أنبوب حراري

الموسوعة الحرة
نظام أنابيب حرارية لأجهزة الكمبيوتر المحمولة

الأنبوب الحراري هو جهاز لنقل الحرارة يستخدم التحول الطوري لنقل الحرارة بين سطحين صلبين . [ 1 ]

عند السطح الساخن لأنبوب حراري، يتحول سائل متطاير ملامس لسطح صلب موصل حرارياً إلى بخار بامتصاصه الحرارة من ذلك السطح. ثم ينتقل البخار عبر الأنبوب الحراري إلى السطح البارد ويتكثف عائداً إلى سائل، مطلقاً الحرارة الكامنة . بعد ذلك، يعود السائل إلى السطح الساخن بفعل الخاصية الشعرية أو قوة الطرد المركزي أو الجاذبية، وتتكرر الدورة.

نظراً لمعاملات انتقال الحرارة العالية جداً للغليان والتكثيف ، تُعد الأنابيب الحرارية موصلات حرارية فعالة للغاية. وتختلف الموصلية الحرارية الفعالة باختلاف طول الأنبوب الحراري، ويمكن أن تصل إلى قيمة معينة.100  كيلوواط/(متر·كلفن) للأنابيب الحرارية الطويلة، مقارنةً بحوالي0.4  كيلوواط/(متر·كلفن ) للنحاس . [ 2 ]

تُصنع أنابيب التبريد الحديثة لوحدات المعالجة المركزية عادةً من النحاس وتستخدم الماء كسائل تبريد . [ 3 ] وهي شائعة في العديد من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية مثل أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة والأجهزة اللوحية والهواتف الذكية المتطورة.

تاريخ

يعود المبدأ العام لأنابيب نقل الحرارة بالجاذبية، والتي تُصنف عادةً على أنها أنابيب حرارية ثنائية الطور ، إلى عصر البخار. ابتكر أنجير مارش بيركنز وابنه لوفتوس بيركنز أنبوب بيركنز ، الذي انتشر استخدامه على نطاق واسع في غلايات القاطرات وأفران التشغيل. [ 4 ] اقترح آر إس غوغلر من شركة جنرال موتورز لأول مرة فكرة أنابيب نقل الحرارة الشعرية في عام 1942، وحصل على براءة اختراع للفكرة، [ 5 ] لكنه لم يطورها.

قام جورج غروفر بتطوير أنابيب حرارية تعتمد على الخاصية الشعرية بشكل مستقل في مختبر لوس ألاموس الوطني عام 1963؛ وكانت براءة اختراعه في ذلك العام [ 6 ] أول من استخدم مصطلح "الأنبوب الحراري"، وغالبًا ما يُشار إليه باسم "مخترع الأنبوب الحراري". [ 7 ] وقد دوّن في دفتر ملاحظاته: [ 8 ]

قد يكون هذا النظام المغلق، الذي لا يتطلب مضخات خارجية، ذا أهمية خاصة في مفاعلات الفضاء لنقل الحرارة من قلب المفاعل إلى نظام الإشعاع. في غياب الجاذبية، يجب أن تكون القوى كافية فقط للتغلب على الخاصية الشعرية ومقاومة البخار العائد عبر قنواتها.

تبنت وكالة ناسا اقتراح غروفر ، وكانت رائدة في تطوير أنابيب نقل الحرارة في ستينيات القرن الماضي، لا سيما فيما يتعلق بتطبيقاتها وموثوقيتها في رحلات الفضاء. وكان هذا أمراً مفهوماً نظراً لخفة وزن أنابيب نقل الحرارة، وارتفاع تدفقها الحراري، وانعدام استهلاكها للطاقة، فضلاً عن أنها لن تتأثر سلباً بانعدام الجاذبية.

كان أول تطبيق فضائي هو تحقيق التوازن الحراري لأجهزة الإرسال والاستقبال في الأقمار الصناعية. [ 9 ] أثناء دوران الأقمار الصناعية ، يتعرض أحد جانبيها للإشعاع الشمسي المباشر، بينما يكون الجانب الآخر مظلمًا تمامًا ومعرضًا لبرودة الفضاء الخارجي الشديدة . يتسبب هذا في تباينات كبيرة في درجات الحرارة (وبالتالي يقلل من موثوقية ودقة) أجهزة الإرسال والاستقبال. وقد تمكن أنبوب التبريد المصمم لهذا الغرض من إدارة التدفقات الحرارية العالية، وأظهر أداءً مثاليًا في وجود الجاذبية وغيابها. وكان نظام التبريد هذا هو الأول من نوعه الذي يستخدم أنابيب تبريد ذات موصلية متغيرة لتنظيم تدفق الحرارة أو درجة حرارة المبخر بشكل فعال.

اختبرت وكالة ناسا أنابيب حرارية مصممة للعمل في ظروف قاسية، حيث استخدم بعضها الصوديوم السائل كسائل تشغيل. وتُستخدم أنواع أخرى من الأنابيب الحرارية لتبريد أقمار الاتصالات الصناعية. [ 10 ] ناقشت منشورات في عامي 1967 و1968، من تأليف فيلدمان وإيستمان [ 11 ] وكاتزوف، لأول مرة تطبيقات الأنابيب الحرارية في استخدامات أوسع، مثل تكييف الهواء وتبريد المحركات والإلكترونيات. وكانت هذه الأبحاث أول من أشار إلى الأنابيب الحرارية المرنة والشريانية والمسطحة. وقدّمت منشورات عام 1969 مفهوم الأنبوب الحراري الدوراني وتطبيقاته في تبريد شفرات التوربينات، وتضمنت أولى المناقشات حول تطبيقات الأنابيب الحرارية في العمليات المبردة.

بدأت شركة سوني في ثمانينيات القرن الماضي بدمج أنابيب التبريد في منتجاتها الإلكترونية التجارية بدلاً من كل من أنظمة التبريد بالحمل القسري والمشتتات الحرارية ذات الزعانف السلبية. في البداية، استُخدمت هذه الأنابيب في أجهزة الاستقبال ومكبرات الصوت، وسرعان ما انتشرت إلى تطبيقات إلكترونية أخرى ذات تدفق حراري عالٍ.

خلال أواخر التسعينيات، أدى تزايد استخدام وحدات المعالجة المركزية للحواسيب الصغيرة ذات التدفق الحراري العالي إلى زيادة عدد طلبات براءات اختراع الأنابيب الحرارية في الولايات المتحدة بمقدار ثلاثة أضعاف. ومع تطور الأنابيب الحرارية من عنصر صناعي متخصص لنقل الحرارة إلى سلعة استهلاكية، انتقل معظم التطوير والإنتاج من الولايات المتحدة إلى آسيا.

تُصنع أنابيب تبريد وحدة المعالجة المركزية عادةً من النحاس وتستخدم الماء كسائل تبريد. [ 3 ]

الهيكل والتصميم والإنشاء

مقطع طولي لأنبوب حراري. الأنبوب مغلق من كلا الطرفين. يغطي "الفتيل" السطح الداخلي، بينما يمتلئ التجويف الداخلي بالبخار. يوضح الرسم التخطيطي انتقال الحرارة: 1. (الطرف الأيسر للأنبوب) يتبخر سائل التشغيل متحولًا إلى بخار يمتص الطاقة الحرارية؛ 2. ينتقل البخار على طول التجويف إلى الطرف ذي درجة الحرارة المنخفضة؛ 3. يتكثف البخار عائدًا إلى سائل ويمتصه الفتيل، مطلقًا الطاقة الحرارية؛ 4. يتدفق سائل التشغيل عائدًا إلى الطرف ذي درجة الحرارة المنخفضة.
رسم تخطيطي يوضح مكونات وآلية أنبوب حراري يحتوي على فتيل
عامل يرتدي ملابس عاكسة للضوء وخوذة صلبة يفحص صفاً طويلاً من الأنابيب يبلغ طوله أربعة أضعاف طوله تقريباً، بارزة من أرض صخرية.
تعمل أنابيب التسخين على إبقاء الأرض متجمدة ومنع انتقال المياه إلى الحفرة المفتوحة أثناء أنشطة التعدين في منجم إيكاتي للألماس .
تم إنشاء هذا الرسم المتحرك لأنبوب حراري مسطح بسمك 100 × 100 × 10 مم (موزع حراري) باستخدام تحليل CFD  عالي الدقة ويظهر مسارات التدفق ذات الخطوط المحددة لدرجة الحرارة.
تم إنشاء هذا الرسم المتحرك الحراري لتصميم مشتت الحرارة لغرفة بخار بقطر 120 مم (موزع الحرارة) باستخدام تحليل CFD عالي الدقة ، ويظهر سطح مشتت الحرارة ذو الخطوط الحرارية ومسارات تدفق السوائل.
مقطع عرضي لأنبوب حراري لتبريد وحدة المعالجة المركزية في جهاز كمبيوتر محمول. مقياس المسطرة بالملليمترات.
منظر مقطعي  لأنبوب حراري مسطح بسمك 500 ميكرومتر مع أنبوب شعري مستوٍ رقيق (أزرق)
أنبوب حراري رفيع ومسطح (موزع حرارة) مزود بمشتت حراري ومروحة عن بعد

يتكون أنبوب التبريد النموذجي من غلاف (أنبوب محكم الإغلاق)، وفتيل، وسائل تبريد. يُصنع الغلاف من مادة متوافقة مع سائل التبريد، مثل النحاس لأنابيب التبريد المائية، أو الألومنيوم لأنابيب التبريد بالأمونيا . عادةً، تُسحب الهواء من الأنبوب بواسطة مضخة تفريغ ، ثم يُملأ جزئيًا بسائل التبريد ويُغلق بإحكام. تُختار كتلة سائل التبريد بحيث يحتوي أنبوب التبريد على كلٍ من البخار والسائل ضمن نطاق درجة حرارة التشغيل . [ 1 ]

تُعدّ درجة حرارة تشغيل نظام الأنابيب الحرارية بالغة الأهمية. فدون درجة حرارة التشغيل، يكون السائل باردًا جدًا ولا يمكنه التبخر إلى غاز. أما فوق درجة حرارة التشغيل، فيتحول السائل بالكامل إلى غاز، وتكون درجة حرارة البيئة مرتفعة جدًا بحيث لا يمكن للغاز أن يتكثف. ويظل التوصيل الحراري ممكنًا عبر الجدران، ولكن بمعدل انتقال حراري منخفض للغاية. إضافةً إلى ذلك، يجب الوصول إلى حد أدنى لدرجة حرارة سائل التشغيل عند مدخل حراري مُحدد، بينما في المقابل، فإن أي زيادة إضافية (انحراف) في معامل انتقال الحرارة عن التصميم الأولي تميل إلى إعاقة عمل الأنابيب الحرارية. قد يبدو هذا غير بديهي، بمعنى أنه إذا تم تزويد نظام الأنابيب الحرارية بمروحة، فقد ينخفض ​​أداء الأنابيب الحرارية بشكل كبير. ترتبط درجة حرارة التشغيل وسعة نقل الحرارة القصوى -المحدودة بواسطة الشعيرات الدموية أو أي بنية أخرى تُستخدم لإعادة السائل إلى المنطقة الساخنة- ارتباطًا وثيقًا. [ 12 ]

تُختار سوائل التشغيل وفقًا لدرجات حرارة التشغيل المطلوبة، وتتراوح الأمثلة من الهيليوم السائل للتطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة للغاية (2-4 كلفن ) إلى الزئبق (523-923 كلفن)، والصوديوم (873-1473 كلفن)، وحتى الإنديوم (2000-3000 كلفن) لدرجات الحرارة المرتفعة للغاية. تستخدم الغالبية العظمى من أنابيب الحرارة لتطبيقات درجة حرارة الغرفة الأمونيا (213-373 كلفن)، أو الكحول ( الميثانول (283-403 كلفن)، أو الإيثانول (273-403 كلفن))، أو الماء (298-573 كلفن). تتميز أنابيب الحرارة النحاسية/المائية بغلاف نحاسي، وتستخدم الماء كسائل تشغيل، وتعمل عادةً في نطاق 20 إلى 150 درجة مئوية (293-423 كلفن) . [ 13 ] [ 14 ] تُملأ أنابيب الحرارة المائية جزئيًا بالماء أحيانًا، وتُسخّن حتى يغلي الماء ويحل محل الهواء، ثم تُغلق وهي ساخنة.           

يجب أن يحتوي أنبوب الحرارة على سائل مشبع وبخاره (الطور الغازي). يتبخر السائل المشبع وينتقل إلى المكثف، حيث يتم تبريده وتكثيفه.

يعود السائل إلى المبخر عبر الفتيل، الذي يُمارس عليه خاصية الشعرية . تشمل أنواع الفتائل: مسحوق المعدن المُلبّد ، والشبكة، والفتائل المُخدّدة التي تحتوي على سلسلة من الأخاديد الموازية لمحور الأنبوب. عندما يكون المكثف فوق المبخر في مجال جاذبية، تستطيع الجاذبية إعادة السائل. في هذه الحالة، يُصبح الأنبوب أنبوبًا حراريًا ذاتيًا . تستخدم الأنابيب الحرارية الدوارة قوى الطرد المركزي لإعادة السائل من المكثف إلى المبخر. [ 1 ]

لا تحتوي الأنابيب الحرارية على أجزاء متحركة ولا تتطلب عادةً أي صيانة، على الرغم من أن الغازات غير القابلة للتكثيف التي تنتشر عبر جدران الأنبوب، والناتجة عن تحلل سائل التشغيل، أو الموجودة كشوائب أصلية في المادة، قد تقلل في النهاية من فعالية الأنبوب. [ 1 ]

تتميز الأنابيب الحرارية عن العديد من آليات تبديد الحرارة الأخرى بكفاءتها العالية في نقل الحرارة. إذ يمكن لأنبوب  قطره بوصة واحدة وطوله  قدمان نقل 3.7 كيلوواط (13000 وحدة حرارية بريطانية/ساعة) عند درجة حرارة 1800 درجة فهرنهايت (980 درجة مئوية) مع انخفاض طفيف في درجة الحرارة لا يتجاوز 18 درجة فهرنهايت (10 درجات مئوية) بين طرفيه. [ 14 ] وقد أظهرت بعض الأنابيب الحرارية تدفقًا حراريًا يزيد عن      23  كيلوواط/سم² ، أي ما يعادل أربعة أضعاف ما هو عليه سطح الشمس تقريبًا. [ 15 ]

بعض أزواج الغلاف/سائل التشغيل التي تبدو متوافقة ليست كذلك في الواقع. على سبيل المثال، يتولد عن الماء الموجود في غلاف من الألومنيوم كميات كبيرة من الغاز غير القابل للتكثيف خلال ساعات أو أيام. وتعود هذه المشكلة أساسًا إلى أكسدة الألومنيوم وتآكله في وجود الماء، مما يؤدي إلى إطلاق غاز الهيدروجين غير القابل للتكثيف. [ 16 ]

في اختبار التحمل، يتم تشغيل الأنابيب لفترات طويلة ومراقبتها بحثًا عن مشاكل مثل توليد الغازات غير القابلة للتكثيف، ونقل المواد، والتآكل. [ 17 ] [ 18 ]

تتضمن تركيبات الغلاف/الفتيل/السائل الأكثر استخدامًا ما يلي: [ 19 ]

وتشمل التركيبات الأخرى أغلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ مع سوائل تشغيل من النيتروجين أو الأكسجين أو النيون أو الهيدروجين أو الهيليوم عند درجات حرارة أقل من 100  كلفن، والنحاس/ الميثانول لتبريد الإلكترونيات عندما يجب أن تعمل الأنابيب الحرارية تحت نطاق الماء، وأنابيب حرارية من الألومنيوم/ الإيثان للتحكم الحراري في المركبات الفضائية في البيئات التي يمكن أن يتجمد فيها الأمونيا، وغلاف من معدن مقاوم للحرارة /سائل الليثيوم للتطبيقات التي تزيد درجة حرارتها عن 1050 درجة مئوية (1320 كلفن؛ 1920 درجة فهرنهايت) . [ 20 ]   

يجب ضبط أنابيب التبريد وفقًا لظروف تبريد محددة. ويؤثر اختيار مادة الأنبوب وحجمه وسائل التبريد على درجة الحرارة المثلى. خارج نطاق درجة الحرارة التصميمية، تنخفض الموصلية الحرارية إلى خصائص توصيل الحرارة لغلاف الأنبوب. بالنسبة للنحاس ، تبلغ هذه الموصلية حوالي 1/80 من التدفق التصميمي. وذلك لأن سائل التبريد لا يتبخر أبدًا تحت هذا النطاق، ولا يتكثف أبدًا فوقه.

قلة من المصنّعين قادرون على إنتاج أنابيب حرارية تقليدية  بقطر أقل من 3 مم بسبب محدودية المواد. [ 21 ] وقد أظهرت الأبحاث أن الأنابيب الحرارية التي تحتوي على الجرافين يمكن أن تُحسّن أداء التبريد في الأجهزة الإلكترونية. [ 22 ]

الأنواع

بالإضافة إلى أنابيب الحرارة القياسية ذات الموصلية الثابتة (CCHPs)، تشمل الأنواع الأخرى ما يلي: [ 23 ]

  • غرف البخار (أنابيب حرارية مستوية)، والتي تستخدم لتحويل تدفق الحرارة، والتساوي الحراري للسطح؛
  • أنابيب الحرارة ذات الموصلية المتغيرة (VCHPs)، والتي تستخدم غازًا غير قابل للتكثيف (NCG) لتغيير الموصلية الحرارية الفعالة لأنبوب الحرارة مع تغير الطاقة أو ظروف المشتت الحراري؛
  • أنابيب الحرارة التي يتم التحكم فيها بالضغط (PCHPs)، وهي نوع من أنابيب الحرارة ذات التحكم في الضغط حيث يمكن تغيير حجم الخزان أو كتلة NCG، لزيادة الدقة؛
  • أنابيب حرارية ثنائية، تتميز بموصلية حرارية عالية في الاتجاه الأمامي، وموصلية حرارية منخفضة في الاتجاه العكسي؛
  • أنابيب التسخين الحراري، التي تعيد السائل إلى المبخر بفعل قوى الجاذبية/التسارع؛ و
  • أنابيب حرارية دوارة، تعيد السائل إلى المبخر بواسطة قوى الطرد المركزي.

غرفة التبخير

تتكون الأنابيب المسطحة الرقيقة ( موزعات الحرارة أو الأنابيب المسطحة) من نفس المكونات الأساسية للأنابيب الأنبوبية. [ 24 ] وهي مزودة بهيكل دعم داخلي أو سلسلة من الأعمدة لغرفة البخار لتحمل ضغوط تثبيت تصل إلى 90 رطل لكل بوصة مربعة (620 كيلو باسكال) . يساعد ذلك على منع انهيار السطح العلوي والسفلي المسطح عند تطبيق الضغط.  

يُستخدم نظام غرف التبخير بشكل رئيسي عند تطبيق قدرات عالية وتدفقات حرارية كبيرة على مُبخر صغير نسبيًا. [ 25 ] يؤدي إدخال الحرارة إلى المُبخر إلى تبخير السائل، الذي يتدفق ثنائي الأبعاد إلى أسطح المُكثف. بعد تكثف البخار، تعيد قوى الشعرية في الفتيلة المُكثف إلى المُبخر. معظم غرف التبخير غير حساسة للجاذبية، وتعمل عند قلبها رأسًا على عقب، بحيث يكون المُبخر فوق المُكثف. في هذا التطبيق، تعمل غرفة التبخير كمُحول للتدفق الحراري، حيث تُبرد تدفقًا حراريًا عاليًا من شريحة إلكترونية أو صمام ليزري، وتحوله إلى تدفق حراري أقل يمكن إزالته عن طريق الحمل الحراري الطبيعي أو القسري. باستخدام فتائل مُبخر خاصة، يُمكن لغرف التبخير إزالة 2000  واط على مساحة 4 سم²  ، أو 700 واط على مساحة 1 سم² . [ 26 ]  

يُستخدم نظام التبريد بالبخار بشكل رئيسي آخر في تبريد أجهزة الكمبيوتر المحمولة. ونظرًا لأن هذه الأنظمة مسطحة وذات أبعاد ثنائية، فإنها تُفيد أجهزة الكمبيوتر المحمولة المخصصة للألعاب أكثر من أنظمة التبريد التقليدية. فعلى سبيل المثال، كان نظام التبريد بالبخار في جهاز Lenovo Legion 7i ميزة تسويقية بارزة (مع أن عددًا قليلًا فقط من الأجهزة كان مزودًا به). [ 27 ]

بالمقارنة مع الأنابيب الأنبوبية أحادية البعد، يسمح عرض الأنابيب ثنائية الأبعاد للأجهزة الرقيقة بتوفير مساحة مقطع عرضي كافية لتدفق الحرارة. وتظهر هذه الأنابيب في التطبيقات التي تتطلب مراعاة الارتفاع، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة ووحدات الدوائر المطبوعة المثبتة على السطح. ومن الممكن إنتاج أنابيب مسطحة بسماكة تصل إلى 1.0  مم (أكثر سمكًا بقليل من بطاقة الائتمان ). [ 28 ]

التوصيل المتغير

تُعدّ أنابيب التبريد القياسية أجهزة ذات موصلية ثابتة، حيث تُحدد درجة حرارة التشغيل بناءً على درجة حرارة المصدر والمشتت الحراري، والمقاومة الحرارية بينهما. وتنخفض درجة الحرارة خطيًا مع انخفاض الطاقة أو درجة حرارة المكثف. في بعض التطبيقات، مثل التحكم الحراري في الأقمار الصناعية أو بالونات الأبحاث، تتعرض الإلكترونيات للتبريد الزائد عند مستويات الطاقة المنخفضة، أو عند درجات حرارة المشتت الحراري المنخفضة. تُستخدم أنابيب التبريد ذات الموصلية المتغيرة (VCHPs) للحفاظ على درجة حرارة الإلكترونيات المُبرّدة بشكل سلبي مع تغير ظروف الطاقة والمشتت الحراري. [ 29 ]

تُضيف أنابيب نقل الحرارة ذات الموصلية المتغيرة عنصرين: خزان وغاز غير قابل للتكثيف. عادةً ما يكون هذا الغاز هو الأرجون ، مع أن الهيليوم يُستخدم في أنابيب نقل الحرارة ذات التدفق الذاتي. عندما يكون أنبوب نقل الحرارة متوقفًا عن العمل، يختلط الغاز غير القابل للتكثيف مع بخار سائل التشغيل. أما عند تشغيل الأنبوب، فيدفع بخار سائل التشغيل الغاز غير القابل للتكثيف نحو المكثف. يتركز معظم الغاز غير القابل للتكثيف في الخزان، بينما يحجب الباقي جزءًا من المكثف. يعمل نظام أنابيب نقل الحرارة ذات الموصلية المتغيرة عن طريق تغيير الطول الفعال للمكثف. عند زيادة الطاقة أو درجة حرارة المشتت الحراري، ترتفع درجة حرارة وضغط بخار أنبوب نقل الحرارة. يؤدي ارتفاع ضغط البخار إلى دفع المزيد من الغاز غير القابل للتكثيف إلى الخزان، مما يزيد من الطول الفعال للمكثف وموصليته. وعلى العكس من ذلك، عندما تنخفض درجة حرارة الطاقة أو درجة حرارة المشتت الحراري، تنخفض درجة حرارة وضغط بخار الأنبوب الحراري، ويتمدد الغاز غير القابل للتكثيف، مما يقلل من طول المكثف النشط وموصليته.

يُتيح تركيب سخان صغير على الخزان، يتم التحكم في طاقته بناءً على درجة حرارة المبخر، ضبطًا حراريًا بدقة تتراوح بين ±1 و2  درجة مئوية تقريبًا. في أحد الأمثلة، تم الحفاظ على درجة حرارة المبخر ضمن  نطاق تحكم ±1.65 درجة مئوية، حيث تراوحت الطاقة من 72 إلى 150  واط، وتراوحت درجة حرارة المشتت الحراري من +15  درجة مئوية إلى -65 درجة  مئوية.

يمكن استخدام أنظمة التبريد والتدفئة ذات السعة الفراغية (VCHPs) عند الحاجة إلى تحكم أدق في درجة الحرارة. [ 30 ] تُستخدم درجة حرارة المبخر إما لتغيير حجم الخزان أو كمية الغاز غير القابل للتكثيف. وقد أثبتت أنظمة VCHPs قدرتها على التحكم في درجة الحرارة بدقة تصل إلى أجزاء من الألف من الكلفن. [ 31 ]

الصمام الثنائي

تنقل أنابيب الحرارة التقليدية الحرارة من الطرف الأكثر سخونة إلى الطرف الأكثر برودة. وتعمل العديد من التصاميم كصمام ثنائي حراري ، حيث تنقل الحرارة في اتجاه واحد، بينما تعمل كعازل في الاتجاه الآخر: [ 32 ]

  • تنقل أنابيب التسخين الحراري الحرارة من الأسفل إلى الأعلى فقط، حيث يعود المكثف بفعل الجاذبية. وعندما يتم تسخين أنبوب التسخين الحراري من الأعلى، لا يتوفر سائل للتبخر.
  • تسمح أنابيب التسخين الدوارة بانتقال السائل من المبخر إلى المكثف بفعل قوى الطرد المركزي فقط. ولا يتوفر أي سائل عند تسخين المكثف.
  • أنابيب حرارية ثنائية مصيدة للبخار.
  • أنابيب حرارية ثنائية مصيدة للسائل.

يُصنع صمام ثنائي مانع للبخار بطريقة مشابهة لأنبوب حراري ذي موصلية متغيرة، مع وجود خزان غاز في نهاية المكثف. أثناء التصنيع، يُملأ الأنبوب الحراري بسائل التشغيل وكمية محددة من غاز غير قابل للتكثيف. في التشغيل العادي، يدفع تدفق بخار سائل التشغيل من المبخر إلى المكثف الغاز غير القابل للتكثيف إلى الخزان، حيث لا يعيق عمل الأنبوب الحراري. عند تسخين المكثف، يتدفق البخار من المكثف إلى المبخر. يُسحب الغاز غير القابل للتكثيف مع البخار المتدفق، مما يؤدي إلى انسداد المبخر تمامًا، وزيادة المقاومة الحرارية للأنبوب الحراري بشكل كبير. بشكل عام، يحدث انتقال حراري جزئي إلى الجزء العازل للحرارة. ثم تنتقل الحرارة عبر جدران الأنبوب الحراري إلى المبخر. في أحد الأمثلة، حمل ثنائي مصيدة البخار 95  واط في الاتجاه الأمامي، و4.3  واط فقط في الاتجاه العكسي. [ 33 ]

يحتوي صمام ثنائي مانع للسائل على خزان مزود بفتيلة عند طرف المبخر لأنبوب الحرارة، مع فتيلة منفصلة غير متصلة بفتيلة باقي أنبوب الحرارة. [ 34 ] أثناء التشغيل العادي، يتم تسخين المبخر والخزان. يتدفق البخار إلى المكثف، ويعود السائل إلى المبخر بفعل الخاصية الشعرية في الفتيلة. يجف الخزان في النهاية لعدم وجود طريقة لإعادة السائل. عند تسخين المكثف، يتكثف السائل في كل من المبخر والخزان. بينما يمكن للسائل العودة إلى المكثف من المبخر، يبقى السائل في الخزان محصورًا لعدم اتصال فتيلة الخزان. في النهاية، يُحصر كل السائل في الخزان، ويتوقف أنبوب الحرارة عن العمل.

أنابيب حرارية

تستخدم معظم أنابيب التسخين فتيلًا لإعادة السائل من المكثف إلى المبخر، مما يسمح بتشغيل الأنبوب في أي وضعية. يُسحب السائل إلى المبخر بفعل الخاصية الشعرية ، تمامًا كما تمتص الإسفنجة الماء عند ملامسة حافتها لبركة ماء. مع ذلك، فإن أقصى فرق في الارتفاع (بين المبخر والمكثف) صغير نسبيًا، ويبلغ حوالي 25  سم في أنبوب التسخين المائي النموذجي.

أما إذا كان المبخر يقع أسفل المكثف، فيمكن للسائل أن يعود بفعل الجاذبية بدلاً من الحاجة إلى فتيل، ويمكن أن تكون المسافة بينهما أطول بكثير. يُعرف هذا النوع من أنابيب نقل الحرارة المدعومة بالجاذبية باسم " الثرموسيفون" . [ 35 ]

في نظام التبريد الحراري، يتبخر سائل التشغيل بفعل الحرارة المُزوَّدة للمبخر في أسفل أنبوب التسخين. ينتقل البخار إلى المكثف في أعلى أنبوب التسخين، حيث يتكثف. ثم يعود السائل إلى أسفل أنبوب التسخين بفعل الجاذبية، وتتكرر الدورة. تُعدّ أنظمة التبريد الحراري أنابيب تسخين ثنائية؛ فعند تسخين طرف المكثف، لا يتوفر أي مكثف، وبالتالي لا توجد طريقة لتكوين البخار ونقل الحرارة إلى المبخر.

تشمل تصميمات نظام التدفئة الحرارية [ 36 ] مسبار حراري، ومزدوج حراري ، ونظام التدفئة الحرارية العميق، وأساس نظام التدفئة الحرارية المائل، وأساس نظام التدفئة الحرارية ذو الحلقة المسطحة، وأساس نظام التدفئة الحرارية الهجين ذو الحلقة المسطحة.

بينما يقل طول أنبوب نقل الحرارة المائي الأرضي النموذجي عن 30  سم، غالبًا ما يصل طول أنابيب نقل الحرارة الحرارية إلى عدة أمتار. وقد بلغ طول أنابيب نقل الحرارة الحرارية المستخدمة لتبريد خط أنابيب ألاسكا العابر حوالي 11 إلى 12  مترًا. وقد اقتُرحت أنابيب أطول لاستخراج الطاقة الحرارية الأرضية. على سبيل المثال، قام ستورش وزملاؤه بتصنيع أنبوب نقل حرارة حراري يعمل بالبروبان  بقطر داخلي 53 مم  وطول 92 مترًا، ينقل حوالي 6  كيلوواط من الحرارة. [ 37 ] كما أن قابليتها للتوسع إلى أحجام كبيرة تجعلها مناسبة لتطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية [ 38 ] وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. [ 39 ]

حلقة

أنبوب الحرارة الحلقي ( LHP) هو جهاز سلبي لنقل الحرارة ثنائي الطور. يتميز بقدرته على نقل طاقة أعلى لمسافات أطول بفضل تدفق السائل والبخار المتزامن، على عكس التدفق المتعاكس في أنبوب الحرارة التقليدي. [ 40 ] [ 41 ] وهذا يسمح باستخدام الفتيل في أنبوب الحرارة الحلقي فقط في المبخر وغرفة التعويض. وقد استُخدمت أنابيب الحرارة الحلقية الدقيقة في تطبيقات أرضية وفضائية.

متذبذب أو نابض

أنبوب الحرارة المتذبذب (OHP)، المعروف أيضًا باسم أنبوب الحرارة النابض (PHP)، مملوء جزئيًا فقط بسائل التشغيل. يُرتب الأنبوب بشكل متعرج تتناوب فيه أجزاء السائل والبخار المتحركة بحرية. [ 42 ] يحدث التذبذب في سائل التشغيل، بينما يبقى الأنبوب ثابتًا. وقد دُرست هذه الأنابيب في العديد من التطبيقات، بما في ذلك تبريد الألواح الكهروضوئية، [ 43 ] وتبريد الأجهزة الإلكترونية، [ 44 ] وأنظمة استعادة الحرارة، وأنظمة خلايا الوقود، [ 45 ] [ 46 ] وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، [ 47 ] وتحلية المياه. [ 48 ] ويمكن دمج أنابيب الحرارة النابضة مع مواد تغيير الطور . [ 44 ] [ 48 ]

انتقال الحرارة

تعتمد الأنابيب الحرارية على تغير الطور لنقل الطاقة الحرارية. ولا يمكنها خفض درجات الحرارة عند أي من طرفيها إلى ما دون درجة حرارة المحيط، بل يمكنها فقط معادلة درجة الحرارة داخل الأنبوب.

عند تسخين أحد طرفي أنبوب التسخين، يتبخر سائل التشغيل الموجود داخل الأنبوب عند ذلك الطرف، مما يزيد من ضغط البخار داخل تجويف الأنبوب. وتؤدي حرارة التبخر الكامنة التي يمتصها سائل التشغيل إلى خفض درجة الحرارة عند الطرف الساخن من الأنبوب.

يكون ضغط البخار فوق سائل التشغيل عند الطرف الساخن أعلى منه عند الطرف البارد، ويؤدي فرق الضغط هذا إلى انتقال سريع للكتلة إلى الطرف المكثف حيث يتكثف البخار الزائد، ويطلق حرارته الكامنة ، ويسخن الطرف البارد. تعيق الغازات غير المتكثفة (الناتجة عن التلوث مثلاً) الموجودة في البخار تدفق الغاز وتقلل من فعاليته، خاصةً عند درجات الحرارة المنخفضة حيث يكون ضغط البخار منخفضًا. سرعة جزيئات الغاز تقارب سرعة الصوت، وفي غياب الغازات غير المتكثفة (أي في حالة وجود الطور الغازي فقط)، فإن هذه السرعة هي الحد الأقصى لسرعتها. عمليًا، تُحدَّد سرعة البخار بمعدل التكثف عند الطرف البارد، وهي أقل بكثير من سرعة الجزيئات. يقترب معدل التكثف من حاصل ضرب معامل الالتصاق وسرعة الجزيئات وكثافة الغاز، إذا كان سطح التكثف باردًا جدًا. مع ذلك، إذا كانت درجة حرارة السطح قريبة من درجة حرارة الغاز، فإن التبخر الناتج عن درجة حرارة السطح المحدودة يُلغي إلى حد كبير هذا التدفق الحراري. وإذا تجاوز فرق درجة الحرارة بضع عشرات من الدرجات، فإن التبخر من السطح يكون عادةً ضئيلاً، كما يتضح من منحنيات ضغط البخار. في معظم الحالات، ومع كفاءة نقل الحرارة عبر الغاز، يصعب الحفاظ على فروق كبيرة في درجات الحرارة بين الغاز وسطح التكثيف. علاوة على ذلك، يُشكل فرق درجة الحرارة هذا مقاومة حرارية فعالة كبيرة بحد ذاته. غالبًا ما يكون هذا العائق أقل حدة عند مصدر الحرارة، نظرًا لارتفاع كثافة الغاز هناك، ما يُؤدي إلى تدفقات حرارية قصوى أعلى.

نطاق درجة الحرارة

من الخصائص المهمة للأنابيب الحرارية نطاقات درجات الحرارة التي تعمل ضمنها بكفاءة. فليس صحيحًا أن الأنبوب الحراري المملوء بالماء لا يعمل إلا عندما تصل درجة حرارة طرفه الساخن إلى نقطة الغليان ( 100 درجة مئوية، 212 درجة فهرنهايت ، عند الضغط الجوي العادي) وينتقل البخار إلى طرفه البارد. مع ذلك، تعتمد درجة غليان الماء على الضغط المطلق داخل الأنبوب. في الأنبوب المفرغ من الهواء، يتبخر الماء من نقطته الثلاثية ( 0.01 درجة مئوية، 32.02 درجة فهرنهايت ) إلى نقطته الحرجة ( 374 درجة مئوية، 705 درجة فهرنهايت )، طالما أن الأنبوب الحراري يحتوي على كلٍ من السائل والبخار. وبالتالي، يمكن للأنبوب الحراري أن يعمل عند درجات حرارة منخفضة في طرفه الساخن، تصل إلى ما هو أعلى بقليل من درجة انصهار سائل التشغيل، على الرغم من أن معدل انتقال الحرارة الأقصى يكون منخفضًا عند درجات حرارة أقل من 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت) . وبالمثل، يمكن لأنبوب حراري يستخدم الماء كسائل تشغيل أن يعمل بكفاءة أعلى بكثير من درجة غليان الماء في الغلاف الجوي ( 100 درجة مئوية، 212 درجة فهرنهايت ). تبلغ درجة الحرارة القصوى لأنابيب التسخين المائية طويلة الأمد 270 درجة مئوية (518 درجة فهرنهايت) ، بينما تعمل أنابيب التسخين حتى 300 درجة مئوية (572 درجة فهرنهايت) في الاختبارات قصيرة الأمد. [ 49 ] [ 50 ]              

تتجاوز حرارة التبخر السعة الحرارية النوعية بكثير . فعلى سبيل المثال، الطاقة اللازمة لتبخير غرام واحد من الماء تعادل 540 ضعف الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة نفس الغرام من الماء درجة  مئوية واحدة. وتنتقل معظم هذه الطاقة بسرعة إلى الطرف "البارد" عندما يتكثف السائل هناك.

التطبيقات

مركبة فضائية

تستخدم أنابيب الحرارة في المركبات الفضائية عادةً مقطعًا ألومنيوميًا محززًا كغلاف.
نظام VCHP نموذجي ذو أخاديد من الألومنيوم والأمونيا للتحكم الحراري في المركبات الفضائية، مع قسم المبخر في الأسفل، وخزان الغاز غير القابل للتكثيف أسفل الصمام مباشرة [ 33 ] .

يتمثل دور نظام التحكم الحراري في المركبة الفضائية في الحفاظ على جميع مكوناتها ضمن نطاقات درجات الحرارة المقبولة. ويتعقد هذا الأمر بسبب ما يلي:

  • ظروف خارجية متغيرة على نطاق واسع، مثل الكسوف ؛
  • بيئة الجاذبية الصغرى ؛
  • إزالة الحرارة من المركبة الفضائية عن طريق الإشعاع الحراري فقط؛
  • الطاقة الكهربائية المتاحة محدودة، مما يرجح الحلول السلبية؛ و
  • عمر طويل، بدون أي إمكانية للصيانة.

صُممت بعض المركبات الفضائية لتدوم عشرين عامًا، لذا فإن نقل الحرارة السلبي - أي طرد الحرارة بالإشعاع الحراري - يتطلب ألواح تبريد كبيرة (بمساحة عدة أمتار مربعة). وتُستخدم أنابيب الحرارة وأنابيب الحرارة الحلقية على نطاق واسع في المركبات الفضائية.

تُستخدم الفتائل المحززة في أنابيب نقل الحرارة للمركبات الفضائية، كما هو موضح في الصورة الأولى. تُصنع هذه الأنابيب عن طريق بثق الألومنيوم، وعادةً ما تحتوي على شفة مدمجة لزيادة مساحة نقل الحرارة، مما يقلل من انخفاض درجة الحرارة. تُستخدم الفتائل المحززة في المركبات الفضائية لأن أنابيب نقل الحرارة لا تعمل ضد الجاذبية. وهذا يسمح لأنابيب نقل الحرارة في المركبات الفضائية بالوصول إلى عدة أمتار، مقارنةً بالطول  الأقصى البالغ 25 سم تقريبًا لأنابيب نقل الحرارة المائية الأرضية. يُعد الأمونيا أكثر سوائل التشغيل شيوعًا في أنابيب نقل الحرارة للمركبات الفضائية. ويُستخدم الإيثان عندما يتعين على أنبوب نقل الحرارة العمل في درجات حرارة أقل من درجة تجمد الأمونيا.

يوضح الشكل الثاني أنبوبًا حراريًا نموذجيًا من الألومنيوم/الأمونيا ذي أخاديد للتحكم الحراري في المركبات الفضائية. الأنبوب الحراري عبارة عن مقطع ألومنيوم مبثوق، مشابه لما هو موضح في الشكل الأول. الجزء السفلي ذو الحافة هو المبخر. فوق المبخر، تُزال الحافة بالتشكيل للسماح بثني الجزء العازل للحرارة . يظهر المكثف فوق الجزء العازل للحرارة. يقع خزان الغاز الطبيعي المضغوط في الأعلى. يُزال الصمام بعد ملء الأنبوب وإحكام إغلاقه. عند استخدام سخانات كهربائية على الخزان، يمكن التحكم في درجة حرارة المبخر بدقة ±2  كلفن من القيمة المحددة.

أنظمة الحاسوب

مشتت حراري (ألومنيوم) مزود بأنابيب حرارية (نحاس)
تكوين نموذجي لأنابيب التبريد داخل حاسوب محمول للمستهلكين. تقوم أنابيب التبريد بنقل الحرارة المهدرة بعيدًا عن وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات ومنظمات الجهد، ونقلها إلى مشتت حراري متصل بمروحة تبريد تعمل كمبادل حراري بين سائلين.

بدأ استخدام الأنابيب الحرارية في أنظمة الحاسوب في أواخر التسعينيات، [ 51 ] عندما أدى ازدياد متطلبات الطاقة وما تبعه من ارتفاع في انبعاث الحرارة إلى زيادة الطلب على أنظمة التبريد. وهي تُستخدم الآن على نطاق واسع في العديد من أنظمة الحاسوب الحديثة، عادةً لنقل الحرارة من مكونات مثل وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات إلى مشتتات الحرارة.

الطاقة الشمسية الحرارية

تُستخدم الأنابيب الحرارية على نطاق واسع في تطبيقات تسخين المياه بالطاقة الشمسية، وذلك بالاشتراك مع مصفوفات المجمعات الشمسية الأنبوبية المفرغة. في هذه التطبيقات، يُستخدم الماء المقطر عادةً كسائل ناقل للحرارة داخل أنبوب نحاسي مغلق، موضوع داخل أنبوب زجاجي مفرغ وموجه نحو الشمس. في أنابيب التوصيل، يتم نقل الحرارة في طور البخار السائل، لأن وسيط النقل الحراري يتحول إلى بخار في جزء كبير من خط التجميع. [ 52 ]

في تطبيقات تسخين المياه بالطاقة الشمسية، يتميز أنبوب امتصاص منفرد في مُجمِّع الأنابيب المفرغة بكفاءة أعلى بنسبة تصل إلى 40% مقارنةً بمُجمِّعات المياه الشمسية التقليدية ذات الألواح المسطحة. ويعود ذلك بشكل أساسي إلى تفريغ الأنبوب من الهواء، مما يُبطئ فقدان الحرارة بالتوصيل والحمل الحراري. مع ذلك، تنخفض الكفاءة النسبية لنظام الأنابيب المفرغة عند مقارنته بمُجمِّعات الألواح المسطحة، نظرًا لكبر حجم فتحة الأخيرة وقدرتها على امتصاص كمية أكبر من الطاقة الشمسية لكل وحدة مساحة. هذا يعني أنه على الرغم من أن الأنبوب المفرغ المنفرد يتمتع بعزل أفضل (فقدان أقل للحرارة بالتوصيل والحمل الحراري)، فإن مجموعة الأنابيب تمتص طاقة أقل لكل وحدة مساحة بسبب صغر مساحة سطح الامتصاص نتيجةً لشكل الأنابيب الدائري. لذا، فإن الكفاءة الفعلية لكلا التصميمين متقاربة.

تُقلل مُجمّعات الأنابيب المُفرّغة من الحاجة إلى إضافات مانعة للتجمد، إذ يُساعد الفراغ على إبطاء فقدان الحرارة. مع ذلك، قد يتجمد سائل نقل الحرارة عند التعرض لفترات طويلة لدرجات حرارة متجمدة، لذا يجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة لضمان عدم تسبب التجمد في تلف الأنبوب المُفرّغ. يُمكن حماية سخانات المياه الشمسية الحرارية المصممة بشكل صحيح من الصقيع حتى درجات حرارة أقل من -3  درجات مئوية باستخدام إضافات خاصة، وتُستخدم في القطب الجنوبي لتسخين المياه.

تبريد التربة الصقيعية

يتم تبريد دعامات خط أنابيب ألاسكا بواسطة أنابيب حرارية للحفاظ على التربة الصقيعية متجمدة

يُعدّ البناء على التربة الصقيعية أمرًا صعبًا لأن حرارة المنشأة قد تُذيبها. تُستخدم أنابيب حرارية في بعض الحالات لتجنب خطر عدم الاستقرار. على سبيل المثال، في نظام خط أنابيب ترانس ألاسكا، قد تنتقل الحرارة المتبقية في النفط من باطن الأرض، بالإضافة إلى الحرارة الناتجة عن الاحتكاك والاضطراب في النفط المتحرك، عبر دعامات الأنبوب وتُذيب التربة الصقيعية التي تُثبّت هذه الدعامات. وهذا من شأنه أن يُؤدي إلى غرق خط الأنابيب وربما تلفه. ولمنع ذلك، زُوّد كل دعامة رأسية بأربعة أنابيب حرارية . [ 53 ]

خلال فصل الشتاء، يكون الهواء أبرد من الأرض المحيطة بالدعامات. يتبخر السائل الموجود في أسفل أنبوب التبريد الحراري بفعل الحرارة الممتصة من الأرض، مما يُبرد التربة الصقيعية المحيطة ويخفض درجة حرارتها. خلال فصل الصيف، تتوقف أنابيب التبريد الحراري عن العمل، حيث لا يتكثف الغاز في الأعلى، ولكن البرد القارس خلال فصل الشتاء يتسبب في تكثف الغاز وتدفق السائل إلى الأسفل. في نظام خط أنابيب ألاسكا العابر، استُخدم الأمونيا في البداية كسائل تشغيل، ولكن تم استبداله بثاني أكسيد الكربون بسبب الانسدادات. [ 54 ]

تحافظ أنابيب التسخين الحراري على تجمد التربة الصقيعية على طول أجزاء من خط سكة حديد تشينغهاي-التبت ، حيث يمتص الجسر والمسار حرارة الشمس. وتمنع أنابيب التسخين الموجودة على جانبي التكوينات ذات الصلة انتشار هذه الحرارة إلى التربة الصقيعية المحيطة.

طبخ

كان أول منتج تجاري لأنبوب التسخين هو "دبوس الطهي السحري الحراري" الذي طورته شركة أنظمة تحويل الطاقة، وطُرح في الأسواق لأول مرة عام 1966. [ 55 ] كانت أواني الطهي تستخدم الماء كسائل تسخين. وكان الغلاف مصنوعًا من الفولاذ المقاوم للصدأ، مع طبقة داخلية من النحاس لضمان التوافق. لشواء اللحم، يُغرز أحد طرفي أنبوب التسخين في اللحم، بينما يمتد الطرف الآخر إلى داخل الفرن حيث يسحب الحرارة إلى منتصف اللحم. يُقلل هذا الدبوس وقت طهي قطع اللحم الكبيرة إلى النصف. [ 56 ]

وقد تم تطبيق هذا المبدأ على مواقد التخييم. ينقل أنبوب التسخين كمية كبيرة من الحرارة عند درجة حرارة منخفضة للسماح بخبز الأطعمة وطهي أطباق أخرى في ظروف التخييم.

استعادة حرارة التهوية

في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، يتم وضع أنابيب الحرارة داخل تيارات الهواء الداخل والخارج لنظام معالجة الهواء أو في غازات العادم لعملية صناعية، لاستعادة الحرارة.

يتكون الجهاز من مجموعة من أنابيب حرارية متعددة الصفوف مزودة بزعانف، تقع ضمن كل من تيارات الهواء الداخل والخارج. يقوم النظام باستعادة الحرارة من العادم ونقلها إلى المدخل.

تكون الكفاءة في أعلى مستوياتها عندما يتم وضع الوحدة بشكل عمودي مع تركيب جانب تزويد الهواء فوق جانب سحب الهواء، مما يسمح لسائل التبريد بالتدفق بسرعة عائدًا إلى المبخر بفعل الجاذبية. وتدّعي الشركات المصنعة أن كفاءة نقل الحرارة الإجمالية تصل إلى 75%.

تحويل الطاقة النووية

تتعرض أنظمة التبريد لخلايا الطاقة النووية المستخدمة في المركبات الفضائية لظروف حرارية قاسية. ويمكن لأنابيب الحرارة المصنوعة من المعادن القلوية نقل الحرارة من المصدر إلى محول حراري أيوني أو كهروحراري لتوليد الكهرباء.

منذ أوائل التسعينيات، جرت محاولات لاستخدام أنابيب حرارية لنقل الحرارة بين قلب المفاعل ونظام تحويل الطاقة. [ 57 ] في 13 سبتمبر 2012، عرض فريق مشترك من وكالة ناسا ووزارة الطاقة الأمريكية أول مفاعل صغير مُبرّد بأنابيب حرارية. أنتجت التجربة، التي حملت اسم "عرض توضيحي باستخدام الانشطارات ذات القمة المسطحة"، 24 واط من الكهرباء من خلال محرك ستيرلينغ مُغذّى من مفاعل صغير عبر أنابيب حرارية. [ 58 ]

محركات الاحتراق الدوارة من نوع وانكل

يحدث اشتعال خليط الوقود في جزء محدد من محركات وانكل ، مما يُحدث تباينات في التمدد الحراري تُقلل من القدرة الناتجة، وتُضعف كفاءة استهلاك الوقود، وتُسرّع من التآكل. في ورقة بحثية صادرة عن جمعية مهندسي السيارات (SAE) رقم 2014-01-2160 ، بعنوان "محرك وانكل دوار مُبرّد بالهواء ومُزوّد ​​بأنبوب حراري لتحسين المتانة والقدرة والكفاءة" [ 59 ] ، ادّعى الباحثون انخفاض درجة حرارة الجزء العلوي من المحرك من 231  درجة مئوية إلى 129  درجة مئوية، وانخفاض فرق درجة الحرارة من 159  درجة مئوية إلى 18  درجة مئوية لمحرك نموذجي صغير الحجم مُبرّد بالهواء لطائرة بدون طيار .

مبادلات حرارية

تقوم المبادلات الحرارية بنقل الحرارة من تيار ساخن إلى تيار بارد من الهواء أو الماء أو الزيت. يحتوي المبادل الحراري ذو الأنابيب الحرارية على عدة أنابيب، يعمل كل منها كمبادل حراري. هذا يزيد من الكفاءة والعمر الافتراضي والسلامة. في حال انكسار أحد الأنابيب، لا يتسرب سوى كمية صغيرة من السائل، وهو أمر بالغ الأهمية لبعض العمليات الصناعية مثل صب الألومنيوم. بالإضافة إلى ذلك، يظل المبادل الحراري قابلاً للتشغيل حتى مع انكسار أنبوب حراري واحد.

استخدم مشروع ETEKINA الممول من الاتحاد الأوروبي مبادل حراري ذو أنبوب حراري لاستعادة أكثر من 40٪ من الحرارة المهدرة من مختلف المصانع الصناعية في جميع أنحاء أوروبا بين عامي 2017 و 2022. [ 60 ]

التطبيقات المحتملة

تستكشف الأبحاث استخدام الأنابيب الحرارية في أنظمة مختلفة:

  • تحسين كفاءة التدفئة الحرارية الأرضية لمنع الطرق الزلقة خلال فصل الشتاء في المناطق ذات المناخ البارد. [ 61 ]
  • زيادة كفاءة الخلايا الكهروضوئية عن طريق ربط اللوحة الشمسية بنظام أنابيب حرارية. ينقل هذا النظام الحرارة بعيدًا عن الألواح التي ترتفع درجة حرارتها للحفاظ على درجات حرارة مثالية لتوليد أقصى قدر من الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم النظام المختبر الطاقة المستعادة لتسخين الماء. [ 62 ]
  • أنابيب حرارية هجينة للتحكم في قضبان الطاقة لإيقاف تشغيل المفاعل النووي في حالة الطوارئ، وفي الوقت نفسه نقل حرارة الاضمحلال بعيدًا لمنع المفاعل من السخونة الزائدة. [ 63 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 فغري، أ. (2016). علم وتكنولوجيا أنابيب الحرارة (  الطبعة الثانية). دار النشر العالمية الرقمية. ISBN 978-0-9842760-1-1.
  2. ↑ "التوصيل الحراري للمعادن الشائعة والعناصر المعدنية والسبائك" . www.engineeringtoolbox.com . تاريخ الاطلاع: 15 أكتوبر 2020 .
  3. 1 2 جانسون، ديك (2010). "أنابيب الحرارة" (ملف PDF) . QEX (يوليو-أغسطس 2010). ARRL: 3-9 . تم الاطلاع عليه في 14 نوفمبر 2011 .
  4. ↑ "أنابيب الحرارة"، الطبعة الخامسة، DA Reay، PA Kew، ص 10.
  5. ↑ "جهاز نقل الحرارة" . براءات اختراع جوجل .
  6. ↑ "جهاز نقل الحرارة بالتبخر والتكثيف" . google.com .
  7. ↑ «جورج إم. جروفر، 81 عامًا، مخترع جهاز نقل الحرارة الشهير» ، 3 نوفمبر 1996، صحيفة نيويورك تايمز
  8. ↑ الطاقة، توم هاربر، كبير مسؤولي المعلومات، مختبر لوس ألاموس الوطني، الذي تديره شركة لوس ألاموس للأمن القومي، لصالح وزارة الطاقة الأمريكية. " الخدمة غير متوفرة" . www.lanl.gov{{cite web}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  9. ↑ ستانفورد أولندورف. تجارب الطيران باستخدام الأنابيب الحرارية. [url= https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19730019094/downloads/19730019094.pdf ]
  10. ↑ "تقنية الأنابيب الحرارية المُلهمة" ، lanl.gov
  11. ↑ جي واي إيستمان، "أنبوب الحرارة" مجلة ساينتفك أمريكان، المجلد 218، العدد 5، الصفحات 38-46، مايو 1968.
  12. ↑ برافول، س.؛ براجوال راو، ف.؛ فيجيث، ف.؛ بهاجافاث، سكاندا ف.؛ سيثارامو، ك. ن.؛ ناراسيمها راو، ر. (2020). "حول درجة حرارة تشغيل الأنابيب الحرارية" . مجلة الفيزياء: سلسلة المؤتمرات . 1473 (1) 012025. رمز Bibcode : 2020JPhCS1473a2025P . doi : 10.1088/1742-6596/1473/1/012025 . ISSN 1742-6588 . 
  13. ↑ "تحسين المواد التي تحول الحرارة إلى كهرباء والعكس" . أخبار المكونات الإلكترونية . 6 مايو 2013. مؤرشف من الأصل في 28 يوليو 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 مايو 2013 .
  14. 1 2 إديلسون، إد (يونيو 1974). "أنابيب الحرارة - طرق جديدة لنقل الطاقة" . مجلة العلوم الشعبية . المجلد 204، العدد 6. بونير. الصفحات 102-103 . الرقم الدولي الموحد للدوريات 0161-7370 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 مايو 2013 - عبر كتب جوجل.    
  15. ↑ دانسكيولد، جيم (26 أبريل 2000). "أنابيب حرارية طُوّرت في لوس ألاموس تُسهّل رحلات الفضاء" (بيان صحفي). مختبر لوس ألاموس الوطني . مؤرشف من الأصل في 20 مارس 2005.
  16. ↑ زوهوري، بهمن (يناير 2021). "الأنابيب الحرارية كنظام تبريد سلبي يقود الجيل الجديد من محطات الطاقة النووية" . مجلة إيديلويس للعلوم الكيميائية . 3 (1): 32 – عبر ResearchGate.
  17. ↑ اختبارات العمر الافتراضي مؤرشفة بتاريخ 2014-11-03 في أرشيف الإنترنت . تقنيات التبريد المتقدمة.
  18. ↑ "أزواج أنابيب حرارية غير متوافقة من حيث السائل/الغلاف" . www.1-act.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2018-07-08 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2014-11-03 .تقنيات التبريد المتقدمة.
  19. ↑ "مواد أنابيب الحرارة، وسوائل التشغيل، والتوافق" . تقنيات التبريد المتقدمة. مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-04-2016 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 03-11-2014 .
  20. ↑ "سوائل ومواد أنابيب الحرارة المتوافقة - تقنية أنابيب الحرارة" . تقنيات التبريد المتقدمة. مؤرشف من الأصل بتاريخ 28-03-2019 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 03-11-2014 .
  21. ↑ "أمور يجب مراعاتها عند ثني أو تسطيح أنبوب حراري" . إنيرترون. مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-04-2019 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-04-2019 .
  22. ^ ليو، يا؛ تشن، شوجينغ؛ فو، يفينغ. وانغ، نان. مينكاريلي، دافيد؛ بييرانتوني، لوكا؛ لو، هونغبين؛ ليو، يوهان (2021). "أنبوب حراري من الجرافين خفيف الوزن وعالي الأداء الحراري" . نانو حدد . 2 (2): 364– 372. أرخايف : 2002.11336 . دوى : 10.1002/نانو.202000195 .
  23. ↑ "أنابيب الحرارة - أنواع مختلفة من أنابيب الحرارة" . www.1-act.com .
  24. ↑ شركة تقنيات التبريد المتقدمة (29 نوفمبر 2013). "رسوم متحركة لغرفة البخار" – عبر يوتيوب.
  25. ↑ "غرف التبخير" . تقنيات التبريد المتقدمة. مؤرشف من الأصل بتاريخ 2013-12-03 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2013-11-30 .
  26. ↑ "مستويات أرضية حرارية ثنائية الطور ذات تدفق حراري عالٍ، وقدرة عالية، ومقاومة منخفضة، ومعامل تمدد حراري منخفض لتطبيقات التثبيت المباشر للرقائق" . تقنيات التبريد المتقدمة . مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-10-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30-11-2013 .
  27. ↑ "إعلان مضلل عن جهاز Legion 7i: ليست جميع الطرازات مزودة بغرف بخار" . Spearblade . 2020-08-28 . تاريخ الاسترجاع: 2020-10-20 .
  28. ↑ رانجان، ر.؛ وآخرون (2012). "نمذجة وتحسين تصميم غرف البخار فائقة الرقة لتطبيقات التدفق الحراري العالي" . مركز أبحاث تقنيات التبريد بجامعة بيردو. ورقة بحثية رقم 186. 
  29. ↑ "أنظمة التبريد والتدفئة بالهواء المضغوط للتحكم السلبي في درجة الحرارة" . تقنيات التبريد المتقدمة. مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-10-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-10-2013 .
  30. ↑ "أنظمة التبريد والتدفئة الدقيقة للتحكم الدقيق في درجة الحرارة" . تقنيات التبريد المتقدمة. مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-10-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-10-2013 .
  31. ↑ "تطبيقات أنابيب الحرارة ذات التحكم بالضغط" . تقنيات التبريد المتقدمة. مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-10-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-10-2013 .
  32. ↑ "أنابيب حرارية ثنائية" . تقنيات التبريد المتقدمة. مؤرشف من الأصل بتاريخ 20 أبريل 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 ديسمبر 2013 .
  33. 1 2 "أنابيب حرارية ذات موصلية متغيرة لوصلات حرارية متغيرة" . تقنيات التبريد المتقدمة. مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-10-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 03-12-2013 .
  34. ↑ تقنيات التبريد المتقدمة (7 نوفمبر 2013). "رسوم متحركة لأنابيب حرارية ثنائية الصمامات ذات مصيدة سائلة" . يوتيوب .
  35. ↑ "مبادل حراري يعمل بنظام الدوران الحراري، وأنظمة تبريد، ومُسخّنات من شركة ACT" . تقنيات التبريد المتقدمة. مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-10-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30-12-2013 .
  36. ↑ "تقنية التجميد الحراري للتربة الاصطناعية (AGF)" . simmakers.com . 21 أكتوبر 2013.
  37. ↑ ستورش، ت.؛ وآخرون . (20-24 مايو 2012). ترطيب وسلوك طبقة البروبان داخل أنابيب التدفئة الحرارية الأرضية . المؤتمر الدولي السادس عشر لأنابيب التدفئة. ليون، فرنسا. 
  38. ↑ خانا، موهان لال؛ سينغ، ناريندر موهان (1967). "التجفيف الشمسي الصناعي". الطاقة الشمسية . 11 (2). إلسيفير بي في: 87-89 . رمز Bibcode : 1967SoEn...11...87K . doi : 10.1016/0038-092x(67)90046-1 . ISSN 0038-092X . 
  39. ↑ ييلوت، جي آي (1978-01-01). "أنظمة التدفئة والتبريد الشمسية السلبية" . مجلة الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء (كندا) . 20 (1) . تاريخ الاسترجاع: 2024-06-22 .
  40. ↑ كو، جينتونغ؛ أوتينشتاين، لورا؛ دوغلاس، دونيا؛ هوانغ، تريم (4-7 يناير 2010). أنبوب حراري حلقي مصغر متعدد المبخرات للتحكم الحراري في المركبات الفضائية الصغيرة - الجزء 2: نتائج التحقق . أنبوب حراري حلقي مصغر متعدد المبخرات للتحكم الحراري في المركبات الفضائية الصغيرة. أورلاندو، فلوريدا: المعهد الأمريكي للملاحة الجوية والفلكية. hdl : 2060/20110015223 - عبر خادم التقارير الفنية التابع لناسا.
  41. ↑ كو، جينتونغ؛ بايفا، كليبر؛ مانتيلي، مارسيا (31 يوليو 2011). سلوك أنبوب الحرارة الحلقي العابر باستخدام درجة حرارة مصدر الحرارة للتحكم في نقطة الضبط مع محول كهروحراري على خزان . المؤتمر الدولي السنوي التاسع لهندسة تحويل الطاقة. hdl : 2060/20110015224 – عبر خادم التقارير الفنية لوكالة ناسا.
  42. ↑ "مقدمة عن أنابيب الحرارة النابضة" . تبريد الإلكترونيات . مايو 2003.
  43. ↑ الحوي نظري، محمد؛ أحمدي، محمد ح.؛ قاسمبور، رقية؛ شافعي، محمد بهشاد؛ ماهيان، أميد؛ كالوغيرو، سوتيريس؛ وونغويز، سومتشاي (2018). "مراجعة حول أنابيب الحرارة النابضة: من التطبيقات الشمسية إلى تطبيقات التبريد الفائق". الطاقة التطبيقية . 222 : 475-484 . Bibcode : 2018ApEn..222..475A . doi : 10.1016/j.apenergy.2018.04.020 .
  44. 1 2 بهي، حميد رضا؛ غنبربور، مرتضى؛ بهي، محمد رضا (2017). "دراسة أنبوب حراري مدعوم بمادة تغيير الطور لتبريد الإلكترونيات". الهندسة الحرارية التطبيقية . 127. إلسيفير بي في: 1132-1142 . رمز Bibcode : 2017AppTE.127.1132B . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2017.08.109 . ISSN 1359-4311 . 
  45. ↑ أورو، ماركوس فينيسيو؛ بازو، إدسون (2015). "أنابيب حرارية مسطحة لتطبيقات محتملة في تبريد خلايا الوقود". الهندسة الحرارية التطبيقية . 90 : 848-857 . Bibcode : 2015AppTE..90..848O . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2015.07.055 .
  46. ↑ فاسيليف، ل. (2008). "أنابيب الحرارة في تكنولوجيا خلايا الوقود". خلايا الوقود الصغيرة جدًا . سلسلة علوم الناتو من أجل السلام والأمن ج: الأمن البيئي. دوردريخت: سبرينغر هولندا. ص 117-124 . doi : 10.1007/978-1-4020-8295-5_8 . ISBN  978-1-4020-8293-1.
  47. ↑ نيتاجي، ن.؛ محي الدين، س. ثارفيس (2017). "دراسات ترشيد الطاقة في مكيف هواء منفصل باستخدام أنابيب حرارية حلقية". الطاقة والمباني . 155 : 215-224 . Bibcode : 2017EneBu.155..215N . doi : 10.1016/j.enbuild.2017.09.024 .
  48. 1 2 خليل مقدم، بوريا؛ كيائي، سروش؛ رجبي-غاهناويه، عباس؛ وارسنجر، ديفيد م.؛ بهشاد شافعي، محمد (2024). "جهاز تقطير شمسي سلبي مُحسَّن مُدمج مع أنابيب حرارية نابضة ومواد تغيير الطور". الطاقة الشمسية . 275 112612. Bibcode : 2024SoEn..27512612K . doi : 10.1016/j.solener.2024.112612 .
  49. ↑ "اختبارات وتحليلات عمر أنابيب الحرارة ذات درجة الحرارة المتوسطة" . www.1-act.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 22-10-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-10-2013 .
  50. ↑ "Solarleitung DN 16" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 مارس 2024 .
  51. ↑، 1998، هونغ شي، شركة إنتل، معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات
  52. ↑ تخطيط وتركيب أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية: دليل للمُركّبين ... – كتب جوجل . إيرث سكان. ٢٠٠٥. رقم ISBN 978-1-84407-125-8تم الاطلاع عليه بتاريخ 2013-05-07 .
  53. ↑ «سي. إي. هوير، "تطبيق الأنابيب الحرارية على خط أنابيب ألاسكا العابر"، تقرير خاص 79-26، فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي، سبتمبر 1979» (ملف PDF) . مؤرشف (PDF) من الأصل بتاريخ 22-10-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-10-2013 .
  54. ↑ "آنا م. فاغنر، "مراجعة لتطبيقات نظام التبريد الحراري"، فبراير 2014" (ملف PDF) . dot.alaska.gov .
  55. ↑ معهد أبحاث الغرب الأوسط، أنابيب الحرارة ، تقرير ناسا رقم 2508، صفحة 19، 1 يناير 1975.
  56. ↑ كيو، ديفيد أنتوني ري؛ بيتر أ. (2006). أنابيب الحرارة ( الطبعة الخامسة). أكسفورد: باتروورث-هاينمان . ص 309. ISBN   978-0-7506-6754-8.{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  57. ↑ "المفاعلات النووية للفضاء" . الرابطة النووية العالمية. مؤرشف من الأصل في 27 فبراير 2013. تم الاطلاع عليه في 21 سبتمبر 2012 .
  58. ↑ ريكمان، جيمس إي. (26 نوفمبر 2012). "باحثون يختبرون نظام طاقة جديدًا للسفر الفضائي" . مختبر لوس ألاموس الوطني. مؤرشف من الأصل في 29 نوفمبر 2012.
  59. ↑ وو، وي؛ لين، يونغ-رين؛ تشاو، لويس (2014). "محرك وانكل دوار مبرد بالهواء مزود بأنبوب حراري لتحسين المتانة والقوة والكفاءة" . سلسلة أوراق SAE التقنية . المجلد 1. doi : 10.4271/2014-01-2160 . 
  60. ^ "ايتيكينا – المفوضية الأوروبية" . cinea.ec.europa.eu . تم الاسترجاع 2025-02-13 .
  61. ↑ تشيان تشينغ، دينغ-تشون تشانغ، ودا-وي تشن (2019). "تحليل أنبوب الحرارة بالجاذبية لمنع تكون الجليد وإذابة الثلج على سطح الطريق" . سلسلة مؤتمرات IOP: علوم وهندسة المواد . 592 (1) 012012. Bibcode : 2019MS & E..592a2012Q . doi : 10.1088/1757-899X/592/1/012012 .
  62. ↑ هـ. جوهرة؛ ج. ميلكوب؛ ج. دانيليفيتش؛ م. أ. صايغ؛ م. شولغوفسكا-زغرزيوا؛ ج. ب. راموس؛ س. ب. ليستر (2016). "أداء مُجمِّع شمسي حراري وكهروضوئي/حراري جديد قائم على أنبوب حراري مسطح، يُمكن استخدامه كمادة غلاف بناء نشطة طاقيًا" . الطاقة . 108 : 148-154 . Bibcode : 2016Ene...108..148J . doi : 10.1016/j.energy.2015.07.063 – عبر ResearchGate.
  63. ↑ كيونغ مو كيم، إن تشول بانغ (2020). "تصميم فعال لإدارة الطاقة لتخزين الوقود المستهلك الجاف باستخدام قضيب تحكم هجين وأنبوب حراري" . المجلة الدولية لبحوث الطاقة . 45 (2): 2160-2176 . doi : 10.1002/er.5910 . S2CID 225323981 .