Несколько лет назад мы уже рассказывали о тепловых трубках.
Но если тогда физики только начинали, по существу, разбираться в сути происходящих явлений, то сегодня тепловые трубки все шире внедряются в различные области техники. Вот что рассказал об этом нашему корреспонденту заведующий лабораторией низких температур Института массо- и теплообмена АН Белорусской ССР доктор технических наук Л. Л. ВАСИЛЬЕВ.
Впервые такое теплопередающее устройство было изобретено в 1944 году, а сам принцип был известен и того ранее. Используются в тепловых трубках элементарные физические явления — испарение, конденсация, смачиваемость... И конструкция таких трубок незамысловата. Внутренние стенки стальной трубки выстилают пористым материалом — спеченной керамикой, металлической сеткой, фитильной тканью или стекловолокном... Чем именно — это зависит от конкретного назначения трубки, от интервала температур, в котором она будет работать. Пористый материал прокладки, в свою очередь, пропитывают какой-либо летучей жидкостью. После этого из трубки откачивают воздух и заглушают ее концы.
Если теперь мы нагреем один конец трубки, жидкость там испаряется и пар под воздействием возникающей разности давлений устремляется к другому концу. Здесь он конденсируется и отдает тепло более холодным стенкам, а жидкость по капиллярам пористой прокладки возвращается назад, к источнику тепла.
Поскольку скрытая теплота парообразования у большинства жидкостей очень велика (у воды — 539, у расплавленного натрия — 1000, у лития в жидком состоянии — 4700 кал/г), то тепловой поток в трубке может достигать огромных величин. По свойствам теплопередачи с тепловыми трубками не могут сравняться даже такие рекордсмены теплопроводности, как медь и серебро.
Так как летучая, ее еще называют рабочая, жидкость в трубке находится в постоянном кругообороте, то тепловую трубку можно использовать двояким способом, как для передачи тепла в место с пониженной температурой, так и, наоборот, для передачи холода в место с повышенной температурой.
Вот так в принципе работает агрегат, называемый тепловой трубкой. Казалось бы, все просто, все известно. Но это простота кажущаяся. Возьмем только один пример. Когда мы попробовали использовать тепловые трубки в диапазоне низких, а в особенности сверхнизких — криогенных температур, сразу возникло множество осложнений. При таких температурах смачивающая жидкость вдруг становится несмачивающей, меняются механические и термические свойства материалов, становится совершенно иной динамика пара... Даже в теории начался своеобразный «бунт»: неожиданно важными стали те члены уравнений, которыми мы до сих пор пренебрегали.
Пришлось, по существу, заново создавать некоторые разделы ранее существовавшей теории тепловых трубок, дополнять и разбивать ее. Немало пришлось повозиться и с конструкциями самих тепловых трубок.
Например, нам удалось создать коаксиальную тепловую трубку. Конструкция ее такова. Две обычные трубки вставлены одна в другую. Пространство между ними заполнено пористым материалом. Здесь испарение происходит не у одного из концов трубки, а на внутренней поверхности большей трубки, конденсация же — на наружной поверхности меньшей, внутри которой, скажем, мы будем пропускать холодную воду. Таким образом, пар рабочей жидкости коаксиальной тепловой трубки движется самым коротким путем, не вдоль трубки, а поперек ее, по радиусу. Эффективность теплообмена возрастает еще более, тепло из нужного объема очень быстро отводится наружу А если такую коаксиальную трубку еще и вращать вокруг продольной оси, то внутренней «начинки» из пористого материала не понадобится: рабочая жидкость будет отбрасываться от центра на периферию центробежными силами. Сама трубка приобретет при этом диодные свойства — станет проводить тепло только в одну сторону, к центру.
В каких же устройствах могут использоваться тепловые трубки? Очень и очень во многих. Сегодня имеются проекты облегченных автомобильных двигателей -и духовок для бытовых плит, систем центрального отопления квартир, которые гарантируют одинаковую температуру на всех этажах, и устройств для термостабилизации газопроводов, прокладываемых в условиях вечной мерзлоты (еспи температура газопровода будет хотя бы на 2—3° выше окружающей его мерзлой земли, газопровод «поплывет», мерзлота растает и поглотит его).
Тепловые трубки могут также намного продлить срок службы телевизора или иного радиотехнического устройства, защитить от жары операторов прокатного стана и сталеваров, отвести лишнее тепло в химическом реакторе... Но, пожалуй, самые радикальные перемены тепловые трубки могут произвести в энергетике. Ведь если изготовить из таких трубок своеобразные теплотрассы, то мы сможем с весьма малыми потерями передавать тепло и холод на сотни, даже тысячи километров. А это, в свою очередь, значит, что мы полнее сможем использовать природные ресурсы. Нужен холод — пожалуйста — на полюсах нашей планеты круглый год работают два мощнейших холодильника. Ну а теплом в достатке обеспечит нас экватор глубинные слои Земли, теплые морские течения...
Записал С. ЗИГУНЕНКО