Как получить тепло из холода с помощью тепловых труб и капиллярных явлений

Статья из белорусской республиканской газеты "Звязда" в переводе на русский язык.

Представьте многоэтажку, да не просто многоэтажку, а целый небоскреб, который бы отапливался... энергией грунта (геотермальной энергией). И для этого совсем не надо "сажать" такой дом на разломе геологических плит, у жерла вулкана. Горячие батареи и теплые полы на всех этажах за счет энергии земли можно обеспечить и в наших широтах. Главное - знать, как правильно подойти к делу и какую технологию применить. Весь секрет - в тепловых трубах.

Простая физика

Все мы помним из школы о трех физических состояниях воды - твердое, жидкое и газообразное (пар). Знаем, что при нагревании жидкость становится газом, а тот, когда остывает, конденсируется в жидкость. На этом простом эффекте и основан принцип действия тепловой трубы. Внутри закрытой трубки из сверхпроводящего металла (например, меди) находится жидкость, которая легко выпаривается. Один конец трубки нагревается. Перенос тепла происходит за счет того, что жидкость выпаривается на горячем боку трубки, поглощая тепло выпаривания, и конденсируется на холодной, после чего стекает на горячую сторону.

Если трубка полая, то сконденсированная жидкость возвращается в зону испарения под воздействием силы тяжести (такая трубка будет работать только в вертикальном или близком к нему состоянии). Внутри современных тепловых трубок находится наполнитель. Такие трубки работают практически в любом положении, так как для возвращения жидкости в зону испарения используются капиллярные силы (такой же капиллярный эффект можно увидеть, если положить губку в лужу, - вода наполнит поры губки).

Основной принцип действия тепловых труб, основанный на использовании гравитации, был изобретен еще в век пара. Современные концепции, которые базируются на использовании капиллярного эффекта, были предложены Р. С. Гауглером из General Motors в 1942 году. Позже он запатентовал эту идею. Независимо от него преимущества капиллярных систем были продемонстрированы Джорджем Гровером из Los Alamos National Laboratory в 1963-м.

Сегодня над совершенствованием тепловых труб работают ученые всего мира. Круг применения этой технологии исключительно широкий - от космических аппаратов до холодильников. Свой значительный вклад в развитие этого научного направления внесли и белорусы. Про наиболее интересные и перспективные отечественные разработки наш корреспондент побеседовал с основателем научной школы в области тепловых труб в нашей стране, заведующим лабораторией пористых сред Института тепло- и массообмена имени Лыкова НАН Беларуси, лауреатом Госпремии и премии Совета Министров СССР, президентом ассоциации стран СНГ "Тепловые трубы", владельцем престижной международной награды - золотой медали Гровера - профессором Леонардом Васильевым.

Система термобезопасности

- Если говорить упрощенно, тепловая труба - это аналог сверхпроводника электричества, по которому электроэнергия передается без потерь на расстояние, - пояснил Леонард Леонидович. - Здесь мы имеем дело с тепловым сверхпроводником, который без потерь передает на расстояние (причем довольно значительное - в сотни метров) тепловую энергию.

Сейчас в мире активно разрабатываются проекты с применением тепловых труб, которые позволяют эффективно использовать энергию альтернативных и возобновляемых источников энергии, в частности, грунта. Уже осуществляются конкретные работы по передаче тепловой энергии из глубин земли на поверхность для того, чтобы обогревать многоэтажные здания за счет геотермальной энергии.

В общем, с помощью тепловых труб мы можем охлаждать, нагревать и регулировать температуру в пределах необходимой. И все это может осуществляться в самом широком температурном диапазоне. Такие сверхпроводники тепла могут использоваться как при температурах, близких к абсолютному нулю (в таких тепловых трубках применяются сверхтекучий гелий, жидкий водород), так и при высоких температурах (тогда наполнителями становятся щелочные металлы - натрий, калий). Температурный диапазон составляет 1000 градусов.

Наиболее дешевый и доступный наполнитель - вода. Именно она применяется во всех теплообменных устройствах, используемых для нашего комфорта (например, в системах отопления помещений), в технологических процессах (таких как сушка, термообработка пищевых продуктов) и т.д.

По словам ученого, тепловые трубы абсолютно вне конкуренции, когда речь идет об охлаждении электроники, в первую очередь компьютеров: подавляющее большинство ПК имеет систему охлаждения на тепловых трубах. То же касается и космических аппаратов: практически все искусственные спутники Земли имеют систему теплорегулирования на тепловых трубах.

- Электроника не любит высоких температур, - рассказал профессор. - Допустим диапазон нагрева электронных приборов составляет 100-120 градусов, поэтому очень важно гарантировать отсутствие перегрева и выхода электроники из строя. Что и делают тепловые трубы, создавая своеобразную "систему термобезопасности".

Для большей наглядности Леонард Леонидович демонстрирует различные образцы тепловых труб. Вот алюминиевая труба для космических аппаратов, которая охлаждает электронику. На одном ее конце крепится электроника, а второй контактирует с радиатором, через который излишки тепловой энергии "выбрасываются" в космос. Изнутри труба имеет капиллярную структуру - бороздки, которые заполняются жидким аммиаком или пропиленом. А вот тепловая труба для использования в компьютере - гораздо меньших размеров, медная, с никелевым напылением. В общем, по конструкции тепловые трубы могут быть самыми разными. Сегодня существует несколько десятков вариантов.

"Ледяные дороги" и не только

За годы работы сотрудники лаборатории пористых сред под руководством профессора Васильева разработали и внедрили в народное хозяйство десятки новых конструкций тепловых труб, испарителей, конденсаторов и устройств для их применения, основными из которых можно назвать тепловые трубы для нагрева, охлаждения и терморегулирования радиоэлектронной аппаратуры, литейных форм, аккумуляторов электричества, шахтных, защищенных от взрыва трансформаторов; термопластификаторов деталей машин и медицинских вращающихся приборов; тепловые трубы для работы в зоне вечной мерзлоты, в теплицах при намерзании ледяных опор в шахтах и т.д. Получили около 300 авторских свидетельств СССР на изобретения, 12 зарубежных патентов, 6 патентов Республики Беларусь.

Леонард Леонидович листает большой фотоальбом, где размещены фотографии разработок лаборатории за разные годы. Вот, например, удивительное фото: длинные тепловые трубы, наполовину закопанные в болото. Вокруг - пустота. Зачем они там? Оказалось, это "ледяные дороги" (тепловые трубы, которые использовались в Сибири для замораживания болот, чтобы по ним можно было проехать тягачам; зимой трубы отводили тепло грунта, и болото замерзало).

Вот еще одно интересное применение тепловых труб - на железнодорожных "стрелках". Зимой на стрелочных переводах может появиться наледь, образуется риск плохого смыкания, что может обернуться аварией. А если под стрелку подвести тепловую трубу в несколько метров и закопать ее в землю, то благодаря теплу земли можно обеспечить подогрев стрелки и избежать обледенения. Обходчику не нужно раз за разом долбить лед. Просто и эффективно.

Активные и пассивные

- В последнее время в научном мире много разговоров ведется про нанотехнологии. В частности, об использовании в тепловых трубах наножидкостей (жидкостей с исключительно малыми размерами частиц), - рассказывает заведующий лабораторией. - В тепловой трубе каким-то образом нужно создать капиллярную структуру. Если мы применим наножидкость, то сможем создать наиболее оптимальный пористый рельеф на внутренней поверхности трубы. Тогда тепловой обмен будет максимально эффективным.

Это очень полезно для медицины: с помощью микрошунтов можно будет понижать или повышать температуру человеческого тела, проводить бескровные операции, воздействовать на энергоактивные точки тела (локально нагревать или охлаждать).

Замечу, что мы только приходим к использованию искусственно созданных микротепловых труб, а в природе они существуют в естественном состоянии (система терморегулирования скота и человека осуществляется по принципу микротепловых труб).

Еще одно интересное направление, которое вспомнил профессор, - сорбционные тепловые трубы, где помимо обычного капиллярного фитиля есть еще и сорбент - пористое вещество, позволяющее связывать молекулы пара в твердом состоянии. В такой трубе работает несколько сил: капиллярные и сорбционные, соответственно получается двойной тепловой эффект.

- Можно передавать вдвое большую энергию, чем в обычных тепловых трубах, - добавил Леонард Васильев. - Кроме того, это уже тепловые трубы активного терморегулирования, в отличие от обычных - с пассивным терморегулированием. Появляется возможность активно использовать тепло для получения холода (например, в космических аппаратах).

Короче говоря, разработок много. Дело - за внедрением. Нужны инвестиции, которые бы дали возможность внедрять на наших предприятиях новые технологии и оборудование. А научный потенциал у нас, слава Богу, есть.

Инга Миндалёва. Газета «Звязда», 28 января 2012 года.
Оригинал на белорусском языке: zvyazda.minsk.by/ru/archive/article.php?id=92453&idate=2012-01-28

Надоело разбираться?