لوله‌های حرارتی که امروزه کاربرد روزافزونی پیدا کرده‌اند، وسیله‌ای کارآمد برای انتقال حرارت هستند. در مطلب حاضر، به کاربرد لوله‌های حرارتی پرداخته می‌شود که شامل رطوبت زدا از هوا و تامین سرمایش در زمستان بدون نیاز به صرف انرژی می‌باشد.

لوله حرارتی وسیله‌ای است که می‌تواند حرارت را به سرعت از نقطه‌ای به نقطه دیگر انتقال دهد. لوله‌های گرمایی عموما با عنوان “ابر رسانا”ی حرارتی شناخته می‌شوند زیرا دارای ظرفیت و نرخ فوق تصور انتقال حرارت، با تلفات حرارتی نزدیک صفر هستند.

ایده لوله‌های حرارتی اولین بار توسط R.S. Gaugler در ۱۹۴۲ پیشنهاد شد. در سال ۱۹۶۲، G.M Grover آن را اختراع کرد.

ساختمان لوله‌های حرارتی

لوله حرارتی از یک مخزن آلومینیومی یا مسی تشکیل شده است که سطح داخلی آن دارای یک ماده فتیله‌ای (wick material) است که خاصیت مویینگی (capillary) دارد. یک لوله حرارتی شبیه سیفون حرارتی می‌باشد. تفاوت آن با سیفون حرارتی در این است که به کمک مویینه‌های متخلخل که ماده فتیله‌ای را تشکیل می‌دهند، توانایی انتقال حرارت را در جهت عکس گرانش به وسیله سیکل تبخیر-میعان دارد. فتیله یک نیروی محرک مویین را برای بازگشت کندانسه به اواپراتور فراهم می‌کند. کیفیت و نوع فتیله معمولا تعیین کننده کارایی لوله حرارتی است؛ به همین جهت فتیله قلب دستگاه می‌باشد. انواع مختلفی از فتیله که به کار می‌روند بستگی به کاربردی دارند که لوله حرارتی برای آن استفاده می‌شود.

چیدمان لوله‌های حرارتی

ساختمان لوله‌های حرارتی را می‌توان در دو بخش خلاصه کرد:

• پیش گرم‌کن یا پری‌هیتر (preheater)
• ری‌هیتر (reheater)

بخش اول در جریان ورودی هوا قرار می‌گیرد. وقتی که هوای گرم از میان لوله‌های حرارتی پیش‌ گرم‌کن عبور می‌کند، مبرد درون لوله‌های حرارتی تبخیر می‌شود، حرارت را به بخش دوم لوله‌های حرارتی که در پایین دست جریان قرار دارد منتقل می‌کند. به دلیل این که قبل از این که هوا با کویل اواپراتور (evaporator coil) مواجه شود کمی از حرارت آن خارج می‌شود، بخش جریان ورودی هوا را لوله حرارتی پیش‌سردکن می‌نامند.

هوایی که از میان کویل اواپراتور عبور می‌کند، دارای دمای کم‌تری می‌شود که باعث خروج کندانس بیشتر با صرف انرژی کمتر می‌شود. سپس هوای بیش از حد سرد شده به وسیله لوله حرارتی بازتاب ری‌هیتر (reheater) به دمای آسایش می‌رسد که از حرارت منتقل شده از لوله حرارتی پیش سرد کن استفاده می‌کند.

کاربردهای لوله حرارتی

۱- لوله حرارتی به عنوان کمک یخچال (شیر یک طرفه حرارتی)

اگر یخچال در یک محیط سرد مورد استفاده قرار گیرد، معمولا وقتی که یخچال کار می‌کند، دمای هوای خارج کمتر از یخچال می‌باشد. یک روش ساده برای استفاده از سرمای خارج برای سرد کردن یخچال به کار گرفتن لوله حرارتی است.

وقتی که دمای محیط خارج کمتر از دمای داخل یخچال است، مایع مبرد در آن قسمت از لوله حرارتی که درون یخچال قرار دارد می‌جوشد، حرارت را جذب می‌کند و فضای داخل یخچال را سرد می‌کند. سپس مبرد در خارج از یخچال کندانسه می‌شود و دوباره به درون یخچال بر می‌گردد. فشار داخل لوله با دما تغییر می‌کند؛ در نتیجه وقتی که دمای خارج از داخل یخچال کمتر است، مایع دایما در حال جوشش است. این دستگاه به صورت یک شیر یک طرفه گرمایی (one-way heat valve) عمل می‌کند؛ اگر دمای محیط خارج از دمای داخل یخچال گرم‌تر باشد حرارت به درون یخچال منتقل نمی‌شود.

۲- کاربرد لوله حرارتی در تهویه مطبوع

در یک سیستم تهویه مطبوع، مبرد محبوس که در دمای پایینی می‌جوشد، حرارت را از هوای گرم بازگشتی (return hot air) جذب می‌کند و در داخل لوله تبخیر می‌شود. سپس بخار به سوی انتهای دیگر لوله حرارتی حرکت می‌کند (انتهای بلند) که در معرض جریان هوای سردی قرار دارد که توسط دستگاه تهویه مطبوع فراهم می‌شود (supply air).

حرارتی که از هوای گرم در انتهای پایینی جذب می‌شود اکنون توسط بخار مبرد در طول دیواره‌های لوله به هوای تامینی خنک منتقل می‌شود. این از دست دادن حرارت باعث می‌شود که بخار موجود درون لوله مجددا تقطیر شده و به مایع تبدیل شود. مبرد مایع شده توسط گرانش به انتهای پایینی لوله حرارتی باز می‌گردد جایی که سیکل از آنجا دوباره آغاز می‌شود.

مزیت به کار بردن لوله‌های حرارتی در سیستم‌های تهویه مطبوع:

• بهبود سطح آسایش
• کاهش رطوبت
• افزایش کیفیت هوا
• سادگی نصب در سیستم‌های موجود
• بدون قطعات متحرک
• بدون نیاز به انرژی اضافی برای انجام کار
• کاهش %۱۵ از انرژی A/C
• کاهش %۲۲ از بار HVAC

مزیت‌های دیگر استفاده از لوله‌های حرارتی در تهویه مطبوع عبارتند از:

• افزایش خروج رطوبت در سیستم HVAC

درون مبدل حرارتی لوله حرارتی (HPHX) پیش سرد کن خنثی، هوایی که به کویل خنک کننده وارد می‌شود سردتر است و رطوبت نسبی آن بیشتر می‌باشد. این به کویل خنک کننده اجازه می‌دهد که تا دو برابر رطوبت بیشتری خارج نماید.

کنترل رشد کپک در کانال‌های هوا

درون بازتاب خنثی HPHX، هوایی که کویل سرد کننده را ترک می‌کند و وارد کانال‌ها می‌شود دارای رطوبت نسبی کمتری است. کپک نمی‌تواند در این محیط خشک رشد کند.

امکان تنظیم بالاتر ترموستات

با ایجاد سطح مناسبی از رطوبت، ترموستات را می‌توان در دمای بالاتری قرار داد بدون این که از آسایش خارج شویم. این باعث ۱۰ تا %۳۰ ذخیره انرژی می‌شود.

امکان افزایش دمای آب سرد شده

با افزایش خروج رطوبت در کویل خنک کننده، دمای آب سرد شده می‌تواند در حین فراهم کردن شرایط داخلی دما و رطوبت، چندین درجه افزایش یابد. این افزایش در کارایی انرژی سیستم HVAC به وسیله کاهش زمان کار چیلر و یا افزایش دمای اواپراتور چیلر به دست می‌آید.

جایگزینی سیستم حرارتی

مبدل حرارتی لوله حرارتی به عنوان جایگزین مستقیم سیستم‌های بازتاب یا ریهیت (reheat) الکتریکی، آب گرم، بخار و یا گاز داغ به کار می‌رود. به دلیل این که بازتاب HPHX خنثی است، هیچ خرج عملیاتی برای تولید آن وجود ندارد. به دلیل این که در مرحله پیش گرمایش در HPHX بازتاب خارج می‌شود، هیچ بار اضافی روی کمپرسورها مانند آنچه که در انواع دیگر بازتاب می‌تواند باشد وجود ندارد. این باعث کاهش قیمت اولیه و کاهش قیمت عملیاتی می‌شود.

مزایای طولانی مدت برای افراد و ساختمان‌ها

با کنترل رطوبت در کانال‌های هوا و فضای هوا گیر، مبدل‌های حرارتی لوله حرارتی موارد زیر را فراهم می‌آورند:

• افزایش عمر کتاب‌ها، نوارها، مواد ساختمانی و مبلمان
• کارایی بهتر ماشین‌های کپی، پرینترهای کامپیوتری و دیگر تجهیزات اداری
• کارایی بهتر کارمندان
• نیاز کمتر به بیمه پزشکی

خلاصه

مبرد درون لوله‌های حرارتی یک سیستم بسته را تشکیل می‌دهد. وقتی که این سیستم به حالت steady می‌رسد، به علت صلب بودن لوله، تبادل کار با محیط خارج صفر است. از قسمت پایینی لوله حرارت وارد سیستم می‌شود و از قسمت بالایی آن خارج می‌شود. سیال درون لوله هیچ گونه سیکلی را طی نمی‌کند بلکه روی یک خط مستقیم همواره در حال حرکت از مایع اشباع به سوی بخار اشباع و برعکس است.

این سیستم می‌تواند ابزاری با ضریب انتقال حرارت بالا فراهم آورد و از این جهت می‌تواند دارای کاربردهای وسیعی شود. ضریب انتقال حرارت ظاهری آن رابطه نزدیکی با سرعت حرکت بخار درون لوله دارد.

این سیستم می‌تواند به عنوان یک ولو یک طرفه انتقال حرارت به کار رود که دارای کاربردهای زیادی است. در صنعت تبرید می‌تواند در سرمای زمستان برودت سردخانه را از برودت هوای خارج تهیه کند.

وسیع ترین کاربرد آن در HVAC، رطوبت زدایی از هواست. به این ترتیب که مقداری حرارت از هوای ورودی قرض می‌گیرد. هوایی که به این ترتیب خنک شده است مقدار بیشتری از رطوبت خود را در کویل‌های رطوبت گیر از دست می‌دهد، پس از این کار لوله حرارتی دوباره حرارت گرفته شده را به هوا پس می‌دهد. در این میان بدون اینکه کاری صورت گرفته باشد مقداری از گرمای نهان هوا گرفته می‌شود