لوله هاي گرمايي، تاريخچه و تئوري

[ریپورتر]

1-1 تاریخچه
از سال 1831 تا 1892، S. Perkins و A.M. Perkins طرحی را ارائه دادند که آن را لوله پرکین نامیدند، که اساساً یک لوله گرمایی (http://www.irche.com/article/Heatpipe_part1.asp) بود و لوله های گرمایی تک فاز و دو فاز را برای کاربرد بولیرها به کار گرفتند.

آنجیر مارچ پرکین در انتهای قرن هجدهم در ماساچوست ایالات متّحده به دنیا آمد و در سال 1827 به انگلستان آمد تا بتواند تحقیقات (http://www.irche.com/) بیشتری روی بويلرها و سیستم ها توزیع حرارت انجام دهد. کار بر روی لوله پرکین که وسیله ای با جریان دو فازی بود به شکل اختراع به پسر آنجیر پرکین نسبت داده می شود، در حالیکه عمده کارهای ابتدائی آن توسط آنجیر پرکین در نیمه¬ی قرن نوزدهم انجام شد. پرکین روی سیستم های توزیع حرارت تک فاز کار می کرد.

مقاله (http://www.irche.com/) ای که در سال 1898 منتشر شد بیان می کند که پرکین در سال 1831 اولین اختراعش را با عنوان سیستم گرمایش (http://www.irche.com/petrochemical.asp) پرکین توسط لوله های آهنی باریک به ثبت رساند. این سیستم اساساً یک بویلر با لوله های سر بسته بود که آب درون لوله ها (به صورت تک فاز در فشار بالا) بین کوره و دیگ بخار گردش کرده و یک سیستم گرمایش غیر مستقیم ایجاد می کرد. این بویلر با لوله های بسته بیش از صد سال در مقیاس تجاری تولید می شد. مشخصه های این سیکل بسته گرمایشی آب داغ، استفاده از آن را برای تبخیر کننده های تصفیه شکر، برای بویلرهای بخار و همچنین فرآیندهای بسته گرمایشی آب داغ، و همچنین فرآیندهای مختلفی که فلزات مذاب را برای آلیاژ کاری و کار با فلزات در دمای بالا نیاز داشتند، پیشنهاد می کرد. به این دلیل که در این سیستم، آب داغ پر فشاری با دمای دیواره بیش از c 1500 تولید می شد.

در سال 1839 یک بویلر لوله ای هم مرکز کشف شد. این سیستم در لوکومتیوهای بخار و بویلرهای بزرگی که بر این اساس کار می کنند، شامل تعداد زیادی لوله های بزرگ می شوند که از یک طرف بسته شده اند. ثابت شد که این سیستم سریعترین تولید کننده بخار فوق داغ بود که توسط شرکت پرکین ساخته شد.
در سال 1942 R.S. Gaugler نظریه لوله گلولهایی را مطرح نمود و در سال 1963، Grover این نظریه را به اجرا رسانید.



1-2 تئوری لوله گرمایی:
یک لوله گرمایی (http://www.irche.com/article/Heatpipe_part1.asp) لوله ای است که دو سر آن بسته بوده و داخل آن فتیله قرار دارد. البته ترموسیفون ها فاقد فتیله هستند. نحوه عملکرد یک لوله گرمایی با به کار بردن یک سیستم استوانه ای که در شکل (1-1) آورده شده است به آسانی قابل درک می باشد.

http://www.irche.com/article/images/heatpipe1.JPG

شكل 1-1 : شکل شماتیک یک لوله گرمایی همراه با نمایش اصول عملکرد و چرخش سیال عامل آن


اجزاء یک لوله گرمایی به ترتیب عبارت اند از: محفظه آب بندی شده (دیواره لوله و کلاهک های انتهایی)، یک سازه فتیله ای و مقداری کمی سیال عامل که در تعادل با بخارش قرار دارد.

فتيله معمولا در كنار ديواره لوله هاي گرمايي نصب مي شود و مي تواند اشكال هندسي مختلفي داشته باشد كه در شكل (2-1) نمونه هايي از آن را مشاهده مي نماييد.


http://www.irche.com/article/images/heatpipe2.jpg
شكل 2-1: انواع فتبله در لوله هاي گرمايي


لوله ها پس از تخیله هوا، توسط مقدار جزئی از سیال عامل، پر می شوند. تفاوت لوله گرمایی و ترموسیفون در این است که لوله گرمایی به علّت وجود فتیله و نیروی موئينگي، می تواند افقی قرار بگیرد و یا حتي قسمت تبخیر کننده در بالا و قسمت چگالنده در پایین قرار گیرد.در ترموسیفون (http://www.irche.com/article/Heatpipe_part1.asp) ها چون عامل بازگشت مایع به قسمت تبخیر کننده، نیروی جاذبه می باشد، بنابراین قسمت چگالنده باید بالاتر از قسمت تبخیر کننده قرار گیرد.


یک لوله گرمایی به طور کلّی از 3 بخش اصلی زیر تشکیل شده است:

الف) تبخیر کننده:
این بخش از لوله گرمایی قسمت پایین ترموسیفون بوده که در چشمه گرمایی قرار می گیرد که باعث تبخیر سیال عامل محتوی لوله می شود. بنابراین در این بخش گرما دریافت می شود.

ب) قسمت آدیاباتیک:
در این قسمت از لوله گرمایی انتقال حرارتی نداریم.

ج) قسمت چگالنده:
این بخش از لوله گرمایی که قسمت بالای ترموسیفون می باشد، در چاه گرمایی قرار دارد. در این قسمت بخار به مایع تبدیل می شود و گرمای نهان تبخیر آزاد می شود. (http://www.irche.com/)

گرمای وارد شده به تبخیر کننده که توسط یک چشمه خارجی تأمین می گردد، از میان دیواره لوله و سازه فتیله ای هدایت شده و سبب تبخیر سیال عامل می گردد. فشار بخار به وجود آمده سبب انتقال بخار از میان قسمت آدیاباتیک به چگالنده می گردد و در آنجا بخار حاصله چگالیده شده و گرمای نهان تبخیر، گرمای چاه را تأمین می سازد. فشار موئین ایجاد شده در فتیله، سبب پمپاژ سیال چگالیده شده به تبخیر کننده می گردد. بنابراین، لوله گرمایی می تواند به طور پیوسته گرمای نهان بخار را از تبخیر کننده به چگالنده انتقال دهد. (http://www.irche.com/oddments/books.asp) این فرآیند تا زمانیکه یک فشار موئین کافی برای انتقال سیّال چگالیده شده به تبخیر کننده موجود باشد، ادامه خواهد یافت.

چون سطح حلال ها در فصل مشترک مایع –بخار در تبخیر کننده بسیار خميده می باشد، مایع در شیارهای فتیله به عقب کشیده می‌شود. به عبارت دیگر، در هنگام چگالش، حلال ها در چگالنده، تقریباً صاف می باشند. فصل مشترک مایع- بخار در نزدیکی چگالنده کلاهک انتهایی، با یک نرخ جریان بسیار پایین بخار با گرادیان فشار صفر، تقریباً صاف می باشد. لازم به ذکر است که برای بازگشت سیال چگالیده شده در چگالنده به بخش تبخیر کننده، روشهای زیر وجود دارد:

-فتیله (لوله گرمایی استاندارد)
-وزن (لوله گرمایی ترموسیفون)
-نیروی گريز از مرکز(لوله گرمایی گردشی)
-نیروهای حجمی مغناطیسی(لوله گرمایی هیدرودینامیکی مغناطیسی)
-نیروهای اسمزي (لوله گرمایی اسمزي)
-پمپ حبابی (لوله گرمایی ترموسیفون بر عکس)