Una tubería de calor de bucle (LHP) es un dispositivo de transferencia de calor de dos fases que utiliza la acción capilar para eliminar el calor de una fuente y moverlo pasivamente a un condensador o radiador . Los LHP son similares a los tubos de calor, pero tienen la ventaja de poder proporcionar un funcionamiento confiable a larga distancia y la capacidad de operar contra la gravedad. Pueden transportar una gran carga de calor a larga distancia con una pequeña diferencia de temperatura. [1] [2] Diferentes diseños de LHP que van desde LHP potentes y de gran tamaño hasta LHP en miniatura ( tubo de calor de micro bucle) se han desarrollado y empleado con éxito en una amplia esfera de aplicaciones, tanto terrestres como espaciales.
Construcción
Los refrigerantes más comunes que se utilizan en los LHP son el amoníaco anhidro y el propileno . [3] Los LHP se fabrican controlando cuidadosamente los volúmenes del depósito, el condensador y las líneas de vapor y líquido para que el líquido esté siempre disponible para la mecha. El volumen del depósito y la carga de fluido se establecen de modo que siempre haya fluido en el depósito incluso si el condensador y las líneas de vapor y líquido están completamente llenos.
Generalmente se necesitan en una mecha un tamaño de poro pequeño y una gran capacidad de bombeo capilar. Debe haber un equilibrio en la capacidad de bombeo de la mecha y la permeabilidad de la mecha al diseñar una tubería de calor o una tubería de calor de bucle. [ cita requerida ]
Mecanismo
En una tubería de calor de bucle, primero el calor ingresa al evaporador y vaporiza el fluido de trabajo en la superficie exterior de la mecha. El vapor fluye entonces hacia abajo el sistema de ranuras y luego se va al evaporador y la línea de vapor hacia el condensador, donde se condensa en forma de calor es eliminado por el radiador . El depósito de dos fases (o cámara de compensación) al final del evaporador está diseñado específicamente para operar a una temperatura ligeramente más baja que el evaporador (y el condensador). La presión de saturación más baja en el depósito extrae el condensado a través del condensador y la línea de retorno de líquido. Luego, el fluido fluye hacia un tubo central donde alimenta la mecha . Una mecha secundaria une hidráulicamente el depósito y la mecha primaria. [ cita requerida ]
Motivación: limitaciones de los tubos de calor
Los tubos de calor de bucle superan algunas de las deficiencias de los tubos de calor convencionales, que si bien son excelentes dispositivos de transferencia de calor, se limitan principalmente a transferir cargas de calor relativamente pequeñas en distancias relativamente cortas cuando el evaporador y el condensador están al mismo nivel horizontal. Esta limitación por parte de los tubos de calor está relacionada principalmente con las principales pérdidas de presión asociadas con el flujo de líquido a través de la estructura porosa, presente a lo largo de toda la longitud del tubo de calor, y la interacción viscosa entre las fases de vapor y líquida, también llamadas pérdidas por arrastre. . Para las aplicaciones que implican la transferencia de grandes cargas de calor a largas distancias, el rendimiento térmico de los tubos de calor se ve muy afectado por el aumento de estas pérdidas. Por la misma razón, los tubos de calor convencionales son muy sensibles al cambio de orientación en el campo gravitacional. Para las pendientes desfavorables en una configuración de evaporador sobre condensador, las pérdidas de presión debidas a las fuerzas de masa en el campo de gravedad se suman a las pérdidas de presión totales y afectan aún más la eficiencia del proceso de transferencia de calor.
Como resultado de estas limitaciones, se han propuesto diferentes soluciones que implican modificaciones estructurales al tubo de calor convencional. Algunas de estas modificaciones incorporan tubos arteriales con una resistencia hidráulica considerablemente baja para el retorno del líquido a la fuente de calor (tubos de calor arterial), mientras que otras proporcionan separación espacial de las fases de vapor y líquido del fluido de trabajo en la sección de transporte (tubos de calor de línea separados) .
Aunque estas nuevas formas de tubos de calor pueden transferir flujos de calor significativos y pueden aumentar la longitud del transporte de calor, siguen siendo muy sensibles a la orientación espacial en relación con la gravedad. Para ampliar las posibilidades funcionales de los sistemas de dos fases a aplicaciones que implican pendientes de gravedad que de otro modo serían inoperables, las ventajas proporcionadas por la separación espacial de la línea de transporte y el uso de arterias no capilares se combinan en un esquema de bucle. Este esquema permite crear tubos de calor con características de transferencia de calor más altas mientras se mantiene el funcionamiento normal en cualquier orientación direccional. El esquema de bucle constituye la base del concepto físico de bucles de dos fases (TPL).
Orígenes
Los tubos de calor de bucle fueron patentados en la URSS en 1974 por Yury F. Gerasimov y Yury F. Maydanik (certificado de inventor № 449213), todos de la ex Unión Soviética . La patente de los LHP se presentó en los EE. UU. En 1982 ( Patente № 4515209 ).
Aplicaciones
La primera aplicación espacial ocurrió a bordo de una nave espacial rusa en 1989. Los LHP ahora se utilizan comúnmente en el espacio a bordo de satélites, incluidos; Granat ruso, nave espacial Obzor, satélites de comunicación Boeing (Hughes) HS 702 , satélite meteorológico chino FY-1C , ICESat de la NASA . [4]
Los LHP fueron demostrados por primera vez en el transbordador espacial de la NASA en 1997 con STS-83 y STS-94 .
Los tubos de calor de bucle son partes importantes de los sistemas para enfriar componentes electrónicos.
Ver también
Referencias
- ^ Ku, Jentung; Ottenstein, Laura; Douglas, Donya; Hoang, Triem. "Tubo de calor de bucle en miniatura de evaporador múltiple para control térmico de naves espaciales pequeñas". Instituto Americano de Aeronáutica y Astronómica . Centro de vuelo espacial Goddard. hdl : 2060/20110015223 .
- ^ Ku, Jentung; Paiva, Kleber; Mantelli, Marcia. "Comportamiento transitorio de la tubería de calor de bucle utilizando la temperatura de la fuente de calor para el control del punto de ajuste con convertidor termoeléctrico en el depósito". NASA . Centro de vuelo espacial Goddard. hdl : 2060/20110015224 .
- ↑ Loop Heat Pipe - LHP Archivado el 28 de septiembre de 2007 en la Wayback Machine.
- ^ [1] Archivado el 25 de diciembre de 2004 en la Wayback Machine.
enlaces externos
- Thermacore, Inc. Loop Heat Pipe Technology , consultado el 25 de mayo de 2010
- Características de funcionamiento de los tubos de calor de bucle
- EXPLORACIÓN PARAMÉTRICA DE FABRICACIÓN AUTOMÁTICA Y ENCOLADO ANÓDICO DE CPS PARA APLICACIONES LHP
- Tubos de calor de bucle, gestión térmica de dos fases , recuperado el 17 de noviembre de 2016
- Optimización del diseño de la tubería de calor de bucle [2]