هیت پایپ چیست؟ کاربرد لوله حرارتی

استفاده از هیت پایپ یا لوله حرارتی یکی از موثرترین روش ها برای انتقال انرژی حرارتی از یک نقطه به نقطه ای دیگر است. از هیت پایپ برای خنک کردن تجهیزات بر اساس ترکیبی از هدایت و انتقال حرارت همرفتی (در یک سیستم تبخیر و چگالش پیچیده) استفاده می شود. متداول ترین کاربرد هیت پایپ در سیستم های خنک کننده کامپیوتری است.

هیت پایپ چیست؟

هیت پایپ یا لوله حرارتی یک لوله توخالی آب بندی شده است. برای ساخت هیت پایپ از یک فلز رسانای حرارتی مانند مس یا آلومینیوم استفاده می شود. بنابراین میتوان گفت بخشی از هیت پایپ ها همانند لوله های مسی میباشند، هیت پایپ دارای مقدار کمی از سیال یا خنک کننده (مانند آب، اتانول یا جیوه) است. باقی لوله با فاز بخار سیال پر شده و سایر گازها حذف شده اند. همچنین برای مشاهده انواع و قیمت لوله های مسی میتوانید به سایت ما مراجعه کنید.

متداول ترین لوله حرارتی، استوانه ای است که در داخل آن یک فیتیله وجود دارد. سیال از طریق فتیله از سمت سردتر (condenser) به سمت گرمتر (evaporator) حرکت می کند و در آنجا تبخیر می شود. سپس این بخار به سمت سینک حرارتی کندانسور حرکت می کند و انرژی حرارتی را همراه خود می آورد. سیال متراکم می شود و گرمای نهان خود را در کندانسور آزاد می کند و سپس این چرخه را تکرار می کند تا به طور مداوم گرما را از بخشی از سیستم خارج کند.

افت دما در سیستم به دلیل ضریب انتقال حرارت بسیار بالا برای جوش و میعان حداقل است. رسانایی گرمایی موثر در لوله حرارتی می تواند به 10000 تا 100000 وات بر متر کلوین برسد که در مقایسه با 400 وات بر متر کلوین برای مس بسیار بالاتر است.

هیت پایپ دارای قطعات متحرک نیست و معمولا نیازی به تعمیر و نگهداری ندارد. اما گاهی با نفوذ گازهای غیر متراکم از طریق دیواره لوله، ناخالصی هایی در لوله ایجاد شده و اثربخشی انتقال حرارت را کاهش می دهد. این امر به ویژه هنگامی که فشار بخار سیال کم است، تشدید می شود.

مزیت استفاده از لوله حرارتی بازده بالای آن در انتقال حرارت است. آنها در واقع رسانای گرمایی بسیار بهتری نسبت به فلز مس هستند. جریان گرمایی بیش از 230 مگاوات بر متر مربع (تقریبا 4 برابر شار گرما در سطح خورشید) در لوله حرارتی ثبت شده است.

سطح فشار کل در لوله حرارتی را می توان با کنترل حجم سیال تنظیم کرد. به عنوان مثال، آب وقتی در فشار 1 اتمسفر تبخیر می شود، حجم آن 1600 برابر می شود. اگر 1600/1 حجم یک لوله حرارتی با آب پر شود، وقتی تمام سیال تبخیر شود، فشار یک اتمسفر خواهد بود. اگر فشار کاری ایمن لوله مورد نظر مثلا 5 اتمسفر باشد، می توان از مقدار آب معادل 1600/5 حجم کل لوله استفاده کرد.

یک لوله حرارتی اصلاح شده با مخزن بدون اتصال مویرگی به فیتیله لوله حرارتی در انتهای تبخیر کننده (اواپوریتر) نیز می تواند به عنوان دیود حرارتی استفاده شود. این لوله حرارتی گرما را در یک جهت انتقال می دهد و در جهت دیگر به عنوان عایق عمل می کند.

مکانیسم عملکرد لوله حرارتی

لوله حرارتی از خنک کننده تبخیری برای انتقال انرژی حرارتی از یک نقطه به نقطه دیگر استفاده می کند. در واقع عملکرد آن بر پایه تبخیر و متراکم شدن یک سیال یا مایع خنک کننده است. اساس کار لوله حرارتی به اختلاف دما بین دو انتهای لوله متکی است و نمی توانند دما را در هر دو طرف کاهش دهد.

هنگامی که یک سمت لوله حرارتی گرم می شود، سیال داخل لوله در آنجا تبخیر می شود و فشار بخار داخل لوله حرارتی را افزایش می دهد. گرمای نهان تبخیر جذب شده توسط تبخیر سیال باعث کاهش دما در سمت گرم لوله می شود.

فشار بخار روی سیال در سمت گرم لوله، بیشتر از فشار بخار تعادلی سیال متراکم در سمت خنک لوله است. این اختلاف فشار باعث انتقال سریع جرم به سمت خنک لوله می‌شود. بخار اضافی متراکم می شود، گرمای نهان خود را آزاد می کند و انتهای خنک لوله را گرم می کند.

گازهای متفرقه (مانند گازهای ناشی از آلودگی) در بخار، جریان گاز را مختل می کند و کارایی لوله حرارتی را کاهش می دهد. به ویژه در دماهای پایین، جایی که فشار بخار پایین، این مساله شدیدتر است.

سرعت مولکول ها در گاز تقریبا برابر سرعت صوت است و در غیاب گازهای متفرقه، این سرعت بسیار بالایی است. گرما با این سرعت در لوله حرکت می کند. در عمل، سرعت بخار در لوله حرارتی به سرعت تراکم در انتهای سرد لوله بستگی دارد.

سپس سیال متراکم شده به سمت گرم لوله باز می گردد. در لوله های حرارتی عمودی، سیال ممکن است توسط نیروی گرانش حرکت کند. در لوله های حرارتی حاوی فتیله، سیال با نیروی مویینگی برگشت داده می شود.

انواع هیت پایپ بر اساس سیال خنک کننده

نوع مواد و سیال خنک کننده در هیت پایپ به شرایط دمایی که لوله حرارتی باید در آن کار کند بستگی دارد. به طور معمول از سیالات زیر به عنوان خنک کننده در هیت پایپ استفاده می شود.

در اغلب لوله های حرارتی برای کاربردهای دمای پایین از ترکیبی از سیالات زیر استفاده می شود.

• آمونیاک برای بازه دمایی 213 تا 373 کلوین
• الکل (متانول برای بازه دمایی 283 تا 403 کلوین یا اتانول برای بازه دمایی 273 تا 403 کلوین)
• آب برای بازه دمایی 303 تا 473 کلوین

همچنین در بازه های دمایی بسیار بالا یا پایین از سیالات زیر در هیت پایپ استفاده می شود.

• هلیوم مایع برای کاربردهای دمای بسیار پایین ( حدود 2 تا 4 درجه کلوین)
• جیوه برای بازه دمایی 523 تا 923 کلوین
• سدیم برای بازه دمایی 873 تا 1473 کلوین
• ایندیم برای برای شرایط دمایی بسیار بالا (بازه دمایی 2000 تا 3000 کلوین)

مزایای هیت پایپ

• هدایت حرارتی بالا: هیت پایپ توانایی انتقال حرارت در فواصل طولانی با حداقل افت دما را دارد.
• عملیات ایزوترمال: هیت پایپ دارای سطوح همدما، با تغییرات دما تا mK 5 ± است.
• کارکرد طولانی بدون تعمیر و نگهداری: نبود قطعات متحرک موجب می شود که هیت پایپ کارکرد بالایی داشته باشد. همچنین آب بندی لوله حرارتی از تلفات سیال جلوگیری می کند و پوشش های محافظ می توانند به هر دستگاه محافظت طولانی مدت در برابر خوردگی بدهند.
• هزینه های پایین تر: با کاهش دمای کارکرد، این لوله ها می توانند میانگین زمان خرابی برای مجموعه های الکترونیکی را کاهش دهند. بدین ترتیب خدمات تعمیر و نگهداری مورد نیاز و هزینه های تعویض نیز کاهش می یابد. در سیستم های HVAC، لوله های حرارتی می توانند در انرژی مورد نیاز برای گرمایش و تهویه مطبوع به طور قابل توجهی صرفه جویی کنند.

کاربرد لوله حرارتی

از لوله های حرارتی در صنایع گوناگون استفاده می شود. برخی از کاربردهای هیت پایپ عبارتند از:

هوافضا

متخصصان در سازمان ناسا برای سیستم های خنک کننده سلول های انرژی هسته ای در فضاپیماها، جایی که تغییرات حرارتی شدید وجود دارد، از لوله های حرارتی برای مدیریت شرایط دمای داخلی استفاده می کنند. در صورتی که مایل هستید بیشتر در مورد قیمت تیوب حرارتی A179 یا لوله A179 اطلاع داشته باشید وارد صفحه آن شوید.

سیستم های کامپیوتری

هیت پایپ ها به طور گسترده در سیستم های کامپیوتری مدرن مورد استفاده قرار می گیرند. به ویژه در جایی که افزایش سرعت و توان موجب انتشار گرما می شود، نیاز به سیستم های خنک کننده وجود دارد. از لوله های حرارتی برای انتقال گرما از قطعاتی مانند CPU و GPU به سینک های حرارتی استفاده می شود که در آن انرژی حرارتی به محیط بیرون هدایت می شود.

آبگرمکن های خورشیدی

لوله های حرارتی همچنین به طور گسترده در برنامه های گرمایش آب با انرژی خورشیدی در کنار کلکتورهای خورشیدی استفاده می شوند. در این کاربردها، از آب مقطر به عنوان سیال انتقال حرارت در داخل یک لوله مسی آب بندی شده استفاده می شود. این مجموعه در داخل یک لوله شیشه ای در معرض نور خورشید قرار می گیرد.

خطوط لوله نفت و گاز

از لوله های حرارتی برای دفع گرما در خط لوله نیز استفاده می شود. گرمای حاصل از اصطکاک و حرکت نفت موجب ذوب یخ ها در مناطق قطبی و آلاسکا می شود. استفاده از لوله های حرارتی با رادیاتور در بالا موجب می شود که گرما یخ های دائمی را ذوب نکنند و اجازه ندهند خط لوله فرو بریزد.

محدودیت های استفاده از هیت پایپ

• لوله های حرارتی باید در شرایط خنک کننده خاصی تنظیم شوند. انتخاب مواد لوله، ابعاد آن و مایع خنک کننده همگی بر دمای بهینه ای که لوله های حرارتی در آن کار می کنند، تأثیر می گذارد.
• هنگامی که بالاتر از یک دمای معین گرم می شود، تمام سیال موجود در لوله حرارتی تبخیر می شود و فرآیند تراکم متوقف می شود. در چنین شرایطی، رسانایی حرارتی هیت پایپ کاهش می‌یابد. از آنجایی که اکثر لوله های حرارتی از مس ساخته شده اند (فلزی با رسانایی حرارتی بالا)، میزان هدایت حرارتی در لوله هایی که بیش از حد گرم شده اند، به یک هشتادم کاهش می یابد.
• علاوه بر این، در زیر یک دمای معین، سیال اصلا تبخیر نمی‌شود و هدایت حرارتی کاهش می‌یابد. از این رو یکی از معیارهای کلیدی برای انتخاب یک سیال، محدوده دمای عملیاتی آن است.

بهبود ساختاری هیت پایپ

هیت پایپ ها عموما به شکل استوانه های بلند و نازک (لوله) با اندازه مشخص ساخته می شوند، اما از آنجایی که دستگاه های الکترونیکی امروزه کوچک تر، نازک تر و سبک تر شده اند، شاهد تغییراتی در هیت پایپ ها هم هستیم. امروزه لوله های حرارتی با اشکال فشرده و نازک (مسطح مانند لوله له شده) تولید می شوند.

به طور کلی، عواملی که به توانایی انتقال گرما در هیت پایپ کمک می کنند عبارتند از:

• قطر لوله بزرگ
• مقطع لوله گردتر به جای مسطح
• و مسیر مستقیم لوله بدون خم شدن

اما هر چه لوله بزرگتر باشد، فضای بیشتری را اشغال می کند و سنگین تر است. عاقلانه است که برای ملاحظاتی مانند گرمای تولید شده توسط منبع گرما و کاربرد خاص، محصولی را انتخاب کنید که بهینه باشد. در ادامه برخی از تغییرات لوله های حرارتی آورده شده است.

همچنین امروزه اتاقک های بخار ورقه ای تولید می شوند، که بسیار نازک تر از لوله های حرارتی هستند. برخلاف لوله های حرارتی که فقط گرما را بین دو ناحیه به صورت «خطی» منتقل می کنند، اتاقک های بخار توانایی پخش گرما را به مناطق اطراف به صورت «مسطح» دارند. علاوه بر این، هنگام استفاده از لوله های حرارتی، منبع گرما معمولا در مکانی از نظر فیزیکی پایین تر از سینک حرارتی (جزء اتلاف گرما) قرار می گیرد، در غیر این صورت سیستم به طور مؤثر کار نمی کند. در حالی که اتاقک های بخار چنین محدودیت هایی ندارند.

سخن آخر

مجموعه پردیس فولاد با نزدیک به چهار دهه حضور تاثیر گذار در صنایع فولاد کشور، امکان خرید و اطلاع از قیمت لوله مبلی استیل و انواع لوله حرارتی (هیت پایپ)، لوله فولادی، استنلس استیل، آلیاژی، حرارتی، قیمت لوله برودتی، آتشخوار و مانیسمان برای مشتریان فراهم کرده است.

مجموعه پردیس فولاد در سبد محصولات خود انواع اتصالات، شیرآلات و استرینرهای مورد نیاز در صنعت پایپینگ را نیز دارد. اگر قصد مشاوره یا خرید انواع لوله، اتصالات و شیرآلات را دارید با ما تماس بگیرید. مهندسان و کارشناسان مجموعه آماده پاسخ گویی به کلیه سوالات و دادن مشاوره رایگان به شما مشتریان عزیز هستند. همچنین شما را در جریان قیمت روز انواع لوله ها و اتصالات قرار می دهند.

سوالات متداول