طیف سیالات کاری لوله گرمایی از کریوژن تا فلزات مایع گسترده شده‌اند، انتخاب سیال با توجه به دمای اشباعش، در فشار عملکردی لوله گرمایی باید با عملکرد لوله گرمایی سازگار باشد. همچنین سیالات انتخابی باید ازنظر شیمیایی هنگامی‌که لوله و فتیله تر می‌شوند، بی‌اثر باشند. به‌طور ایده‌آل سیال هدایت حرارتی و گرمای نهان بالایی باید داشته باشند. همچنین باید کشش سطحی زیاد و لزجت کم داشته باشد]۴۲[.
انتقال گرما در لوله گرمایی با نرخی که مایع می‌تواند از فتیله جریان یابد؛ محدود می‌شود. خفگی؛ (عدم توانایی افزایش جریان بخار با افزایش اختلاف فشار)؛ کشیدن مایع به داخل جریان بخار، به‌طوری‌که جریان مایع به اواپراتور کاهش یابد؛ نرخی که در آن بدون اختلاف دمای اضافه‌ای تبخیر می‌تواند در بخش اواپراتور اتفاق بیفتد]۴۲[.
لوله‌های گرمایی هم‌دما کننده، گرما را در هردو جهت انتقال می‌دهد و برای یک آرایش خاص جریان گرما به‌طورکلی به اختلاف دما بین منبع و چاه گرما بستگی دارد؛ بنابراین این نوع از لوله‌های گرمایی، غیرفعال با هدایت ثابت است که هیچ شرط محدودکننده‌ای (محدودیت‌های صوتی، کشیدگی، مویینگی و جوشش) ندارند]۴۲[.
-
- لوله گرمایی مرسوم استوانه‌ای توخالی است که توسط یک مایع تبخیر شونده پرشده است.
گرما در ناحیه تبخیر جذب می‌شود.
-
- سیال تا فاز بخار می‌جوشد.
-
- گرما از بخش بالایی استوانه به محیط آزاد می‌شود؛ بخار به فاز مایع چگالیده می‌شود.
-
- مایع توسط گرانش به قسمت پایینی استوانه می‌رود.
امروزه لوله‌های گرمایی می‌توانند به‌صورت افقی یا عمودی و با زاویه‌های نصب دلخواه کار کنند و در ماهواره‌ها نیز با گرانش صفر به کار می‌روند]۴۲[.
لوله‌های گرمایی، کاربردهای بسیاری مانند گرمایش، تهویه، تهویه مطبوع، سرمایش میکروالکترونیک و کنترل دمایی فضاپیماها دارند. انتقال گرما از درون لوله‌های گرمایی مزیت‌های کلیدی نسبت به روش‌های معمول، شامل نگهداری کم (به دلیل عدم وجود قسمت متحرک)، عمر طولانی و صرفه‌جویی در هزینه را ارائه می‌دهد. لوله‌های گرمایی در بسیاری از کاربرهای کنترل دمایی استفاده می‌شوند. برای مثال لوله‌های گرمایی در ماهواره‌ها برای انتقال گرمای تولیدشده توسط تجهیزات الکترونیکی به صفحات تشعشعی که گرما را به فضا منتقل می‌کند، استفاده می‌شود. لوله‌های گرمایی همچنین در لوله‌گذاری ماهواره‌ها قرار داده می‌شوند. این لوله‌های گرمایی کنترل مؤثر دمای موردنیاز برای عملکرد قابل‌اطمینان اجزای الکتریکی ماهواره فراهم می‌کند]۴۳[.
فرآیندهای انتقال گرمای زیادی در طول کار لوله گرمایی اتفاق می‌افتد. در قسمت اواپراتور گرما توسط هدایت از منبع انرژی از درون دیواره‌ها و فتیله منتقل می‌شود. مایع سپس در فصل مشترک مایع-بخار تبخیر می‌شود. گرما سپس از طریق جابه‌جایی بخار (آرام یا آشفته) از اواپراتور به چگالنده منتقل می‌شود. دمای بخار تقریباً میانگین بین دمای منبع و چاه در دو انتهای لوله است. چگالش بخار سپس در فصل مشترک مایع-بخار در چگالنده اتفاق می‌افتد. انتقال گرما توسط هدایت از درون فتیله-مایع و دیواره مخزن به چاه گرما اتفاق می‌افتد. درنهایت مایع چگالیده شده توسط جریان برگشتی ساختار فتیله (معمولاً آرام) به اواپراتور بازگردانده می‌شود]۴۳[.
جنبه‌های مختلفی باید در طراحی و ساخت لوله‌های گرمایی در نظر گرفته شوند مانند سیال عامل و نوع فتیله. ویژگی‌های موردنظر سیال کاری، شامل گرمای نهان تبخیر بالا، هدایت حرارتی بالا، کشش سطحی بالا، لزجت دینامیکی کم و دمای اشباع مناسب است. همچنین سیال کاری باید به‌طور مؤثر فتیله را تر کند]۴۳[.
مثال‌هایی از سیالات کاری معمول شامل آب یا آمونیاک برای کار در دمای متوسط یا فلزات مایع مانند سدیم، لیتیم یا پتاسیم در دماهای بالا (بیش از ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد) می‌شوند. لوله گرمایی با آب به‌عنوان سیال کاری و جنس مجرای مس-نیکل شار گرمایی محوری در حدود ۰٫۶۷kW/cm2 در ۴۷۳K و شار گرمایی سطحی حدود ۱۴۶W/cm2 در ۴۷۳K را فراهم می‌کند. مقادیر شار حرارتی لوله‌های گرمایی دیگری که استفاده می‌شوند در جدول (۲-۱) آمده است]۴۳[.
جدول ۲‑۱ محدوده دما و شار گرمایی برای سیالات کاری و دیواره لوله ]۴۳[
| محدوده دمایی (K) |
سیال |
جنس لوله |
شار محوری (kW/cm2) |
شار سطحی (W/cm2) |
| ۳۰۰-۴۰۰ |
متانول |
مس، نیکل، فولاد زنگ نزن |
۰٫۴۵ در ۳۷۳ K |
۷۵٫۵ در ۳۷۳ K |
| ۶۷۳-۱۰۷۳ |
پتاسیم |
نیکل، فولاد زنگ نزن |
۵٫۶ در ۱۰۲۳ K |
۱۸۱ در ۱۰۲۳ K |
| ۷۷۳-۱۱۷۳ |
سدیم |
نیکل، فولاد زنگ نزن |
۹٫۳ در ۱۱۲۳ K |
۲۲۳ در ۱۰۳۳ |
لازمه مهم طراحی شامل قاعده چرخش برای لوله گرمایی است. گردش مناسب مایع همراه با لوله گرمایی می‌ماند تا زمانی که فشار محرک (نیروهای موئین) در فتیله از مجموع افت فشارهای اصطکاکی (مایع و بخار) و هد پتانسیلی (گرانش) در ساختار فتیله تجاوز کند. در ادامه هرکدام از این مکانیزم‌های فیزیکی جداگانه بررسی می‌شوند]۴۳[.
اول حرکت موئین در فتیله از نیروهای کشش سطحی در خط اتصال مایع ناشی می‌شود. نمونه‌ای از این حرکت، بالا رفتن موئین در یک لوله است. برای مثال، قسمتی از لوله در زیر سطح مایع قرارگرفته است و افزایش داخلی سطح مایع (به دلیل کشش سطحی σ) در طول لوله مشاهده می‌شود. می‌تواند نشان داده شود که اختلاف فشار در مایع با توجه به این بالا آمدن موئین، با تعادل نیروها به‌صورت زیر حاصل می‌شود:
موضوعات: بدون موضوع
[سه شنبه 1400-07-27] [ 06:32:00 ب.ظ ]
