Тепловая трубка своими руками: материалы, пошаговая инструкция, советы

Если взять обычную металлическую трубу, налить в нее немного воды, почти полностью откачать воздух (это важно, не откачиваемый воздух мешает парообразованию и быстрому движению пара) и запаять ее с двух сторон, то получим простейшие тепловые трубки, называемые термосифонами, лучше всего работают при вертикальном размещении. Так работает термосифон: тепло подается к нижнему концу (зона испарения) и вода начинает испаряться без кипения пузырьков (это важно еще и потому, что при кипении на стенках появляются пузырьки, которые трудно пройти через фитиль тепловая трубка выводит пар, образующийся на нагретой поверхности, поэтому они ограничивают мощность теплопередачи), поглощая много энергии, пар поднимается по трубе к холодному концу (зоне конденсации), конденсируется, отдает энергию, и стекает по стенке трубы в виде воды. Благодаря высокой скрытой теплоте фазового перехода многих веществ гарантируется высокий тепловой поток. Термосифоны работают, если зона испарения ниже зоны конденсации, поэтому они имеют ограниченный радиус действия.

Историческая справка о тепловой трубке

Идея капиллярной тепловой трубки была запатентована в 1942 году представителями General Motors. В 1963 году идея была сделана еще на шаг вперед: Джордж Гровер из Лос-Аламосской национальной лаборатории в США наглядно продемонстрировал состоятельность конструкции (да-да, основанной Робертом Оппенгеймером и работавшей над созданием первой атомной энергии той самой лабораторной бомбы).

Принцип работы тепловой трубки заключается в использовании принципа поглощения тепловой энергии при испарении жидкости и активного выделения тепловой энергии при ее конденсации.

Простейшая тепловая трубка представляет собой запаянную с обеих сторон трубку, в которой находится летучая жидкость. При нагреве одной стороны трубы жидкость в ней испаряется, пар конденсируется на холодном конце трубы, после чего жидкость самотеком возвращается к источнику тепла для повторения цикла.

Конструкция тепловых трубок

Тепловые трубки — это современный продукт термосифонов. К наиболее известным типам относятся изобретение Гровера Г.М. Устройство тепловой трубки очень простое и состоит из следующих частей:

• Ограждение – камера с круглым или прямоугольным поперечным сечением. Может быть из бронзы, алюминия, меди, стекла, керамики и нержавеющей стали;
• Охлаждающая жидкость – жидкость, способная переходить в газообразное состояние при рабочих температурах;
• Фитиль – твердый пористый материал, по которому жидкость перетекает с одной стороны трубки на другую.

Принцип работы термосифона

Давайте посмотрим, как работает тепловая трубка. Их функция заключается в передаче энергии за счет испарения и последующей конденсации жидкостей. Чтобы получить представление о том, как это работает в действительности, представьте себе закрытый резервуар из металла, который очень хорошо проводит тепло, и наполненный небольшим количеством воды.

Теплопередача в этой емкости происходит следующим образом:

• При нагревании части бака вода переходит в паровое состояние;
• Жидкость, превратившаяся в пар, оседает на холодную поверхность, после чего пар снова возвращается в жидкую форму и, таким образом, стекает на прежнее место. При этом через стенки металлической емкости уносится большое количество тепловой энергии;
• Уже остывшая вода начинает нагреваться, и происходит повторяющийся процесс, новый цикл.

Такая конструкция называется термосифон. Конечно, это не тепловая трубка, но работает она так же.

Тепловые трубки своими руками: пошаговое руководство

Тепловая трубка своими руками изготавливается по такому простому алгоритму:

• Возьмите обычную металлическую трубу.
• Налейте в трубку небольшое количество воды и почти полностью выпустите воздух. Это достаточно важный момент, так как неоткачанный воздух мешает переходу и быстрому движению пара.
• Плотно закройте обе стороны трубки.

Для того чтобы данная система функционировала, к рабочей жидкости предъявляются следующие требования:

• Точка перехода жидкость-пар должна находиться в пределах диапазона температур, в котором будет работать устройство.
• Жидкость не должна подвергаться термическому разложению.
• Материал фитиля и корпуса должен смачиваться жидкостью.

В качестве рабочих жидкостей могут использоваться различные вещества в жидкой фазе:

• аммиак;
• сжиженный гелий;
• ацетон;
• вода;
• ХГ;
• Серебряный;
• натрий.

Что касается фитиля, то этот элемент обеспечивает движение жидкости под действием капиллярных сил. Основное требование к этому материалу – обеспечение равномерного движения рабочей жидкости по капилляру.

Чаще всего в качестве фитилей используются:

• металлическая сетка;
• металлический фетр;
• куча металла;
• саржа и др.

На первый взгляд это устройство может показаться простым, но технические расчеты должны выполнять только специалисты. На самом деле, для того, чтобы термосифон функционировал эффективно, необходимо правильно подобрать материалы, эксплуатационные характеристики и размеры. Так что тепловые трубы своими руками вряд ли получится сделать, а вот термосифоны сделать своими руками возможно.

Передача тепловой энергии в таких устройствах может происходить несколькими способами:

• с помощью открытого пламени;
• прямой контакт с нагретыми веществами;
• поражение электрическим током;
• инфракрасная радиация.

На заметку: единственной величиной, ограничивающей тепловую мощность устройства, является тепловое сопротивление его корпуса.

Надо сказать, что тепловые трубки очень универсальны, но их основная задача заключается в передаче тепловой энергии от одной части трубы к другой. Что касается температуры рабочей среды, то их инструкция допускает диапазон от нуля градусов Цельсия до нескольких тысяч градусов.

Контурная тепловая трубка

По мере развития технологий тепловые трубки Гровера совершенствовались — на смену фитилям пришли трубки специального контура.

Преимущества данной конструкции:

• Надежность;
• Простота;
• Более высокий уровень теплопередачи;
• Хорошая приспособляемость к различным условиям работы;
• Долговечность;

Работоспособность сохраняется в любом пространственном положении, поэтому эту тепловую трубку можно без труда установить вручную.

По сути, очертания – это те же капилляры, но они крупнее. Благодаря своим теплообменным качествам трубка является сверхпроводником тепловой энергии.

Заключение

Сделать тепловую трубку своими руками очень просто, она хорошо работает при вертикальном расположении. Необходимо учитывать, что такое устройство может без перерыва справляться со своими задачами только в том случае, если его место конденсации находится выше области испарения. Это позволяет обеспечить возврат сконденсированной воды в зону нагрева до тех пор, пока она не достигнет температуры, при которой происходит испарение.