لوله حرارتي

مکانيزمهاي معمول و مرسوم انتقال حرارت در مهندسي به منظور ايجاد سرمايش و گرمايش ، نياز به توان خارجي ، صرف هزينه جاری علاوه بر هزينه ساخت اوليه و در اغلب موارد داراي قطعات متحرک هستند .

با اين وجود ، يک لوله حرارتي ( heat pipe ) وسيله ای نسبتا ساده است که بدون هيچ قسمت متحرکي ، قابليت انتقال مقادير زيادي حرارت را در فواصل مختلف دارد . جذاب ترين مشخصه لوله حرارتي اين است که در اين سيستم ، نياز به انرژي خارجي نيست و لوله حرارتي فقط با اعمال گرما فعال مي شود و در عين حال داراي ضريب رسانايي گرمايي موثر و بسيار بالايي است . دراين بخش از سري مقالات لوله حرارتي به معرفي ، بيان مزايا و ساختار کلي اين پديده جذاب تاسيساتي پرداخته شده است .

ساختار کلي و عملکرد يک لوله حرارتي

لوله حرارتي يک وسيله انتقال حرارت با ضريب رسانايي گرمايي موثر بسيار بالا است که در خلا کار مي کند و براي انتقال حرارت از يک چشمه حرارتي به يک چاه حرارتي مورد استفاده قرار مي گيرد . ساختار يک لوله حرارتي از نظر عملي به سه منطقه تقسيم مي شود :
الف ) منطقه تبخير يا ناحيه اواپراتور که در يک انتهاي لوله قرار دارد و در اين منطقه گرما به محفظه وارد مي شود .
ب ) منطقه چگالش يا ناحيه کندانسور که در انتهاي ديگر لوله است و گرما در اين ناحيه دفع مي گردد .
ج ) ناحيه آدياباتيک که بين دوناحيه اواپراتور و کندانسور را شامل مي شود

عملکرد لوله حرارتي به اين صورت است که ، حرارت در منطقه اواپراتور به لوله حرارتي وارد شده و بدين وسيله سيال عامل داخل آن مي جوشد و. سيال عامل که در حالت مايع اشباع قرار دارد در اثر دريافت گرماي نهان تبخير به بخار اشباع تبديل مي شود . بخار اشباع حاصل در اثر اختلاف فشار به انتهاي ديگر لوله حرارتي يا ناحيه کندانسور منتقل مي شود . اين منطقه در ناحيه خنک تري قرار داشته و از اين رو بخار اشباع ، گرماي نهان تبخير خود را از دست داده و تقطير مي شود . مايع اشباع حاصل ، از طريق يک ساختار فتيله اي توسط نيروي مويينگي به قسمت اواپراتور بازگردانده مي شود و سيکل مجددا تکرار مي شود تا گرما به طور پيوسته از ناحيه گرم به ناحيه سرد منتقل شود .

از آنجايي که فرايند هاي جوشش و تقطير همراه با ضرايب انتقال حرارت بسيار بالايي بوده و عملکرد يک لوله حرارتي بر اساس جوشش و تقطير متوالي سيال عامل است مي توان انتظار داشت که لوله حرارتي وسيله بسيار موثري در انتقال حرارت باشد که اين انتظار در آزمايشات متعدد به واقعيتي کاربردي تبديل شده است .

مزاياي لوله حرارتي

بطور کلي مي توان خصوصيات و مزاياي زير را براي يک لوله حرارتي بيان کرد.

– توانايي فوق العاده در انتقال حرارت
– آهنگ يا نرخ سريع انتقال حرارت
– توزيع دماي يکنواخت در بدنه
– ساختار ساده با هزينه ساخت اندک
– فشردگي ، ضريب اطمينان و بازدهي بالا
– اتلاف گرماي بسيار پايين
– سازگار با محيط زيست

گستره کاري لوله هاي حرارتي

ويزگي هاي منحصر به فرد و بارز لوله هاي حرارتي موجب شده است که اين وسيله در طيف وسيعي از کاربردهاي انتقال حرارت مورد استفاده قرار گيرند . گستره کاري لوله هاي حرارتي از کاربردهاي تبريد در دماهاي حدود – 270 o C با به کار گيري هليوم به عنوان سيال عامل تا بازه هاي دمايي 2000 – 3000 o C بوسيله فلزات مايع پراکنده است . لوله هاي حرارتي با کاربردهاي سرمايش ، صرفه جويي و بازيابي انرژي در زمينه هوا فضا ، سرمايش تجهيزات الکترونيکي ، تهويه مطبوع به منظور کنترل رطوبت در هواسازها ، خنک کاري قطعات فلزي در هنگام ماشين کاري ، سرمايش کامپيوتر هاي شخصي ( Laptop , PC ) به عنوان يک سيستم با بازدهي بالاي انرژي مورد استفاده قرار گرفته است . در شکل 3 يک لوله حرارتي براي سرمايش يک برد الکترونيکي مورد استفاده قرار گرفته است .

1-1  محفظه

محفظه يك لوله حرارتي كه نيازهاي اساسي آن را بعنوان يك بدنه فراهم مي كند. بايد قابليت خود را به صورت يك محفظه كاملاً آب بندي نشده است، بدون سوراخ و بدون هر عيبي در سرتاسر بازه فشار كاري حفظ نمايد. بنابراين وظيفه محفظه نگهداري سيال عامل و به نوعي جدا كردن آن از محيط بيرون است و بايد در برابر سوراخ شدن و اختلاف فشاردر طول ديواره مقاوم باشد و علاوه بر آن توانايي انتقال حرارت از خود به سيال را با ضريب بالايي داشته باشد.

موادي كه در ساخت محفظه كاربرد دارند، آلياژهاي فلزات خاص مانند آلومينيوم، فولادهاي ضد زنگ و مس مي باشد. همچنين مواد كامپوزيت و تركيبي نيز در ساخت محفظه كاربرد دارد. براي كاربردهاي در دماي بالا مواد نسوز يا مواد با آسترهايي براي مقابله با خوردگي مورد استفاده قرار مي گيرد.

1-2  سيال عامل

در موارد بايد  مشخصه هاي متفاوتي براي تعيين سيال هاي عامل قابل قبول مورد توجه قرار بگيرد.

خواسته هاي اوليه از يك سيال عامل مناسب بصورت زير مي باشد:

–          سازگاري با فيتيله و جنس ديواره

–          پايداري دمايي خوب

–          رطوبت پذيري از فيتيله و ماده ديواره بدنه

–          فشار بخار متناسب با گستره دماي كاري

–          گرماي نهان بالا

–          ضريب هدايت گرمايي بالا

–          ويسكوزيته پايين مايع و بخار

–          كشش سطحي بالا

همچنين انتخاب سيال عامل بايد براساس ملاحظات ترموديناميكي انجام شود.