لولههای حرارتی تجهیزات انتقال حرارت با توان انتقال حرارت بالایی هستند که با استفاده از انتقال حرارت دوفازه – تبخیر و میعان- گرما را از چشمه حرارتی گرفته و به چاه حرارتی منتقل می کنند. لولههای حرارتی جهت انتقال حرارت در فضای محدود و اختلاف دمای اندک بسیار مناسب هستند.
لولههای حرارتی برای انتقال سیال عامل از چگالنده به تبخیرکننده از مکانیزمهای مختلفی استفاده میکنند. لولههای حرارتی نوع ترموسیفونی با استفاده از نیروی جاذبه زمین، لولههای حرارتی فتیلهدار با استفاده از نیروی موئینگی، لولههای حرارتی دورانی با استفاده از نیروی گریز از مرکز و لولههای حرارتی نوسانی با استفاده از نوسانات فشار داخل لوله حرارتی، سیال عامل داخل لوله را حرکت میدهند.
شکل1. لوله حرارتی فتیلهدار
شکل2. لوله حرارتی نوسانی
شکل3. لوله حرارتی دورانی
انواع لولههای حرارتی در مسائل مرتبط با انرژی نیز بسیار پرکاربرد هستند. لولههای حرارتی در کلکتورهای خورشیدی، مواد تغییر فازدهنده[1]، آبشیرینکنها[2]، زمینگرمایی[3]، سلولهای خورشیدی[4] و … کاربردهای فراوانی برای انتقال حرارت دارند. همچنین میتوان از لولههای حرارتی برای بازیابی حرارتی و کاهش اتلاف حرارت خروجی از موتورها و پیلهای سوختی استفاده کرد.
شکل4. استفاده از لوله حرارتی در پره توربین
شکل 5. استفاد از لولههای حرارتی در مواد تغییر فازدهنده
با کوچکتر شدن حجم تجهیزات الکترونیکی و افزایش تعداد تراشههای الکترونیکی در واحد سطح، نیاز به تجهیزات خنککاری با حجم محدودتر بیش از پیش احساس میشود. از آنجائیکه لولههای حرارتی نوسانی، حجم بسیار اندکی را اشغال میکنند، برای خنککاری تجهیزات الکتریکی با حجم اندک مانند قطعات رایانه بسیار مناسب و پرکاربرد هستند. انواع دیگر لولههای حرارتی نیز کاربردهای متنوعی دارند. از لوله حرارتی دورانی برای خنککاری تجهیزات دوار مانند پرههای توربین، از لولههای حرارتی فتیلهدار برای خنککاری ماهواره ها و از لولههای حرارتی نوع ترموسیفونی برای خنککاری تجهیزاتی مانند ژنراتورهای برق استفاده میشود.
اولين جرقه فناوري نانو در سال1959زده شد؛ امادر آن زمان این فناوری هنوز با عنوان فعلی شناخته نشده بود.دراين سال “ريچارد فاينمن” در طي يك سخنراني با عنوان “فضاي زيادي در سطوح پايين وجود دارد” ايده فناوري نانو را مطرح ساخت. وي اين نظريه را ارائه داد كه در آيندهاي نزديك ميتوانيم مولكولها و اتمها را به صورت مستقيم دستكاري كنيم. به طورخلاصه نانوفناوری به معنی مهندسی نمودن مواد در ابعاد اتمی-مولکولی و ساخت موادی با خواص کاملاً متفاوت درابعاد نانو است.
با توجه به این که یکی از عوامل بسیار تاثیرگذار بر عملکرد لوله حرارتی، سیال عامل است، بنابراین می توان با استفاده از فناوری نانو و از طریق تغییر در خواص سیال عاملِ لوله حرارتی، باعث بهبود عملکرد لوله حرارتی شده و نرخ انتقال حرارت را در حجم کمتر افزایش دهد. علاوه براین میتوان حجم لولههای حرارتی را نیز کاهش داد.
- دلیل افت عملکرد لولههای حرارتی چیست؟
با توجه به این که ساز و کار اصلی انتقال حرارت در لولههای حرارتی انتقال حرارت دوفاز و در واقع تبخیر و میعان سیال داخل لوله حرارتی است، خواص ترموفیزیکی سیال عامل بر عملکرد لوله حرارتی تاثیر چشمگیری دارند. با افزایش شار حرارتی، امکان تبخیرشدن کل مایع موجود در داخل لوله حرارتی وجود دارد که باعث افزایش مقاومت حرارتی و در نتیجه افت عملکرد لوله حرارتی خواهد شد. در اثر این پدیده که به آن خشکشدگی میگویند، افزایش ناگهانی مقاومت حرارتی را شاهد خواهیم بود. هرچه لزجت سیال به کاربرده شده در لوله حرارتی کمتر و همچنین اختلاف فشار اشباع سیال عامل بیشتر باشد، عملکرد لوله حرارتی نوسانی بهتر خواهد شد.
- روشهای بهبود عملکرد لوله حرارتی چیست؟
برای بهبود عملکرد لوله حرارتی میتوان از لولههای با ضریب انتقال حرارت هدایتی بالاتر استفاده نمود. از مهمترین عوامل موثر بر عملکرد لوله حرارتی، سیال عامل داخل لوله حرارتی است. استفاده از سیالهایی با لزجت پایینتر و ضریب انتقال حرارت هدایتی بالاتر از جمله راهکارهای بهبود انتقال حرارت هستند. با استفاده از نانوسیالها، سطح تماس سیال و لوله بیشتر شده که این امر منجر به افزایش نرخ جوشش سیال میشود. با افزایش سطح انتقال حرارت که در نتیجه استفاده از نانوذرات است، نرخ انتقال حرارت به سیال داخل لوله افزایش مییابد و سیال با نرخ بالاتری جوشش پیدا میکند.
- استفاده از نانوسیال در لولههای حرارتی
نانوسیالها که از افزودن ذراتی در ابعاد نانومتر به یک سیال پایه مانند آب یا اتانول بدست میآیند. مطالعات اخیر نشان میدهد که نانوذرات افزوده شده به سیال، بر روی حرکت، جریان و همچنین ویژگیهای انتقال حرارت مخلوط تاثیر زیادی دارد. افزودن این نانوذرات سبب تغییر در خواص ترموفیزیکی سیال پایه میگردد و با استفاده از این مواد میتوان به سیالهایی دست یافت که دارای خواص مطلوب در زمینه کاری مورد نظر باشند. برای مثال با افزودن نانوذرات فلزی به یک سیال پایه مانند آب، به دلیل رسانندگی حرارتی بالاتر فلزات، رسانندگی حرارتی سیال بدست آمده از سیال پایه به مراتب بالاتر خواهد بود. با توجه به اینکه نرخ انتقال حرارت افزایش پیدا میکند، میتوان در حجم کوچکتر به همان مقدار انتقال حرارت دست یافت که باعث کوچکتر شدن تجهیزات انتقال حرارت مورد استفاده میشود.
استفاده از نانوسیالها میتواند سبب شود که پدیده مخرب خشکشدگی در شارهای حرارتی بالاتری رخ دهد که این موضوع سبب افزایش بازه دمایی عملکرد لوله حرارتی خواهد شد.
نانوسیالها از طریق افزایش ضریب انتقال حرارت هدایتی سیال عامل نیز میتوانند نرخ انتقال حرارت را افزایش دهند. شکل 6 افزایش نرخ انتقال حرارت لوله های حرارتی با استفاده از نانوسیال آهن را نشان می دهد.
شکل6. افزایش نرخ انتقال حرارت لوله حرارتی نوسانی با استفاده از نانوسیال آهن[ 1]
با توجه به شکل 6 مشخص است که استفاده از نانوذرات در داخل سیال پایه مقدار بهینهای دارد که با افزایش غلظت نانوذرات، به دلیل افزایش لزجت سیال و سایر عوامل، نرخ انتقال حرارت کاهش پیدا میکند.
علاوه براین، استفاده از نانوسیالها سبب افزایش نقاط جوشش[5] بر روی لوله حرارتی می شود، در نتیجه نرخ جوشش و نرخ انتقال حرارت افزایش چشمگیری خواهد داشت. شکل 7، نقاط جوشش حاصل از نانوسیال آلومینا را نشان می دهد.[2]
با استفاده از نانوسیالها میتوان بازده و نرخ انتقال حرارت را افزایش داد و از این طریق در مدت زمان کمتر و حجم کوچکتر، به انتقال حرارت بیشتری دست یافت. با افزایش نرخ انتقال حرارت، نیاز به تجهیزات کمتر می شود که این عامل سبب کاهش هزینههای کلی می گردد. از طرف دیگر، در مواردی مانند سلولهای خورشیدی که خنککاری برای افزایش بازدهی امری ضروری است، با استفاده از نانوسیالها در لولههای حرارتی و افزایش نرخ انتقال حرارت، فرایند خنک کاری به خوبی انجام شده و بازدهی سلول خورشیدی بیشتر می شود و در نتیجه ، استفاده از سلولهای خورشیدی صرفه اقتصادی بیشتری خواهد داشت.[3].
شکل7. افزایش نقاط جوشش با استفاده از نانوسیال آلومینا[2]
- بررسی وضعیت استفاده از لولههای حرارتی در ایران و سایر کشورها
در ایران به منظور خنککاری بعضی از ماهوارههای ارسالی به فضا از لولههای حرارتی فتیلهدار استفاده میشود. همچنین از لولههای حرارتی در کلکتورهای خورشیدی نیز استفاده شده است. در سایر کشورها، از لولههای حرارتی برای تجهیزات پزشکی، سیستمهای تهویه مطبوع، بازیابی حرارتی و … استفاده شده است.
شکل8. استفاده از لولههای حرارتی در آبگرمکن خورشیدی
استفاده از لولههای حرارتی در انرژی خورشیدی بسیار متداول است. استفاده از لولههای حرارتی در مواد تغییر فازدهنده که انرژی خورشیدی را ذخیره و در موارد مورد نیاز انرژی را تخلیه میکنند، استفاده از لولههای حرارتی در آبشیرینکنهای خورشیدی، در کلکتورهای خورشیدی و نیز خنککاری سلولهای خورشیدی در دنیا متداول است.
شکل9. کلکتور خورشیدی لوله حرارتی [3]PV/T
بعضی از مراکزی که در سطح دنیا به تولید لولههای حرارتی میپردازند در جدول زیر ذکر شده اند:
| نام مرکز تحقیقاتی یا صنعتی | کشور |
| شرکت “HPT“ | آمریکا |
| شرکت “CRS engineering“ | انگلستان |
| شرکت”AAVID THERMALLOY“ | آمریکا |
فهرست برخی از دانشگاههای بزرگ دنیا که در زمینه لوله های حرارتی و کاربردهای آن فعالیت علمی و تحقیقاتی دارند در جدول زیر ذکر گردیده است:
| نام دانشگاههای معتبر دنیا | کشور |
| دانشگاه CONNECTICUT | آمریکا |
| دانشگاه Missouri | آمریکا |
| دانشگاه RMIT | استرالیا |
| دانشگاه KTH | سوئد |
| دانشگاه Indian Institute of Technology Kanpur | هند |
| دانشگاه صنعتی شریف | ایران |
| دانشگاه تهران | ایران |
تخمین هزینهها
همانگونه که اشاره شد استفاده از لولههای حرارتی به طور کلی باعث افزایش نرخ انتقال حرارت در حجم محدودتر میشود. با استفاده از نانوسیالها در لولههای حرارتی، علاوه بر افزایش نرخ انتقال حرارت در حجم محدودتر، میتوان بازه دمایی عملکرد لوله حرارتی را افزایش داد و در شارهای حرارتی بالاتری بدون احتمال وقوع پدیده خشکشدگی، از لوله حرارتی استفاده نمود.علاوه براین استفاده از نانوسیال در لوله های گرمایی، منجر به کاهش نیاز به تعداد لولههای حرارتی و سایر تجهیزات انتقال حرارت میشود که از این طریق نیز صرفه اقتصادی طرحها بیش از پیش میگردد.
استفاده از لولههای حرارتی در سلولهای خورشیدی، مواد تغییرفازدهنده، کلکتورها و آبشیرینکنهای خورشیدی سبب افزایش بازدهی میشود[4] در نتیجه سبب افزایش بهرهوری اقتصادی این گونه تجهیزات می شود.
استفاده از لولههای حرارتی به همراه نانوسیالها، سبب میشود که در بازیابیهای حرارتی نیز میزان حرارت بالاتری بازیابی شده و در نتیجه اتلافهای حرارتی کاهش یابد.
شکل10. لولههای حرارتی استفاده شده در آب شیرینکن
در سایر حوزههای صنعتی نیز میتوان از لولههای حرارتی و نانوسیالها به عنوان سیال کاری در آنها استفاده نمود. با توجه به اینکه استفاده از نانوسیالها سبب کاهش حجم لولههای حرارتی و بهبود عملکرد آنها میشود، امکان توسعه استفاده از لولههای حرارتی در بخشهای صنعتی بیش از پیش فراهم میشود. استفاده از لولههای حرارتی نوسانی در خنککاری تجهیزات رایانهای هماکنون در سطح جهان رایج است که با کوچکتر شدن حجم لولههای حرارتی، در خنککاری سایر تجهیزات الکترونیکی کوچک نیز میتواند مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به محدودیتهای حجمی در کاربردهای صنعتی، یکی از بهترین روشها، استفاده از نانوسیالها است که با استفاده از لولههای حرارتی کوچکتر، میتوان به نرخ انتقال حرارت مشابه با حالتی که از سیال پایه بدون نانوذرات استفاده میشود، دست یافت.
.
شکل11. لوله حرارتی استفاده شده در تجهیزات رایانه
شکل12. لوله حرارتی ترموسیفونی استفاده شده برای استفاده ازگرمای زمین درنقاط سردسیر
شکل13. استفاده از لوله حرارتی برای خنککاری سلول خورشیدی
شکل14. استفاده از لولههای حرارتی در سیستمهای تولید توان خورشیدی
خنککاری تجهیزات دوار در تولید مواد غذایی به کمک لولههای حرارتی دورانی نیز یکی دیگر از مواردی است که هماکنون مورد توجه قرار گرفته است که استفاده از نانوسیالها سبب بهبود انتقال حرارت و صرفهجویی در هزینههای مربوط به خنککاری خواهد شد.
با توجه به کاربردهای مختلف و استفاده از نانوسیالهای مختلف، میزان صرفه اقتصادی و افزایش بهرهوری متفاوت است که در هریک از موارد نیاز به بررسی بیشتری دارد. ولی به طور کلی میتوان قاطعانه اظهار نمود که استفاده از نانوسیالها در لولههای حرارتی سبب افزایش بهرهوری اقتصادی خواهد شد.
پیشنهادها:
استفاده از لولههای حرارتی جهت بازیابی حرارت در سیستمهای انرژی یکی از راههای افزایش بهرهوری انرژی میباشد. با افزایش آگاهی صنعتگران پیرامون کاربردها و مزایای لولههای حرارتی نسبت به سایر تجهیزات انتقال حرارت، میتوان مصارف انرژی برای خنککاری را در سطح ملی و بینالمللی کاهش داد.
تحقیق و بررسی در مورد سایر تجهیزاتی که نیاز به انتقال حرارت و خنککاری دارند و تاکنون از لولههای حرارتی در آنها استفاده نشده است، میتواند به گسترش استفاده از لولههای حرارتی منجر شود.
استفاده از نانوذرات در لولههای حرارتی تاثیر چشمگیری میتواند بر عملکرد حرارتی این تجهیزات داشته باشد که منجر به کاهش حجم لولههای حرارتی و قابلیت اطمینان بالاتر آنها خواهد شد.
منابع
[1]Taslimifar, Mehdi, et al. “Overall thermal performance of ferrofluidic open loop pulsating heat pipes: An experimental approach.” International Journal of Thermal Sciences 65 (2013): 234-241.
[2] Qu, Jian, and Huiying Wu. “Thermal performance comparison of oscillating heat pipes with SiO 2/water and Al 2 O 3/water nanofluids.” International Journal of Thermal Sciences 50.10 (2011): 1954-1962.
[3] Gang, Pei, et al. “Performance study and parametric analysis of a novel heat pipe PV/T system.” Energy 37.1 (2012): 384-395.
[4] Nithyanandam, K., and R. Pitchumani. “Design of a latent thermal energy storage system with embedded heat pipes.” Applied Energy 126 (2014): 266-280.
[1]Phase Change Material
[2]Desalination systems
[3]Geothermal
[4]Photovoltaic cells
[5]Nucleation site
———————————————————————
مدیر طرح و تهیه کننده گزارش: دکتر رقیه قاسم پور
گروه ترویج صنعتی انرژی های نو و تجدید پذیر
نگارش : محمد الهویی نظری
بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
