.

Тепловые трубы в охлаждении

 Тепловая трубка, теплотрубка (англ. heat pipe) — элемент системы охлаждения, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.
Тепловые трубки бывают двух видов:

  • гладкостенные
  • с пористым покрытием изнутри. 

 гладкостенных трубках сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием исключительно силы тяжести — иными словами, такая трубка будет работать только в положении, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, а жидкость имеет возможность стекать в зону испарения. Тепловые трубки с наполнителем (фитилями, керамикой и т. п.) могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по его порам под действием капиллярных сил, а сила тяжести в этом процессе играет незначительную роль.
Материалы и хладагенты для тепловых трубок выбираются в зависимости от условий применения: от жидкого гелия для сверхнизких температур до ртути и даже индия для высокотемпературных применений. Однако большинство современных трубок в качестве рабочей жидкости используют аммиак, воду, метанол и этанол.
Основной принцип работы тепловых трубок с использованием гравитации (т. н. двухфазные термосифоны) датируется веком пара. Современные концепции с использованием капиллярного эффекта в тепловых трубках предложены R.S. Gaugler из General Motors в 1942 г., который позднее запатентовал идею. Преимущества капиллярных систем были также независимо проработаны и продемонстрированы Джорджом Грувером (George Grover) из Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1963 году и впоследствии опубликованы в Journal of Applied Physics. Сейчас широко используются в современных компьютерных системах, для охлаждения ЦПУ, чипсетов и т. п. Также используются в мощных светодиодных лампах. Широко применяются в космической технике. За рубежом применяются в солнечной энергетике, для повышения эффективности нагрева воды в солнечных коллекторах.
Имеют узкий эффективный диапазон использования. При превышении расчетной температуры вся охлаждающая жидкость может перейти в пар, что приведет к катастрофическому снижению теплопроводности трубки (до 1/80). И наоборот, при недостаточной температуре жидкость плохо испаряется.

 Тепловая труба – это устройство с высокой эффективной теплопроводностью, во много раз превышающей теплопроводность серебра, меди и алюминия.  По существу тепловые трубы представляют собой мосты, позволяющие передавать энергию на некоторое расстояние без помощи нагнетателей.  Высокая теплопроводность достигается в результате испарения и конденсации рабочей жидкости, т.е. изменения агрегатного состояния вещества.  В простейшей форме тепловая трубка – герметичный сосуд, в котором тепло передаётся горячего источника к холодному при помощи замкнутого испарительно-конденсационного цикла.  Внутренняя полость сосуда частично заполнена жидкостью.  Труба должна работать в вертикальном или наклонном положении и терло должно подводиться к нижней её части.

 Это существенный недостаток, т.к. он не позволяет использовать подобные тепловые трубы на транспорте, когда пространственная ориентация не определена строго.  В настоящее время для возвращения жидкости используется капиллярный эффект, который создаётся применением капиллярно-пористой структуры.  В этом случае жидкость впитывается в зоне конденсации и передаётся в зону испарения независимо от пространственной ориентации тепловой трубы.

 В зависимости от разности температур, в которой работает тепловая труба, различают:

  • - высокотемпературные (1000..2000К)
  • - среднетемпературные (500..1000К)
  • - низкотемпературные (273..500К)
  • - криогенные (0..273К)

 В качестве теплоносителя используют воду, аммиак или органические жидкости.  Для оптимизации тепловой трубы необходимо стремиться к выбору жидкости с малой вязкостью, большим значением плотности поверхностного натяжения и скрытой теплоты парообразования.