هــــــــــــدف

شبيه سازي عددي لوله هاي گرمايي (Heat Pipe)

لوله ي حرارتي (Heat Pipe) چيست؟

مکانيزم هاي 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 .

فكر اوليه ي لوله هاي حرارتي (Heat Pipe) در ابتدا به وسيله ي R.S.Gaugler در سال 1942 پيشنهاد شد. اما تا سال 1962 طول كشيد تا G.M.Grover مهندسي كه در لوس آلاموس (Los Alamos) روي خنك كاري سيستم هاي توليد انرژي اتمي در فضا كار مي كرد، آن را اختراع كند. 

لوله ي حرارتي وسيله اي است كه مي تواند مقادير بزرگي از گرما را با اختلاف دماي اندك به سرعت ميان منبع گرم و منبع سرد انتقال دهد. شايد به همين جهت از لوله ي حرارتي به عنوان ابررسانا (Superconductors) ياد مي شود. بازدهي بالاي آن ها در انتقال حرارت برجسته است، به طوري كه يك لوله ي حرارتي با جداره ي مسي از لوله ي تو پر مسي از همان ابعاد بسيار پر بازده تر است. لوله هاي حرارتي در اشكال و ابعاد گوناگون ساخته مي شوند و از ابزار هاي ديگر انتقال حرارت، سبك تر هستند و محدوديت هاي كمتري دارند.

ساختمان و كاركرد لوله ي حرارتي چگونه است؟

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.

يك لوله ي حرارتي سنتي تشكيل مي شود از يك استوانه ي خالي دو سر مسدود كه از سيال (Working Fluid) تبخير پذيري پر شده است. گرما در بخش تبخير (قسمت داغ لوله Hot end of tube) جذب مي شود، سيال به جوش مي آيد و وارد حالت بخار مي شود. بخار به سمت ديگر استوانه حركت مي كند. حرارت از بخش بالايي استوانه وارد محيط اطراف مي شود در نتيجه با روي دادن ميعان، بخار به فاز مايع بر مي گردد و به خاطر جاذبه و سنگيني و يا به كمك فتيله (با استفاده از اثر موئينگي (Capillary Action)) به بخش تبخير بر مي گردد و اين به يك چرخهي مكرر بدل مي شود.

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 .

شکل: تصوير شماتيک از کارکرد يک لوله ی حرارتی

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 .

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

ملاحظات ساخت و نگهداري يك لوله ي حرارتي

بدنه ي يك لوله ي حرارتي بايد حتما از يك رساناي حرارتي بسيار خوب ساخته شود تا انتقال حرارت بين محيط اطراف و لوله ي حرارتي با مشكلي روبرو نشود. براي اين استفاده دو فلز آلومينيوم و مس بسيار مناسب هستند.

پيش از ساختن يك لوله ي حرارتي به وسيله ي يك پمپ خلاء تمام هواي درون آن مكيده مي شود و سيال كاري (مبرد) با توجه به نوع كاربرد و دماهاي كاري در آن ريخته مي شود. برخي از سيال هاي رايج براي اين استفاده عبارت اند از: آب، اتانول، استون، سديم و جيوه.

درون لوله بايد خلاء نسبي برقرار باشد، تا همواره قسمتي از سيال كاري در فاز مايع و قسمت ديگري از آن در فاز بخار قرار داشته باشد.

در قسمت داخلي يك لوله ي حرارتي معمولاً يك ساختار فتيله (Wick) مانند قرار دارد. اين ساختار يا از پودر فلز كه تا نزديك نقطه ي ذوب حرارت داده شود (Sintered Metal Powder) ساخته مي شود، يا در واقع مجموعه اي از شيارهاي موازي با محور لوله است. ساختار متخلخلي از مس، آلومينيوم، فولاد و نيكل نيز مي تواند مطلوب باشد. ممكن است از مواد ديگري مانند سراميك ها  كه سوراخ هاي ريزتري دارند نيز در ساخت قسمت فتيله اي استفاده شود. در مورد سراميك ها بايد دقت كرد كه آن ها براي ثبات نيازمند شبكه هاي تثبيت كننده ي فلزي هستند. اخيراً توجه بسياري به فيبر هاي كربني به عنوان يك ماده ي فتيله اي خوب جلب شده است. رشته هاي فيبر كربني شيارهاي ريز طولي زيادي دارند و از فشار موئينگي بالايي برخوردار هستند. آن ها همچنين از نظر شيميايي پايدار هستند. به نظر مي رسد آن دسته از لوله هاي حرارتي كه با موفقيت ساخته شده و فيبرهاي كربني را به عنوان ساختار فتيله اي مورد استفاده قرار داده اند، توانايي انتقال حرارت بيش تري دارند. در هر حال مهم اين است كه اين ساختار اثر موئينگي خوبي از خود به نمايش گذارد تا سيال پس از ميعان به راحتي به طرف داغ لوله بازگردد. در صورتي كه جاذبه يا هر نيروي شتاب دهنده ي ديگري در جهت بازگشت سيال پس از ميعان به سمت داغ لوله عمل كند و برآيند آن بر نيروي كشش سطحي فائق آيد، مي توان از استفاده از ساختار فتيله اي چشم پوشيد.

لوله هاي حرارتي هيچ جزء متحركي ندارند. آنها همچنين محتاج تعمير و نگه داري خاصي نيستند. مشكلي كه بروز آن براي هر لوله ي حرارتي محتمل است، نفوذ تدريجي گاز هاي ميعان ناپذير از جداره ي لوله ي حرارتي به داخل آن است. نفوذ گازهاي ميعان ناپذير وقتي اتفاق مي افتد كه فشار داخل لوله افت كند، نحوه ي ديگر ورود گازهاي ميعان ناپذير وجود آنها در ناخالصي هاي مواد مورد استفاده در جدار لوله است. اين پديده از بازدهي انتقال حرارت لوله ي حرارتي مي كاهد. اين كاهش بازدهي خصوصاً وقتي بارز مي شود كه فشار بخار سيال كاري كم باشد.

انتخاب مواد براي ساخت يك لوله ي حرارتي به شرايط دماي كاري بستگي دارد. بر اين اساس، در هر دمايي هر سيالي را نمي توان مورد استفاده قرار داد. در جدول زير بعضي از سيال ها و دماهاي كاري آن ها را مي توان مشاهده كرد.

جدول ١: مبردهای رايج و گستره های دمايی کارکرد آ نها

سيال كاري بايد كشش سطحي بالايي داشته باشد، در مقابل حرارت پايدار باشد. گرماي نهان تبخير آن نيز بالا باشد و لزجت اندكي داشته باشد.

از آنجايي كه حرارت دادن يك سيال فرار در يك ظرف بسته مي تواند خطرناك باشد، استقامت جداره ي يك لوله ي حرارتي بايد به حدي باشد كه فشار سيال را در حالي كه تمام آن در فاز گاز و در دماي بالا قرار دارد، تحمل كند. از همه مهمتر فشار حداكثر درون لوله ي حرارتي بايد با محدود كردن حداكثر جرم سيال مورد استفاده محدود شود. يك روش ساده براي اين كار بيان مقدار سيال بر حسب حجم آن در فشار و دماي معين است. بر اين اساس اگر بخواهيم آب را كه حجمش پس از تبخير، در فشار يك اتمسفر 1600 برابر مي شود در يك لوله ي حرارتي بكار ببريم و حداكثر فشاري كه آن لوله مي تواند تحمل كند يك اتمسفر باشد، بايد پس از ايجاد خلاء در لوله حرارتي به اندازه ي 1/1600 حجم آن را با آب پر نمود. بعد از آن با تبخير سريع آب، تمام حجم لوله ي حرارتي را با فشار يك اتمسفر پر مي كند. در صورتي كه مثلا تحمل لوله ي حرارتي 5 اتمسفر باشد، آنگاه مي توان 5/1600 آنرا با آب پر نمود. بجاي اقدامات فوق مي توان پس از مكيدن هوا از درون لوله، بخار مورد نظر را با فشار دلخواه وارد لوله كرد. بسته به كاربرد مي توان با تغيير فشار درون لوله به وسيله تغيير جرم سيال، نقطه جوش سيال درون لوله را تغيير داد.

كنترل فعال يك لوله ي حرارتي مي تواند با اضافه كردن يك مخزن سيال با حجم متغير به بخش تبخير كننده (Evaporating Section) و مخزني از گازهاي خنثي به بخش چگالنده (Condensing Section) عملي شود. در اين روش با تغيير فشار مخزن گازهاي خنثي، حجم گازي را كه وارد بخش چگالنده مي شود را تغيير مي دهند و اين موجب مي شود كه فضا براي ميعان بخار محدود شود. در نتيجه براي يك طراحي واحد، بازه هاي بزرگتري از دما و انتقال حرارت قابل دسترسي خواهند بود.

يك لوله ي حرارتي قائم در صورتي كه از ساختار فتيله اي استفاده نكند، مي تواند به عنوان يكسو ساز حرارتي (Thermal Diode) مورد استفاده واقع شود. چنين وسيله اي حرارت را از يك سو عبور مي دهد و از سوي ديگر مقابل آن عايق است. بايد دقت كرد كه يكي از پارامترهاي مهم در انتخاب سيال كاري بازه ي دمايي مطلوب است. بديهي است كه حد پايين دماي كاري بايد چند درجه از دماي انجماد سيال كاري بيشتر باشد.

محدوديت هاي لوله ي حرارتي

لوله هاي حرارتي بايد همواره براي شرايط خنك كاري خاصي تنظيم شوند. مواد به كار رفته در لوله ي حرارتي چه در مواد ديواره و چه در سيال كاري در تعيين دماي كاركرد بهينه ي لوله ي حرارتي موثرند. وقتي لوله ي حرارتي تا بيشتر از دماي خاصي حرارت داده شود تمام سيال درون آن بخار مي شود و ميعان سيال در قسمت سرد لوله ديگر اتفاق نمي افتد. در چنين حالتي رسانايي حرارتي لوله ي حرارتي تا اندازه ي رسانايي جدار فلزي آن كاهش مي يابد. براي مثال اگر جدار لوله ي حرارتي مسي باشد در حالتي كه بيش از حد گرم شود، رسانايي آن به حدود 1/80 مقدار قبلي كاهش مي يابد.

غير از اين، در صورتي كه دماي لوله ي حرارتي از حد مشخصي كاهش يابد، تغيير فاز سيال كاري روي نمي دهد و در نتيجه باز هم رسانايي گرمايي لوله ي حرارتي به رسانايي جدار فلزي تقليل مي يابد.

اگر لوله هاي حرارتي از آب به عنوان سيال كاري استفاده كنند، بايد دقت كرد كه رسيدن آب به دماي انجماد و انبساط آن در دماهاي نزديك صفر درجه ي سانتي گراد موجب تورم ديواره ي فلزي و تركيدن آن مي شود.

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 . 
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 .

شكل: کاربرد لوله حرارتی در يک هواساز

كاربرد هاي لوله ي حرارتي

.....تهويه ي مطبوع

رطوبت زدايي يكي از بخش هايي است كه در آن به صورت موثري از لوله هاي حرارتي استفاده مي شود. در شكل زير نمونه اي از كاربرد لوله هاي حرارتي را براي رطوبت زدايي از هواي محيط مي بينيم. در سيستم شكل 2 لوله هاي حرارتي براي پيشخنك كردن و پسگرم كردن مورد استفاده قرار مي گيرند. حرارتي كه در قسمت پيشخنككاري به دسته ي اول لوله هاي حرارتي داده مي شود، موجب مي گردد كه سيال كاري تبخير شود. بخار سيال كاري به دسته ي دوم لوله هاي حرارتي مي رود و در آنجا با دادن حرارت به هواي بيش از حد خنك شده، آن را تا دماي مطلوب گرم مي كند. اين روش بين 50 تا 100 درصد رطوبت گرفته شده از هوا را افزايش مي دهد بدون اينكه افزايشي در انرژي مصرفي سيستم روي دهد.

شكل: استفاده از لوله ی حرارتی در تهويه مطبوع

.....خنك كاري در فضاهاي كوچك

سيستم هاي كامپيوتري جديد و كامپيوتر هاي قابل حمل CPU از لوله هاي حرارتي كوچك براي دفع حرارت استفاده مي كنند، زيرا امروزه پيشرفت رايانه ها به گونه اي است كه در ضمن نمايش قابليت هاي بالاتر حرارت بيشتري توليد مي كنند. در ماهواره ها و فضا پيماها نيز استفاده از لول ههاي حرارتي كاربرد هاي گستره اي دارد. اين ابزار در اين كاربرد بيشتر براي تعادل دمايي ابزار هاي اندازه گيري و محيط داخلي فضاپيما يا ماهواره مورد استفاده قرار مي گيرد. 

شكل: نمونه ای از سيستم های مدرن خنک کاری اجزای رايانه

.....انرژي خورشيدي

لوله هاي حرارتي به صورت گسترده اي در گرم كردن آب به وسيله ي انرژي خورشيدي به كار برده مي شوند. در اين كاربري عمدتاً آب مقطر به عنوان سيال كاري مورد استفاده قرار مي گيرد. سيال كاري درون يك لوله ي بسته ي مسي قرار مي گيرد و اين لوله خود درون يك لوله ي شيشه اي كه در آن خلا حاكم است به سوي خورشيد قرار داده مي شود. از مزاياي اين سيستم افزايش 40 درصدي بازده نسبت به آب گرم كن هاي خورشيدي سنتي است. جمع كننده هاي خورشيدي كه خلاء درون آن ها حاكم باشد نيازي به مواد ضد يخ ندارند زيرا به خاطر خلاء تا حد خوبي نسبت به محيط عايق هستند. برخي از اين گر مكن هاي خورشيدي تا دماهاي پايين در برابر يخ زدگي مقاوم هستند و حتي در قطب جنوب نيز براي گرم كردن آب مورد استفاده قرار مي گيرند. لوله هاي حرارتي مدار بسته نيز بعضاً براي اين كاربري به كار برده م يشوند.

.....لوله هاي حرارتي مدار بسته

يك لوله ي حرارتي مدار بسته 12 مشابه يك لوله ي حرارتي معمولي است با اين تفاوت كه مي تواند در مسافت هاي دور به خوبي عمل كند و در مقابل اثر جاذبه موفق ظاهر شود. لوله هاي حرارتي مدار بسته امروز به صورت گسترده اي چه در زمين و چه در صنايع فضايي كاربرد دارند.

شكل زير دو سر انتهايي U يك لوله ي حرارتي مدار بسته ضرباني 13 از يك لوله با ابعاد موئين تشكيل مي شود با تعداد بسياري برگشت هاي اين لوله به يكديگر متصل شده اند. هيچ ساختار موئين ديگري مانند ساختار فتيله اي يك لوله ي حرارتي سنتي درون اين لوله ها قرار ندارد. وقتي كه هواي درون لوله تخليه شود و سيال كاري را به درون آن وارد كنيم پس از تبخير قسمتي از سيال كاري، سيال درون لوله به خاطر كشش سطحي به حباب ها و توده هاي مايع بدل مي شود. حرارت در اين مجموعه ي سيال  حباب تپنده منتقل مي شود.

موفقيت در اين سيستم به تداوم عدم تعادل بستگي دارد.

شکل: تصوير شماتيک يک نوع لوله ی حرارتی بسته ضربانی