ВВЕДЕНИЕ

Впервые термин тепловая труба (heat pipe) был введен в 1963 г. Гровером с сотр. (Лос-Аламосская лаборатория, США), которые были инициаторами исследований этих устройств и рассмотрения возможности их использования в технике [6, 7] Тепловые трубы точнее следовало бы назвать теплопередающими трубами. Однако первый термин уже широко распространен, поэтому, по-видимому, целесообразно его сохранить.

Идея создания тепловода, в котором перенос тепла осуществляется посредством испарения и конденсации рабочего тела, а для перекачивания жидкости используются капиллярные силы, была предложена еще в 1942 г. Гаулером применительно к холодильной технике [8]. Однако изобретение не находило применения в технике более 20 лет. Разработка космических высокотемпературных энергетических систем обусловила возрождение идеи.

Отметим, что тепловые трубы имели предшественника — так называемые трубы Перкинса. Трубы Перкинса — это бесфитильные тепловоды, в которых перенос тепла осуществляется также за счет скрытой теплоты парообразования, а циркуляция теплоносителя происходит за счет сил гравитации. Эти устройства были изобретены Перкинсом в 1897 г. и успешно использовались сначала в хлебопекарном деле, а затем нашли и другие многочисленные области применения. Бесфитильные трубы задолго до появления тепловых труб применяли, например, в строительной технике — в районах вечной мерзлоты они обеспечивали сохранение замерзшего грунта под фундаментами построенных сооружений. Однако несомненно, что использование капиллярных сил в парожидкостных тепловодах было принципиально новым шагом в их развитии.

Первые эксперименты, проведенные в США, подтвердили работоспособность и высокую эффективность тепловодов, действующих на этом принципе. Они послужили началом «цепной реакции» по изучению, совершенствованию и применению новых тепловодов в различных странах мира. Такие работы вслед за США были начаты в ФРГ, Англии, Франции, Италии, Голландии, а также в нашей стране и некоторых социалистических странах (Чехословакии, Югославии). В настоящее-время практически во всех технически развитых странах проводятся исследования и проработки тепловых труб. Особенно широк размах работ в США — разработки с использованием тепловых труб зт изучение процессов в этих устройствах ведут более ста фирм и исследовательских организаций. Существует тесная кооперация в исследованиях, проводимых в США и европейских стратах.

Начиная с 1965 г. результаты по исследованию тепловых труб докладываются на различных конференциях и симпозиумах. В последние годы проводятся специализированные международные конференции по тепловым трубам. Первая из них .проходила в 1973 г. в Штутгарте (ФРГ), вторая — в 1976 г. в Болонье (Италия), третья будет проведена в Сан-Франциско в 1978 г. (США).

Интерес к тепловым трубам вызван целым рядом ценных качеств, которыми могут обладать такие тепловоды. Прежде всего, это высокая изотермичность. Тепловые трубы часто называют сверхпроводниками тепла. Действительно, трубы с жидкометаллическими теплоносителями способны иметь эффективную теплопроводность в тысячи и даже десятки тысяч раз больше, чем лучшие проводники тепла — серебро и медь Даже низкотемпературные трубы с теплоносителями, имеющими относительно низкую теплопроводность и скрытую теплоту парообразования, могут обладать в десятки раз меньшим термическим сопротивлением, чем лучшие металлические тепловоды

Возможность работы лишь за счет капиллярных сил позволяет использовать тепловые трубы в невесомости. Сочетание этого свойства с малой массой дает возможность широко применять эти тепловоды для транспортировки и сброса тепла в различных элементах космических устройств. В наземных условиях тепловые трубы также работают эффективно. Силы гравитации могут содействовать переносу теплоносителя и существенно увеличивать теплопередающую способность этих устройств

Важное качество теплорых труб — их способность к трансформации тепловых потоков. Высокую плотность подвода тепла js одной части трубы можно иметь при низкой плотности теплоотвода в другой ее части и наоборот Степень трансформации .тепла регулируется в широких пределах Кстати, отметим, что тепловые трубы с жидкометаллическими теплоносителями допускают чрезвычайно интенсивный обогрев В зоне нагрева их удельные тепловые потоки могут достигать более 1 квт/смл Такой рекордно высокий теплосъем может быть обеспечен лишь за счет испарения теплоносителя с црверхности капиллярнопористых тел.

Тепловые трубы специальных конструкций (напрцмер, газонаполненные) способны обеспечивать автоматическое или принудительное регулирование термического сопротивления, изменять поверхности эффективного теплоотвода С помощью тепловых труб относительно легко решаются задачи по созданию тепловых диодов, регуляторов температуры, термостабилизаторов.

Несомненным удобством является автономность тепловых; труб. Каждая отдельная труба — независимый элемент системы, не требующий наличия насосов и других вспомогательных устройств .

Использование этих тепловодов принципиально возможно в. очень широком диапазоне температур — от низких, криогенных, температур (начиная с ГК) до весьма высоких (2500—3000° КГ В зависимости от уровня рабочих температур подбирают оптимальные теплоносители: ожиженные газы, органические жидкости, легкокипящие металлы. Обычно каждый теплоноситель оказывается оптимальным лишь в ограниченном температурном; диапазоне (100—300° К). Особенно хорошими теплопередающими характеристиками обладают трубы с жидкометаллическими теплоносителями. Они могут переносить очень большие количества тепла—до 10 кет и более на 1 см2 сечения трубы По мере понижения уровня рабочих температур физические свойства применяемых теплоносителей ухудшаются, ухудшается: и теплопередающая способность труб. Однако многое зависит от конструкционного оформления тепловых труб, от конкретных условий их работы. Несмотря на конструкционную простоту тепловых труб, происходящие в них процессы довольно сложны и требуют всестороннего изучения. Лишь при детальном знакомстве с происходящими в тепловых трубах процессами можно оценить применимость этих устройств в тех или иных условиях, оптимально выбрать такие условия

Ивановский М. Н., Сорокин В. П., Ягодкин И. В. Физические основы тепловых труб.—М.: Атомиздат, 1978