Tubos de calor e intercambiadores de calor
¿Qué es un caloducto?
Un caloducto es un dispositivo de transferencia de calor con una conductividad térmica efectiva sumamente alta. Los caloductos son recipientes evacuados, generalmente circulares en la sección transversal, que se llenan con una pequeña cantidad de fluido de trabajo. Son sistemas totalmente pasivos, sin piezas movibles, y transfieren calor de una fuente de calor a un disipador de calor con mínimos gradientes de temperatura, o a superficies isotérmicas.
¿Cómo funciona un caloducto?
A través de la evaporación y condensación de un fluido de trabajo. A medida que el calor entra en el evaporador, el fluido se vaporiza y crea un gradiente de presión en el caloducto. Esto hace que el vapor fluya por el caloducto hasta la sección del enfriador donde se condensa, dejando su calor latente de vaporización. Luego, el fluido de trabajo regresa al evaporador a través de fuerzas capilares en la estructura de mecha porosa o mediante la gravedad.
¿Para qué se usan los caloductos?
Los caloductos se usan para una amplia variedad de aplicaciones, en cualquier lugar donde el calor deba ser transferido con un gradiente térmico mínimo, ya sea para aumentar el tamaño del disipador de calor, para reubicar el disipador en un lugar remoto o donde se requieren superficies isotérmicas. Las aplicaciones típicas incluyen el enfriamiento del procesador de una computadora, revestimientos isotérmicos del horno y transferencia de calor aeroespacial.
¿Qué es la conductividad térmica de un caloducto típico?
Los caloductos no tienen una conductividad térmica fija como los materiales sólidos, porque tienen una transferencia de calor de dos fases. En su lugar, su conductividad térmica efectiva mejora con la longitud. Un caloducto de 12" y uno de 4", que transporta cada uno 100 W, tendrán aproximadamente el mismo gradiente térmico, por eso el caloducto de 12" tendrá la conductividad térmica efectiva más alta. A diferencia de los materiales sólidos, un caloducto cambiará su conductividad térmica efectiva con la cantidad de potencia que se transfiera y los tamaños del evaporador y el condensador. Las conductividades térmicas efectivas pueden variar entre 10 y 10,000 veces (4,000 W/metro·K a 4,000,0000 W/metro·K) la conductividad térmica efectiva del cobre, dependiendo de la longitud del caloducto.
¿Qué materiales se pueden usar para construir un caloducto?
La selección del material de la pared o cubierta del caloducto se hace según la compatibilidad del fluido de trabajo. El fluido de trabajo del caloducto es seleccionado en base al rango de la temperatura de funcionamiento de la aplicación. Después de seleccionar el fluido de trabajo, se elige el material de la pared o cubierta del caloducto en función de la compatibilidad química con el fluido de trabajo para evitar la corrosión o la reacción química entre el fluido y el material de la pared o cubierta del caloducto. Un problema de compatibilidad química entre el fluido de trabajo y el material de la pared dentro de un caloducto puede crear una reacción química que produce un gas no condensable. Los gases no condensables dentro de un caloducto pueden provocar fallas en el funcionamiento.
¿Cuáles son las principales limitaciones de transporte de calor de un caloducto?
Las cuatro limitaciones básicas del transporte de calor de un caloducto son:
Límite de capilaridad: es la presión de bombeo capilar máxima de la estructura de mecha para transportar el fluido de trabajo desde el condensador del caloducto al evaporador. La presión de bombeo capilar debe superar tres caídas de presión básicas dentro del caloducto, específicamente, la caída de presión del vapor, la caída de presión del líquido y las caídas de presión gravitacionales/de la fuerza corporal.
Límite de ebullición: el límite de ebullición aparece cuando se supera el flujo de calor radial máximo (W/cm2), lo que hace que la vaporización del fluido de trabajo supere la velocidad a la que el condensado líquido regresa de la sección del condensador del caloducto. Cuando se alcanza el límite de ebullición, el fluido de trabajo líquido no está disponible para absorber el calor y el caloducto se secará y no funcionará.
Límite sónico: el caudal máximo del caudal del vapor del fluido de trabajo que va del evaporador del caloducto al condensador. Cuando el caudal del vapor supera la velocidad sónica, se obstruirá el flujo y el caloducto no tendrá un funcionamiento isotérmico.
Límite de arrastre: aparece cuando la fuerza pura del vapor que fluye del evaporador a la sección del condensador de los caloductos en la interfaz de vapor-mecha hace que las gotitas de líquido sean arrastradas y transportadas a la sección del condensador. Si se supera el límite de arrastre, el líquido de trabajo podría no regresar de la sección del condensador a la sección del evaporador, y de esta forma el caloducto no funcionará.
¿Los caloductos son confiables?
Sí, principalmente porque no tienen piezas movibles. Son ideales para aplicaciones como las aeroespaciales donde no es posible realizar mantenimiento. La causa principal de las fallas de un caloducto es la generación de gas en el caloducto, pero esto puede evitarse por completo con procedimientos de limpieza y ensamblaje adecuados. Boyd es el único fabricante de tubos de calor en el mundo que puede reclamar más de 40 años de fiabilidad de tubos de calor y datos de prueba de vida útil.
¿Los caloductos son costosos?
En comparación con los métodos de transferencia de calor tradicionales (y menos efectivos), como las extrusiones de aluminio y los disipadores de calor fundidos, los caloductos pueden tener un costo inicial más elevado. Es por eso que los caloductos no son recomendados para aplicaciones en las que se puede enfriar mediante disipadores de calor conductivos simples. Sin embargo, en aplicaciones más exigentes, el costo total de los caloductos es competitivo con otras alternativas. Además, el costo inicial se compensa en parte con las mejoras en la confiabilidad del sistema y la mayor duración de los elementos electrónicos que hacen funcionar el enfriador. En grandes cantidades, el costo de los caloductos baja significativamente y con frecuencia son la solución más económica para una aplicación de refrigeración.
¿Pueden los caloductos funcionar contra la gravedad?
Sí, esto ocurre cuando el evaporador está ubicado sobre el condensador. En estas aplicaciones, el fluido de trabajo debe ser bombeado contra la gravedad para volver al evaporador. Esto ocurre a través de estructuras de mecha que bombean el fluido de trabajo mediante la presión capilar desarrollada en la mecha porosa. Cuanto más fino sea el radio del poro de una estructura de mecha, mayor será la gravedad contra la que puede funcionar el caloducto. (Las mechas a nanoescala están disponibles).
No todos los tipos de transferencia de calor pasiva pueden funcionar contra la gravedad. Un termosifón es similar a un caloducto pero no tiene estructura de mecha y solo funcionará con ayuda de la gravedad.
¿Qué fluidos se utilizan en los caloductos?
Los fluidos de trabajo de un caloducto varían entre helio y nitrógeno para aplicaciones de caloductos criogénicos hasta metales líquidos, como sodio y potasio, para disipación de calor de alta temperatura. Algunos de los fluidos más comunes para caloductos utilizados para operaciones de enfriamiento de componentes electrónicos son el amoníaco, el agua, la acetona y el metanol. Boyd tiene experiencia en la fabricación de tubos de calor utilizando todos estos fluidos para aplicaciones criogénicas a altas temperaturas (>1,000 °C).
¿Cómo funciona un caloducto de agua debajo de los 100° C?
El agua a presión atmosférica hierve a <100 ° C, pero dentro de un tubo de calor, el agua no está a presión atmosférica. La presión interna del caloducto es la presión por saturación del fluido a la temperatura correspondiente del fluido. El fluido en un caloducto hervirá a cualquier temperatura por sobre su punto de congelación. Por lo tanto, a temperatura ambiente (20° C) un caloducto de agua está bajo vacío parcial, y el caloducto hervirá tan pronto como ingrese el calor.
¿Los caloductos se pueden congelar?
Sí, los fluidos de trabajo de un caloducto, incluida el agua, mantienen su punto de congelación normal. Los caloductos no funcionarán hasta que la temperatura se eleve por sobre la temperatura de congelación del fluido. Sin embargo, los caloductos correctamente diseñados no se dañarán por la congelación o descongelación del fluido de trabajo. Boyd ha diseñado, desarrollado y fabricado con éxito tubos de calor tolerantes a la congelación que tienen más de 20 años de experiencia demostrada y probada en aplicaciones de campo.
¿Qué funciones de alarma de intercambiador de calor pueden ofrecer? ¿Cómo?
El control de la temperatura, el control de la velocidad y las alarmas de fallas en el ventilador pueden ser integrados en cada intercambiador de calor. Estas funciones pueden ofrecerse al instalar un panel de control de estado sólido y/o integrar la función en el ventilador en sí.
¿Cómo se sella el elemento central de la serie Boyd HXi® Heat Exchanger?
Boyd utiliza un sellador RTV para proporcionar una junta cohesiva alrededor del cassette del núcleo interno y el conjunto de la brida del núcleo. Cada cartucho central interno y ensamblaje de brida central es sometido a un diseño de prueba de vacío para simular las condiciones NEMA 4.
¿Se pueden recubrir las aletas de un HX® para proteger al medioambiente?
Sí, el recubrimiento habitual es de cromo hexavalente o cromo transparente que cumple con las regulaciones RoHS. Se pueden incorporar recubrimientos como Herresite o E-Coat a los intercambiadores de calor para ofrecer protección para el medioambiente a la unidad (existen volúmenes mínimos).
¿Cuál es la diferencia entre las tecnologías HX®, HXi® y HXc®?
Cada tecnología ofrece sus propias ventajas con relación al tamaño, la eficiencia, la adaptabilidad para personalización y la capacidad de potencia. Permita que Boyd revise la solicitud para recomendar una gran solución.
¿Crean diseños personalizados?
Boyd utiliza una amplia gama de tecnologías para ofrecer soluciones personalizadas totalmente optimizadas, así como nuestras ofertas estándar.
¿Pueden proporcionar un modelo generado por computadora de cómo funcionará su intercambiador de calor en mi aplicación?
Sí, Boyd puede utilizar programas CFD (dinámica de fluidos computacional) como SmartCFD para modelar el rendimiento de un intercambiador de calor.
