Основы теории и расчета тепловых труб

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

Дышловенко Дмитрий Викторович,

магистрант, ФГБОУ ВО СПбГАУ

Санкт-Петербург, Россия

Тепловая труба -- это герметическое теплопередающее устройство, которое работает по замкнутому испарительно-конденсационному циклу в тепловом контакте с внешним источником и стоком тепла. Тепловая энергия воспринимается от источника и затрачивается на испарение теплоносителя, заключенного внутри корпуса тепловой трубы. Затем она переносится паром в виде скрытой теплоты испарения и далее, на определенном расстоянии от места испарения, в зависимости от тех или иных способов теплосъема, при конденсации пара выделяется в сток. Образовавшийся конденсат возвращается в зону испарения либо под действием капиллярных сил, которые обеспечиваются наличием специализированной капиллярной структуры (КС) внутри тепловой трубы, либо за счет действия массовых сил (последняя конструкция обычно именуется термосифоном). Таким образом, вместо электронного механизма переноса тепла путем теплопроводности, что имеет место в сплошном металлическом теплопроводе, в тепловой трубе используется молекулярный механизм переноса (иными словами, если говорить более точно -- процесс переноса кинетической и колебательной энергии хаотического движения частиц пара).

Тепловые трубы - в первую очередь, это возможность передачи сотен ватт и даже киловатт -- скрытая теплота испарения характеризуется очень солидными величинами (тысячами джоулей на грамм вещества). И если испарять массу жидкости порядка нескольких граммов в секунду, то с паром будет переноситься тепловой поток, оцениваемый киловаттами или десятком киловатт. Другая интересная особенность -- это возможность концентрации тепловой энергии (системы тепловых труб могут работать в комплексе с большим количеством тепловых источников и гибко конфигурироваться под различные задачи). Непосредственным предшественником тепловой трубы был термосифон (ТС), поэтому, полезно рассмотреть, вначале принцип действия этого устройства (рис.1).

Рисунок 1 - Схема термосифона: 1 - зона испарения; 2 - зона конденсации; 3 - жидкость; 4 - корпус; 5 - пар; 6 - возврат жидкости (конденсат

Внутрь корпуса вводят небольшое количество жидкости, откачивают воздух и герметизируют (запаивают). При подводе тепла к зоне испарения жидкость переходит в пар, давление насыщения паров в этой зоне резко повышается, пар движется вверх в зону с меньшим давлением, конденсируется и стекает по стенкам вниз. Необходимым условием работы является отвод тепла от зоны конденсации. Недопустим также перегрев в зоне испарения - может наступить кризис кипения (вся жидкость испарится) и теплопередача пойдет по стенкам термосифона.

Следует отметить, что термосифон способен обеспечить большую мощность теплопередачи даже при малой разности температур между его концами, т.к. скрытая теплота парообразования у жидкостей велика. Отличительной особенностью этой системы теплопередачи является способ возврата конденсата - под действием гравитационного поля. Поэтому термосифон может работать только тогда, когда зона испарения находится ниже зоны конденсации.

Для обеспечения возврата конденсата в зону испарения при любой ориентации системы теплопередачи потребовалось заменить гравитационное поле каким-то другим, но, желательно, таким же "бесплатным". Это и было осуществлено при изобретении новой системы - тепловой трубы.

Основными конструкционными элементами тепловой трубы являются: герметичный корпус; капиллярная структура; теплоноситель -- жидкость, находящаяся внутри корпуса ТТ. Основными материалами, которые применяются для изготовления корпусов ТТ, являются: нержавеющая сталь; медь; алюминий.

Особую важность приобретает также выбор теплоносителя. Основным критерием здесь становятся:

- свойства, влияющие на теплотранспортные характеристики ТТ;

- температурный рабочий диапазон ТТ;

- инертность при взаимодействии с материалом корпуса и капиллярной структуры [1].

Наиболее сложным в конструктивном плане элементом ТТ является капиллярная структура. В современных тепловых трубах наиболее распространены КС, изготовленные на основе металловойлока, порошков и сеток, а также выполненные конструкционным образом, например, в виде канавок различной формы. КС из металловойлока или порошков изготавливаются методом спекания в вакуумных печах (например, чтобы получить медную КС необходимо спекать в вакууме специальные медные волокна при температуре выше 1000°С). Наиболее технологичной является КС, полученная конструкционно -- такие КС изготавливаются одновременно с корпусом ТТ.

От КС зависит, насколько эффективно ТТ сможет работать против сил тяжести (когда зона подвода тепла расположена выше зоны отвода тепла). И если в космической технике (работа ТТ в условиях невесомости) этот вопрос совершенно не актуален, то в компьютерной технике он очень важен, ведь установка кулера на плату в современных конфигурациях может быть самой разнообразной. С учетом этого аспекта наиболее предпочтительной является металловолокнистая КС. Порошковые КС также могут обеспечить достаточное функционирование ТТ, но уже только при небольших наклонах. А вот конструкционные КС здесь являются фактически непригодными -- их можно рассматривать при работе ТТ либо в качестве термосифона, либо при строго горизонтальном расположении в пространстве.

Что касается путей развития конфигураций ТТ, то одним из наиболее перспективных типов тепловых труб на сегодня является так называемая контурная тепловая труба (КТТ) (рис. 2).

Рисунок 2 - Контурная тепловая труба, принципиальная схема 1 -- испаритель; 2 -- капиллярный насос (КН); 3 -- конденсатор; 4 -- компенсационная полость (КП); 5 -- паровой канал; 6 -- жидкостный канал

тепловая труба капиллярный контурный термосифон

Тепловые трубы такой конфигурации имеют следующие преимущества:

- возможность работы, как в условиях микрогравитации, так и в поле сил тяжести при любой ориентации (превышение зоны испарения над зоной конденсации более 1 м), а также против сил ускорения

- передача значительных тепловых потоков (1000 Вт и выше)

- создание гибкой развязки между испарителем и конденсатором

- обеспечение диодности, что позволяет передавать тепло только в одном направлении

- передача тепла на значительные расстояния (6 м и более).

Тепловые трубы в настоящее время исследуются применительно к широкому кругу приложений, при этом был охвачен почти весь возможный диапазон температур, используемых в процессах теплообмена. Область применения тепловых труб простирается до гелиевых температур, где с помощью труб охлаждают мишени в ускорителях частиц до 2000--3000°С. В общем случае можно выделить ряд крупных сфер приложения тепловых труб, каждая из которых как бы иллюстрирует то, или иное свойство тепловой трубы. С помощью тепловых труб можно решать следующие задачи:

1) Обеспечение пространственного разделения источника и стока теплоты. Высокая эффективная теплопроводность тепловой трубы позволяет передавать с ее помощью теплоту на значительные расстояния при малом температурном напоре. Во многих случаях, когда требуется охлаждение отдельных элементов, может оказаться неудобным или нежелательным отвод теплоты с помощью стока или радиатора, расположенных непосредственно у охлаждаемого элемента. Например, отвод теплоты от устройства, выделяющего большую мощность и расположенного внутри модуля, в котором кроме него также находятся другие чувствительные к температуре элементы, целесообразно осуществить с помощью тепловой трубы, соединяющей это охлаждаемое устройство со стоком, расположенным вне модуля. При этом с помощью тепловой изоляции можно свести к минимуму тепловые потери от промежуточных секций тепловой трубы.

2) Второе свойство тепловой трубы -- ее способность выравнивать температуру -- тесно связано с разделением источника и стока теплоты. Поскольку тепловая труба по своей природе стремится к работе в условиях равномерной температуры, ее можно использовать для снижения градиентов температуры между неодинаково нагретыми участками тела. Таким телом может являться наружная оболочка спутников, одна сторона которой обращена к солнцу, тогда как другая, более холодная, находится в тени. В другом случае цепочки элементов электронных устройств, размещенных на одной и той же трубе, оказываются термически связанными, при этом их температуры выравниваются.

3) Возможность трансформации теплового потока может быть использована в реакторах. Например, в термоионных преобразователях была предпринята попытка трансформировать тепловой поток сравнительно малой плотности, выделяемый радиоактивными изотопами, в тепловой поток большой плотности, достаточной для его эффективного использования в термоионных генераторах.

4) Четвертая функция -- регулирование температуры -- лучше всего реализуется с помощью тепловой трубы переменной проводимости. Такую тепловую трубу можно использовать для тонкого регулирования температуры устройства, размещенного на ее испарителе.

5) Пятая - тепловые диоды используются в ряде специфических приложений, в которых требуется передача теплоты только в одном направлении [2].

Заключение

Тепловые трубки не потребляют электроэнергию и не шумят. Важно отметить, что тепловая трубка начинает работать при малейшем перепаде температур на ее концах. Это значит, что она будет отводить тепло от процессора, нагревшегося до 70 ^о С, даже если ее другой конец будет иметь температуру 69 ^о С.

В настоящее время трудно найти более эффективное устройство для передачи тепловой энергии, чем тепловая трубка. Цилиндрическая тепловая трубка с водой при температуре 50 °С обеспечивает теплопроводность в сотни раз больше, чем у меди. Тепловая труба на литии при температуре 1500 может передавать в осевом направлении тепловой поток мощностью до 25 кВт/см². Такие трубы используется в ядерных реакторах.

Миллионы тепловых труб работают в энергосберегающих теплообменниках и в промышленных технологических установках. Тысячи тепловых аккумуляторов такого типа отводят тепло из тундрового грунта под Аляскинским нефтепроводом. За счет охлаждения, происходящего в зимние месяцы, слой грунта под нефтепроводом поддерживается замерзшим на протяжении всего лета. Тепловые трубы все шире применяются и в повседневной жизни.

Список используемых источников

1. Дан П.Д., Рей Д.А. «Тепловые трубы», перевод с английского.: - Москва: Энергия, 1979 г.

2. Ю.Ф. Майданик, Р.Г. Судаков «Контурные тепловые трубы - высокоэффективные теплопередающие устройства для систем терморегулирования», 2003 г.

Размещено на Allbest.ru