Un tubo de calor es un dispositivo de transferencia de calor que emplea una transición de fase para transferir calor entre dos interfaces sólidas . [1]
En la interfaz caliente de un tubo de calor, un líquido volátil en contacto con una superficie sólida térmicamente conductora se convierte en vapor al absorber calor de esa superficie. Luego, el vapor viaja a lo largo del tubo de calor hasta la interfaz fría y se condensa nuevamente en un líquido, liberando el calor latente . Luego, el líquido regresa a la interfaz caliente mediante acción capilar , fuerza centrífuga o gravedad y el ciclo se repite.
Debido a los altísimos coeficientes de transferencia de calor durante la ebullición y la condensación , los heatpipes son conductores térmicos muy eficaces. La conductividad térmica efectiva varía con la longitud del tubo de calor y puede acercarse100 kW/(m⋅K) para tubos de calor largos, en comparación con aproximadamente0,4 kW/(m⋅K) para cobre . [2]
Los heatpipes de CPU modernos suelen estar hechos de cobre y utilizan agua como fluido de trabajo. [3] Son comunes en muchos productos electrónicos de consumo como computadoras de escritorio, portátiles, tabletas y teléfonos inteligentes de alta gama.
El principio general de los tubos de calor que utilizan la gravedad, comúnmente clasificados como termosifones de dos fases , se remonta a la era del vapor y a Angier March Perkins y su hijo Loftus Perkins y el "Tubo Perkins", que tuvo un uso generalizado en calderas de locomotoras y hornos de trabajo. [4] Los tubos de calor basados en capilares fueron sugeridos por primera vez por RS Gaugler de General Motors en 1942, quien patentó la idea, [5] pero no la desarrolló más.
George Grover desarrolló de forma independiente tubos de calor basados en capilares en el Laboratorio Nacional de Los Álamos en 1963, siendo su patente de ese año [6] la primera en utilizar el término "tubo de calor", y a menudo se le conoce como "el inventor del tubo de calor". [7] Anotó en su cuaderno: [8]
Un sistema cerrado de este tipo, que no requiere bombas externas, puede ser de particular interés en los reactores espaciales para mover el calor desde el núcleo del reactor a un sistema radiante. En ausencia de gravedad, las fuerzas sólo deben ser tales que superen el capilar y el arrastre del vapor que regresa a través de sus canales.
La sugerencia de Grover fue aceptada por la NASA , que jugó un papel importante en el desarrollo de los tubos de calor en la década de 1960, particularmente en lo que respecta a las aplicaciones y la confiabilidad en los vuelos espaciales. Esto era comprensible dado el bajo peso, el alto flujo de calor y el consumo nulo de energía de los tubos de calor, y que no se verían afectados negativamente al operar en un entorno de gravedad cero.
La primera aplicación de los heatpipes en el programa espacial fue el equilibrio térmico de los transpondedores de satélites. [9] A medida que los satélites orbitan, un lado está expuesto a la radiación directa del sol mientras que el lado opuesto está completamente oscuro y expuesto al profundo frío del espacio exterior . Esto provoca graves discrepancias en la temperatura (y, por tanto, en la fiabilidad y precisión) de los transpondedores. El sistema de refrigeración por tubo de calor diseñado para este fin gestionó los elevados flujos de calor y demostró un funcionamiento impecable con y sin la influencia de la gravedad. El sistema de refrigeración desarrollado fue el primer uso de tubos de calor de conductancia variable para regular activamente el flujo de calor o la temperatura del evaporador.
La NASA ha probado tubos de calor diseñados para condiciones extremas, y algunos utilizan sodio metálico líquido como fluido de trabajo. Actualmente se utilizan otras formas de tubos de calor para enfriar los satélites de comunicaciones. [10] Las publicaciones de 1967 y 1968 de Feldman, Eastman, [11] y Katzoff discutieron por primera vez las aplicaciones de los tubos de calor para usos más amplios, como aire acondicionado, refrigeración de motores y refrigeración de dispositivos electrónicos. Estos artículos también fueron los primeros en mencionar los tubos de calor flexibles, arteriales y de placa plana. Las publicaciones de 1969 introdujeron el concepto de tubo de calor rotacional con sus aplicaciones al enfriamiento de álabes de turbinas y contuvieron las primeras discusiones sobre las aplicaciones de tubos de calor a procesos criogénicos.
A partir de la década de 1980, Sony comenzó a incorporar tubos de calor en los esquemas de enfriamiento de algunos de sus productos electrónicos comerciales en lugar de disipadores de calor pasivos con aletas y convección forzada. Inicialmente se utilizaron en receptores y amplificadores, y pronto se extendieron a otras aplicaciones electrónicas de alto flujo de calor.
A finales de la década de 1990, las CPU de microcomputadoras con un flujo de calor cada vez más alto provocaron que se triplicara el número de solicitudes de patentes de tubos de calor en Estados Unidos. A medida que los tubos de calor evolucionaron de un componente industrial especializado de transferencia de calor a un producto de consumo, la mayor parte del desarrollo y la producción se trasladaron de Estados Unidos a Asia.
Los heatpipes de CPU modernos suelen estar hechos de cobre y utilizan agua como fluido de trabajo. [3] Son comunes en muchos productos electrónicos de consumo como computadoras de escritorio, portátiles, tabletas y teléfonos inteligentes de alta gama.
Un tubo de calor típico consiste en una tubería o tubo sellado hecho de un material que sea compatible con el fluido de trabajo, como cobre para los tubos de calor de agua o aluminio para los tubos de calor de amoníaco. Normalmente, se utiliza una bomba de vacío para eliminar el aire del tubo de calor vacío. El tubo de calor se llena parcialmente con un fluido de trabajo y luego se sella. La masa del fluido de trabajo se elige de modo que el tubo de calor contenga tanto vapor como líquido en el rango de temperatura de funcionamiento . [1]
La temperatura de funcionamiento indicada/recomendada de un sistema de tuberías de calor determinado es de vital importancia. Por debajo de la temperatura de funcionamiento, el líquido está demasiado frío y no puede vaporizarse hasta convertirse en gas. Por encima de la temperatura de funcionamiento, todo el líquido se ha convertido en gas y la temperatura ambiental es demasiado alta para que se condense parte del gas. La conducción térmica todavía es posible a través de las paredes del tubo de calor, pero a una tasa de transferencia térmica muy reducida. Además, para un determinado aporte de calor, es necesario que se alcance una temperatura mínima del fluido de trabajo; mientras que en el otro extremo, cualquier aumento (desviación) adicional en el coeficiente de transferencia de calor con respecto al diseño inicial tenderá a inhibir la acción del tubo de calor. Esto puede ser contrario a la intuición, en el sentido de que si un sistema de caloducto cuenta con la ayuda de un ventilador, entonces el funcionamiento del caloducto puede fallar, lo que resulta en una eficacia reducida del sistema de gestión térmica, potencialmente gravemente reducida. Por lo tanto, la temperatura de funcionamiento y la capacidad máxima de transporte de calor de un tubo de calor, limitada por su capilar u otra estructura utilizada para devolver el fluido al área caliente (fuerza centrífuga, gravedad, etc.), están ineludiblemente y estrechamente relacionadas. [12]
Los fluidos de trabajo se eligen de acuerdo con las temperaturas a las que debe funcionar el tubo de calor, con ejemplos que van desde helio líquido para aplicaciones de temperaturas extremadamente bajas (2 a 4 K ) hasta mercurio (523 a 923 K), sodio (873 a 1473 K) y incluso indio (2000-3000 K) para temperaturas extremadamente altas. La gran mayoría de los heatpipes para aplicaciones a temperatura ambiente utilizan amoníaco (213–373 K), alcohol ( metanol (283–403 K) o etanol (273–403 K)) o agua (298–573 K) como fluido de trabajo. . Los caloductos de cobre/agua tienen una envoltura de cobre, utilizan agua como fluido de trabajo y normalmente funcionan en un rango de temperatura de 20 a 150 °C. [13] [14] Las tuberías de calor de agua a veces se llenan parcialmente con agua, se calientan hasta que el agua hierve y desplaza el aire, y luego se sellan mientras están calientes.
Para que el tubo de calor transfiera calor, debe contener líquido saturado y su vapor (fase gaseosa). El líquido saturado se vaporiza y viaja al condensador, donde se enfría y se convierte nuevamente en líquido saturado. En un tubo de calor estándar, el líquido condensado regresa al evaporador mediante una estructura de mecha que ejerce una acción capilar sobre la fase líquida del fluido de trabajo. Las estructuras de mecha utilizadas en los tubos de calor incluyen polvo de metal sinterizado , pantalla y mechas ranuradas, que tienen una serie de ranuras paralelas al eje de la tubería. Cuando el condensador está ubicado encima del evaporador en un campo gravitacional, la gravedad puede devolver el líquido. En este caso el heatpipe es un termosifón . Finalmente, los caloductos giratorios utilizan fuerzas centrífugas para devolver el líquido del condensador al evaporador. [1]
Los tubos de calor no contienen piezas mecánicas móviles y normalmente no requieren mantenimiento, aunque los gases no condensables que se difunden a través de las paredes de la tubería, que resultan de la descomposición del fluido de trabajo o que existen como impurezas originales en el material, pueden eventualmente reducir la efectividad de la tubería. en la transferencia de calor. [1]
La ventaja de los tubos de calor sobre muchos otros mecanismos de disipación de calor es su gran eficiencia en la transferencia de calor. Una tubería de una pulgada de diámetro y dos pies de largo puede transferir 3,7 kW (12.500 BTU por hora) a 1.800 °F (980 °C) con solo 18 °F (10 °C) de caída de un extremo a otro. [14] Algunos tubos de calor han demostrado un flujo de calor de más de 23 kW/cm 2 , aproximadamente cuatro veces el flujo de calor a través de la superficie del Sol. [15]
Los tubos de calor tienen una envoltura, una mecha y un fluido de trabajo. Los tubos de calor están diseñados para un funcionamiento a muy largo plazo sin mantenimiento, por lo que la pared y la mecha del tubo de calor deben ser compatibles con el fluido de trabajo. Algunos pares de materiales/fluidos de trabajo que parecen ser compatibles no lo son. Por ejemplo, el agua en una envoltura de aluminio desarrollará grandes cantidades de gas no condensable en unas pocas horas o días, impidiendo el funcionamiento normal del tubo de calor. [ cita necesaria ]
Desde que George Grover redescubrió los heatpipes en 1963, se han realizado extensas pruebas de vida útil para determinar pares de envoltura/fluido compatibles, algunas de ellas durante décadas. En una prueba de vida útil de los caloductos, los caloductos se operan durante largos períodos de tiempo y se monitorean para detectar problemas como la generación de gas no condensable, el transporte de materiales y la corrosión. [16] [17]
Los pares de envoltura (y mecha)/fluido más utilizados incluyen: [18]
Otros pares incluyen envolturas de acero inoxidable con fluidos de trabajo de nitrógeno, oxígeno, neón, hidrógeno o helio a temperaturas inferiores a 100 K, tubos de calor de cobre/metanol para enfriar dispositivos electrónicos cuando el tubo de calor debe funcionar por debajo del rango de agua, tubos de calor de aluminio/etano para control térmico de naves espaciales en entornos en los que el amoníaco se puede congelar y fluido de trabajo de litio/envoltura de metal refractario para aplicaciones de alta temperatura (por encima de 1050 °C (1920 °F)). [19]
Los tubos de calor deben adaptarse a condiciones de enfriamiento particulares. La elección del material, el tamaño y el refrigerante de la tubería influyen en las temperaturas óptimas a las que funcionan las tuberías de calor. Cuando se utiliza fuera de su rango de calor de diseño, la conductividad térmica del tubo de calor se reduce efectivamente a las propiedades de conducción de calor de su carcasa de metal sólido únicamente. En el caso de una carcasa de cobre , esto es alrededor de 1/80 del fundente original. Esto se debe a que fuera del rango de temperatura previsto, el fluido de trabajo no sufrirá cambio de fase; por debajo del rango, el fluido de trabajo nunca se vaporiza y por encima del rango nunca se condensa.
La mayoría de los fabricantes no pueden fabricar un heatpipe tradicional de menos de 3 mm de diámetro debido a limitaciones de material. [20]
Además de los tubos de calor de conductancia constante (CCHP) estándar, existen otros tipos de tubos de calor, [21] que incluyen:
Los tubos de calor planos delgados ( disipadores de calor o tubos de calor planos) tienen los mismos componentes principales que los tubos de calor tubulares: un recipiente hueco herméticamente sellado , un fluido de trabajo y un sistema de recirculación capilar de circuito cerrado. [22] Además, generalmente se utiliza una estructura de soporte interna o una serie de postes en una cámara de vapor para acomodar presiones de sujeción a veces de hasta 90 PSI. Esto ayuda a evitar el colapso de la parte superior e inferior plana cuando se aplica presión.
Hay dos aplicaciones principales para las cámaras de vapor. En primer lugar, se utilizan cuando se aplican altas potencias y flujos de calor a un evaporador relativamente pequeño. [23] La entrada de calor al evaporador vaporiza el líquido, que fluye en dos dimensiones hacia las superficies del condensador. Después de que el vapor se condensa en las superficies del condensador, las fuerzas capilares en la mecha devuelven el condensado al evaporador. Tenga en cuenta que la mayoría de las cámaras de vapor son insensibles a la gravedad y seguirán funcionando cuando estén invertidas, con el evaporador sobre el condensador. En esta aplicación, la cámara de vapor actúa como un transformador de flujo de calor, enfriando un flujo de calor alto de un chip electrónico o diodo láser y transformándolo en un flujo de calor más bajo que puede eliminarse mediante convección natural o forzada. Con mechas de evaporador especiales, las cámaras de vapor pueden eliminar 2000 W en 4 cm 2 o 700 W en 1 cm 2 . [24]
Otro uso importante de las cámaras de vapor es para fines de refrigeración en portátiles para juegos. Como las cámaras de vapor son un método más plano y bidimensional de disipación de calor, las computadoras portátiles para juegos más elegantes se benefician enormemente de ellas en comparación con los tubos de calor tradicionales. Por ejemplo, el enfriamiento de la cámara de vapor en la Legion 7i de Lenovo fue su punto de venta más exclusivo (aunque se publicitó erróneamente como que todos los modelos tenían cámaras de vapor, cuando en realidad solo unos pocos las tenían [25] ).
En segundo lugar, en comparación con un tubo de calor tubular unidimensional, el ancho de un tubo de calor bidimensional permite una sección transversal adecuada para el flujo de calor incluso con un dispositivo muy delgado. Estos delgados tubos de calor planos están encontrando su camino en aplicaciones "sensibles a la altura", como computadoras portátiles y núcleos de placas de circuitos de montaje en superficie. Es posible producir heatpipes planos de hasta 1,0 mm de espesor (un poco más grueso que una tarjeta de crédito de 0,76 mm ). [26]
Los tubos de calor estándar son dispositivos de conductancia constante, donde la temperatura de funcionamiento del tubo de calor está establecida por las temperaturas de la fuente y el sumidero, las resistencias térmicas de la fuente al tubo de calor y las resistencias térmicas del tubo de calor al sumidero. En estos heatpipes, la temperatura desciende linealmente a medida que se reduce la potencia o la temperatura del condensador. Para algunas aplicaciones, como el control térmico de satélites o globos de investigación, la electrónica se sobreenfriará a bajas potencias o a bajas temperaturas del sumidero. Los tubos de calor de conductancia variable (VCHP) se utilizan para mantener pasivamente la temperatura de los componentes electrónicos que se enfrían a medida que cambian las condiciones de energía y disipador. [27]
Los tubos de calor de conductancia variable tienen dos adiciones en comparación con un tubo de calor estándar: 1. un depósito y 2. un gas no condensable (NCG) agregado al tubo de calor, además del fluido de trabajo. Este gas no condensable suele ser argón para los heatpipes de conductancia variable estándar y helio para los termosifones. Cuando el tubo de calor no está funcionando, el gas no condensable y el vapor del fluido de trabajo se mezclan en todo el espacio de vapor del tubo de calor. Cuando el tubo de calor de conductancia variable está funcionando, el flujo del vapor del fluido de trabajo arrastra el gas no condensable hacia el extremo del condensador del tubo de calor. La mayor parte del gas no condensable se encuentra en el depósito, mientras que el resto bloquea una parte del condensador del tubo de calor. El tubo de calor de conductancia variable funciona variando la longitud activa del condensador. Cuando aumenta la potencia o la temperatura del disipador de calor, la temperatura y la presión del vapor del tubo de calor aumentan. El aumento de la presión de vapor fuerza a que entre más gas no condensable al depósito, lo que aumenta la longitud activa del condensador y la conductancia del tubo de calor. Por el contrario, cuando disminuye la potencia o la temperatura del disipador de calor, la temperatura y presión del vapor del tubo de calor disminuyen y el gas no condensable se expande, lo que reduce la longitud activa del condensador y la conductancia del tubo de calor. La adición de un pequeño calentador en el depósito, con la potencia controlada por la temperatura del evaporador, permitirá un control térmico de aproximadamente ±1-2 °C. En un ejemplo, la temperatura del evaporador se mantuvo en una banda de control de ±1,65 °C, ya que la potencia se varió de 72 a 150 W y la temperatura del disipador de calor varió de +15 °C a -65 °C.
Los caloductos de presión controlada (PCHP) se pueden utilizar cuando se requiere un control de temperatura más estricto. [28] En un tubo de calor con presión controlada, la temperatura del evaporador se utiliza para variar el volumen del depósito o la cantidad de gas no condensable en el tubo de calor. Los tubos de calor controlados por presión han mostrado un control de temperatura en mili-Kelvin. [29]
Los caloductos convencionales transfieren calor en cualquier dirección, desde el extremo más caliente al más frío del caloducto. Varios tubos de calor diferentes actúan como un diodo térmico , transfiriendo calor en una dirección, mientras actúan como aislante en la otra: [30]
Un diodo trampa de vapor se fabrica de manera similar a un tubo de calor de conductancia variable, con un depósito de gas al final del condensador. Durante la fabricación, el tubo de calor se carga con el fluido de trabajo y una cantidad controlada de gas no condensable (NCG). Durante el funcionamiento normal, el flujo de vapor del fluido de trabajo desde el evaporador al condensador barre el gas no condensable hacia el depósito, donde no interfiere con el funcionamiento normal del caloducto. Cuando se calienta el condensador nominal, el flujo de vapor va del condensador nominal al evaporador nominal. El gas no condensable es arrastrado junto con el vapor que fluye, bloqueando completamente el evaporador nominal y aumentando considerablemente la resistividad térmica del tubo de calor. En general, hay cierta transferencia de calor a la sección adiabática nominal. Luego, el calor se conduce a través de las paredes del tubo de calor hasta el evaporador. En un ejemplo, un diodo trampa de vapor transportaba 95 W en dirección directa y sólo 4,3 W en dirección inversa. [31]
Un diodo trampa de líquido tiene un depósito malvado en el extremo del evaporador del tubo de calor, con una mecha separada que no está en comunicación con la mecha en el resto del tubo de calor. [32] Durante el funcionamiento normal, el evaporador y el depósito se calientan. El vapor fluye hacia el condensador y el líquido regresa al evaporador por fuerzas capilares en la mecha. El depósito eventualmente se seca, ya que no existe ningún método para devolver el líquido. Cuando se calienta el condensador nominal, el líquido se condensa en el evaporador y el depósito. Si bien el líquido puede regresar al condensador nominal desde el evaporador nominal, el líquido en el depósito queda atrapado, ya que la mecha del depósito no está conectada. Finalmente, todo el líquido queda atrapado en el depósito y el tubo de calor deja de funcionar.
La mayoría de los tubos de calor utilizan una mecha para devolver el líquido del condensador al evaporador, lo que permite que el tubo de calor funcione en cualquier orientación. El líquido es aspirado de regreso al evaporador por acción capilar , similar a la forma en que una esponja aspira agua cuando un borde se pone en contacto con un charco de agua. Sin embargo, la elevación adversa máxima (evaporador sobre condensador) es relativamente pequeña, del orden de 25 cm de largo para una tubería de calor de agua típica.
Sin embargo, si el evaporador está ubicado debajo del condensador, el líquido puede drenar por gravedad en lugar de requerir una mecha, y la distancia entre los dos puede ser mucho mayor. Un tubo de calor asistido por gravedad se conoce como termosifón . [33]
En un termosifón, el fluido de trabajo líquido se vaporiza mediante el calor suministrado al evaporador en la parte inferior del tubo de calor. El vapor viaja al condensador en la parte superior del tubo de calor, donde se condensa. Luego, el líquido drena nuevamente al fondo del tubo de calor por gravedad y el ciclo se repite. Los termosifones son tubos de calor de diodos; cuando se aplica calor al extremo del condensador, no hay condensado disponible y, por lo tanto, no hay forma de formar vapor y transferir calor al evaporador.
Mientras que un típico tubo de calor de agua terrestre tiene menos de 30 cm de largo, los termosifones suelen tener varios metros de largo. Como se analiza más adelante, los termosifones utilizados para enfriar la tubería de Alaska tenían aproximadamente entre 11 y 12 m de largo. Para la extracción de energía geotérmica se han propuesto termosifones aún más largos. Por ejemplo, Storch et al. fabricó un termosifón de propano de 53 mm de diámetro interior y 92 m de largo que transportaba aproximadamente 6 kW de calor. [34]
Un tubo de calor de bucle (LHP) es un dispositivo de transferencia pasiva de dos fases relacionado con el tubo de calor. Puede transportar mayor potencia a distancias más largas al tener un flujo de líquido y vapor en paralelo, en contraste con el flujo en contracorriente en un tubo de calor. [35] [36] Esto permite que la mecha en un tubo de calor de bucle solo se requiera en el evaporador y la cámara de compensación. Los heatpipes de microbucle se han desarrollado y empleado con éxito en una amplia gama de aplicaciones tanto en tierra como en el espacio.
Un tubo de calor oscilante, también conocido como tubo de calor pulsante, está lleno solo parcialmente con fluido de trabajo líquido. La tubería está dispuesta en forma de serpentina en la que se alternan segmentos de líquido y vapor que se mueven libremente. [37] En el fluido de trabajo se produce una oscilación; la tubería permanece inmóvil.
Los tubos de calor emplean cambios de fase para transferir energía térmica de un punto a otro mediante la vaporización y condensación de un fluido de trabajo o refrigerante. Los tubos de calor dependen de una diferencia de temperatura entre los extremos de la tubería y no pueden bajar las temperaturas en ninguno de los extremos por debajo de la temperatura ambiente (por lo tanto, tienden a igualar la temperatura dentro de la tubería).
Cuando se calienta un extremo del tubo de calor, el fluido de trabajo dentro del tubo en ese extremo se vaporiza y aumenta la presión de vapor dentro de la cavidad del tubo de calor. El calor latente de vaporización absorbido por el fluido de trabajo reduce la temperatura en el extremo caliente de la tubería.
La presión de vapor sobre el fluido de trabajo líquido caliente en el extremo caliente de la tubería es mayor que la presión de vapor de equilibrio sobre el fluido de trabajo en condensación en el extremo más frío de la tubería, y esta diferencia de presión provoca una rápida transferencia de masa al extremo de condensación donde el exceso de vapor se condensa, libera su calor latente y calienta el extremo frío de la tubería. Los gases que no se condensan (causados por contaminación, por ejemplo) en el vapor impiden el flujo de gas y reducen la eficacia del tubo de calor, especialmente a bajas temperaturas, donde las presiones de vapor son bajas. La velocidad de las moléculas en un gas es aproximadamente la velocidad del sonido y, en ausencia de gases sin condensación (es decir, si solo hay una fase gaseosa presente), este es el límite superior de la velocidad con la que podrían viajar en el tubo de calor. . En la práctica, la velocidad del vapor a través del tubo de calor está limitada por la tasa de condensación en el extremo frío y es mucho menor que la velocidad molecular. [ cita necesaria ] Nota/explicación: La tasa de condensación está muy cerca del coeficiente de adherencia multiplicado por la velocidad molecular multiplicada por la densidad del gas, si la superficie de condensación está muy fría. Sin embargo, si la superficie está cerca de la temperatura del gas, la evaporación provocada por la temperatura finita de la superficie anula en gran medida este flujo de calor. Si la diferencia de temperatura es superior a algunas decenas de grados, la vaporización desde la superficie suele ser insignificante, como se puede evaluar a partir de las curvas de presión de vapor. En la mayoría de los casos, con un transporte de calor muy eficiente a través del gas, resulta muy difícil mantener diferencias de temperatura tan significativas entre el gas y la superficie de condensación. Además, estas diferencias de temperatura corresponden por sí solas a una gran resistencia térmica efectiva. El cuello de botella suele ser menos grave en la fuente de calor, ya que allí las densidades de gas son mayores, lo que corresponde a flujos de calor máximos más elevados.
El fluido de trabajo condensado luego regresa al extremo caliente de la tubería. En el caso de los heatpipes orientados verticalmente, el fluido puede moverse por la fuerza de la gravedad. En el caso de los heatpipes que contienen mechas, el fluido se devuelve por acción capilar .
Al fabricar tubos de calor, no es necesario crear un vacío en el tubo. Simplemente se hierve el fluido de trabajo en el tubo de calor hasta que el vapor resultante haya purgado los gases que no se condensan del tubo y luego se sella el extremo.
Una propiedad interesante de los heatpipes es el rango de temperatura en el que son efectivos. Inicialmente, se podría sospechar que un tubo de calor cargado con agua sólo funciona cuando el extremo caliente alcanza el punto de ebullición (100 °C, 212 °F, a presión atmosférica normal) y el vapor se transfiere al extremo frío. Sin embargo, el punto de ebullición del agua depende de la presión absoluta dentro de la tubería. En una tubería evacuada, el agua se vaporiza desde su punto triple (0,01 °C, 32 °F) hasta su punto crítico (374 °C; 705 °F), siempre que la tubería de calor contenga líquido y vapor. Por lo tanto, un tubo de calor puede funcionar a temperaturas del extremo caliente tan bajas como ligeramente más altas que el punto de fusión del fluido de trabajo, aunque la tasa máxima de transferencia de calor es baja a temperaturas inferiores a 25 °C (77 °F). De manera similar, un tubo de calor con agua como fluido de trabajo puede funcionar muy por encima del punto de ebullición atmosférico (100 °C, 212 °F). La temperatura máxima para los caloductos de agua a largo plazo es de 270 °C (518 °F), y los caloductos funcionan hasta 300 °C (572 °F) para pruebas a corto plazo. [38]
La principal razón de la eficacia de los heatpipes es la vaporización y condensación del fluido de trabajo. El calor de vaporización excede en gran medida la capacidad calorífica específica . Usando el agua como ejemplo, la energía necesaria para evaporar un gramo de agua es 540 veces la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de ese mismo gramo de agua en 1 °C. Casi toda esa energía se transfiere rápidamente al extremo "frío" cuando el fluido se condensa allí, lo que crea un sistema de transferencia de calor muy eficaz sin partes móviles. [ cita necesaria ]
El sistema de control térmico de la nave espacial tiene la función de mantener todos los componentes de la nave espacial dentro de su rango de temperatura aceptable. Esto se complica por lo siguiente:
Algunas naves espaciales están diseñadas para durar 20 años, por lo que es deseable transportar calor sin energía eléctrica ni piezas móviles. Rechazar el calor mediante radiación térmica significa que se necesitan paneles radiadores de gran tamaño (varios metros cuadrados). Los tubos de calor y los tubos de calor de bucle se utilizan ampliamente en las naves espaciales, ya que no requieren energía para funcionar, funcionan de forma casi isotérmica y pueden transportar calor a largas distancias.
Las mechas ranuradas se utilizan en los heatpipes de las naves espaciales, como se muestra en la primera fotografía de esta sección. Los tubos de calor están formados por extrusión de aluminio y, por lo general, tienen una brida integral para aumentar el área de transferencia de calor, lo que reduce la caída de temperatura. En las naves espaciales se utilizan mechas ranuradas, en lugar de la pantalla o las mechas sinterizadas que se utilizan en los heatpipes terrestres, ya que los heatpipes no tienen que funcionar contra la gravedad en el espacio. Esto permite que los tubos de calor de las naves espaciales tengan varios metros de largo, en contraste con la longitud máxima de aproximadamente 25 cm de un tubo de calor de agua que funciona en la Tierra. El amoníaco es el fluido de trabajo más común para los caloductos de naves espaciales. El etano se utiliza cuando el tubo de calor debe funcionar a temperaturas inferiores a la temperatura de congelación del amoníaco.
La segunda figura muestra un típico tubo de calor de conductancia variable (VCHP) ranurado de aluminio/amoníaco para el control térmico de una nave espacial. El heatpipe es una extrusión de aluminio, similar a la que se muestra en la primera figura. El área con brida inferior es el evaporador. Por encima del evaporador, la brida se mecaniza para permitir que se doble la sección adiabática. El condensador se muestra encima de la sección adiabática. El depósito de gas no condensable (NCG) está ubicado encima del tubo de calor principal. La válvula se retira después de llenar y sellar el tubo de calor. Cuando se utilizan calentadores eléctricos en el depósito, la temperatura del evaporador se puede controlar dentro de ±2 K del punto de ajuste.
Los heatpipes comenzaron a utilizarse en sistemas informáticos a finales de la década de 1990, [39] cuando los mayores requisitos de energía y los consiguientes aumentos en la emisión de calor dieron como resultado mayores demandas en los sistemas de refrigeración. Ahora se utilizan ampliamente en muchos sistemas informáticos modernos, generalmente para alejar el calor de componentes como CPU y GPU hacia disipadores de calor donde la energía térmica se puede disipar al medio ambiente.
Los tubos de calor también se utilizan ampliamente en aplicaciones de calentamiento de agua solar térmica en combinación con conjuntos de colectores solares de tubos de vacío. En estas aplicaciones, el agua destilada se usa comúnmente como fluido de transferencia de calor dentro de un tramo sellado de tubería de cobre que se encuentra dentro de un tubo de vidrio al vacío y orientado hacia el Sol. En las tuberías de conexión, el transporte de calor se produce en la fase de vapor líquido, porque el medio de transferencia térmica se convierte en vapor en una gran sección de la tubería colectora. [40]
En aplicaciones de calentamiento de agua solar térmica, un tubo absorbente individual de un colector de tubo de vacío es hasta un 40% más eficiente en comparación con los colectores solares de agua de "placa plana" más tradicionales. Esto se debe en gran medida al vacío que existe dentro del tubo, que ralentiza la pérdida de calor por convección y conducción. Sin embargo, las eficiencias relativas del sistema de tubos de vacío se reducen en comparación con los colectores de placa plana porque estos últimos tienen un tamaño de apertura mayor y pueden absorber más energía solar por unidad de área. Esto significa que, si bien un tubo de vacío individual tiene un mejor aislamiento (menores pérdidas por conducción y convección) debido al vacío creado dentro del tubo, una serie de tubos que se encuentran en un conjunto solar completo absorbe menos energía por unidad de área debido a que hay menos superficie de absorción. área apuntada hacia el Sol debido al diseño redondeado de un colector de tubo de vacío. Por lo tanto, las eficiencias reales de ambos diseños son aproximadamente las mismas.
Los colectores de tubos de vacío reducen la necesidad de aditivos anticongelantes ya que el vacío ayuda a retardar la pérdida de calor. Sin embargo, bajo una exposición prolongada a temperaturas bajo cero, el fluido de transferencia de calor aún puede congelarse y se deben tomar precauciones para garantizar que el líquido congelado no dañe el tubo de vacío al diseñar sistemas para tales entornos. Los calentadores de agua solares térmicos correctamente diseñados pueden protegerse contra heladas hasta más de -3 °C con aditivos especiales y se utilizan en la Antártida para calentar agua. [ cita necesaria ]
Construir sobre permafrost es difícil porque el calor de la estructura puede descongelarlo. En algunos casos se utilizan heatpipes para evitar el riesgo de desestabilización. Por ejemplo, en el sistema de oleoductos Trans-Alaska, el calor residual del suelo que queda en el petróleo, así como el calor producido por la fricción y la turbulencia en el petróleo en movimiento, podrían conducirse hacia las patas de soporte de la tubería y derretir el permafrost sobre el que están anclados los soportes. Esto provocaría que la tubería se hundiera y posiblemente se dañara. Para evitar esto, cada miembro de soporte vertical se ha montado con cuatro termosifones verticales de tubo de calor . [41]
La característica importante de un termosifón es que es pasivo y no requiere ninguna energía externa para funcionar. Durante el invierno, el aire es más frío que el suelo alrededor de los soportes. El líquido en el fondo del termosifón se vaporiza por el calor absorbido del suelo, enfriando el permafrost circundante y bajando su temperatura. Durante el verano, los termosifones dejan de funcionar, ya que no se condensa gas en la parte superior del tubo de calor, pero el enfriamiento extremo del aire durante el invierno provoca la condensación y el líquido fluye hacia abajo. En el sistema de tuberías Trans-Alaska inicialmente se utilizó amoníaco como fluido de trabajo, sin embargo, debido a obstrucciones, este fue reemplazado por dióxido de carbono. [42]
Los tubos de calor también se utilizan para mantener el permafrost congelado a lo largo de partes del ferrocarril Qinghai-Tíbet donde el terraplén y la vía absorben el calor del sol. Los tubos de calor verticales a ambos lados de las formaciones relevantes evitan que el calor se propague más hacia el permafrost circundante.
Dependiendo de la aplicación, existen varios diseños de termosifón: [43] termosonda, termopila , termosifón de profundidad, base de termosifón inclinada, base de termosifón de bucle plano y base de termosifón de bucle plano híbrido.
El primer producto comercial de tubo de calor fue el "Thermal Magic Cooking Pin" desarrollado por Energy Conversion Systems, Inc. y vendido por primera vez en 1966. [44] Los pines de cocción utilizaban agua como fluido de trabajo. La envoltura era de acero inoxidable, con una capa interior de cobre para mayor compatibilidad. Durante la operación, un extremo del tubo de calor atraviesa el asado. El otro extremo se extiende hacia el horno, donde lleva calor al centro del asado. La alta conductividad efectiva del tubo de calor reduce a la mitad el tiempo de cocción de grandes trozos de carne. [45]
El principio también se ha aplicado a las estufas de camping. El tubo de calor transfiere un gran volumen de calor a baja temperatura para permitir hornear productos y cocinar otros platos en situaciones tipo acampada. [ cita necesaria ]
En los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), los tubos de calor se colocan dentro de las corrientes de aire de suministro y escape de un sistema de tratamiento de aire o en los gases de escape de un proceso industrial, para recuperar la energía térmica.
El dispositivo consta de una batería de tubos de calor con aletas de varias filas ubicados dentro de las corrientes de aire de suministro y de escape. El sistema recupera calor del escape y lo transfiere a la admisión.
Debido a las características del dispositivo, se obtienen mejores eficiencias cuando la unidad se coloca en posición vertical con el lado de suministro de aire montado sobre el lado de aire de escape, lo que permite que el refrigerante líquido fluya rápidamente de regreso al evaporador ayudado por la fuerza de la gravedad. Generalmente, los fabricantes afirman que las eficiencias brutas de transferencia de calor son de hasta el 75%. [ cita necesaria ]
Grover y sus colegas estaban trabajando en sistemas de refrigeración para células de energía nuclear para naves espaciales , donde se encuentran condiciones térmicas extremas. Estos tubos de calor de metal alcalino transfirieron calor de la fuente de calor a un convertidor termoiónico o termoeléctrico para generar electricidad.
Desde principios de la década de 1990, se han propuesto numerosos sistemas de energía de reactores nucleares que utilizan tubos de calor para transportar calor entre el núcleo del reactor y el sistema de conversión de energía. [46] El primer reactor nuclear que produjo electricidad utilizando tubos de calor fue operado por primera vez el 13 de septiembre de 2012, en una demostración utilizando fisión de superficie plana. [47]
El encendido de la mezcla de combustible siempre se produce en la misma parte de los motores Wankel , lo que induce disparidades de dilatación térmica que reducen la potencia, perjudican la economía de combustible y aceleran el desgaste. En el artículo SAE 2014-01-2160, de Wei Wu et al., se describe: 'Un motor Wankel rotativo refrigerado por aire asistido por tubo de calor para mejorar la durabilidad, la potencia y la eficiencia', [48] obtuvieron una reducción en la temperatura máxima del motor. de 231 °C a 129 °C, y la diferencia de temperatura se redujo de 159 °C a 18 °C para un motor típico de vehículo aéreo no tripulado refrigerado por aire y de pequeña cámara de desplazamiento .
Los intercambiadores de calor transfieren calor de una corriente caliente a una corriente fría de aire, agua o aceite. Un intercambiador de calor de tubos de calor contiene varios tubos de calor, cada uno de los cuales actúa como un intercambiador de calor individual. Esto aumenta la eficiencia, la vida útil y la seguridad. En caso de que se rompa un tubo de calor, sólo se libera una pequeña cantidad de líquido, lo cual es fundamental para ciertos procesos industriales como la fundición de aluminio. Además, con un tubo de calor roto, el intercambiador de calor de tubo de calor aún sigue funcionando.
Debido a la gran adaptabilidad de los heatpipes, la investigación explora la implementación de heatpipes en varios sistemas:
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