Какой трубой делать отопление: Подбор диаметра труб для отопления по мощности контура

Как работают тепловые трубки | Тепловые трубки 101

 

В этой статье рассказывается о том, как работают тепловые трубки и испарительные камеры, а также о типичных вариантах использования и вариантах конфигурации. Кроме того, он предназначен для быстрого чтения со ссылками на подробную информацию по всему тексту.

 

Как работают тепловые трубки?

Тепловая трубка состоит из трех частей, которые позволяют ей работать: вакуумный герметичный корпус, впитывающая структура и рабочая жидкость. С большим отрывом наиболее распространенным типом является медный корпус, структура фитиля из спеченной меди, которая прикрепляется к внутренней поверхности, и деионизированная вода в качестве рабочей жидкости. Эта конфигурация обычно подходит для некосмических сред с требуемым значением Max Ambient менее 80 9 .0011 или C, и эта конфигурация будет представлена ​​в этой статье.

На приведенном ниже рисунке показаны принципы работы тепловых трубок. При подаче тепла часть жидкости превращается в пар и перемещается в область более низкого давления к охлаждающим ребрам. Это позволяет парам охлаждаться и возвращаться в жидкую форму, где они поглощаются пористой структурой фитиля и переносятся обратно к источнику тепла за счет капиллярного действия — тот же принцип, который пропитывает все бумажное полотенце, если только один угол подвергается воздействию. воды.

 

Принципы работы тепловых трубок

 

Тепловые трубки обычно имеют размеры от 2 до 12 мм в диаметре, их можно сплющивать и сгибать. Кроме того, свойства фитиля, такие как толщина и пористость, могут быть изменены для настройки тепловых характеристик (Qmax или максимальная допустимая мощность в ваттах). Нажмите здесь, чтобы использовать онлайн-калькулятор тепловых труб, чтобы рассчитать Qmax по размеру трубы и углу ориентации. Несколько моментов:

• Тепловые трубки большего диаметра имеют более высокое значение Qmax.
• Qmax является аддитивным. Если одна труба может нести 20 Вт, то две — 40 Вт и так далее.
• Qmax уменьшается при изгибе тепловой трубы, капиллярном воздействии против силы тяжести, увеличении требуемой рабочей высоты над уровнем моря и часто при сплющивании трубы (небольшое сплющивание, как правило, не влияет на это).

Принцип работы испарительных камер аналогичен тепловым трубам. Фактически испарительные камеры часто называют плоскими тепловыми трубками. Различие действительно сводится к соотношению сторон ширины к высоте. Плоская тепловая трубка обычно не превышает 4:1, тогда как испарительная камера может достигать примерно 60:1.

 

Важность технологии тепловых трубок

Вы уже знаете, что тепловые трубки и испарительные камеры представляют собой двухфазные устройства теплопередачи, используемые для повышения тепловых характеристик радиаторов, которые в противном случае использовали бы только твердое металлическое основание и ребра. Но что привело к их массовому внедрению?

Проще говоря, тепловые трубки широко используются, потому что современные электронные компоненты имеют повышенную расчетную тепловую мощность (ватты рассеянного тепла) и, что, возможно, более важно, удельную мощность (Вт/см ² ). С этим увеличением инженеры поняли, что им необходимо уменьшить пределы проводимости твердого металла. Теплопроводность паровых камер и тепловых труб в большинстве случаев значительно выше, чем у твердого алюминия или меди. Для справки: теплопроводность алюминия составляет ~200 Вт/(мК), меди — ~400 Вт/(мК), а двухфазные устройства обычно имеют теплопроводность более 6000 Вт/(мК) — часто на значительно выше, чем на .

В отличие от твердого металла, эффективная теплопроводность двухфазных устройств изменяется в зависимости от множества переменных, но в основном в зависимости от расстояния, на которое передается тепло. Чем больше расстояние, в разумных пределах, тем выше теплопроводность, при прочих равных условиях. См. онлайн-калькулятор производительности тепловых трубок для точного расчета теплопроводности тепловых трубок для вашего применения. На приведенной ниже диаграмме показано, как быстро теплопроводность увеличивается с увеличением длины тепловой трубы.

 

Эффективная теплопроводность тепловой трубы как функция длины

 

 

Типовая конфигурация и применение

Практические советы

• Используйте локальные испарительные камеры для распределения тепла по основанию массива.
• Используйте тепловые трубки для передачи тепла к удаленному массиву ребер или стенке корпуса.

 

Испарительные камеры для распределения тепла | Тепловые трубки перемещают тепло

 

Всегда есть исключения, но вот причины. Тепловые трубки можно изгибать в любом направлении, что делает их идеальными для прокладки вокруг компонентов печатной платы. Это делает их хорошо подходящими для перемещения тепла к удаленному конденсатору, что чаще всего требует некоторого маневрирования. И наоборот, паровые камеры имеют сплошное внутреннее паровое пространство. Это позволяет распределять тепло во всех направлениях к удаленным углам и краям массива ребер, максимально увеличивая общую эффективность ребер.

 

Контрольные признаки того, что вам может понадобиться устройство с тепловой трубой или испарительной камерой

Вот список условий, при которых можно рассмотреть возможность использования двухфазных устройств:

• Необходимость перемещения тепла более чем на 50 мм от источника тепла к удаленному конденсатору. Ниже этого цельный медный стержень или стержни будут почти столь же эффективны.
• Когда площадь дна (основания) локальной решетки ребер более чем в 10 раз превышает площадь источника тепла. Помните, что меньший поток воздуха означает большую площадь ребер для данного источника тепла. Это часто приводит к большему основанию, поскольку у вас может не быть вертикального пространства (Z-высоты), и у вас, конечно, не будет эффективности плавников, чтобы увеличивать высоту плавников до бесконечности. Воспользуйтесь нашим онлайн-калькулятором размера радиатора, чтобы быстро рассчитать требуемый размер радиатора для вашего приложения.
• Если цельный медный радиатор (ребра и основание) соответствует тепловым требованиям, но не требованиям к весу/ударным нагрузкам и вибрации. Твердое медное основание значительно тяжелее аналогичного основания испарительной камеры. Кроме того, использование двухфазного основания может позволить использовать алюминиевые ребра, что еще больше уменьшит вес.
• Когда тепловой бюджет ниже 40 ^o C, особенно в сочетании с низким/отсутствующим воздушным потоком. Чтобы рассчитать тепловой баланс, вычтите максимальную рабочую температуру, при которой готовое устройство должно работать (Max Ambient), из максимальной температуры корпуса (Tcase) ИС или температуры перехода для ИС без кристалла (Tjunction). Эта вторая цифра будет предоставлена ​​производителем микросхемы. Вы можете использовать наш онлайн-калькулятор радиатора, чтобы определить общую дельта-Т вашего радиатора и сравнить ее с вашим тепловым бюджетом.

 

Типы радиаторов, используемых с двухфазными устройствами

Меньшая стоимость единицы продукции — Экструдированные радиаторы являются наиболее экономичными, но имеют ограниченную гибкость конструкции. Литые под давлением радиаторы обычно используются в качестве крышки корпуса с ребрами, открытыми для окружающей среды, но высокие первоначальные затраты на инструменты ограничивают их использование в приложениях с большими объемами.

Уникальные требования к ребрам . Инженерам-теплотехникам иногда требуются радиаторы либо с очень высокими ребрами, либо с очень тонкими ребрами, расположенными на небольшом расстоянии друг от друга. Соответственно, радиаторы со склеенными ребрами и радиаторы со шлифованными ребрами хорошо удовлетворяют этим требованиям. Преимущество конструкций со склеенными ребрами заключается в том, что основание радиатора и ребра могут быть из разных металлов.

Наиболее часто используемый номер . Чаще всего в паре с конструкциями с тепловыми трубками или паровыми камерами вы увидите ребра на молнии (также называемые пакетами ребер). Они имеют малый вес и могут достигать очень высокой плотности ребер. К их днищу можно припаять испарительные камеры или провести через центр ребер тепловые трубки. Для небольших, очень сложных конструкций, где важна производительность, обычным решением являются механически обработанные радиаторы.

 

Типы радиаторов, используемых с испарительными камерами и тепловыми трубками

 

Технология тепловых трубок | Корпорация Бойд

Тепловые трубки являются наиболее распространенными пассивными двухфазными системами с капиллярным приводом. Двухфазный теплообмен включает фазовый переход жидкость-пар (кипение/испарение и конденсация) рабочего тела. Корпорация Boyd специализируется на проектировании, разработке и производстве пассивных двухфазных устройств теплопередачи с 1970 года.

Тепловые трубы обладают чрезвычайно высокой теплопроводностью. В то время как твердые проводники, такие как алюминий, медь, графит и алмаз, имеют теплопроводность в диапазоне от 250 Вт/м·К до 1 500 Вт/м·К, тепловые трубы имеют эффективную теплопроводность в диапазоне от 5 000 Вт/м·К до 200 000 Вт/ м•К. Тепловые трубы передают теплоту от источника тепла (испарителя) к теплоотводу (конденсатору) на сравнительно большие расстояния за счет скрытой теплоты парообразования рабочего тела. Тепловые трубы обычно имеют 3 секции: секцию испарителя (подвод тепла/источник), адиабатическую (или транспортную) секцию и секцию конденсатора (теплоотвод/сток).

Основные компоненты тепловой трубы

Три основных компонента тепловой трубы включают:

• Вакуумплотную герметичную защитную оболочку или сосуд
• Рабочая жидкость
• Структура капиллярного фитиля

Все они работают вместе, обеспечивая более эффективную и равномерную передачу тепла. Фитильная структура выстилает внутреннюю поверхность оболочки тепловой трубы и пропитывается рабочей жидкостью. Фитиль обеспечивает структуру для развития капиллярного действия жидкости, возвращающейся из конденсатора (теплоотвод/приемник) в испаритель (теплоподвод/источник). Поскольку тепловая трубка содержит вакуум, рабочая жидкость будет кипеть и поглощать скрытую теплоту при значительно более низкой температуре кипения при атмосферном давлении. Вода, например, будет кипеть при температуре чуть выше 273° K (0°C) и начнет эффективно передавать скрытую теплоту при этой низкой температуре.

Корпус тепловых труб или защитная оболочка

Тепловые трубы могут быть изготовлены из различных материалов. Бойд сконструировал тепловые трубки из алюминия, меди, титана, монеля, нержавеющей стали, инконеля и вольфрама. Наиболее распространенным для охлаждения электроники является медь. Выбор материала оболочки тепловой трубы во многом зависит от совместимости с рабочей жидкостью.

Рабочие жидкости

Компания Boyd спроектировала, разработала и изготовила тепловые трубы с использованием более 27 различных рабочих жидкостей. Выбор рабочей жидкости для тепловых трубок зависит от диапазона рабочих температур применения. Рабочие жидкости варьируются от жидкого гелия для экстремально низких температур (-271°C) до серебра (>2000°C) для экстремально высоких температур. Наиболее распространенной рабочей жидкостью для тепловых труб является вода в диапазоне рабочих температур от 1°C до 325°C. В низкотемпературных тепловых трубках используются такие жидкости, как аммиак и азот. В высокотемпературных тепловых трубках используются цезий, калий, NaK и натрий (873–1473°K).

Температура 9 Жидкости для высоких температур 9020 9 0164

Тепловая труба Работающая жидкость

Рабочая температура (° C)

Оболочка для тепловой трубы 9000

Оболочка для тепловой трубы 9000

. Жидкости

Двуокись углерода

от -50 до 30

Алюминий, нержавеющая сталь, титан

Helium

-271 to -269

Stainless Steel, Titanium

Hydrogen

-260 to -230

Stainless Steel

Метан

-180 до -100

Нержавеющая сталь

NEON

-240-230

-240 до -230

. 9000 9000

9000 9000 9000 9000

9000 9000 9000 9000

9000 9000 9000 9000

9000 9000 9000 9000

9000 9000 9000 9000

9999999999999.

.0003

Nitrogen

-200 to -160

Stainless Steel

Oxygen

-210 to -130

Aluminum, Titanium

Рабочие жидкости для тепловых труб среднего диапазона

Ацетон

от -48 до 125

Алюминий, нержавеющая сталь 151

Ammonia

-75 to 125

Aluminum, Stainless Steel

Ethane

-150 to 25

Aluminum

Methanol

от -75 до 120

Медь, нержавеющая сталь

Метиламин

от -90 до 4035 90 90 90 10350002 Aluminum

Pentane

-125 to 125

Aluminum, Stainless Steel

Propylene

-150 to 60

Aluminum, Stainless Steel

Вода

от 1 до 325

Медь, монель, никель, титан

20098

Cesium

350 to 925

Stainless Steel, Inconel, Haynes

NaK

425 to 825

Stainless Steel, Inconel, Haynes

Калий

от 400 до 1025

Нержавеющая сталь, инконель, Haynes

5 Натрий0151

500 to 1,225

Stainless Steel, Inconel, Haynes

Lithium

925 to 1,825

Tungsten, Niobium

Silver

1,625 to 2,025

Вольфрам, молибден

Фитильные конструкции

Фитильная структура тепловой трубы представляет собой конструкцию, использующую капилляры для перемещения жидкой рабочей жидкости из секции конденсатора обратно в испаритель. Фитильные конструкции тепловых труб изготавливаются из различных материалов и методов. Наиболее распространенные конструкции фитилей для тепловых трубок включают: осевые канавки на внутренней стенке корпуса тепловых трубок, экран/проволоку и «спеченный порошковый металл». Другие усовершенствованные структуры фитиля с тепловыми трубками включают артерии, бидисперсный спеченный порошок и композитные структуры фитиля.

Бойд производит все обычные конструкции фитилей, а также усовершенствованные конструкции фитилей. Тем не менее, Бойд специализируется на структуре фитиля из спеченного порошкового металла, которая позволяет тепловой трубе обеспечивать максимальную способность теплового потока, наибольшую степень нечувствительности к гравитационной ориентации и устойчивость к замерзанию / оттаиванию.

Технологии тепловых трубок для любого применения

Конструкции со встроенными тепловыми трубками обеспечивают повышение производительности существующих радиаторов до 50 % с минимальными изменениями конструкции.

Теплоотводы с испарительной камерой снижают сопротивление растеканию и принимают более высокие тепловые потоки, чем традиционные твердотельные радиаторы, при использовании в качестве основания радиатора.

В градирне с тепловыми трубками используется структура фитиля и вертикальные ребра охлаждения, обеспечивающие максимальное рассеивание тепла при минимальной занимаемой площади.

Контурные тепловые трубы не имеют фитильной структуры в линиях жидкости и пара. Они идеально подходят для применений, где расстояние от источника тепла до конденсатора делает использование обычных тепловых труб нецелесообразным, или применение требует больших сил гравитации или требований к изоляции от ударов и вибрации.

Тепловые трубы с осевыми канавками — это низкотемпературные тепловые трубы, использующие такие жидкости, как аммиак и пропилен, которые используются для распространения тепла на большие расстояния в таких приложениях, как терморегулирование спутников.

Вкладыши изотермических печей (IFL) представляют собой высокотемпературные тепловые трубы, используемые для создания равномерных или изотермических температур в таких приложениях, как калибровка термопар и выращивание полупроводниковых кристаллов.