Un tubo de calor de bucle (LHP) es un dispositivo de transferencia de calor de dos fases que utiliza la acción capilar para extraer calor de una fuente y moverlo pasivamente a un condensador o radiador . Los LHP son similares a los tubos de calor , pero tienen la ventaja de poder proporcionar un funcionamiento fiable a larga distancia y la capacidad de funcionar contra la gravedad. Pueden transportar una gran carga de calor a larga distancia con una pequeña diferencia de temperatura. [1] [2] Se han desarrollado y empleado con éxito diferentes diseños de LHP, que van desde los LHP potentes y de gran tamaño hasta los LHP en miniatura ( micro-loop heat pipe ) en una amplia esfera de aplicaciones tanto terrestres como espaciales.
Los refrigerantes más comunes que se utilizan en los LHP son el amoníaco anhidro y el propileno . [3] Los LHP se fabrican controlando cuidadosamente los volúmenes del depósito, el condensador y las líneas de vapor y líquido para que el líquido siempre esté disponible para la mecha. El volumen del depósito y la carga de fluido se establecen de modo que siempre haya fluido en el depósito incluso si el condensador y las líneas de vapor y líquido están completamente llenas.
En general, en una mecha se necesitan poros de tamaño pequeño y una gran capacidad de bombeo capilar. Debe existir un equilibrio entre la capacidad de bombeo de la mecha y la permeabilidad de la mecha al diseñar un tubo de calor o un tubo de calor de bucle. [ cita requerida ]
En un tubo de calor de bucle, primero el calor entra en el evaporador y vaporiza el fluido de trabajo en la superficie exterior de la mecha. Luego, el vapor fluye por el sistema de ranuras y luego va al evaporador y la línea de vapor hacia el condensador, donde se condensa a medida que el radiador elimina el calor. El depósito de dos fases (o cámara de compensación) en el extremo del evaporador está diseñado específicamente para funcionar a una temperatura ligeramente inferior a la del evaporador (y el condensador). La presión de saturación más baja en el depósito atrae el condensado a través del condensador y la línea de retorno de líquido. Luego, el fluido fluye hacia una tubería central donde alimenta la mecha . Una mecha secundaria vincula hidráulicamente el depósito y la mecha primaria. [ cita requerida ]
Los tubos de calor de bucle superan algunas de las deficiencias de los tubos de calor convencionales, que si bien son excelentes dispositivos de transferencia de calor se limitan principalmente a transferir cargas de calor relativamente pequeñas a distancias relativamente cortas cuando el evaporador y el condensador están al mismo nivel horizontal. Esta limitación por parte de los tubos de calor está relacionada principalmente con las importantes pérdidas de presión asociadas con el flujo de líquido a través de la estructura porosa, presente a lo largo de toda la longitud del tubo de calor, y la interacción viscosa entre las fases de vapor y líquido, también llamadas pérdidas por arrastre. Para las aplicaciones que implican la transferencia de grandes cargas de calor a largas distancias, el rendimiento térmico de los tubos de calor se ve gravemente afectado por el aumento de estas pérdidas. Por la misma razón, los tubos de calor convencionales son muy sensibles al cambio de orientación en el campo gravitacional. Para las pendientes desfavorables en una configuración de evaporador sobre condensador, las pérdidas de presión debidas a las fuerzas de masa en el campo de gravedad se suman a las pérdidas de presión totales y afectan aún más la eficiencia del proceso de transferencia de calor.
Como resultado de estas limitaciones, se han propuesto diferentes soluciones que implican modificaciones estructurales en el tubo de calor convencional. Algunas de estas modificaciones incorporan tubos arteriales con una resistencia hidráulica considerablemente baja para el retorno del líquido a la fuente de calor (tubos de calor arteriales), mientras que otras proporcionan una separación espacial de las fases de vapor y líquido del fluido de trabajo en la sección de transporte (tubos de calor de línea separada).
Aunque estas nuevas formas de tubos de calor pueden transferir flujos de calor significativos y pueden aumentar la longitud de transporte de calor, siguen siendo muy sensibles a la orientación espacial en relación con la gravedad. Para ampliar las posibilidades funcionales de los sistemas bifásicos a aplicaciones que impliquen pendientes en la gravedad que de otro modo no serían operables, las ventajas proporcionadas por la separación espacial de la línea de transporte y el uso de arterias no capilares se combinan en un esquema de bucle. Este esquema permite crear tubos de calor con características de transferencia de calor más altas mientras se mantiene el funcionamiento normal en cualquier orientación direccional. El esquema de bucle constituye la base del concepto físico de los bucles bifásicos (TPL).
Los tubos de calor de bucle fueron patentados en la URSS en 1974 por Yuri F. Gerasimov y Yuri F. Maydanik (certificado de inventor n.º 449213), todos ellos de la ex Unión Soviética . La patente para los tubos de calor de bucle fue presentada en los EE. UU. en 1982 (patente n.º 4515209).
La primera aplicación espacial ocurrió a bordo de una nave espacial rusa en 1989. Los LHP ahora se usan comúnmente en el espacio a bordo de satélites, incluidos: el Granat ruso, la nave espacial Obzor, los satélites de comunicación HS 702 de Boeing (Hughes) , el satélite meteorológico chino FY-1C y el ICESat de la NASA . [4]
Los LHP se demostraron en el transbordador espacial de la NASA en 1997 con STS-83 y STS-94 . [ cita requerida ]
Los tubos de calor de bucle son partes importantes de los sistemas de refrigeración de componentes electrónicos.