Perspektywy wykorzystania rurek ciepła w sektorze

Agnieszka Żuraw
Politechnika Wrocławska
Wydział Mechaniczno-Energetyczny
Kierunek: Energetyka Komunalna
Studentka II roku
Perspektywy wykorzystania rurek ciepła w sektorze energetycznym i małym
gospodarstwie.
W artykule w prosty i przejrzysty sposób opisano działanie heat pipe przez jednych nazwaną rurą
ciepła, innych rurką cieplną czy ciepłowodem. Jest to prostej konstrukcji urządzenie, służące do transportu
ciepła. Znalazło ono zastosowanie m.in. na statkach kosmicznych, w nowoczesnych komputerach, przemyśle
ciężkim czy ważnej z naszego punktu widzenia energetyce.
Poznano wiele rodzajów rurek ciepła. W artykule omówiono dwa podstawowe układy – termosyfon
oraz rurkę ciepła ze strukturą kapilarną.
Jak każde urządzenie rurka ciepła nie jest ideałem. Na podstawie wymienionych przykładów
zaprezentowano jej wady i zalety.
Na zakończenie poruszono problem przyszłości rurek ciepła w energetyce – zarówno tej globalnej
jak i lokalnej. Dziedzinami, w których mogłaby znaleźć zastosowanie to odzyskiwanie ciepła przy
wentylacji, kolektory słoneczne czy ogrzewanie.
RURKA CIEPŁA
Rurka ciepła jest znana w technice od lat 40-stych ubiegłego wieku. Pierwszą
osobą, która zagłębiła się w tym temacie był R.S. Gaugler z General Motors (Ohio, USA).
W kolejnych latach pojawił się tylko jeden patent dotyczący zastosowania rurki ciepła w
systemach chłodniczych i zainteresowanie nimi ucichło. Dopiero w latach 60 – tych
zaczęto je stosować w przemyśle, nie tylko chłodniczym, ale też kosmicznym,
spożywczym czy chemicznym.
Głównym zadaniem rurki ciepła jest transport ciepła za pomocą konwekcji i
parowania płynu, umieszczonego wewnątrz rurki. W parowniku następuje odparowanie
cieczy, następnie para transportowana jest do skraplacza, gdzie oddając ciepło zostaje
skroplona. Z powodu prostej i zamkniętej konstrukcji wewnątrz urządzenia można
zastosować przeróżne płyny, począwszy od Helu, poprzez Azot, Amoniak, Rtęć czy
srebro, Dzięki temu rurka ciepła posiada szeroki zakres pracy (od 2 do 2000K).
Rysunek 1. Zasada działania rurki ciepła.
PODZIAŁ RUREK CIEPŁA
Wraz z rozwojem techniki powstało wiele rodzajów rurek ciepła. Ogólnie dzielimy
je na termosyfony, ze strukturą kapilarną oraz płytkowe.
Rysunek 2. Termosyfon.
Termosyfony, nazywane też konwencjonalnymi czy grawitacyjnymi rurkami ciepła, to
rurki ciepła wykorzystujące grawitację i konwekcje do transportu ciepła. Najczęściej
zbudowane są z miedzi i wyglądem przypominają tubę z obu stron zamkniętą.
Rurka podzielona jest na trzy strefy: strefa parowania(parownik), strefa przejściowa
i strefa kondensacji(skraplacz). W parowniku następuje odparowanie cieczy i przy pomocy
konwekcji naturalnej, poprzez strefę przejściową, zostaje odtransportowana do strefy
kondensacji, gdzie para oddaje ciepło i zostaje skroplona. Siły grawitacji oraz odpowiednia
struktura kapilarna powodują, że ciecz zostaje odtransportowana do parownika, gdzie
ponownie odbiera ciepło i odparowuje. Wadą termosyfonów jest to, że mogą pracować w
pozycji pionowej(maksymalne odchylenie od pionu to 8°).
Rysunek 3. Pozycje pracy.
Rurki ciepła ze strukturą kapilarną wyglądem zewnętrznym niczym nie różnią się
od termosyfonów. Zdarza się, że w pewnych miejscach są zaginane, aby możliwe było
transportowanie ciepła z trudno dostępnych miejsc. Za to wewnątrz nich znajdują się
zupełnie inne struktury. W środku umieszczany jest specjalny knot albo wewnętrzne
ścianki zbudowane są ze specjalnych struktur kapilarnych. Wygląd oraz materiał, z jakiego
wykonany jest knot, zależą od warunków pracy danej rurki ciepła.
Rysunek 4. Przykłady struktur kapilarnych.
Sposób przekazywania ciepła w rurkach niekonwencjonalnych jest podobny do
tego w termosyfonach, jednak pozycja pracy zależy tylko od upodobania konstruktora. W
parowniku następuje odparowanie cieczy, a w strefie kondensatu, jej skroplenie. Transport
skroplin odbywa się przy pomocy knota, gdzie siły grawitacji zostały zastąpione siłami
napięcia powierzchniowego.
Rysunek 5. Pozycje pracy rurek ze strukturą kapilarną.
WADY I ZALETY RUREK CIEPŁA
Jak każde urządzenie rurka ciepła nie są ideał. Jej główną zaletą jest to, że nie
posiada ruchomych części (np. pomp, sprężarek), które podczas użytkowania najczęściej
ulegają awarii oraz emitują hałas. Jedynym czynnikiem, który może doprowadzić do
uszkodzenia rurki jest korozja metalu, z którego jest wykonana oraz uszkodzenia
mechaniczne spowodowane nieodpowiednim użytkowaniem.
Kolejną zaletą, która cieszy wielu użytkowników, jest niski koszt utrzymania rurek
ciepła. Nie trzeba do niej doprowadzać energii elektrycznej, nie wymaga obsługi oraz
serwis jest tani – mało części, które ulegają zepsuciu. Nie wolno zapominać o tym, że
szczelna konstrukcja pozwala na zastosowanie przeróżnych czynników roboczych. Dzięki
temu rurkę ciepła charakteryzuje szeroki zakres pracy i dlatego można ją zastosować w
wielu dziedzinach życia.
Jednak, jak każde urządzenia, rurka ciepła posiada ograniczenia, na które należy
zwrócić uwagę podczas jej konstruowania. Należą do nich:
• Siły lepkości – należy odpowiednio dobrać płyn roboczy. W innym wypadku siły
lepkości powstrzymują przepływ pary i następuje zakłócenie przepływu ciepła przez
rurkę, co może spowodować jej uszkodzenie.
• Zatopienie części skraplacza. Do tego zjawiska dochodzi, gdy powrót skroplin do
parownika zablokowany jest przez zbyt dużą prędkość pary opuszczającej parownik.
Kiedy do rurki ciepła dostarczymy zbyt dużą ilość ciepła może dojść do wysuszenia lub
wrzenia cieczy. Zakłóca to pracę rurki na całej długości i może spowodować, że para
osiągnie prędkość dźwięku (efekt niepożądany).
ZASTOSOWANIE RUREK CIEPŁA
Swoją karierę rurki ciepła rozpoczęły w przemyśle chłodniczym do szybkiego i
nieinwazyjnego transportu ciepła. Następnie przemysł kosmiczny oraz elektroniczny
zainteresowały się nimi. Zadaniem rurek ciepła było sprawne ochładzanie systemów
komputerowych. W dzisiejszych czasach coraz częściej zastosowanie znajdują w
energetyce.
Początkowo rurki ciepła umieszczano w systemach wentylacyjnych pomiędzy
kanałem wylotowym i wlotowym powietrza. Ciepłe powietrze, które wylatuje z
pomieszczeń ogrzewa świeże, transportowane z dworu.
Rysunek 6. System wymiany ciepła pomiędzy spalinami a powietrzem, z zastosowaniem rurek ciepła
Takie układy montuje się też pomiędzy kanałami spalin transportowanych do komina, a
kanałami z powietrzem transportowanym do kotła.
Następną dziedziną energetyki, w której znalazły zastosowanie to kolektory
słoneczne. Dzięki nim nawet w mroźne dni kolektory osiągają sprawność 30%. Zasadę
działania rurki ciepła w kolektorze przedstawia Rysunek 7. Miedziana rurka ciepła
umieszczona jest w specjalnej szklanej rurze, która przepuszcza promienie świetlne.
Pomiędzy szklaną powłoką, a rurką ciepła panuje próżnia, co zapobiega oddawaniu ciepła
do otoczenia(próżnia to najlepszy izolator). Promienie słoneczne doprowadzają do wrzenia
ciecz znajdującą się w rurce ciepła. Następnie powstała para transportuje ciepło do
skraplacza, gdzie oddając ciepło przepływającemu czynnikowi, zostaje skroplona.
Przepływający czynnik, tak jak w tradycyjnych kolektorach podgrzewa wodę używaną do
ogrzewania pomieszczeń i wody używanej do celów sanitarnych.
Rysunek 7. Zastosowanie rurek ciepła w kolektorach.
Rurki ciepła znalazły też zastosowanie do stabilizacji temperatury gruntu. Podczas
budowy linii kolejowej pomiędzy Chinami a Tybetem umieszczono je na odcinkach, gdzie
występuje wieczna zmarzlina. Podczas ogrzewania się gruntu w tych miejscach dochodziło
do zapadania się szyn oraz ich pękania. Zadaniem rurek ciepła jest odprowadzanie ciepła z
gleby do powietrza. Dzięki temu, nawet przy największych odwilżach, grunt pozostaje
zamarznięty. Oczywistym jest, że zastosowano termosyfony, po to by transport ciepła
zawsze odbywał się w jedną stronę.
Natomiast w krajach skandynawskim rurki ciepła służą do ogrzewania jezdni.
Zakopuje się je na pod drogą, aby utrzymywały stałą, dodatnią temperaturę asfaltu. Dzięki
temu, nawet w najsroższe zimy skandynawskie drogi pozostają przejezdne. W tym
przypadku ważne jest, aby strefa parowania cieczy znajdowała się na głębokości, gdzie
występują stałe temperatury. Inaczej może dojść do uszkodzenia rurki ciepła.
Bibliografia
[1] Jakubowski P. ; Studium projektowe wraz z oceną techniczną wykorzystania rurki ciepła do podrzewania
gruntu w niskotemperaturowych komorach chłodniczych; Praca Dyplomowa Magisterska, Politechnika
Gdańska, Wydział Mechaniczny, 2007
[2] Z. Bonca, Racjonalne i ekonomiczne uzasadnienie obszarów wykorzystywania rurki ciepła; Seminarium
z chłodnictwa, Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny
[3] www.sciencedirect.com
[4] www.chlodnictwoiklimatyzacja.pl
[5] www.wentylacja.com.pl
[6] www.ogrzewnictwo.pl
[7] www.wikipedia.org
[8] www.klimor.pl
[9] www.viessmann.pl