Тепловая трубка

(перенаправлено с «Тепловая труба»)
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.

ИсторияПравить

 
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 телаПравить

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

ОграниченияПравить

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.

ПрименениеПравить

КомпьютерыПравить

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.

КухняПравить

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 помещенииПравить

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%.

КосмосПравить

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 энергетикаПравить

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 энергетикаПравить

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

ПрочееПравить

Также тепловые трубки используются в мощных светодиодных лампах.

ПримечанияПравить

См. такжеПравить

СсылкиПравить