تعریف لوله حرارتی (Heat Pipe) در صنایع مکانیک

تعریف لوله حرارتی (Heat Pipe) در صنایع مکانیک:
لوله حرارتی (Heat Pipe) تجهیز ساده ایست که هیچ قطعه متحرکی در آن به کار نرفته و قادر است حرارت زیادی را در فواصل طولانی انتقال دهد.

این تجهیز که تحت عنوان لوله گرمایی نیز شناخته می شود، به توان ورودی نیازی ندارد و فرآیند انتقال حرارت را در دمایی ثابت انجام می دهد. لوله حرارتی یک لوله باریک و بلند است که کاملاً عایق بندی می شود.

لایه داخلی این لوله، ساختاری مویین و فتیله ای (Wick Material) دارد که درون این ساختار، جریان اندکی از آب در حالت اشباع برقرار است.

به شکل زیر توجه کنید. لوله حرارتی از سه قسمت تشکیل شده است. در یک انتهای این لوله، قسمت اواپراتور (Evaporator) قرار دارد. در این قسمت، گرما جذب شده و سیال (که معمولاً آب است) تبخیر می شود. قسمت کندانسور (Condenser)، در انتهای دیگر لوله حرارتی قرار دارد. تقطیر بخار و آزاد شدن گرما در این قسمت انجام می شود. در بین دو انتهای لوله، قسمت آدیاباتیک (Adiabatic) قرار می گیرد.

در قسمت آدیاباتیک، فازهای بخار و مایع در جهت هایی خلاف یکدیگر، یکی از قسمت مرکزی لوله و دیگری از قسمت فتیله ای، در حرکت هستند تا با کمترین میزان اتلاف انرژی، چرخه لوله حرارتی کامل شود.

نوع سیال و فشار کاری در داخل لوله گرمایی، بستگی به دمای کاری آن دارد. به عنوان مثال، دمای نقطه سه گانه و نقطه بحرانی برای آب، به ترتیب برابر0.01∘Cو374.1∘C است. بنابراین، آب فقط می تواند در این بازه دمایی، از مایع به بخار یا از بخار به مایع، تغییر فاز دهد.

به همین دلیل، اگر قرار است لوله حرارتی در دماهایی خارج از این بازه، به کار گرفته شود، آب گزینه مناسبی نیست. علاوه بر این، در یک دمای مشخص، آب تنها در صورتی تغییر فاز می دهد که فشار آن با فشار بخار در آن دما برابر باشد.

مثلاً اگر یک لوله حرارتی از آب استفاده کند و طوری طراحی شود تا حرارت را در دمای70∘C جذب کند، فشار داخل لوله باید در31.2kPa نگه داشته شود. این مقدار، همان فشار بخار آب در این دما است. به این نکته توجه کنید که این فشار، به اندازه کافی پایین تر از فشار اتمسفر (101kPa) است و در نتیجه، در این حالت، لوله حرارتی در محیط خلأ قرار خواهد داشت.

اگر فشار درون لوله برابر با فشار اتمسفر نگه داشته می شد، انتقال حرارت به جای تبخیر آب، موجب افزایش دمای آن شده بود.

با اینکه آب، سیال مناسبی برای استفاده در بازه های دمایی متدوال مورد نیاز در تجهیزات الکتریکی است، در ساخت لوله های حرارتی از سیالات دیگری هم می توان استفاده کرد که هم در دماهای برودتی و هم در دماهای بالا مناسب باشند.

بازه دمایی مناسب برای برخی از سیالات پرکاربرد در ساخت لوله حرارتی را در جدول زیر مشاهده می کنید. همان طور که می بینید، بازه دمایی وسیعی از نزدیک به صفر مطلق (در سیالی مانند هلیوم) تا حدود
1600∘C(برای فلزات مایع مانند لیتیوم) پوشش داده شده است.

حد بالا و پایین دما برای سیالات، دمای نقاط بحرانی و سه گانه آنهاست. از سایر ویژگی های لازم برای سیالات مورد استفاده در لوله حرارتی می توان به کشش سطحی بالا، سازگاری با ماده فتیله ای، در دسترس بودن، پایداری شیمیایی، غیر سمی بودن و بالا نبودن هزینه آن اشاره کرد.