Тепловые трубы принцип действия

Тепловые трубы принцип действия

Содержание статьи

  • Тепловые трубы: принцип действия
  • Как работают тепловые двигатели
  • Принцип действия парового котла

Принцип действия тепловой трубы

Патент на концепцию тепловой трубки капиллярного типа был получен представителем компании General Motors еще в 1942 году. Через два десятилетия идея получила принципиальное дальнейшее развитие. В 1963 году американец Дж. Грувер из лаборатории в Лос-Аламосе наглядно продемонстрировал эффективность такой конструкции.

Принцип действия тепловой трубы сравнительно прост и понятен даже человеку, далекому от физики. Достаточно усвоить, что жидкости при испарении поглощают тепловую энергию, а в момент конденсации активно ее отдают.

Самое простое устройство такого типа представляет запаянную с обеих сторон трубку, внутри которой находится летучая жидкость. Если нагреть одну сторону устройства, жидкость начнет испаряться. При этом пар конденсируется на противоположном конце трубки. Затем жидкость самотеком возвращается к источнику тепла. Цикл может повторяться многократно.

Работа тепловой трубы самого распространенного типа происходит так. К трубе подводится тепло, которое передается через корпус к теплоносителю за счет теплопроводности. Жидкость, смачивающая находящийся внутри особый фитиль, испаряется. В дальнейшем жидкость конденсируется в зоне отвода тепла, что ведет к затоплению фитиля. Различие капиллярных давлений в двух разных зонах тепловой трубы ведет к появлению перепада давлений. Система превращается в своеобразный «капиллярный насос». Кроме капиллярных сил при работе трубы могут действовать так называемые массовые силы: электромагнитные, центробежные, гравитационные. Их действие способно как улучшать циркуляцию в трубе, так и затруднять ее.

Тепловая труба с гладкими стенками может эффективно работать только в одном положении – когда источник тепла располагается возле нижнего конца трубы, находящейся под наклоном.

Изобретатели доработали конструкцию, дав трубке возможность функционировать практически в любом положении. Для этого оказалось достаточным поместить внутрь устройства так называемый фитиль. Им может стать любой материал, имеющий «развитую» поверхность. При этом конденсированная жидкость будет иметь возможность перемещаться по фитилю за счет капиллярного эффекта при самых разных положениях трубки.

Достоинства тепловой трубы

Тепловая труба обрела заслуженную популярность в самых разных отраслях техники, включая довольно специфические области. Устройство такого типа обладает очень высокой теплопроводностью, многократно превышающей эту характеристику у меди. Тепловая труба способна передавать тепло на большое расстояние при небольшом поперечном сечении, в то время как у металлического прута способность передавать тепловую энергию снижается пропорционально отношению сечения к длине.

Скорость передачи тепла в трубке очень высока и ограничивается только скоростью испарения теплоносителя и темпами его конденсации.

Тепловая труба способна работать в произвольном температурном режиме. Если правильно подобрать теплоноситель, трубку можно применять при температуре как около +300 градусов Цельсия, так и при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, что делает такую систему пригодной для использования в космической технике.

Устройство, использующее описанный выше принцип работы, будет долговечным. Ничто не ограничивает срок эксплуатации тепловой трубы, поскольку ни металл трубы, ни фитиль, ни теплоноситель не изнашиваются.

Отказоустойчивость тепловой трубки поразительна, ведь в данной простой конструкции просто нечему ломаться. Трубка будет работать до тех пор, пока справедливы законы физики.

Особенности конструкции тепловой трубы

С теоретической точки зрения тепловая труба представляет собой испарительно-конденсационное устройство, используемое для передачи тепла, где происходит перенос теплоты парообразования посредством испарения жидкости в зоне поступления тепла и конденсации паров в области теплоотвода. Замкнутый цикл работы теплоносителя обычно поддерживается действием капиллярных сил.

Параметрами тепловой трубы можно управлять, меняя в ней давление. Это даст возможность теплоносителю совершать переход из одной фазы в другую в требуемом температурном режиме.

Существуют определенные требования к элементам конструкции тепловой трубы. Например, используемая в трубке жидкость не должна быть подвержена разложению, не должна вступать в химическую реакцию с материалом, из которого выполнены сама трубка и фитиль. Оболочку трубы предпочтительнее делать из материала с высокой теплопроводностью. Фитиль и трубка должны хорошо смачиваться теплоносителем.

Читайте также:  Как получить звуковую волну

Материалом корпуса тепловой трубы обычно становятся медь, алюминий, сталь разного типа.

Фитиль в тепловой трубе насыщен жидкой фазой теплоносителя. Фитилем могут стать не только сетчатые, но и спеченные пористые вещественные структуры, равно как и особые канавки на внутренней поверхности трубки, перфорированные экраны и так далее. Главное, чтобы структура фитиля позволяла переносить жидкость из зоны конденсации в область нагрева за счет капиллярных сил.

В настоящее время фитиль чаще всего выполняется из металла. Этот элемент конструкции имеет вид сетки или делается сплетенным из очень тонкой проволоки; такое техническое решение получило название металлического войлока.

Теплоносителем в этой системе могут выступать вода, ацетон, спирт, ацетон, фреоны. В тех трубках, которым приходится работать в необычных режимах температур, могут использоваться натрий, ртуть, жидкий гелий или серебро. Главное требование к теплоносителю: это должно быть чистое в химическом смысле вещество или соединение, которое способно выступать как в жидкой, так и в паровой фазе, а также обладать смачивающим эффектом.

Тепловые трубы получили широкое распространение не только в системах отопления домов, но также в технологических схемах охлаждения компонентов современных компьютеров (процессоров, видеокарт). Преимущество тепловой трубы в данном случае определяется тем, что появляется возможность снять с кристалла малой площади максимум тепла и рассеять его на радиаторе с большим числом ребер.

Теплова́я тру́бка, теплотру́бка (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 и с пористым покрытием изнутри. В 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.

Содержание

История [ править | править код ]

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. (патент US2448261A [1] ) [2] . 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.

Рабочие тела [ править | править код ]

Вещество от, К до, К
Гелий, жидкий 2 4
Вода 298 573
Этанол 273 403
Метанол 283 403
Аммиак 213 373
Ртуть 523 923
Натрий 873 1473
Индий 2000 3000
Читайте также:  Установление для подключения значение лимитное

Ограничения [ править | править код ]

Имеют ограниченный 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.

Применение [ править | править код ]

Компьютеры [ править | править код ]

Тепловые трубки начали использоваться в компьютерных системах с конца 1990-х годов, когда повышение мощности и увеличение тепловыделения привели к повышению требований к системам охлаждения. В настоящее время они широко используются во многих современных компьютерных системах, как правило, для отвода тепла от центральных и графических процессоров, к радиаторам, где тепловая энергия рассеивается в окружающую среду. Иногда также применяются для охлаждения микросхем чипсетов и в смартфонах. Если при этом не используется вентилятор, такие системы могут быть абсолютно бесшумны.

Кухня [ править | править код ]

Первым коммерческим продуктом на термотрубках была «Волшебная кухонная термоигла» (англ. Thermal Magic Cooking Pin ), разработанная компанией Energy Conversion Systems, Inc. и продававшаяся с 1966 года, использовавшая воду в качестве рабочего тела. Корпус был из нержавеющей стали, с внутренним медным покрытием. Одним концом трубка втыкалась в кусок мяса, другой конец выходил в духовку, откуда он передавал тепло внутрь приготавливаемого блюда. За счёт более быстрого прогрева, время приготовления больших кусков мяса сокращалось вдвое.

Такой же принцип используется в походных печах.

Микроклимат в помещении [ править | править код ]

Трубки с успехом используются в системах отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC), в частности в системах рекуперации воздуха, когда удаляемый из помещения воздух обменивается теплом со свежим, поступающим с улицы. Производители таких систем заявляют об их эффективности на уровне 75%.

Космос [ править | править код ]

Компактность и эффективность термотрубок — причина широкого применения в космической технике. При этом приходится учитывать такие особенности работы в космосе, как: микрогравитация, рассеивание энергии только за счёт излучения, ограниченность электрической мощности, в связи с чем предпочтение отдаётся пассивным системам, большой срок службы, в связи с невозможностью (или крайней ограниченностью) технического обслуживания.

Ядерная энергетика [ править | править код ]

С начала 1990-х годов предлагались многочисленные энергетические системы на ядерных реакторах, использующие термотрубки для транспортировки тепла между активной зоной реактора и системой преобразования энергии. Первый ядерный реактор для производства электроэнергии с использованием тепловых трубок был запущен 13 сентября 2012 года в демонстрационном режиме.

Солнечная энергетика [ править | править код ]

Применяются в солнечной энергетике, для повышения эффективности вакуумных солнечных коллекторов.

Прочее [ править | править код ]

Также тепловые трубки используются в мощных светодиодных лампах.

Теплова́я тру́бка, теплотру́бка (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 и с пористым покрытием изнутри. В 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.

Читайте также:  Игра total war attila

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.

Содержание

История [ править | править код ]

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. (патент US2448261A [1] ) [2] . 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.

Рабочие тела [ править | править код ]

Вещество от, К до, К
Гелий, жидкий 2 4
Вода 298 573
Этанол 273 403
Метанол 283 403
Аммиак 213 373
Ртуть 523 923
Натрий 873 1473
Индий 2000 3000

Ограничения [ править | править код ]

Имеют ограниченный 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.

Применение [ править | править код ]

Компьютеры [ править | править код ]

Тепловые трубки начали использоваться в компьютерных системах с конца 1990-х годов, когда повышение мощности и увеличение тепловыделения привели к повышению требований к системам охлаждения. В настоящее время они широко используются во многих современных компьютерных системах, как правило, для отвода тепла от центральных и графических процессоров, к радиаторам, где тепловая энергия рассеивается в окружающую среду. Иногда также применяются для охлаждения микросхем чипсетов и в смартфонах. Если при этом не используется вентилятор, такие системы могут быть абсолютно бесшумны.

Кухня [ править | править код ]

Первым коммерческим продуктом на термотрубках была «Волшебная кухонная термоигла» (англ. Thermal Magic Cooking Pin ), разработанная компанией Energy Conversion Systems, Inc. и продававшаяся с 1966 года, использовавшая воду в качестве рабочего тела. Корпус был из нержавеющей стали, с внутренним медным покрытием. Одним концом трубка втыкалась в кусок мяса, другой конец выходил в духовку, откуда он передавал тепло внутрь приготавливаемого блюда. За счёт более быстрого прогрева, время приготовления больших кусков мяса сокращалось вдвое.

Такой же принцип используется в походных печах.

Микроклимат в помещении [ править | править код ]

Трубки с успехом используются в системах отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC), в частности в системах рекуперации воздуха, когда удаляемый из помещения воздух обменивается теплом со свежим, поступающим с улицы. Производители таких систем заявляют об их эффективности на уровне 75%.

Космос [ править | править код ]

Компактность и эффективность термотрубок — причина широкого применения в космической технике. При этом приходится учитывать такие особенности работы в космосе, как: микрогравитация, рассеивание энергии только за счёт излучения, ограниченность электрической мощности, в связи с чем предпочтение отдаётся пассивным системам, большой срок службы, в связи с невозможностью (или крайней ограниченностью) технического обслуживания.

Ядерная энергетика [ править | править код ]

С начала 1990-х годов предлагались многочисленные энергетические системы на ядерных реакторах, использующие термотрубки для транспортировки тепла между активной зоной реактора и системой преобразования энергии. Первый ядерный реактор для производства электроэнергии с использованием тепловых трубок был запущен 13 сентября 2012 года в демонстрационном режиме.

Солнечная энергетика [ править | править код ]

Применяются в солнечной энергетике, для повышения эффективности вакуумных солнечных коллекторов.

Прочее [ править | править код ]

Также тепловые трубки используются в мощных светодиодных лампах.

Ссылка на основную публикацию
Телефон греется и тормозит что делать
Почему тормозит устройство на Andro >Прежде чем перейти непосредственно к решению проблем, стоит указать на их причины. Зная о том,...
Стоит ли учиться на нефтяника
Добыча газа и нефти — очень популярная сфера в России. Именно поэтому большое количество выпускников стремится поступать на специальность «Нефтегазовое...
Стойка для аудио аппаратуры своими руками
Решил создать данную тему,т.к. думаю форумчанам будет интересно почитать, а кому то и поделиться личным опытом, по изготовлению своими руками...
Телефон завис на загрузке андроид
В результате поломки аппаратной части или сбоя в работе ОС любой Android-смартфон может перестать реагировать на кнопку включения. Частой можно...
Adblock detector