Rury cieplne, Elektronika, Jak to działa

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
jak to działa
wał Amerykanin G.M. Grover i użył go do opisu
swojego patentu na to rozwiązanie 02.12.1963 r.
W następnych latach, w laboratorium w Los
Alamos, przeprowadzono całą serię eksperymental-
nych badań różnych rodzajów rur cieplnych. Znamien-
ny jest wzrost liczby publikacji na ten temat: w 1964
– 1 artykuł, w 1968 – 80, w 1970 – 149, w 1972 – 544.
W 1973 roku w Stuttgarcie odbyła się pierwsza
międzynarodowa konferencja, poświęcona w całości
rurom cieplnym. W 1965 roku analizowano wykorzys-
tanie rur cieplnych w energetyce jądrowej, a w 1967
rurę cieplną zastosowano do regulacji temperatury
we wnętrzu satelity Geos-B.
Przytoczenie tych faktów uświadamia, jak szyb-
ko dziś rozprzestrzenia się wiedza i jak błyskawicznie
ogarnia odległe rejony zastosowań. Jest także ostrze-
żeniem: jak szybko umykają nam kraje zaawansowa-
ne w wyścigu do nowoczesności!
część rury z cieczą to strefa parowania, górna – strefa
skraplania. Jeżeli doprowadzić ciepło do dolnej części
rury, to dzięki próżni ciecz bardzo szybko wyparuje
i przemieści się w górne rejony rury, gdzie podlega
skraplaniu. Skroplona ciecz spływa po ściankach rury
do strefy parowania i tak w kółko.
Co w tym więc dziwnego? Niby nic, ale jeśli
rozważymy różne sposoby transportu ciepła, to op-
rócz metody przepompowywania gorącego czynnika
grzewczego – jak w centralnym ogrzewaniu – mamy
tylko przenoszenie przez promieniowanie, konwekcję
i przewodzenie. Pompowanie – to rozwiązanie „siło-
we”, pozostałe zaś nie są zbyt efektywne. Efektyw-
ność tę można podnieść, wykorzystując przemiany fa-
zowe: cieczy w parę i pary w ciecz. Pobór ciepła, jego
transport i oddawanie dzięki skraplaniu – to procesy
stosunkowo szybkie i obywające się bez pomp i silni-
ków. Zasadnicza różnica pomiędzy przewodzeniem
ciepła, które można nazwać „naturalnym”, a rurą
Rury cieplne
Kazimierz Topór
Najwyższy czas, żeby przyjrzeć się tym tajem-
niczym rurom bliżej. Dla zrozumienia zasady ich dzia-
łania może posłużyć tzw. termosyfon, będący w pew-
nym sensie prototypem rury cieplnej. Jego budowa
jest prosta – głównym elementem jest pionowa ru-
ra, do której wprowadza się niewielką ilość płynu,
wypompowuje się powietrze do poziomu tzw. „tech-
nicznej próżni” i zasklepia obydwa końce. Dolna
1
cieplną polega więc na tym, że – wnikając nieco
w molekularną budowę materii, możemy powiedzieć,
że w procesie przewodnictwa ciepła mamy do czynie-
nia ze stopniowym przekazywaniem energii cieplnej
„od cząsteczki do cząsteczki”, a w rurze cieplnej te
rozgrzane cząsteczki całe wędrują wraz ze swym ła-
dunkiem ciepła.
Ta pionowa rura to był jednak tylko „termosy-
fon”, a więc jeszcze nie prawdziwa rura cieplna. Ter-
mosyfon wymaga odpowiedniego usytuowania rury,
a to nie zawsze można zapewnić – chociażby w sate-
licie. Należało więc wymyślić jakiś sposób transportu
kondensatu do strefy parowania. Oczywiście powi-
nien to być sposób jak najprostszy, bez pomp itp.
urządzeń.
Sposób taki wymyślono i opatentowano jeszcze
przed Groverem – w 1944 r. Zrobił to Hogler, który
opatentował nieco inny typ rury cieplnej, w której
zastąpił siły grawitacji siłami napięcia powierzchnio-
wego, czyli prościej mówiąc, zastosował włoskowate
kapilary . Oczywiście łatwiej powiedzieć – trudniej
wykonać. Nie bardzo mogły się tu przydać zwykłe,
znane jeszcze z lamp naftowych knoty. Trzeba było
sięgnąć po technologię spiekanych proszków metali,
która pozwala uzyskać porowatą strukturę, dającą za-
korpus
1
strefa kondensacji
powrót kondensatu (wody)
2
para
ciecz-woda
Metal wykazujący największą przewodność
cieplną, to:
32
strefa parowania
a) srebro
b) stal
c) miedź
S
am termin: „rura cieplna” (heat pipe) zapropono-
kapilarno-porowaty materiał
strumień pary
powrót kondensatu
korpus
2
strefa parowania
strefa transportu pary
strefa kondensacji
3
4
dowalający efekt włoskowatości. Niekiedy zamiast
grawitacji i włoskowatości stosuje się obracające się
rury cieplne, co daje efekt sił odśrodkowych, spełnia-
jący nieco inaczej tę samą rolę. Generalnie – wszystko
zależy od tego, gdzie i do czego te rury cieplne chce-
my zastosować.
Podstawowym parametrem rur cieplnych jest
zakres temperatur, w których mogą one pracować.
Ten zaś zależy od tego, jaki czynnik roboczy został
w konkretnej rurze zastosowany.
W zależności od wymaganego przedziału tem-
peratur można stosować różne substancje, takie, któ-
re dają się doprowadzić do fazy ciekłej: od skroplo-
nych gazów do metali. Może to być np.: hel (od
–272°C do –269°C), amoniak (od –60°C do +100°C), fre-
on (od –40°C do +120°C), aceton (od 0°C do +120°C),
woda (od 30°C do 200°C), rtęć (od 250°C do 6500°C),
sód (od 600°C do 12 000°C), srebro (od 1800°C do
23 000°C) itd.
W rezultacie więc zakres parametrów rur ciep-
lnych obejmuje bardzo szeroki przedział temperatur,
szybkości transferu i mocy cieplnej. Poniższe zesta-
wienie podaje pełny wykaz możliwości współczes-
nych rur cieplnych:
Zakres roboczych temperatur 4–2300°C
Szybkość przekazu ciepła do prędkości dźwięku
Moc cieplna przenoszona do 20 do 20 kW/cm
2
Żywotność rury Dotychczas sprawdzona:
20 000 godz.
Coraz powszechniejszym ich zastosowaniem są
ochładzalniki procesorów komputerowych. Wiadomo:
pracują przy coraz większych szybkościach, młodzi
informatycy „podkręcają” jeszcze ich parametry,
33
gaz z pieca
hutniczego
jak to działa
zespół rur
cieplnych
powietrze
do spalania
gaz do
spalania
piec hutniczy
komin
gaz odpadowy
5
strumień gorącego powietrza
zespół rur
cieplnych
a wszystko to powoduje konieczność odprowadzania
coraz większej ilości ciepła.
Na zdjęciu przedstawiony jest taki właśnie
współczesny „cooler” wykorzystujący trzy rurki ciepl-
ne (te miedziane), które z wysoką sprawnością odbie-
rają, wręcz „odsysają” ciepło z powierzchni procesora
i z dużą szybkością transportują do radiatora owiewa-
nego strumieniem powietrza wytworzonym przez ty-
powy wentylator .
Przewodność cieplna rur cieplnych jest
kilkaset
razy
(TAK!) większa od przewodności naturalnej naj-
lepszych metali, jak: srebro, aluminium czy miedź,
a pomijając diament – bardzo dobry pod tym wzglę-
dem, ale kogo stać na diamentowy radiator! No i pa-
miętajmy, że diament jest i tak oczywiście dużo gor-
szy, jako przewodnik ciepła, od rur cieplnych.
Jednocześnie rury cieplne znajdują zastosowa-
nie także w przemyśle i to tym najcięższym – w hu-
tach. Rysunek pokazuje schemat instalacji odzysku
3
ciepła z pieca hutniczego.
Wiadomo, że straty tego ciepła w hutach są
ogromne i ich odzysk, z przeznaczeniem na inne cele,
oznacza znaczną oszczędność także w aspekcie och-
rony środowiska.
Znamienne jest to, że sama teoria procesów bę-
dących zasadą działania rur cieplnych była znana co
najmniej od czasów pierwszych badań termodynami-
ki. Dlaczego więc rury cieplne, jako superprzewodniki
ciepła, powstały tak późno?
Znamienne jest też i to, że studenci jakoś nie
darzą sympatią przedmiotu „zakodowanego” skró-
tem: TMC (teoria maszyn cieplnych), a pytania o en-
tropię i entalpię są traktowane jako wyrafinowana
złośliwość egzaminatora!
Jest jednak nadzieja, że właśnie szansa na su-
perprzyspieszony – dzięki rurkom cieplnym – procesor
zmieni nastawienie studenckiej młodzieży do tego
przedmiotu!
4
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Rury cieplne, Elektronika, Jak to działa

Tematy