Тепловая трубка

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Алюминиевый радиатор с тепловыми трубками

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.

История[править | править код]

Устройство тепловой трубки
Системы охлаждения на тепловых трубках в ноутбуке
Сечение тепловой трубки ноутбука

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.

Примечания[править | править код]

См. также[править | править код]

Ссылки[править | править код]