Les caloducs sont des dispositifs de transfert de chaleur dont la principale caractéristique est la capacité de transmettre une puissance thermique élevée à des gradients de basse température (gradients). Les dispositifs de ce type sont largement utilisés dans les domaines de l’énergie, de l’industrie chimique, de l’électronique, ainsi que dans d’autres industries.
Dans ce document, nous essaierons de mettre en évidence le principe de fonctionnement des caloducs et de parler de la portée de leur application.
Corps de caloduc en verre
Conception et fonction des caloducs
Thermosiphon en tant que précurseur d'un caloduc
Le thermosiphon est un dispositif qui était une sorte de «précurseur» des caloducs de type moderne. Sa conception, même si elle présente des différences significatives par rapport à la conception des caloducs, repose toujours sur les mêmes principes .
Schéma du thermosiphon
Le thermosiphon est un récipient tubulaire spécial dans lequel une petite quantité de liquide est introduite, après quoi de l'air est évacué du récipient et scellé par scellement.
Le principe de fonctionnement du thermosiphon est le suivant:
- La chaleur est fournie à la zone d'évaporation .
- Le fluide contenu dans la capsule de thermosiphon est converti en vapeur qui, sous pression, pénètre dans la zone de condensation.
- Dans la zone de condensation, de la vapeur se dépose sur les parois, ce qui leur donne de la chaleur - une des conditions pour le fonctionnement du thermosiphon est donc efficace.chaleur de la zone de condensation de vapeur. Sinon, une «crise d'ébullition» est possible, dans laquelle tout le liquide s'évapore et le transfert de chaleur passe à travers les parois du thermosiphon, en contournant la zone de condensation.
L'utilisation de thermosiphons fournit un pouvoir de transfert de chaleur important, même si la différence de température entre les extrémités du thermosiphon est insignifiante.
Faites attention!
Le thermosiphon ne fonctionne que lorsque sa zone de condensation se situe au-dessus de la zone d'évaporation. Dans ce cas uniquement, le condensat peut retourner dans la zone d'évaporation sous l'effet de la gravité.
Dans certains cas, une telle situation constitue une limitation assez grave. Le thermo-siphon a donc été remplacé par des dispositifs plus complexes, les caloducs.
Conception de caloducs
Le type de caloduc le plus courant est le caloduc Grover (nommé d'après l'inventeur).
Sa conception est assez simple (dans la mesure du possible en ce qui concerne la conception d'un dispositif de transfert de chaleur) et comprend trois éléments principaux:
.- Logement
- Fluide de travail
- mèche (matériau capillaire-poreux ou KPM)
Conception de caloducs
Nous examinons ci-dessous les caractéristiques de conception de chacun de ces éléments.
Le corps de caloduc est le plus souvent une chambre de section transversale circulaire ou rectangulaire. Acier inoxydable, alliages d'aluminium, bronze, cuivre, verre,matériaux polymères ou céramiques .
Les principales fonctions du corps sont l’isolation du fluide de travail, ainsi que l’alimentation et l’évacuation efficaces de la chaleur. Pour cela, le boîtier doit être étanche et résister à une pression interne considérable.
Les caloducs sont fabriqués avec des coquilles de différentes tailles, alors que les dimensions du corps ne sont que «réduites» - elles devraient être suffisantes pour éliminer l’effet des forces capillaires dans la zone de flux de vapeur.
Pour éviter une telle situation, le calcul du caloduc ainsi que sa fabrication devraient être effectués exclusivement par des spécialistes.
Le fluide de travail dans le caloduc est le principal vecteur de chaleur, ce qui garantit en fait le fonctionnement de l’ensemble du système.
À partir de là, un certain nombre d'exigences sont imposées au fluide de travail:
- Il devrait comporter un point de transition «liquide-vapeur» dans la plage de températures dans laquelle le caloduc fonctionne.
- Le fluide de travail ne devrait pas être soumis à la décomposition thermique.
- Il faut mouiller le matériau de la mèche et le corps du caloduc.
En tant que fluides de travail dans les caloducs, diverses substances sont utilisées en phase liquide: l'hélium et l'ammoniac liquéfiés, l'acétone, l'eau, le mercure, ainsi que le sodium et l'argent.
Une mèche en matériau poreux assure le mouvement du liquide de la zone de condensation à la zone d'évaporation sous l'action de forces capillaires. Le matériau de la mèche doit assurer un mouvement uniforme du liquide le long des pores capillaires.
Bon utilise comme mèche des feutres métalliques, des piles de métal ou un tissage en sergé. Matériaux optimaux pour les caloducs à mèche - titane, cuivre, nickel, acier inoxydable.
Les caloducs à boucleconstituent une catégorie distincte de conduits de chaleur. Contrairement à la conception classique d'un caloduc, un caloduc à contour ne comporte pas de mèche et le transfert du fluide de travail de la zone d'évaporation à la zone de condensation s'effectue via des tubes à contour.
Vous pouvez voir le contour du caloduc de contour sur la figure.
Diagramme de contour d'un caloduc
Fonctions des caloducs
La fonction utile principale de presque tous les caloducs est le transfert de chaleur effectif le long de l’axe du tuyau entre deux zones de températures différentes. Le fonctionnement optimal du caloduc garantit que les modes de fonctionnement des éléments n'atteignent pas le seuil critique.
Le caloduc peut être chauffé de la manière qui vous convient le mieux:
- Flammes nues
- Choc électrique
- contact avec le corps chauffé
- rayonnement infrarouge
Dans ce cas, la résistance à la chaleur du corps est la seule quantité qui limite la production de chaleur du tuyau.
Application de caloducs modernes
Le champ d'application des caloducs est aujourd'hui assez large.
Ils peuvent être utilisés dans les domaines suivants:
- Disposition des canaux effectivetransfert de chaleur
- Séparation dans l'espace de la source de chaleur et du point de transfert de chaleur (dit puits de chaleur) .
- Achèvement de thermostats et dispositifs similaires à ceux utilisés
- Thermorégulation et redirection de flux de chaleur
Application de caloducs dans le secteur de l'énergie
En outre, les caloducs font partie intégrante des diodes et des interrupteurs thermiques.
Les caractéristiques des caloducs au stade actuel sont assez impressionnantes:
- Plage de température de fonctionnement du caloduc - de 4 à 2300 K.
- Pouvoir de transfert de chaleur - jusqu'à 20 kW par 1 cm2
- La durée de vie du caloduc est supérieure à 20 000 heures.
Tuyaux dans les réseaux de chaleur
Informations générales sur les tuyaux
Toutefois, les caloducs sont souvent compris non seulement comme des dispositifs de transfert de chaleur, mais également comme des conduits utilisés dans les systèmes de chauffage. Nous décrivons ci-dessous les variétés de ces tuyaux, ainsi que les caractéristiques de leur utilisation.
Les tuyaux pour réseaux de chaleur peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux.
Les caloducs les plus courants incluent:
- Conduites sous pression en amiante-ciment
- Tuyaux bimétalliques
- tuyaux en acier au carbone galvanisé
- Tuyaux en acier au carbone avec revêtement émaillé ou vitrocéramique.
Faites attention!
Non seulement la perte de chaleur par les tuyaux pendant le transport du caloporteur dépend du matériau utilisé, mais également de sa durabilité.système de chauffage.
C'est pourquoi le choix du matériau pour les conduites du réseau de chauffage doit être abordé avec la plus grande responsabilité.
Nous examinons ci-dessous tous les types de tuyaux énumérés ci-dessus et en analysons les avantages et les inconvénients.
Conduites sous pression en amiante-ciment
Les tuyaux de chauffage en amiante-ciment, qui sont aujourd'hui très populaires, présentent un certain nombre d'avantages qui leur permettent de "gagner" sur des tuyaux fabriqués à partir d'autres matériaux.
Tuyaux sous pression à base de ciment à base d'amiante
Parmi les avantages des caloducs en amiante-ciment:
- Résistance à la température du liquide de refroidissement (généralement de l'eau chaude) à 120 - 1300C
- Résistant à la corrosion sous l'influence de solutions de sol ou d'autres facteurs
- L'amiante, qui fait partie de ces conduites, joue le rôle de renforcement interne, car les conduites en mélange d'amiante-ciment résistent bien aux déformations .
- La conductivité thermique des tuyaux d’amiante-ciment à une température de liquide de refroidissement est inférieure de 120 degrés à la conductivité thermique d’un tuyau en acier similaire dans des conditions similaires 62 fois. Par conséquent, on peut affirmer sans crainte de se tromper qu'en ce qui concerne l'amiante-ciment, une telle définition des tuyaux chauds n'est pas une hyperbole.
En outre, les tuyaux en amiante-ciment sont assez simples à installer et à entretenir. Ils sont également moins enclins à geler même si le liquide de refroidissement ne circule pas dedans. Un câble chaud pour les tuyaux n'est donc presque jamais nécessaire.
thermiquetubes bimétalliques
Les tuyaux de chauffage bimétalliques sont fabriqués à partir de tôle d'acier de haute qualité, dont la surface est recouverte d'une composition protectrice spéciale. L'épaisseur du revêtement de protection représente de 5 à 20% de l'épaisseur de la paroi du tuyau.
La caractéristique principale de ces tubes est le fait qu’ils sont produits selon la méthode du laminage à chaud. L’effet thermique sur le tube n’est donc pas nécessaire, ce qui a un effet positif sur ses propriétés anticorrosion.
Tubes bimétal à ailettes
Les tuyaux bimétalliques pour systèmes de chauffage sont plutôt efficaces du point de vue de la minimisation des frais financiers, car leur durée de vie est beaucoup plus longue que celle des tuyaux en acier.
Pourtant, les tubes bimétalliques pour le chauffage sont rarement utilisés en raison de leur coût élevé.
tuyaux en acier galvanisé
Lorsqu'ils travaillent avec un liquide de refroidissement dont la température n'est pas supérieure à 60-70 degrés Celsius, les tuyaux en acier à haute teneur en carbone avec additifs de zinc présentent également un bon rendement.
Toutefois, le revêtement de zinc n’est pas universel: lorsqu’on travaille avec un liquide de refroidissement dont le pH est compris entre 6 et 7, les tuyaux galvanisés se détériorent rapidement. La stabilité du revêtement affecte également la vitesse du liquide de refroidissement et le niveau de liquide de refroidissement dans le tuyau.
Tuyaux dans une gaine galvanisée
Outre le zinc, des additifs dopants sont également utilisés pour prolonger la durée de vie des caloducs. En qualitéces additifs sont le nickel ou l'aluminium efficaces. La passivation, le vernissage et la phosphatation des surfaces internes sont d’autres procédés susceptibles d’accroître considérablement la résistance à la corrosion des tuyaux.
Quant à l'économie de l'utilisation de tels tuyaux, elle est plutôt faible. Cela s'explique par le fait qu'un coefficient de transfert de chaleur important d'un tuyau en acier provoque un refroidissement rapide du liquide de refroidissement.
Tubes en acier avec revêtement en émail
Un autre type de caloduc est constitué par tuyaux en acier au carbone avec revêtement en émail (il existe également des versions avec revêtement en verre et émail).
Ces tuyaux présentent les avantages suivants:
- Surface intérieure du tuyau lisse, solide et durable
- Haute résistance à la corrosion à des caloporteurs de différentes compositions
- résistant aux hautes températures
- Longue durée de vie du revêtement et donc des tuyaux eux-mêmes
Un autre avantage des tubes revêtus d’émail est leur coût relativement faible.
Comme vous pouvez le constater, sous le terme caloducs, on peut cacher kA des unités de traitement de la chaleur assez complexes, ainsi que des structures de canalisations assez simples pour les systèmes de chauffage. Et pourtant, les informations sur ces appareils devraient être disponibles pour tous ceux qui envisagent de développer des systèmes de chauffage.
