Тепловые трубы: принцип действия

Тепловые трубы давно и с успехом применяются для обогрева помещений, показывая более высокую эффективность в сравнении с традиционными радиаторами водяного отопления. Их широко применяют и для охлаждения технических систем, работа которых требует отвода тепла.

Принцип действия тепловой трубы

Патент на концепцию тепловой трубки капиллярного типа был получен представителем компании General Motors еще в 1942 году. Через два десятилетия идея получила принципиальное дальнейшее развитие. В 1963 году американец Дж. Грувер из лаборатории в Лос-Аламосе наглядно продемонстрировал эффективность такой конструкции.

Принцип действия тепловой трубы сравнительно прост и понятен даже человеку, далекому от физики. Достаточно усвоить, что жидкости при испарении поглощают тепловую энергию, а в момент конденсации активно ее отдают.

Самое простое устройство такого типа представляет запаянную с обеих сторон трубку, внутри которой находится летучая жидкость. Если нагреть одну сторону устройства, жидкость начнет испаряться. При этом пар конденсируется на противоположном конце трубки. Затем жидкость самотеком возвращается к источнику тепла. Цикл может повторяться многократно.

Работа тепловой трубы самого распространенного типа происходит так. К трубе подводится тепло, которое передается через корпус к теплоносителю за счет теплопроводности. Жидкость, смачивающая находящийся внутри особый фитиль, испаряется. В дальнейшем жидкость конденсируется в зоне отвода тепла, что ведет к затоплению фитиля. Различие капиллярных давлений в двух разных зонах тепловой трубы ведет к появлению перепада давлений. Система превращается в своеобразный «капиллярный насос». Кроме капиллярных сил при работе трубы могут действовать так называемые массовые силы: электромагнитные, центробежные, гравитационные. Их действие способно как улучшать циркуляцию в трубе, так и затруднять ее.

Тепловая труба с гладкими стенками может эффективно работать только в одном положении – когда источник тепла располагается возле нижнего конца трубы, находящейся под наклоном.

Изобретатели доработали конструкцию, дав трубке возможность функционировать практически в любом положении. Для этого оказалось достаточным поместить внутрь устройства так называемый фитиль. Им может стать любой материал, имеющий «развитую» поверхность. При этом конденсированная жидкость будет иметь возможность перемещаться по фитилю за счет капиллярного эффекта при самых разных положениях трубки.

Достоинства тепловой трубы

Тепловая труба обрела заслуженную популярность в самых разных отраслях техники, включая довольно специфические области. Устройство такого типа обладает очень высокой теплопроводностью, многократно превышающей эту характеристику у меди. Тепловая труба способна передавать тепло на большое расстояние при небольшом поперечном сечении, в то время как у металлического прута способность передавать тепловую энергию снижается пропорционально отношению сечения к длине.

Скорость передачи тепла в трубке очень высока и ограничивается только скоростью испарения теплоносителя и темпами его конденсации.

Тепловая труба способна работать в произвольном температурном режиме. Если правильно подобрать теплоноситель, трубку можно применять при температуре как около +300 градусов Цельсия, так и при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, что делает такую систему пригодной для использования в космической технике.

Устройство, использующее описанный выше принцип работы, будет долговечным. Ничто не ограничивает срок эксплуатации тепловой трубы, поскольку ни металл трубы, ни фитиль, ни теплоноситель не изнашиваются.

Отказоустойчивость тепловой трубки поразительна, ведь в данной простой конструкции просто нечему ломаться. Трубка будет работать до тех пор, пока справедливы законы физики.

Особенности конструкции тепловой трубы

С теоретической точки зрения тепловая труба представляет собой испарительно-конденсационное устройство, используемое для передачи тепла, где происходит перенос теплоты парообразования посредством испарения жидкости в зоне поступления тепла и конденсации паров в области теплоотвода. Замкнутый цикл работы теплоносителя обычно поддерживается действием капиллярных сил.

Параметрами тепловой трубы можно управлять, меняя в ней давление. Это даст возможность теплоносителю совершать переход из одной фазы в другую в требуемом температурном режиме.

Существуют определенные требования к элементам конструкции тепловой трубы. Например, используемая в трубке жидкость не должна быть подвержена разложению, не должна вступать в химическую реакцию с материалом, из которого выполнены сама трубка и фитиль. Оболочку трубы предпочтительнее делать из материала с высокой теплопроводностью. Фитиль и трубка должны хорошо смачиваться теплоносителем.

Материалом корпуса тепловой трубы обычно становятся медь, алюминий, сталь разного типа.

Фитиль в тепловой трубе насыщен жидкой фазой теплоносителя. Фитилем могут стать не только сетчатые, но и спеченные пористые вещественные структуры, равно как и особые канавки на внутренней поверхности трубки, перфорированные экраны и так далее. Главное, чтобы структура фитиля позволяла переносить жидкость из зоны конденсации в область нагрева за счет капиллярных сил.

В настоящее время фитиль чаще всего выполняется из металла. Этот элемент конструкции имеет вид сетки или делается сплетенным из очень тонкой проволоки; такое техническое решение получило название металлического войлока.

Теплоносителем в этой системе могут выступать вода, ацетон, спирт, ацетон, фреоны. В тех трубках, которым приходится работать в необычных режимах температур, могут использоваться натрий, ртуть, жидкий гелий или серебро. Главное требование к теплоносителю: это должно быть чистое в химическом смысле вещество или соединение, которое способно выступать как в жидкой, так и в паровой фазе, а также обладать смачивающим эффектом.

Тепловые трубы получили широкое распространение не только в системах отопления домов, но также в технологических схемах охлаждения компонентов современных компьютеров (процессоров, видеокарт). Преимущество тепловой трубы в данном случае определяется тем, что появляется возможность снять с кристалла малой площади максимум тепла и рассеять его на радиаторе с большим числом ребер.