Rura cieplna pętli - Loop heat pipe

Rury cieplnej pętli (Lewy panel) jest urządzenie do przenoszenia ciepła dwufazowy, który wykorzystuje kapilarnej w celu usunięcia ciepła ze źródła i biernie przenieść go do skraplacza lub chłodnicy . LHP są podobne do rurek cieplnych, ale mają tę zaletę, że są w stanie zapewnić niezawodne działanie na duże odległości i zdolność do działania wbrew grawitacji. Mogą przenosić duże obciążenie cieplne na duże odległości przy niewielkiej różnicy temperatur. Opracowano różne konstrukcje LHP, od mocnych, dużych LHP do miniaturowych LHP ( rura cieplna z mikro-pętlą ), które zostały z powodzeniem wykorzystane w szerokim zakresie zastosowań, zarówno naziemnych, jak i kosmicznych.

Budowa

Najpopularniejszymi chłodziwami stosowanymi w LHP są bezwodny amoniak i propylen . LHP są wytwarzane poprzez dokładne kontrolowanie objętości zbiornika, skraplacza oraz przewodów parowych i cieczowych, tak aby ciecz była zawsze dostępna dla knota. Objętość zbiornika i ładunek płynu są ustawione tak, aby w zbiorniku zawsze znajdował się płyn, nawet jeśli skraplacz oraz przewody oparów i cieczy są całkowicie wypełnione.

Generalnie knot wymaga małych porów i dużej zdolności pompowania kapilarnego. Podczas projektowania rurki cieplnej lub pętli cieplnej należy zachować równowagę między zdolnością pompowania knota a przepuszczalnością knota.

Mechanizm

W pętlowej rurze cieplnej ciepło wpada najpierw do parownika i odparowuje płyn roboczy na zewnętrznej powierzchni knota. Pary przepływa w dół systemu rowkami, a następnie przechodzi się do wyparki i przewodzie pary w kierunku kondensatora, gdzie skrapla się jako ciepło usuwane przez grzejnik . Dwufazowy zbiornik (lub komora kompensacyjna) na końcu parownika jest specjalnie zaprojektowany do pracy w nieco niższej temperaturze niż parownik (i skraplacz). Niższe ciśnienie nasycenia w zbiorniku powoduje wciągnięcie kondensatu przez skraplacz i przewód powrotny cieczy. Płyn następnie przepływa do centralnej rury, gdzie zasila knot . Dodatkowy knot hydraulicznie łączy zbiornik i knot główny.

Motywacja: ograniczenia rur cieplnych

Rury cieplne z pętlą przezwyciężają niektóre wady konwencjonalnych rurek cieplnych, które będąc doskonałymi urządzeniami przenoszącymi ciepło, ograniczają się głównie do przenoszenia stosunkowo niewielkich obciążeń cieplnych na stosunkowo krótkie odległości, gdy parownik i skraplacz znajdują się na tym samym poziomie. To ograniczenie ze strony rur cieplnych jest głównie związane z dużymi stratami ciśnienia związanymi z przepływem cieczy przez porowatą strukturę, występującym na całej długości rury cieplnej, i lepkim oddziaływaniem między fazami pary i cieczy, zwanymi również stratami porywającymi . W zastosowaniach obejmujących przenoszenie dużych obciążeń cieplnych na duże odległości, na sprawność cieplną rurek cieplnych niekorzystnie wpływa wzrost tych strat. Z tego samego powodu konwencjonalne rury cieplne są bardzo wrażliwe na zmianę orientacji pola grawitacyjnego. W przypadku niekorzystnych nachyleń w konfiguracji parownik nad skraplaczem, straty ciśnienia spowodowane siłami masowymi w polu grawitacyjnym sumują się z całkowitymi stratami ciśnienia i dodatkowo wpływają na efektywność procesu wymiany ciepła.

W wyniku tych ograniczeń zaproponowano różne rozwiązania obejmujące modyfikacje konstrukcyjne konwencjonalnej rury cieplnej. Niektóre z tych modyfikacji obejmują rurki tętnicze o znacznie niskim oporze hydraulicznym dla powrotu cieczy do źródła ciepła (tętnicze rurki cieplne), podczas gdy inne zapewniają przestrzenne oddzielenie fazy parowej i ciekłej płynu roboczego w sekcji transportowej (oddzielne rurki cieplne) .

Chociaż te nowe formy rurek cieplnych są w stanie przenosić znaczne przepływy ciepła i mogą zwiększać długość transportu ciepła, pozostają one bardzo wrażliwe na orientację przestrzenną względem grawitacji. Aby rozszerzyć funkcjonalne możliwości systemów dwufazowych na zastosowania obejmujące nieoperacyjne spadki grawitacji, korzyści zapewniane przez przestrzenne oddzielenie linii transportowej i wykorzystanie tętnic niekapilarnych są połączone w schemat pętli. Schemat ten umożliwia tworzenie rur cieplnych o wyższej charakterystyce wymiany ciepła przy zachowaniu normalnej pracy w dowolnym kierunku. Schemat pętli stanowi podstawę fizycznej koncepcji pętli dwufazowych (TPL).

Pochodzenie

Rury cieplne z pętlą zostały opatentowane w ZSRR w 1974 roku przez Jurija F. Gerasimowa i Jurija F. Maydanika (świadectwo wynalazcy nr 449213), wszyscy z byłego Związku Radzieckiego . Patent na LHP został złożony w USA w 1982 r. ( Patent nr 4515209 ).

Aplikacje

Pierwsze zastosowanie kosmiczne miało miejsce na pokładzie rosyjskiego statku kosmicznego w 1989 roku. LHP są obecnie powszechnie stosowane w kosmosie na pokładzie satelitów, w tym; Rosyjski Granat, statek kosmiczny Obzor, satelity komunikacyjne Boeinga (Hughes) HS 702 , chiński satelita meteorologiczny FY-1C , ICESat NASA .

LHP były pierwszymi lotami zademonstrowanymi na promie kosmicznym NASA w 1997 roku z STS-83 i STS-94 .

Rury cieplne z pętlą są ważnymi częściami systemów chłodzenia elementów elektronicznych.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne