Tubos de calor explicados:componentes, tipos e fatores de desempenho para transferência de calor ideal

Tubos de calor são dispositivos passivos usados para transferir calor em sistemas de circuito fechado e são comumente encontrados em unidades de recuperação de calor, controle térmico de naves espaciais e resfriamento de eletrônicos. Um tubo de calor transfere calor aproveitando a mudança de fase e a ação capilar dentro de um tubo selado e evacuado contendo um pavio e fluido de trabalho. O material do tubo deve ter alta condutividade térmica e a estrutura do pavio deve mover o fluido de trabalho da extremidade fria para a extremidade quente do tubo de calor.

O fluido dentro de um tubo de calor precisa ter um baixo ponto de ebulição e um alto calor latente de vaporização. A tubulação de cobre costuma ser combinada com água e a de alumínio com amônia. Os tubos de calor são comuns em sistemas HVAC, eletrônicos e veículos aeroespaciais. Algumas variáveis, incluindo a estrutura do pavio, o fluido de trabalho e a temperatura operacional, podem afetar o desempenho dos tubos de calor. Este artigo define tubos de calor e descreve seus componentes, tipos, aplicações e fatores de desempenho.

O que é um tubo de calor?

Um tubo de calor transfere calor circulando um fluido entre os estados de evaporação e condensação em um invólucro selado. Os tubos de calor são geralmente usados ​​em naves espaciais, eletrônica e outras áreas onde o espaço, a massa ou o consumo de energia são restritos.

Qual é a função de um tubo de calor?

A principal função de um tubo de calor é transferir eficientemente o calor de uma fonte de calor para um dissipador de calor. Pode transferir muito calor mesmo que a diferença de temperatura seja mínima porque uma mudança de fase faz parte do processo.

Como funcionam os tubos de calor?

Todo tubo de calor precisa de um fluido de trabalho – geralmente água ou refrigerante. O fluido absorve calor, vaporiza e depois se move para a extremidade mais fria do tubo, onde libera calor condensando-se novamente em líquido. Este ciclo contínuo permite transferir calor por distâncias consideráveis. Os sistemas de resfriamento eletrônico e recuperação de calor tendem a utilizar tubos de calor.

Uma ilustração mostrando como funciona um tubo de calor.

Quais são os componentes de um tubo de calor?

As seguintes partes constituem um tubo de calor:

1. Evaporador

O evaporador em um tubo de calor absorve o calor da fonte e vaporiza o fluido de trabalho. O fluido de trabalho vaporizado transferirá então calor da fonte para o condensador.

2. Condensador

Quando o fluido de trabalho libera calor e se condensa novamente em líquido, isso ocorre na seção condensadora do tubo de calor, que está em contato com o dissipador de calor.

3. Estrutura do pavio

O fluido de trabalho é normalmente transportado da extremidade mais fria do tubo de calor para a extremidade mais quente por meio de ação capilar com o auxílio da estrutura de pavio que reveste as paredes internas do tubo de calor. Pós metálicos sinterizados, malhas metálicas tecidas e cerâmicas porosas são exemplos de materiais de pavio típicos.

Qual é o projeto comum de um tubo de calor?

Um tubo de calor é um tubo metálico cilíndrico fechado, geralmente feito de cobre ou alumínio, que contém uma estrutura de pavio. O calor é transferido de forma eficiente à medida que o fluido de trabalho circula entre as extremidades por meio de evaporação e condensação, com ação capilar na estrutura do pavio devolvendo o líquido à fonte de calor.

O que é tecnologia de tubo de calor?

A tecnologia de tubos de calor utiliza tubos selados com fluidos de trabalho para transferir passivamente calor entre duas regiões por meio de mudança de fase, sem necessidade de entrada de energia externa.

Quais são os tipos de tubos de calor?

Os tubos de calor vêm em vários estilos diferentes:

1. Tubos de calor para câmara de vapor

O calor é transferido para o fluido usando uma estrutura sem pavio nos tubos de calor da câmara de vapor. Eles são comumente empregados em soluções de resfriamento para CPUs, GPUs, iluminação LED e outros eletrônicos de alta potência. Embora essas versões tenham distribuição uniforme de temperatura e capacidade de resfriar vários dispositivos, elas são relativamente caras e normalmente exigem que o evaporador e o condensador fiquem no mesmo plano, embora alguns projetos possam gerenciar o fluxo de calor multidirecional. A ausência de pavio é a principal distinção entre tubos de calor de câmara de vapor e tubos de calor convencionais.

2. Tubos de calor de condutância variável (VCHPs)

Tubos de calor de condutância variável (VCHPs) são sistemas de transferência de calor que movem calor usando um fluido de trabalho e um gás não condensável (NCG). Os VCHPs são usados ​​em sistemas de energia, espaçonaves e eletrônica. Eles têm benefícios como altas taxas de transferência de calor, operação passiva e flexibilidade de orientação. No entanto, eles apresentam algumas desvantagens, como altos custos de fabricação e um design mais complexo do que os tubos de calor convencionais. Ao contrário dos tubos de calor convencionais, os VCHPs incluem um mecanismo de condutância que regula a transferência de calor com base na diferença de temperatura entre o evaporador e o condensador.

3. Tubos de calor de diodo

Um tubo de calor de diodo é um dispositivo de transferência de calor que usa recursos de design interno para controlar e limitar o fluxo de calor em uma direção, imitando a função de um diodo. Ele vem em dois tipos:Diodos de armadilha líquida e Diodos de armadilha de vapor. Eles são usados ​​quando o fluxo de calor na direção reversa precisa ser evitado. Além disso, eles são empregados para o controle térmico de espaçonaves e eletrônicos. Altas taxas de transferência de calor e baixo consumo de energia são benefícios; uma faixa estreita de temperatura e sensibilidade à orientação são desvantagens.

4. Termossifões

Um tubo de calor termossifão é um dispositivo passivo de transferência de calor que usa a gravidade para circular um fluido de trabalho, geralmente em um circuito fechado. É freqüentemente usado em aquecedores solares de água e para resfriamento de eletrônicos. Seus benefícios incluem facilidade de uso, confiabilidade e acessibilidade, enquanto suas desvantagens incluem falta de flexibilidade e sensibilidade à orientação. O mecanismo usado pelos tubos de calor convencionais e termossifões para transferir o condensado do condensador para o evaporador é a principal distinção entre eles. Nos tubos de calor, o condensado retorna por ação capilar em um pavio, enquanto os termossifões dependem da gravidade.

5. Tubo de calor em loop

Um tubo de calor em loop é uma forma de dispositivo de transferência de calor que usa um mecanismo bifásico para extrair calor de uma fonte e transmiti-lo passivamente a um condensador ou radiador. Os LHPs podem operar contra a gravidade e fornecer desempenho confiável em comprimentos maiores do que os tubos de calor. O calor é transferido de uma fonte de calor para um dissipador de calor de forma eficiente e sem qualquer consumo de energia. Infelizmente, os LHPs são complexos e caros. Os LHPs são empregados em operações industriais, resfriamento de eletrônicos e controle térmico de espaçonaves.

6. Tubo de calor oscilante ou pulsante

Um dispositivo passivo de transferência de calor bifásico, denominado tubo de calor oscilante ou pulsante (PHP), move o calor por meio de ação capilar e movimento oscilatório. Tem uso nas indústrias automotiva, aeroespacial e eletrônica. Seus benefícios incluem acessibilidade, baixa resistência térmica, facilidade de construção e desempenho térmico eficaz. Vários produtos eletrônicos de consumo, como smartphones, tablets e consoles de jogos, empregam esses tubos de calor. Eles ajudam a dissipar o calor gerado, melhorando o desempenho e a vida útil dos dispositivos. Uma desvantagem é a faixa de trabalho restrita. O uso de movimento oscilatório, que é acionado termicamente e combinado com forças capilares, distingue o PHP dos tubos de calor convencionais.

Quais são as aplicações dos tubos de calor?

Exemplos de aplicações de tubos de calor estão listados abaixo:

1. Resfriamento de Computador

Processadores de computador e placas gráficas de alto desempenho geralmente são resfriados com a ajuda de tubos de calor. Eles podem aumentar a eficácia e a vida útil desses componentes, removendo o calor que, de outra forma, danificaria circuitos sensíveis.

2. Aeroespacial

Em aeronaves e espaçonaves, tubos de calor são usados para mover calor de regiões de alta temperatura para regiões de baixa temperatura. Eles controlam as temperaturas e evitam o superaquecimento ou congelamento das máquinas. A rejeição de calor nas naves espaciais é complicada pelo facto de não poderem dissipar o calor para o espaço através de condução ou convecção, pelo que estão limitadas ao arrefecimento radiativo e os tubos de calor desviam a energia térmica para os radiadores. Alta condutividade térmica, baixo peso e confiabilidade são vantagens no ambiente aeroespacial.

3. Iluminação LED

Os sistemas de iluminação LED removem a energia térmica dos diodos usando tubos de calor. O tubo de calor aumenta a eficiência e a vida útil do LED e reduz o consumo geral de energia.

4. Sistemas de Energia

Os sistemas de energia empregam tubos de calor para mover efetivamente o calor de um lugar para outro. Eles são vantajosos porque requerem pouca energia externa para operar, possuem alta condutividade térmica e podem transportar calor por uma grande área com pouca perda térmica.

5. Dispositivos Médicos

Os tubos de calor são amplamente utilizados em eletrônicos de consumo, dispositivos médicos e equipamentos aeroespaciais para transferir calor de componentes sensíveis e manter temperaturas operacionais estáveis.

6. Eletrônicos de consumo

Vários produtos eletrônicos de consumo, como smartphones, tablets e consoles de jogos, utilizam tubos de calor. Eles ajudam a remover o excesso de calor desses dispositivos, melhorando o desempenho e prolongando a vida útil.

7. Solar Térmico

Em sistemas solares térmicos, tubos de calor, especialmente em coletores de tubos evacuados, são usados para transferir calor do absorvedor solar para o sistema de armazenamento de calor. Esses sistemas são projetados para perdas térmicas mínimas, oferecendo transferência de calor eficiente, baixa manutenção e longa vida útil.

Que tipo de cooler de CPU contém tubos de calor?

Os tubos de calor são encontrados em muitos coolers de CPU, como os fabricados pela Noctua. O calor é movido da CPU para as aletas do radiador com a ajuda de tubos de calor para que a ventoinha possa dissipá-lo.

Como os tubos de calor são usados na impressão 3D?

Em impressoras 3D avançadas ou industriais, tubos de calor podem ser usados para estabilizar temperaturas quentes em sistemas baseados em extrusão. Embora não sejam comuns em impressoras FFF típicas, elas podem ajudar a reduzir as flutuações térmicas em aplicações de alta precisão.

Quais são os fatores que afetam o desempenho de um tubo de calor?

Vários fatores podem afetar o desempenho do tubo de calor, incluindo:

1. Entrada de calor

A entrada de calor determina a taxa de mudança de fase no fluido de trabalho. Se a entrada exceder os limites de capilaridade ou transporte de vapor do tubo de calor, poderá ocorrer ressecamento ou inundação, reduzindo a eficiência.

2. Temperatura operacional

A quantidade de calor que pode ser transferida através do tubo depende de sua temperatura operacional, o que tem impacto no desempenho do tubo em qualquer situação. Até certo ponto, temperaturas mais altas podem melhorar o desempenho; entretanto, uma vez ultrapassado esse ponto, a eficiência do tubo começa a diminuir.

3. Projeto do dissipador de calor

O design do dissipador de calor pode influenciar muito a eficácia do tubo de calor. Elementos como espaçamento das aletas, espessura das aletas e tamanho e formato geral do dissipador de calor podem afetar a capacidade do dispositivo de dissipar calor. Para obter mais informações, consulte nosso guia de dissipador de calor.

4. Orientação

A orientação afeta o retorno do líquido por ação capilar. A orientação assistida por gravidade melhora o desempenho, enquanto a orientação adversa pode levar à redução do retorno capilar ou ao ressecamento em projetos padrão.

5. Fluido de Trabalho

A faixa de temperatura operacional, a condutividade térmica e a pressão de vapor de um tubo de calor são influenciadas pelo fluido de trabalho, o que tem impacto em seu bom funcionamento. As características dos diferentes fluidos podem melhorar ou restringir a capacidade do tubo de calor de transferir calor.

6. Estrutura do pavio

A estrutura do pavio define o limite capilar e controla o retorno do fluido do condensador para o evaporador. Seu material e estrutura de poros afetam criticamente o tempo de inicialização e o desempenho térmico. Conforme descrito anteriormente, a estrutura do pavio governa o fluxo de retorno do líquido através da ação capilar e tem um grande impacto no desempenho.

7. Resistência térmica

A resistência térmica pode reduzir a capacidade de um tubo de calor de transferir calor. A menor resistência térmica leva a uma melhor transferência de calor. É um fator crucial, pois afeta a condutividade térmica do sistema de tubos de calor.

8. Tamanho e forma

O tamanho e o formato do tubo de calor afetam sua funcionalidade porque esses fatores determinam a pressão capilar e a área de transferência de calor, que por sua vez influenciam o fluxo do fluido e as características de transferência de calor. Dimensões maiores e formatos complicados podem melhorar o desempenho, mas também criar dificuldades operacionais e de fabricação.

9. Fatores Ambientais

Variáveis ambientais como temperatura, pressão e gravidade têm impacto no funcionamento de um tubo de calor, alterando as propriedades do fluido e a dinâmica do fluxo dentro do tubo. A taxa de transferência de calor e a eficácia da dissipação de calor podem mudar como resultado desses fatores.

Quais são os benefícios dos tubos de calor?

Alguns dos benefícios dos tubos de calor incluem:

1. Eficiência de resfriamento aprimorada:Os tubos de calor são excelentes na transferência de calor de uma fonte de calor. Dispositivos eletrônicos e outros que geram muito calor podem, portanto, ser resfriados com eficiência suficiente para funcionar corretamente.
2. Consumo de energia reduzido:os tubos de calor são dispositivos passivos que não requerem entrada de energia externa, ajudando a reduzir o uso geral de energia do sistema.
3. Maior vida útil dos componentes eletrônicos:os tubos de calor podem ajudar a aumentar a vida útil de circuitos delicados e evitar danos causados por superaquecimento, transferindo eficientemente o calor dos componentes eletrônicos.
4. Requisitos mínimos de peso e espaço:Os tubos de calor são compactos e leves. Eles são a escolha ideal para dispositivos onde o espaço e o peso são limitados.
5. Melhor regulação da temperatura:os tubos de calor mantêm temperaturas operacionais estáveis ao redistribuir rapidamente o calor localizado, minimizando gradientes térmicos prejudiciais.
6. Operação silenciosa:tubos de calor são sistemas de resfriamento passivos. Eles operam silenciosamente porque não precisam de peças mecânicas, como ventiladores ou bombas.

Quais são as limitações dos tubos de calor?

Os tubos de calor têm algumas limitações inerentes:

1. Limitação da capacidade de transferência de calor:Os tubos de calor têm uma capacidade máxima de transferência de calor, conhecida como limite capilar, além da qual o desempenho cai significativamente. Tais circunstâncias podem exigir mecanismos de resfriamento adicionais.
2. Sensibilidade de orientação:alguns projetos podem apresentar desempenho reduzido se não forem instalados na orientação pretendida (consulte a seção anterior sobre fatores de desempenho).
3. Sensibilidade a fatores ambientais:os tubos de calor também são altamente sensíveis a fatores ambientais, como pressão e temperatura, que podem afetar seu desempenho.
4. Faixa de temperatura limitada:Os tubos de calor têm uma faixa de temperatura limitada na qual operam de maneira eficaz. Fora dessa faixa, o desempenho pode ser prejudicado.
5. Compatibilidade limitada da estrutura do pavio:Seu uso pode ser restrito em algumas circunstâncias devido a restrições nos tipos de estruturas de pavio que funcionam com tubos de calor.
6. Complexidade de fabricação:os tubos de calor podem não ser amplamente utilizados em algumas indústrias devido à dificuldade de fabricação.

Perguntas frequentes sobre tubos de calor

Os tubos de calor são importantes nas máquinas de impressão 3D?

Sim, os tubos de calor podem ser usados em impressoras 3D de alto desempenho para melhorar o gerenciamento térmico, especialmente para resfriar o hot end e evitar a transferência de calor.

Resumo

Este artigo apresentou tubos de calor, explicou o que são e discutiu suas diversas aplicações e tipos. Para saber mais sobre tubos de calor, entre em contato com um representante da Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements é graduado em Engenharia Mecânica com mais de duas décadas de experiência na indústria de manufatura. Sua jornada profissional inclui funções significativas em empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace e Hyster-Yale, onde desenvolveu um profundo conhecimento de processos e inovações de engenharia.

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