Tubi di calore e scambiatori di calore
Che cosa sono i tubi di calore (heat pipe)?
Un tubo di calore (heat pipe) è un dispositivo di trasferimento del calore che presenta una conducibilità termica estremamente efficace. I tubi di calore sono serbatoi evacuati, tipicamente circolari in sezione trasversale, che vengono riempiti con una piccola quantità di fluido di lavoro. Si tratta di sistemi totalmente passivi, senza parti in movimento, che trasferiscono il calore da una fonte di calore a un dissipatore di calore con gradienti di temperatura minimi o per termalizzare le superfici.
Come funzionano i tubi di calore (heat pipe)?
Attraverso l'evaporazione e la condensazione del fluido di lavoro. Quando il calore viene immesso nell'evaporatore, il fluido vaporizza, creando un gradiente di pressione nel tubo. Questo costringe il vapore a fluire lungo il tubo fino alla sezione più fredda dove si condensa, cedendo il suo calore latente di vaporizzazione. Il fluido di lavoro viene quindi rimandato all'evaporatore mediante forze capillari nella struttura del materiale poroso o per gravità.
A cosa servono i tubi di calore (heat pipe)?
I tubi di calore sono utilizzati per un'ampia gamma di applicazioni - ovunque il calore deve essere trasferito con un gradiente termico minimo, sia per aumentare le dimensioni del dissipatore di calore, per riposizionare il dissipatore in un punto remoto o laddove sono richieste superfici isotermiche. Le applicazioni tipiche comprendono raffreddamento del processore del computer, rivestimenti isotermici per caldaia e trasferimento di calore nel settore aerospaziale.
Cos'è la conducibilità termica di un classico tubo di calore?
I tubi di calore non hanno una conduttività termica definita come i materiali solidi perché hanno un trasferimento termico bifase. Al contrario, la loro effettiva conducibilità termica migliora con la lunghezza. Un tubo di calore di 12 pollici e un altro di 4 pollici, ciascuno da 100 W, avranno all'incirca lo stesso gradiente termico, quindi il tubo di 12 pollici avrà la maggiore conduttività termica effettiva. A differenza dei materiali solidi, un tubo di calore (heat pipe) cambia la sua conduttività termica effettiva a seconda della quantità di potenza trasferita e delle dimensioni dell'evaporatore e del condensatore. La conduttività termica effettiva può variare da 10 a 10.000 volte (da 4.000 W/metro·K a 4,000,0000 W/metro·K) la conduttività termica effettiva del rame, a seconda della lunghezza del tubo di calore.
Quali materiali possono essere usati per costruire un tubo di calore?
La scelta del materiale della parete del tubo di calore o dell'involucro dipende dalla compatibilità del fluido di lavoro. Il fluido di lavoro del tubo di calore è scelto sulla base dell'intervallo della temperatura di esercizio dell'applicazione. Dopo aver selezionato un fluido di lavoro, il materiale della parete del tubo di calore o dell'involucro viene selezionato in base alla sua compatibilità chimica con il fluido di lavoro per evitare la corrosione o la reazione chimica tra il fluido e il materiale della parete o dell'involucro del tubo stesso. Un problema di compatibilità chimica tra il fluido di lavoro e il materiale della parete all'interno di un tubo di calore può provocare una reazione chimica che produce un gas non condensabile. La presenza di gas non condensabile all'interno del tubo di calore può causare un malfunzionamento.
Quali sono i principali limiti del trasporto del calore di un tubo di calore?
I quattro principali limiti del trasporto del calore con i tubi di calore sono:
Limite capillare: si tratta della pressione di pompaggio capillare della struttura porosa per trasportare il liquido di lavoro dal condensatore all'evaporatore del tubo di calore. La pressione di pompaggio capillare deve superare tre cadute di pressione di base all'interno del tubo di calore, ossia la perdita di carico del vapore, la perdita di carico del liquido e le cadute di pressione della forza gravitazionale/corporea.
Limite di ebollizione: si verifica quando viene superato il flusso massimo di calore radiale W/cm2) con il risultato che il tasso di vaporizzazione del fluido di lavoro supera il tasso di ritorno del condensato liquido dalla sezione condensatore del tubo di calore. Quando viene raggiunto il limite di ebollizione, il liquido di lavoro non può assorbire il calore, il tubo di calore si asciuga e non funziona.
Limite sonico: la portata massima del flusso di vapore del fluido di lavoro che viaggia dall'evaporatore del tubo di calore al condensatore.Quando la portata di vapore supera la velocità del suono, si ottiene un flusso bloccato e il tubo di calore non funziona in modo isotermico.
Limite di trascinamento: si verifica quando la pura forza del vapore che passa dall'evaporatore della sezione condensatore dei tubi di calore all'interfaccia vapore-materiale poroso, fa sì che le gocce di liquido vengano trascinate e trasportate alla sezione condensatore. Il superamento del limite di trascinamento può impedire al fluido di lavoro di ritornare dalla sezione condensatore alla sezione evaporatore, di conseguenza il tubo di calore non funzionerà.
I tubi di calore sono affidabili?
Sì, principalmente per l'assenza di parti in movimento. Ideali per applicazioni quali quelle aerospaziali dove non è possibile eseguire la manutenzione. La causa principale del malfunzionamento del tubo di calore è la generazione di gas nel tubo stesso, ma questo può essere completamente evitato con una corretta pulizia e montaggio. Boyd è l'unico produttore di tubi di calore al mondo in grado di vantare oltre 40 anni di affidabilità dei tubi di calore e dati di test di durata.
I tubi di calore sono costosi?
Rispetto ai metodi tradizionali (e meno efficaci) di trasferimento di calore come le estrusioni in alluminio e i dissipatori di calore pressofusi, i tubi di calore possono avere un costo iniziale più elevato. Per questo motivo i tubi di calore non sono consigliati per le applicazioni dove è possibile ottenere il raffreddamento tramite semplici dissipatori di calore conduttivi. Tuttavia, nelle applicazioni più impegnative, il costo complessivo dei tubi di calore risulta essere competitivo rispetto ad altre alternative. Il costo iniziale è altresì parzialmente compensato dal miglioramento dell'affidabilità del sistema e dalla maggiore durata dell'elettronica di raffreddamento. In grandi quantità, il costo dei tubi di calore diminuisce in modo significativo e spesso li rende la soluzione più economica per un'applicazione di raffreddamento.
I tubi di calore (heat pipe) possono funzionare contro la forza di gravità?
Sì, questo accade quando l'evaporatore si trova sopra il condensatore. In queste applicazioni il fluido di lavoro deve essere pompato contro la gravità all'evaporatore. Questo avviene attraverso strutture a stoppino che pompano il fluido di lavoro attraverso la pressione capillare sviluppatasi nel materiale poroso. Quanto più sottile è il raggio dei pori di una struttura porosa, tanto più il tubo di calore può funzionare contro la forza di gravità. (Sono disponibili materiali porosi in scala nanometrica.)
Non tutti i tipi di trasferimento di calore passivo possono funzionare contro la forza di gravità. Un termosifone è simile a un tubo di calore, ma non ha una struttura porosa e funziona solo con l'aiuto della forza di gravità.
Quali fluidi vengono usati nei tubi di calore (heat pipe)?
La gamma di fluidi per tubi di calore varia dall'elio e azoto per applicazioni criogeniche, ai metalli liquidi quali sodio e potassio per la dissipazione del calore ad alta temperatura. Alcuni dei più comuni fluidi per tubi di calore usati per le operazioni di raffreddamento elettronico sono ammoniaca, acqua, acetone e metanolo. Boyd ha esperienza nella realizzazione di tubi di calore utilizzando tutti questi fluidi per applicazioni criogeniche ad alta temperatura (>1.000 °C).
Come funziona un tubo di calore ad acqua sotto i 100 °C?
L'acqua a pressione atmosferica bolle a <100 ° C, ma all'interno di un tubo di calore, l'acqua non è a pressione atmosferica. La pressione interna di un tubo di calore è quella della saturazione del fluido alla temperatura corrispondente. Il fluido nel tubo di calore andrà in ebollizione a qualunque temperatura al di sopra del suo punto di congelamento. Quindi, a temperatura ambiente (20 °C), un tubo di calore ad acqua è parzialmente sottovuoto e il tubo di calore andrà in ebollizione appena immesso il calore.
I tubi di calore (heat pipe) possono congelare?
Sì, i fluidi lavoro del tubo di calore, compresa l'acqua, mantengono il loro normale punto di congelamento. I tubi di calore non funzioneranno finché la temperatura non sarà superiore alla temperatura di congelamento del fluido. Tuttavia, i tubi di calore correttamente progettati non saranno danneggiati dal congelamento o dallo scongelamento del fluido di lavoro. Boyd ha progettato, sviluppato e prodotto con successo tubi di calore resistenti al gelo che vantano oltre 20 anni di esperienza dimostrata e comprovata nell'applicazione sul campo.
Quali sono le caratteristiche di allarme dello scambiatore di calore che potete fornire? Come?
In ogni scambiatore di calore è possibile integrare il controllo della temperatura, il controllo della velocità e gli allarmi di guasto della ventola. Queste caratteristiche possono essere fornite installando un pannello di controllo a stato solido e/o integrando l'elemento nella ventola stessa.
Come si sigilla l'elemento centrale della serie di scambiatori di calore HXi Boyd®?
Boyd utilizza un sigillante RTV per fornire una guarnizione coesiva attorno sia alla cassetta interna che al gruppo flangia del nucleo. Ciascuna cassetta e flangia è soggetta a un modello di prova di tenuta del vuoto per simulare le condizioni NEMA 4.
Le alette nel modello HX® possono essere rivestite per proteggere l'ambiente?
Sì, il rivestimento tipico è un cromato esavalente o un cromato trasparente conforme alla direttiva RoHS. Rivestimenti quali Heresite o E-Coat possono essere aggiunti agli scambiatori di calore per garantire la protezione ambientale dell'unità (si applicano volumi minimi).
Qual è la differenza tra le tecnologie HX®, HXi® e HXc®?
Ogni tecnologia offre i propri vantaggi in termini di dimensioni, efficienza, adattabilità per la personalizzazione e capacità di potenza. Consenti a Boyd di esaminare l'applicazione per consigliare un'ottima soluzione.
Costruite modelli personalizzati?
Boyd utilizza un'ampia gamma di tecnologie per fornire soluzioni personalizzate completamente ottimizzate e le nostre offerte standard.
Potete fornire un modello generato al computer di come funzionerà il vostro scambiatore di calore nella mia applicazione?
Sì, Boyd possibile utilizzare programmi CFD (fluidodinamica computazionale) come SmartCFD per modellare le prestazioni di uno scambiatore di calore.
