hآنتالپی کل
iفصل مشترک مایع-بخار
i,aفصل مشترک مایع-بخار برای قسمت آدیاباتیک
i,cفصل مشترک مایع-بخار برای قسمت چگالنده
i,eفصل مشترک مایع-بخار برای قسمت تبخیرکننده
s اشباع، جامد
lفاز مایع
v فاز بخار wسیم، فتیله
دانلود متن کامل پایان نامه در سایت fumi.ir
مقدمه
مقدمه
لوله گرمایی به دلیل توانایی ویژه در انتقال گرما بدون اتلاف قابل‌توجه، یکی از یافته‌های مهم مهندسی انتقال گرما در قرن بیستم است. کاربرد اصلی لوله‌های گرمایی در ارتباط با مسائل حفاظت زیست‌محیطی و صرفه‌جویی سوخت و انرژی است.
لوله‌های گرمایی دستگاه‌های انتقال گرمای دو فاز هستند که فرایند تبدیل مایع به بخار و برعکس بین اواپراتور و چگالنده با هدایت گرمایی بالا انجام می‌شود. به دلیل ظرفیت بالای انتقال حرارت، مبادله‌کن‌های گرمایی با لوله گرمایی بسیار کوچک‌تر از مبادله‌کن‌های سنتی هستند. به کمک سیال کاری موجود در لوله گرمایی، گرما می‌تواند در اواپراتور جذب و به ناحیه چگالنده حمل شود که در آنجا با آزاد شدن گرما به محیط سرد، بخار چگالیده می‌شود. فن‌آوری لوله گرمایی کاربردهای فزاینده‌ای در افزایش عملکرد حرارتی مبادله‌کن‌های گرما در میکروالکترونیک، ذخیره انرژی گرمایی، تهویه و دستگاه‌های تهویه اتاق عمل، اتاق‌های تمیز و بخش‌های صنعتی دیگر شامل تکنولوژی انواع مختلف راکتورهای هسته‌ای و صنایع فضایی دارد. لوله‌های گرمایی ساختاری جامع دارند که دست‌یابی به هدایت گرمایی بسیار بالا با کمک جریان دو فاز با گردشی مویین را ممکن می‌سازد. یک لوله گرمایی با کمک رژیم جریان دو فاز به‌عنوان سیستم تبخیری-چگالش کار می‌کند که برای انتقال گرمایی که همان گرمای نهان تبخیر است، در فاصله‌های طولانی با اختلاف دمای کوچک به کار می‌رود. گرمایی که به اواپراتور اضافه می‌شود، به سیال کاری از طریق هدایت انتقال می‌یابد و موجب تبخیر سیال کاری در سطح ساختار مویین می‌شود. تبخیر موجب افزایش فشار محلی بخار در اواپراتور و جریان بخار به سمت چگالنده می‌شود که به‌وسیله گرمای نهان تبخیر حمل می‌گردد. ازآنجاکه انرژی در چگالنده استخراج می‌شود، بخاری که در سطح ساختار مویین چگالیده می‌شود، گرمای نهان را آزاد می‌کند. مزیت لوله‌های گرمایی به نسبت روش‌های معمول دیگر، هدایت گرمایی بالا در حالت پایا است؛ بنابراین، لوله گرمایی می‌تواند مقدار زیادی گرما را با اختلاف دمای کم در طول‌هایی نسبتاً زیاد حمل کند. لوله‌های گرمایی با سیال کاری فلزی می‌توانند هدایت حرارتی چند هزار برابر یا حتی جند ده هزار برابر گرما مانند نقره و مس داشته باشد. لوله‌های گرمایی می‌توانند در گستره وسیعی از دماها با انتخاب سیال کاری مناسب استفاده شود. در شکل (۱-۱) یک نمونه از لوله‌های گرمایی نشان داده‌شده است. لوله‌های گرمایی علاوه بر نوع ساده انواع مختلفی دارند مانند لوله گرمایی حلقوی[۱] و مسطح، در شکل (۱-۲) یک نمونه از لوله گرمایی حلقوی را نشان می‌دهد.
شکل ۱‑۱ قسمت‌های مختلف یک لوله گرمایی ]۴۳[
شکل ۱‑۲ لوله گرمایی حلقوی ]۱۹[
شرح موضوع
یکی از کاربردهای لوله گرمایی در صنایع فضایی است. هدف زیرسیستم کنترل حرارت در کاربردهای فضایی این است که دما را در مدت کار ماهواره در محیط فضا در محدوده خاصی نگه دارد. به‌طورکلی، تکنیک‌های کنترل حرارت به دودسته تقسیم می‌شوند: غیرفعال[۲] و فعال[۳]. نوع غیرفعال تا جای ممکن ترجیح داده می‌شود، به دلیل آسانی، قابل‌اعتماد بودن، هزینه و عدم مصرف توان ]۱[.
لوله‌های گرمایی از تکنیک‌های کنترل گرمای غیرفعال هستند که معمولاً در کاربردهای فضایی استفاده می‌شوند و دارای عمر زیاد و هدایت گرمایی بالا هستند. کاربردهای اصلی لوله‌های گرمایی در ماهواره‌ها عبارت‌اند از: ۱- انتقال گرما از محل‌های با اتلاف حرارت زیاد به رادیاتور در فواصل طولانی یا ۲- پخش گرما در سطح پنل به‌منظور کم کردن گرادیان حرارتی و بهتر کردن توزیع دما]۱[.
لوله‌های گرمایی انتقال حرارت را در ماهواره‌ها در برابر افزایش کم جرم بسیار افزایش می‌دهند. عملکرد آن ها شامل تغییر فاز، همراه با نرخ گرمایی زیاد در دمای تقریباً ثابت است؛ بنابراین، لوله‌های گرمایی اختلاف دما را در صفحات از بین می‌برد و دما را در مناطقی که تمرکز چاه یا چشمه گرمایی وجود دارد، متعادل می‌کند. ]۲[
لوله‌های گرمایی از دهه هفتاد میلادی در کنترل دمای ماهواره استفاده می‌شوند. لوله‌های گرمایی تجهیزات بسیار مناسبی برای کاربردهای فضایی هستند زیرا برای کار به الکتریسیته نیاز ندارند، دارای قسمت‌های متحرک نیستند، دارای ظرفیت انتقال گرمای استثنایی هستند و اگر تکنولوژی مناسبی به‌کاربرده شود، دارای عمر طولانی هستند.
یکی از قسمت‌هایی که در وسایل هوایی نیاز به کنترل دما دارند، صفحات ساندویچی با هسته لانه‌زنبوری هستند. از صفحات لانه‌زنبوری[۴] به‌طور گسترده‌ای در صنایع هوایی به‌عنوان بدنه وسایل هوایی استفاده می‌شود. بدنه‌های ساخته‌شده از این صفحات مزایای زیادی دارند اما هدایت گرمایی آن ها ناکافی است، به همین دلیل لوله‌های گرمایی در زیر این پوشش قرار می‌گیرند تا هدایت گرمایی این صفحات افزایش یابد. استفاده می‌شود. صفحات لانه‌زنبوری شامل سه لایه اصلی است: دولایه پوشش و پرکننده بین آن ها. پوشش از آلیاژ آلومینیوم ساخته شده است. پرکننده‌های لانه‌زنبوری از پوشش آلومینیوم ساخته شده‌اند و ساختاری سلولی دارند. دستگاه‌ها در زیر پوشش قرار می‌گیرند. سطح بیرونی صفحه گرما را می‌تاباند]۲[.
شکل ۱‑۳ لوله گرمایی داخل صفحه لانه‌زنبوری
پژوهش‌ها نشان می‌دهند که ساختارهای ساندویچی شبکه‌ای، سیستم‌هایی با تحمل بار زیاد هستند.
لوله‌های گرمایی برای پخش گرمای تجهیزات در طول صفحات ساختاری به کار می‌روند، آن ها معمولاً به صفحات لانه‌زنبوری متصل و یا داخل آن ها قرار گرفته‌اند (شکل ۱-۳). برای چنین کاربردهایی لوله‌های گرمایی با فتیله از جنس آلومینیوم و سیال آمونیاک معمولاً استفاده می‌شود. درحالی‌که آمونیاک دارای خواص ترموفیزیکی مناسبی است اما سیالی فشار بالا و خطرناک است. همچنین می‌توان از استون به‌عنوان سیال کاری که ماده‌ای بی‌خطر است استفاده کرد. لوله‌های گرمایی با استون قبلاً در دو ماهواره که به مدت چهار سال در حال کار بوده‌اند استفاده شده است]۳[.
اهمیت موضوع
لوله‌های گرمایی برای کاربردهای فضایی باید تحت تأثیر شرایط محیطی متفاوتی کار کنند. دو مورد باید در نظر گرفته شود: شرایط کاری سرمای شدید و گرمای شدید. شرایط سرما در انقلاب تابستانی که کمترین اتلاف گرما برای تجهیزات وجود دارد، درحالی‌که شرایط گرم مربوط به انقلاب زمستانی و بیشترین اتلاف گرمایی تجهیزات است. آزمایش‌های در سطح زمین نمی‌توانند شرایط عملکردی لوله گرمایی را در حالت شتاب گرانش صفر بازتولید نماید، بنابراین استفاده از مدل‌سازی اهمیت می‌یابد. در این پایان‌نامه لوله‌های گرمایی در صفحات لانه‌زنبوری شبیه‌سازی و نقش آن ها در کنترل دما بررسی‌شده است.
مرور ادبیات موضوع
در طول ۳۰ سال گذشته مطالعات عددی گسترده‌ای برای آسان کردن فهم عملکرد لوله‌های گرمایی انجام‌شده و به طراحی آن به‌طور عملی کمک کرده است. درنتیجه روش‌های بسیاری برای پوشش جنبه‌های مختلف عملکرد لوله‌های گرمایی توسعه داده شده‌اند]۴٫[
گستره مدل‌های عددی برای لوله گرمایی از تحلیل توده‌ای تا جریان بخار شبه یک‌بعدی، برای درهم آمیختن جریان بخار سه‌بعدی و هدایت گرمای دیواره را شامل می‌شود ]۴٫[
فقری و پروانی به تحلیل عددی جریان آرام در لوله گرمائی حلقوی پرداختند. نمایش بیضوی و سهموی معادلات حاکم بر حرکت سیال برای جریان آرام، پایا و دوبعدی در یک لوله گرمائی حلقوی با توزیع بار سرمایش و گرمایش گوناگون به‌طور عددی تحلیل شدند. نتایج نشان داد که جریان با نرخ بسیار بالای چگالش برمی‌گردد و نمایش سهموی تصویری به اندازه کافی دقیق را از تغییر فشار بخار در هر دو نرخ کم و زیاد چگالش نشان می‌دهد. روش تقریبی تحلیلی همچنین می‌تواند افت فشار و تغییر سرعت را به‌طور دقیق در طول لوله گرمایی حلقوی به همراه محلی را که جریان در قسمت کندانسور بازمی‌گردد، پیش‌بینی کند. همچنین مشخص شد که برای جریان آرام بخار در لوله‌های گرمایی، جریان در چگالنده برمی‌گردد که دلیل آن عدد رینولدز بالاست]۵٫[
چن و فقری تحلیلی عددی برای عملکرد کلی لوله گرمایی با یک یا چند منبع گرمایی را ارائه دادند. تحلیل شامل هدایت گرمایی در دیواره و منطقه مایع –فتیله همراه با تأثیر تراکم‌پذیری بخار در داخل لوله گرمایی است. معادلات بیضوی حاکم به‌صورت دوبعدی همراه با روابط تعادل ترمودینامیکی و شرایط مرزی مناسب به‌صورت عددی حل شده‌اند. حل در تطابق خوبی با داده‌های تجربی بخار و دمای دیواره در هر دو دمای عملکردی بالا و پایین است. این مدل توانایی مناسبی در پیش‌بینی عملکرد لوله‌های گرمایی با یک یا چند منبع گرمایی دارند.برای لوله‌های گرمایی که از آب به‌عنوان سیال کاری استفاده می‌کنند، دمای بخار در طول لوله گرمایی تقریباً ثابت است. این به خاطر افت فشار بسیار کم در اطراف لوله در مقایسه با فشار بخار استاتیک و همچنین تعادل ترمودینامیکی بین فشار و بخار در فصل مشترک مایع و بخار است]۶٫[
فقری و همکاران جریان یک‌بعدی، گذرا و تراکم‌پذیر بخار را در یک لوله گرمایی مدل کردند. نتایج عددی با بهره گرفتن از روش تفاضل محدود به دست آمد. مدل برای جریان بخار شبیه‌سازی‌شده و جریان بخار واقعی در لوله گرمایی سنجیده شده است. مقایسه خوبی بین نتایج گذرای حاضر برای جریان بخار لوله گرمایی شبیه‌سازی‌شده با نتایج قبلی مدل دوبعدی عددی به‌دست‌آمده و نتایج حالت دائم با نتایج تجربی موجود تطابق خوبی دارند. رفتار گذرای جریان بخار تحت سرعت‌های مادون صوت، صوت و مافوق صوت همراه با شار جرمی زیاد با موفقیت پیش‌بینی شده است. برای لوله گرمایی شبیه‌سازی‌شده، جریان بخار به‌سرعت به حالت دائم می‌رسد. توزیع دما و فشار در طول حالت گذرا بسیار از حالت دائم آن متفاوت است. داده‌های تجربی برای حالت گذرا برای دانستن رفتار گذرای جریان بخار در دمای بالا و پایین موردنیاز است. مدل یک‌بعدی می‌تواند تلاش‌های موردنیاز برای حل مسئله جریان بخار را کاهش دهد]۷٫[
ایزمیل و زرندیت مدل تحلیلی-عددی تعمیم‌یافته جریان داخلی در لوله گرمایی را ارائه دادند. فرمولاسیون این مدل بر پایه فرمولاسیون دوبعدی معادله‌های انرژی و ممنتوم در نواحی بخار و مایع و همچنین لوله فلزی است. حل عددی مدل با بهره گرفتن از کد عددی SIMPLE به دست آمده است. میدان جریان‌ها و همچنین میدان‌های فشار برای هندسه‌های مختلف یافته و بحث شده است. جریان‌های بخار و مایع آرام و حالت پایاست. این مدل تطابق خوبی با نتایج تجربی به‌دست‌آمده برای هر دو مقطع مستطیلی و دایروی را داراست]۸٫[
کزنتزوف و سیتنیکف مدلی ریاضی برای انتقال حرارت و جرم در لوله گرمایی استوانه‌ای دماپایین فرموله کردند. در این کار مدل‌سازی عددی مسئله انتقال حرارت و جرم انجام شده است. توزیع سرعت، فشار و دما در لوله‌های حرارتی به دست آمده است. نتایج به‌دست‌آمده همچنین می‌تواند برای تحلیل بازده و توان لوله‌های حرارتی دماپایین به کار روند. این حل با بهره گرفتن از روش تفاضل محدود انجام و حرکت سیال در محیط فتیله با بهره گرفتن از قانون دارسی توصیف شده است و همچنین از تشعشع و نیروهای حجمی صرف‌نظر شده است]۹٫[
ریفت و همکاران به بررسی تکنیک‌های عددی موجود استفاده‌شده برای شبیه‌سازی عملکرد لوله گرمایی با فتیله و بدون فتیله بر پایه تحلیل روش‌های مدل‌سازی جاری پرداختند. در این کار جریان بخار به‌عنوان جریانی دوبعدی بحث شده است. جریان از درون ناحیه مایع-فتیله به‌عنوان مسئله‌ای یک‌بعدی بررسی شده است. جریان‌های بخار و مایع با بهره گرفتن از دستگاه معادلات حاکم، تراکم‌پذیری حرارتی ترکیبی، روابط هیدرودینامیکی و موئینگی و همچنین روابط هندسی باهم کوپله شده‌اند. روش تفاضل محدود برای تحلیل عددی به کار گرفته شد و زبان فرترن برای توسعه برنامه کامپیوتری استفاده شد. از مدل برای تحقیق در مورد ویژگی‌های لوله‌های گرمایی با فتیله بلند، شامل تغییر سطح مقطع، سرعت محوری/شعاعی، فشار و دمای جریان‌های سیال/بخار همراه با موقعیت ارتفاع بالای سطح مایع استفاده شد. برای ارزیابی پیش‌بینی‌های مدل، تجهیزات آزمایش برای آزمایش‌های تجربی ساخته شد. این شامل اندازه‌گیری دمای سطح و جریان گرمای همراه با انتقال حرارت در لوله گرمایی می‌شود. نتایج حاصل از آزمایش توافقی کلی با پیش‌بینی‌های عددی، هنگامی‌که شرایط آزمایش آخر نزدیک فرضیات آزمایش باشد، دارند]۴٫[
فقری به حل معادلات حرکت سیال برای جریان تراکم پذیر و تراکم‌ناپذیر در یک لوله گرمایی حلقوی[۵] پرداخت. علاوه بر این حل تشابهی ارائه شده است که می‌تواند افت فشارها را در همه قسمت‌های لوله گرمایی پیش‌بینی کند. همچنین تحلیلی تئوری برای پیش‌بینی محدودیت صوتی برای لوله گرمائی ارائه شده است. درنهایت مشخص شد که معادله به‌دست‌آمده برای محدودیت صوتی برای لوله گرمائی حلقوی برای بارهای گرمایی متقارن و نامتقارن قابل‌استفاده است. تخمین دقیق افت فشار در قسمت اواپراتور برای جریان‌های بخار تراکم‌پذیر و تراکم‌ناپذیر انجام‌پذیر است]۱۰٫[
نوری و لایقی روشی عددی بر پایه الگوریتم SIMPLE برای تحلیل جریان بخار در یک لوله گرمایی حلقوی ارائه دادند. روش تحلیل آن ها نیز مبتنی بر روش فقری بود. واکنش لوله گرمایی حلقوی[۶] به شارهای گرمایی مختلف در قسمت‌های اواپراتور و چگالنده مطالعه شده‌اند. جریان سیال و انتقال گرما در فضای حلقوی بخار با بهره گرفتن از معادله نویر – استوکس شبیه‌سازی شده است. معادلات حاکم به‌صورت عددی با روش حجم محدود حل شده‌اند. فشار بخار و توزیع دما در طول لوله گرمائی حلقوی برای تعدادی از موارد تست‌شده متقارن پیش بینی شده است. بازگشت جریان بخار و گذار به جریان آشفته نیز پیش بینی شده است. نتایج با داده‌های عددی موجود مقایسه شده و توافق خوبی در همه زمینه‌ها وجود دارد؛ بنابراین مدل توسعه داده‌شده جریان بخار در این مقاله دقت خوب و همگرایی مناسبی را در محدوده اعداد رینولدز پائین نشان می‌دهد]۱۱٫[
کایا و گلداک مدلی سه‌بعدی برای شبیه‌سازی حالت پایای لوله گرمایی با بهره گرفتن از روش المان محدود ارائه دادند. معادلات جرم ممنتوم و انرژی در کل لوله گرمایی برای جریان مایع و بخار حل شده‌اند. پروفیل دمای دیواره بیرونی محاسبه‌شده در سازگاری مناسبی با اطلاعات تجربی قرار دارند. توزیع فشار بخار و مایع نیز ارائه و بحث شده‌اند. نشان داده شده است که جریان بخار حول مرکز لوله گرمایی حتی تحت بار غیریکنواخت تقریباً متقارن باقی می‌ماند. این مدل دارای ویژگی‌های زیر است:
مدل‌سازی سه‌بعدی اجازه شبیه‌سازی گرمای غیریکنواخت در لوله‌های گرمایی را می‌دهد.
لوله‌های گرمایی با دمای بالا قابل شبیه‌سازی هستند.
جریان مایع داخل فتیله در نظر گرفته شده است که اجازه تخمین دقیق‌تر توزیع دما را می‌دهد.
عبارات انتقال توسعه‌یافته دارسی منجر به تخمین دقیق‌تر افت فشار اطراف فتیله می‌شود]۱۲٫[
محجوب و مهتاب‌روشن به شبیه‌سازی عددی لوله گرمایی متعارف پرداختند، روش آن ها در ادامه روش استفاده‌شده توسط نوری و لایقی بود. با این تفاوت که ابتدا حل برای لوله‌های گرمایی استوانه‌ای توسعه داده شد و علاوه بر منطقه بخار، معادله جریان برای منطقه مایع-فتیله نیز حل شد. جریان به‌صورت تراکم‌ناپذیر فرض و در دستگاه مختصات استوانه‌ای حل شد. برای حل لوله گرمایی به دو قسمت منطقه بخار و ساختار فتیله و مایع تقسیم شد. معادلات حاکم در منطقه بخار شامل پیوستگی، ناویر-استوکس و انرژی است؛ که با بهره گرفتن از الگوریتم SIMPLE حل شده‌اند. برای مطالعه تأثیر تغییرات پارامترها بر عملکرد لوله گرمایی معیاری انتخاب و تأثیر تغییر یک پارامتر را هنگامی‌که پارامترهای دیگر ثابت است، بررسی می‌کند. قانون دارسی برای محیط متخلخل در معادله ممنتوم انتخاب شده است. درنهایت نتایج به‌دست‌آمده با دیگر نتایج موجود مقایسه و تطابق خوبی باهم دارند. نتایج نشان می‌دهد که مقاومت حرارتی لوله گرمایی با افزایش تخلخل فتیله افزایش و با افزایش هدایت گرمایی و شعاع لوله گرمایی کاهش می‌یابد]۱۳٫[
پویو و همکاران شبیه‌سازی یک لوله گرمایی مسی را که دارای جریان دائم و آرام بود، ارائه دادند. روش کار آن ها نیز مانند روش محجوب و مهتاب روشن مبتنی بر جداسازی دو ناحیه مایع-فتیله و بخار بود. جریان همچنین تراکم‌ناپذیر و سه‌بعدی برای تخمین پروفیل‌های دما، فشار و سرعت در نظر گرفته شدند. در این شبیه‌سازی از مدل انتقال غیردارسی برای فتیله متخلخل برای تعیین جریان مایع از درون قسمت مایع-فتیله استفاده شده است. منابع گرمایی تبخیر و چگالش در معادله آنتالپی کل در قسمت مایع-فتیله برای توصیف از دست دادن یا گرفتن گرما از تبخیر و چگالش در نظر گرفته شده است. معادلات غیرخطی جبری از روش گسسته‌سازی حجم محدود با بهره گرفتن از روش جداسازی تکراری و الگوریتم SIMPLEC حل شده‌اند. نتایج عددی دمای دیواره بیرونی، فشار خط مرکز و بزرگی سرعت در توافق مناسبی با عملکرد لوله گرمایی قرار دارند. نتایج دمای دیواره بیرونی و بزرگی سرعت خط مرکزی بهتر از نتایج مطالعات پیشین است و نتایج دمای دیواره بیرونی با نتایج تجربی سازگاری مناسبی دارند. جریان مایع از داخل فتیله متخلخل، با بهره گرفتن از معادلات ناویر استوکس همراه با معادلات ونگ و چنگ با بهره گرفتن از فرضیات زیر بیان می‌شود:
ازآنجاکه لوله‌های گرمایی با ورودی گرمایی غیریکنواخت کار می‌کنند، تحلیل سه‌بعدی برای این مطالعه در نظر گرفته شده است.
از اثرات جاذبه به دلیل آن‌که تحلیل برای لوله گرمایی افقی است، صرف‌نظر شده است]۱۴٫[
تاچاپونگ و همکاران نیز با بهره گرفتن از روش ارائه‌شده توسط محجوب و مهتاب روشن به بررسی تأثیر فشار موئین بر عملکرد لوله گرمائی پرداختند، آن ها در این مطالعه، به شبیه‌سازی عددی دوبعدی انتقال گرما و جریان سیال در حالت پایا با بهره گرفتن از روش المان محدود پرداختند، دامنه حل شامل هسته بخار، فتیله و دیواره است. مدل فشار موئین برای فصل مشترک مایع- بخار استفاده شده است. این فرض برای تحقیق درباره اثر فشار موئین بر عملکرد لوله گرمائی انجام شده است. این فرض همچنین بر توزیع دمای دیواره در انتهای قسمت اواپراتور تأثیر می‌گذارد. برای تائید اعتبار این شبیه‌سازی، نتایج توزیع دمای دیواره و بخار با داده‌های تجربی لوله گرمائی به‌دست‌آمده توسط هوانگ و همکاران مقایسه شده‌اند. نتایج عددی نشان می‌دهد که گرادیان فشار موئین داخل فتیله در انتهای قسمت اواپراتور بسیار بزرگ است. این گرادیان فشار شاید به دلیل حرکت سریع مایع در انتهای قسمت اواپراتور باشد، بنابراین انتقال گرمای بهینه را از طریق جابه‌جائی فراهم می‌کند. درنتیجه ارزیابی با نتایج تجربی نشان می‌دهد که توزیع دمای دوبعدی به‌خوبی شبیه‌سازی‌شده است که می‌تواند به طراحی دقیق و بهینه لوله گرمائی کمک کند]۱۵٫[
از شبیه‌سازی‌های تحلیلی نیز می‌توان به کار شبگرد و فقری اشاره کرد. آن ها در این کار به بررسی عملکرد لوله گرمایی استوانه‌ای با چند منبع حرارتی پرداختند. مدل حالت پایای تحلیلی برای لوله حرارتی استوانه‌ای که تحت‌فشار حرارتی ثابت یا سرمایش جابه‌جایی قرارگرفته، ارائه شده است. دو وضعیت سرمایش شار گرمایی ثابت و سرمایش جابه‌جایی مدل شده است. مدل ارائه‌شده هدایت حرارتی در دیواره لوله گرمایی همراه با جریان سیال و هیدرودینامیک بخار کوپله شده است و به منابع حرارتی مختلفی مجهز است. مطالعه پارامتری که روی اثر هدایت حرارتی محوری در دیواره لوله گرمایی انجام شده است، مشخص کرد که حذف اثر هدایت حرارتی محوری در دیواره منجر به تخمین زیاد از افت فشار، بسته به مشخصات لوله گرمایی در حدود ۱۰ درصد می‌شود. در نظر گرفتن هدایت حرارتی محوری، همچنین برای دست‌یابی به توزیع دمای دقیق در لوله گرمایی مهم است. مدلی ساده برای پیش‌بینی و تعیین کمیت معیار اهمیت انتقال حرارت محوری در دیواره لوله حرارتی توسعه داده شده است. صرفه‌جویی قابل‌ملاحظه‌ای در زمان با بهره گرفتن از مدل تحلیلی ارائه‌شده به نسبت مدل عددی حاصل شده است. مدل توسعه داده‌شده ابزاری مفید برای تشخیص حد موئینگی لوله‌های گرمایی استوانه‌ای ارائه می‌دهد و می‌تواند برای بهینه‌سازی و کاربردهای طراحی استفاده شود]۱۶٫[
از کارهای دیگر در مورد لوله گرمایی می‌توان به کار تسای و همکاران در مورد روش تست دینامیک برای تعیین عملکرد حرارتی لوله گرمائی اشاره کرد. تعدادی از پارامترهای دینامیک عملکرد حرارتی لوله گرمائی توسط پدیده گذار مشاهده شدند. زاویه خمش، نسبت‌های پری[۷] و شکل‌های لوله گرمائی مطالعه شدند تا تأثیر آن ها بر عملکرد حرارتی لوله‌های گرمائی برای هر دو تست حالت پایا و دینامیک مشخص شود. مدل به‌دست‌آمده بر پایه تست دینامیک برای توصیف نتایج تجربی به کار گرفته شد. نتایج تجربی نشان می‌دهد که تغییر شکل لوله گرمائی، به عملکرد حرارتی آن آسیب قابل‌توجهی می‌زند. افزایش نسبت پری، محدودیت‌های عملکردی را افزایش می‌دهد، اما منجر به پاسخ‌های دمایی لوله گرمائی با حساسیت کمتر می‌شود. پارامترها و تأثیر فاکتورها بین تست حالت پایا و تست دینامیک به‌طور قابل‌توجهی مشابه است؛ بنابراین تست دینامیک می‌تواند به‌جای تست حالت پایا برای تعیین عملکرد حرارتی لوله گرمائی وقتی‌که بازده بالا اولویت اصلی است، به کار گرفته شود]۱۷٫[
از انواع لوله‌های گرمایی می‌توان به لوله گرمایی حلقوی[۸] اشاره کرد. ولاسف و ریل مدلی برای لوله گرمایی حلقوی ارائه دادند که با نتایج تجربی ارزیابی می‌شود. یک LHP معمولی شامل اواپراتور، چگالنده، محفظه جبرانی و خطوط انتقال مایع و بخار است. رفتار لوله گرمایی حلقوی در این کار به‌عنوان جزئی از سیستم کنترل ماهواره تحت سناریوهای مختلف تأثیر شار گرمایی مداری چگالنده رادیاتور پیش‌بینی می‌شود. مدل ریاضی کنترل قسمت بخار-مایع در چگالنده و همچنین نرخ جریان در محفظه جبرانی را نشان می‌دهد. ویژگی‌های فاز بخار نهایی در خط مایع و چگالش جزئی[۹] بخار در خط بخار نیز در این مدل قرار دارد. در چگالنده LHP، ضخامت فیلم چگالیده شده در لوله با حل همزمان معادلات انرژی و ممنتوم و تعادل جرمی با در نظر گرفتن تنش برشی در خط اتصال تعیین می‌شود. استون به‌عنوان سیال کاری انتخاب شده است. شرایط آزمایش در مدل ریاضی بازتولید می‌شود و پارامترهای آن برای توسعه ظرفیت مدل برای نشان دادن عملکرد LHP واقعی تنظیم شده است]۱۸٫[
بای و همکاران مدل ریاضی حالت پایا را برای یک لوله حرارتی به دست آوردند و با نتایج تجربی مقایسه کردند. مدل‌سازی فتیله اواپراتور نه‌تنها شامل فتیله تک لایه بلکه شامل فتیله ترکیبی دولایه نیز می‌شود. مدل جریان حلقوی در مدل چگالنده اتخاذ شده است که در آن اثر کشش سطح سیال و اثرات متقابل بین فاز مایع و بخار شامل تنش‌های برشی ناشی از انتقال ممنتوم و اصطکاک در نظر گرفته شده است. مدل می‌تواند طول کاهش ناحیه دو فاز چگالنده را تحت هدایت ثابت که درنتیجه انبساط حجمی مایع در محفظه جبرانی پیش‌بینی کند و در تطابق خوبی با نتایج تجربی قرار دارد. همچنین نشان داده شده است که کاربرد فتیله در لایه ترکیبی می‌تواند عملکرد لوله گرمایی حلقوی را تحت شرایط هدایت متغیر به خاطر کاهش تنش از اواپراتور به محفظه جبرانی بهبود بخشد. مطالعه پارامتری بر اثرات دمایی چاه گرمایی، دمای محیط، سیال کاری و دمای کاری نیز بحث شده است که بیشتر مربوط به فهم ویژگی حالت پایای لوله گرمایی حلقوی است]۱۹٫[
امروزه استفاده از نانوسیال به‌عنوان سیال کاری به دلیل بهبود عملکرد لوله‌های گرمایی متداول شده است. سلومون و همکاران مدلی عددی دوبعدی و گذرا را برای پیش‌بینی هسته بخار، دمای دیواره فشار بخار، سرعت بخار و سرعت مایع در فتیله ارائه دادند. معادلات جرم، ممنتوم و انرژی به‌طور عددی برای نواحی بخار و مایع حل شدند اثر نانو سیال آب-مس بر عملکرد انتقال حرارت لوله گرمائی با بهره گرفتن از مدل توسعه داده‌شده، مطالعه شده است و سپس با نتایج مربوط به آب دیونیزه مقایسه شده است. پروفیل‌های گذرای مایع و بخار در ناحیه فتیله با بهره گرفتن از مدل توسعه داده‌شده به دست آمده است. مشخص شد که اضافه کردن نانو ذرات منجر به کاهش دمای دیواره، فشار عملکردی، دمای بخار و مقاومت کلی لوله گرمائی می‌شود: بنابراین انتقال گرما در همان بار گرمائی افزایش می‌یابد. همچنین مشاهده شد که کاهش مقدار تخلخل فتیله به دلیل اضافه شدن نانوذرات هدایت مؤثر ساختار فتیله را که مانند لایه پوششی عمل می‌کند و توانائی انتقال حرارت لوله گرمائی را می‌دهد، افزایش می‌یابد]۲۰ [.
درزمینه لوله گرمایی کارهای تجربی بسیاری نیز انجام شده است که در ادامه می‌آید:
ویمراد و همکاران به تحلیل اثر ورودی گرما و زاویه شیب بر گرمای لوله پرداختند. ورودی گرما برای مراحل گوناگون تغییر کرد و زاویه شیب برای ورودی‌های گرمای متفاوت، در حالت شیب‌دار و عمودی قسمت چگالنده بالای اواپراتور قرار دارد. برای انجام آزمایش لوله گرمائی از فولاد زنگ نزن با طول کل mm۹ و قطر خارجی mm۵۳ استفاده شد و آب به‌عنوان سیال کاری انتخاب شد. دما در طول لوله گرمائی از سمت اواپراتور تا چگالنده کاهش می‌یابد. ویژگی‌های معمول لوله گرمائی برای همه موقعیت‌ها به‌ویژه موقعیت‌های عمودی و شیب‌دار به دست آمد. کمترین زمان رسیدن به حالت پایا برای لوله در حالت عمودی بود. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش در گرمای ورودی، مقاومت حرارتی کاهش می‌یابد. کمترین مقاومت حرارتی مربوط به حالت شیب‌دار بود]۲۱٫[
ونگ و همکاران با انجام آزمایش‌هایی به تحقیق تأثیر تبخیر و چگالش بر عملکرد لوله‌های گرمائی مسطح پرداختند. در این آزمایش‌ها لوله گرمائی مسطح دارای طول انتقال گرمائی ۲۵۵mm و عرض ۲۵mm بود و آب خالص به‌عنوان سیال کاری انتخاب شد. نتایج نشان می‌دهد که در مقایسه با مجرای بخار، لوله گرمائی مسطح می‌تواند در فواصل طولانی انتقال گرما انجام دهد، در مقایسه با لوله‌های گرمائی معمولی، لوله گرمائی مسطح تماس بزرگی با منابع گرمائی دارند، مقاومت حرارتی کاهش و محدوده انتقال گرما با افزایش طول قسمت تبخیر، افزایش می‌یابد. لوله گرمائی مسطح در توان گرمائی پایین‌تری با افزایش طول قسمت چگالنده، خشک می‌شود که نشان‌دهنده آن است که محدوده انتقال حرارت کاهش یافته است، اما دمای اواپراتور نیز کاهش می‌یابد، وقتی‌که طول چگالش به‌اندازه طول تبخیر شود، لوله گرمائی مسطح عملکرد بهتری دارد]۲۲٫[
تران و همکاران به بررسی تجربی استفاده از لوله‌های گرمائی مسطح به‌عنوان جزئی تأثیرگذار و کم‌مصرف انرژی برای کاهش دمای قسمت پائین باتری برای خودروهای هیبریدی پرداختند. برای این هدف، شار گرمائی نامی تولیدشده توسط قسمت باتری بازتولید می‌شود و به سیستم سرمایش لوله گرمائی مسطح وارد می‌شود. عملکرد حرارتی سیستم سرمایش لوله گرمائی مسطح با عملکرد یک چاه گرمائی معمولی تحت شرایط سرمایش مختلف و موقعیت‌های متفاوت مقایسه شده است. نتایج نشان می‌دهند که اضافه شدن لوله گرمائی مقاومت حرارتی جاه گرمائی را %۳۰ تحت جابه‌جائی آزاد و %۲۰ تحت سرمایش با هوای سرعت پائین کاهش می‌دهد. درنتیجه دمای سلول زیر C°۵۰ نگه‌داشته می‌شود که با بهره گرفتن از چاه گرمائی حاصل نمی‌شود. با توجه به فضای اختصاص داده‌شده به قسمت باتری در وسیله نقلیه، لوله گرمائی می‌تواند در وضعیت عمودی یا افقی قرار گیرد. علاوه بر این، لوله گرمائی مسطح به‌طور بهینه‌ای تحت شرایط مختلف جاده کار می‌کند. رفتار گذاری لوله گرمائی مسطح همچنین تحت ورودی توان با فرکانس بالا و دامنه بزرگ هم مطالعه شده است، همچنین مشخص شد که لوله گرمائی مسطح می‌تواند افزایش ناگهانی شار گرمائی را بهتر از چاه گرمائی کنترل کند]۲۳٫[
دی شامفلیر و همکاران بر لوله گرمائی مسی با سیال آب با فتیله‌ای از جنس فیبرهای فلزی با قطر mµ۱۲ تحقیق کردند. لوله گرمائی با مش فیبر با دو فتیله دیگر مقایسه شده‌اند، مش صفحه‌ای (۱۴۵ مش در اینج) و فتیله پودر متخلخل. همه این سه لوله گرمائی دارای قطر خارجی ۶mm و طول ۲۰۰ mm هستند و از آب به‌عنوان سیال کاری استفاده می‌کنند. آزمایش‌ها به‌دقت در سه حالت عمودی، مخالف جهت جاذبه و در جهت جاذبه انجام شدند. در جهت مخالف جاذبه لوله گرمائی برای گرمائی ورودی تا ۷۰W و دمای عملکردی ۷۰°C آزمایش شد. برای جهت موافق جاذبه، لوله‌های گرمائی تا ۱۶۰ W و دمای ۱۲۰°C آزمایش شد. مقاومت حرارتی و اختلاف دمایی بین اواپراتور و چگالنده به‌عنوان شاخص استفاده شده است]۲۴٫[
برای جهت موافق گرانش، فتیله با مش صفحه‌ای، بهتر از فیبر و پودر متخلخل کار می‌کند زیرا نفوذپذیری بالاتر و توانائی بهتری در توزیع سیال کاری در محیط فتیله دارد. برای جهت مخالف گرانش، فیبر و مش صفحه‌ای به یک اندازه خوب هستند. هر دو مقاومت حرارتی کمتری نسبت به لوله گرمائی با پودر متخلخل دارند، زیرابه دلیل وجود فیبرها با قطر کم و مش ریز کانال‌های موئین بسیار کوچکی در مقایسه با پودر متخلخل به وجود می‌آید]۲۴٫[
کنگ و همکاران به مطالعه تأثیر نانو سیال‌ها بر عملکرد حرارتی لوله گرمائی پرداختند. پراکندگی رقیق نانو ذرات نقره در آب خالص به‌عنوان سیال کاری برای لوله گرمائی با ضخامت فتیله mm 1 انتخاب شد. نانو سیال استفاده‌شده در این مطالعه محلول آبی شامل نانو ذرات نقره با قطر ۱۰ تا nm 35 است]۲۵٫[
آزمایش برای اندازه‌گیری توزیع دما و مقایسه اختلاف دمای لوله گرمائی با بهره گرفتن از نانو سیال و آب مقطر انجام شده است. مقدار نانو ذرات آزمایش‌شده از ۱۰ تا mg/l 100 تغییر می‌کند. قسمت چگالنده لوله گرمائی به چاه گرمائی متصل است که با بهره گرفتن از منبع آبی با دمای ثابت، در دمای°C 40 درجه نگه‌داری می‌شود]۲۵٫[
در حجم یکسان، توزیع دمای اندازه‌گیری شده لوله گرمائی با نانوسیال نشان می‌دهد که اختلاف دمایی بین ۰٫۵۶°C تا ۰٫۶۵ در مقایسه با آب مقطر در توان W 50 – ۳۰ تغییر می‌کند. علاوه بر این، نانو سیال می‌تواند توان ورودی به‌اندازه W 70 را داشته باشد درحالی‌که این مقدار برای آب خالص W 20 است]۲۵٫[
