Теплові труби: принцип дії

Теплові труби: принцип дії

Теплові труби давно і з успіхом застосовуються для обігріву приміщень, показуючи більш високу ефективність у порівнянні з традиційними радіаторами водяного опалення. Їх широко застосовують і для охолодження технічних систем, робота яких вимагає відведення тепла.

Принцип дії теплової труби

Патент на концепцію теплової трубки капілярного типу був отриманий представником компанії General Motors ще в 1942 році. Через два десятиліття ідея отримала принциповий подальший розвиток. У 1963 році американець Дж.Грувер з лабораторії в Лос-Аламосі наочно продемонстрував ефективність такої конструкції.

Принцип дії теплової труби порівняно простий і зрозумілий навіть людині, далекій від фізики. Достатньо засвоїти, що рідини при випаровуванні поглинають теплову енергію, а в момент конденсації активно її віддають.

 Найпростіший пристрій такого типу представляє запаяну з обох сторін трубку, всередині якої знаходиться летюча рідина. Якщо нагріти одну сторону пристрою, рідина почне випаровуватися. При цьому пар конденсується на протилежному кінці трубки. Потім рідина самопливом повертається до джерела тепла. Цикл може повторюватися багаторазово.

 Робота теплової труби найпоширенішого типу відбувається так. До труби підводиться тепло, яке передається через корпус до теплоносія за рахунок теплопровідності. Рідина, що змочує особливий фітіль, випаровується. Надалі рідина конденсується в зоні відведення тепла, що веде до затоплення фітіля. Відмінність капілярних тисків у двох різних зонах теплової труби веде до появи перепаду тисків. Система перетворюється на своєрідний "капілярний насос". Крім капілярних сил при роботі труби можуть діяти так звані масові сили: електромагнітні, відцентрові, гравітаційні. Їх дія здатна як покращувати циркуляцію в трубі, так і ускладнювати її.

Теплова труба з гладкими стінками може ефективно працювати тільки в одному положенні - коли джерело тепла розташовується біля нижнього кінця труби, що знаходиться під нахилом.

Винахідники допрацювали конструкцію, давши трубці можливість функціонувати практично в будь-якому положенні. Для цього виявилося достатнім помістити всередину пристрою так званий фітіль. Ним може стати будь-який матеріал, що має "розвинену" поверхню. При цьому конденсована рідина матиме можливість переміщатися по фітилю за рахунок капілярного ефекту при самих різних положеннях трубки.

Переваги теплової труби

Теплова труба знайшла заслужену популярність у різних галузях техніки, включаючи досить специфічні області. Пристрій такого типу має дуже високу теплопровідність, що багаторазово перевищує цю характеристику у міді. Теплова труба здатна передавати тепло на велику відстань при невеликому поперечному перетині, в той час як у металевого прута здатність передавати теплову енергію знижується пропорційно відношенню перерізу до довжини.


Швидкість передачі тепла в трубці дуже висока і обмежується тільки швидкістю випаровування теплоносія і темпами його конденсації.

Теплова труба здатна працювати в довільному температурному режимі. Якщо правильно підібрати теплоносій, трубку можна застосовувати при температурі як близько + 300 градусів Цельсія, так і при температурах, що наближаються до абсолютного нуля, що робить таку систему придатною для використання в космічній техніці.

Пристрій, що використовує описаний вище принцип роботи, буде довговічним. Ніщо не обмежує термін експлуатації теплової труби, оскільки ні метал труби, ні фітіль, ні теплоносій не зношуються.

Відмовостійкість теплової трубки разюча, адже в цій простій конструкції просто нема чому ламатися. Трубка буде працювати до тих пір, поки справедливі закони фізики.

Особливості конструкції теплової труби

З теоретичної точки зору теплова труба являє собою спопадово-конденсаційний пристрій, що використовується для передачі тепла, де відбувається перенесення теплоти пароутворення за допомогою випаровування рідини в зоні надходження тепла і конденсації парів в області тепловідведення. Замкнутий цикл роботи теплоносія зазвичай підтримується дією капілярних сил.

Параметрами теплової труби можна керувати, змінюючи в ній тиск. Це дасть можливість теплоносієві здійснювати перехід з однієї фази в іншу в необхідному температурному режимі.

Існують певні вимоги до елементів конструкції теплової труби. Наприклад, рідина, яка використовується в трубці, не повинна бути схильна до розкладання, не повинна вступати в хімічну реакцію з матеріалом, з якого виконані сама трубка і фітіль. Оболонку труби краще робити з матеріалу з високою теплопровідністю. Фітіль і трубка повинні добре змочуватися теплоносієм.


Матеріалом корпусу теплової труби зазвичай стають мідь, алюміній, сталь різного типу.

Фітіль у тепловій трубі насичений рідкою фазою теплоносія. Фітілем можуть стати не тільки сітчасті, але і спечені пористі речові структури, так само як і особливі канавки на внутрішній поверхні трубки, перфоровані екрани і так далі. Головне, щоб структура фітіля дозволяла переносити рідину із зони конденсації в область нагріву за рахунок капілярних сил.

  Наразі фітиль найчастіше виконується з металу. Цей елемент конструкції має вигляд сітки або робиться сплетеним з дуже тонкого дроту; таке технічне рішення отримало назву металевого війлоку.

 Теплоносієм у цій системі можуть виступати вода, ацетон, спирт, ацетон, фреони. У тих трубках, яким доводиться працювати в незвичайних режимах температур, можуть використовуватися натрій, ртуть, рідкий гелій або срібло. Головна вимога до теплоносія: це має бути чиста в хімічному сенсі речовина або сполука, яка здатна виступати як в рідкій, так і в паровій фазі, а також володіти смочуючим ефектом.

  Теплові труби отримали широке поширення не тільки в системах опалення будинків, але також у технологічних схемах охолодження компонентів сучасних комп 'ютерів (процесорів, відеокарт). Перевага теплової труби в даному випадку визначається тим, що з 'являється можливість зняти з кристала малої площі максимум тепла і розсіяти його на радіаторі з великим числом ребер.