В самых разнообразных отраслях техники то и дело возникает одна, и та же проблема, как охладить ту или иную теплонапряженную конструкцию, трущуюся деталь, узел машины! Идет разработка таких «русел», по которым могли бы течь, как можно более интенсивные тепловые потоки. Тепловые трубы - одно из замечательных достижений на этом пути.
КАК ОТВЕСТИ ТЕПЛО!
Лопатки турбины докрасна раскаляются в напористых газовых струях.
Деталь под резцом токарного станка разогревается от интенсивного трения.
И там, и здесь возникает одна, и та же проблема, как отвести тепло от раскаленных лопаток турбины, от разогревшейся детали и резца, чтобы удержать металл от плавления, чтобы уберечь машину от разрушения?
Вот сходные примеры несколько иного свойства.
Строители должны проложить туннель под землей, но грунт слишком влажен, и зыбок; единственный выход - заморозить грунт, охладив его, отняв у него тепло.
Больным часто требуется ставить холодные компрессы, и врач ищет наиболее подходящие для этого средства.
И там, и здесь все та же проблема наиболее эффективного теплоотвода.
Со школьной скамьи известны три способа передачи тепла теплопроводность, конвекция, лучеиспускание. Остановимся на первых двух. В первом случае вещество покоится. Во втором движется, обеспечивая более эффективную теплопередачу.
Оказывается, ее можно сделать еще более эффективной, заставив вещество не только двигаться, но и менять при этом свое агрегатное состояние.
Если вы нальете на ладонь немного эфира, он быстро испарится, заставив вас вздрогнуть от холода. Произошел интенсивный отвод тепла, сказалась весьма значительная скрытая теплота испарения - количество тепла, которое необходимо затратить на испарение единицы массы жидкости. Тепловая энергия при этом расходуется на разрыв связей между молекулами жидкости.
Процесс, обратный испарению, - конденсация. При ней выделяется такое же количество тепла, которое затрачивается при испарении.
Не таится ли в описании этих физических явлений идея метода, который помог бы устроить невиданно интенсивные тепловые потоки? На горячем конце теплопровода жидкость испаряется, потребляя значительное количество тепла, движется в виде пара к холодному концу, и там конденсируется, отдавая теплоту конденсации.
Постараемся конструктивно оформить эти плодотворные соображения. Точнее, опишем, как воплотились они в разработках современных инженеров-теплотехников. Схематически описанный выше секрет «сверх теплопроводности» лег в основу так называемых тепловых груб.
ТЕПЛОВАЯ ТРУБА
Это герметически замкнутая труба. Внутренние ее стенки выложены, каким-либо пористым материалом. Воздух изнутри откачан. Жидкость, заполняющая поры прокладки, испаряется в том месте, где трубу нагревают. Пар расходится по всему объему трубы и конденсируется на ее внутренних стенках там, где трубу охлаждают. Под действием капиллярных сил жидкость возвращается обратно, подобно тому, как бензин в зажигалке поднимается по фитилю.
Тепловые трубы с капиллярной прокладкой применяются наиболее часто; если же отказаться от капиллярного «насоса», приходится думать о том, что станет перекачивать сконденсированную жидкость в зону теплоподвода - силы ли тяжести, или центробежные силы. Так тепловые трубы классифицируются по способам переноса теплоносителя.
Формы сечения тепловых труб разнообразны - круглая, овальная, прямоугольная, многоугольная. Диаметр - от нескольких миллиметров до полутора дециметров. Длина - до нескольких метров.
Рабочие температуры, при которых применяются тепловые трубы, могут быть порядка или ниже комнатной - в этом случае в качестве теплоносителей используются спирт, и вода, ацетон и фреоны. Наименее летучими из этих жидкостей заправляются, и среднетемпературные тепловые трубы, выдерживающие до ЮОО’С. В высокотемпературных трубах, работающих при жаре до 2500эС, теплоносителями служат легкоплавкие и летучие при столь высоких температурах металлы - калий, и натрий, литий и ртуть, цезий, и свинец и т. д.
Соответственно рабочим температурам, и другим условиям подбирается материал для корпуса тепловых труб (стекло или пластмасса, нержавеющая сталь или медь, никель или вольфрам) и для капиллярной прокладки (керамика, стекловолокно или асбест, плетеные металлические сетки или тот же, но специально обработанный сплав, из которого изготовлена сама труба). Важно лишь, чтобы теплоноситель не реагировал с веществом корпуса, и прокладки, а если это металл - не образовывал бы с ними интерметаллических соединений.
СТО ДОСТОИНСТВ
Теперь, когда мы ознакомились с устройством тепловых труб, можно со знанием дела поговорить об их достоинствах.
Представим языком цифр первое и самое* главное из них - высокую эффективную теплопроводность (под этим термином понимается передаваемая трубой тепловая мощность, отнесенная к площади поперечного сечения, и падению температуры на единицу длины).
Вот конкретный пример. Тепловая труба весом полкилограмма, диаметром полтора сантиметра и длиной 60 сантиметров передает тепла столько же, сколько медный стержень той же длины, диаметром один метр, и весом пять тонн. Для того, чтобы такой же поток тепла протекал по медному стержню диаметром полтора сантиметра, один из его концов нужно нагреть до полумиллиона градусов (нагрев немыслимый - медь его не выдержит). А тепловая труба отлично «работает» при перепадах температур от нескольких до сотен градусов. Обеспечить значительные тепловые потоки при минимальных температурных перепадах - едва ли не важнейшее, что требуется от теплопровода. И в этом тепловая труба намного превосходит лучшие из проводников тепла - медь, серебро, и алюминий.
В случае каждого из этих материалов мы имеем дело с высокой, но обычной теплопроводностью. Процессы в тепловых трубах - это комплексное проявление всех видов теплообмена. Однако дело не только в этом. Перенос тепла в тепловой трубе обусловлен переносом вещества; тепломассообмен - вот, каким термином охватывается круг явлений, подобных тому, с которым мы сталкиваемся в случае тепловой трубы. Явления эти многообразны, сложны, и напряженно исследуются во многих лабораториях всего мира. Крупные заслуги в этом направлении имеются и у советских ученых - упомянем о работах Института тепломассообмена АН БССР, во главе которого стоит академик АН Белоруссии А. В. Лыков.
Разумеется, тепловые трубы, как, и естественные проводники тепла, позволяют передавать тепло лишь от более нагретых тел к менее нагретым. Самопроизвольный переход тепла в обратном направлении запрещен вторым началом термодинамики и может происходить только при затрате механической энергии. Но ведь энергию порой приходится затрачивать, и для того, чтобы создать поток тепла в «разрешенном» естественном направлении!
Здесь мы подходим к другому важному достоинству тепловых труб. Для транспортировки теплоносителя к ним не надо подводить энергию. В них работают капиллярные силы - те же, что гонят по стеблю растения живительные соки.
В тепловых трубах нет никаких движущихся деталей и узлов. Они не создают шума, и вибрации, а этим не может похвастаться, пожалуй, ни одна тепловая машина. Даже домашний холодильник иногда досаждает нам своим шумом!
Тепловые трубы надежны. Качественно изготовленные, они могут работать тысячи часов, не требуя никакой профилактики и надзора.
Они просты по конструкции, легки, намного дешевле по сравнению с теплопроводами из меди, серебра, алюминия, и других материалов.
Они неприхотливы и работают в широком температурном диапазоне, границы которого определяются лишь технологическими свойствами известных ныне материалов. Невесомость, радиация, сильное магнитное или электрическое поле не помеха (а в некоторых случаях - даже подспорье) для тепловых труб.
Словом, у тепловых труб столько достоинств, что трудно найти недостатки. Повод для упрека дает, пожалуй, лишь длина тепловых труб, применяемых сегодня она не превышает нескольких метров. Но тепловые трубы можно соединять последовательно. И еще они могут ветвиться, подобно деревьям, сужаться, и расширяться, а благодаря этому способны снять поток тепла с любой поверхности и «размазать» его по любой поверхности.
О некоторых интересных применениях тепловых труб расскажет последняя глава нашей статьи, и первая страница цветной вкладки.
РАБОТАЮТ ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ
Тепловые трубы пригодятся для охлаждения теплонапряженных конструкций, трущихся деталей и узлов машин турбин, и двигателей, подшипников и резцов. На рисунке слева вверху показан способ охлаждения турбин по методу тепловой трубы. Вал турбины 1 сделан полым, причем осевой канал 2 устроен расширяющимся по мере приближения к диску турбины 3, также полому. Центробежные силы отбрасывают теплоноситель к краям диска, к основаниям лопаток 4. Здесь теплоноситель испаряется, а конденсируется он в конденсаторе 5, устроенном на другом конце вала.
Можно сделать полыми, и сами лопатки турбины тогда теплоноситель будет снимать тепло с кончиков лопаток, которые раскаляются наиболее сильно.
Эластичные тепловые трубы удобны для проведения лечебных процедур - охлаждения или нагрева отдельных участков тела (рисунок слева в середине). Одним своим концом тепловая труба 1 прикреплена к пластинке 2, которая накладывается на обогреваемый участок тела; другой конец трубы окружен нагревательной спиралью 3, питаемой от электрической батареи 4.
Если пациенту прописан не прогрев, а охлаждение, то применяется иная схема, где нагревательная спираль заменена конденсатором.
На рисунке слева внизу представлен проект теплового радиатора для космического корабля, опубликованный в зарубежной печати. Радиатор состоит из множества тепловых труб 1, соединенных в несколько секций. Одним концом трубы выводятся в космос, другим прикреплены к центральной тепловой трубе 2, отводящей тепло от энергетической установки космического корабля. Центральная тепловая труба заполнена натрием (температура конденсации 883°С), боковые - калием (температура конденсации 760°С). Натрий, конденсируясь в местах стыка 3 центральных и боковых труб, заставляет испаряться калий, а тот конденсируется во внешних концах боковых труб, излучающих тепло в космическое пространство. Подобные теплообменники успешно противостоят метеоритной опасности выход из строя нескольких из многочисленных тепловых труб практически не оказывает влияния на работу всей системы в целом.
На рисунке показаны также варианты укладки металлических сеток, которыми покрыты внутренние стенки труб, и по которым жидкий металл благодаря капиллярным силам «подкачивается» к участкам нагрева и испарения.
Перспективно применение тепловых труб в радиоэлектронике. На рисунке справа вверху показана генераторная лампа корпус 1, катод 2, сетка 3, и анод 4. Аноды мощных генераторных ламп сильно разогреваются, бомбардируемые потоками электронов, и их приходится охлаждать. Тепло от анода можно отвести с помощью тепловых труб 5 с конденсаторами на других концах. Тепловую трубу большого диаметра можно подвести к охлаждаемому аноду снизу; со стенок металлического «стакана» ко дну тепло потечет благодаря большому перепаду температур, и сравнительно высокой теплопроводности металла, из которого сделан анод. Однако можно поступить и по-иному «оплести» анод со всех сторон тепловыми трубами малого диаметра.
Тепловые трубы с успехом применимы в холодильных установках. С помощью тепловых труб можно, например, замораживать грунт (рисунок справа внизу). Для этой цели служат колонки-трубы 1, внутри которых устроены сплошные перегородки 2 с переливными трубками 3. Сверху на колонки-трубы насажены конденсаторы-испарители 4. Теплоноситель подбирается таким, чтобы температура его испарения была ниже точки замерзания грунта. Тогда под действием тепла, отнимаемого от грунта, теплоноситель испаряется, поднимается вверх, конденсируется, а затем вновь стекает вниз. Трубы можно оснастить ребрами, по которым тепло будет быстрее «отсасываться» от грунта.
