Heat pipe

Uit Pv en zonneboiler wiki
Ga naar: navigatie, zoeken

Een heat pipe is een transport mechanisme dat grote hoeveelheden warmte kan verplaatsen. Veel groter dan normaal door eenvoudig geleiding mogelijk zou zijn, bij veel lagere temperatuursverschillen en/of over grotere afstanden. In een heat pipe zit een transport medium, dat aan de warme kant verdampt, waarbij het energie opneemt, als gas zich voortbeweegt naar de koude kant, alwaar het condenseert en zijn warmte afgeeft, om vervolgens weer terug te gaan naar de warme kant.

Werking[bewerken]

Heat-pipe schematisch.png

In een heat pipe zit een transfer medium.

[1] Dit medium verdampt op het moment dat het in contact komt met het warme oppervlak en neemt hierbij de verdampingswarmte plus de soortelijke warmte maal de temperatuursstijging aan energie op (hoewel dit tweede deel meestal een relatief kleine component is vanwege de grote verdampingswarmte en relatief lage delta-T).

[3]Aan de koude kant condenseert de damp weer waarbij de opgenomen warmte vrij komt.

[2]Door het condenseren enerzijds en het verdampen anderzijds ontstaat er een drukverschil, dat ervoor zal zorgen dat het gas gaat stromen en het eigenlijke warmtetransport plaats vind.

[4]Om het gecondenseerde vocht terug te krijgen naar de warme kant van de heat pipe kan er ofwel van zwaartekracht danwel van een materiaal met capillaire werking gebruik gemaakt worden. In het geval van zwaartekracht zullen de druppels zoals normaal te verwachten valt naar beneden stromen, maar bij het gebruik van een capillair materiaal kan het condensvocht ook tegen de zwaartekracht in stromen. Hierdoor kunnen dergelijke heat pipes in alle richtingen en met bochten toegepast worden.

Efficiënte warmte verplaatsing[bewerken]

De verdampingswarmte van enkele stoffen uitgezet tegen de temperatuur in kelvin.

Het grote voordeel van heat pipes is hun capaciteit om extreem efficiënt warmte te verplaatsen. Een heat pipe is een compleet passief apparaat. Er zitten geen bewegende delen in en zolang het omhulsel intact blijft kan de heat pipe eeuwig blijven functioneren. Daarnaast heeft een heat pipe een extreem goede geleiding. Veel beter dan een koperen of zilveren staaf van dezelfde diameter. Er zijn heat pipes die warmte kunnen transporteren met een dichtheid tot wel 23KW/cm². Dit is ongeveer vier keer meer warmte dan er vrij komt aan het oppervlak van de zon, welke een warmteuitstraling heeft van ongeveer 6kW/cm²<ref>Jim Danneskiold, Los Alamos-developed heat pipes ease space flight. Los Alamos News Release, April 26, 2000.</ref> Deze efficiënt komt doordat het relatief veel energie kost een materiaal van fase te laten veranderen. Deze smeltwarmte of verdampingswarmte, waar we hier gebruik van maken is gelijk aan de soortelijke warmte van vele graden temperatuursverandering. Bij het veel gebruikte medium voor heat pipes, water, is de verdampingswarmte 40,65kJ/mol. Dit is meer dan vijf keer zoveel als de warmte die nodig is om water van 0 °C tot 100 °C te verwarmen (warmte capaciteit water = 75.3 J/K/mol).

Temperatuursbereik[bewerken]

Een van de nadelen van heat pipes is hun temperatuursbereik. Ze werken alleen in het temperatuursbereik waarvoor ze ontworpen zijn. Daarbuiten hebben ze alleen nog de geleiding van het materiaal waarvan ze gemaakt zijn om warmte te verplaatsen. Dit is meestal koper, een goede geleider, waardoor alsnog met ongeveer 1/80e van van hun capaciteit zullen geleiden.

Het functionele temperatuursbereik word bepaald door het medium waarmee de heat pipe funktioneert, als mede het materiaal waarvan deze gemaakt is. Als de smelttemperatuur van het materiaal waarvan de heat pipe is gemaakt bereikt word, dan zal hij kapot gaan, doordat het medium kan ontsnappen. Dit is eigenlijk alleen bij extreme toepassingen, zoals in het hitteschild van een ruimtevaartuig, het geval.

Een meer reële beperking vormt het vriespunt. Als de warme kant van de heat-pipe niet boven het vriespunt van het medium uit komt, dan zal het medium nauwelijks verdampen (sublimatie is mogelijk) waardoor de warmteverplaatsing drastisch afneemt.

Daarnaast is het ook nog mogelijk dat de koude kant van de heat-pipe zo warm is dat het medium niet meer condenseert. Dit kan echter opgelost worden door meer medium toe te voegen bij productie, doordat meer medium verdampt stijgt de druk en zal de kooktemperatuur stijgen. Hierdoor komt de temperatuur van de koude kant weer onder het kookpunt te liggen en zal er weer medium condenseren. Hierdoor zal het proces pas zijn maximum werk temperatuur bereiken wanneer al het medium zich in gas fase bevind of totdat het kritieke punt van het medium bereikt wordt, waarna er geen fase verandering meer plaats vind.


Toepassingen[bewerken]

Het basis idee van heat pipes dateert terug tot het stoomtijdperk, maar de eerste moderne heat pipes met capillair werden commercieel onderzocht vanaf begin jaren zestig. Voornamelijk op initiatief van de NASA welke heat pipes als eerste toepaste om temperaturen in satellieten aan zowel de zon- als schaduwkant gelijk te houden. Later heeft de NASA heat pipes ook toegepast om de space shuttle koel te houden. Het grootste toepassingsgebied tegenwoordig is waarschijnlijk de computer industrie. Hier worden heat pipes volop gebruikt om de warmte gegenereerd door de verschillende onderdelen weg te voeren naar een plek waar deze makkelijker is af te geven aan de lucht. In bijna iedere laptop zitten ze, maar ook op de meeste videokaarten en op veel geavanceerde processorkoelers.

Toepassing in zonnepanelen[bewerken]

De heat-pipe die uit een vacuumcollectorbuis steekt.

In moderne zonnepanelen worden vaak heat pipes toegepast. Heat pipes zijn hier ideaal, omdat het hiermee gemakkelijk is de ingestraalde warmte van een groot oppervlak te concentreren tot een klein oppervlak waar deze geaccumuleerde warmte kan worden overgedragen aan het te verwarmen water of een ander transportmedium. In vergelijking met andere manieren om dit te bewerkstelligen, zoals een massive geleider, of een leiding met stromend water heeft de heat pipe voordelen. Een heat pipe heeft een veel lagere soortelijke warmte, omdat deze voornamelijk gevult is met een lage druk gas. Slechts een fractie van zijn volume is gevuld met het medium. Daarnaast heeft een heatpipe een veel grotere warmte transport capaciteit dan massief koper, maar ook als een leiding met water. Dit komt omdat alle heat-pipes parallel gebruikt kunnen worden en bij het rond pompen van water alle leidingen in serie staan.