Caloducs et échangeurs de chaleur
Qu'est-ce qu'un caloduc ?
Un caloduc est un appareil de transfert de chaleur présentant une conductivité thermique extrêmement efficace. Les caloducs sont des récipients évacués, généralement avec une section transversale de forme circulaire, remplis d'une petite quantité de fluide de travail. Ce sont des systèmes entièrement passifs, sans pièces mobiles, qui transfèrent la chaleur d'une source de chaleur à un dissipateur avec un minimum de gradients de température, ou à des surfaces isothermes.
Comment fonctionne un caloduc ?
Par évaporation et condensation du fluide de travail. Lorsque la chaleur pénètre dans l'évaporateur, le fluide est vaporisé, ce qui crée un gradient de pression dans le caloduc. Cela force la vapeur à voyager dans le caloduc vers la section plus froide où elle est condensée et libère sa chaleur latente de vaporisation. Le fluide de travail repart vers l'évaporateur par force capillaire dans la structure poreuse ou par gravité.
Pourquoi utiliser un caloduc ?
Les caloducs sont utilisés dans de nombreuses applications, quand la chaleur doit être transférée avec un gradient thermique minimum, pour augmenter la taille du dissipateur, pour déplacer le dissipateur vers un site éloigné ou là où les surfaces isothermes sont nécessaires. Typiquement, ces applications comprennent le refroidissement de processeur d'ordinateur, les revêtements de four isotherme et les transferts de chaleur dans l'aérospatiale.
Quelle est la conductivité thermique d'un caloduc classique ?
Les caloducs n'ont pas de conductivité thermique fixe comme les matériaux solides car le transfert de chaleur est effectué en deux étapes. Au contraire, leur conductivité thermique efficace s'améliore avec la longueur. Un caloduc de 12 pouces et un caloduc de 4 pouces, transportant chacun 100 W, possèdent environ le même gradient thermique, le caloduc de 12 pouces possède donc une conductivité thermique plus efficace. Contrairement aux matériaux solides, un caloduc verra sa conductivité thermique efficace varier en fonction de la puissance transférée et des tailles d'évaporateur et de condenseur. Les conductivités thermiques efficaces peuvent varier de 10 à 10,000 fois (4,000 W/mètre·K à 4,000,0000 W/mètre·K) la conductivité thermique efficace du cuivre, en fonction de la longueur du caloduc.
Quels matériaux peut-on utiliser pour construire un caloduc ?
Le matériel pour la coque ou la paroi du caloduc est déterminé par la comptabilité avec le fluide de travail. Le fluide de travail du caloduc est choisi en fonction de la fourchette des températures de fonctionnement de l'application. Une fois le fluide de travail choisi, le matériel de la coque ou de la paroi du caloduc est choisi en fonction de sa comptabilité chimique avec le fluide de travail afin de prévenir toute corrosion ou réaction chimique entre le fluide et le matériel de la coque ou de la paroi du caloduc. Les problèmes de compatibilité chimique entre le fluide de travail et le matériel de la paroi à l'intérieur d'un caloduc peuvent créer une réaction chimique produisant un gaz non condensable. Les gaz non condensables à l'intérieur d'un caloduc peuvent causer l'arrêt des opérations.
Quels sont les limitations principales d'un caloduc en termes de transport de chaleur ?
Les quatre limites fondamentales du caloduc en termes de transport de chaleur sont :
Limite capillaire : c'est la pression de pompage capillaire maximum de la structure de mèche pour transporter le fluide de travail du condenseur à l'évaporateur du caloduc. La pression de pompage capillaire doit surmonter trois baisses de pression basiques dans le caloduc : baisse de pression de la vapeur, baisse de pression du liquide et baisse de pression gravitationnelle/de la force du corps.
Limite d'ébullition : la limite d'ébullition est atteinte lorsque le flux de chaleur radiale maximum (W/cm2) est dépassé. Résultat : le taux de vaporisation du flux de travail dépasse le taux de retour du liquide condensé provenant de la section condenseur du caloduc. Lorsque la limite d'ébullition est atteinte, le fluide de travail liquide n'est pas disponible pour absorber la chaleur et le caloduc sèchera et ne fonctionnera plus.
Limite sonique : le taux de flux maximum du fluide de travail sous forme de vapeur voyageant de l'évaporateur au condenseur du caloduc. Lorsque le taux de flux de vapeur dépasse la vélocité sonique, le flux est bloqué et le caloduc ne fonctionnera pas de façon isotherme.
Limite d'entraînement : cela arrive lorsque la force de la vapeur voyageant de l'évaporateur au condenseur des caloducs à l'interface vapeur-mèche provoque l'entraînement des gouttelettes de liquide, qui sont transportées dans la section condenseur. Lorsque la limite d'entraînement est dépassée, cela peut empêcher le fluide de travail de revenir de la section condenseur à la section évaporateur. Dans ce cas, le caloduc ne fonctionnera pas.
Les caloducs sont-ils fiables ?
Oui, principalement parce qu'ils n'ont pas de pièces mobiles. Ils sont parfaits pour les applications comme l'aérospatiale où la maintenance n'est pas possible. La cause principale de panne de caloduc est la création de gaz dans le caloduc, mais cela peut être complètement évité en respectant des procédures de nettoyage et d'assemblage. Boyd est le seul fabricant de caloducs au monde qui peut revendiquer plus de 40 ans de fiabilité des caloducs et de données de test de durée de vie.
Les caloducs coûtent-t-ils chers ?
Par rapport aux méthodes de transfert de chaleur traditionnelles (et moins efficaces) comme les extrusions d’aluminium et les dissipateurs de chaleur moulés, les caloducs sont initialement plus chers. C'est pour cette raison que les caloducs ne sont pas recommandés pour les applications dans lesquelles le refroidissement peut être effectué par simple dissipateur de chaleur conducteur. Cependant, pour les applications plus exigeantes, le coût total des caloducs est compétitif par rapport aux autres alternatives. Le coût initial est partiellement compensé par l'amélioration de la fiabilité du système et de la durée de vie des appareils électroniques avec refroidissement. En large quantité, le coût des caloducs baisse de façon importante ; ils deviennent la solution la plus économique pour une application de refroidissement.
Les caloducs peuvent-ils fonctionner contre la gravité ?
Oui, cela se produit lorsque l'évaporateur est situé au-dessus de condenseur. Dans ces applications, le fluide de travail doit être pompé contre la gravité pour être retourné à l'évaporateur. Cela se produit avec des structures mèche qui pompent le fluide de travail par le biais de la pression capillaire développée dans la mèche poreuse. Plus le rayon des pores d'une structure de mèche est fin, plus le caloduc peut fonctionner contre une gravité importante. (Des mèches à l’échelle nanométrique sont disponibles).
Tous les types de transfert de chaleur passifs ne peuvent pas fonctionner contre la gravité. Un thermosiphon est semblable à un caloduc, mais ne possède pas de structure mèche et fonctionne uniquement assisté par gravité.
Quels sont les fluides utilisés dans les caloducs ?
Les fluides de travail des caloducs sont variés, allant de l'hélium et du nitrogène pour les caloducs cryogéniques aux métaux liquides comme le sodium et le potassium pour la dissipation de la chaleur à haute température. Parmi les fluides de caloducs les plus communs utilisés pour les fonctions de refroidissement d'appareil électronique, on trouve l'ammoniac, l'eau, l'acétone et le méthanol. Boyd a de l’expérience dans la fabrication de caloducs utilisant tous ces fluides pour des applications cryogéniques à haute température (>1,000 °C).
Comment les caloducs à eau fonctionnent-t-ils en dessous de 100 °C ?
L’eau à pression atmosphérique bout à <100 ° C, mais à l’intérieur d’un caloduc, l’eau n’est pas à la pression atmosphérique. La pression interne du caloduc est la pression de saturation du fluide pour la température de fluide correspondante. Dans un caloduc, le fluide va bouillir à toute température supérieure à son point de congélation. À température ambiante (20 °C), un caloduc à eau est donc partiellement sous vide et le caloduc va bouillir dès qu'il est chauffé.
Les caloducs peuvent-ils geler ?
Oui, les fluides de travail des caloducs, y compris l'eau, maintiennent leur point de congélation normal. Les caloducs ne fonctionneront pas tant que la température ne dépassera pas la température de congélation du fluide. Les caloducs correctement conçus ne seront pas endommagés par la congélation ou la décongélation du fluide de travail. Boyd a conçu, développé et fabriqué avec succès des caloducs tolérants au gel qui ont plus de 20 ans d’expérience démontrée et éprouvée dans les applications sur le terrain.
Quelles fonctions d'alarme pour échangeur de chaleur fournissez-vous ? Comment ?
Les alarmes de contrôle de la température, de contrôle de la vitesse et de panne de ventilateur peuvent être intégrées dans chaque échangeur de chaleur. Ces fonctions peuvent être obtenues en installant un tableau de contrôle d'état solide et/ou en intégrant la fonction dans le ventilateur.
Comment sceller l’élément central de la série Boyd d’échangeurs de chaleur HXi® ?
Boyd utilise un scellant RTV pour fournir un joint cohérent autour de la cassette du noyau interne et de l’ensemble de bride du noyau. Chaque assemblage cassette centrale interne et bride centrale est soumis à un test sous vide pour simuler les conditions NEMA 4.
Les ailettes d'un modèle HX® peuvent-elles être enduites pour la protection de l'environnement ?
Oui, l'enduit typique est soit un chromate hexavalent, soit un chromate transparent conforme RoHS. Les revêtements comme Herresite ou E-Coat peuvent être ajoutés aux échangeurs de chaleur pour fournir une protection environnementale à l'unité (des volumes minimums sont applicables).
Quelle est la différence entre les technologies des modèles HX®, HXi® et HXc® ?
Chaque technologie a ses propres avantages en matière de taille, d'efficacité, d'adaptabilité pour la personnalisation et de capacité de puissance. Permettez à Boyd d’examiner la demande afin de recommander une excellente solution.
Construisez-vous des modèles sur mesure ?
Boyd utilise un large éventail de technologies pour fournir des solutions personnalisées entièrement optimisées ainsi que nos offres standard.
Pouvez-vous fournir un modèle généré par ordinateur illustrant le fonctionnement de l'échangeur de chaleur au sein de mon application ?
Oui, Boyd pouvez utiliser des programmes CFD (dynamique des fluides numérique) tels que SmartCFD pour modéliser les performances d’un échangeur de chaleur.
