امروز پنج شنبه ۲ اسفند ۱۳۹۷ ۱۰:۵۹

مقالات

لوله های گرمایی و ترموسیفونها

پروژه  ۱۳۹۷/۱۱/۱۴
لوله گرمایی وسیله ای است برای انتقال حرارت که امروزه استفاده از آن کاملا تجاری شده است .
این وسیله بیشتر به صورت وسیله بازیافت انرژی حرارتی اتلافی مطرح شده است به این دلیل که
دارای بازده بالا و حجم کمی بوده و نیز ایجاد آلودگی هم نمی کند . لوله گرمایی از بعضی جهات شبیه به ترموسیفون می باشد و پرداختن به چگونگی کارکرد این دستگاه قبل از بحث در مورد لوله گرمایی مفید خواهد بود. مقدار کمی آب داخل لوله قرار داده می شود. سپس لوله از هوا تخلیه شده و دو سر آن آب بندی می گردد . قسمت پائین لوله گرم می شود که این عمل باعث تبخیر آب موجود در لوله می گردد و سپس این بخار به قسمت سرد لوله انتقال می یابد و در آنجا به مایع تبدیل می شود . این مایع حاصل از میعان به قسمت گرم لوله باز می گردد که این بازگشت توسط نیروی جاذبه صورت می گیرد. از آنجا که گرمای نهان تبخیر آب عدد بزرگی است مقدار زیادی انرژی گرمایی را می توان بدین طریق جابجا نمود، در حالیکه اختلاف درجه حرارت کوچکی بین دو انتهای لوله وجود دارد بنابراین این ساختار دارای ضریب انتقال حرارت هدایتی بالا و موثری می باشد. ترموسیفون ها برای مدت زمان طولانی است که مورد استفاده قرار گرفته اند و از سیالات مختلف نیز می توان در این وسیله استفاده کرد.
لوله های حرارتی اساسا هیچ قسمت متحرکی ندارند و عموما نیاز به نگهداری نیز ندارند اگرچه گازی های غیر قابل چگالش که به درون دیواره لوله نفوذ می کنند ممکن است سرانجام باعث کاهش اثر  لوله حرارتی می شود . مخصوصا وقتی که فشار بخار سیال پایین باشد.

کاربردهای نمونه‌ای 
 لوله‌های گرمایی در کاربردهای صنعتی که در زیر می‌آیند به کار برده می‌شوند: 
a) فرآیند برای گرمایش محیط: لوله‌ی گرمایی، انرژی حرارتی از خروجی فرآیند را برای گرمایش تأسیسات انتقال می‌دهد. اگر هم لازم باشد هوای گرم شده نیز با آن مخلوط می‌گردد. نیاز به تجهیزات گرمایشی اضافی به منظور گرمایش شدیداً کاهش می‌یابد با از بین می رود.
b) فرآیند به فرآیند: مبدل‌های حرارتی لوله‌های گرمایی انرژی گرمایی اتلافی حاصل از اگزوز فرآیند را بازیافت می‌کند و این انرژی را به هوای ورودی فرآیند منتقل می‌کند. هوای ورودی نیز گرم شده و برای ممان فرآیند/ دیگر فرآیندهای قابل استفاده می‌شود و مصرف انرژی فرآیند را نیز کاهش می‌دهد.
c) کاربردهای HVAC :
 سرمایش: مبدل‌های گرمایی لوله حرارتی تأسیسات را در تابستان خنک می‌کند و در نتیجه نیاز به سرما سازی را کاهش می‌دهد، جدا از اینکه باعث صرفه جویی عملیات در سیستم خنک سازی می‌شود. انرژی گرمایی از خروجی خنک سیستم بازیافت شده و به منبع هوای گرم منتقل می‌گردد.
 گرمایش: فرآیند بالا در فصل زمستان بر عکس می‌شود تا هوای ورودی را گرم کند.
 دیگر کاربردهای لوله‌های حرارتی در صنعت عبارتند از:
 پیش گرمایش هوای احتراقی جوشاننده 
 بازیافت گرمای اتلافی از کوره‌ها 
 باز گرمایش هوای تازه برای خنک کن‌های هوای داغ 
 باز یافت گرمای اتلافی از تجهیزات بوزدایی کاتالیزوری
 استفاده‌ی مجدد از گرمای اتلافی کوره به عنوان منبع حرارتی برای دیگر کورها 
 خنک سازی اتاقی‌های بسته با هوای بیرون 
 پیش گرمایش خوراک آب بویلر با بازیافت حرارت اتلافی از گازهای خروجی در لوله‌های گرمایی.
 اجاق‌های خشک کننده، پخت و عمل آورنده.
 احیای جریان اتلافی
 کوره‌های آجر نسوز( بازیافت ثانویه) 
 کوره‌های باز گرداننده(بازیافت ثانویه)
 سیستم‌های گرمایش، تهویه و خنک سازی هوا 

 مثال 
 صرفه جویی در سیستم‌های خنک سازی بیمارستان
 حجم                                      
 گرمای بازیافتی         
 کاهش ظرفیت تأسیسات 9.33 Tons of Refrigero tion 
 هزینه برق (عملیات)  
 هزینه‌ی کاهش ظرفیت تأسیسات    
 صرفه جویی هزینه سرمایه گذاری    
 دوره‌ی بازگشت    16570  hours

امکان استفاده صنعتی ترموسیفونها و لوله های حرارتی در مقیاس وسیعی به تازگی مورد توجه قرار گرفته است . لوله حرارتی و ترموسیفون دو نوع از سیستم های تبخیر و میعان هستند که معمولا به شکل لوله ای بوده و حرارت را با سرعت در راستای محوری منتقل می کنند . هر دو نوع شامل یک سیال عامل هستند که در یک لوله فلزی آب بندی شده گنجانیده شده است . لوله های حرارتی می تواند از موادی ساخته شوند که مناسب هر کاربردی باشد . مانند مس ، آلومینیوم و فولاد ضد زنگ همچنین درون لوله حرارتی (اما نه ترموسیفون ) یک شبکه قرار گرفته است که به عنوان مثال می تواند یک تور سیمی بافته شده ظریف باشد و سیال در آن بدلیل اثر موئینگی کشیده می شود . به این شبکه ها اصطلاحا فتیله  هم گفته می شود . هیچکدام از دو سیستم لوله حرارتی و ترموسیفون نه به انرژی ورودی (غیر از حرارتی که انتقال می دهند ) نیاز دارند و نه هیچ بخش متحرک مکانیکی را شامل می شوند . از اینرو بی نیاز از تعمیر و نگهداری هستند . مزیت بیشتر این است که احتمال آلودگی بین جریانات سیال از بین خواهد رفت.
در لوله حرارتی و ترموسیفون، نیروی پیشران عبارتست از اختلاف موضعی فشار بخار بین اواپراتور  (انتهای گرم لوله ) و کندانسور (انتهای سرد لوله). موقعی که به مایع درون اواپراتور گرما داده می شود فشار بخار اصلی افزایش می یابد و سیال اواپراتور در طول وسیله به طرف ناحیة کندانسور که دارای فشار کم بخار است حرکت می کنند. پس از میعان در اثر ترکیبی از اثر موئینگی و جاذبه (در لوله گرمایی) یا در اثر جاذبه (در ترموسیفون)، مایع دوباره به طرف اواپراتور برگردانده می شود. حرارت جذب شده در اواپراتور برای تغییر حالت سیال عامل از مایع به بخار، در طول لوله منتقل می شود و زمانی که سیال به حالت مایعی بر می گردد این حرارت در کندانسور از دست می رود. اگر چه میزان انتقال حرارت کلی همچنین به انتقال از وسیله و یا به آن بستگی دارد ولی انتقال حرارت در طول وسیله بسیار سریع است.

لوله های گرمایی معمولا در دمایی در محدوده ° C 40 تا ° C 350 کار می کنند . این محدوده را می توان با انتخاب دقیق بخش های سیستم، توسعه داده و طول لوله های منفرد نیز می تواند از چند اینچ تا ١٠ فوت تغییر کند.
توانایی ها :
قطرهای استاندارد :   3، 4 ،5 ،  6،8     mm   (سایر قطرها بنابر درخواست موجود می باشد)
طول استاندارد 100 – 300   mm
استاندارد سطح بیرونی : روکش نیکل 
شکل استاندارد : گرد و لوله مستقیم 
تغییر شکل HP جهت استفاده  : تخت و خمیده 

شکل استادارد:

Dimension (mm) Tolerance (mm)
A +/- 1.5
D +/- 0.15

شکل تغییر یافته :

Dimension (mm) Tolerance (mm)
A +/- 1.5
D +/- 0.15
B +/- 0.15
 
یکی دیگر از کاربردهای لوله های گرمایی ، سرد کردن مکان هایی است که به دما حساسند و در غیر اینصورت گرما زدایی از آنها با سرعت کافی مشکل است  (به عنوان مثال مدارهای الکترونیک قدرت )، همچنین اختلاف دمای درون بدنه برخی تجهیزات بزرگ همچون یک کوره پخت را می توان با بکار گیری لوله های گرمایی کاهش داد.
لوله گرمایی زمانی که به جای سرمایش برای گرمایش بکار رود ، سطح یکنواخت حرارتی مشابه یک سیستم گرمایش بخار را ایجاد می کند . این دستگاهها برای بازیابی گرما از خروجی های کارخانجات ریخته گری، دربازیافت گرمای حاصل از خشک کردن منسوجات ، بعنوان رادیاتور حرارتی مدارهای الکترونیکی و بعنوان رادیاتور حرارتی یاتاقانهای غیر قابل دستیابی ، کاربرد پیدا کرده است.
همان گونه که ذکر شد لوله های گرمایی عمدتا از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند:
١- سیال عامل
٢- ساختار مویین یا شیاری داخلی موسوم به wick
٣- محفظة آب بندی
سیال عامل که داخل لوله های گرمایی است گرما را از سوی گرم تر دریافت و به طرف سردتر لوله انتقال می دهد. سیال عامل باید دارای ویژگی های زیر باشد :
١- سازگاری با لولة مویین و جنس دیواره
٢- پایداری گرمایی مناسب
٣- قابلیت مرطوب کردن دیواره و مسیر عبور جریان
٤- دارای فشار بخار خیلی بالا یا پائین نباشد
٥- گرمای نهان تبخیر بالا
٦- هدایت گرمایی بالا
٧- گرانروی پائین در حالت بخار و مایع
٨- کشش سطحی بالا
٩- نقطه انجماد پائین
١٠ - قیمت مناسب و در دسترس بودن
پارامتری که به کمک آن سیال عامل با توجه به ویژگی های بالا انتخاب می شود را عدد مریت گویند:
عدد مریت مربوط به سیالات مختلف در زیر نشان داده شده است.
 
شکل ۲-۳۱ : نمودار عدد مریت مربوط به سیالات مختلف
معمولا برای درجه دماهای پائین از فریون به عنوان سیال عامل و برای دماهای متوسط از آب و برای دماهای بالاتر از هیدروکربن های آروماتیک استفاده می شود.
دیگر ویژگی لوله های گرمایی که آنها را از ترموسیفون ها جدا می کند ساختارهای مویین (شیارهای) داخلی لوله ها یا به عبارتی فتیله های سیستم هستند که وجود آنها در لوله حرارتی باعث ایجاد فشار موئینگی برای انتقال سیال عامل از چگالنده به تبخیر کننده می گردد. 
انتخاب فتیله برای یک لوله گرمایی به عوامل زیادی بستگی دارد که بسیاری از آنها به طور گسترده ای به سیال عامل وابسته است. 
هدف اصلی ایجاد فتیله ایجاد فشار موئینگی برای انتقال سیال عامل از چگالنده به تبخیر کننده است. این شیارها همچنین در مکان هایی که انتظار می رود گرما توسط لوله گرمایی جذب گردد باعث پخش مایع در نقاط مختلف تبخیر آننده خواهند شد . پارامترهایی که در انتخاب فتیله ها مفید هستند عبارتند از:
• قطر سوراخ( روزنه )
• ضخامت wick
• سازگاری با دیواره و سیال عامل
• قابلیت مرطوب شدن
• قیمت و در دسترس بودن
• ساختار یکنواخت
فتیله هایی که در عمل مورد استفاده قرار می گیرند را می توان به سه گروه تقسیم نمود که در شکل ۲- ۳۲ نشان داده شده است:
١- پوشش توری یا نمدی که دیواره داخلی محفظه را می پوشاند.
٢- لایه متخلخلی که دیواره داخلی را پوشانده و بوسیله آبکاری ایجاد می شود.
٣- شیار ایجاد شده در دیواره داخلی در جهت محوری
انواع مختلفی با توجه به نوع جنس ماده استفاده شده موجود می باشند . از آنجا که دستگاههای
مختلف دارای ویژگی های گوناگونی هستند، لوله های گرمایی را با توجه به ساختار و محل کاربردشان انتخاب می شوند.
 

شکل ۲-۳۲ : انواع ساختار wick برای لوله های گرمایی
چنانچه پیش از این گفته شد یکی دیگر از اجزاء عمده سه گانة لوله های گرمایی محفظه آن است که سیال عامل را از محیط خارج جدا می کند و از این رو برای انجام باید به خوبی آب بندی شده و توانایی تحمل اختلاف فشار در راستای دیواره اش را دارا باشد . انتخاب جنس مناسب برای محفظه به عوامل زیر بستگی دار د:
• سازگاری (با محیط داخلی لوله و شرایط محیطی)
• نسبت توان به وزن
• هدایت گرمایی بالا (برای کاهش افت درجه حرارت)
• ساده بودن ساخت و تولید
• تخلخل 
• قابلیت مرطوب شدن

۸-۲-۱ مزایای عمومی لوله های گرمایی :
 * قابلیت هدایت بالا : از آنجا که لوله های حرارتی با یک سیکل بسته دو فلزی کار می کند ظرفیت انتقال حرارت در آنها چندین برابر بیشتر از بهترین مواد جامد هدایت کننده است.
 * انتقال هم دما : افزایش فشار حرارتی تبخیر کننده باعث افزایش نرخ تبخیر سیال عامل داخلی لوله می گردد، بدون اینکه افزایشی در درجه حرارت سیستم ایجاد شود. بنابراین لوله های حرارتی می تواند تقریبا به عنوان یک ابزار هم دما عمل کرده و تنظیم نرخ تبخیر می تواند دامنة گسترده ای از توانهای ورودی را در بر می گیرد در حالیکه درجه حرارت منابع سرد و گرم سیستم ثابت می مانند.
*  قابلیت اطمینان بالا : وقتی که جنس مواد بدنه و سیال عامل به درستی انتخاب شده باشند این وسیله برای نرخ بالای انتقال حرارت نیز مورد استفاده قرار می گیرد . این انتخاب باید با توجه به درجه حرارت کاری محیط انجام گیرد.
 * کارکرد خاص : قدرت و توان خارجی مورد نیاز نیست، به غیر از انرژی لازم برای دمنده های  سیال سرد و گرم در سیستم
* تعمیرات و نگهداری کم : از آنجا که در این وسیله هیچ قسمت متحرکی وجود ندارد نیاز به نگهداری و تعمیرات زیادی هم نخواهد داشت.
* وجود شیارها (فتیله ها ) : در جداره داخلی لوله های گرمایی منجر می شود که تمام سطح داخلی در قسمت تبخیر کننده  (اواپراتور ) مرطوب گردد که این ویژگی به کمک خاصیت موئینگی انجام می گیرد.

۸-۲-۲ محدودیتهای کاربرد لوله های گرمایی:
برای کارکرد مناسب یک لوله گرمایی باید بیشترین ارتفاع پمپاژ حاصل از خاصیت موئیــــنگی 
(Δ Pc) max بیشتر از مجموع افت فشار لوله باشد. این افت فشار از سه بخش تشکیل شده است:

ΔPL : افت فشار مایع که لازم است تا مایع را از بخش چگالنده لوله به تبخیر کننده بازگرداند.
ΔPV : افت فشار در بخار ، که لازم است تا بخار را از تبخیر کننده به چگالنده ببرد.
ΔPg : اختلاف ارتفاع (هد) در لوله که ممکن است برابر صفر ، منفی یا مثبت باشد.

در صورت عدم دستیابی به شرایط بالا فتیله در داخل لوله و در قسمت تبخیر کننده خشک خواهد شد و لوله گرمایی کار نخواهد کرد. نقطه کاری سیستم باید طوری انتخاب گردد که در زیر سطح نمودارهای Temperature–Axial heat flux شکل زیر قرار گیرد. این مطلب به اثبات رسیده است که اگر از افت فشار بخار و تغییرات هد چشم پوشی کنیم خواص سیال عامل ، مشخص کنندة بیشترین مقدار انتقال حرارت خواهد بود. برای این کار می توان از عدد مریت (M) که تابعی از خواص سیال محاسبه می شود استفاده نمود : 
 
شکل ۲-۳۳ : محدوده های کاری لوله های گرمایی
 ۲-۸-۳ کاربردلوله های گرمایی در کامپیوترها
درون همه کامپیوترها بخشهای حساسی وجود دارد که به گرما حساسیت داردن یعنی وجود گرمای اضافی باعث تخریب و یا سوختن آنها می شود.از جمله CPU  که یکی از مهمترین بخشهای کامپیوتر و در حقیقت مغز آن به حساب می آید.در نتیجه برای جلوگیری از سوختن این تراشۀ الکترونیکی باید به طریقی گرما را از آن دور ساخت.

سیستمهای خنک سازی متعددند ، از جمله :

خنک سازی توسط هوا که همان قرار دادن فن برروی CPU ویا سایر قسمتهای کامپیوتر و یا لپ تاپ  می باشد.
خنک سازی توسط غوطه ور سازی درون آب
کاهش حرارت اضافی
سیستم تابش دهنده حرارت و منتقل کننده آن
Heat Pipes
Phase-change cooling
Peltier cooling or TEC

فلزهای مختلف وقتی به دو اتصال متفاوت متصل می شوند ، ولتاژ بسیار کمی را اعمال می کنند.اگر دو مفصل در دماهای متفاوتی باشند این تاثیر به عنوان تاثیر سیدبک   مشهور است . این اساس  و پایه تئوری  TEC  می باشد.عکس این تئوری سالها بعد توسط  Jean Peltier  کشف شد که به عنوان تاثیر پلتیر  مشهور است.
پس مشاهده می شود که لوله های حرارتی جهت خنک سازی در کامپیوترها  نیز کاربرد فراوان دارند. این لوله ها لوله های توخالی هستند که حاوی سیال منتقل کننده حرارت می باشند.وقتی که مایع در قسمت گرم لوله تبخیر می شود ، حرارت را با خود به قسمت سرد لوله منتقل می کند و در آنجا مایع چگالش می یابد و دوباره به قسمت گرم باز می گردد ( تحت نیروی مویینگی).
به این ترتیب لوله های حرارتی  رسانایی حرارتی بسیار بالاتری نسبت به مواد جامد دارند. برای استفاده در کامپیوترها منبع جاذب حرارتی   روی  CPU، به یک رادیاتور بزرگتر جاذب حرارت متصل شده است. از اتصال این دو منبع جاذب حرارتی فضای خالی ایجاد می شود که یک لوله حرارتی بزرگ ایجاد می کند  که حرارت را از CPU  به رادیاتور منتقل می کند که توسط روشهای  مرسوم خنک می شود.
این روش گران تمام می شود و معمولا وقتی مورد استفاده قرار می گیرد که فضا تنگ باشد ( مثل لپ تاپ ها) ویا اینکه محیطی کاملا ساکت و بی حرکت مورد نیاز باشد مثل کامپیوترهایی که برای ضبط زنده موسیقی در استدیو کاربرد دارند

۲-۸-۴ لوله های حرارتی دیناترون  :
یک سیستم لوله حرارتی می تواند موثر از طول لوله گرمایی ، نوع سیالی که در آن مورد استفاده قرار می گیرد ، نوع فتیله بازگرداننده  و تعداد خمش های موجود در لوله حرارتی باشد.
تکنولوژی لوله های حرارتی دیناترون سالهاست که به عنوان سیستم خنک کننده کامپیوترهای لپتاپ مورد استفاده قرار می گیرد . این نوع لوله های حرارتی کوچک با ساختاری فشرده و با وزنی سبک ، امکان کار در شرایط سخت و مورد نیاز لپ تاپها ها رافراهم می سازد.

ویژگی ها :
با ایجاد حداقل اختلاف دمایی ، رسانایی حرارتی بالایی راتامین می کند
نسبت به حرارت بسیار سریع عمل می کند
اندازۀ کوچک و وزن کم
تنوع زیاد در شکل
بدون نیاز به منبع الکتریکی و نگهداری رایگان
اندازه و هزینه کلی سیستم را کاهش می دهد

اگر لوله حرارتی دارای یک شیب دائمی باشد که انتهای گرم پایین تر باشد ، هیچ آستر و فتیله درونی نیاز نمی باشد چون سیال منتقل کننده حرارت خود به سمت پایین لوله حرکت می کند. این نوع لوله حرارتی بعد از جاکوب پرکینز   با نام لوله پرکینز   معروف است.
با توجه به بالا بودن نرخ انتقال حرارت توسط لوله های حرارتی ، شار حرارتی  که برای آنها به ثبت رسیده حتی بیش از  230 MW/m2  نیز بوده است .(یعنی تقریبا 4  برابر فلاکس حرارتی در سطح خورشید ) 
سطح کنترل فشار کل داخل لوله های حرارتی می تواند توسط کنترل مقدار سیال منتقل کننده حرارت ، کنترل شود. به عنوان مثال آب وقتیکه در فشار 1 atm   تبخیر می شود ، 1600  بار منبسط می شود.اگر 1/1600  لوله حرارتی از آب پر شود ، وقتی که همه سیال تبخیر شود ، فشار 1 atm خواهد شد. اگر سوالی مطرح شود که اگر فشار ایمن داخل لوله حرارتی 5 atm  باشد ، حجم سیال مورد نیاز چقدر است پاسخ داده خواهد شد که مقدار آب مورد نیاز 5/1600 حجم کل می باشد.
لوله حرارتی  مسطح باریک (منتشر کننده حرارت) دارای اجزا اصلی لوله های حرارتی لوله ای می باشد. مزیت این سیستم ها نسبت به لوله های حرارتی از نوع لوله ای در این است که حرارت را در دو بعد منتقل می کنند در حالیکه سیستم لوله ای حرارت را فقط در یک بعد منتقل می کند. چون حرارت را در دو بعد منتقل می کنند ، بازده و کارایی حرارتب بالایی دارند در نتیجه نسبت به مدل لوله ای خود نازکتر می باشند.کاربرد این نوع لوله های حرارتی در شرایط با حساسیت بالا مثل کامپیوتر های لپ تاپ می باشد

مکانیسم :
وقتیکه یک انتهای لوله حرارتی حرارت داده می شود ، سیال درونش که در آن انتها قرار دارد تبخیر می شود و فشار بخار  محفظه لولۀ حرارتی افزایش می یابد. گرمای نهان تبخیر بوسیله عمل تبخیر سیال جذب سیال می شود و دما را در انتهای گرم لوله کاهش می دهد. فشار بخار سیال گرم در قسمت گرم لوله حرارتی بیشتر از فشار بخار تعادلی سیال چگالش یافته در قسمت سرد لوله می باشد. و این اختلاف فشار نیرو محرکه ای است برای انتقال جرم سریع به ناحیه سرد لوله که بخار چگالش می یابد وسیال گرمای نهان خود را در این ناحیه  آزاد می کند و انتهای سرد لوله را گرم می کند.
گازهای غیر قابل چگالش    مانع جریان یافتن بخار می شوند و کارایی لوله حرارتی را کاهش می دهند مخصوصا در دماهای پایین که فشار بخارها هم پایین هستند. سرعت حرکت مولکولها در گاز تقریبا مثل سرعت صوت می باشد و در غیاب گازهای غیر قابل چگالش ، سرعت انتقال در لوله حرارتی افزایش می یابد. در عمل سرعت بخار در لوله حرارتی وابسته به نرخ چگالش در انتهای سرد لوله است. مایع چگالش یافته سپس به انتهای گرم لوله جریان می یابد . اگر لوله حرارتی کمی متمایل به عمود باشد سیال توسظ نیروی گرانش زمین باز می گردد ولی اگر لوله حرارتی حاوی فتیله باشد سیال توسط خاصیت مویینگی باز می گردد.
وقتی که لوله حرارتی می سازیم نیازی نیست که درون آن خلا ایجاد کنیم تنها یک جوش ساده سیال درون آن قبل از اینکه تبخیر شود تمام گازهای غیر قابل چگالش را از درون لوله حرارتی تخلیه می کند و سپس انتهای انرا پلمپ می کنند.

 


برای نظر دادن ابتدا باید به سیستم وارد شوید. برای ورود به سیستم اینجا کلیک کنید.