İçeriğe atla

Isı borusu

Bir dizüstü bilgisayarın ısı borusu sistemi

Isı borusu, iki katı arayüz arasında ısı transferi yapmak için faz geçişi kullanan bir ısı transfer cihazıdır.[1]

Bir ısı borusunun sıcak arayüzünde, termal olarak iletken bir katı yüzeyle temas halindeki uçucu sıvı, o yüzeyden ısı emerek buhara dönüşür. Buhar daha sonra ısı borusu boyunca soğuk arayüze doğru hareket eder ve tekrar sıvıya yoğunlaşarak gizli ısıyı serbest bırakır. Sıvı daha sonra kılcal etki, merkezkaç kuvveti veya yerçekimi yoluyla sıcak arayüze geri döner ve döngü tekrar eder.

Kaynama ve yoğunlaşma için çok yüksek ısı transfer katsayıları nedeniyle, ısı boruları oldukça etkili termal iletkenlerdir. Etkili termal iletkenlik, ısı borusu uzunluğuna göre değişir ve uzun ısı boruları için 100 kW/(m⋅K)'ye yaklaşabilirken, bakır için yaklaşık 0,4 kW/(m⋅K)'ye yaklaşabilir.[2]

Yapı, tasarım ve inşaat

Fitilli bir ısı borusunun bileşenlerini ve mekanizmasını gösteren diyagram
Isı boruları, Ekati Elmas Madeni'ndeki madencilik faaliyetleri sırasında zemini donmuş halde tutar ve açık ocaklara su transferini engeller
Bu 100 mm x 100 mm x 10 mm yüksekliğindeki ince düz ısı borusu (ısı yayıcı) animasyonu, yüksek çözünürlüklü CFD analizi kullanılarak oluşturulmuştur ve CFD analiz paketi kullanılarak tahmin edilen sıcaklık konturlu akış yörüngelerini göstermektedir
Bu 120 mm çaplı buhar odası (ısı yayıcı) ısı emici tasarımı termal animasyonu, yüksek çözünürlüklü CFD analizi kullanılarak oluşturulmuştur ve bir CFD analiz paketi kullanılarak tahmin edilen sıcaklık konturlu ısı emici yüzeyini ve akışkan akış yörüngelerini göstermektedir
Bir dizüstü bilgisayar CPU'sunu soğutmak için kullanılan ısı borusunun kesiti. Cetvel ölçeği milimetre cinsindendir
İnce düzlemsel kılcal damarlı (aqua renkli) 500 m kalınlığında düz bir ısı borusunun kesit görünümü
Uzak ısı emici ve fanlı ince düz ısı borusu (ısı yayıcı)

Tipik bir ısı borusu, su ısı boruları için bakır veya amonyak ısı boruları için alüminyum gibi çalışma sıvısıyla uyumlu bir malzemeden yapılmış kapalı bir borudan oluşur. Tipik olarak, boş ısı borusundan havayı çıkarmak için vakum pompası kullanılır. Isı borusu kısmen çalışma sıvısı ile doldurulur ve ardından kapatılır. Çalışma akışkanının kütlesi, ısı borusunun çalışma sıcaklık aralığında hem buhar hem de sıvı içerecek şekilde seçilir.[1]

Belirli bir ısı borusu sisteminin belirtilen/önerilen çalışma sıcaklığının kritik önemi vardır. Çalışma sıcaklığının altında, sıvı çok soğuktur ve gaza dönüşemez. Çalışma sıcaklığının üzerinde, tüm sıvı gaza dönüşür ve ortam sıcaklığı gazın herhangi birinin yoğunlaşması için çok yüksektir. Büyük miktarda azalmış ısı transfer oranıyla ısı borusunun duvarlarından hala Isı iletimi mümkündür. Ayrıca, belirli bir ısı girişi için çalışma akışkanının minimum sıcaklığına inmesi gerekir. Diğer uçta ise, ısı transfer katsayısındaki herhangi bir ek artış (sapma) ilk tasarımdan ısı borusunun çalışmasını engeller. Bu durum, ısı boru sistemine bir fan yardımcı oluyorsa, ısı boru işleminin bozulabileceği ve bunun da ısı yönetim sisteminin etkinliğinin azalmasına yol açabileceği anlamında sezgiye aykırı olabilir ki muhtemelen ciddi şekilde azalır.

Bir ısı borusunun çalışma sıcaklığı ve maksimum ısı taşıma kapasitesi (sıvıyı sıcak alana geri döndürmek için kullanılan kılcal veya diğer yapıyla (merkezkaç kuvveti, yerçekimi, vb.) sınırlıdır) bu nedenle kaçınılmaz ve yakından ilişkilidir.[3]

Çalışma akışkanları, ısı borusunun çalışması gereken sıcaklıklara göre seçilir; örnekler arasında son derece düşük sıcaklık uygulamaları (2–4 K) için sıvı helyumdan, son derece yüksek sıcaklıklar için cıvaya (523–923 K), sodyuma (873–1473 K) ve hatta indiyuma (2000–3000 K) kadar çeşitlilik vardır. Oda sıcaklığı uygulamaları için ısı borularının büyük çoğunluğu çalışma akışkanı olarak amonyak (213–373 K), alkol (metanol (283–403 K) veya etanol (273–403 K)) veya su (298–573 K) kullanır. Bakır/su ısı boruları bakır zarflıdır, çalışma akışkanı olarak su kullanır ve tipik olarak 20 ila 150 °C sıcaklık aralığında çalışır.[4][5] Su ısı boruları bazen kısmen suyla doldurulur, su kaynayana ve havasını dışarı atana kadar ısıtılır ve sonra sıcakken kapatılarak doldurulur.

Isı borusunun ısıyı aktarabilmesi için doymuş sıvı ve buharını (gaz fazı) içermesi gerekir. Doymuş sıvı buharlaşır ve yoğuşturucuya gider, burada soğutulur ve doymuş sıvıya geri döndürülür. Standart bir ısı borusunda, yoğuşmuş sıvı, çalışma akışkanının sıvı fazı üzerinde kılcal etki uygulayan bir fitil yapısı kullanılarak buharlaştırıcıya geri döndürülür. Isı borularında kullanılan fitil yapıları arasında sinterlenmiş metal tozu, elek ve boru eksenine paralel birçok oluğa sahip oluklu fitiller bulunur. Yoğuşturucu, buharlaştırıcının üzerinde bir yerçekimi alanında bulunduğunda, yerçekimi sıvıyı geri döndürebilir. Bu durumda, ısı borusu bir termosifondur. Son olarak, dönen ısı boruları, sıvıyı yoğuşturucudan buharlaştırıcıya geri döndürmek için santrifüj kuvvetlerini kullanır.[1]

Isı boruları mekanik hareketli parçalara sahip değildir ve genellikle bakım gerektirmezler, ancak borunun duvarlarından yayılan, çalışma sıvısının bozulmasından kaynaklanan veya malzemede orijinal kirlilikler olarak bulunan yoğuşmayan gazlar, sonunda borunun ısıyı aktarmadaki etkinliğini azaltabilir.[1]

Isı borularının diğer birçok ısı dağıtma mekanizmasına göre avantajı, ısıyı aktarmadaki büyük verimlilikleridir. Bir inç çapında ve iki fit uzunluğunda bir boru, uçtan uca yalnızca 18 °F (10 °C) düşüşle 1.800 °F (980 °C) sıcaklıkta 3,7 kW (saatte 12.500 BTU) aktarabilir.[5] Bazı ısı boruları, Güneş'in yüzeyinden geçen ısı akısının yaklaşık dört katı olan 23 kW/cm2'den fazla bir ısı akısı göstermiştir.[6]

Isı boruları kılıf, fitil ve çalışma sıvısından oluşur. Isı boruları bakım gerektirmeyen çok uzun süreli çalışma için tasarlanmıştır, bu nedenle ısı borusu duvarı ve fitili çalışma sıvısıyla uyumlu olmalıdır. Uyumlu gibi görünen bazı malzeme/çalışma sıvısı çiftleri uyumlu değildir. Örneğin, alüminyum bir kılıf içindeki su birkaç saat veya gün içinde büyük miktarda yoğuşmayan gaz üreterek ısı borusunun normal çalışmasını engeller.

Isı boruları 1963'te George Grover tarafından yeniden keşfedildiğinden beri, uyumlu zarf/akışkan çiftlerini belirlemek için kapsamlı ömür testleri yürütülmüştür, bazıları onlarca yıl sürmektedir. Bir ısı borusu ömür testinde, ısı boruları uzun süre çalıştırılır ve yoğuşmayan gaz oluşumu, malzeme taşınması ve korozyon gibi sorunlar açısından izlenir.[7][8]

En sık kullanılan kılıf (ve fitil)/sıvı çiftleri şunlardır:[9]

  • Elektronik soğutma için su çalışma sıvısı içeren bakır zarf. Bu, açık ara en yaygın ısı borusu türüdür.
  • HVAC sistemlerinde enerji geri kazanımı için R-134a soğutucu akışkanlı bakır veya çelik zarf.
  • Uzay aracının termal kontrolü için amonyaklı çalışma sıvısı içeren alüminyum kılıf..
  • Yüksek sıcaklık ısı boruları için alkali metal (sezyum, potasyum, sodyum) çalışma sıvısı içeren süper alaşımlı zarf, en yaygın olarak birincil sıcaklık ölçüm cihazlarının kalibrasyonunda kullanılır.

Diğer çiftler arasında, 100 K'nin altındaki sıcaklıklarda azot, oksijen, neon, hidrojen veya helyum çalışma sıvıları içeren paslanmaz çelik kılıflar, ısı borusunun su aralığının altında çalışması gerektiğinde elektronik soğutma için bakır/metanol ısı boruları, amonyağın donabileceği ortamlarda uzay aracı ısı kontrolü için alüminyum/etan ısı boruları ve yüksek sıcaklık (1.050 °C (1.920 °F) üzerinde) uygulamaları için refrakter metal kılıf/lityum çalışma sıvısı yer alır.[10]

Isı boruları belirli soğutma koşullarına göre ayarlanmalıdır. Boru malzemesi, boyutu ve soğutucu seçimi, ısı borularının çalıştığı optimum sıcaklıklar üzerinde etkilidir. Tasarım ısı aralığının dışında kullanıldığında, ısı borusunun ısı iletkenliği etkili şekilde yalnızca katı metal kasasının ısı iletimi özelliklerine indirgenir. Bakır kasa durumunda, bu orijinal akının yaklaşık 1/80'idir. Bunun nedeni, amaçlanan sıcaklık aralığının dışında çalışma sıvısının faz değişimine uğramamasıdır; aralığın altında çalışma sıvısı asla buharlaşmaz ve aralığın üzerinde asla yoğunlaşmaz.

Çoğu üretici, malzeme kısıtlamaları nedeniyle çapı 3 mm'den küçük geleneksel bir ısı borusu üretemez.[11] Elektronikte soğutma performansını artırabilen grafen içeren ısı boruları gösterilmiştir.[12]

 Bu madde bir . Bu maddeyi geliştirerek veya özelleştirilmiş birini koyarak Vikipedi'ye katkıda bulunabilirsiniz.

Kaynakça

  1. ^ a b c d Faghri, A, 2016, Heat Pipe Science and Technology, ikinci basım, Global Digital Press.
  2. ^ "Thermal conductivity of common metals, metallic elements and Alloys". www.engineeringtoolbox.com. 8 Mayıs 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 15 Ekim 2020. 
  3. ^ Praful, S; Prajwal Rao, V; Vijeth, V; Bhagavath, Skanda V; Seetharamu, K N; Narasimha Rao, R (2020). "On the operating temperature of heat pipes". Journal of Physics: Conference Series. 1473 (1). s. 012025. Bibcode:2020JPhCS1473a2025P. doi:10.1088/1742-6596/1473/1/012025. ISSN 1742-6588. 
  4. ^ "Improving materials that convert heat to electricity and vice-versa". Ecnmag.com. 6 Mayıs 2013. 28 Temmuz 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 7 Mayıs 2013. 
  5. ^ a b Popular Science – Google Books. Haziran 1974. Erişim tarihi: 7 Mayıs 2013. 
  6. ^ Jim Danneskiold, Los Alamos-developed heat pipes ease space flight. Los Alamos News Release, April 26, 2000.
  7. ^ Life Tests 3 Kasım 2014 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  8. ^ "Incompatible Heat Pipe Fluid/Envelope Pairs". www.1-act.com. 8 Temmuz 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Kasım 2014. 
  9. ^ "Heat Pipe Materials, Working Fluids, and Compatibility". www.1-act.com. 22 Nisan 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Kasım 2014. 
  10. ^ "Compatible Heat Pipe Fluids and Materials - Heat Pipe Technology". www.1-act.com. 28 Mart 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Kasım 2014. 
  11. ^ "Things to Consider When Bending or Flattening A Heat Pipe | Enertron" (ABD ingilizcesi). 22 Nisan 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 22 Nisan 2019. 
  12. ^ Liu, Ya; Chen, Shujing; Fu, Yifeng; Wang, Nan; Mencarelli, Davide; Pierantoni, Luca; Lu, Hongbin; Liu, Johan (2021). "A lightweight and high thermal performance graphene heat pipe". Nano Select. 2 (2). ss. 364-372. arXiv:2002.11336 $2. doi:10.1002/nano.202000195. 27 Şubat 2024 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Ağustos 2024. 

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Su</span> H2O formülüne sahip kimyasal bileşik, yaşam kaynağı

Su, Dünya üzerinde bol miktarda bulunan ve tüm canlıların yaşaması için vazgeçilmez olan, kokusuz ve tatsız bir kimyasal bileşiktir. Sıklıkla renksiz olarak tanımlanmasına rağmen kızıl dalga boylarında ışığı hafifçe emmesi nedeniyle mavi bir renge sahiptir.

<span class="mw-page-title-main">Termostat</span> sıcaklığı istenen ölçüde sabit tutabilen bir tür kontrol aracı

Termostat, fiziksel bir sistemin sıcaklığını algılayan ve sistem sıcaklığının istenen ayar derecesine yakın tutulması için çalışan bir kontrol aracıdır.

<span class="mw-page-title-main">Sıvı</span> maddenin 2. hali

Sıvı, maddenin ana hâllerinden biridir. Sıvılar, belli bir şekli olmayan maddelerdir; içine konuldukları kabın şeklini alır, akışkandırlar. Sıvı molekülleri, sıvı hacmi içinde serbest hareket ederler, fakat partiküllerin ortak çekim kabiliyeti, hacmin izin verdiği ölçüdedir. Sıvılar sıkıştırılamaz.

<span class="mw-page-title-main">Klima</span>

Klima, elektrikli klima veya pasif soğutma ve havalandırmalı soğutma dâhil olmak üzere çeşitli diğer yöntemlerin kullanımıyla daha konforlu bir iç ortam elde etmek için kapalı bir alandaki havanın ısı ve nem kontrol edilmesi işlemidir. Klima, "ısıtma, havalandırma ve klima" (HVAC) sağlayan sistem ve teknikler ailesinin bir üyesidir.

<span class="mw-page-title-main">Buzdolabı</span>

Buzdolabı; yaygın olarak buhar sıkıştırma çevrimine göre çalışan, gıdaların soğuk tutularak uzun zaman muhafaza edilmesini sağlayan soğutma makinesidir. Bu bağlamda absorpsiyonlu soğutma ve ayrıca Peltier soğutma sistemleri ile çalışan buzdolapları da mevcuttur.

<span class="mw-page-title-main">Radyatör</span>

Radyatör, ısı eşanjörlerinin bazı tipleri için kullanılan genel bir terimdir. Radyatörler otomobil, binalar ve elektronikte kullanılırlar.

<span class="mw-page-title-main">Plakalı ısı değiştiricisi</span>

Plakalı ısı değiştiricisi veya eşanjörü, iki akışkan arasındaki ısıyı transfer etmek için, metal üzerinde değişik şekilde kıvrımlar bulunan plakalar kullanan bir ısı eşanjörü tipidir. Isı transferi için kıvrımlı plaka kullanımı, ısı transfer katsayısını artırmakta ve konvansiyonel boru gövde tipi eşanjörlerle kıyaslandığında 1/3 ile 1/4 oranları arasında ısı transfer yüzeyi ile aynı miktarda ısıyı transfer edebilmektedir.

<span class="mw-page-title-main">Soğutma</span>

Soğutma, bir maddenin veya ortamın sıcaklığını, onu çevreleyen ortamın sıcaklığının altına indirmek ve orada muhafaza etmek üzere ısısının alınması işlemine denir.

<span class="mw-page-title-main">Buharlaştırıcı</span>

Buharlaştırıcı, kaynama noktası farkından yararlanarak karışımları birbirinden ayırmayı sağlayan bir endüstriyel ekipmandır. Buharlaştırıcılar bir çözeltideki çözücü maddeyi veya bir sıvı karışımdaki daha düşük kaynama noktasına sahip bileşeni buharlaştırarak uzaklaştırılmasını sağlar. Neredeyse bütün endüstriyel işlemlerde çözücü bileşen sudur, suyun uzaklaştırılmasıyla daha derişik bir karışım elde edilmiş olur. Sıvı halde kalan derişik karışım genelde üründür. Buharlaşan bileşen su ise oluşan su buharı atmosfere verilebilir ya da içerdiği ısı sebebiyle endüstriyel süreçlerde tekrar kullanılabilir. Buharlaşan bileşen eğer su haricinde bir çözücü maddeyse değerli olduğundan ötürü uzaklaştırılmaz ve tekrar kullanılır.

<span class="mw-page-title-main">Termik santral</span> ısı enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü santral türü

Termik santral, ana işletici makinesi buhar gücüyle çalışan güç santralıdır. Isıtılan su buhara dönüştürülerek bir elektrik üretecini süren buhar türbinini döndürmekte kullanılır. Türbinden geçen buhar Rankine çevrimi denilen yöntemle bir yüzey yoğunlaştırıcıda yoğunlaştırılırak geri suya dönüştürülür. Termik santralların tasarımları arasındaki en büyük farklılık kullandıkları yakıt tiplerine göredir. Bu tesisler ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmekte kullanıldığından bazı kaynaklarda enerji dönüşüm santrali olarak da geçer. Bazı termik santrallar elektrik üretmenin yanı sıra endüstriyel ve ısıtma amaçlı ısı üretimi, deniz suyunun tuzdan arındırılması gibi amaçlarla da kullanılır. İnsan üretimi CO2 emisyonunun büyük kısmını oluşturan fosil yakıtlı termik santralların çıktılarını azaltma yönünde yoğun çabalar harcanmaktadır.

Soğutucu akışkanlar, klima sistemlerinin ve ısı pompalarının soğutma döngüsünde kullanılan ve çoğu durumda sıvıdan gaza tekrarlanan bir faz geçişine ve tekrar geri dönen maddelerdir. Sıcaklığa ve basınca bağlı olarak saf olabilir veya sıvı veya gaz fazında veya her ikisinde bulunan saf sıvıların bir karışımı olabilir. Akışkan, düşük sıcaklık ve düşük basınçta ısıyı emer ve daha sonra, genellikle hâl değişikliği ile daha yüksek sıcaklık ve basınçta ısı verir.

<span class="mw-page-title-main">Hidrostatik</span>

Akışkan statiği ya da hidrostatik, hareketsiz akışkanlar üzerinde çalışmalar yapan akışkan mekaniğinin dalı. Hangi akışkanların durağan dengede hareketsiz kaldığıyla ilgili yapılan çalışmaları kabul eder ve akışkan dinamiğiyle karşılaştırıldığında hareket halindeki akışkanları inceler.

Termal enerji, ortam veya sistem sıcaklığı sonucunda ortamdaki veya sistemdeki bir cismin veya maddenin potansiyel ve kinetik enerjileri toplamını ifade eden bir enerji biçimidir. Sistemde sıcaklık olmadığı müddetçe bu niceliği tanımlamak zor ve hatta anlamsız olabilir. Bu durumda herhangi bir termal iş söz konusu değildir.

Kütle akışı, bir maddenin hareketidir. Fizikte kütle akışı termodinamikteki açık sistemde meydana gelir. Kütle akışı, cismin kesit alanı ve akış hızı ile karakterize edilen belirli bir sınırdan geçişi ölçer. Mühendislik ve biyolojide sırasıyla belirli bir çaptaki silindir veya kan damarından akan akışkan olabilir.

<span class="mw-page-title-main">Isı motoru</span>

Termodinamikte, ısı enerjisini mekanik enerjiye çeviren sistemlere Isı Motoru denir. Bu çeviriyi maddeyi çok yüksek sıcaklıklara getirip daha sonra düşük sıcaklıklara getirerek yapar. Isınan madde jeneratörün devinimsel kısmında "iş" yaparak enerjisini jeneratöre aktarır ve soğur. Bu işlem esnasında bir miktar termal enerji "iş"e dönüşür. Dönüşüm miktarı kullanılan maddeye bağlıdır.

<span class="mw-page-title-main">Isıl denge</span>

Isıl denge, kimya biliminde maddelerin son sıcaklıklarının eşit olma durumudur. Isıl denge değeri her daim, bir araya konulan maddelerin ilk sıcaklıkları arasında bir değerdedir. Isıca yalıtılmış bir kaba hem sıcak hem de soğuk su koyulursa, sıcak sudan soğuk suya enerji aktarımı gerçekleşir. Enerji aktarımı her zaman sıcaktan soğuğa doğrudur. Böylece etkileşim sonucunda sıcak madde soğur, soğuk madde ısınır. Bu olay, sıcaklıklar eşitlenene kadar devam eder. Bu durum "Qalınan = Qverilen" şeklinde sembolize edilir.

<span class="mw-page-title-main">Soğutma grubu</span> chiller

Soğutucu, buhar sıkıştırmalı, adsorpsiyonlu soğutma veya absorpsiyonlu soğutma çevrimleriyle sıvı soğutucudan ısıyı alan makinedir. Bu sıvı daha sonra ekipmanı soğutmak için ısı değiştiriciden veya başka proses akışından dolaştırılabilir. Soğutma, ortama verilmesi gereken veya yüksek verimlilik için ısıtma amacıyla geri kazanılması gereken atık ısı oluşturur.

Akışkan gücü için, aracı akışkan, kuvvet, hareket veya mekanik enerji aktaran bir gaz veya sıvıdır. Hidrolikte, su veya hidrolik sıvı; hidrolik elamanlar arasında kuvvet transferini sağlar. Pnömatikte, aracı akışkan, pnömatik elemanlar arasında kuvvet ileten hava veya başka bir gazdır. Pnömatik sistemlerde, aracı akışkan sıkıştırılabilir olduğu için aynı zamanda enerji de depolar.

<span class="mw-page-title-main">Radyatör (motor soğutma)</span>

Radyatörler, içten yanmalı motorları soğutmak için, özellikle otomobiller olmak üzere aynı zamanda piston- motorlu uçak, demiryolu lokomotifleri, motosikletler, sabit üretim tesisi veya bu tür bir motorun benzer herhangi bir kullanımı için kullanılan ısı eşanjörleridir.

Akışkan termodinamiğinde, ısı transfer akışkanı, bir prosesin bir tarafında soğutmaya, termal enerjinin taşınmasına ve depolanmasına ve prosesin diğer tarafında ısıtmaya aracılık ederek ısı transferinde yer alan bir gaz veya sıvıdır. Isı transfer akışkanları, ısıtma veya soğutma gerektiren sayısız uygulama ve endüstriyel proseste, genellikle kapalı bir devrede ve sürekli döngülerde kullanılır. Örneğin soğutma suyu motoru soğuturken, hidronik ısıtma sistemindeki suyu ısıtmak odadaki radyatörü ısıtır.


Bu sayfa, bu Vikipedi makalesine dayanmaktadır.
Metin, CC BY-SA 4.0 lisansı altında mevcuttur; ek koşullar uygulanabilir.
Görseller, videolar ve sesler kendi lisansları altında mevcuttur.