В связи с развитием ряда областей новой техники вопросы передачи тепла от одних устройств к другим приобрели особую простоту. Наиболее ярко это проявилось в ядерной энергетике, электронике, космической технике и в целом ряде научных исследований. Здесь возникло своего рода противоречие между весами и габаритами основных устройств и устройств, отводящих от них тепло. В последнее время во многих странах (в первую очередь в США и России) усиленно разрабатываются так называемые тепловые трубы (ТТ), которые являются эффективно действующими теплоотводами.

При меньшем весе, тех же размерах и разности температур на их концах, они способны передавать тепла в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз больше, чем сплошные стержни, изготовленные из высокотеплопроводных материалов, таких как медь и серебро.

Классическая тепловая труба (Рис. 1) представляет собой вытянутый в длину герметичный, как правило, тонкостенный металлический сосуд (1), внутренние стенки которого выложены капиллярно-пористым материалом - так называемым фитилём (2). Фитиль имеет малую толщину и пропитан рабочей жидкостью. Внутренний объём (3), свободный от фитиля, заполнен паром этой жидкости и является паровым каналом.

Рис.1 Тепловая труба

Если один конец тепловой трубы подключить к источнику тепла с температурой Т₁, а противоположенный - к приёмнику тепла с температурой Т₂, которая несколько ниже Т₁, то тепловая труба будет передавать значительное количество тепла Q, которое во много раз больше, чем тепло, передаваемое сплошным стержнем, изготовленным из самых теплопроводных материалов и имеющем те же габариты и такую же разность температур между концами, что и тепловая труба.

Участок тепловой трубы, к которому подводится тепло, является испарителем, а участок, от которого оно отводится - конденсатором рабочей жидкости.

При нагреве испарителя рабочая жидкость испаряется из пор фитиля этого участка в паровой канал. При этом давление пара в этой зоне повышается. В то же время при охлаждении конденсатора давление пара в нём понижается. Под действием возникшей разности давлений пар в паровом канале движется от испарителя к конденсатору, где он конденсируется. Образовавшаяся жидкость впитывается в поры фитиля конденсатора и за счёт капиллярных сил подаётся по порам в испаритель, где она вновь испаряется. Таким образом, тепловая труба работает на принципе замкнутого испарительно-конденсационного цикла.

При температурах вдали от критической скорость пара, как правило, значительно превышает скорость жидкости в фитиле. Высокая теплопередающая способность тепловых труб достигается не только за счёт циркуляции теплоносителя при высокой скорости пара, но и высокой теплоты парообразования и конденсации его.

Таким образом, в тепловых трубах имеет место главным образом не обычная теплопроводность, которая относительно мала, а гидравлический перенос тепла при двух противоположных друг другу фазовых превращениях теплоносителя.

Насосом, который обеспечивает циркуляцию как жидкого, так и парообразного теплоносителя, является фитиль, От его геометрических, теплофизических и гидравлических характеристик зависит теплопередающая способность тепловой трубы. Сюда в первую очередь следует отнести такие параметры как теплопроводность каркаса фитиля, его пористость, распределение пор по радиусам, проницаемость для рабочей жидкости. Эта способность не в меньшей степени зависит от характеристик и самого теплоносителя: давления насыщенного пара, теплоты испарения, вязкости, плотности жидкости и пара, теплопроводности, поверхностного натяжения, смачивания им твёрдых стенок капиллярных каналов фитиля. Все эти параметры зависят от температуры и изменяются вместе с тепловой нагрузкой на тепловую трубу.

Для среднетемпературных тепловых труб в качестве рабочих жидкостей используются такие капельные жидкости как вода, спирты, ацетон, некоторые фреоны и т. д.

Если внешняя задача передачи тепла с помощь тепловых труб решается относительно просто и сводится в основном к теплопередаче на её концах, то внутренняя, связанная с процессами испарения и конденсации в пористой среде, а также с транспортировкой жидкости и пара вдоль тепловой трубы, представляет в ряде случаев большие трудности.

При отсутствии разности температур между испарителем и конденсатором в тепловой трубе нет циркуляции теплоносителя. Такая циркуляция возникает только когда образуется такая разность.

Если считать, что поверхность жидкости в конденсаторе плоская или близкая к ней (а там, как правило, всегда есть, хотя и небольшая «лужа» с плоской поверхностью жидкости), то эта разность температур, в конечном счете, приводит к разности давлений по обе стороны поверхностей вогнутых менисков жидкостей только в испарителе тепловой трубы.

Таким образом, поверхности этих менисков можно рассматривать не только как генераторы пара, но и как поверхности, не пропускающие пар обратно в жидкость.

Мениски в испарителе - это тепловой капиллярный насос, работающий при разности температур и фазовых превращениях. Разность давлений, которую он создаёт, обеспечивает всю гидравлику тепловой трубы.

Основное (гидравлическое) уравнение тепловой трубы без учёта изменения количества движения и гравитационного воздействие на течение пара в виду его малой плотности, может быть представлено в виде:

   (1)

где DPmax - максимальный капиллярный напор (абсолютная величина разности капиллярных давлений), которую может создавать фитиль данной тепловой трубы на данном теплоносителе при данной температуре. Самое высокое давление в тепловой трубе - это давление пара над менисками в испарителе, а самое низкое давление в тепловой трубе - это давление жидкости под этими же менисками в испарителе. DPg - разность гидростатических давлений жидкости в порах фитиля между концами тепловой трубы. Считается, что аналогичные потери в паре отсутствуют из-за его малой плотности. DPж - гидравлическое сопротивление (потери на трение) при движении жидкости по фитилю. DPп - гидравлическое сопротивление при движении пара в паровом канале.

В стационарно работающей тепловой трубе всегда сумма потерь давлений равна разности капиллярных давлений DP, которое обязательно в данном случае и создаёт фитиль, то есть:

   (2)

Гидравлические сопротивления DPж и DPп проявляются только во время работы тепловой трубы и возрастают при увеличении её длины и передаваемой мощности. Поэтому в неработающей тепловой трубе эти гидравлические потери, имеющие место только при движении теплоносителя, отсутствуют, то есть DPж =0, DPп=0 и DP= DPg. Величина DPg возрастает при увеличении превышения испарителя над конденсатором и становится максимальной, когда тепловая труба находится в вертикальном положении, то есть когда её испаритель находится «вверху».

В неработающей тепловой трубе малого диаметра, расположенной в поле тяжести горизонтально DPg=0, DPж=0, DPп=0 и DP=0.

В любом случае, чтобы тепловая труба могла работать, должно соблюдаться условие DP <= DPmax, то есть всегда должен иметься запас в разности давлений, которую может создать фитиль. Величина DPmax зависит от рода жидкости, материала фитиля, диаметров его пор и температур. DPmax - это максимальный напор, который может создавать капиллярный насос на выбранной рабочей жидкости и казалось бы надо стремиться к его увеличению. DPmax есть важная потенциальная характеристика фитиля, но она отражает только одну сторону - способность создавать разность давлений. Но с другой стороны увеличение DPmax может быть осуществлено только путём уменьшения диаметров капиллярных каналов, что приведёт к увеличению гидравлического сопротивления DPж. При этом увеличение DPmax происходит значительно медленнее, чем увеличение гидравлического сопротивления трения DPж.

Поэтому для данных размеров фитиля имеется оптимальный диаметр капиллярных каналов, который уменьшать нельзя. В противном случае снизится мощность или повысится разность температур между испарителем и конденсатором.

В наиболее общем случае, когда вогнутые мениски есть не только в испарителе, но и в конденсаторе, а сами мениски имеют правильную сферическую поверхность (то есть одинаковые главные радиусы кривизны, что в реальных структурах маловероятно), то для данной жидкости, температуры и радиусов капиллярных каналов максимальная разность капиллярных давлений на основании уравнения Лапласа может быть представлена в виде (рис. 2):

   (3)

так как r=R·CosQ, где s - коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-пар, который уменьшается при повышении температуры примерно по линейному закону и при Ткр равен нулю.

Рис.2 Одиночный капилляр в поле тяжести

Rи, Rк - радиусы кривизны менисков в испарителе и конденсаторе. Если центр кривизны находится вне жидкости, то радиус считается отрицательным. Чем меньше R, тем ниже давление жидкости под мениском по сравнению с плоской поверхностью. r_пи, r_пк - средние радиусы пор (капиллярных каналов) в испарителе и конденсаторе. Qи, Qк - краевые углы смачивания в испарителе и конденсаторе - углы между касательными к жидкости на краю менисков и твёрдой стенкой, залитой жидкостью.

Чем меньше Qи и больше Qк, а также чем меньше Rи и больше Rк, тем выше DPmax.

При увеличении тепловой нагрузки Q вогнутые мениски в испарителе прогибаются сильнее, их кривизна увеличивается, а радиусы кривизны Rи уменьшаются и стремятся к радиусам пор (капиллярных каналов). При этом краевые углы в испарителе Qи также уменьшаются, а отрицательное давление Лапласа на жидкость увеличивается, а давление под её поверхностью уменьшается. При этом вогнутые мениски в конденсаторе уменьшают свою кривизну, краевые углы увеличиваются, отрицательное давление Лапласа уменьшается. Поэтому абсолютная величина разности капиллярных давлений, всегда равная величине потерь, увеличивается.