Ett forskarteam från Nagoya University i Japan har utvecklat en loop heat pipe (LHP) som kan transportera upp till 10 kW värme utan att behöva använda el. Denna värmetransportkapacitet är den största i världen.
Gruppens LHP syftar till att bidra till energibesparingar och koldioxidneutralitet inom olika områden, inklusive industriell spillvärmeåtervinning, solvärmeutnyttjande, termisk hantering av elfordon (EV) och kylning av datacenter. Resultaten beskrivs i detalj i International Journal of Heat and Mass Transfer.
Detta LHP överträffar det tidigare största loop heat pipe på grund av förbättringar i förångarens struktur. Dessa förbättringar ledde till en 18-procentig minskning av storleken, 1,6-faldig ökning av värmetransportkapaciteten och en fyrfaldig ökning av värmeöverföringseffektiviteten jämfört med den tidigare LHP som utvecklats av Nagoya University.
LHP:er har använts i bemannade rymdfärder, elfordon, meteorologiska satelliter och elektroniska hushållsapparater.
”Den här LHP:n transporterar en så stor mängd värme utan elektricitet, vilket är världens största icke-elektriska värmetransport”, säger professor Hosei Nagano, en av de seniora forskarna i projektet.
”Detta eliminerar behovet av den el som tidigare förbrukades av konventionella mekaniska pumpar, vilket möjliggör en nästan evig värmetransport utan el.”
Elbilsindustrin ser en ökande efterfrågan på energieffektiva kylmetoder eftersom företagen blir alltmer medvetna om sitt koldioxidavtryck. LHP-pumpar hjälper elbilar att förbättra den totala effektiviteten genom att tillhandahålla kylning som inte kräver el, vilket minskar behovet av elkraft.
”För elfordon är det avgörande för optimal prestanda att växelriktarens temperatur bibehålls”, förklarar Shawn Somers-Neal, en doktorand som deltar i projektet.
”Traditionella kylmetoder för växelriktare kräver energi, men vår LHP bibehåller temperaturen utan elektricitet. Det leder till ökad effektivitet samtidigt som vi kan hantera de höga värmebelastningar som krävs inom industrin.”
I en LHP används en arbetsvätska och ett poröst material, en s.k. veke, för att effektivt transportera värme över långa avstånd. Veken drar upp arbetsvätskan till ytan genom kapillärverkan.
När värme tillförs förångaren absorberar vätskan på vekens yta värmen och förvandlas till ånga. Ångan transporteras till kondensorn där den avger värme och kondenserar tillbaka till vätska. Vätskan återvänder sedan till kompensationskammaren, där den kommer i kontakt med veken igen, som drar tillbaka den till ytan och fortsätter kylcykeln.
Gruppen förbättrade LHP:s veke genom att göra den tunnare, längre och bredare samtidigt som de högkvalitativa porösa egenskaperna bevarades. De förbättrade också värmetransportmöjligheterna genom att smalna av de kanaler som gör att ångan kan ta sig ut från förångaren och lägga till ytterligare kanaler på sidorna, vilket ökade det totala antalet kanaler.
”Det unika med loop heat pipe (LHP) är vekens form, kvalitet och storlek samt den totala prestandan hos LHP. Vanligtvis minskar kvaliteten när man tillverkar större vekar, men kvaliteten på den här veken liknar den på mindre vekar”, förklarar professor Nagano.
”Veken har kärnor som bidrar till att minska tjockleken, vilket leder till mindre tryckfall och lägre driftstemperaturer.”
Den nyutvecklade LHP:n uppvisade en värmeöverföringseffektivitet som var mer än fyra gånger högre än för befintliga LHP:er under testerna. Konstruktionen var så effektiv att den transporterade spillvärme över ett avstånd på 2,5 meter utan ström, med hjälp av den kapillärkraft som genereras av veken. Detta innebar ett nytt rekord för värmetransport utan strömförsörjning.
”Denna banbrytande LHP-teknik förväntas revolutionera energibesparing och koldioxidneutralitet inom flera områden, inklusive återvinning av spillvärme från fabriker, utnyttjande av solvärme, värmehantering för elfordon och kylning av datacenter”, säger Somers-Neal.
”Den effektiva besparingen av spillvärme från fabriker är ett viktigt steg mot hållbara energilösningar.”
Mer information om projektet: Shawn Somers-Neal et al, Experimental investigation of a 10 kW-class flat-type loop heat pipe for waste heat recovery, International Journal of Heat and Mass Transfer (2024). DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125865
