لوله حرارتي ، پديده اي جذاب در تاسيسات

[Max Payne]

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
نواحي سه گانه فوق در شکل (1 و 2 ) براي يک لوله حرارتي نشان داده شده است

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 منفی270 درجه با به کار گيري هليوم به عنوان سيال عامل تا بازه هاي دمايي 2000 – 3000 درجه 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 .
در شکل زير (شكل 3) کاربرد لوله حرارتی در يک هواساز را نمايش می دهد . جزئيات کاربرد لوله حرارتی در قسمت های بعدی سری مقالات بيان خواهد شد.

کاربرد لوله حرارتی در يک هواساز
ساختار كلي و نحوه عملكرد لوله حرارتي
1-اجزاء تشكيل دهنده يك لوله حرارتي
اساساً يك لوله حرارتي از سه جزء مهم تشكيل شده است.
1-محفظه يا بدنه لوله حرارتي كه مي تواند شيشه، سراميك و يا فلزات ساخته شود.
2-سيال عامل:درون لوله حرارتي سيال عامل قرار دارد كه قسمت اصلي دريافت ، انتقال و دفع حرارتي يعني عملياتي تبخير و تقطير بر روي آن صورت مي پذيرد.
سيال عامل مي تواند نيتروژن يا هيليم براي دماهاي پايين و يا ليتيم ، پتاسيم و سديم و بطور كلي فلزات مايع براي دماهاي بالا باشد. براي دماهاي مياني سيال هاي عامل مختلفي مثل آب يا متانول مي تواند مورد استفاده قرار گيرد.
3-فيتيله يا ساختار مؤيين : باز گرداندن سيال چگاليده نشده از كندانسور به منطقه اواپراتور با تكيه بر عمل موئينگي توسط اين ساختار انجام مي شود.
ساختمان فيتيله مي تواند از پشم شيشه بافته شده، پودر فلزات سفت شده، سيم هاي درگير، شبكه ري، شياري و يا بصورت صفحه اي فلزي و يا از موارد عايق ساخته شود.
هر كدام از اجزاء يك لوله حرارتي از اهميت يكساني بر خوردارهستندو با توجه به نوع ماده، خواص ترموفيزيكي و سازگاري بايد ملاحظات دقيقي روي آنها صورت پذيرد.
به عنوان مثال ، جنس محفظه بايد با سيال عامل و ساختار فيتيله سازگار باشد و در عين حال از استحكام كافي برخوردار باشد تا در برابر فشارهايي كه تناسب با دماي اشباع سيال است مقاوم باشد. علاوه بر اين، محفظه بايستي مقاو در برابر اثرات خوردگي و دراراي قابليت تشكيل پذيري باشد.
در شكل زير اجزاء تشكيل دهنده يك لوله حرارتي نشان داده شده است:

[Max Payne]

اجزاء تشكيل دهنده يك لوله حرارتي

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: سيال عامل در لوله حرارتي به عنوان واسطه اصلي حمل و نقل گرما، نقش ويژه اي در انتقال حرارت بر عهده دارد. اولين نكته در شناسايي يك سيال عامل مناسب، گستره دماي كاري بخار در لوله حرارتي است. ممكن است در يك بازه دمايي تقريبي چند سيال عامل وجود داشته باشد.
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.
در طراحي لوله حرارتي، بالا بودن كشش سطحي بسيار مورد توجه است چون سبب مي شود كه لوله حرارتي بر خلاف ميدان جاذبه عمل كند و يك نيروي محركه موئينگي رو به بالا ايجاد شود. همچنين گرماي نهان تبخير بالا به اين علت مورد توجه قرار مي گيرد كه مقدار زيادي گرما را با مقدار كمي جريان سيال انتقال داده و از اين رو موجب افت فشار كمي در لوله حرارتي مي شود.

در طراحي لوله حرارتي، بالا بودن كشش سطحي بسيار مورد توجه است.

در جدول زير مشخصات بعضي از سيال هاي عامل در فشار 1 atm آورده شده است :

بازه دماي كاري ( o C )	دماي نقطه جوش ( o C )	دماي نقطه ذوب ( o C )	نام سيال
-271 … 269	-261	-271	هليم
-203 … 160	-196	-210	نيتروژن
-60 … 100	-33	-78	آمونياك
0 … 120	57	-95	اكتون
10 … 130	64	-98	متانول
30 … 200	100	0	آب
250 … 650	361	-39	جيوه
600 … 1200	892	98	سديم
1000 … 1800	1340	-179	ليتيم
1800 … 2300	2212	960	نقره