Ученые из Жилинского университета в Словакии разработали серию систем на основе тепловых труб — простых, но исключительно эффективных устройств для управления теплом. Испытания показали, что с помощью таких труб можно повысить надежность работы электроники, бытового отопления, вентиляции и даже хранения водорода.
Тепловая труба — это герметичная металлическая трубка, частично заполненная жидкостью. Когда один конец трубки нагревается, жидкость там закипает и превращается в пар. Затем этот пар поднимается к другому, более холодному концу, где снова превращается в жидкость, отдавая накопленное тепло. Получившийся конденсат возвращается обратно, и процесс повторяется снова и снова — без насосов, вентиляторов и внешнего источника энергии. Благодаря этому тепло передается почти без потерь, даже если разница температур между концами трубы составляет всего пару градусов. При этом через такую трубу можно «перекачивать» потоки тепла мощностью в десятки киловатт на квадратный метр поверхности.
Словацкие исследователи изучили три типа тепловых труб — гравитационные, капиллярные и замкнутые петлевые (термосифоны). В первых жидкость возвращается под действием силы тяжести, поэтому труба должна стоять вертикально. Во-вторых, благодаря специальной внутренней пористой структуре, которая втягивает жидкость обратно, как губка, они могут работать в любом положении. В-третьих, движение жидкости и пара идет по отдельным каналам, что делает систему более устойчивой и эффективной. Эта простая, но изящная физика позволяет тепловым трубам работать автономно, не изнашиваться и служить десятилетиями даже там, где другие системы охлаждения просто невозможны, например, в герметичных приборах, спутниках или под землей.
Первыми объектами, где инженеры решили испытать тепловые трубы, стали электронные устройства — самые чувствительные к перегреву элементы современной техники. В силовом трансформаторе, обмотки которого залиты эпоксидной смолой и практически лишены возможности естественного охлаждения, они установили простую медную трубу с водой и спиртом. Одна часть этой трубы находилась внутри корпуса, где жидкость нагревалась и испарялась, другая — снаружи, где пар конденсировался и отдавал тепло. Решение оказалось настолько эффективным, что температура обмоток снизилась до безопасных 80°C, а сама система работала полностью автономно, без вентиляторов и помп.
Далее исследователи создали миниатюрные пульсирующие тепловые трубы — крошечные мощные «тепловые насосы» без движущихся частей. Заполненные электроизолирующей жидкостью для отвода тепла (Fluorinert FC-72), они смогли рассеивать до 100 Вт тепла от силовых транзисторов, при этом оставались компактными и бесшумными.
На следующем этапе были разработаны герметичные системы охлаждения для шкафов с электроникой, где традиционные вентиляторы неприменимы из-за пыли и влаги. В этих установках тепловая труба проходила сквозь стенку корпуса: внутри она поглощала тепло, а снаружи — отдавала его в воздух. Даже при нагрузке до 1,5 кВт температура внутри шкафа не превышала 70°C.
Не менее впечатляющие результаты были получены в области бытовой энергетики. В газовых каминах с большой стеклянной вставкой исследователи установили петлевую тепловую трубу, которая отводила до 40% тепла в накопительный бак горячей воды. Это позволило снизить перегрев помещения, повысить комфорт и использовать избыточную энергию для подогрева системы отопления. В малых котлах аналогичные устройства возвращали часть тепла дымовых газов в воздух для горения, снижая температуру выхлопа на 20–50°C и увеличивая КПД установки на 2–5%.
Команда также провела эксперименты с геотермальными источниками. В глубокие скважины были помещены тепловые трубы с аммиаком, передающие тепло от грунта без насосов. Хотя их мощность пока уступает традиционным змеевикам, исследователи выявили причины потерь и предложили новые решения для равномерного распределения конденсата по внутренней поверхности. После оптимизации такая система сможет стать более дешевой и надежной альтернативой существующим геотермальным системам.
Особое внимание уделено улучшению рабочих жидкостей. Добавление наночастиц оксидов алюминия, меди или титана к воде значительно усилило кипение и ускорило передачу тепла. Эксперименты показали, что такая наножидкость повышает эффективность тепловой трубы примерно на треть, открывая путь к компактным и экономичным теплообменным системам для вентиляции и кондиционирования.
Наконец, тепловые трубы оказались полезны даже в водородных технологиях. При хранении водорода в металлогидридах происходит сильное выделение и поглощение тепла, что требует точного контроля температуры. Словацкие инженеры применили замкнутую петлевую трубу, которая автоматически охлаждает систему при впитывании водорода и нагревает при его высвобождении, используя, например, отходящее тепло от топливного элемента.
В дальнейшем ученые планируют усовершенствовать внутреннюю структуру труб и равномерное распределение конденсата, разработать новые наножидкости с более стабильными свойствами и интегрировать тепловые трубы в солнечные коллекторы, аккумуляторы и установки хранения водорода.
