Как подключить термокабель для обогрева труб


Подключение греющего кабеля: инструкция монтажа своими руками по схеме

Автор Петр Андреевич На чтение 5 мин. Просмотров 583 Обновлено

Есть ряд тонкостей, как подключить греющий кабель, которые нужно учесть, чтобы нагревательный элемент функционировал на протяжении длительного времени. Монтаж такой системы можно провести самостоятельно по инструкции. Давайте рассмотрим основные схемы подключения подогревающих проводов.

Инструктаж по подключению обогрева

В действительности разобраться в том, как установить греющий кабель своими руками, несложно. Устанавливать такой элемент можно как на пластиковый, так и чугунный водопровод. Сначала выполняются подготовительные работы. Кроме того, нужно приобрести все необходимые инструменты и материалы.

Инструкция по монтажу греющего кабеля в полно экранном режиме

Сначала монтируется греющий кабель, схема подключения часто указывается производителем в документации, прилагающейся к обогревательному элементу. Следующим этапом монтажа такой системы является установка кожуха для защиты. В последнюю очередь проводится подключение кабеля к сети и проверка его работы. Кроме того, можно произвести монтаж греющего кабеля внутри трубы. Это повысит его эффективность.

Подготовительные работы

Нужно сразу приобрести все необходимые для монтажа инструменты и материалы, в т.ч.

  • соединительные гильзы;
  • плоскогубцы;
  • рулетка;
  • кримпер;
  • строительный фен;
  • монтажные нож и скотч;
  • кусачки;
  • термоусадочные трубки.

После этого следует провести концевую заделку. Свободный конец, который не будет подключаться к сети, нужно освободить от защитной изоляции и обрезать ступенькой. После этого необходимо изолировать ее термоусаживаемую трубку. Некоторые системы уже подготовлены к установке.

Данный вариант более удобный, поэтому его рекомендуют людям, которые хотят установить подогревающий кабель правильно, но не имеют опыта проведения подобных работ.

Крепление кабельной системы

После подготовки трубы можно приступить к монтажу саморегулирующегося нагревательного кабеля. При изучении инструкции производителя внимание требуется уделить указанной схеме подключения греющего кабеля к сети.

Наиболее простой вариант расположения – прямолинейный. В этом случае кабель фиксируется параллельно трубе. Данный вариант крепления подходит для подогрева расположенных внутри помещения труб, которые дополнительно будут прикрываться слоем утеплителя. В этом случае термическому воздействию подвергается только небольшая часть трубы, но этого будет достаточно, чтобы внутри нее не образовывался лед.

Пользуясь таблицей можно быстро подобрать длину шага для прокладке кабеля по трубе.

Более сложно выполнить параллельное подключение кабеля в 2,3 или 4 жилы.

В этом случае на трубе располагаются сразу несколько кабелей. Такой вариант рекомендован, если труба даже при дополнительном монтаже теплоизоляционного слоя будет подвергаться воздействию повышенных температур в зимний период. За счет такого расположения нагревательных элементов достигается более равномерное прогревание.

Для фиксации следует использовать металлическую скотч-ленту. При монтаже прямолинейным способом он фиксируется лентой по всей протяженности. При укладке нагревательного элемента навивным методом для фиксации труба обвивается с шагом не менее 30 см.

Часто саморегулирующий греющий кабель устанавливается навивным способом. В этом случае проводник оборачивается вокруг трубы с соблюдением шага 20-50 см. Этот метод обеспечивает хороший прогрев трубы, но приводит к увеличению расхода элемента.

Крепление защитного кожуха

После того как саморегулирующийся кабель будет установлен, можно приступать к формированию утеплительного слоя. Он необходим не только для недопущения потери тепла, но и защиты нагревателя от механического повреждения.

Если в инструкции, прилагающейся к системе обогрева, есть указание на необходимость установки того или иного утеплителя, нужно следовать ему.

Если рекомендаций производителя нет, можно использовать рулонный изолон, минеральную вату или поролон. Выбранным утеплителем оборачивается вся труба. Фиксировать материал можно лентой-скотчем или шпагатом. Дополнительно утеплитель желательно обработать мастикой или другим гидроизолирующим составом.

Подключение к питающей сети

Подключение кабеля к сети выполняется специальными элементами, которые нужно приобрести заранее. Схема с УЗО Схема с УЗО 2

Сначала необходимо свободный конец нагревателя освободить от изоляции. Изоляционный экран следует скрутить в пучок и произвести зачистку жил проводника. Жилы и силовой кабель соединяются. Поверх места соединения фиксируется термоусадка.

Проверка и запуск в работу

После того как монтаж будет произведен и протестирована целостность всех элементов, нужно подключить саморегулирующий греющий кабель к сети для проверки.

Нагреватель должен иметь отдельную линию. После этого нужно включить систему и подождать, пока элемент нагреется. Если неисправности не будут обнаружены, значит, установка правильно произведена.

Нюансы подключения кабеля внутри трубы

Для недопущения обледенения труб водопровода часто устанавливаются обогревательные элементы внутрь трубы. В этом случае используются специальные проводники, покрытые пищевой оболочкой, не способной выделять токсичные вещества.

Монтаж греющего кабеля внутри трубы можно посмотреть в видеоролике:

Сначала выполняется качественная изоляция свободного конца нагревателя. После этого он крепится, и герметизируется место введения, используя специальный комплект. После этого на трубу фиксируется теплоизоляция и защитный кожух, а затем производится подключение к сети.

Плюсы и минусы кабельного обогрева

Такие системы имеют ряд преимуществ и недостатков. К плюсам использования таких систем относится:

  • доступность;
  • широкий выбор обогревателей;
  • простота эксплуатации;
  • низкий уровень энергопотребления.

Недостатком такого метода обогрева является энергозависимость.

Отключение электроэнергии может стать причиной перемерзания труб, поэтому крайне важно провести тщательную теплоизоляцию. Кроме того, саморегулирующийся нагревательный кабель отличаются высокой стоимостью. В сочетании с дорогостоящими материалами, предназначенными для подключения, цена такой системы подогрева может быть высокой.

Советы и полезное видео по теме

Смотрите видео с пошаговой инструкцией по разделке кабеля и соединением со свободным концом:

На трубу, на которой был установлен нагреватель, следует наклеить стикеры, указывающие на наличие обогрева. При повреждении отдельного участка нагревателя необходимо отключить систему и провести его замену. Планируя формирование подогрева, лучше приобретать только качественный элемент.

Видеоматериал по подключению греющей системы к силовому проводу:

Некачественное обогревательное изделие может быстро сломаться. Его замена в зимний период может стать причиной формирования ледяной пробки и дополнительных затрат на отогрев системы.

ПолезноБесполезно

Веб-страница не найдена на InspectApedia.com

.

Что делать, если ссылка на веб-страницу на InspectApedia.com приводит к ошибке страницы 404

Это так же просто, как ... ну, выбирая из 1, 2 или 3

  1. Воспользуйтесь окном поиска InspectAPedia в правом верхнем углу нашей веб-страницы, найдите нужный текст или информацию, а затем просмотрите ссылки, которые возвращает наша пользовательская поисковая система Google
  2. Отправьте нам электронное письмо напрямую с просьбой помочь в поиске информации, которую вы искали - просто воспользуйтесь ссылкой СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ на любой из наших веб-страниц, включая эту, и мы ответим как можно скорее.
  3. Используйте кнопку НАЗАД вашего веб-браузера или стрелку (обычно в верхнем левом углу экрана браузера рядом с окном, показывающим URL-адрес страницы, на которой вы находитесь), чтобы вернуться к предыдущей статье, которую вы просматривали. Если вы хотите, вы также можете отправить нам электронное письмо с этим именем или URL-адресом веб-страницы и сообщить нам, что не сработало и какая информация вам нужна.

    Если вы действительно хотите нам помочь, используйте в браузере кнопку НАЗАД, затем скопируйте URL-адрес веб-страницы, которую вы пытались загрузить, и используйте нашу ссылку КОНТАКТЫ (находится как вверху, так и внизу страницы), чтобы отправьте нам эту информацию по электронной почте, чтобы мы могли решить проблему.- Спасибо.

Приносим свои извинения за этот SNAFU и обещаем сделать все возможное, чтобы быстро ответить вам и исправить ошибку.

- Редактор, InspectApedia.com

Задайте вопрос или введите условия поиска в поле поиска InspectApedia чуть ниже.

Мы также предоставляем МАСТЕР-ИНДЕКС по этой теме, или вы можете попробовать верхнюю или нижнюю панель ПОИСКА как быстрый способ найти необходимую информацию.

Зеленые ссылки показывают, где вы находитесь. © Copyright 2017 InspectApedia.com, Все права защищены.

Издатель InspectApedia.com - Дэниел Фридман .

Цилиндры и трубы - кондуктивные потери тепла

Неизолированный цилиндр или труба

Кондуктивные потери тепла через стенку цилиндра или трубы можно выразить как

Q = 2 π L (t i - t o ) / [ln (r o / r i ) / k] (1)

, где

Q = теплопередача от цилиндра или трубы (Вт, БТЕ / час)

k = теплопроводность материала трубопровода (Вт / мК или Вт / м o C, британских тепловых единиц / (час o футов фут 2 / фут))

L = длина цилиндра или трубы (м, футы)

π = pi = 3.14 ...

t o = температура снаружи трубы или цилиндра (K или o C, o F)

t i = температура внутри трубы или цилиндра (K или o C, o F)

ln = натуральный логарифм

r o = внешний радиус цилиндра или трубы (м, футы)

r i = цилиндр или труба внутри радиус (м, футы)

Изолированный цилиндр или труба

Кондуктивные потери тепла через изолированный цилиндр или трубу можно выразить как

Q = 2 π L (t i - t o ) / [(ln (r o / r i ) / k) + (ln (r s / r o ) / k s )] (2)

где

r s = внешний радиус o f изоляция (м, футы)

k s = теплопроводность изоляционного материала (Вт / мК или Вт / м o C, БТЕ / (час o F ft 2 / фут))

Уравнение 2 с внутренним конвективным тепловым сопротивлением можно выразить как

Q = 2 π L (t i - t o ) / [1 / (h c ) r i ) + (ln (r o / r i ) / k) + (ln (r s / r o ) / k s )] (3)

где

h c = коэффициент конвективной теплопередачи (Вт / м 2 K)

.

Тепловые трубки и технологии теплопередачи с фазовым переходом для охлаждения электроники

1. Введение

Эффективная технология охлаждения - важнейшее требование для надежной работы электронных компонентов. Способы охлаждения электроники можно иерархически разделить на охлаждение на уровне микросхемы, охлаждение на уровне корпуса и охлаждение на уровне системы, в зависимости от геометрического масштаба. При охлаждении на уровне корпуса или системы охлаждающие модули, такие как радиаторы и тепловые трубки, широко используются для эффективного рассеивания тепла, а также для равномерного распределения температуры.В частности, в последнее время резко возросло использование тепловых трубок для охлаждения электроники, поскольку тепловая трубка представляет собой привлекательную схему пассивного охлаждения, которая может обеспечивать высокую эффективную теплопроводность и большую способность к теплопередаче. Как показано на Рисунке 1, тепловые трубки традиционно использовались для ПК, ноутбуков, телекоммуникационных устройств, солнечных коллекторов, небольших энергетических систем, таких как геотермальные трубы, и спутников. В последнее время тепловая трубка используется даже для смартфонов, автомобильных фар, газовых горелок, светодиодных продуктов и сельскохозяйственных систем, как показано на Рисунке 2.

Рис. 1.

Применения с тепловыми трубками.

Тепловая трубка - это сверхпроводник, теплопроводность которого составляет несколько тысяч ватт на метр-Кельвин. Благодаря чрезвычайно высокой эффективной теплопроводности тепловая трубка может обрабатывать большой объем теплопередачи с незначительным перепадом температуры. Кроме того, тепловая трубка представляет собой модуль пассивного охлаждения, который не требует потребления энергии или движущихся частей. В буквальном смысле тепловая трубка - это, по всей видимости, просто труба без каких-либо принадлежностей для работы с ней.Кроме того, форма тепловой трубы не обязательно должна быть цилиндрической, но она может иметь различные формы, такие как диски, плоские пластины и профили. Благодаря этим характеристикам тепловая трубка рассматривается как окончательный кандидат для решения тепловой проблемы параллельной полупроводниковой промышленности с высокой плотностью мощности, которая включает солнечные элементы, светодиоды, усилители мощности, лазеры, а также электронные устройства.

Рисунок 2.

Недавние приложения.

Рисунок 3.

Превосходство тепловой трубки над другими теплопроводными материалами.

Рисунок 3 наглядно демонстрирует превосходство тепловой трубки. Качество модуля теплопередачи характеризуется эффективной теплопроводностью ( k eff ) или тепловым сопротивлением ( R th ) модуля. Например, типичное значение эффективной теплопроводности тепловой трубы медь-вода длиной 0,5 м и диаметром 1/2 дюйма составляет около 10 000 Вт / м · К, что намного больше, чем у теплопроводных металлов, таких как медь ( ~ 377 Вт / мК) или алюминия (~ 169 Вт / мК).Это приводит к очень низкому тепловому сопротивлению (~ 0,3 К / Вт), что указывает на низкий перепад температуры по сравнению с данной тепловой нагрузкой. При подаче тепла 20 Вт эта тепловая трубка будет давать разницу в температуре 6 ° C между источником тепла и поглотителем, тогда как металлические стержни с той же геометрией имеют 206 ° C и 460 ° C для меди и алюминия соответственно. При условии, что температура окружающего воздуха 20 ° C, температура чипа составляет всего 26 ° C, что позволяет разработчикам легко придумать правдоподобное и интересное тепловое решение.

В этой главе рассматриваются общие аспекты тепловых трубок для охлаждения электроники. Содержание охватывает принцип работы тепловых трубок, методы проектирования и анализа, компоненты и структуру тепловых трубок, реализацию в охлаждении электроники, характеристики и теории, а также процесс проектирования и производства.

2. Принцип работы

2.1. Введение в принцип работы

Рисунок 4.

Принцип работы тепловой трубы.

Принцип работы тепловой трубы представлен на Рисунке 4.Тепловая трубка состоит из металлической оболочки, фитиля и рабочего тела. Фитиль представляет собой микропористую структуру из металла, прикрепленную к внутренней поверхности конверта. Рабочее тело находится в пустоте внутри фитиля. Когда тепло подводится к испарителю от внешнего источника тепла, приложенное тепло испаряет рабочую жидкость в тепловой трубе. Образующийся пар рабочей жидкости повышает давление и приводит к перепаду давления в осевом направлении. Разница давлений перемещает пар из испарителя в конденсатор, где он конденсируется, выделяя скрытую теплоту парообразования в теплоотвод.Между тем, истощение жидкости из-за испарения в испарителе заставляет поверхность раздела жидкость-пар попадать на поверхность фитиля, и, таким образом, там создается капиллярное давление. Это капиллярное давление перекачивает конденсированную жидкость обратно в испаритель для повторного испарения рабочей жидкости. Точно так же рабочая жидкость циркулирует в замкнутом контуре внутри оболочки, в то время как испарение и конденсация одновременно имеют место для поглощения и рассеивания тепла соответственно. Высокие тепловые характеристики тепловой трубы обусловлены скрытой теплотой парообразования, которая обычно составляет миллионы Джоулей на 1 кг жидкости.

2.2. Фитиль для тепловой трубки

Течение в фитиле происходит за счет того же механизма, что и всасывание воды губкой. Микроразмерные поры в губке (или фитиле) могут должным образом образовывать мениск на границах раздела жидкость-пар, и это дает градиент капиллярного давления и, как следствие, движение жидкости. Следует отметить, что фитиль обеспечивает капиллярную перекачку рабочей жидкости, которая должна постоянно подаваться для работы тепловой трубы, а также протока рабочей жидкости.Кроме того, фитиль также действует как путь теплового потока, поскольку приложенное тепло передается рабочей жидкости через оболочку и фитиль. Следовательно, тепловые характеристики тепловой трубки сильно зависят от конструкции фитиля.

Рис. 5.

Типичные фитильные конструкции.

В связи с этим для улучшения тепловых характеристик тепловых труб используются различные типы фитильных конструкций. На рисунке 5 показаны три типичных типа фитильных структур: фитиль с сетчатым экраном (его также часто называют волокнистой сеткой или обернутым экраном), фитиль с канавками и фитиль из спеченных частиц (или спеченного порошка).Фитиль из сетчатого экрана - это наиболее распространенная фитильная конструкция, которая изготавливается из обернутого тканью металлической проволоки. Фитиль с канавками использует осевые канавки, вырезанные непосредственно на внутренней поверхности оболочки в качестве канала потока. Фитиль из спеченных частиц состоит из слегка сплавляемых в процессе спекания мелких металлических частиц. Основные характеристики вышеупомянутых типов фитилей показаны на рисунке 6. Фитиль с сетчатым экраном может иметь высокое капиллярное давление и умеренную проницаемость, потому что можно контролировать множество пор на единицу длины и герметичность конструкции, где проницаемость является мерой способности пористой среды для передачи жидкости через себя при заданном перепаде давления следующим образом:

Рисунок 6.

Характеристики фитильных конструкций.

, где K - проницаемость, U - средняя скорость потока внутри пористой среды, μ - вязкость, а d P / d x - приложенный градиент давления.

Однако эффективная теплопроводность мала, потому что экраны термически не связаны друг с другом. В случае фитиля с рифлением эффективная теплопроводность высока из-за прочного теплового пути.Он имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что широкий и прямой (не извилистый) путь потока может обеспечить высокую проницаемость. Однако капиллярное давление сильно ограничено из-за того, что масштаб канавок, которые обрабатываются посредством процесса экструзии, не может быть уменьшен за пределы нескольких десятков микрометров. Следует отметить, что максимальное развивающееся капиллярное давление обратно пропорционально характерной длине поровой структуры. С другой стороны, фитиль из спеченных частиц имеет высокое капиллярное давление, а также эффективную теплопроводность от умеренной до высокой из-за регулируемого размера частиц и плавного контакта между частицами.Однако проницаемость фитиля из спеченных частиц относительно низкая из-за узкого и извилистого пути потока. Как показано, у данного типа фитиля есть свои плюсы и минусы. Поэтому дизайнеры выбирают тип фитиля в соответствии с соответствующими подходящими приложениями.

3. Тепловые характеристики

3.1. Различные механизмы

Рис. 7.

Ограничения производительности в зависимости от температуры.

В случае других охлаждающих модулей нет «ограничения» теплопередачи, подразумевая, что увеличение скорости теплопередачи просто приводит к увеличению перепада температуры и ухудшению ситуации.Напротив, существует определенное ограничение тепловых характеристик тепловой трубы, выше которого скорость теплопередачи не может быть увеличена для надежной работы. Тепловые характеристики тепловой трубы ограничиваются одним из различных механизмов в зависимости от диапазона рабочих температур и геометрии тепловой трубы. Предел вязкости обычно возникает при неустойчивом запуске при низкой температуре, когда падение внутреннего давления недостаточно велико для перемещения пара по тепловой трубе. Звуковой предел также обычно имеет место во время нестационарного пуска при низкой температуре, когда режим дросселирования потока достигается при звуковой скорости пара.Предел капиллярности связан со способностью фитиля перемещать жидкость через необходимый перепад давления. Это происходит, когда скорость циркуляции рабочего тела увеличивается так, что перепад давления на всем пути потока достигает развиваемого капиллярного давления. Когда происходит капиллярный предел, в испарителе происходит высыхание, при этом испаряется больше жидкости, чем может быть доставлено капиллярным действием фитиля. Предел уноса связан с границей раздела жидкость-пар, где встречаются встречные потоки двух фаз.В некоторых случаях сопротивление, оказываемое паром на возвращающуюся жидкость, может быть достаточно большим, чтобы унести поток конденсата в фитиль, что приведет к высыханию. Предел кипения, как известно, возникает, когда зарождение пузырьков инициируется в секции испарителя. Пузырь обычно не может легко вырваться из фитиля с порами небольшого размера и эффективно предотвратить попадание жидкости на нагретую поверхность, что, в свою очередь, приводит к выгоранию. Известно, что тепловой поток от выгорания обычно составляет от 20 до 30 Вт / см 2 для фитилей из спеченных частиц.

Рисунок 8.

Предел капиллярности и предел кипения.

На рис. 7 показана теплоемкость тепловой трубы (медь – вода, диаметр 1 см, длина 30 см), определяемая различными ограничивающими механизмами по температуре. Как показано на этом рисунке, предел вязкости, предел звука и предел уноса не играют важной роли в определении теплоемкости тепловой трубы, если только температура не очень низкая (<-20 ° C). Тепловые трубы, работающие при температуре выше атмосферной, практически регулируются только пределом капиллярности или пределом кипения, как показано на рисунке 7.Существует хороший метод различения этих двух ограничений (см. Рисунок 8). Капиллярный предел возникает, когда поток жидкости в осевом направлении не может обеспечить скорость испарения из-за ограниченного капиллярного давления. Предел кипения возникает, когда пузырек препятствует потоку жидкости на нагретую поверхность. Другими словами, капиллярный предел представлен осевым (или боковым) пределом транспортировки жидкости, в то время как предел кипения представлен пределом радиального (или вертикального) переноса жидкости.Следует отметить, что в тепловой трубе ограничение переноса жидкости представляет собой предел теплопередачи, поскольку скорость теплопередачи задается как произведение коэффициента скрытой теплоты и массового расхода рабочей жидкости. В этом отношении предел кипения становится доминирующим, когда эффективная длина тепловой трубы относительно мала, и наоборот. Предел кипения также становится важным при высокой рабочей температуре, потому что образование пузырьков более вероятно при сильном перегреве.Следующие два подраздела будут посвящены моделям капиллярного предела и предела кипения соответственно.

3.2. Предел капилляров

Предел капилляров также называется пределом капиллярности. Как уже упоминалось, капиллярный предел возникает, когда поток жидкости в осевом направлении не может обеспечить скорость испарения. Такая ситуация возникает при условии, что перепад давления на всем пути потока равен развиваемому капиллярному давлению. Падение давления рабочей жидкости складывается из перепада давления в проточном тракте (Δ P l ), перепада давления в паровом тракте (Δ P v ), дополнительного падения давления, создаваемого противотоком на межфазная граница (Δ P l - v ), а также падение гравитационного давления (Δ P g ).Таким образом, условие капиллярного ограничения описывается следующим уравнением:

ΔPc = ΔPl + ΔPl − v + ΔPv + ΔPgE2

, где Δ P c - перепад капиллярного давления между секциями испарителя и конденсатора. Обычно перепад давления пара (Δ P v ) и перепад межфазного давления (Δ P l – v ) незначительны по сравнению с другими; Таким образом, уравнение сводится к следующему:

2σReff = μlLeffKAwρlm.+ ρlgLeffsinϕE3

, где левая часть представляет Δ P c , первый член в правой части равен Δ P l , а второй член соответствует Δ P г . В этом уравнении σ - коэффициент поверхностного натяжения, R eff - эффективный радиус пор фитильной структуры, μ l - вязкость рабочей жидкости, L eff - эффективная длина тепловой трубы, K, - проницаемость, A w - площадь поперечного сечения фитиля, ρ l - плотность рабочей жидкости, м.- массовый расход, г, - гравитационная постоянная, и φ, - угол ориентации относительно горизонтальной плоскости. Теплопроводность тепловой трубы прямо пропорциональна массовому расходу рабочей жидкости:

, где h fg - коэффициент скрытой теплоты рабочего тела. Объединение уравнений (3) и (4) дает следующее уравнение для капиллярного предела:

Qmax = KAwhfgρlμlLeff2σReff − ρgLeffsinϕE5

Следует подчеркнуть, что K и R eff связаны с микроструктурой фитиля; h fg , σ , μ l и ρ l - свойства жидкости; и L eff и A w представляют макроскопическую геометрию тепловой трубы.Когда гравитационной силой можно пренебречь, уравнение (5) можно переписать, и каждый вид параметров можно выделить как независимый член следующим образом:

Qmax = 2σhfgρlμlAwLeffKReffE6
Рисунок 9.
Значения

K и Reff для типичных фитильных структур.

Первый абзацный термин представляет собой комбинацию свойств жидкости, предполагая, что капиллярный предел тепловой трубы пропорционален этому термину. Этот термин называется добротностью рабочего тела. Второй термин в абзаце относится к макроскопической геометрии тепловой трубы.Последний термин относится к микроструктуре фитиля, поэтому в отношении конструкции фитиля мы должны максимально использовать этот термин. Этот термин часто называют капиллярной характеристикой фитиля. Проницаемость K, пропорциональна характеристической длине поры, тогда как R eff обратно пропорциональна размеру поры. Следовательно, соотношение между K и R eff позволяет найти компромисс между этими двумя конкурирующими эффектами. Значения K и R eff для репрезентативной структуры фитиля показаны на рисунке 9.

3.3. Предел кипения

Что касается предела кипения, постулируется, что предел кипения наступает, как только начинается зарождение пузырьков. Начало пузырькового кипения внутри фитиля рассматривалось как механизм отказа, и его избегали. На основе этого постулата широко использовалась следующая корреляция для прогнозирования предела кипения [1]:

Qmax = 2πLekeTvhfgρvlnri / rv2σrb − PcE7

, где L e - длина испарителя, k e - эффективная теплопроводность фитиля, T v - температура парового ядра, h fg - скрытая теплота, ρ v - плотность пара, r v - радиус паровой сердцевины, r i - радиус внешнего круга, включая толщину фитиля, и σ - коэффициент поверхностного натяжения.В уравнении (7) важными конструктивными параметрами, связанными с микроструктурой фитиля, являются r b и P c , которые представляют собой радиус пузырька и капиллярное давление соответственно. Несмотря на то, что уравнение (7) является простым и в замкнутой форме, трудно реализовать это уравнение, в котором эти параметры являются довольно произвольными, и, таким образом, трудно точно предсказать эти значения. Для точного определения r b и P c необходимо провести дополнительный эксперимент [1].Также существует другая фундаментальная проблема, при которой пузырьковое кипение внутри фитиля не обязательно представляет собой предел теплопередачи, если пузырьки не могут выйти из фитиля, как указывали несколько исследователей [2]. Действительно, пузырьковое кипение не может останавливать или замедлять капиллярный поток в пористой среде согласно литературным источникам. Некоторые исследователи даже настаивали на том, что пузырьковое кипение в фитилях тепловых труб с умеренной температурой не только допустимо, но также может привести к повышению производительности за счет значительного увеличения коэффициента теплопередачи по сравнению с моделью теплопроводности и, следовательно, снижения перепада температуры фитиля [3].Следовательно, следует пролить новый свет на модель предела кипения. Как показано в уравнении (6), ключевыми параметрами для ограничения капиллярности являются K и R eff . Уравнение (7) показывает, что ключевым параметром для предела кипения является k e , без учета влияния проницаемости. Недавно было показано, что предел кипения не возникает при пузырьковом кипении, если паровой пузырь может эффективно выходить из фитиля [4]. Это говорит о том, что K также является важным параметром для предела кипения.

4. Конструкции тепловых труб

4.1. Процедура проектирования тепловой трубы

Процедура расчета тепловой трубы следующая:

  1. выбор рабочей жидкости,

  2. выбор типа фитиля,

  3. выбор материала контейнера,

  4. определение диаметра,

  5. определение толщины,

  6. конструкция фитиля и

  7. конструкция теплоотвода и интерфейса источника.

Каждой процедуре будут посвящены следующие подразделы.

4.2. Выбор рабочей жидкости

Первым шагом при проектировании тепловой трубы является выбор рабочей жидкости в соответствии с рабочей температурой тепловой трубы. Каждая жидкость имеет свой профиль давления пара в зависимости от температуры. Давление пара увеличивается с увеличением температуры, и когда давление пара достигает давления окружающей среды, происходит кипение. Тепловая трубка предназначена для работы почти при температуре кипения для облегчения скорости теплопередачи, связанной со скрытой теплотой.Поэтому рабочую жидкость следует выбирать с учетом рабочей температуры тепловой трубы. Различные типы рабочих жидкостей, их диапазоны рабочих температур и соответствующие внутренние давления показаны на рисунке 10. В случае водяной тепловой трубы, работающей при комнатной температуре, внутреннее давление тепловой трубы обычно устанавливается равным примерно 0,03 бара для максимизация тепловых характеристик. Когда рабочая температура составляет 200 ° C, внутреннее давление тепловой трубки должно быть установлено примерно на 16 бар.Для криогенных применений используется газообразный гелий или азот. Для средне- или высокотемпературных применений обычно используются жидкие металлы, такие как натрий и ртуть. Внутреннее давление тепловой трубки должно быть правильно отрегулировано в соответствии с ее рабочей температурой.

Рисунок 10.

Рабочая температура рабочих жидкостей.

Рисунок 11.

Показатели добротности рабочих жидкостей.

Выбор рабочего тела также важен с точки зрения тепловых характеристик.Уравнение (6) показывает, что тепловые характеристики тепловой трубы прямо пропорциональны свойствам жидкости: ρ l σh fg / μ l . Это часто называют добротностью рабочего тела. На рис. 11 показаны показатели качества по температуре для различных рабочих жидкостей. Как показано на этом рисунке, вода при низких и умеренных температурах является жидкостью с наивысшим показателем добротности.Вот почему для тепловых трубок чаще всего используется вода. Другой распространенной жидкостью является аммиак, который используется при низких температурах.

Рис. 12.

Совместимость материалов.

4.3. Выбор типа фитиля

Второй шаг - выбрать тип фитиля. Как правило, можно выбрать пять вариантов: без фитиля (для термосифона), фитиль с сеткой, рифленый фитиль, фитиль из спеченных частиц и фитиль гетерогенного типа. Причина, по которой мы выбираем тип фитиля перед выбором материала, заключается в том, что технологическая микроструктура зависит от материала.

4.4. Выбор материала контейнера и фитиля

После выбора типа фитиля выбирается материал для контейнера и фитиля. Здесь главное внимание уделяется совместимости рабочей жидкости и материала. Известно, что сочетание воды и меди хорошо совместимо. С другой стороны, вода несовместима с алюминием из-за нежелательного образования газа. Совместимость материала с рабочей жидкостью показана на рисунке 12. Показано, что медь совместима с водой, ацетоном и метанолом.Алюминий хорошо совместим с ацетоном и аммиаком, но не с водой.

4.5. Определение диаметра

Следующим этапом является определение диаметра тепловой трубы. Диаметр становится основным геометрическим параметром с учетом скорости пара. Когда диаметр тепловой трубы слишком мал, скорость пара сильно увеличивается, и появляется эффект сжимаемости, что, в свою очередь, значительно ухудшает характеристики тепловой трубы. Обычно известно, что эффект сжимаемости незначителен, когда число Маха меньше 0.2. Чтобы соответствовать этому критерию, должно выполняться следующее уравнение.

dv> 20QmaxπρvhfgγvRvTvE8

где d v - диаметр парового ядра, Q max - максимальный осевой тепловой поток, ρ v - плотность пара, γ v - теплоемкость пара, h fg - скрытая теплота парообразования, R v - газовая постоянная для пара, а T v - температура пара.

4.6. Определение толщины

Поскольку тепловая труба подобна сосуду под давлением, она должна соответствовать нормам ASME для сосудов. Обычно максимально допустимое напряжение при любой заданной температуре может составлять только одну четвертую максимальной прочности материала на растяжение. Максимальное кольцевое напряжение в стенке тепловой трубы определяется следующим образом [1]:

, где f max - максимальное напряжение в стенке тепловой трубы; P - перепад давления на стене, вызывающий напряжение; d o - внешняя стенка тепловой трубы; t - толщина стенки.Критерий безопасности задается следующим образом:

, где σ Y - напряжение текучести материала контейнера. Комбинируя уравнения (9) и (10), получаем:

4.7. Конструкция фитиля

Максимальные тепловые характеристики тепловой трубы указаны в уравнении (6). Восстановим уравнение (6) как уравнение (12).

Qmax = 2σhfgρlμlAwLeffKReffE12

В уравнении (12) конструктивные параметры, связанные с фитилем, составляют K и R eff .Известно, что K пропорционален квадрату характерного размера пор, тогда как R eff обратно пропорционален характеристическому размеру пор. Следовательно, капиллярные характеристики K / R eff прямо пропорциональны характерному размеру пор. Однако, когда размер пор слишком велик, капиллярное давление становится слишком маленьким, так что эффект гравитации не может быть преодолен, что, в свою очередь, делает тепловую трубку бесполезной.Кроме того, большой размер пор представляет собой значительный эффект силы инерции. Следует отметить, что уравнение (12) выводится при постулировании, что расход рабочей жидкости определяется балансом между капиллярной силой и силой вязкого трения, где сила инерции пренебрежимо мала в микромасштабном потоке. Когда сила инерции становится значительной, тепловые характеристики значительно отклоняются от прогноза по уравнению (12), другими словами, значительно ухудшаются. По этим причинам размер частиц фитиля из спеченных частиц обычно составляет от 40 мкм до 300 мкм.В случае петлевой тепловой трубы (LHP), где требуется чрезвычайно высокое капиллярное давление, используются частицы никеля диаметром 1–5 мкм.

4.8. Конструкция интерфейса теплоотвод – источник

Помимо конструкции самой тепловой трубки, интерфейсы тепловой трубки с теплоотводом – источником также представляют значительный интерес, поскольку тепловое сопротивление межфазного контакта намного больше, чем у самой тепловой трубки. Контактное тепловое сопротивление между испарителем и источником тепла и между конденсатором и радиатором относительно велико.Поэтому их нужно тщательно продумать и свести к минимуму.

4.9. Соображения по тепловому сопротивлению

Рис. 13.

Сеть с тепловым сопротивлением.

В разделах 4.1–4.7 только максимальная способность теплопередачи рассматривалась как показатель эффективности тепловой трубы. Однако иногда другой показатель производительности, тепловое сопротивление, более важен, когда скорость теплопередачи не является важным фактором, а равномерность температуры более важна.Тепловое сопротивление тепловой трубы можно оценить на основе сети теплового сопротивления, как показано на рисунке 13. T x - это температура источника тепла, а T cf - температура радиатора. Индексы e и c обозначают испаритель и конденсатор соответственно. Индексы s , l и i представляют оболочку, жидкость и границу раздела соответственно. Различные компоненты термического сопротивления и корреляции для их прогнозирования показаны на рисунке 14.

Рисунок 14.

Корреляции термического сопротивления.

5. Применение для охлаждения электроники

Типы применений тепловых трубок для охлаждения электроники следующие: использование плоской тепловой трубки, встроенного теплораспределителя с тепловой трубкой, блока к ребру, блока к блоку и ребра к ребру . Трубчатая тепловая трубка не может использоваться только потому, что ее интерфейс не может быть полностью присоединен к электронным устройствам, имеющим плоский интерфейс. Чтобы тепловая трубка была адаптирована для охлаждения электроники, сама тепловая трубка должна быть выполнена в виде плоской пластины или трубчатая тепловая трубка должна быть прикреплена к прямоугольному блоку, как показано на рисунке 15.Распределитель тепла, встроенный в тепловую трубку, показан на рис. 16.

Применение блока с ребрами показано на рис. 17. Тепловая трубка в любом случае должна быть подключена к радиатору для окончательного отвода тепла в воздух. Блок, встроенный в тепловую трубку, можно напрямую подсоединить к ребру, как показано на этом рисунке. В некоторых приложениях, таких как серверный компьютер и телекоммуникационный блок, обрабатывающий большой объем данных, используется блочный модуль, как показано на рисунке 18. В некоторых приложениях также используется модуль «плавник-плавник».

Рис. 15.

Использование трубчатой ​​тепловой трубки и плоской тепловой трубки.

Рисунок 16.

Теплораспределители, встроенные в тепловую трубку.

Рис. 17.

Приложения Block-to-Fin.

Рисунок 18.

Блочные приложения.

Тепловые трубки для охлаждения электроники используются в портативных устройствах, VGA, мобильных ПК, светодиодных проекторах и связанных с ними устройствах, телекоммуникационных повторителях и т. Д. Тепловая труба также широко используется в системах сбора солнечного тепла, таяния снега, теплообменников и связанных с ними энергетических приложений, а также чисто научных приложений, требующих сверхточного контроля температуры.Тепловая трубка является оптимальным решением для тепловых сетей, особенно для полупроводниковых устройств, производительность и срок службы которых чувствительны к температуре. Использование тепловых трубок, несомненно, будет расширяться, и постепенно они будут иметь более сильный эффект в различных промышленных областях.

6. Резюме

В этой главе представлены общие аспекты тепловых трубок. Принцип работы тепловой трубки основан на двухфазных потоках, накачиваемых за счет капиллярного давления, создаваемого на фитиле. Фитиль играет важную роль в определении тепловых характеристик тепловой трубы.В связи с этим были разработаны различные типы фитильных структур, такие как фитиль с сетчатым экраном, желобчатый фитиль и фитиль из спеченных частиц. Тепловые характеристики тепловой трубы обычно определяются пределом капиллярности, который можно легко спрогнозировать на основе простого аналитического метода, представленного уравнением (6). Предел кипения также важен при высоких рабочих температурах. Однако точной модели предела кипения пока нет. Конструкция тепловой трубы начинается с выбора рабочей жидкости, за которым следует выбор типа фитиля и материала контейнера, определение диаметра и толщины, конструкции фитиля и конструкции интерфейса радиатор-источник.Применение тепловых трубок для охлаждения электроники можно классифицировать по конфигурации: тепловая трубка со встроенным расширителем, блок-блок, блок-ребро и плавник-ребро.

.

Heat Pipe и Thermosyphon для управления температурой термоэлектрического охлаждения

1. Введение

В настоящее время прогресс в развитии компьютерных систем помог науке найти вычислительные решения для понимания явлений, присущих проблемам, с которыми сталкивается инженерное дело [1]. Повышение производительности компьютерной системы привело к высокому тепловыделению. С другой стороны, производительность компьютеров может быть потенциально снижена из-за этих высоких плотностей теплового потока [2].Таким образом, управление температурным режимом такого электронного оборудования стало проблемой, чтобы избежать перегрева и, как следствие, отказа оборудования [3].

Согласно Sun et al. [4], пассивные системы охлаждения, такие как воздух, жидкость и теплообменники с фазовым переходом, используются для регулирования температуры процессора и других электронных компонентов на желаемых уровнях. Тем не менее, эти традиционные пассивные системы охлаждения ограничены пределами рабочей жидкости.В этом сценарии система термоэлектрического охлаждения (TEC) может рассматриваться как альтернатива управлению температурой процессора и других электронных компонентов.

Система ТЕС состоит из термоэлектрического модуля, холодной и горячей областей. Термоэлектрические модули работают под действием эффекта Пельтье, когда постоянный ток проходит через ячейку из полупроводниковых материалов; один из соединений охлаждается, а другой нагревается. В общем, холодная область TEC может использоваться для охлаждения компонентов персональных компьютеров, CPU, графических процессоров и так далее.Однако его охлаждающая способность ограничена тепловым сопротивлением в горячей области TEC. Кроме того, ТЭО привлекателен для охлаждения этих устройств своим малым весом, компактными размерами и безвибрационными характеристиками [5].

Чтобы улучшить характеристики охлаждения ТЕС, тепловые трубки или термосифоны могут использоваться в качестве альтернативы для охлаждения горячей стороны ТЕС [6]. Принципиальная схема системы ТЕС / тепловых трубок (или термосифонов), подключенной к ЦП, показана на рисунке 1. Принцип этой технологии заключается в следующем: тепло, генерируемое в ЦП, передается в холодную область ТЕС, где преобразование электрической энергии в тепловая энергия возникает за счет эффекта Пельтье, и после этого процесса тепло передается на горячую сторону ТЭО.Для увеличения охлаждения горячей стороны ТЭО используется система отвода тепла, которая состоит из радиатора и тепловых трубок (или термосифонов). Таким образом, испарители тепловых трубок (или термосифонов) закреплены в радиаторе и поглощают тепло, вырабатываемое ЦП, и передают это тепло конденсаторам тепловых трубок (или термосифонам), где в конечном итоге оно рассеивается в окружающую среду.

Рисунок 1.

Принципиальная схема системы ТЕС / тепловых трубок (или термосифонов), подключенной к ЦП.

Тепловые трубки и термосифоны - это пассивные теплопередающие устройства, способные передавать большое количество тепла при небольшой разнице температур. Они стали популярными в последние десятилетия благодаря своей эффективности и удобству. Эти устройства используются для улучшения теплопередачи во многих областях промышленности, таких как электроника, телекоммуникации, авиакосмическая промышленность и др. [7]. Тепло, передаваемое через эти устройства, основано на фазовом переходе. Основными преимуществами тепловых трубок являются очень высокая теплопроводность, отсутствие потребности в мощности накачки, отсутствие движущихся частей и относительно низкие перепады давления [8].Кроме того, тепловые трубки и термосифоны являются относительно простыми в изготовлении устройствами и, следовательно, имеют низкую стоимость при благоприятной геометрии [9].

Тепловые трубки и термосифоны работают по следующему принципу [10]: в области испарителя тепло передается тепловой трубке или термосифону, испаряя рабочую жидкость, содержащуюся внутри этой области. Генерируемый пар перемещается из-за разницы в давлении и плотности в охлаждающие области тепловой трубы или термосифона (область конденсатора), где переносимое тепло отводится к источнику холода.В процессе отвода тепла пар конденсируется, и конденсат возвращается обратно в испаритель, замыкая цикл. Адиабатическая область, которая может иметь переменные размеры (в некоторых случаях отсутствует), расположена между испарителем и конденсатором, изолированным от внешней среды. В тепловых трубках рабочая жидкость возвращается из конденсатора в испаритель за счет эффекта капиллярной откачки, а в термосифоне рабочая жидкость возвращается исключительно под действием силы тяжести, поскольку она не имеет капиллярной структуры.Принципиальная схема принципа работы тепловых трубок представлена ​​на рисунке 2 [11]. Подробнее о принципе работы тепловых трубок и термосифонов можно прочитать в [7, 8, 9, 10].

Рисунок 2.

Схема принципа действия тепловой трубы [11].

Тепловые трубы в основном состоят из металлической трубки, герметизированной изнутри капиллярной структурой, которая залита рабочей жидкостью [12]. Эта капиллярная структура может состоять из сеток, канавок или спеченных материалов [13].Металлический экран является наиболее часто используемой капиллярной структурой из-за доступности, простоты конструкции и хорошей капиллярной перекачки [14]. Канавки, как капиллярная структура, обладают высокой теплопроводностью и хорошей проницаемостью [15]. Спеченные металлические фитили изготавливаются путем упаковки крошечных металлических частиц между внутренней стенкой тепловой трубы и оправкой в ​​виде порошка [16]. Как упоминалось ранее, термосифон представляет собой тепловую трубку, поддерживаемую силой тяжести, что означает, что он не имеет капиллярной структуры для возврата рабочей жидкости [17].В некоторых имеющихся в литературе исследованиях теплового управления термоэлектрическим охлаждением использовались тепловые трубки и термосифоны [4, 5, 18, 19, 20].

Таким образом, в этой главе подробно описывается производство недорогих и простых в изготовлении тепловых трубок и термосифонов, а также проводится экспериментальная оценка тепловых характеристик нескольких различных пассивных устройств, которые можно использовать для управления температурой термоэлектрическое охлаждение. Рассматриваемые устройства представляли собой стержень, термосифон, сетчатую тепловую трубку, желобчатую тепловую трубку и спеченную тепловую трубку.Чтобы оценить лучший пассивный теплообменник, было проведено сравнение их тепловых характеристик.

2. Производство тепловых трубок и термосифонов

В этом разделе подробно описывается каждый этап изготовления тепловой трубки и термосифона. Предлагаемая процедура отличается невысокой стоимостью, а пассивные теплопередающие устройства просты в изготовлении. Это очистка, сборка, проверка на герметичность, процедура откачки и заполнение рабочей жидкостью. Эти процедуры были основаны на [21, 22, 23, 24, 25, 26].

При благоприятных условиях эксплуатации может быть изготовлен термосифон. В результате не требуется капиллярная структура. Однако в неблагоприятных условиях следует выбрать фитиль и разместить его во внутренней обертке. Как упоминалось ранее, капиллярные структуры могут представлять собой, среди прочего, сетчатые сетки, канавки, спеченный порошок.

Материал оболочки, капиллярная структура (если применимо) и рабочая жидкость зависят от области применения, и они должны быть химически и механически совместимыми.Для термоэлектрического охлаждения рабочая температура составляет около 150 ° C, что позволяет использовать медь и дистиллированную воду в качестве инвертора и рабочей жидкости соответственно.

Прежде всего, необходимо подготовить основные компоненты тепловой трубки или термосифона. Оболочка из спеченной тепловой трубы состоит из корпуса, закрывающих крышек и капилляра, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Компоненты спеченной тепловой трубы.

2.1. Процесс очистки

Очистка тепловой трубки или термосифона необходима для обеспечения смачиваемости рабочей жидкости, удаления примесей и улучшения качества вакуума [27].Следовательно, тепловая трубка или компоненты термосифона должны быть тщательно очищены перед введением рабочей жидкости. Для этого сначала корпус, закрывающие крышки, капилляр и капиллярная структура (если применимо) очищаются ацетоном, чтобы удалить более крупные загрязнения. Затем их тщательно очищают раствором серной кислоты (H 2 SO 4 0,1 М). После этого эти компоненты помещаются в ультразвуковую ванну, где они остаются погруженными в ацетон на 30 мин.Наконец, чистка завершена. На рис. 4 показана очистка спеченных компонентов тепловых трубок в ультразвуковой ванне.

Рисунок 4.

Процедура очистки в ультразвуковой ванне.

2.2. Сборка тепловых трубок и термосифона

После процесса очистки тепловую трубку или термосифон можно правильно собрать. Поскольку фитиль находится внутри корпуса, закрывающие крышки и капилляр привариваются к концам трубки (рис. 5). В случае медных оболочек процесс сварки может выполняться с помощью паяльника, а детали могут быть спаяны с использованием сплава олова в качестве присадочного материала.

Рисунок 5.

Тепловая трубка в сборе.

2.3. Испытание на герметичность

Необходимо провести испытание на герметичность для проверки отсутствия дефектов в процессе сварки тепловой трубы или термосифона. Ручной поршневой насос, емкость для воды (например, раковина, полная воды) и полимерная трубка необходимы для проведения недорогого теста (рис. 6). Полимерная трубка соединяет насос и капиллярную трубку. Тепловая трубка или термосифон вставляется в емкость для воды, и воздух нагнетается в трубку с помощью поршневого насоса.Если в припое есть изъяны, в воде появятся пузырьки. В случае наличия пузырьков тепловую трубку или термосифон необходимо разобрать, очистить, сварить и повторно протестировать.

Рисунок 6.

Недорогое испытание на герметичность.

2.4. Процедура откачки

Сначала тепловая трубка или термосифон подключается к вакуумному насосу ( Lab 1000 ™), который может удалить часть остаточной жидкости из процесса очистки. Затем тепловая трубка или термосифон соединяется с вакуумным насосом EOS Value ™ i260SV с помощью полимерного шланга.Этот второй насос выполняет процесс откачки, при котором внутреннее давление должно достигать не менее 90 мбар (9 кПа) - Рис. 7. Чтобы убедиться в отсутствии утечек в соединениях, полимерный шланг подсоединяют к капилляру с помощью смазки для высокого вакуума Dow Corning ™ до начала процесса вакуумирования. Процедура эвакуации длится не менее 8 часов. В конце процедуры полимерный шланг зажимают с помощью щипцов и выключают вакуумный насос.

Рисунок 7.

Порядок эвакуации.

2,5. Заполнение рабочей жидкостью

Количество рабочей жидкости, вставленной в тепловую трубку или термосифон, важно для капиллярной насосной системы, поскольку теплопередача зависит от этого количества жидкости. Если жидкости недостаточно, насосная система перестает работать, тепловая трубка или термосифон разрушается, и в результате прекращается передача тепла. В результате следует тщательно выбирать коэффициент наполнения. Обычно коэффициент заполнения зависит от объема испарителя.

Для выполнения процедуры заполнения рабочей жидкостью необходимо разработать небольшую заправочную станцию. Станция наполнения состоит из универсальной подставки, градуированной бюретки (шкала 0,1 мл) вместимостью 25 мл и щипцов (рис. 8). Бюретка и полимерный шланг полностью заполнены рабочей жидкостью. Вакуумированная тепловая трубка или термосифон соединяется с бюреткой с помощью полимерного шланга. Убедитесь, что в трубке, соединяющей бюретку и тепловую трубку или термосифон, отсутствуют пузырьки воздуха.Следующим шагом будет осторожное открытие клапана бюретки. Щипцы осторожно открывают, чтобы слить рабочую жидкость до тех пор, пока тепловая трубка или термосифон не будет заполнена нужным количеством. Подчеркивается, что при заполнении необходимо соблюдать большую осторожность; в противном случае будет потеряна тепловая трубка или термосифонный вакуум. Если это произойдет, весь процесс вакуумирования необходимо повторить. После зарядки капилляр закрывается плоскогубцами, а конец капилляра приваривается к полностью герметичному корпусу (Рисунок 9).

Рисунок 8.

Заправочная станция с тепловой трубкой.

Рисунок 9.

Сварка конца капилляра.

3. Характеристики разработанных пассивных устройств

Тепловые трубки и термосифон были изготовлены из медных трубок ASTM B-75 Alloy 122 с внешним диаметром 9,45 мм, внутренним диаметром 7,75 мм и длиной 200 мм. Стержень был получен из сплошного медного стержня ASTM B-75 Alloy 122 с такими же размерами, как у разработанных тепловых трубок и термосифона.Все устройства имели испаритель длиной 80 мм, адиабатическую область длиной 20 мм и конденсатор длиной 100 мм. Используемая рабочая жидкость представляет собой дистиллированную воду с коэффициентами заполнения, зависящими от объема испарителя, на основе наилучших характеристик каждой капиллярной структуры. В таблице 1 приведены основные характеристики пассивных теплопередающих устройств, проанализированных в данном исследовании.

901 Экранная сетка из фосфористой бронзы №100
Характеристики Стержень Thermosyphon Тепловая труба
Сетка Рифленая 9011 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 .75 7,75 6,20 7,75
Наружный диаметр [мм] 9,45 9,45 9,45 9,45 9,45 9,45 9,45
9,45 80,0 80,0 80,0
Длина адиабатического участка [мм] 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0
901 901 901 100 100 100
Рабочая жидкость - Вода Вода Вода Вода
Объем рабочей жидкости [мл] - .26 2,19 1,73 2,26
Коэффициент заполнения [%] - 60 60 60 80
Капиллярная структура Микроканавки проволокой-EDM Медный порошок спеченный

Таблица 1.

Основные характеристики теплообменных пассивных устройств.

В сетчатой ​​тепловой трубе используется один слой сетки из фосфористой бронзы №100 (рис. 10а) в качестве капиллярной структуры. Микромасштабное изображение сетки экрана №100 показано на рисунке 10b. Изображение было получено детектором обратно рассеянных электронов (BSD) для растрового электронного микроскопа (SEM). Более подробную информацию об этой сетчатой ​​тепловой трубке можно найти в [23].

Рисунок 10.

Сетка из фосфористой бронзы №100. (а) Общий вид (б) изображение в микромасштабе.

Желобчатая тепловая трубка, схематически показанная на Рисунке 11а, имела 32 микроканавки, выполненные с помощью проволочной электроэрозионной обработки (электроэрозионная обработка проволокой).На рис. 11б представлены детали осевых микроканавок со средним диаметром 220 мкм на микромасштабном изображении. Изображение было получено детектором обратно рассеянных электронов (BSD) для растрового электронного микроскопа (SEM). Подробнее об этой тепловой трубке можно прочитать в [24, 28].

Рис. 11.

Микроканавки, полученные методом электроэрозионной обработки. (а) Схема профиля микроканавки и (б) изображение в микромасштабе.

Спеченная тепловая трубка была изготовлена ​​методом спекания с использованием медного порошка и временной оправки.Средний диаметр частицы медного порошка составляет 10,9 мкм. Изготовленная пористая структура имеет толщину 1,5 мм (рис. 12а). Микромасштабное изображение капиллярной структуры спеченного медного порошка представлено на рисунке 12b. Более подробную информацию об этой спеченной тепловой трубке можно найти в [26].

Рисунок 12.

Структурный спеченный медный порошок. (а) общий вид и (б) изображение в микромасштабе.

4. Экспериментальные испытания

Для достижения успешных результатов экспериментальные испытания должны воспроизводить рабочие условия, максимально приближенные к условиям применения терморегулирования термоэлектрического охлаждения.Затем для оценки тепловых характеристик анализируемых устройств пассивной теплопередачи использовалась экспериментальная установка и некоторые экспериментальные процедуры.

4.1. Экспериментальная установка

Основная экспериментальная установка для экспериментальных испытаний, показанная на рисунке 13, состоит из регистратора данных ( Agilent ™ 34970A с 20 каналами), блока питания ( Keysight ™ U8002A), портативного компьютера ( Dell ™), источник бесперебойного питания ( NHS ™), универсальная подставка и вентилятор ( Ultrar ™).

Рисунок 13.

Экспериментальная установка.

Для оценки температуры различных пассивных теплопередающих устройств используются термопары К-типа Omega Engineering ™. Их следует фиксировать на внешней поверхности устройств термочувствительной липкой лентой Kapton ™. Их следует распределить по длине тепловых трубок и термосифона. Таким образом, в испарителе имеется три термопары ( T испаритель , 1 , T испаритель , 2 и T испаритель , 3 ), одна термопара в адиабатическом секция ( Tadiab ) и четыре термопары в конденсаторе ( T cond , 1 , T cond , 2 , T cond , 3 и T cond , 4 ) в пассивных устройствах (тепловые трубки и термосифон), как показано на рисунке 14.Для стержня две термопары были закреплены в испарителе ( T испаритель , 1 и T испаритель , 2 ), одна термопара в адиабатической секции ( Tadiab ) и три термопары в конденсатор ( T cond , 1 , T cond , 2 и T cond , 3 ).

Рисунок 14.

Положения термопар в тепловых трубках.

Как уже известно, для правильной работы тепловой трубки и термосифона необходима система обогрева в испарителе и система охлаждения в конденсаторе. Испаритель может быть рассеивающим мощность в резисторе любого вида (полоса, картридж) или источником тепла, как горячая сторона ТЭО. В большинстве случаев система охлаждения может состоять из принудительной конвекции воздухом, водой или хладагентом. Адиабатический участок может иметь переменные размеры (в некоторых случаях отсутствует) и должен быть изолирован от внешней среды.

Таким образом, в этом исследовании система нагрева испарителя осуществляется за счет рассеяния мощности при прохождении электрического тока в удлинительном полосе из никель-хромового сплава Omega Engineering ™ толщиной 0,1 мм и шириной 3,5 мм. . Для того, чтобы тепло, выделяемое в результате эффекта Джоуля, передавалось испарителю, в этой области устанавливаются авиационная теплоизоляция и слой полиэтилена. Лента из стекловолокна используется в адиабатическом сечении в качестве теплоизоляции между опорой и пассивным устройством.Система охлаждения с принудительной конвекцией воздуха состояла из вентилятора в области конденсатора.

4.2. Методика эксперимента

Для обеспечения наилучших результатов и повторяемости экспериментальных испытаний температура окружающей среды поддерживалась на уровне 20 ° C ± 0,5 ° C. Для этого использовалась система термического кондиционирования Carrier ™ . Перед каждым экспериментальным испытанием необходимо проводить детальную проверку оборудования и тепловой трубки или термосифона (среди прочего, крепление термопар, теплоизоляция, подключение резистора).Тепловая трубка или термосифон была тщательно прикреплена к универсальным траверсам в адиабатический области в желаемом положении. Система охлаждения включалась в области конденсатора и настраивалась на скорость 5 м / с, контролируемую потенциометром с суммарной погрешностью ± 0,2 м / с. Была включена система сбора данных, которая собирала температуры, измеренные термопарами K-типа. Температуру следует проверять в соответствии с температурой окружающей среды, и, если она была стабильной и составляла приблизительно 20 ° C, наконец, можно было включить систему обогрева и отрегулировать ее на желаемую мощность рассеивания.Начальная нагрузка составляла 5 Вт, и примерно через 15 мин термопары показали стационарные значения. Если это произошло, тепловая нагрузка была увеличена на 5 Вт. Приращение нагрузки производилось до тех пор, пока максимальная температура устройства не достигла критической температуры (150 ° C), при которой могло произойти плавление материалов. Данные собирались каждые 5 с, записывались на рабочем столе с помощью программного обеспечения Agilent ™ Benchlink Data Logger 3 .

5. Редукция данных

5.1. Тепловые параметры

Тепловые характеристики тепловых трубок и термосифона были проанализированы и сопоставлены по рабочим температурам ( Top ), общему тепловому сопротивлению ( Rth ) и эффективной теплопроводности ( keff ).Анализируемая рабочая температура - это температура адиабатической области. Общее тепловое сопротивление Rth тепловой трубы и термосифона может быть определено как сложность пассивного устройства для передачи тепловой энергии и может быть рассчитано по формуле:

Rth = ΔTq = Tevap − TcondqE1

где, q - теплопередающая способность устройства, Tevap и Tcond - средняя температура испарителя и конденсатора соответственно.

Эффективная теплопроводность кэф - это свойство определенного материала проводить тепло. Определено по формуле:

keff = qLeffACΔT = qLeffACTevap − TcondE2

, где Leff - эффективная длина, а AC - площадь поперечного сечения теплопередачи. Эффективная длина может быть определена как:

Leff = Levap2 + Ladiab + Lcond2E3

, где Levap - длина испарителя, Ladiab - длина адиабатической секции, а Lcond - длина конденсатора.

Площадь поперечного сечения теплопередачи может быть определена как:

AC = πDi24E4

, где Di - это внутренний диаметр пассивного теплопередающего устройства.

5.2. Анализ неопределенностей

В общем, экспериментальные неопределенности связаны с термопарами K-типа, регистратором данных и блоком питания. Неопределенности экспериментальных измерений были проанализированы с использованием метода комбинации неопределенностей, описанного в [29], с учетом комбинации неопределенностей коррелированных величин.Они отражены в полученных результатах. Известно, что точность термопар составляет ± 2,2 ° C, а погрешность оценивалась как прямоугольная. Таким образом, значения неопределенности датчиков температуры были оценены в:

uT = ± 2,23 = ± 1,27 ° CE5

Объединенные неопределенности температур испарителя, адиабатической секции и конденсатора были рассчитаны по следующим уравнениям соответственно:

uTevap = ∂Tevap∂Tevap, 1u

.

Смотрите также