Un tubo de calor es un dispositivo de transferencia de calor que emplea la 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 conductora de calor 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 líquido, liberando el calor latente . Luego, el líquido regresa a la interfaz caliente a través de la acción capilar , la fuerza centrífuga o la gravedad y el ciclo se repite.
Debido a los coeficientes de transferencia de calor muy altos para la ebullición y la condensación , los tubos de calor son conductores térmicos muy eficaces. La conductividad térmica efectiva varía con la longitud del tubo de calor y puede aproximarse a100 kW/(m⋅K) para tubos de calor largos, en comparación con aproximadamente0,4 kW/(m⋅K) para cobre . [2]
Los tubos de calor de las CPU modernas 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 se utilizó ampliamente 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, y su patente de ese año [6] fue la primera en utilizar el término "tubo de calor", y a menudo se hace referencia a él 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 trasladar el calor desde el núcleo del reactor a un sistema de radiación. En ausencia de gravedad, las fuerzas deben ser suficientes para vencer el capilar y el arrastre del vapor que regresa a través de sus canales.
La sugerencia de Grover fue retomada por la NASA , que desempeñó un papel importante en el desarrollo de los tubos de calor en la década de 1960, en particular 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 de energía nulo de los tubos de calor, y que no se verían afectados negativamente por operar en un entorno de gravedad cero.
La primera aplicación de los tubos de calor en el programa espacial fue la equilibración térmica de los transpondedores de los 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 frío intenso del espacio exterior . Esto provoca graves discrepancias en la temperatura (y, por lo tanto, en la confiabilidad y precisión) de los transpondedores. El sistema de enfriamiento de tubos de calor diseñado para este propósito manejó los altos flujos de calor y demostró un funcionamiento impecable con y sin la influencia de la gravedad. El sistema de enfriamiento 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, algunos de los cuales utilizan sodio metálico líquido como fluido de trabajo. Actualmente se utilizan otras formas de tubos de calor para enfriar satélites de comunicaciones. [10] Las publicaciones de 1967 y 1968 de Feldman, Eastman, [11] y Katzoff analizaron por primera vez las aplicaciones de los tubos de calor para usos más amplios, como el aire acondicionado, la refrigeración de motores y la refrigeración de componentes 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 del tubo de calor rotacional con sus aplicaciones para la refrigeración de álabes de turbinas y contenían las primeras discusiones sobre las aplicaciones de los tubos de calor en procesos criogénicos.
A partir de la década de 1980, Sony comenzó a incorporar tubos de calor en los sistemas de refrigeración de algunos de sus productos electrónicos comerciales en lugar de disipadores de calor pasivos con aletas y convección forzada. Al principio se utilizaban en receptores y amplificadores, pero pronto se extendieron a otras aplicaciones electrónicas con alto flujo de calor.
A finales de los años 1990, las CPU de microcomputadoras con flujo de calor cada vez más elevado hicieron que se triplicara el número de solicitudes de patentes de tubos de calor en Estados Unidos. A medida que los tubos de calor pasaron de ser un componente especializado de transferencia de calor industrial a un producto de consumo, la mayor parte del desarrollo y la producción se trasladaron de Estados Unidos a Asia.
Los tubos de calor de las CPU modernas 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 un tubo o caño sellado hecho de un material que es compatible con el fluido de trabajo, como el cobre para los tubos de calor de agua o el aluminio para los tubos de calor de amoníaco. Normalmente, se utiliza una bomba de vacío para extraer 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 o recomendada de un sistema de tubos 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 sigue siendo posible a través de las paredes del tubo de calor, pero a una tasa de transferencia térmica muy reducida. Además, para una entrada de calor dada, es necesario que se alcance una temperatura mínima del fluido de trabajo; mientras que, en el otro extremo, cualquier aumento adicional (desviación) en el coeficiente de transferencia de calor con respecto al diseño inicial tenderá a inhibir la acción del tubo de calor. Esto puede ser contraintuitivo, en el sentido de que si un sistema de tubos de calor se ve ayudado por un ventilador, el funcionamiento del tubo de calor puede dejar de funcionar, lo que da como resultado una reducción de la eficacia del sistema de gestión térmica, que puede llegar a reducirse gravemente. 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 inevitablemente y estrechamente relacionadas. [12]
Los fluidos de trabajo se eligen de acuerdo con las temperaturas a las que debe operar el tubo de calor, con ejemplos que van desde helio líquido para aplicaciones de temperatura extremadamente baja (2-4 K ) hasta mercurio (523-923 K), sodio (873-1473 K) e incluso indio (2000-3000 K) para temperaturas extremadamente altas. La gran mayoría de los tubos de calor 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 tubos de calor de cobre/agua tienen una envoltura de cobre, utilizan agua como fluido de trabajo y normalmente operan en el rango de temperatura de 20 a 150 °C. [13] [14] Los tubos de calor de agua a veces se llenan llenándolos parcialmente con agua, calentándolos hasta que el agua hierva y desplace 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 un líquido saturado. En un tubo de calor estándar, el líquido condensado se devuelve 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 , malla y mechas ranuradas, que tienen una serie de ranuras paralelas al eje del tubo. Cuando el condensador está ubicado sobre el evaporador en un campo gravitatorio, la gravedad puede devolver el líquido. En este caso, el tubo de calor es un termosifón . Finalmente, los tubos de calor giratorios utilizan fuerzas centrífugas para devolver el líquido del condensador al evaporador. [1]
Los tubos de calor no contienen partes mecánicas móviles y normalmente no requieren mantenimiento, aunque los gases no condensables que se difunden a través de las paredes del tubo, que resultan de la descomposición del fluido de trabajo o que existen como impurezas originales en el material, pueden eventualmente reducir la efectividad del tubo para transferir 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. Un tubo 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 funcionar a muy largo plazo sin mantenimiento, por lo que la pared del tubo de calor y la mecha 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 cantidades significativas de gas no condensable en cuestión de horas o días, lo que dificultará el funcionamiento normal del tubo de calor. Este problema se debe principalmente a la oxidación y corrosión del aluminio en presencia de agua, que libera gas hidrógeno que se acumula como gas no condensable. [16]
Desde que George Grover redescubrió los tubos de calor en 1963, se han realizado extensas pruebas de vida útil para determinar pares de fluidos y envolturas compatibles, algunas de las cuales se han prolongado durante décadas. En una prueba de vida útil de los tubos de calor, estos se hacen funcionar durante largos períodos de tiempo y se controlan para detectar problemas como la generación de gases no condensables, el transporte de materiales y la corrosión. [17] [18]
Los pares de envoltura (y mecha)/fluido más comúnmente utilizados incluyen: [19]
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 enfriamiento de dispositivos electrónicos cuando el tubo de calor debe funcionar por debajo del rango del agua, tubos de calor de aluminio/etano para control térmico de naves espaciales en entornos donde el amoníaco puede congelarse, y envoltura de metal refractario /fluido de trabajo de litio para aplicaciones de alta temperatura (por encima de 1050 °C (1920 °F)). [20]
Los tubos de calor deben ajustarse a condiciones de refrigeración particulares. La elección del material, el tamaño y el refrigerante de los tubos influyen en las temperaturas óptimas a las que funcionan los tubos de calor. Cuando se utilizan fuera de su rango térmico de diseño, la conductividad térmica del tubo de calor se reduce de manera efectiva a las propiedades de conducción térmica de su carcasa de metal sólido únicamente. En el caso de una carcasa de cobre , esto supone alrededor de 1/80 del flujo original. Esto se debe a que fuera del rango de temperatura previsto, el fluido de trabajo no sufrirá un 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 tubo de calor tradicional con un diámetro inferior a 3 mm debido a limitaciones de material. [21] Se ha demostrado que los tubos de calor que contienen grafeno pueden mejorar el rendimiento de refrigeración en la electrónica. [22]
Además de los tubos de calor de conductancia constante estándar (CCHP), existen otros tipos de tubos de calor, [23] entre los que se incluyen:
Los tubos de calor planos y delgados ( dispersores 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. [24] Además, generalmente se utiliza una estructura de soporte interna o una serie de postes en una cámara de vapor para soportar presiones de sujeción que a veces llegan a los 90 PSI. Esto ayuda a evitar el colapso de la parte superior e inferior planas cuando se aplica la presión.
Las cámaras de vapor tienen dos aplicaciones principales. En primer lugar, se utilizan cuando se aplican altas potencias y flujos de calor a un evaporador relativamente pequeño. [25] 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 se inviertan, con el evaporador por encima del 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 menor que se puede eliminar por 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 . [26]
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 de disipación de calor más plano y bidimensional, los portátiles para juegos más elegantes se benefician enormemente de ellas en comparación con los tubos de calor tradicionales. Por ejemplo, la refrigeración por cámara de vapor en el Legion 7i de Lenovo fue su atractivo comercial más exclusivo (aunque se publicitó erróneamente como que todos los modelos tenían cámaras de vapor, cuando en realidad solo unos pocos las tenían [27] ).
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 tubos de calor planos y delgados se están abriendo camino en aplicaciones "sensibles a la altura", como computadoras portátiles y núcleos de placas de circuitos de montaje superficial. Es posible producir tubos de calor planos con un grosor de hasta 1,0 mm (un poco más gruesos que una tarjeta de crédito de 0,76 mm ). [28]
Los tubos de calor estándar son dispositivos de conductancia constante, donde la temperatura de funcionamiento del tubo de calor se establece por las temperaturas de la fuente y el disipador, las resistencias térmicas de la fuente al tubo de calor y las resistencias térmicas del tubo de calor al disipador. En estos tubos de calor, la temperatura cae linealmente a medida que se reduce la temperatura de la fuente de energía o 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 disipador. Los tubos de calor de conductancia variable (VCHP) se utilizan para mantener pasivamente la temperatura de la electrónica que se está enfriando a medida que cambian las condiciones de la fuente de energía y del disipador. [29]
Los tubos de calor de conductancia variable tienen dos añadidos en comparación con un tubo de calor estándar: 1. un depósito y 2. un gas no condensable (NCG) añadido al tubo de calor, además del fluido de trabajo. Este gas no condensable es normalmente argón para los tubos de calor de conductancia variable estándar y helio para los termosifones. Cuando el tubo de calor no está en funcionamiento, 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 en funcionamiento, el gas no condensable es arrastrado hacia el extremo del condensador del tubo de calor por el flujo del vapor del fluido de trabajo. 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 se aumenta la temperatura de potencia o del disipador de calor, la temperatura y la presión del vapor del tubo de calor aumentan. La mayor presión de vapor fuerza una mayor cantidad de gas no condensable hacia el depósito, lo que aumenta la longitud del condensador activo y la conductancia del tubo de calor. Por el contrario, cuando se reduce la potencia o la temperatura del disipador de calor, la temperatura y la presión del vapor del tubo de calor disminuyen, y el gas no condensable se expande, lo que reduce la longitud del condensador activo 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 varió de 72 a 150 W y la temperatura del disipador de calor varió de +15 °C a -65 °C.
Los tubos de calor controlados por presión (PCHP) se pueden utilizar cuando se requiere un control de temperatura más estricto. [30] En un tubo de calor controlado por presión, 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 demostrado un control de temperatura de mili-Kelvin. [31]
Los tubos de calor convencionales transfieren calor en ambas direcciones, desde el extremo más caliente al más frío del tubo de calor. Varios tubos de calor diferentes actúan como un diodo térmico , transfiriendo calor en una dirección, mientras que actúan como aislante en la otra: [32]
Un diodo trampa de vapor se fabrica de manera similar a un tubo de calor de conductancia variable, con un depósito de gas en el extremo del condensador. Durante la fabricación, el tubo de calor se carga con el fluido de trabajo y una cantidad controlada de un gas no condensable (NCG). Durante el funcionamiento normal, el flujo de vapor del fluido de trabajo desde el evaporador hasta el condensador arrastra el gas no condensable hacia el depósito, donde no interfiere con el funcionamiento normal del tubo de calor. Cuando se calienta el condensador nominal, el flujo de vapor es desde el condensador nominal hasta el evaporador nominal. El gas no condensable es arrastrado junto con el vapor que fluye, bloqueando completamente el evaporador nominal y aumentando en gran medida 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 transportó 95 W en la dirección hacia adelante y solo 4,3 W en la dirección inversa. [33]
Un diodo de trampa de líquido tiene un depósito de mecha 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. [34] Durante el funcionamiento normal, el evaporador y el depósito se calientan. El vapor fluye al condensador y el líquido regresa al evaporador por fuerzas capilares en la mecha. El depósito finalmente se seca, ya que no hay 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 succionado de regreso al evaporador por acción capilar , de manera similar a la forma en que una esponja succiona agua cuando se coloca un borde 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 un tubo de calor de agua típico.
Sin embargo, si el evaporador se encuentra debajo del condensador, el líquido puede drenar de regreso por gravedad en lugar de requerir una mecha, y la distancia entre los dos puede ser mucho mayor. Este tipo de tubo de calor asistido por gravedad se conoce como termosifón . [35]
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 se drena de regreso a la parte inferior 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 tubo de calor de agua terrestre típico tiene menos de 30 cm de largo, los termosifones suelen tener varios metros de largo. Los termosifones utilizados para enfriar el oleoducto de Alaska tenían aproximadamente entre 11 y 12 m de largo. Se han propuesto termosifones aún más largos para la extracción de energía geotérmica. Por ejemplo, Storch et al. fabricaron un termosifón de propano de 53 mm de diámetro interno y 92 m de largo que transportaba aproximadamente 6 kW de calor. [36] Su escalabilidad a grandes tamaños también los hace relevantes para aplicaciones de energía solar térmica [37] y HVAC. [38]
Un tubo de calor de bucle (LHP) es un dispositivo pasivo de transferencia de dos fases relacionado con el tubo de calor. Puede transportar mayor potencia a distancias más largas al tener flujo de líquido y vapor en paralelo, en contraste con el flujo en contracorriente en un tubo de calor. [39] [40] Esto permite que la mecha en un tubo de calor de bucle sea necesaria solo en el evaporador y la cámara de compensación. Los microtubos de calor de bucle se han desarrollado y utilizado con éxito en una amplia esfera de aplicaciones tanto en tierra como en el espacio.
Un tubo de calor oscilante (OHP), también conocido como tubo de calor pulsante (PHP), está solo parcialmente lleno de fluido de trabajo líquido. El tubo está dispuesto en un patrón serpenteante en el que se alternan segmentos de líquido y vapor que se mueven libremente. [41] La oscilación tiene lugar en el fluido de trabajo; el tubo permanece inmóvil. Estos se han investigado para muchas aplicaciones, incluyendo paneles fotovoltaicos de refrigeración, [42] dispositivos electrónicos de refrigeración, [43] sistemas de recuperación de calor, sistemas de pilas de combustible, [44] [45] sistemas HVAC, [46] y desalinización. [47] Cada vez más, los PHP se combinan sinérgicamente con materiales de cambio de fase . [43] [47]
Los tubos de calor emplean el cambio 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 del tubo y no pueden reducir las temperaturas en ninguno de los extremos por debajo de la temperatura ambiente (por lo tanto, tienden a igualar la temperatura dentro del tubo).
Cuando se calienta un extremo del tubo de calor, el fluido de trabajo que se encuentra 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 del tubo.
La presión de vapor sobre el fluido de trabajo líquido caliente en el extremo caliente del tubo es mayor que la presión de vapor de equilibrio sobre el fluido de trabajo en condensación en el extremo más frío del tubo, y esta diferencia de presión impulsa 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 del tubo. Los gases no condensantes (causados por contaminación, por ejemplo) en el vapor impiden el flujo de gas y reducen la efectividad del tubo de calor, particularmente 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 no condensantes (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 requerida ] Nota/explicación: La tasa de condensación es muy cercana al 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 causada por la temperatura finita de la superficie cancela en gran medida este flujo de calor. Si la diferencia de temperatura es mayor que algunas decenas de grados, la vaporización de la superficie es típicamente 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, es muy difícil mantener diferencias de temperatura tan significativas entre el gas y la superficie de condensación. Además, estas diferencias de temperatura corresponden, por supuesto, a una gran resistencia térmica efectiva en sí mismas. El cuello de botella es a menudo menos severo en la fuente de calor, ya que las densidades de gas son más altas allí, lo que corresponde a flujos de calor máximos más altos.
El fluido de trabajo condensado fluye luego de regreso al extremo caliente del tubo. En el caso de tubos de calor orientados verticalmente, el fluido puede moverse por la fuerza de la gravedad. En el caso de tubos de calor que contienen mechas, el fluido regresa por acción capilar .
Al fabricar tubos de calor, no es necesario crear 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 no condensados del tubo y luego se sella el extremo.
Una propiedad interesante de los tubos de calor es el rango de temperatura en el que son efectivos. Inicialmente, se podría sospechar que un tubo de calor cargado con agua solo funciona cuando el extremo caliente alcanza el punto de ebullición (100 °C, 212 °F, a presión atmosférica normal) y se transfiere vapor al extremo frío. Sin embargo, el punto de ebullición del agua depende de la presión absoluta dentro del tubo. En un tubo evacuado, el agua se vaporiza desde su punto triple (0,01 °C, 32 °F) hasta su punto crítico (374 °C; 705 °F), siempre que el tubo de calor contenga tanto líquido como 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 tubos de calor de agua a largo plazo es de 270 °C (518 °F), y los tubos de calor funcionan hasta 300 °C (572 °F) para pruebas a corto plazo. [48] [49]
La principal razón de la eficacia de los tubos de calor es la vaporización y condensación del fluido de trabajo. El calor de vaporización supera con creces la capacidad calorífica específica . Si tomamos 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 requerida ]
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 el transporte de calor sin energía eléctrica ni piezas móviles. Para expulsar el calor mediante radiación térmica se necesitan paneles de radiador de gran tamaño (de varios metros cuadrados). Los tubos de calor y los tubos de calor en bucle se utilizan ampliamente en las naves espaciales, ya que no requieren energía para funcionar, funcionan de manera casi isotérmica y pueden transportar calor a largas distancias.
En los tubos de calor de las naves espaciales se utilizan mechas ranuradas, como se muestra en la primera fotografía de esta sección. Los tubos de calor se forman mediante la 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 las mechas de malla o sinterizadas que se utilizan para los tubos de calor terrestres, ya que los tubos de calor 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 para un tubo de calor de agua que funciona en la Tierra. El amoníaco es el fluido de trabajo más común para los tubos de calor de las 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 tubo de calor de conductancia variable (VCHP) ranurado típico de aluminio/amoníaco para el control térmico de naves espaciales. El tubo de calor es una extrusión de aluminio, similar a la que se muestra en la primera figura. El área inferior con brida es el evaporador. Por encima del evaporador, la brida está mecanizada para permitir que se doble la sección adiabática. El condensador se muestra por encima de la sección adiabática. El depósito de gas no condensable (NCG) se encuentra por 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 tubos de calor comenzaron a usarse en los sistemas informáticos a fines de la década de 1990, [50] cuando los mayores requisitos de energía y los consiguientes aumentos en la emisión de calor dieron como resultado mayores demandas en los sistemas de enfriamiento. En la actualidad, se usan 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 puede disiparse en el medio ambiente.
Los tubos de calor también se utilizan ampliamente en aplicaciones de calentamiento solar de agua en combinación con conjuntos de colectores solares de tubos de vacío. En estas aplicaciones, se utiliza comúnmente agua destilada como fluido de transferencia de calor dentro de una longitud sellada de tubería de cobre que se encuentra dentro de un tubo de vidrio de vacío y está 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. [51]
En aplicaciones de calentamiento solar de agua, 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 reduce la pérdida de calor por convección y conducción. Sin embargo, las eficiencias relativas del sistema de tubo de vacío se reducen en comparación con los colectores de placa plana porque estos últimos tienen un tamaño de apertura más grande y pueden absorber más energía solar por unidad de área. Esto significa que, mientras que un tubo de vacío individual tiene un mejor aislamiento (menores pérdidas por conducción y convección) debido al vacío creado dentro del tubo, una matriz de tubos que se encuentra en un conjunto solar completo absorbe menos energía por unidad de área debido a que hay menos área de superficie absorbente orientada 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 de congelación, el fluido de transferencia de calor puede congelarse y se deben tomar precauciones para garantizar que el líquido congelante no dañe el tubo de vacío al diseñar sistemas para tales entornos. Los calentadores de agua solares térmicos diseñados adecuadamente pueden protegerse contra las heladas hasta más de -3 °C con aditivos especiales y se están utilizando en la Antártida para calentar agua. [ cita requerida ]
La construcción sobre permafrost es difícil porque el calor de la estructura puede descongelarlo. En algunos casos se utilizan tubos de calor para evitar el riesgo de desestabilización. Por ejemplo, en el sistema de oleoducto 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 descender por las patas de apoyo del oleoducto y derretir el permafrost sobre el que están anclados los soportes. Esto haría que el oleoducto se hundiera y posiblemente se dañara. Para evitarlo, cada elemento de soporte vertical se ha montado con cuatro termosifones de tubos de calor verticales . [52]
La característica más importante de un termosifón es que es pasivo y no requiere de 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 hay gas condensándose 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 oleoducto Trans-Alaska inicialmente se utilizó amoníaco como fluido de trabajo, sin embargo, este fue reemplazado por dióxido de carbono debido a bloqueos. [53]
También se utilizan tubos de calor para mantener congelado el permafrost 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 pertinentes evitan que el calor se propague más hacia el permafrost circundante.
Dependiendo de la aplicación, existen varios diseños de termosifón: [54] termosonda, termopila , termosifón de profundidad, base de termosifón inclinado, base de termosifón de bucle plano y base de termosifón de bucle plano híbrido.
El primer producto comercial de tubos de calor fue el "Thermal Magic Cooking Pin" desarrollado por Energy Conversion Systems, Inc. y vendido por primera vez en 1966. [55] Los tubos de calor utilizaban agua como fluido de trabajo. La envoltura era de acero inoxidable, con una capa interior de cobre para compatibilidad. Durante el funcionamiento, un extremo del tubo de calor se introduce a través del asado. El otro extremo se extiende hacia el horno, donde atrae el calor hacia el centro del asado. La alta conductividad efectiva del tubo de calor reduce el tiempo de cocción de trozos grandes de carne a la mitad. [56]
El principio también se ha aplicado a las cocinas de camping. El tubo de calor transfiere un gran volumen de calor a baja temperatura para permitir hornear alimentos y cocinar otros platos en situaciones similares a las de un camping. [ cita requerida ]
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 entrada.
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 con la ayuda de la fuerza de la gravedad. En general, los fabricantes afirman que las eficiencias de transferencia de calor bruta son de hasta el 75 %. [ cita requerida ]
Grover y sus colegas estaban trabajando en sistemas de refrigeración para celdas de energía nuclear para naves espaciales , donde se encuentran condiciones térmicas extremas. Estos tubos de calor de metal alcalino transferían calor desde la fuente de calor a un convertidor termoiónico o termoeléctrico para generar electricidad.
Desde principios de los años 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. [57] El primer reactor nuclear que produjo electricidad utilizando tubos de calor se puso en funcionamiento por primera vez el 13 de septiembre de 2012, en una demostración utilizando fisión de superficie plana. [58]
La ignición de la mezcla de combustible siempre tiene lugar en la misma parte de los motores Wankel , lo que induce disparidades de dilatación térmica que reducen la potencia de salida, perjudican el ahorro de combustible y aceleran el desgaste. En el documento SAE 2014-01-2160, de Wei Wu et al., describe: 'Un motor Wankel rotativo enfriado por aire asistido por tubo de calor para mejorar la durabilidad, la potencia y la eficiencia', [59] 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 enfriado por aire de desplazamiento de cámara pequeña .
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, solo se libera una pequeña cantidad de líquido, lo que es fundamental para ciertos procesos industriales, como la fundición de aluminio. Además, aunque se rompa un tubo de calor, el intercambiador de calor de tubos de calor sigue funcionando.
Debido a la gran adaptabilidad de los tubos de calor, la investigación explora la implementación de tubos de calor en varios sistemas:
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