Для наиболее эффективной передачи энергии от теплоносителя к потребителю применяют тепловые трубы. Они позволяют транспортировать разные виды теплоносителя с наименьшими потерями температуры. В данной статье мы подробней рассмотрим особенности этих устройств и область их применения.
Тепловая трубка
Особенности тепловой трубы
Принцип действия
Принцип действия тепловых труб состоит в том, что передача энергии происходит за счет испарения и дальнейшей конденсации жидкости. Чтобы понять, как это происходит на практике, надо представить замкнутую емкость, выполненную из металла с хорошей теплопроводностью и заполненную некоторым количеством воды.
Процессы передачи тепла выглядят в ней следующим образом:
- При нагреве одной части емкости, вода в ней превратится в пар.
- Покидая жидкость, водяные пары попадают на охлажденную поверхность, в результате чего пар вновь переходит в жидкое состояние и стекает на прежнее место. При этом большое количество тепловой энергии отводится через стенки металлического резервуара.
- Остывшая вода опять нагревается и процесс повторяется.
Такая конструкция называется термосифоном. Она хоть и не является тепловой трубкой, однако, принцип работы тот же.
Обратите внимание!
Термосифон может работать как положено только в том случае, если его зона конденсации расположена выше зоны испарения.
Это обеспечивает возвращение конденсата на место нагрева.
Конструкция термосифона
Тепловая труба Гровера
Простейшая конструкция тепловой трубы выглядит следующим образом:
Корпус
Обязательно должен быть выполнен из материала, который хорошо проводит тепло. Кроме того, важным требованием к корпусу является его прочность, чтобы он мог обеспечить надежную герметичность.В качестве материала для него обычно используют всевозможные сплавы различных металлов, а также керамику или стекло для труб. От типа корпуса может зависеть цена изделия.
Рабочая среда
Представляет собой жидкое вещество (теплоноситель), способное при рабочей температуре переходить в газообразное состояние.
Фитиль
Твердый материал с порами, сквозь которые жидкость по капиллярам перемещается из одной части трубы в другую.
Вышеописанное устройство называют тепловой трубой Гровера. Этот ученый в 1963 году усовершенствовал конструкцию термосифона, в которой жидкость стекала самотеком. В тепловой трубе Гровера жидкость перемещается капиллярным способом.
Конструкция тепловой трубки Гровера
Чтобы данная система функционировала, к рабочей жидкости выдвигаются следующие требования:
- Точка перехода «жидкость-пар» должна находиться в диапазоне температур, в котором работает устройство.
- Жидкость не должна подвергаться температурному разложению.
- Материал фитиля и корпус трубы должны смачиваться жидкостью.
В качестве рабочих жидкостей могут применяться различные вещества в жидкой фазе:
- Аммиак;
- Сжиженный гелий;
- Ацетон;
- Вода;
- Ртуть;
- Серебро;
- Натрий.
Что касается фитиля, то, как уже было сказано выше, данный элемент обеспечивает перемещение жидкости под действием капиллярных сил. Основное требование к этому материалу – обеспечение равномерного движения рабочей жидкости по капиллярам.
На фото – тепловая трубка Гровера в разрезе
Чаще всего в качестве фитиля применяют:
- Металлические сетки;
- Металлические войлоки;
- Металлические стеки;
- Ткани саржевого плетения и пр.
На первый взгляд может показаться, что данное устройство довольно простое, однако, его технический расчет могут выполнить только специалисты. Дело в том, что для эффективной его работы необходимо правильно подобрать материал, его рабочие характеристики и размеры. Поэтому выполнить тепловые трубки своими руками вряд ли получится, а вот тепловой сифон можно сделать и самостоятельно.
Передача тепловой энергии в таких устройствах может осуществляться несколькими способами:
- При помощи открытого огня;
- При непосредственном контакте с нагретым веществом;
- Электрическим током;
- Инфракрасным излучением.
Обратите внимание!
Единственной величиной, лимитирующей тепловую мощность устройства, является тепловая стойкость его корпуса.
Надо сказать, что функции тепловых трубок Гровера довольно разнообразны, однако основной их задачей является передача тепловой энергии из одной части трубы в другую. Что касается температуры рабочей среды, то инструкция по их применению допускает диапазон от нуля градусов по Цельсию до тысяч градусов.
Схема устройства контурной трубы
Контурные тепловые трубки
С развитием технологий, тепловые трубы Гровера были усовершенствованы – на смену фитилю пришли специальные контурные трубки.
Достоинством такой конструкции является:
- Надежность в работе;
- Простота;
- Более высокий уровень теплопередачи;
- Хорошая адаптация к разным условиям эксплуатации;
- Долговечность;
- Рабочие характеристики сохраняются при любом пространственном положении, благодаря чему устанавливается такая тепловая труба своими руками без каких-либо сложностей.
По сути, контуры являются такими же капиллярами, но обладают большими размерами. В результате их качеств относительно передачи тепла, трубки являются сверхпроводниками тепловой энергии.
Тепловые трубки в системе охлаждения ПК
Область применения современных тепловых труб
Сфера применения тепловых труб довольно обширна:
- Передача тепла с минимальными затратами различным объектам и зданиям.
- На основе тепловых трубок выполнены многие системы охлаждения, в том числе и холодильники.
- Отвод тепла в различных устройствах микроэлектроники, в частности, тепловые трубы зачастую применяются в ПК.
- Медицина.
- Космическая промышленность.
- Комплектация термостатов и прочих аналогичных по назначению устройств.
- Строительство в условиях вечной мерзлоты.
- В сельском хозяйстве, при обеспечении теплом парников и т.д.
- Данное устройство является обязательной деталью тепловых выключателей и диодов.
- Также может использоваться тепловая труба для отопления жилых и производственных помещений.
Применение тепловых трубок в энергетике
Надо сказать, что характеристики современных тепловых труб довольно впечатляющие:
Диапазон температур работы
От 4 до 2300 К
Мощность теплопередачи
До 20 кВт на квадратный сантиметр
Ресурс работы
Более 20 тысяч часов.
Вот, пожалуй, все основные моменты, которые можно вкратце рассказать о тепловых трубах. (См. также статью Разводка труб отопления: особенности.)
Вывод
Из видео в этой статье можно получить дополнительную информацию по данной теме. Также отметим, что тепловые трубы получили широкое распространение в современном производстве, системах отопления и многих других отраслях. Это связано с конструктивными особенностями изделий, которые обеспечивают эффективную транспортировку рабочих жидкостей, с высоким коэффициентом полезного действия.