Влияние основных ограничивающих факторов на пределы теплопереноса в тепловых трубах с различными теплоносителями

Abstract

Определены предельные значения переносимой мощности, обусловленные различными ограничивающими явлениями, применительно к тепловым трубам (ТТ) для систем охлаждения светодиодных модулей осветительных приборов. Показано, что предельное значение переносимой тепловой мощности в тепловых трубах с канавчатой капиллярной структурой, заправленных пентаном и ацетоном, обусловлено фактором уноса теплоносителя, а заправленных изобутаном — кипением в канавках. В тепловых трубах с металловолокнистой капиллярной структурой, заправленных водой, пентаном и ацетоном, определяющим ограничением является капиллярное давление, которое в области высоких значений пористости капиллярной структуры сменяется ограничением по звуковому запиранию парового канала (для ТТ с водой) и ограничением по кипению (для ТТ с пентаном и ацетоном). Все расчеты проводились для температуры насыщения 50°С и при значениях пористости от 30 до 90%.

Визначено граничні значення теплової потужності, що переноситься тепловими трубами (ТТ) для систем охолодження світлодіодних модулів освітлювальних приладів, які зумовлені різними обмежувальними явищами. Показано, що ці граничні значення для теплових труб з канавчатою капілярною структурою, заправлених пентаном і ацетоном, обумовлені фактором винесення теплоносія, а заправлених ізобутаном — кипінням в канавках. У теплових трубах з металоволокнистою капілярною структурою, заправлених водою, пентаном і ацетоном, визначальним обмеженням є капілярний тиск, який в області високих значень пористості капілярної структури змінюється обмеженням по звуковому запиранню парового каналу (для ТТ з водою) і обмеженням по кипінню (для ТТ з пентаном і ацетоном). Всі розрахунки проводилися для температури насичення 50° С і при значеннях пористості від 30 до 90%.

Aluminium and copper heat pipes with grooved and metal fibrous capillary structure are high effective heat transfer devices. They are used in different cooling systems of electronic equipment like a LED modules, microprocessors, receive-transmit modules and so on. However thus heat pipes have heat transfer limitations. There are few types of this limitations: hydraulic limitation, boiling limitation, liquid entrainment by vapor flow and sonic limitation. There is necessity to know which one of these limitations is determinant for heat pipe due to design process. At a present article calculations of maximum heat transfer ability represented. All these calculations were made for LED cooling by using heat pipes with grooved and metal fibrous capillary structures. Pentane, acetone, isobutane and water were used as a coolants. It was shown that the main operation limit for axial grooved heat pipe, which determinate maximum heat transfer ability due to inclination angle for location of cooling zone higher than evaporation zone case, is entrainment limit for pentane and acetone coolants. Nevertheless, for isobutane coolant the main limitation is a boiling limit. However, for heat pipes with metal fibrous capillary structure the main limitation is a capillary limit. This limitation was a determinant for all calculated coolants: water, pentane and acetone. For high porosity range of capillary structure, capillary limit transfer to sonic limit for heat pipes with water, that means that the vapor velocity increases to sonic velocity and can’t grow any more. Due to this, coolant cant in a needed quantity infill condensation zone and the last one drained. For heat pipes with acetone and pentane, capillary limit transfer to boiling limit. All calculations were made for vapor temperature equal to 50°C, and for porosity range from 30% to 90%.