Сверхтеплопроводимость

Возьмем обычные трубки, выкачаем из них воздух, вместо него внутрь поместим легко испаряющуюся жидкость. Она пропитает пористый материал, который покрывает стенки трубок изнутри. Нагреем один конец трубки на огне. Жидкость начнет испаряться, образуется пар, который под действием перепада давления, возникшего вследствие перепада температур, станет двигаться к холодному концу. Здесь пар конденсируется, отдавая тепло стенкам трубки. Появившаяся в результате конденсации жидкость отправится обратно по капиллярам пористого материала под действием сил капиллярного всасывания. (Под действием тех же сил керосин поднимается по фитилю в керосиновой лампе.)

Жидкость доходит до горячего конца трубки, греется, вновь превращается в пар - процесс повторяется. Так, двигаясь от одного конца к другому, рабочая жидкость транспортирует тепло из более нагретой области в более холодную.

Тепловые трубки работают в большом интервале температур: от 73 до 2300 К. Условно они делятся на Три вида. К первому относятся те, которые действуют при низких температурах - менее 400 К. В качестве теплоносителя в них используют фреон, азот, водород, неон, аммиак, растворы различных солей, воду. Трубки, предназначенные для умеренных температур - от 400 до 1500 К, - вторая группа. В них тепло транспортируют жидкие металлы: натрий, рубидий, цезий. Третья группа - высокотемпературная, от 1500 до 2300 К. Здесь применены литий, галлий, свинец, индий, серебро.

Основа всех тепловых трубок - пористый материал, или, как его называют специалисты, фитиль. Это может быть специальная ткань, стекловолокно, металлическая сетка, керамика...

Тепловые трубки были изобретены еще во время второй мировой войны. Однако только через 20 лет "заработали" их первые опытные образцы. Это произошло в 1964 г., и с тех пор во всем мире появились тысячи статей и патентов на новые типы теплопередающих устройств. В Советском Союзе тепловыми трубками занимаются во многих научно-исследовательских центрах, но наиболее интенсивно исследования ведутся в Минском институте массо- и теплообмена АН БССР.

Непрерывно предлагаются новые конструктивные решения, новые рабочие жидкости и материалы для фитилей, более совершенные способы передачи тепла.

Неослабевающий интерес к тепловым трубкам объясняется их повсеместным применением, точнее, возможностью применять их почти в любой области техники. Трудно найти такую отрасль производства, где перед инженерами не стояла бы задача подвода и отвода тепла. Все производственные процессы нуждаются в энергии, а ее потребление обязательно приводит к тепловым выделениям.

Как избавлялись от ненужного тепла раньше? С помощью различных циркуляционных устройств. Перед ними у тепловых трубок масса преимуществ. Нет подвижных деталей - отсюда бесшумность. Они не требуют энергии для перекачки теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения. Перенос массы в трубке осуществляется из-за перепада, давлений на ее концах, а перенос тепловой энергии - за счет фазовых переходов при испарении и конденсации. И наконец, главное - теплопроводность трубок несравненно выше, это сверхтеплопроводные устройства.

Проблема охлаждения остро стоит в радиоэлектронике.

Электронные элементы иногда раскаляются так сильно, что их приходится охлаждать высоконапорными вентиляторами, ребристыми радиаторами, системами жидкостного охлаждения, которые по размерам много больше основных устройств. Появление тепловых трубок позволило отказаться от традиционных систем охлаждения. Так, мощные радиочастотные транзисторы установили на плоской тепловой трубке, один конец которой вывели к краю электронного блока. Лампы бегущей волны, интегральные схемы, сверхмощные радиолампы освободили от громоздких охлаждающих устройств. СВЧ-антенны монтируют теперь на тепловых трубах, которые одновременно служат и основой для их крепления. Это в 8 раз повысило надежность радиоэлектронных схем! Теперь температура стала поддерживаться на определенном уровне, исчез неравномерный нагрев, который вызывал механические напряжения и нарушал электрические соединения.

В Минском институте предложили элемент, выделяющий тепло, помещать внутрь тепловой трубки и обволакивать фитилем. Тогда жидкость в капиллярах равномерно распределится по поверхности греющегося элемента и будет равномерно отводить от него тепло.

Однако сложно и дорого пользоваться такими индивидуальными тепловыми трубками. Минские ученые считают более выгодным помещать в них приборы целиком. Платы с источниками тепловыделения покрывают пористым диэлектрическим покрытием, например стекловолокном, а фитиль трубы пропитывают диэлектрическим теплоносителем. Получается бокс с электронной начинкой. Снаружи делают разъемные соединения для включения в общую схему.

Другое предложение минских ученых - коаксиальная тепловая трубка. Это две трубки, вставленные одна в другую. Движение пара и жидкости происходит не вдоль труб, как обычно, а поперек. Область испарения - внутренняя поверхность наружной трубы, конденсация же происходит снаружи внутренней. Транспортировка пара и жидкости идет по пористым втулкам, которые установлены радиально.

Но можно вообще обойтись без пористого материала. Предположим, что по внутренней трубке движется холодный поток, а внешняя трубка нагревается. "Закрутим" все устройство. Центробежные силы отбросят жидкость на периферию - на горячую поверхность. Здесь она испарится, охлаждая верхнюю трубку, и в виде пара вернется ко второй трубке - в зону конденсации. В этой зоне вновь появятся капли, которые опять будут отброшены к краям центробежными силами.

Какие выгоды несут вращающиеся коаксиальные трубы? Они всегда готовы к работе - на их пуск уходят считанные секунды. Передают на порядок больше тепла в расчете на единицу площади. Имеют небольшое термическое сопротивление. Могут работать в любом положении. Закрученные тепловые трубки уже помогли электротехникам - в Чехословакии их использовали для охлаждения роторов электрических генераторов. Они же годятся для равномерного нагрева роторов паровых турбин. Специалисты подсчитывают, что тепловые трубки, охлаждающие роторы и статоры двигателей и генераторов, обмотки трансформаторов, позволят увеличить их электрическую нагрузку на 50%.

Тепловые трубки предполагают использовать для охлаждения преобразователей постоянного тока, мишеней. на ускорителях элементарных частиц, для уменьшения перепадов тепла в термоядерных реакторах - в таких случаях без них трудно обойтись. А космическая техника уже сейчас заставляет их работать в самых ответственных ситуациях. Ракета "Атлас", например, была "обернута" тепловыми трубками, охлаждавшими ее оборудование. Они же поддерживали постоянную температуру в баках ракет и в жилом отсеке американской орбитальной станции "Скайлэб", сопротивлялись сильному нагреву обшивки при входе космических аппаратов в атмосферу и т.д. Военные инженеры пытаются приспособить тепловые трубки для охлаждения автоматического скорострельного оружия. Станкостроители думают отводить с их помощью тепло от резцов и фрез. Конструкторы бытовых приборов создали скороварки, шампуры, чудо-печи для бисквитов, холодильники, которые используют тепловые трубки. Медики пытаются с их помощью хранить живые ткани и кровь, животноводы - сперму.

До сих пор мы говорили только об отводе тепла, чтобы рассеять его в окружающем пространстве. Но тепловые трубки пригодны и для его концентрации и передачи. Они с успехом могут работать в установках по опреснению морской воды. Первые проекты предусматривают, что их изготовят из алюминия, фитиль - в виде сетки из нержавеющей стали. Солнце нагреет рабочую жидкость до температуры 373 К, что вполне достаточно для эффективной работы опреснительной системы. В Средней Азии, где большинство дней в году светит и греет солнце, тепловые трубки смогут накапливать и передавать тепловую энергию, уловленную зеркалами. Имеются идеи относительно использования подземного тепла. На Севере гигантскими тепловыми трубами можно подвести глубинную энергию к жилищам.

В инженерной практике часто встречаются процессы, которые требуют непрерывного равномерного нагрева. Примеры: тепловая обработка деталей, сварка тонких металлических листов, получение отливок и т.д. При сушке любых материалов равномерность нагрева - вопрос первостепенной важности. И снова специалисты обращают внимание на тепловые трубки. Они могут получать, тепловую энергию от любого источника, даже от такого, который время от времени меняет свою интенсивность. Однако вся поверхность тепловой трубки будем иметь постоянную температуру. Зная это качество, их предлагают использовать при термообработке полимерных материалов, штамповке стеклянной посуды, отливке металлических деталей.

Требование строго выдерживать заданную температуру также часто встречается на производстве: при работе плавильной печи, камер сгорания, при выращивании кристаллов. Здесь тепловые трубки должны играть роль изотермических оболочек, которые создают внутри постоянный тепловой режим. Известно, например, что тепловые трубки должны были регулировать температуру в космических скафандрах американских космонавтов. Предполагалось сделать их гибкими, чтобы они могли отводить тепло от кожи человека. В качестве рабочего тела предпочтение отдавали воде.

Давняя проблема строителей - прокладка нефте- и газопроводов по территории с вечной мерзлотой. Положить трубы в грунт, как это делается обычно, нельзя: летом мерзлота может оттаять, и из скально-твердой станет мягкой и податливой. Трубы, потеряв опору, просядут и лопнут. Таким образом, проблема сводится к тому, чтобы сделать мерзлый грунт навсегда мерзлым. Тепловые трубки способны справиться с задачей. Так, например, нефтепровод на Аляске будут "оберегать" 60 тыс. тепловых труб каждая длиной 12 м: они не дадут слою почвы размякнуть в период летнего тепла.

Имеются авторские свидетельства и патенты, предусматривающие использование тепловых трубок в конструкциях новых двигателей. Так, куйбышевские изобретатели доктор технических наук А.П. Меркулов и инженер В. И. Андреев предложили двигатель внешнего сгорания с циклом Стирлинга. Двигатель двухстороннего действия имеет четыре камеры нагрева. Соседние камеры соединены тепловыми трубками. КПД двигателей внешнего сгорания зависит от степени нагрева: чем выше температура рабочего тела в такт нагрева, тем эффективнее работает двигатель. Однако увеличивать температуру в камере нагрева беспредельно невозможно. Ее придется изготавливать из очень теплостойких материалов, у которых, как правило, низкая теплопроводность. Нагрев окажется неэкономичным, чересчур много тепла будет уходить не по назначению.

Изготовить камеры нагрева из материалов, хорошо проводящих тепло, тоже не имеет смысла: они не теплостойкие и высоких температур выдержать не смогут.

Получается своеобразный замкнутый круг, выйти из которого позволяет изобретение куйбышевских специалистов. По их предложению камеры двигателей необходимо делать из теплостойкого металла, который способен выдерживать непрерывный сильный нагрев. Избыток тепла, который металл не успеет передать рабочему телу, заберут тепловые трубки. Они перебросят его в соседнюю камеру в тот момент, когда в ней будет идти нагрев и, значит, потребуется дополнительная энергия. В свою очередь, эта камера после рабочего хода отдаст лишнее тепло первой, которой оно к тому времени потребуется. Такая конструкция позволяет поднять КПД двигателей внешнего сгорания до 55% - на 15% больше, чем удавалось до сих пор.

Один из зарубежных патентов предусматривает расположение камер нагрева на некотором удалении от остальных узлов двигателя. Тепло подводится с помощью тепловых трубок, что дает возможность изготавливать камеры нагрева из очень теплостойкого материала и нагревать их до высоких температур.

Предложены разные конструкции тепловых трубок для поддержания постоянной температуры. В одной предусмотрен дополнительный резервуар с неконденсирующейся жидкостью, которая и есть регулятор температур. Увеличение температуры в испарителе повышает давление пара. Он сжимает неконденсирующуюся жидкость и тем самым освобождает часть площади конденсатора. Поверхность конденсации увеличивается и потому становится больше жидкости (она конденсируется из пара). Результат - снижение температуры, давление пара падает, из дополнительного резервуара снова притекает жидкость, которая уменьшает площадь конденсации. Температура вновь повышается, растет давление пара и т.д.

Дополнительный резервуар с жидкостью - только один из способов, с помощью которого можно управлять процессами в тепловых трубках. В Минском институте массо- и теплообмена предложена конструкция, в которой для этого служит шнек. В низкотемпературных трубках с фреоном, аммиаком, водой, спиртами скорость движения пара, как правило, низка. Во всяком случае ниже, чем в жидкометаллических трубках. Течение пара спокойное, ламинарное. Между тем известно, что процессы массо- и теплообмена происходят интенсивнее в вихревых, турбулентных, слоях. Вращающийся шнек и превращает спокойный поток пара в вихревой. Он расположен внутри тепловой трубки и, если выполнен полым, в него можно вставить вкладыш - пористый фитиль, который окажется, по сути, дополнительным капиллярным насосом. Закручивание потока вдвое ускоряет процессы теплообмена.

Для тех же целей предлагают использовать электростатические и магнитные поля, ультразвук. Согласно одному проекту внутри тепловой трубки следует расположить электроды. Если создать между ними разность потенциалов, то жидкость начнет интенсивнее перемещаться, благодаря чему увеличится пропускная способность трубки.

Тот же эффект наблюдается при воздействии магнитного поля. В этом случае в тепловой трубке должна циркулировать электропроводная жидкость. Магнитное поле порождает в жидкости электрический ток, который способствует увеличению скорости ее движения. Автор изобретения утверждает, что магнитное поле "отменяет" фитиль и тем не менее в несколько раз увеличивает теплопроводность.

Одно из достоинств тепловых трубок в том, что ими не надо управлять извне. Они работают автоматически. Управлять необходимо только их включением и отключением. Но и этот процесс также удалось сделать автоматическим. Предложена трубка, которую следует размещать горячим концом в охлаждаемом объекте, скажем, в корпусе прибора, где тепло образуется от электронных ламп. Зона отвода тепла снаружи. Между охлаждаемой стенкой прибора и тепловой трубкой располагают торические элементы, заполненные легкоплавким металлом. Они препятствуют термическому контакту прибора и трубки и не дают осуществляться теплообмену. Но вот температура поднялась. Как только она достигла температуры плавления металла, заключенного в торах, он расплавляется. Торические элементы сплющиваются, их поперечное сечение из круглого становится овальным. В результате тепловая трубка и охлаждаемая стенка сближаются и между ними устанавливается плотный термический контакт. Тепловой поток из прибора благополучно отводится наружу, где и рассеивается. Это понижает температуру прибора, как только она понизится до определенной величины, термический контакт между ним и трубкой исчезнет. Легкоплавкий металл застынет, овалы превратятся в круги, которые вновь нарушат термоконтакт. Тем самым тепловая трубка окажется как бы выключенной.

Сфера применения тепловых трубок непрерывно расширяется. А ученые заглядывают в завтрашний день и считают, что с помощью тепловых трубок удастся решить проблему равномерного отвода тепла от управляемого термоядерного реактора. Горячая плазма в вакуумной камере удерживается сильным магнитным полем. Вокруг камеры расположена оболочка из жидкого лития, заменителя нейтронов высоких энергий, излучаемых плазмой. На их долю приходится значительная часть энергии термоядерного синтеза. При столкновении нейтронов с ядрами лития их движение замедляется, кинетическая энергия нейтронов превращается в тепловую. Литий нагревается и по трубам перекачивается в парогенератор, где получают пар, рабочее тело паросиловой установки. Выделение нейтронов происходит неравномерно. Следовательно, и литий будет нагреваться неравномерно. Сгладить перебои в снабжении энергией необходимо для нормальной работы паросиловой установки. Решить такую задачу под силу только мощным тепловым трубам.

В настоящее время рассматривается проект бурения сверхглубоких скважин с помощью атомного бурового снаряда. По сути дела, это будет атомный реактор, который через тугоплавкий элемент сможет нагревать окружающую породу. Она расплавится и поток газа или воды вынесет ее наверх. Возможно, что тепла окажется так много, что оно расплавит не только окружающую породу, но и опасно нагреет сам реактор. Препятствовать этому должны тепловые трубки. Они уловят лишнее тепло, сконцентрируют его в узкий луч и вновь обрушат на горную породу.

Неожиданное применение у тепловых трубок в медицине. При тончайших глазных операциях иногда требуется мгновенно замораживать ткань в месте разреза. Для этой цели сейчас используют полые металлические скальпели, наполненные жидким азотом, - довольно сложный инструмент, требующий умелого обращения. Гораздо проще тепловая трубка в виде иглы. Ее тупой конец охлаждают специальным термоэлектрическим генератором, который может работать от обычной электросети. Естественно, охладится и острый, оперирующий, конец. Можно прибегнуть и к помощи азота, но охлаждать им неработающий конец снаружи, что значительно проще, чем изнутри.

Миниатюрная тепловая трубка сможет передать энергию к искусственному сердцу. Такое сердце создано, а в качестве источника энергии предложен радиоизотопный элемент величиной с монету. Он нагревается и его тепло заставляет работать механическое сердце.

Есть прогнозы, в которых тепловая трубка предстает в совершенно новой роли. Специалисты считают, что она сможет вырабатывать электрический ток. Это будет генератор без движущихся частей, работающий с минимальными потерями энергии. По прогнозам его параметры лучше, чем у современных генераторов. Несколько лет назад появилась трубка с впаянными электродами, на которые подавалось высокое напряжение. Под его действием пары в трубке ионизировались и между электродами возникала разность потенциалов.