Energii neconvenționale - tubul de fierbere

1.Introducere

Tubul termic este un dispozitiv unic care realizează un trasfer de căldură cu o eficienţă foarte mare prin îmbinarea într-un ciclu închis a fenomenelor fizice de evaporare, transport de vapori, condensare şi returnare ale unui fluid de lucru.

O sursă de căldură aduce la starea de fierbere un fluid de transfer termic iar un radiator de căldură condensează fluidul din nou în stare lichidă eliberând energia transferată prin schimbarea de fază a fluidului. Fluidul de transfer este conţinut într-un tub (ţeavă), care asigură atât transferul vaporilor cât şi reîntoarcerea condensului în zona fierbinte într-o buclă închisă reprezentată de ciclul evaporare-condensare.

O proprietate specifică tubului termic constă în aceea că, folosind transformarea de fază a unui fluid de lucru, poate transfera căldura extrem de eficient pe distanţe mari. Astfel un tub termic realizează transferul unui flux de căldură de câteva mii de ori mai mare decât o bară plină de cupru în aceleaşi condiţii de geometrie şi interfaţă.

Figura 1. Reprezentarea schematică a unui tub termosifon (a) și a unui termic (b).

O a doua proprietate fundamentală a tubului termic constă în funcţionarea sa în regim izoterm. Indiferent de lungimea sau secţiunea sa, tubul termic va avea o temperatură constantă în orice punct de pe suprafaţa sa.

La prima vedere, funcţionarea tubului termic pare a fi extrem de simplă. Energia termică este transportată de la evaporator la condensator printr-un ciclu continuu de transfer de masă şi schimbare de fază ale unui fluid de lucru. Mecanismul schimbării de fază, cu fenomenele însoţitoare de absorbţie şi cedare de căldură, este cunoscut de mult timp drep un proces termic foarte eficient. Într-un tub termic, spre deosebire de alte dispozitive care folosesc schimbarea de fază, fluidul de lucru este recirculat continuu prin acţiunea propriilor lui forţe de tensiune superficială. Această metodă unică de trasfer de masă este cea care a stimulat, în principal, interesul crescând faţă de tubul termic, încă este în acelaşi timp şi principalul factor care limitează funcţionarea lui.

Principiul de funcţionare a unui tub termic este ilustrat în figura 1a) şi 1b). În figura 1a) este vorba de un tub termic asistat gravitaţional – numit termosifon iar în figura 1b) de un tub termic neasistat gravitaţional numit și tub termic antigravitaţional.

O cantitate mică de lichid este introdusă în tub după care aerul din tub este evacuat, iar tubul închis ermetic. Prin încălzirea capătului inferior lichidul se evaporă, iar vaporii ajung rapid (datorită parcursului liber mijlociu mare al moleculelor de apă în condiţii de presiune scăzută) la capătul rece unde condensează şi se reîntoarce la capătul fierbinte datorită forţelor gravitaţionale. Din acest motiv acest tub se mai numeşte şi tub termic gravitaţional. Deoarece căldura latentă de evaporare a lichidelor este mare la diferenţe foarte mici de temperatură între cele două capete se poate transporta o cantitate de căldură considerabilă.

Astfel această structură va prezenta o conductanţă termică foarte mare. Performanţele unui tub termic depind de lichidul utilizat pentru transportul căldurii. Această categorie de tuburi termice va funcţiona numai dacă întotdeauna capul cald al tubului va fi mai jos decât cel rece. În general acceptă o înclinare între 20 şi 90 grade faţă de verticală.

Dacă interiorul tubului este prelucrat special asigurându-se nişte canale înguste astfel încât forţele capilare să reasigure reîntoarcerea condensului la evaporat, figura 1b, atunci poziţia capătului cald nu mai este condiţionată în raport cu capul rece şi spunem că avem de-a face cu un tub termic propriuzis. În afară de utilizarea forţelor capilare pentru reîntoarcerea fluidului în evaporator se mai pot utiliza şi: forţa centripetă, forţele electrostatice, forţele magnetice sau forţele osmotice. În acest caz tuburile termice se vor numi: tub termic rotitor, tub termic electrodinamic, tub termic magnetohidrodinamic sau tub termic osmotic.

Performanta unui tub termic este exprimată în unităţi de „conductivitate termică echivalentă” Un tub termic cilindric similar cu cel din figura 1b, folosind apa ca fluid de lucru şi lucrând la 1500C (partea caldă a tubului) va prezenta o conductivitate termică de câteva sute de ori mai mare decât a cuprului. Puterea de transport a unui tub termic poate atinge valori foarte mari, spre exemplu tuburile care folosesc litiu ca şi fluid de lucru la temperaturi de 15000C pot transporta un flux termic axial de 10-20 Kw/Cm2. Prin alegerea convenabilă a lichidului de lucru şi a materialelor din care să fie confecţionate tuburile se pot construi tuburi termice care să fie utilizate în domenii de temperatură cuprinse între 4K şi 2300K.