НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ ТЕПЛО ТЕХНИКЕ. Новые технологии в области тепло технике
 Скачать 142.44 Kb.
|
|
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ ТЕПЛО ТЕХНИКЕ 1. Принцип устройства тепловой трубки Для наиболее эффективной передачи тепловой энергии от одного источника к другому потребителю применяются тепловые трубы. Они способны транспортировать на большие расстояния разный тип теплоносителя при небольших потерях мощности и незначительном перепаде температуры. Однако это не значит, что тепловые трубы можно использовать только в системах отопления зданий. Принцип действия тепловых труб заключается в том, что передача тепловой энергии в них осуществляется за счет испарения и конденсации жидкого вещества. Если представить замкнутую емкость из металла, который обладает хорошей теплопроводность, например, медь с определенным количеством воды, то при нагревании одной части резервуара вода становиться паром, то есть из жидкого состояния она переходит в газообразный вид. Далее водяные пары поступают на охлажденную поверхность, где вода становится снова жидкой и стекает на старое место. При этом значительная часть тепла отводится через корпус металлической емкости. Простейшая конструкция тепловых труб состоит из следующих частей: корпус из металла, который хорошо проводит тепло; рабочая среда из жидкого вещества; фитиль, который представляет твердое вещество с порами для движения жидкости. Корпус тепловой трубы должен быть сделан из прочного материала, который должен создать надежную степень герметичности. В качестве материала могут быть использованы сплавы различных металлов, стекло или керамика. Корпус трубы должен быть заполнен жидким веществом, которое способно переходить из естественного состояния в газовую среду при рабочей температуре эксплуатации трубы. Это вещество является главным средством переноса тепловой энергии. Так называемый фитиль предназначен для того, чтобы жидкость могла перемещаться по капиллярам из одной части устройства в другую. Материалом для данного фитиля может быть любое вещество с пористой структурой, иными словами с каналами для продвижения жидкости. Вышеописанное устройство называют тепловая трубка Гровера. Это американский ученый, который в 1963 году усовершенствовал конструкцию тепловой трубы и представил ее научной общественности. Если раньше в тепловой трубе жидкость стекала под действием силы притяжения самотеком, то в устройстве ученого из США впервые был использован капиллярный способ ее перемещения. Как видно, данное устройство является не очень сложным, однако технический расчет тепловой трубы могут сделать только специалисты, которые способны правильно выбрать материал устройства, его размеры и рабочие характеристики. Функции тепловых труб весьма разнообразны, однако главная задача – эффективная передача тепловой энергии из одной части устройства в другую. Предел практического действия тепловых труб ограничен только прочностью и надежностью корпуса. Температура рабочей среды может варьироваться от абсолютного нуля до тысяч градусов. Передача тепловой энергии может происходить с помощью нескольких способов: нагрев трубы при помощи открытого пламени; непосредственный контакт с нагретым веществом; при помощи электрического тока. 2. Контурные тепловые трубы С развитием науки и технологий затем была изобретена тепловая труба, в которой отсутствует фитиль. Его роль выполняют специальные контурные трубки, по которым происходит перемещение рабочей среды. Так появились контурные тепловые трубы. Они имеют несомненные достоинства: высокий уровень теплопередачи; простая конструкция, которая не требует большого количества материала; надежность в работе; хорошая степень адаптации к различным условиям; в их составе отсутствуют подвижные механические элементы; очень большой срок эксплуатации; сохранение рабочих характеристик в любом пространственном положении. В принципе, они представляют собой такие же капилляры, но немного большего размера и предназначены для других условий эксплуатации. Контурные трубы обладают прекрасными качествами по передаче тепла. По сути, их можно назвать сверхпроводниками тепловой энергии. 3. Область применения тепловых труб Сфера использования тепловых труб весьма разнообразна: Передача тепловой энергии с минимальными затратами для различных объектов и здании Отвод тепла в устройствах микроэлектроники, даже в ПК существуют данные устройства. Оборудование современных систем отопления производственных и жилых помещений. Холодильники и устройства охлаждения. Космическая промышленность. Медицина. Строительство дорог и домов в условиях вечной мерзлоты. Обеспечение теплом теплиц и т.п. Трудно перечислить все отрасли промышленности, где используются тепловые трубы. В настоящее время готовятся разработки с использованием нанотехнологий, ученые уже подошли к тому, что работа человеческого тела с многочисленными капиллярами основана на том же принципе, что и обычные тепловые трубы. 4. Перспективные типы кулеров на тепловых трубах Тепловая труба. Принцип действия Тепловая труба— это герметическое теплопередающее устройство, которое работает по замкнутому испарительно-конденсационному циклу в тепловом контакте с внешними — источником и стоком тепла. Тепловая энергия воспринимается от источника и затрачивается на испарение теплоносителя, заключенного внутри корпуса тепловой трубы. Затем она переносится паром в виде скрытой теплоты испарения и далее, на определенном расстоянии от места испарения, в зависимости от тех или иных способов теплосъема, при конденсации пара выделяется в сток. Образовавшийся конденсат возвращается в зону испарения либо под действием капиллярных сил, которые обеспечиваются наличием специализированной капиллярной структуры внутри тепловой трубы, либо за счет действия массовых сил (последняя конструкция обычно именуется термосифоном). Таким образом, вместо электронного механизма переноса тепла путем теплопроводности, что имеет место в сплошном металлическом теплопроводе, в тепловой трубе используется молекулярный механизм переноса (иными словами, если говорить более точно — процесс переноса кинетической и колебательной энергии хаотического движения частиц пара). 5. Принципиальная схема тепловой трубы Итак, что же конкретно привлекает конструкторов в тепловых трубах? В первую очередь, это возможность передачи сотен ватт и даже киловатт — скрытая теплота испарения характеризуется очень солидными величинами (тысячами джоулей на грамм вещества). И если испарять массу жидкости порядка нескольких граммов в секунду, то с паром будет переноситься тепловой поток, оцениваемый киловаттами или десятком киловатт. Другая интересная особенность — это возможность концентрации тепловой энергии (системы тепловых труб могут работать в комплексе с большим количеством тепловых источников и гибко конфигурироваться под различные задачи). А в компьютерной области применения тепловых труб актуальной становится возможность развить большую площадь теплоотдающей поверхности далеко за пределами теплонагруженной области. К слову, тепловые трубы, при всей своей новизне для компьютерного сектора, в других областях народного хозяйства зарекомендовали себя уже давно и очень хорошо. Так, например, современные космические аппараты связи проектируются на основе специальных несущих панельных конструкций, которые буквально на каждом сантиметре пронизаны тепловыми трубами. Очень широкое применение тепловые трубы получили также и в различных приборах и системах электронной и медицинской техники, в энергетике и химической отрасли. Конструктивные особенности и характеристики тепловых труб В зависимости от поставленной задачи, тепловые трубы могут иметь различные конфигурации и внешние оребрения. 6. Конструкции тепловых труб Пользователям ПК наиболее знакомы тепловые микротрубы (диаметр ТТ до 6 мм) которые широко используются в известных кулерах китайских производителей. Такие ТТ пусть и обладают весьма слабыми тепловыми характеристиками, работая на мощностях порядка 100 Вт практически на пределе, однако, по габаритам полностью отвечают требованиям современной компьютерной техники. Эти микротрубы — классический, если можно так сказать, вариант конструкций тепловых труб. Другой вариант — если конденсат возвращается в зону испарения только за счет массовых сил, тогда мы имеем конструкцию тепловой трубы, называемую термосифоном (ТС). В такой конструкции ТТ, при определенных условиях, не обязательно иметь капиллярную структуру внутри корпуса. Вполне реально наблюдать работу термосифона и связанные с этим процессы в обычных домашних условиях. Для этого достаточно поставить на плиту прозрачную стеклянную кастрюлю. В таких условиях хорошо видно как жидкость испаряется (либо кипит), пар поднимается вверх и конденсируется — образуются капельки жидкости на внутренней части крышки кастрюли. Далее, под воздействием силы тяжести капельки падают, либо стекают по стенкам обратно вниз. В итоге, такой процесс точно соответствует физическим механизмам в ТС. Если бы кастрюля имела на стенках капиллярную структуру (например, что-то типа фитиля керосиновой лампы), то жидкость возвращалась бы вниз уже по КС. И если бы мы перевернули плиту с кастрюлей "с ног наголову", то вода в кастрюле при определенных условиях все равно закипала бы уже на ее "верхней" части, то есть, на дне кастрюли. Пар конденсировался бы внизу, и образовавшаяся жидкость снова поднималась бы по КС вверх, где опять испарялась. Тепловые трубы такой конфигурации имеют следующие преимущества: возможность работы, как в условиях микрогравитации, так и в поле сил тяжести при любой ориентации (превышение зоны испарения над зоной конденсации более 1 м), а также против сил ускорения передача значительных тепловых потоков (1000 Вт и выше) создание гибкой развязки между испарителем и конденсатором обеспечение диодности, что позволяет передавать тепло только в одном направлении передача тепла на значительные расстояния (6 м и более) Разработки подобных конструкций ТТ, особенно адаптированных для ноутбуков, ведутся как в России, так и за рубежом. Несмотря на наличие большого числа опытных образцов КТТ (а также специализированных кулеров на их основе), на данный момент остаются преграды на пути их внедрения в серийное производство. Это касается как миниатюризации их корпусов и совершенствования технологичности, вкупе с обеспечением надежной стабильной работы, так и улучшения тепловых характеристик, в том числе минимизации термического сопротивления. Между тем, сколько бы мы ни говорили о тепловых трубах и многообразии их конфигураций, основной задачей этих устройств является создание эффективной теплообменной поверхности в зоне отвода тепла с конденсационной части ТТ. Ведь тепловая труба фактически осуществляет только перенос тепла из одной области пространства в другую. Сама по себе она не охлаждает, а лишь выполняет теплопередающие функции. И здесь особое значение приобретают специальные теплосбрасывающие конструкции, монтируемые на ТТ — системы эффективных теплоотводящих поверхностей. Новые конструкции эффективных теплоотводящих поверхностей (радиаторов) Величина среднего перегрева (по отношению к окружающей среде) любого из теплонагруженных элементов ПК (процессор, видеокарта и т.д.) прямо влияет на надежность его функционирования, и одним из существенных факторов, определяющих перегрев, является тепловое сопротивление радиатора. Последний представляет собой, как правило, оребренную теплоотдающую (теплосбрасывающую) поверхность с высокоразвитой площадью теплоотдачи. В свою очередь, на внешнее термическое сопротивление радиатора влияют в основном два параметра: коэффициент теплоотдачи и площадь оребренной теплоотдающей поверхности. Коэффициент теплоотдачи зависит от множества факторов, в том числе от способа передачи теплоты, скорости движения теплоносителя, его теплофизических свойств, разности средней температуры поверхности конструкции элемента и теплоносителя (избыточная температура) и т.д. Так, в условиях естественной конвекции и радиации (передачи теплоты излучением) при избыточной температуре 10 К коэффициент теплоотдачи лежит в диапазоне 2—40 Вт/м²К, а максимально возможная поверхностная плотность теплового потока, сбрасываемая радиатором, составляет 0,4 Вт/см². В случае принудительной конвекции воздуха, когда в системах охлаждения применяется вентилятор или другой нагнетатель (наиболее распространенный вариант конструкции кулеров), при величинах скорости теплоносителя до 2—3 м/с и той же избыточной температуре 10°С, коэффициент теплоотдачи находится уже в пределах 20— 100 Вт/м 2К, а максимально отводимая радиатором плотность теплового потока равна 1 Вт/см 2. При изменении агрегатного состояния теплоносителя — кипении или испарении хладагентов, коэффициенты теплоотдачи и отводимые тепловые потоки возрастают на порядки (для процесса кипения коэффициент теплоотдачи изменяется в диапазоне (5—10)•10 3 Вт/м 2К, а плотности тепловых потоков лежат в диапазоне 10—20 Вт/см 2). Итак, зависимость термического сопротивления радиатора от коэффициента теплоотдачи достаточно проста — чем выше коэффициент, тем ниже тепловое сопротивление и, соответственно, выше эффективность радиатора. Аналогичная ситуация имеет место и в отношении теплосбрасывающей поверхности (которая определяется геометрическими параметрами оребрения) — чем больше площадь этой поверхности, тем ниже тепловое сопротивление радиатора. В итоге, разработчики новых конструкций радиаторов должны стремиться к одновременному увеличению, как коэффициента теплоотдачи, так и площади поверхности теплообмена, что позволит эффективно минимизировать внешнее термическое сопротивление радиатора в целом. Однако если действовать в лоб, такой подход может породить цепь взаимоисключающих требований. Так, излишнее увеличение площади поверхности теплообмена автоматически приводит к резкому увеличению габаритов, массы радиатора, что сопровождается повышением гидродинамических потерь вместе с увеличением теплового сопротивления. И наоборот, стремление к чрезмерной компактности оребрения обязательно уменьшит коэффициенты теплоотдачи, и соответственно вновь увеличит тепловое сопротивление. Из сказанного ясно, что в процессе поиска новых конструктивных решений радиаторов необходимо придерживаться золотой середины, чтобы действительно интенсифицировать теплообмен, уменьшить потери энергии при эксплуатации радиатора и добиться его наибольшей тепловой эффективности. Как показывает многолетний опыт, при разработке эффективных радиаторов наиболее плодотворными оказались следующие идеи: первая — это создание благоприятных гидродинамических условий движения теплоносителя, позволяющих обеспечить опережающий рост коэффициентов теплоотдачи по сравнению с гидравлическим сопротивлением. Вторая идея заключается в применении развитых теплоотдающих поверхностей при малых значениях эквивалентных размеров оребрения, что позволяет резко увеличить компактность радиатора без увеличения теплового сопротивления. Для реализации первой идеи, обычно прибегают к турбулизации потока вблизи поверхности теплообмена. Этого достигают применением ребер специальной конструкции совместно с различными турбулизирующими элементами. Использование таких поверхностей позволяет создавать отрывные зоны, турбулизировать поток, уменьшать толщину пограничного слоя и, благодаря этому усиливать интенсивность теплообмена. При этом следует исходить из того, что важна не турбулизация вообще, а турбулизация именно в том месте сечения оребрения, где возникает наибольший градиент температуры (как правило, это область вблизи поверхности теплообмена — область ламинарного подслоя). Турбулизация же ядра потока может привести лишь к существенному росту гидродинамических потерь при незначительном увеличении теплоотдачи. Реализация идеи высокой компактности радиатора обычно состоит в проектировании достаточно развитой площади оребрения в заданных габаритах (объеме) за счет применения ребер специализированных конструкций, вариации различных геометрических размеров и различной компоновки оребрения. В целях создания высокоэффективных радиаторов разработчики стараются использовать эти две главных идеи одновременно, то есть конструируют компактную теплоотдающую поверхность с развитыми площадями оребрения и обеспечивают соответствующую форму межреберных каналов, необходимую для эффективной турбулизации потока, приведены опытные образцы новых медных радиаторов с сетчато-проволочным и гофрированным оребрениями (теплоотводящие ребра закреплены на плоских и цилиндрических основаниях с различными габаритными размерами). По сравнению с традиционными радиаторами, имеющими пластинчатые ребра, тепловая эффективность сетчато-проволочного оребрения увеличивается на 20—40% при умеренном росте динамических потерь (на скорости обдува 2—3 м/с), а масса таких радиаторов меньше в 1,5 — 1,8 раза. При равных затратах меди на изготовление радиаторов с гладкими и гофрированными ребрами и одинаковых мощностях вентиляторов на прокачку теплоносителя, гофрировка также позволяет увеличить отводимые тепловые потоки (на 40—60%), однако сопротивление потоку возрастает уже более существенно (в 1,9 раза). |