Тепловые трубки для печати____. Тепловые трубки
 Скачать 4.58 Mb.
|
|
Индивидуальный проект ТЕПЛОВЫЕ ТРУБКИ ОглавлениеОглавление 2 План выполнения проекта 3 Введение 4 Цель и задачи проекта 5 Предыстория 6 Определяем эффективность кулера с тепловыми трубками 7 О тепловых трубках простым языком 10 Какими бывают тепловые трубки? 12 Можно ли чем-то заменить тепловые трубки? 13 Как же работает термосифон? 13 Появление термосифоном и их официальное признание. 13 Некоторые характеристики ТТ 14 Конструкция тепловых трубок 15 Корпус 15 Рабочая жидкость 15 Капиллярно-пористый материал (фитиль) 15 Разработка тепловых трубок 16 Зона испарения 16 Зона конденсации 16 Рабочая жидкость 17 КПМ (фитиль) 17 Процесс охлаждения 17 Порошок из меди 18 Эксперимент 20 Заключение 23 Глоссарий 24 Список литературы 25 План выполнения проекта
ВведениеТепловая трубка (англ. heatpipe) — элемент системы теплообмена, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) и других материалов находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец. Тепловые трубки бывают двух видов: гладкостенные и с пористым покрытием изнутри. В гладкостенных трубках сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием исключительно силы тяжести — иными словами, такая трубка будет работать только в положении, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, а жидкость имеет возможность стекать в зону испарения. Тепловые трубки с наполнителем (фитилями, керамикой и т. п.) могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по его порам под действием капиллярных сил, а сила тяжести в этом процессе играет незначительную роль. Материалы и хладагенты для тепловых трубок выбираются в зависимости от условий применения: от жидкого гелия для сверхнизких температур до ртути и даже индия для высокотемпературных применений. Однако большинство современных трубок в качестве рабочей жидкости используют аммиак, воду, метанол и этанол.  Алюминиевый радиатор с тепловыми трубками Цель и задачи проектаАктуальность темы: сегодня учащиеся используют каждый день компьютеры и планшеты в которых установлены системы охлаждения на тепловых трубках, но не знают, как работает подобная система охлаждения; Цель: восполнить недостаток знаний учащихся школы в вопросе охлаждения процессоров; исследование тепловых трубок и их предназначение. Задачи: изучить теоретические материалы по данной теме; донести информацию о тепловых трубках учащимся старших классов школы; Гипотеза: системы охлаждения на тепловых трубках эффективнее обычных систем охлаждения без использования тепловых трубок; Объект исследования: радиаторы охлаждения процессора компьютера на тепловых трубках и без них; Предмет исследования: система охлаждения процессора компьютера. ПредысторияВпервые идея тепловой трубы предложена Гоглером из американской фирмы General Motors Corporation (GMC). В патентной заявке от 21 декабря 1942 г., опубликованной как Патент США № 2350348, 6 июня 1944 г., тепловая труба описывается применительно к холодильной установке. Патент Гровера включает в себя небольшой теоретический анализ процесса и содержит описание результатов экспериментов, проведенных с трубами из нержавеющей стали с фитилями из проволочной сетки и натрием в качестве рабочей жидкости, причем в качестве возможных рабочих жидкостей упомянуты еще также литий и серебро. В качестве средства возврата жидкости из конденсатора в испаритель была предложена капиллярная структура, и, в частности, Гоглер полагал, что одним из вариантов такой структуры мог бы быть спеченный из порошка железный фитиль. Интересно отметить, что во всех трех вариантах для потока пара отведена сравнительно небольшая часть поперечного сечения трубы.  Определяем эффективность кулера с тепловыми трубкамиЭто подопытный кулер SE-224M.  Итак, судя по внешнему виду, все четыре трубки герметичны и из них был откачан воздух, так как концы трубок развальцованы. Устанавливаем кулер на стенд и измеряем температуру основания теплосъёмника в зависимости от рассеиваемой мощности и оборотов вентилятора.    Номинальные характеристики зафиксированы. Трубки пока еще целые и невредимые. Теперь будем пилить. Для начала была разгерметизирована одна трубка: Внутри трубки можно увидеть пористую структуру. Именно пористая структура позволяет жидкости под действием капиллярных сил перемещаться по трубке не зависимо от её положения в пространстве.  О тепловых трубках простым языкомДля примера возьмём бокал с небольшим количеством воды и поставим на плиту. В алюминиевую крышечку положим немного льда. Включаем конфорку и удивляемся) вода не закипит, пока не растопится лёд. Так как это происходит? Водяной пар конденсируется на холодной алюминиевой крышке и стекает обратно в стакан в виде холодной воды, благодаря чему вода и не может закипеть.  Именно по такому принципу и устроены тепловые трубки, широко применяющиеся для охлаждения компьютеров. Разница только в том, что из промышленных образцов откачан воздух и вода в них закипает при более низкой температуре, градусах при тридцати. Второе принципиальное различие в том, что в тепловых трубках применяется капиллярный эффект, для того, чтобы система охлаждения могла работать в любом положении. Как это происходит?  Вот так работает классический термосифон, прародитель современных тепловых трубок. Снизу источник тепла, сверху – охладитель. Жидкость испаряется и образуется пар, который поступает в охладитель, где конденсируется, и превратившись в холодную воду стекает вниз, под действием сил гравитации. Если такую конструкцию перевернуть вверх ногами, то увы, ничего работать не будет… Так как заставить тепловую трубку работать вверх ногами, как сделать так, что жидкость будет перемещаться наперекор силам гравитации?  Эта проблема была решена поистине гениальным и очень простым способом. В этом нам помог капиллярный эффект, при котором жидкость, как известно, может подниматься вверх. Для этого во внутрь тепловой трубки запихивают обычный фитилёк, по которому и поднимается охлаждённая жидкость вверх, где она снова испаряется при нагреве. Иллюстрацию этого процесса видно на картинке. Коричневым цветом изображен фитилёк, по которому рабочее тело (жидкость) поднимается к зоне испарения.  Западный производитель тепловых трубок использует для фитиля обычную проволоку в дешевых изделиях. Одну из трубочек устройства я сломал ради интереса) фитиль сделан из обычной медной проволоки, очень напоминает оплётку от экранированного провода.  Какими бывают тепловые трубки?Бывают трубки, которые могут выдерживать и температуру от -200 до +1000 и более градусов. Такие трубки заправляют естественно не водой. Если во внутрь засунуть алюминий, то такой прибор будет работать и при температуре 2000 градусов. Можно ли чем-то заменить тепловые трубки?Чём же можно заменить? К примеру, возьмём толстый медный стержень. Нет, нельзя. Потому что скорость и мощность теплопередачи в сотни раз превышает теплообмен того же медного стержня. Чтобы произвести замену понадобится медный пруток толщиной и шириной с руку взрослого человека. Если взять обычную металлическую трубку, налить в нее немного воды, практически полностью откачать из нее воздух (это очень важно, не откачанный воздух будет мешать парообразованию и быстрому движению пара), и герметически закрыть ее с обеих сторон, то мы получим простейшую тепловую трубу, которая называется термосифоном, и идеально работает при вертикальном расположении. Как же работает термосифон?Термосифон работает так: к нижнему концу (зона испарения) подводиться тепло, вода начинает испаряться без пузырькового кипения (это тоже очень важно, потому что при кипении на стенках ТТ возникают пузырьки, которые затрудняют отвод образующегося на греющей поверхности пара через толщу фитиля, и, следовательно, ограничивают мощность теплопередачи), поглощая при этом большую энергию, пар поднимается по трубе к холодному концу (зона конденсации), конденсируется, отдавая энергию, и в виде воды стекает по стенкам трубки вниз. Так как скрытая теплота фазового перехода у многих веществ достаточно высока, обеспечивается высокая плотность теплового потока. Термосифоны могут работать, если зона испарения находится ниже зоны конденсации, поэтому область их применения ограничена.Появление термосифоном и их официальное признание.Первые термосифоны применялись для выпечки хлеба в Америке в 19 веке. Нижний конец трубы подогревался в топке, а верхний конец был соединен с камерой, в которой выпекался хлеб. Благодаря тому, что ТТ и термосифоны обладают термостабилизирующими свойствами, хлеб никогда не пригорал. 6 июля 1944г в США был зарегистрирован патент №2350348. Автором изобретения был Гоглер, сотрудник американской фирмы General Motors. Как указывал автор, целью изобретения было "...обеспечение поглощения теплоты, или, другими словами, испарение жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора". Для возврата жидкости из зоны конденсации в зону испарения была предложена капиллярная структура. То есть Гоглер изобрел тепловую трубу, которая могла работать в любом положении и иметь любую форму. В октябре 1973г в Штутгарте прошла первая международная конференция по тепловым трубам, после которой они получили общее признание. Теперь это называется термосом и каждый из нас может его купить. Некоторые характеристики ТТСовременные ТТ имеют следующие характеристики: Рабочая температура от 4 К до 2300 К (-269 Со до 2026 Со) Длина от нескольких сантиметров до десятков метров Диаметр от 2-3 мм. до нескольких метров Мощность теплопередачи до 25 КВт/см² Ресурс работы до 100 000 часов По виду теплоносителей различают металлические (калий, натрий, цезий и т.д.) для очень высоких температур, и неметаллические (вода, аммиак, ацетон, фреоны и т.д.) для низких и средних температур, к области которых относится и диапазон допустимых температур процессора. Для возврата конденсата в зону испарения могут использоваться гравитационные, капиллярные, центробежные и электростатические. Важно отметить, что ТТ начинает работать при любом перепаде температур на ее концах, это значит, что она будет отводить тепло от процессора, нагревшегося до 60 градусов даже если ее другой конец будет иметь температуру 59 градусов. Невысокий коэффициент теплоотдачи (мощность, отводимая с одного квадратного метра поверхности, при условии, что ее температура на один градус выше температуры окружающей среды) пассивного радиатора (он применяется, т.к. абсолютно бесшумен) на холодном конце ТТ снизит допустимую температуру окружающей среды, но ненамного. Конструкция тепловых трубокТип тепловой трубы – состоит всего из трех элементов: корпус, рабочая жидкость, КПМ (капиллярно-пористый материал). Корпусобеспечивает изоляцию рабочей жидкости от внешней среды, должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами, обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее. Сечение – круглое или прямоугольное. Минимальный диаметр ТТ должен быть таким, чтобы внутренний диаметр зоны транспорта пара исключал действие капиллярных сил, т.е. чтобы паровой канал не превратился в капиллярный; максимальный – принципиальных ограничений не имеет. Материал – обычно используют нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, медь, стекло, бронзу; пластмассы (гибкие ТТ), керамику (высокотемпературные ТТ). Рабочая жидкостьобеспечивает теплоперенос в системе при рабочих температурах не должна разлагаться при этих температурах, должна обладать достаточно большой скрытой теплотой парообразования, должна хорошо смачивать материал фитиля и корпуса, должна иметь низкое значение вязкости жидкой и паровой фаз, должна иметь высокую теплопроводность и высокое поверхностное натяжение. В зависимости от интервала температур (указана температура охлаждаемого тела) могут быть использованы самые различные вещества, приведенные к жидкой фазе – от сжиженных газов до металлов: гелий (-271 ... -269°C), аммиак (-60 ... +100°C), фреон-11 (-40 ... +120°C), ацетон (0 ... +120°C), вода (25 ... 200°C), ртуть (250 ... 650°C), натрий (600 ... 1200°C), серебро (1800 ... 2300°C) и т.д. Капиллярно-пористый материал (фитиль)он должен быть мелкопористым для создания максимального напора и в то же время должен быть крупнопористым для увеличения проницаемости (по жидкости); в связи с этим в условиях работы против сил гравитации практически не используется ТТ длиной более 1 м; слой КПМ вдоль стенок должен быть толстым для увеличения расхода жидкости (увеличение теплопередачи) и в то же время должен быть тонким для уменьшения термического сопротивления фитиля в радиальном направлении (с целью увеличения плотности теплового потока в испарителе). КПМ обеспечивает перемещение жидкости из зоны конденсации в зону испарения и равномерно распределяет ее по всей зоне испарения. Требования к КПМ противоречивы, необходимые параметры подбирают, исходя из конкретной ситуации. Разработка тепловых трубокСовершенно очевидно, что все металлические части ТТ должны быть изготовлены из меди, ввиду ее отличной теплопроводности, простоты обработки точением, химической пассивности и просто хорошему внешнему виду. Изготовить единую ТТ из одного куска меди дома невозможно (как выяснилось, достать нужный для этого кусок меди тоже невозможно), поэтому пришлось разбить ее конструкцию на три части: зона испарения, зона конденсации и соединяющий их корпус. Зона испаренияТруба должна контактировать непосредственно с процессором через тонкий слой термопасты. Системы, используемые в ноутбуках, в которых между двумя медными пластинами зажимаются ТТ, и уже пластины контактируют с процессором, недопустимы, так как обеспечить хороший контакт между пластинами и ТТ практически невозможно. Таким образом, нужно, чтобы зона испарения будет выполнена из единого куска меди, ее торцевая часть будет притерта для лучшего контакта с процессором, а стенки должны быть достаточно толстыми для обеспечения теплоотвода через всю поверхность испарительной зоны. Зона конденсацииЗона конденсации – самая сложная часть всей системы. Она должна эффективно отводить тепло, полученное при конденсации пара. Будет хорошим решением применить пластинчато-ребристый радиатор, то есть состоящий из большого числа тонких пластин. Эффективность ребра зависит от его площади и температуры, а из теоретических сведений о ТТ известно, что зона конденсации имеет изотермическую поверхность (поверхность с одинаковой температурой во всех точках, постоянство температуры получается благодаря тому, что при переходе пар – жидкость выделяется энергия в виде тепла и температура не меняется, а пар конденсируется равномерно по всей поверхности зоны конденсации), это значит, что радиатор будет иметь одинаковую эффективность ребер на всей длине. Таким образом, максимальная отводимая мощность линейно зависит от длины зоны конденсации. Очевидно, что зона конденсации должна быть конструктивно совмещена с пластинчато-ребристым радиатором, проще говоря, ребра должны быть нарезаны прямо на трубе, это наиболее простая и эффективная (тепло без посредников отводится с зоны конденсации в воздух) конструкция. Рабочая жидкостьВ качестве рабочей жидкости хорошо выбрать дистиллированную воду. В принципе, можно использовать ацетон, но вода привлекает большей теплоемкостью и большей скрытой энергией парообразования, кроме того, я не уверен, что ацетон не будет взаимодействовать с неметаллическими частями ТТ, к тому же он кипит при низкой температуре (всего 56 градусов при атмосферном давлении, а в вакууме еще меньше) и в нем может начаться процесс пузырькового кипения, что, как мы помним, сильно ограничит перенос тепла в трубе. "Цветение воды" полностью исключено, так как в трубке будет полная темнота и вакуум. КПМ (фитиль)Качественный фильтр — это проблема. Особенно, если вы хотите сделать ТТ в домашних условиях. Дело в том, что повсеместно рекомендуется изготавливать фитили из спеченных металлических порошков (меди, титана, никеля) с размерами частицы порядка нескольких микрон или из металлических сеток саржевого плетения, тоже с недостижимыми параметрами. Если спечь фитиль из порошка в домашних условиях можно, то получить порошок с нужным размером частиц практически нереально, как и сплести нужную сетку. К счастью, я задался вопросом: а почему, собственно, применяют фитили из спеченных порошков? Выяснилось, что они нужны для обеспечения подъема рабочей жидкости на высоту до одного метра. Естественно, что для охлаждения домашнего ПК такой подъем не нужен, ТТ у меня может быть расположена горизонтально, а максимальная высота подъема воды составит 3 см (для эффективной теплоотдачи с торцевой и боковых частей испарительной зоны). В данных условиях в качестве фитиля лучше всего применять именно фитиль. От старой керосиновой лампы. Если у вас есть пачка неиспользованных в свое время запасных фитилей, то вопрос выбора КПМ благополучно решен. Процесс охлажденияВ пластинчато-ребристом радиаторе возникает эффект "вытяжной трубы" (нагретый воздух в ограниченном с боков пространстве с большой скоростью движется вверх, подтягивая на свое место холодный воздух), что обеспечивает хороший обдув ребер радиатора. Коэффициент теплоотдачи такого радиатора составляет около 30 [Вт / (м² * °С)]. Помножив этот коэффициент на общую площадь (ведь, как мы помним, все пластины работают одинаково эффективно и имеют одинаковую температуру), получим, что при разности температур между радиатором и окружающим воздухом в 1 градус мой радиатор сможет рассеять примерно 18 Вт. А при разности температур в 10 градусов – 180 Вт! Допустим, летом температура в комнате поднимется до 35 градусов, тогда для отвода 180 Вт температура радиатора должна быть 45 градусов, а как известно из теории, ТТ будет работать даже при температуре зоны конденсации 59 градусов, значит есть еще неплохой запас. Уверен, что выделяемая процессором мощность не будет больше 100 Вт, а для отдачи такой мощности радиатор нагреется всего на 5.6 градусов выше комнатной температуры. Основным различием в строение ТТ чаще всего является именно разнообразная внутренняя структура, благодаря которой некоторые "Heatpipe" эффективнее, чем другие, но при этом у каждого вида есть свои недостатки, а также некоторые ограничения в отношении ориентации относительно земли и воздействия гравитации. Давайте рассмотрим три основных типа ТТ, которые на данный момент используется в компьютерной промышленности. Порошок из медиПорошок из меди, сплавленный на стенках трубки. Очень эффективная ТТ, но при этом и одна из самых дорогих в производстве технологий.  Порошок из меди, сплавленный на стенках трубки. Очень эффективная ТТ, но при этом и одна из самых дорогих в производстве технологий; практически нет ограничений по ориентации относительно земли.  Порошок из меди, сплавленный на стенках трубки. Очень эффективная ТТ, но при этом и одна из самых дорогих в производстве технологий; практически нет ограничений по ориентации относительно земли. ЭкспериментМной был проведён эксперимент запуск компьютера с различными системами охлаждения, с радиатором, в котором имеются тепловые трубки и в котором нет тепловых трубок.   Отчёт времени начался, когда процессор был показывал температуру 46 Со. Процессор с радиатором на тепловых трубках за 3 минуты нагрелся до 51 Со. А с обычным радиатором процессор за 3 минуты нагрелся до 61 Со.    Вывод: использование системы охлаждения с тепловыми трубками эффективнее, так как за одинаковый промежуток времени нагрев при обычной системе охлаждения выше, в нашем случае на 10 градусов. ЗаключениеЭффективность тепловых трубок сложно переоценить. Действительно, теплопроводности меди из которой изготовлены трубки, более чем недостаточно для передачи такого теплового потока к радиатору. И используемый в трубках процесс переноса тепла за счет испарения жидкости и капиллярного эффекта дают потрясающую эффективность. Поэтому если ваша система охлаждения с использованием тепловых трубок стала как-то плохо охлаждать, то одной из причин может быть, как раз разгерметизация этих самых трубок. Стоит отметить, что использование двух или четырех трубок не дают большой разницы в охлаждающей способности кулера при рассеиваемой мощности до 150–200 Вт. Моя гипотеза подтвердилась! Использование системы охлаждения с тепловыми трубками эффективнее! ГлоссарийТеплова́я тру́бка, теплова́я тру́ба, теплотру́бка (англ. heat pipe) — элемент системы теплообмена, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) и других материалов находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец. Кулер (от англ. cooler) — в применении к компьютерной тематике — русское название сборки вентилятора с радиатором, устанавливаемой для воздушного охлаждения электронных компонентов компьютера с повышенным тепловыделением. Термосифон (от англ. thermosyphon) — это метод пассивного теплообмена, основанный на естественной конвекции, при котором жидкость циркулирует без необходимости механического насоса. Термосифон используется для циркуляции жидкостей и летучих газов в системах отопления и охлаждения, таких как тепловые насосы, водонагреватели, котлы и печи. Термосифон также происходит при перепадах температуры воздуха, например, при использовании дровяного или солнечного дымохода. Процессор (CPU) — арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняет основные математические и логические операции, все вычисления производятся в двоичной системе. Испаритель — теплообменный аппарат, в котором осуществляется процесс фазового перехода жидкого теплоносителя в парообразное и газообразное состояние за счёт подвода от более горячего теплоносителя. Таким горячим теплоносителем обычно являются вода, воздух, рассол или газообразные, жидкие или твердые технологические продукты. Когда процесс фазового перехода происходит на поверхности жидкости, то это называется испарением. Если процесс происходит на всей глубине жидкости с образованием паровых пузырьков, то это называется кипением. Фазовый переход может происходить как с однородной жидкостью, так и со смесью жидких компонентов. Испарители различаются по характеру происходящих в них процессов, а также по их назначению, и они при этом обычно имеют свои названия. Список литературыТепловые трубы / Дан П.Д., Рей Д.А. - Энергия. Москва. 1979 Перспективные типы кулеров на тепловых труба [https://www.ixbt.com/cpu/heatpipe-rd-ntuu-oct2k5.shtml] Как влияют тепловые трубки охлаждения на эффективность кулера [https://club.dns-shop.ru/blog/t-105-kuleryi-dlya-protsessora] Устройство и принцип работы различных систем охлаждения [https://dzen.ru/media/teplovaia-trubka-ustroistvo-i-princip-raboty] Чем КТТ отличаются от обычных тепловых труб и как их применять [https://habr.com/ru/company/thercon/blog/454300/] Трубки в системе отопления [https://obustroeno.club/instrum-i-material/truby] Устройство тепловых трубок [https://www.nix.ru/computer_hardware_news/hardware_news_viewer.html] |