# Теплу - труба!

Леонид Александрович Ашкинази

Теплу - труба!


Каждый день люди перевозят, переносят, перемещают с места на место какие-либо предметы. В технике для этого занятия есть специальное слово - "массоперенос". А еще в технике есть слово "теплоперенос", и он не менее важен. Массу переносят поездами, самолетами, нефтепроводами, в сумках и карманах, а тепло - теплопроводниками или нагретым веществом (водяным отоплением, грелками). Правда, человек в быту намного чаще сталкивается с теплоизоляторами - свитерами, термосами. Но то в быту, а инженер, если он обнаружит при раскопках медное изделие, задумается - с какого конца это грели, а с какого охлаждали? Потому что именно медь среди всех материалов имеет наивысшую теплопроводность. И так было до момента, когда американские пекари в конце XIX века нашли способ передавать тепло в сотни и тысячи раз лучше, чем по меди.


О физике процесса пекари особо не задумывались, им надо было выпекать, чтобы не подгорало. До тефлоновых сковород было еще далеко. Следовательно, надо стабилизировать температуру противня. Но как? Термопар, соответствующих приборов и регулируемых топок у пекарей не было, поэтому они поступили "физичнее" - между топкой и духовкой вставили герметичную трубу с водой. Нижний конец - в топку, уголь горит, вода бурлит, пар подымается вверх, конденсируется и отдает тепло, капает обратно, а хлеб выпекается, не подгорая, - конденсация идет при постоянной температуре. Важно не перегреть совсем, не довести воду до полного испарения, иначе давление начнет расти и трубу может разорвать. "Булки пролетали над дельтой Миссисипи".


Из этого простого примера уже видны некоторые требования к устройству и веществам. Во-первых, рабочее тело должно иметь "правильные" температуры кипения и конденсации, большие теплоту и скорость испарения (для увеличения теплосъема) и, если есть опасность перегрева, не слишком большое давление пара. Но главное - вода, сконденсировавшаяся на противне с булочками, должна попадать обратно в нагреваемую зону. То есть капать вниз. А если надо не вниз?


"Падает вверх"


6 июля 1944 года инженеру Гоглеру, сотруднику "General Motors", был выдан патент номер 2350348 на изобретение, которое "обеспечивает поглощение теплоты или, другими словами, испарение жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора". Как это предлагалось делать, мы сейчас обсудим, но сначала - зачем сказано "без дополнительных затрат"? В патентных формулах каждое слово имеет смысл.


Автор текста "отстраивался" от применения каких-либо механических или тепловых устройств для доставки жидкости в зону нагрева. Ведь ее вполне можно таскать туда - ну не ведрами, конечно, но механически. Или в виде пара - нагреть конденсат специальным нагревателем, испарить, и пар сам перенесется в зону нагрева. Конечно, эффективность устройства падает, но оно работает. А изобретатель хотел, чтобы вода возвращалась сама, и предложил использовать для этого силы поверхностного натяжения. В трубу помещалось пористое тело, "фитиль", по которому и путешествовала вода - как керосин в керосинке и расплавленный парафин в свече. Так была изобретена тепловая труба, которой безразлично, где "низ". Впрочем, сам термин "тепловая труба" возник почти на двадцать лет позже. Реализовать в промышленных масштабах свою идею изобретатель не смог, это удовольствие досталось другим, и после очень немаленькой работы.


Из чего сделано то, что лучше меди


Корпус металлический: известно применение алюминия, нержавеющей стали, меди, никеля, молибдена, вольфрама, реже - пластмассовый, керамический. Теплоносители - самые разные: известно применение воды, аммиака, пропилена, спиртов, ацетона, фреона, азота, метана, кислорода, аргона, натрия, калия, цезия, лития, натрий-калиевой эвтектики, ртути, висмута, серебра (это для него применили корпус из вольфрама). "Фитиль" - то, по чему капиллярные силы транспортируют жидкость, - может быть выполнен в виде настоящего фитиля, пористой среды из разных материалов. Наиболее часто используют металлические сетки, металлические ткани, спеченные металлические порошки, металлический войлок. Материалы: медь, никель, титан, фосфористая бронза, нержавеющая сталь, пористая керамика из окиси алюминия. А бывает, что обходятся без фитиля - капиллярные силы транспортируют теплоноситель по узким щелям, прорезанным в стенке. Кроме очевидных требований ко всем материалам по прочности, коррозионной устойчивости и т. д., назовем еще одно: теплоноситель должен хорошо смачивать материал этого фитиля (или соответственно стенок).


При одинаковых температурах и габаритах устройства тепловые трубы переносит в сотни и тысячи раз больше тепла, чем медь. Они могут работать в диапазоне температур от 4 до 2300К, длина может быть от нескольких сантиметров до десятков метров, диаметр от 2-3 мм до нескольких метров. Для возврата конденсата в зону испарения могут быть использованы не только гравитация и капиллярные силы, но и центробежные, электростатические, магнитные и осмотические. В частности, центробежные силы очень удобно использовать во вращающихся тепловых трубах - их применяют, естественно, для охлаждения того, что вращается.


На пути изготовления большой тепловой трубы принципиальных трудностей нет, а даже если и были бы - от них ни у кого не болела бы голова. Можно просто положить десяток труб рядом, и пусть работают параллельно или последовательно (при последовательном "включении" предлагалось даже использовать тепловые трубы с разными жидкостями).


А можно ли сделать очень маленькую тепловую трубу? Основная часть длины трубы занимается только тем, что переносит пар. Но есть еще зоны кипения и конденсации, размеры которых обычно составляют около 0,1 мм и на которые приходится основной перепад температур. При уменьшении тепловой трубы размеры этих зон уменьшаются, зато увеличивается перепад температуры на участке переноса пара. Поэтому существует предел, меньше которого делать тепловую трубу не имеет смысла - ее эффективность будет мала. Однако диаметр канала 0,1 мм и длина 10 мм выглядят реальными. Перенос на микромасштаб принципов конструирования механических макрообъектов известен - именно такова идеология, например, сотовых композиционных материалов. Поэтому в принципе может быть создан материал с микроканалами указанных размеров, имеющий в одном направлении теплопроводность в сотни раз больше, чему меди.


Где применяются


В холодильном оборудовании, в медицинской технике (например, криоинструменты), в электробытовой технике (обогреватели, кондиционеры, печи и т. п.), в радиоэлектронике - для термостабилизации детекторов ионизирующих излучений, особо чувствительных к изменениям температуры, для охлаждения полупроводниковых приборов. Для утилизации тепла отходящих газов стекловаренных и цементных печей - в Китае на тепле от стекольного производства греется не один поселок, жители которых и составляют штат этих заводов. Приятно работать и знать, что твоя печь греет твоих детишек...


Разработана система испарения топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания за счет тепла выхлопных газов, которое передается тепловой трубой. При этом возможна экономия топлива, использование более бедной смеси и снижение содержания оксидов азота и углерода в выхлопных газах. А самый крупный контракт (13 миллионов) на тепловые трубы был заключен компанией "Alyeska Pipeline Service" c "McDonnel Douglas", которая должна была поставить около 100 000 тепловых труб для Трансаляскинского нефтепровода. Назначение этих тепловых труб - предотвратить оттаивание вечной мерзлоты вокруг опор поднятых над уровнем земли участков трубопровода.


Вот еще один характерный пример применения. В этом году НАСА начинает работу над первой в мире АМС, использующей ядерный реактор как источник питания бортовой электрореактивной двигательной установки и научной аппаратуры с высоким уровнем энергопотребления. Станция предназначена для исследования спутников Юпитера - Европы, Ганимеда и Каллисто - и потому названа JIMO (Jupiter Ice Moon Orbiter, Орбитальный аппарат для ледяных лун Юпитера). Она должна установить, есть ли под ледяной корой этих больших спутников океаны (в которых может быть жизнь). В отличие от дальних АМС, запущенных к настоящему времени (Pioneer 10 и 11, Voyager 1 и 2, Galileo, Cassini, Ulysses), станция JIMO будет питаться не от радиоизотопного генератора, а от ядерного реактора. Ядерная энергоустановка даст примерно в 100 раз больше энергии, чем неядерная той же массы. Мощный энергоисточник позволит осуществлять маневры, которые недоступны другим аппаратам, и досыта накормить научную аппаратуру с высоким энергопотреблением. JIMO будет иметь 20 ЭРД по 8 кВт и реактор мощностью 250 кВт (90 кВт достанется аппаратуре). Так вот, тепло из реактора потечет по тепловым трубам с натрием в качестве теплоносителя. А далее - теплообменник, газовая турбина, электрогенератор.


Посмотрим в корень


Перечислять отдельные применения можно долго. Но ни запомнить их (если это зачем-то потребуется), ни понять, каких еще чудес надо ждать, невозможно без системы. И она есть.


Первая группа применений - борьба с перегревом. Ничто не имеет 100%-ного кпд. Электродвигатель, тиристор, транзистор и процессор - все греются. Человек старается поднять кпд, поэтому в тех случаях, когда соображения веса и габаритов не слишком важны, основное внимание уделяется уменьшению потерь. За последние десятилетия вес и габариты стационарных электродвигателей несколько увеличились, зато кпд - возрос. В этих случаях вопросы перегрева и соответственно теплоотвода стоят не очень остро. Но зато везде, где надо уменьшить габариты (летающие объекты, носимая аппаратура, процессоры предельного быстродействия), увеличивается удельная мощность. Та же мощность выделяется во все меньшем объеме, увеличивается нагрев - последствия понятны. Тепло в итоге сбрасывается в воду или воздух, но для этого надо сначала вывести энергию из маленького объема. А чтобы ее вывести, нужен материал с высокой теплопроводностью.


Вторая область - тепловые двигатели. Их кпд тем выше, чем горячее "нагреватель" и чем холоднее "холодильник". Увеличение температуры продуктов сгорания топлива - известная задача, она упирается в высокотемпературную прочность, и этой задачей человечество занимается более чем серьезно. Но кпд можно увеличить и понизив температуру, грубо говоря, корпуса двигателя. Продвинуться в этом направлении можно с помощью тепловых труб, эффективно отводящих тепло в окружающую среду.


Третий способ - утилизация того, что иначе бы пропало (стекловаренные печи и т. д.) Это похоже на вторую область, но отвод тепла применяется не с целью увеличения кпд самого двигателя, а для разумного использования отходов.


"Чики-чики, тумблерочек"


Когда-то в древности электричество изучали в школах с помощью гидродинамической аналогии: напряжение - давление, заряд - количество воды, ток - поток и т. д. Потом это делать перестали, да еще из школьной программы исключили уравнение Бернулли, и впору стало изучать гидродинамику с помощью "электрической аналогии". Что же до тепла, то с ним все просто - понятия теплопроводности в школьной программе вовсе нет. Поэтому нам придется прибегнуть к аналогии.


Тепловая труба - это объект, имеющий тепловое сопротивление, причем маленькое: тепловой поток по ней идет (как электрический ток), а перепад температур (разность потенциалов) мала. В электротехнике бывают не только постоянные сопротивления. Есть переменные сопротивления, есть выключатели, которые имеют два положения - сопротивление малое и очень большое, есть диоды, которые имеют одно сопротивление для тока, текущего туда и другое для тока, текущего обратно. Все это существует и в мире тепла. Сделать переменное тепловое сопротивление или выключатель несложно - берем кусок меди и вставляем его между двумя теплоподводами. Разумеется, хочется придумать такое "переменное тепловое сопротивление", не применяя механических перемещений. Это возможно, если изменять количество теплоносителя в тепловый трубке или замораживать его, а также ввести в объем буферный газ. Можно действовать и механически, но более изящно ─ например, разъединяя две части фитиля или вводя заслонку на пути пара.


Но вот теплового диода без тепловой трубки вам не видать. А на тепловой трубке он делается легко - фитиль в зоне испарения не доходит до стенки (или сделан тонким), и, если зону испарения сделать зоной конденсации, теплоноситель из нее не будет возвращаться.


Тепловая труба "в тебе и во мне"


В 1974 году голландские ученые предложили новую гипотезу работы потовых желез. Ранее их работу описывали так: при необходимости отвести тепло железы выделяли воду, которая по каналу поступала на поверхность кожи и испарялась, охлаждая организм. В новой модели железа выделяет воду всегда. Но она испаряется не с поверхности кожи, а в начале протока (там выше температура, следовательно это более эффективный способ охлаждения). Испарение с поверхности - вспомогательный процесс при чрезмерных нагрузках по теплопередаче. Обнаружили исследователи и возвратное течение воды по потовым протокам (благодаря капиллярному подсосу по слизистой оболочке и под действием осмоса). Если это так, то за тепловой трубкой далеко ходить не надо.