эксперименте тепловые трубы были заполнены рабочей жидкостью на 20% от общего объема тепловых трубок.

    И, наконец, процесс вакуумирования, заполнения и закрытия тепловой трубки — другая важная часть производства тепловых трубок. Есть несколько методов, как выполнить этот процесс. Каждый из этих методов имеет точный план процессов хранения и вакуумирования. На рисунке 23 показана схема процесса заполнения и вакуумирования, используемого при производстве тепловых трубок.Через соединительную капиллярную трубку шприцем в трубу вводилась рабочая жидкость. Контейнер с тепловой трубкой с рабочей жидкостью был подключен к вакуумной системе и с помощью вакуумного насоса отсасывался воздух из контейнера с тепловой трубой. Перед подключением трубы к вакуумной системе рабочая жидкость охлаждалась путем погружения трубы в охлаждающую среду, так как во время вакуумирования трубы происходит падение давления, которое может вызвать испарение рабочей жидкости. В качестве охлаждающей среды можно использовать сухой лед или жидкий азот.После вакуумирования подсоединенную капиллярную трубку сжимали, отсоединяли от системы вакуумирования и припаивали свободный конец.

    Рисунок 23.

    Схема процесса заполнения и вакуумирования тепловых трубок.

    5.3. Способность теплопередачи тепловой трубы

    Основная цель экспериментов — определение влияния пористой структуры фитиля на величину тепловых характеристик, передаваемых тепловой трубой. Для определения количества тепловых характеристик, передаваемых тепловой трубой, был предложен измерительный блок, состоящий из измерительного прибора (термостат, регистратор данных, ультразвуковой расходомер, источник питания), показанного на рисунке 24.Испарительная секция тепловой трубы электрически нагревалась путем подключения к лабораторному источнику питания. Конденсационная секция тепловой трубы помещается в теплообменник, где переданное тепло от испарителя рассеивается. Тепло, передаваемое тепловой трубкой, оценивается калориметрическим методом, исходя из калориметрического уравнения, где в теплообменнике протекают известные массовый расход, удельная теплоемкость, температура охлаждающей среды на входе и выходе.

    Рисунок 24.

    Схема измерительного блока.

    Q = m..c.ΔtE15

    Δt = t2 − t1E16

    где Δt [° C] — разность температур, t 1 [° C] — температура на входе, t 2 [° C] — температура на выходе, ṁ [Дж кг с −1 K −1 ] — массовый расход жидкости и c [Дж кг · с −1 ] — специальные теплоемкости жидкости.

    На рисунке 25 показаны результаты экспериментального определения влияния пористой фитильной структуры и рабочей жидкости на теплопередающую способность тепловой трубы в горизонтальном положении и источнике тепла 80 ° C.Видно, что тепловая труба с рабочей жидкостью вода способна передавать самые высокие тепловые характеристики в диапазоне 150–200 Вт. Лучшей рабочей фитильной структурой в водяной тепловой трубке является пористая фитильная структура, изготовленная из порошка меди с размером зерна 63 мкм. С другой стороны, пористая структура фитиля из порошка меди с размером зерна 35 мкм лучше подходит для тепловых трубок с рабочими жидкостями, такими как ацетон и этанол, которые способны передавать тепловые характеристики около 120 Вт. Эксперимент не показал лучших результатов. одна пористая фитильная структура для выбранных рабочих жидкостей, поскольку каждая пористая структура имеет различную пористость и размер пор, которые зависят от производственного процесса, и каждая рабочая жидкость имеет разные физические свойства.Не существовало только одной лучшей тепловой трубки с лучшей фитильной структурой или лучшей рабочей жидкостью, потому что каждая тепловая трубка с различным сочетанием пористой структуры и рабочей жидкости уникальна из-за своих различных свойств.

    Рис. 25.

    Влияние структуры фитиля на способность теплопередачи тепловой трубы у источника тепла 80 ° C.

    На рисунке 26 показано влияние рабочего положения на способность теплопередачи фитильной тепловой трубы с различными пористыми фитильными структурами.Рабочее положение тепловой трубки можно разделить на три зоны. Зона положительного гравитационного воздействия представлена ​​углом наклона от вертикального положения 0–75 °, зона действия невесомости (горизонтальное положение) представлена ​​углом наклона от вертикального положения 90 °, а зона отрицательного гравитационного воздействия представлена ​​углом наклона от вертикального положения. вертикальное положение 105–180 °. Видно, что вся фитильная тепловая трубка имеет хорошую способность теплопередачи во всех зонах. Лучше всего работающая фитильная тепловая трубка в зоне положительного и невесомого воздействия — тепловая трубка с фитильной структурой, изготовленной из медного порошка 63 мкм.Лучшая рабочая тепловая трубка в зоне отрицательного гравитационного воздействия — это фитильная тепловая трубка с фитильной структурой из медного порошка 100 мкм.

    Рисунок 26.

    Зависимость тепловых характеристик от рабочего положения фитильных тепловых трубок с различной фитильной конструкцией.

    5.4. Расчет ограничения теплопередачи тепловой трубы

    Поток, передаваемый через тепловую трубу, в основном зависит от разницы температур и соответствующих тепловых сопротивлений. На реальную передаваемую теплоту влияют гидродинамические и тепловые процессы, происходящие в тепловой трубе при различных условиях эксплуатации.Тепловой поток, передаваемый тепловой трубкой, может достигать предельных значений, которые зависят от этих процессов. Существует пять известных ограничений, которые ограничивают общую теплопередачу в различных частях тепловой трубы в зависимости от рабочей температуры. На рисунке 27 показана идеальная модель всех ограничений теплопередачи, которые определяют область максимального теплового потока, передаваемого тепловой трубой, в зависимости от рабочей температуры [4].

    Рис. 27.

    Ограничения теплопередачи тепловой трубы с водяным фитилем со структурой из спеченного фитиля (внутренний диаметр тепловой трубы 20 мм, общая длина 2 м, осевая ориентация 90 °, диаметр сферы из медного порошка 0.85 мм, пористость 0,55, ширина фитильной структуры 6 мм).

    Математическая модель состоит из расчета ограничений теплопередачи тепловой трубы. Ограничения теплопередачи тепловой трубы зависят от рабочей жидкости, конструкции фитиля, размеров тепловой трубы и рабочей температуры тепловой трубы. Каждое ограничение теплопередачи выражает часть общего теплового потока тепловой трубы, на которую влияют гидродинамические и тепловые процессы, происходящие в тепловой трубе. Каждое из ограничений существует по отдельности, и вместе они не влияют на себя.Для разработки математической модели для расчета теплового потока, передаваемого тепловой трубкой, необходимо знать основные и производные параметры тепловой трубы и ее фитильную структуру, а также физические свойства жидкой и паровой фазы рабочего тела.

    5.4.1. Капиллярное ограничение

    Капиллярное ограничение включает ограничение, которое влияет на работу фитильной тепловой трубы, которое возникает из-за капиллярного давления, действующего на конденсированную рабочую жидкость в капиллярной структуре. При контакте жидкости с поверхностью фитильной конструкции создается капиллярное давление.Это заставляет жидкую фазу рабочего тела течь из конденсатора в испаритель. Уменьшение пор в капиллярной структуре увеличивает капиллярное давление, а также гидравлическое сопротивление. Капиллярный предел возникает, когда капиллярные силы на границе раздела жидкой и паровой фаз в секции испарителя и конденсатора тепловой трубы недостаточно велики, чтобы преодолеть потери давления, вызванные трением. Если капиллярное давление в тепловой трубке во время работы оказывается недостаточным для обеспечения необходимого потока конденсата из конденсатора в испаритель, капиллярная структура в испарителе осушается и, таким образом, дальнейшее испарение рабочего вещества прекращается.В общем, капиллярный предел — это основной предел, который влияет на характеристики тепловой трубы и выражается соотношением [39].

    E17

    где A w — площадь поперечного сечения фитиля (м 2 ), K — проницаемость фитиля (м 2 ), μ l — вязкость жидкости (Н · с / м 2 ), ρ l — плотность жидкости (кг / м 3 ), g — ускорение свободного падения (9,8 м / с 2 ), r eff — радиус капилляра фитиля в испарителе (м), а l t — общая длина трубы (м) [7].

    Кроме того, если тепловая трубка работает правильно, максимальное капиллярное давление должно быть больше, чем общая потеря давления в тепловой трубке, и это выражается соотношением

    ΔPcmax≥ΔPtotE18

    Максимальное капиллярное давление ΔP c , разработанный в фитильной структуре тепловой трубы, определяется уравнением Лапласа-Юнга.

    E19

    где r eff — эффективный радиус пор фитильной структуры, а θ — угол смачивания жидкой фазы рабочей жидкости в фитильной структуре, где θ = 0 ° — наилучший контактный угол смачивания [4] .

    5.4.2. Ограничение вязкости

    Когда тепловая трубка работает при низких рабочих температурах, давление насыщенного пара может быть очень маленьким и иметь тот же диапазон, что и требуемый перепад давления, необходимый для потока пара от испарителя к конденсатору тепловой трубки. Это приводит к условию, выраженному пределом вязкости в отношении баланса давления пара и сил вязкости в капиллярной структуре в низкоскоростном потоке пара. Наиболее частые случаи превышения границы вязкостного предела возникают, когда тепловая труба работает при температуре, близкой к температуре застывания рабочего тела.При этом испарения рабочего тела в испарителе и передачи тепла в виде потока пара через адиабатический участок в конденсатор тепловой трубы не происходило. Предполагается, что пар представляет собой изотермический идеальный газ, давление водяного пара на конце конденсатора равно нулю, что обеспечивает абсолютный предел давления в конденсаторе. Предел вязкости называется условием течения паровой фазы при низкой скорости и выражается соотношением

    E20

    , где l v — скрытая теплота парообразования (Дж / кг), r v — это радиус поперечного сечения парового ядра (м), l eff — эффективная длина тепловой трубы (м), μ v — вязкость пара в испарителе (Н · с / м 2 ), P v (Па) — давление пара, а ρ v (кг / м 3 ) — плотность на конце испарителя с тепловой трубкой [4].

    В случаях, когда предел вязкости достигается для многих условий, давление в конденсаторе не может быть нулевым. Тогда применяется следующее выражение:

    E21

    где P v, c — давление пара в конденсаторе [40].

    5.4.3. Звуковое ограничение

    Звуковое ограничение характеризует состояние, в котором скорость потока испаренного пара на выходе из испарителя достигает скорости звука. Как правило, это явление происходит в начале работы тепловой трубы при низком давлении пара рабочего тела.Предполагая, что пар рабочей жидкости является идеальным газом и поток пара со скоростью звука по всему поперечному сечению тепловой трубы является однородным, звуковой предел определяется соотношением (22). Звуковой предел не зависит от ориентации тепловой трубы и типа тепловой трубы, и та же формула применяется для гравитационной и фитильной тепловой трубы. Самым сложным при определении звукового предела является определение величин плотности пара и давления на входе в конденсатор [41].

    E22

    где ρ v (кг / м 3 ) — плотность пара, P v (Па) — давление на конце испарителя с тепловой трубой, а A v — поперечное сечение площадь парового ядра ( 2 м).

    Звуковой предел в основном связан с запуском жидкометаллической тепловой трубы или низкотемпературной работой тепловой трубы из-за очень низкой плотности пара, которая возникает в этих случаях. Для низких или криогенных температур звуковой предел не является типичным фактором, за исключением тепловых труб с очень маленьким диаметром паровых каналов.Звуковое ограничение называется верхним пределом осевой теплопередачи и не обязательно приводит к высыханию фитильной конструкции в испарителе с тепловой трубой или к полному отказу тепловой трубы [4].

    5.4.4. Ограничение уноса

    Увеличение теплового потока, передаваемого тепловой трубкой, также увеличивает скорость потока пара рабочей жидкости, что приводит к более выраженному взаимодействию паровой и жидкой фаз внутри тепловой трубки. Межфазная поверхность становится нестабильной, и сила вязкости на поверхности жидкости преодолевает силы поверхностного натяжения.Сначала на поверхности жидкой фазы создаются волны, с которых постепенно отрываются капли. При определенной скорости потока пара происходит прерывание потока жидкости в испарительную секцию. Конденсаторная секция тепловой трубы переполнена паровой и жидкой фазой, а испаритель перегревается из-за нехватки рабочей жидкости. Предельное значение теплового потока, когда конденсатор тепловой трубы переполнен паром и жидкостью, соответствует пределу взаимодействия [42]. Ограничение уноса фитильной тепловой трубки связано с состоянием, когда пар течет против потока жидкости в фитильной структуре, что может привести к недостаточному потоку жидкости в фитильной конструкции [43].Ограничение уноса фитильной тепловой трубы выражается соотношением:

    E23

    , где r c, ave — средний радиус капилляра фитильной структуры, и во многих случаях он приближается к r eff , а σ l — поверхностное натяжение жидкости (Н / м) [4].

    5.4.5. Ограничение кипения

    При нагревании поверхности стенки тепловой трубы слоем жидкости на границе насыщения могут возникнуть три основных режима теплопередачи.При небольшом перепаде температур нагреваемой поверхности и межфазной поверхности жидкости происходит естественная конвекция и испарение с поверхности жидкости. При увеличении перепада температур происходит пузырьковое кипение и постепенный переход в пленочное кипение. В тепловой трубе происходит поверхностное испарение при низких плотностях теплового потока и пузырьковое кипение при более высоких плотностях. Хотя интенсивность теплопередачи является наибольшей при пузырьковом кипении, для большинства типов фитильных тепловых труб пузырьковое кипение нежелательно, поскольку оно препятствует впитыванию жидкости в структуру фитиля.С другой стороны, в тепловой трубе с рифленой капиллярной структурой предпочтительна гравитационная тепловая труба с пузырьковым кипением [44]. Тепловой поток, при котором пузырьковое кипение происходит в фитильных тепловых трубках, а пленочное кипение происходит в гравитационной тепловой трубке, называется пределом кипения. Гравитационная тепловая трубка выражается соотношением [45]:

    Qb = 0,16.Av.lvσl.g.ρv2ρl − ρv4E24

    Определение предела кипения фитильной тепловой трубки проблематично, потому что это зависит от ряд технологических и эксплуатационных режимов.Наиболее надежное определение предела кипения — экспериментальное определение для конкретной конструкции фитиля и рабочего тела. Приблизительное определение ограничения кипения фитильной тепловой трубы выражается соотношением [46]

    E25

    , где λ eff — эффективная теплопроводность фитильной конструкции, которая складывается из теплопроводности фитиля и теплопроводности рабочей жидкости. проводимость (Вт / м · К), T v — температура паронасыщения (K), r v — радиус паровой сердцевины, r i — радиус внутреннего контейнера (м), r n — радиус зарождения пузырька в диапазоне от 0.От 1 до 25,0 мкм для обычных металлических контейнеров с тепловыми трубками [4].

    5.4.6. Параметры тепловой трубы

    Для расчета ограничений теплопередачи тепловой трубы необходимо знать теплофизические свойства рабочей жидкости в тепловой трубе, основные параметры тепловой трубы, теплопроводность материала тепловой трубы, рабочую температуру тепловой трубы, осевую ориентацию тепловой трубы. , и другие параметры тепловой трубы, рассчитанные на основе основных параметров тепловой трубы.

    lt = le + lad + lcE26

    leff = 0.5le + lc + ladE27

    Av = πrv2E28

    Aw = πri2 − ri − h3E29

    где l t — общая длина тепловой трубы [м], l e — длина испарения тепловой трубы [м], l ad адиабатическая длина тепловой трубы [м], l c — длина конденсации тепловой трубы [м], l eff — эффективная длина тепловой трубы [м], A v — площадь поперечного сечения паровой сердцевины [м 2 ], A w — площадь поперечного сечения фитиля [м 2 ], r v — радиус поперечного сечения паровой сердцевины [м], r i — внутренний радиус контейнера [м], а h — ширина фитильной конструкции [м].

    Другими параметрами, необходимыми для расчета ограничений теплопередачи тепловых труб, являются основные параметры структуры спеченного фитиля и другие параметры, рассчитанные на основе основных параметров структуры фитиля.

    reff = 0,21 · dsE30

    K = d2.ε3150.1 − ε2E31

    λeff = λl2.λl + λm − 2.1 − ε.λl − λm2.λl + λm + 1 − ε.λl − λmE32

    где K — проницаемость [м 2 ], d — диаметр сферы [м], ε — пористость [-], r eff — эффективный радиус фитильной структуры [м], λ eff — эффективная теплопроводность, λ l — теплопроводность рабочей жидкости, λ м — теплопроводность материала фитиля [47].

    5.5. Верификация математической модели

    Математическая модель была создана в соответствии с приведенными выше уравнениями ограничений и параметрами входной тепловой трубы. Результатом математической модели являются графические зависимости ограничений теплопередачи от рабочей температуры тепловой трубы. Результаты математической модели ограничений теплопереноса для конкретных типов тепловых труб были сопоставлены с результатами измерения характеристик тепловых труб при температурах 50 ° C и 70 ° C. На рисунке 28 представлены графические результаты сравнения ограничений теплопередачи, определяющих общую производительность тепловой трубы на основе математической модели, с измеренными характеристиками тепловой трубы с фитилем этанола со структурой спеченного фитиля и диаметром сферы из медного порошка 0.Показаны 1 мм. Пунктирная линия обозначает границу производительности тепловой трубы за счет капиллярного ограничения, а пунктирная линия — ограничение кипения. Полная линия представляет собой результаты измерений тепловых характеристик тепловых трубок при температуре 50 ° C и 70 ° C. Рисунок 29 подтверждает верификацию математической модели, где видно, что измеренные значения передаваемого теплового потока тепловой трубкой со структурой спеченного фитиля при температурах 50 ° C и 70 ° C находятся примерно в той же области, что и расчетные значения капиллярное ограничение математической моделью.На рисунках 28 и 29 видно, что пунктирная линия и сплошная линия находятся примерно в одной области при температурах 50 ° C и 70 ° C.

    Рисунок 28.

    Верификация математической модели путем измерения характеристик тепловой трубы (тепловая трубка с этанольным фитилем со структурой из спеченного фитиля и диаметром сферы из медного порошка 0,1 мм и осевой ориентацией тепловой трубки ψ 180 °).

    Рисунок 29.

    Проверка математической модели путем измерения характеристик тепловой трубы (водяная фитильная тепловая труба со структурой спеченного фитиля и диаметром сферы из медного порошка 0.63 мм осевая ориентация тепловой трубы ψ 180 °).

    5.6. Результаты математической модели

    Результатами расчета тепловой трубы являются некоторые интересные графики максимального теплового потока, передаваемого тепловой трубкой в ​​зависимости от параметров конструкции фитиля. Его можно использовать при оптимизации конструкции фитиля тепловой трубы. Кривые представляют область максимального теплового потока, передаваемого тепловой трубкой, в зависимости от рабочей температуры.

    Следующие графические зависимости характеристик тепловой трубы созданы на основе математической модели фитильной тепловой трубы с этаноловым фитилем со структурой спеченного фитиля и различной пористостью, диаметром сферы медного порошка и шириной структуры фитиля.На рисунке 30 показано влияние пористости на характеристики тепловой трубы. Пористость фитильной структуры может быть изменена путем добавления некоторых добавок в спеченную технологию. Отчетливо видно повышение производительности тепловых трубок с увеличением пористости фитильной структуры. Тепловая труба с более высокой проницаемостью фитильной конструкции может передавать больший тепловой поток. Но с увеличением проницаемости фитильной конструкции может происходить увлечение потока жидкости в испаритель потоком пара. Это может вызвать высыхание испарительной секции тепловой трубы и снизить общую производительность тепловой трубы.

    Рис. 30.

    Зависимость характеристик тепловой трубы от пористости фитильной конструкции тепловой трубы из спеченного фитиля.

    На рисунке 31 показано влияние медного порошка диаметром шарика на структуру спеченного фитиля. Использование медного порошка большего диаметра для спекания позволяет создать фитильную структуру с более высокой пористостью. Можно сказать, что увеличение пористости прямо пропорционально размеру сферы медного порошка, и для создания фитильных структур с большей пористостью добавление добавок в спеченную технологию не требуется.В этом случае наблюдается увеличение производительности тепловых трубок при использовании большего размера сферы из медного порошка.

    Рис. 31.

    Зависимость характеристик тепловой трубы от диаметра сферы медного порошка в спеченной фитильной тепловой трубе.

    На Рисунке 32 показано влияние ширины структуры фитиля на характеристики тепловой трубы. Ширина конструкции фитиля является важным фактором, влияющим на характеристики тепловой трубы. Видно, что характеристики тепловой трубы возрастают с увеличением толщины структуры фитиля в диапазоне рабочих температур от -30 до 60 ° C.Капиллярное ограничение является основным ограничением для этой области. С другой стороны, увеличение толщины фитильной структуры снижает производительность тепловой трубы в диапазоне рабочих температур 80–130 ° C. Это может быть вызвано зарождением пузырьков в структуре фитиля, когда возвращающаяся жидкость из секции конденсатора в секцию испарителя тепловой трубы испаряется. В этом случае главное ограничение — ограничение кипения.

    Рис. 32.

    Зависимость характеристик тепловой трубы от ширины фитильной конструкции тепловой трубы из спеченного фитиля.

    6. Заключение

    Эксперименты, проведенные с тепловыми трубками в данной работе, позволяют сделать несколько выводов о влиянии пористых фитильных структур на их способность к теплопередаче, где пористость и размер пор играют основную роль. Эксперименты по влиянию технологии изготовления на пористость фитильной структуры показывают, что время спекания и температура металлических порошков не влияют на пористость фитильной структуры. Другой вывод о влиянии технологии производства на пористую структуру фитиля при спекании металлических порошков заключается в том, что основными факторами, влияющими на размер пор фитильной структуры, являются размер зерна, температура спекания и не столько время спекания.

    Эксперименты по влиянию количества рабочей жидкости, вида фитильной структуры и рабочей жидкости на способность теплопередачи петлевой тепловой трубы показывают, что оптимальное количество рабочей жидкости в LHP находится в диапазоне 50-60%. Принимая во внимание влияние фитильной структуры на работу LHP, можно сделать вывод, что пористость и размер пор фитильной структуры влияют на способность теплопередачи, когда LHP с пористой структурой с пористостью 50% лучше влияет на отвод тепла от IGBT, чем 70%, и LHP с пористой структурой с большим размером пор лучше влияет на отвод тепла от IGBT, чем с меньшим размером пор.Как правило, самый маленький размер пор может вызвать низкое капиллярное давление в структурах из спеченного фитиля по сравнению с общим давлением во всей системе LHP. Экспериментальное влияние рабочего тела на теплопередающую способность ЛТД показывает, что ЛТД с рабочей жидкостью ацетон лучше отводит тепло от БТИЗ при меньшей тепловой нагрузке в диапазоне 100–300 Вт, а НТД с рабочей жидкостью водой лучше работает при более высоких тепловых нагрузках LHP до 450 Вт.

    Эксперименты по влиянию фитильной структуры и рабочего тела на теплопередающую способность тепловой трубы не показали наилучшего сочетания пористой фитильной структуры и рабочего тела.Этот эксперимент показывает, что тепловые трубки с пористой фитильной структурой способны передавать тепло в диапазоне 100–200 Вт в горизонтальном положении. Это зависит от параметров конструкции фитиля и типа рабочей жидкости, потому что каждая тепловая трубка с различным сочетанием этих факторов уникальна из-за своих различных свойств.

    Математический расчет ограничений теплопередачи тепловой трубы показывает, что критическими ограничениями, влияющими на способность теплопередачи фитильной тепловой трубы, являются ограничение уноса, капиллярное ограничение и ограничение кипения.Эти ограничения зависят от теплофизических свойств, параметров фитиля и тепловой трубы. Теплофизические свойства каждого рабочего тела стабильны в температурном диапазоне и не могут изменяться. Изменение размеров фитильной конструкции позволяет оптимизировать общий тепловой поток, передаваемый тепловой трубкой, поскольку капиллярное давление, создаваемое в фитильной конструкции, в основном зависит от проницаемости фитильной конструкции. При проектировании фитильной конструкции необходимо соблюдать осторожность, поскольку увеличение размера пор увеличивает проницаемость, но снижает капиллярное давление, которое управляет циркуляцией рабочей жидкости в тепловой трубе.Следовательно, капиллярное ограничение является основным ограничением теплопередачи в фитильной тепловой трубке.

    Распределительная система труб отопления | Серверная служба

    Распределительная система труб отопления. Неотъемлемая часть любого жилого помещения — отопление. Это необходимо для уюта и комфортного проживания. Будь то многоквартирная секция или частный дом с теплогенератором, одна из важнейших составляющих успешной системы отопления — грамотная разводка труб.Работающую схему подключения с лучшими показателями и наименьшими тепловыми потерями правильно составлять только профессионалы, например сотрудники компании Server Service . Ведь, казалось бы, простая задача скрывает множество нюансов.

    Для начала необходимо определить, какие трубы будут установлены. При выборе труб следует ориентироваться на такие факторы, как температура воды в системе отопления, давление в системе, механическое воздействие. Наши специалисты помогут грамотно оценить ситуацию.К выбору труб следует подходить с большой ответственностью, ведь именно они являются проводником тепла в ваш дом или другое помещение.

    Наиболее актуальными на сегодняшний день являются поливинилхлоридные или, проще говоря, пластиковые трубы. Они заслуживают признания за их долговечность, устойчивость к коррозии и химическим реакциям. Также трубы ПВХ выгодно отличаются от металлических простотой монтажа без использования газосварочного оборудования.

    После того, как вы выбрали тип труб, оптимальный для вашего бюджета и потребностей, необходимо составить точную схему предстоящей разводки.Мастера нашей компании Server Service помогут вам определиться с типом системы отопления, которая может быть с естественной и принудительной циркуляцией. Каждая из этих систем имеет свои особенности, но добиться максимального эффекта не представляется возможным.

    Так, например, в системе с принудительной циркуляцией через насос для перекачки воды расширительный бак должен быть установлен в самой высокой точке всей системы отопления, а сам котел — в самой низкой точке. Это поможет увеличить давление и ускорить циркуляцию в системе отопления.Также наши мастера учтут лучшее место для слива лишней воды из системы в канализацию.

    Вся система отопления будет спроектирована так, чтобы обеспечить максимальный отвод тепла. Все, что разрабатывает наша компания, неизменно сочетает в себе рациональность и эстетику.

    Моделирование тепловых труб, фиксированная и переменная проводимость

    Тепловые трубы с переменной и фиксированной проводимостью

    Инструменты

    CRTech были многократно проверены для моделирования тепловых труб с постоянной проводимостью (CCHP или FCHP) и переменной проводимости (VCHP), а также других специализированных труб, таких как диодные тепловые трубки.Используемые методы полностью способны точно уловить влияние тепловой трубы на основную систему, не позволяя модели увязнуть в гидродинамике внутри тепловой трубы. Эти методы считаются отраслевым стандартом с 1970 года и неоднократно подтверждались.

    Как не моделировать тепловую трубу

    Распространенный «трюк» — моделировать тепловую трубу в виде стержня из материала с высокой проводимостью. Однако у этого метода есть много недостатков.

    • Не моделирует сопротивление тепловой трубы, не зависящее от длины.
    • Не учитывает различия в коэффициентах пленки при испарении и конденсации
    • Это может помешать численным решениям и потенциально вызвать нестабильность в модели.
    • Он не предоставляет информацию о продукте с удлиненным электродом (QLeff) для сравнения с производительностью тепловой трубы, предоставленной поставщиком
    • Его нельзя расширить, чтобы включить в него влияние неконденсируемого газа (NCG)

    Другое заблуждение состоит в том, что тепловые трубы, являясь двухфазными капиллярными устройствами, требуют детальных двухфазных теплогидравлических решений.Несмотря на то, что существуют методы для моделирования таких деталей, такой подход будет представлять собой излишние вычислительные ресурсы почти во всех случаях: даже поставщики тепловых трубок используют более простые вычисления при проектировании тепловых труб.

    Как смоделировать тепловую трубу

    Процедуры тепловых трубок, встроенные в SINDA / FLUINT, обеспечивают быстрые решения системного уровня для моделирования тепловых труб, когда полное двухфазное решение не требуется. Можно легко смоделировать трубы с постоянной проводимостью (CCHP, также называемой FCHP) с или без неконденсируемого газа (NCG), и с трубами с переменной проводимостью (VCHP).Эти процедуры были написаны специально для совместного определения температуры стен и точек газового фронта, что привело к созданию более надежного инструмента. Методы, используемые во встроенных подпрограммах, основаны на следующих рекомендуемых методах моделирования.

    Скачать краткое описание тепловых трубок, смоделированных в продуктах CRTech.

    FloCAD®, модуль Thermal Desktop®, представляет собой уникальный инструмент для моделирования тепловых труб в среде на основе САПР. Сложные геометрические формы и большие сети тепловых труб могут быть легко созданы.

    Функции для моделирования тепловых труб

    • Тепловые трубы постоянной (фиксированной) проводимости (CCHP, FCHP) и ребра паровой камеры
      • 1D или 2D тепловая модель (осевая, осевая и круговая, прямоугольная)
      • Четкие коэффициенты испарения и конденсации для рифленых конструкций
      • Прогнозирование QLeff (произведение степенной длины)
      • Необязательное включение деградации неконденсируемого газа (NCG)
      • Быстрое и простое создание геометрических моделей с помощью FloCAD, включая связывание или контакт с тепловыми поверхностями и твердыми телами и даже с другими тепловыми трубками
    • Дополнительные функции для тепловых трубок с переменной проводимостью (VCHP)
      • Выберите рабочую жидкость из библиотеки или определите новую жидкость
      • Описание идеального или реального газа для контрольного газа
      • Быстрый и стабильный алгоритм блокировки газа 1D (плоский фронт)
      • Предупреждения об ошибочных конструкциях, расходах газа и окружающей среде

    Примеры приложений

    • Развертываемые двухфазные радиаторные системы для аэрокосмических приложений
    • Электронные системы охлаждения
    • Антиобледенительные приложения
    • Изотермическая футеровка печи
    • Теплообменники с тепловыми трубками

    Вспомогательные ресурсы

    Доступен бесплатный онлайн-семинар на эту тему: Моделирование тепловых трубок в FloCAD

    Публикации

    Гибкость трубопровода — Достаточная гибкость для поглощения теплового расширения трубы

    Аннотация

    Одним из основных требований к конструкции трубопровода является обеспечение достаточной гибкости для поглощения теплового расширения трубы.Однако из-за отсутствия быстрого метода проверки трубопроводы часто бывают слишком жесткими или слишком гибкими. В любом случае зря тратится драгоценное время и материал.

    В этой статье представлены некоторые быстрые методы проверки гибкости трубопроводов. Эти методы включают визуальный, ручной расчет и микрокомпьютерный подход. Все они быстро и легко могут быть использованы дизайнерами при планировании своих макетов. После того как проектировщики позаботились о проблеме гибкости, итеративная процедура между стресс-инженерами и дизайнерами упрощается.График проекта также может быть улучшен.

    Гибкость трубопроводов

    Когда температура трубы изменяется от условий установки к рабочим условиям, она расширяется или сжимается. В общем случае и расширение, и сжатие называют тепловым расширением. Когда труба расширяется, это может создать огромную силу и напряжение в системе. Однако, если трубопровод достаточно гибкий, расширение может быть поглощено без создания чрезмерной силы или напряжения. Обеспечение должной гибкости — одна из основных задач при проектировании системы трубопроводов.

    Трубопровод используется для транспортировки определенного количества жидкости из одной точки в другую. Очевидно, что чем короче труба, тем меньше требуются капитальные затраты. Длинная труба также может создавать чрезмерный перепад давления, что делает ее непригодной для правильной работы. Однако прямое кратчайшее расположение обычно неприемлемо для поглощения теплового расширения.

    На рис. 1 показано, что произойдет, если прямая труба будет напрямую соединена от одной точки к другой.Во-первых, учтите, что подключен только один конец, а другой конец свободен. Свободный конец расширится на величину, равную Δ = e L

    Однако, поскольку другой конец не болтается, это расширение должно поглощаться трубопроводом. Это эквивалентно сжатию трубы, чтобы отодвинуть конец на ~ расстояние. Такое сжатие создает напряжение величиной S = E (Δ / L) = E e

    Рисунок 1

    Где,
    Δ = тепловое расширение, дюйм
    L e = скорость расширения, дюйм / дюйм
    L = длина трубы, дюйм
    s = осевое напряжение, фунт / кв. Дюйм
    FE = модуль упругости, фунт / кв. Дюйм
    A = площадь поперечного сечения трубы, дюйм Z
    F = осевое усилие, фунт

    Сила, необходимая для сжатия этой величины, составляет F = A S = A E e

    Возьмем, к примеру, 6-дюймовую трубу из углеродистой стали со стандартной стенкой. Повышение температуры с 70F окружающей среды до 300F при эксплуатации создает в трубе осевое напряжение 42300 фунтов на квадратный дюйм и осевое усилие в 236000 фунтов.Это чрезмерно, даже если температура составляет всего 300F. Ясно, что прямая прямая разводка неприемлема для большей части трубопроводов, необходимо обеспечить гибкость.

    Петля расширения

    Гибкость трубопроводов обеспечивается множеством различных способов. Повороты и смещения, необходимые для прокладки трубы из одной точки в другую, сами по себе обеспечивают некоторую гибкость. Эта неотъемлемая гибкость может быть достаточной или недостаточной в зависимости от индивидуальных случаев.

    Дополнительная гибкость может быть обеспечена за счет добавления компенсирующих петель или компенсаторов.В примере прямой линии, рассмотренном выше, напряжение может быть уменьшено с помощью петель, установленных, как показано ниже. Идея состоит в том, чтобы сделать трубу перпендикулярно направлению расширения. Таким образом, когда труба расширяется, она сначала сгибает петлю, прежде чем передать любую нагрузку на анкер. Чем длиннее ножка петли, тем меньше будет создаваемое усилие.

    Создаваемая сила обратно пропорциональна кубу длины петли, а создаваемое напряжение примерно равно Hard Piping, обратно пропорциональному квадрату длины петли.Иногда петля может занимать значительно больше места и трубопроводов, чем это доступно или экономически оправдано. Это особенно актуально для больших трубопроводов низкого давления с высокими температурами.

    В этом случае лучше использовать компенсатор. Деформационные швы сложнее трубных петель, которые представляют собой просто дополнительные длины одного и того же трубопровода. По этой и другим причинам инженеры предпочитают трубопроводные петли компенсаторам.

    Однако компенсаторы могут эффективно использоваться во многих областях, если они правильно спроектированы.Одним из основных требований при проектировании системы компенсаторов является установка достаточных ограничителей для поддержания устойчивости. В этой статье рассматривается в основном петлевой подход.

    Критический путь

    При проектировании установки трубопроводы обычно прокладываются проектировщиками трубопроводов, а затем проверяются инженерами по напряжению.

    Существует заметная разница в планировке, выполненной опытными и неопытными дизайнерами. Опытные дизайнеры знают, как важна гибкость.Однако они, как правило, обеспечивают слишком большую гибкость, в отличие от неопытных, которые, как правило, обеспечивают небольшую гибкость. В любом случае результатом будет проект с завышенной ценой.

    Макет, сделанный неопытным дизайнером, обычно бывает слишком жестким, потому что дизайнер не знает, как или слишком робко, чтобы добавить петли или смещения. Если система трубопроводов слишком жесткая, инженер по стрессам почти наверняка это обнаружит.

    Инженер по напряжению отправляет проект с рекомендованными контурами обратно проектировщику для доработки.На данный момент дизайнер сделал еще несколько макетов в той же области, что очень затруднило доработку. С другой стороны, макет, сделанный опытным дизайнером, часто содержит излишние или ненужные петли.

    Чрезмерные циклы обычно поддерживаются без исправлений, потому что обычно не изменяют то, что работает. Опытный мог сэкономить человеко-час, необходимый для доработки. Стоимость избыточных петель может быть непомерно высокой.

    Стоимость проекта может быть существенно снижена, если на этапе начальной компоновки трубопроводов будет обеспечена необходимая гибкость.Это требует некоторых быстрых методов, которые могут быть использованы проектировщиками для проверки гибкости трубопроводов.

    Ссылка (-а): L.C. Peng, Peng Engineering, Хьюстон, Техас

    Быстрая проверка гибкости трубопроводов

    Расчет

    Первым шагом в учете теплового движения является вычисление точного изменения линейной длины системы трубопроводов на интересующем расстоянии вместе с подходящим коэффициентом безопасности.

    Фактическое расширение 100-футовой трубы было рассчитано при различных температурах для наиболее распространенных материалов трубопроводов (углеродистая сталь, нержавеющая сталь и медные трубы) и показано в таблице ниже.Эти значения не следует применять к трубам из других материалов, поскольку они могут отличаться. Коэффициенты расширения могут отличаться на 5% и более при получении из разных источников, и их следует принимать во внимание.

    Термическое расширение трубы
    дюйма на 100 футов
    мм на 100 метров
    Темп.
    F / C    		 Углерод
    Сталь    		 Медь Нержавеющая сталь
    Сталь
    -40
    -40    		 -0.288
    -24,0    		 -0,421
    -35,1    		 -0,461
    -38,4
    -20
    -28    		 -0,145
    -12,1    		 -0,210
    -17,4    		 -0,230
    -19,0 ​​
    0
    -17    		 0
    0    		 0
    0    		 0
    0
    20
    -6    		 0,148
    12,5    		 0,238
    19,7    		 0,230
    19,0
    32
    0    		 0.230
    19,0    		 0,366
    30,5    		 0,369
    30,8
    40
    4    		 0,300
    24,9    		 0,451
    37,7    		 0,461
    38,4
    60
    15    		 0,448
    37,4    		 0,684
    57,1    		 0,691
    57,7
    80
    26    		 0,580
    48,2    		 0,896
    74,8    		 0,922
    76,8
    100
    37    		 0.753
    62,7    		 1,134
    94,5    		 1,152
    96,1
    120
    48    		 0,910
    75,8    		 1,366
    113,9    		 1,382
    115,2
    140
    60    		 1,064
    88,6    		 1,590
    132,6    		 1,613
    134,5
    160
    71    		 1.200
    100,1    		 1,804
    150,3    		 1,843
    153,6
    180
    82    		 1.360
    113,2    		 2,051
    170,9    		 2,074
    172,9
    200
    93    		 1,520
    126,6    		 2,296
    191,3    		 2.304
    191.9
    212
    100    		 1,610
    134,2    		 2,428
    202,4    		 2,442
    203,4
    220
    104    		 1,680
    140,1    		 2,516
    209,7    		 2,534
    211,3
    230
    110    		 1.760
    146,7    		 2,636
    219,8    		 2,650
    220,8
    260
    126    		 2,020
    168,3    		 …
    …    		 …
    …
    280
    137    		 2,180
    181,8    		 …
    …    		 …
    …
    300
    148    		 2,350
    195,9    		 …
    …    		 …
    …
    320
    160    		 2.530
    211,0    		 …
    …    		 …
    …
    340
    171    		 2,700
    225,1    		 …
    …    		 …
    …
    350
    176    		 2,790
    232,6    		 …
    …    		 …
    …

    Ниже приводится пример, иллюстрирующий использование приведенной выше таблицы:

    • Дано: труба из углеродистой стали длиной 240 футов
    • Максимальная рабочая температура = 220 ° F (104 ° C)
    • Минимальная рабочая температура = 4 ° C (40 ° F)
    • Температура во время установки = 80 ° F (26 ° C)

    Расчет: Из таблицы справа, расширение трубы из углеродистой стали

    • 104 ° C (220 ° F) 1.680 дюймов на 100 футов трубы из углеродистой стали
    • 40 ° F (4 ° C) 0,300 дюйма на 100 футов трубы из углеродистой стали
    • Разница: 1,380 дюйма на 100 футов трубы из углеродистой стали для температур от 40 ° F до 220 ° F
    • Следовательно, 240 футов трубы = 240/100 (1,380) = 3,312 дюйма

    При перемещении 3,312 дюйма должен применяться соответствующий коэффициент запаса прочности, который варьируется в зависимости от того, как это определено разработчиком системы, для учета любых ошибок в прогнозировании экстремальных условий эксплуатации и т. Д.Эти примеры были рассчитаны без учета запаса прочности.

    Для определения положения компенсатора во время установки:

    Установка в холодных условиях (от 80 ° F до 40 ° F)

    • 80 ° F (26 ° C) 0,580 дюйма на 100 футов
    • 40 ° F (4 ° C) 0,300 дюйма на 100 футов
    • Разница: 0,280 дюйма на 100 футов или 0,672 дюйма на 240 футов

    Установка в горячих условиях (от 80 ° F до 220 ° F)

    • 220 ° F (104 ° C) 1,680 дюйма на 100 футов.
    • 80 ° F (26 ° C) 0,580 дюйма на 100 футов
    • Разница: 1,100 дюйма на 100 футов или 2,640 дюйма на 240 футов

    Таким образом, компенсатор должен быть настроен таким образом, чтобы допускать сжатие трубы не менее 0,672 дюйма и расширение трубы не менее 2,640 дюйма при установке при температуре 80 ° F (26 ° C).

    Фотография — Kodak Australasia Pty Ltd,
    Расширяющий контур в паропроводе низкого давления,
    Завод Kodak, Кобург, 1964 год

    .

    No related posts.

    • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *