1.5. Принцип работы тепловой трубы
Тепловая труба – это замкнутое испарительно–конденсационное устройство, предназначенное для охлаждения, нагрева или терморегулирования объектов.
Перенос тепла в тепловой трубе осуществляется путем переноса массы теплоносителя, сопровождающегося изменением его фазового состояния. Простейшая тепловая труба – это герметически закрытая с обоих концов металлическая труба, в которой находится небольшое количество воды и из которой откачен воздух. Такая тепловая труба называется термосифоном, идеально работает при вертикальном положении в пространстве в условиях гравитационного поля.
Простейший термосифон (рис.1.1) работает следующим образом. Нижний конец трубы, где находится вода (зона испарения) подвергается нагреву. Вода превращается в пар, поглощая при этом тепло равное скрытой теплоте парообразования. Водяной пар поднимается вверх по трубе (через зону теплопередачи), затем на другом конце трубы (зона конденсации) происходит обратный переход из пара в жидкое состояние с выделением в процессе конденсации скрытой теплоты парообразования. Так как скрытая теплота фазового перехода у многих веществ достаточно высока, то при реализации этого процесса обеспечивается высокая плотность теплового потока. Возврат жидкости из зоны конденсации в зону испарения происходит за счет сил гравитации, т.е. сконденсировавшееся вода стекает вниз по стенкам трубы.
Термосифоны сохраняют работоспособность при условии расположения зоны испарения ниже зоны конденсации, поэтому область их применения ограничена.
6 июля 1944г в США был зарегистрирован патент №2350348. Автором изобретения был Гоглер, сотрудник американской фирмы General Motors Corporation (GMC). Как указывал автор, целью изобретения было «….обеспечение поглощения теплоты, или, другими словами, испарение жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора.» В качестве возврата жидкости из зоны конденсации в зону испарения была предложена капиллярная структура. То есть Гоглер придумал тепловую трубу, которая могла работать *вверх ногами*.
Значение этого изобретения для развития техники трудно переоценить.
Рис.1.1. Принцип работы термосифона
В октябре 1973г в Штутгарте была проведена первая международная конференция по тепловым трубам, после которой можно считать, что тепловые трубы получили общее признание.
В настоящее время нет альтернативы тепловой трубе. Более эффективного устройства для передачи тепловой энергии не существует. Цилиндрическая тепловая труба, рабочей жидкостью которой является вода, при t =150°С будет иметь теплопроводность в сотни раз больше чем у меди.
Тепловые трубы на литии при t = 1500°С В осевом направлении может передать тепловой поток до 20 кВт/см2. Современные тепловые трубы работают в интервале температур от 4 до 2300 К, их длина может быть от нескольких сантиметров до десятков метров, диаметр от 2–3мм. до нескольких метров.
По виду теплоносителей различают металлические (калий, натрий, цезий и т.д.) и неметаллические теплоносители (вода, аммиак, ацетон, фреоны и т.д.) Для возврата конденсата в зону испарения могут быть использованы гравитационные, капиллярные, центробежные, электростатические, магнитные, осмотические силы.
Современные тепловые трубы могут работать при любой ориентации. Многочисленные фирмы, работающие в разных странах, создали сотни модификаций тепловых труб всевозможной конфигурации [8].