Под зоной переноса тепла в тепловой трубе обычно подразумевается средний участок, на котором практически не происходит теплообмена с окружающей трубу внешней средой. Это достигается применением надежной и эффективной теплоизоляции на этом участке. Таким образом, в тепловой трубе различают три участка: зона подвода тепла, зона переноса тепла, зона отвода тепла. Иногда зону подвода тепла называют зоной испарения, а зону отвода - зоной конденсации. Схематично расположение зон иллюстрирует рисунок 1.10. Зона переноса может быть различной протяженности. В довольно широком классе технических устройств она вообще отсутствует. Что касается зон подвода и отвода тепла, то их длины могут быть равны между собой. Тогда плотность теплового потока на их поверхности будет одинакова.
Конечно, эти зоны могут быть и различными по протяженности. В этом случае в соответствии с выбранным соотношением их поверхностей будет осуществляться трансформация плотности теплового потока. Например, если зона теплоприема в 2 раза больше зоны теплоотвода, то наряду с передачей полного подводимого теплового потока имеет место его двукратная концентрация.
Рисунок 1.10 - Схема расположения зон в тепловой трубе
Полное описание явлений, происходящих в тепловой трубе, включая уже рассмотренные выше процессы в зоне испарения и конденсации, и разработка теоретической модели тепловой трубы в целом, очевидно, задача весьма сложная. При установлении общих закономерностей необходимо исходить из замкнутости цикла всей системы и взаимозависимости всех процессов. Так, например, остается постоянной полная масса жидкости. Действительно, весь пар, образованный в зоне испарения, передается в зону теплоотвода, там конденсируется и вновь возвращается в испаритель.
Прежде чем перейти к установлению расчетных зависимостей, целесообразно еще раз отметить характерные особенности и достоинства тепловой трубы, сравнив ее с другими, близкими по конструкции теплопередающими устройствами. Попробуем создать теплопередающее устройство, конструктивно ничем не отличающееся от тепловой трубы, но полностью заполненное жидкостью (теплоносителем). В таком устройстве в процессе работы жидкость не будет менять своего фазового состояния и переходить в пар. Следует заметить, что такое устройство не является надуманным. Оно используется в технике для охлаждения различных механизмов и их частей (например, лопаток турбин) и носит название термосифона.
Следует подчеркнуть, что работа термосифона возможна лишь в поле сил гравитации, направленных от зоны теплосъема к зоне нагрева (рисунок 1.11). Такие силы могут возникать либо за счет земного притяжения, либо за счет центробежных сил. Очевидно, основным явлением, определяющим теплопередающие свойства термосифона, будет конвективное течение жидкости. Тщательные исследования показали, что на границах зон теплоприема и теплоотвода всегда возникает некоторая промежуточная зона с весьма сложным и разнообразным характером процессов, происходящих в ней.
Рисунок 1.11 - Термосифон (конвективные токи теплоносителя и расположение зон)
Наличие промежуточной зоны является одной из причин значительного термического сопротивления термосифонов. Типичный характер температурного поля вдоль термосифона представлен на рисунке 1.12.
Именно поиск путей ликвидации этой зоны привел к идее создания тепловой трубы, заполненной теплоносителем, изменяющим в процессе работы свое фазовое состояние, т.е. переходящим из жидкого состояния в пар и обратно. Это оказалось возможным осуществить, если заполнить тепловую трубу теплоносителем не полностью, а лишь частично. О том, какое количество теплоносителя следует ввести, будет сказано несколько ниже.
Как уже отмечалось, теплопередача в данном случае будет происходить за счет поглощения тепла при испарении я высвобождения его при конденсации. Полный переносимый тепловой поток, очевидно, будет тем больше, чем больше количество пара (и жидкости, циркулирующей в трубе) и чем интенсивнее происходит циркуляция.
Рисунок 1.12 - Температурное поле термосифона
Поэтому скорость пара в центральной части должна быть по возможности выше и должно осуществляться беспрепятственное встречное течение жидкости по стенкам в зону испарения. Не менее важное значение имеет и «энергоемкость» используемой жидкости, т.е. способность переносить тепло единицей веса пара при его движении из зоны нагрева в зону конденсации. Энергоемкость, как уже было показано, характеризуется величиной скрытой теплоты испарения. Отсюда становится понятным, почему для заполнения тепловых труб целесообразно использовать жидкости с большой величиной скрытой теплоты испарения.
Таким образом, физический смысл более эффективной теплопередачи тепловой трубы по сравнению с термосифоном состоит не только в отсутствии промежуточной области, но и в том, что при идентичных условиях эффективность теплоотдачи при испарении значительно выше, чем при конвекции.
Попробуем качественно убедиться в этом на простом примере, в котором в качестве теплоносителя рассмотрим обыкновенную воду. Каждый грамм воды, участвуя в конвективном движении жидкости в термосифоне, при совершении одного кругооборота по замкнутому контуру из зоны теплоприема в зону теплоотдачи и назад, перенесет количество тепла, равное 
, где 
- перепад температуры по контуру, а с - удельная теплоемкость воды.
За величину в данном случае можно принять перепад температуры по всей длине термосифона. Выше было показано, что в лучшем случае, когда влияние промежуточной области удается каким-либо образом свести к минимуму, перепад. по термосифону может быть уменьшен вплоть до 5-20оС. Отсюда максимальная величина Q составит 20 кал.
В тепловой трубе испарившийся в зоне теплоприема 1 г воды, двигаясь в виде пара в зону теплоотдачи, несет количество тепла, равное скрытой теплоте испарения, т.е. 540 кал (при нормальном атмосферном давлении). Следовательно, для обеспечения той же самой величины теплопередачи жидкость в термосифоне должна циркулировать почти в 30 раз интенсивнее, чем в тепловой трубе. Организовать такую циркуляцию жидкости даже с малой вязкостью, весьма трудно.
Увеличить переносимое каждым граммом жидкости количество тепла в термосифоне можно, допустив больший температурный перепад . Но это означает отказ от тех основных требований, которые предъявлялись выше к рассматриваемым теплопередающим устройствам. Действительно, была поставлена цель создания теплопередающего устройства, способного передавать большие потоки тепла при малых температурных перепадах, т.е. устройства с высоким коэффициентом теплопередачи. В тепловой трубе перенос тепла Q в первом приближении не зависит от перепада температуры, а определяется только скрытой теплотой испарения. Так как конденсация и испарение жидкости в тепловой трубе происходят практически при одной и той же температуре, то из самого принципа работы тепловой трубы следует высокая изотермичность по всей ее длине. Ничтожный температурный перепад при больших тепловых потоках обусловливает высокий коэффициент теплопередачи тепловой трубы.
В ряде случаев удобно пользоваться понятием эффективной теплопроводности тепловой трубы 
, определяемой как отношение количества тепла, передаваемого через единицу поверхности поперечного сечения в единицу времени, к температурному перепаду между концами тепловой трубы.
Уже было показано, что для достижения максимального коэффициента теплопередачи тепловой трубы необходимо взять жидкость с наивысшей величиной скрытой теплоты испарения. Попробуем выяснить, изменением каких еще параметров можно добиться увеличения теплопередачи. Продолжим рассмотрение круговорота единицы массы жидкости на пути из зоны нагрева (в виде пара) в зону конденсации и назад по стенке в зону нагрева. Как ускорить этот круговорот? Одним из факторов, сдерживающих его, является вязкость жидкости и сила трения при ее течении по внутренней стенке трубы. Следовательно, для увеличения теплопередачи необходимо использовать жидкость с малой вязкостью. Скорость движения пленки по стенке зависти от силы, под действием которой происходит это движение. Обычно это сила земного притяжения. Но можно использовать и центробежные силы. В частности, в тепловых трубах, применяемых для охлаждения вращающихся лопаток турбин, центробежные силы превосходят силу земного притяжения в тысячи раз.
Несколько слов о движении пара в тепловой трубе. Известно, что пар, как и любой другой газ, перетекает из одной области в другую, если имеется какой-либо перепад давления между этими областями. В тепловой трубе пар движется из зоны нагрева в зону конденсации, так как между этими зонами имеется некоторый перепад давления. Повышенное давление в зоне нагрева - результат интенсивного образования пара при кипении. Попадая в зону конденсации, где температура ниже, пар конденсируется, т.е. превращается в более плотную субстанцию - жидкость, и поэтому в этой зоне давление падает. Наличие такого постоянно действующего перепада давления и обеспечивает непрерывное перетекание пара вдоль тепловой трубы. Очевидно, движение пара будет тем интенсивнее, чем больше перепад давления. Этот перепад будет тем выше, чем сильнее различаются между собой плотность насыщающих паров жидкости при данной температуре 
и плотность самой жидкости 
, т.е. теплопередача будет эффективнее, если выражение 
будет приближаться к единице.
Рассмотренная выше качественная взаимосвязь величины коэффициента теплопередачи тепловой трубы с основными параметрами, определяющими этот коэффициент, находит отражение в более строгой аналитической формуле:
при 
для тепловой трубы круглого сечения.
Аналогичное соотношение получено также для тепловой трубы с плоским паровым каналом.
В приведенном соотношении использован новый безразмерный критерий, носящий имя известного русского теплофизика М.В. Кирличева:
,
где 
- скрытая теплота испарения, 
- удельная теплоемкость, 
- перепад температур вдоль тепловой трубы.
Величина коэффициента 
является функцией отношения длины трубы к предельной ее величине и отношения температур:
.
Предельная длина представляет собой такую длину трубы, при которой осуществляется максимальная передача теплового потока:
где 
- диаметр парового канала, 
- некоторый коэффициент, значение которого лежат в пределах 0-0,5 и зависят от отношения 
.
Следует отметить, что вышеприведенные соотношения получены при некоторых предположениях. В частности, считается, что течение пара и жидкости носит ламинарный характер, а силы инерции по сравнению с силами вязкости и центробежными силами малы. Тем не менее, экспериментальные результаты довольно хорошо согласуются с рассчитанными этим путем параметрами.
Экспериментальные исследования показали, что могут наступить условия, при которых температурное поле вдоль тепловой трубы оказывается все-таки неравномерным. На рисунке 1.13 изображен типичный профиль температуры вдоль центральной части парового канала, полученный в стеклянной тепловой трубе диаметром 12 мм и длиной 230 мм, заполненной водой. Легко видеть, что в зоне теплоотвода температура во всех точках одинакова. Но в зоне нагрева картина сильно зависит от степени заполнения внутреннего объема трубы жидкостью. При этом можно различить три характерных режима работы:
. Режим нормальной изотермичной работы (рисунок 1.13 (а) заполнение 2,0 см3 воды). Количество теплоносителя находится в полном соответствии с величиной передаваемого теплового потока, т.е. пленка жидкости повсюду покрывает внутреннюю поверхность трубы, доходя до самой нижней точки зоны нагрева.
. Режим недостаточного заполнения (рисунок 1.13 (б)). Температурное поле в зоне нагрева крайне неоднородно. Жидкости явно не хватает для покрытия пленкой всей внутренней поверхности трубы. Эти оголенные от пленки места будут, очевидно, находиться в самой горячей нижней части трубы в зоне нагрева. По пути к этим участкам жидкость полностью испаряется. Отсутствие охлаждающей стенку жидкости мгновенно сказывается на температурном поле. В местах, где нет пленки, наблюдается резкий перегрев, приводящий в высокотемпературных трубах к прогоранию стенки и выходу трубы из строя.
. Режим избыточного заполнения (рисунок 1.13 (в)). На дне тепловой трубы все время имеется «лужа», глубина которой увеличивается по мере увеличения избытка жидкости. Вода в этой «луже» интенсивно кипит, разбрызгивая капли по ближайшим стенкам трубы. Вся внутренняя поверхность трубы, очевидно, полностью покрыта пленкой. Температурное поле и условия теплопередачи с первого взгляда очень близки к режиму нормальной работы. Действительно, излишнее заполнение не столь опасно, как недостаточное. Тем не менее слишком большое количество теплоносителя нежелательно, так как возможен перепад температуры по глубине «лужи». Хотя величина этого перепада, по-видимому, не превышает нескольких градусов, на фоне «идеальной» изотермичности всей тепловой трубы он все-таки значителен и должен быть по возможности исключен.
Рисунок 1.13 - Зависимость температурного поля вдоль тепловой трубы от степени заполнения теплоносителем
а - оптимальное заполнение, режим изотермичной работы,
б - недостаточное заполнение, перегрев в зоне подвода тепла,
в-избыточное заполнение, режим, близкий к изотермическому.
Очевидно, для каждой конструкции тепловых труб с конкретным теплоносителем и определенных условий работы всегда может быть найдена оптимальная величина заполнения.
При рассмотрении работы тепловой трубы в поле земного тяготения предполагалось, что она располагается вертикально, причем внизу находится источник нагрева, а вверху - теплоприемное устройство, Естественно, что в реальных условиях эксплуатации, особенно в передвижных устройствах, могут иметь место те или иные отклонения трубы от вертикального положения. Весьма важно знать поэтому, какое влияние окажет наклон трубы на ее теплопередающие свойства. В предельном случае, когда участок нагрева окажется выше зоны охлаждения, труба функционировать не будет. Остается выяснить, какой эффект даст меньший наклон трубы.
Рассмотрим трубу с оптимальным наполнением, при котором, как было показано выше, имеет место наибольшая равномерность температурного поля.
Начиная с некоторого угла наклона (рисунок 1.14), возникает опасность появления «сухих», не покрытых пленкой жидкости участков в области зоны нагрева. Пленка жидкости под действием сил тяжести стекает в низшую часть трубы, минуя участок, обозначенный на рисунке 1.14 фигурной скобкой. Очевидно, чем больше наклон, тем больше площадь такой «сухой» области, в которой из-за отсутствия теплосъема (точнее, из-за очень плохого теплосъема, так как теплоотдача к пару значительно хуже, чем теплоотдача к жидкости), температура резко возрастает. Условия оказываются в какой-то степени близкими к режиму недостаточного заполнения. Как следствие, при высоких температурах наблюдается прогорание сухой стенки и выход трубы из строя. Таким образом, тепловая труба с оптимальным наполнением допускает лишь незначительный наклон, при котором еще не образуется осушенных участков в зоне нагрева. Такие параметры, как вязкость жидкости и степень смачиваемости ею внутренней поверхности труб играют здесь существенную роль.
Рисунок 1.14 - Процессы, происходящие в гладкостенной тепловой трубе при наклонном ее положении
Как же быть, если по условиям эксплуатации необходимо тепло передавать в направлении, скажем, близком к горизонтальному? Наиболее простое решение вопроса - покрыть жидкостью осушаемые участки трубы за счет увеличения заполнения, т.е. умышленно пойти на все те «неприятности», которые проявляются в режиме избыточного заполнения.
Однако заполнение в этом случае оказывается настолько большим, что составляет около 1/3-1/2 и более полного внутреннего объема трубы. Условимся в дальнейшем называть такие трубы гладкостенными трубами с большим заполнением. На рисунке 1.15 показана труба, предназначенная для работы при некотором угле наклона. Если теперь незначительно увеличить угол наклона, то при заданном заполнении опять возникает опасность обнажения внутренней поверхности трубы в зоне нагрева. Уже качественное рассмотрение показывает, что гладкостенные трубы с большим заполнением будут обладать значительно худшими теплопередагощими свойствами и большей неоднородностью температурного поля по наружной поверхности, чем вертикальная труба при соответствующем оптимальном заполнении. Прежде всего, высоким тепловым сопротивлением обладает толстый слой воды в нижней части трубы (за счет появления участка, отмеченного на рисунке 1.15 фигурной скобкой). Сокращается также поверхность конденсации, т.е. при тех же потоках пара толщина пленки становится больше, а это, как было показано выше, неизбежно ведет к ухудшению условий теплоотдачи. Несмотря на менее перспективные качества подобных труб, по сравнению с вертикальными трубами оптимального заполнения, они давно находят широкое использование в технике и в случае применения пароводяного наполнения обычно называются по имени их изобретателя трубами Перкинса.
Рисунок 1.15 - Тепловая труба с большим заполнением, предназначенная для эксплуатации при угле наклона Ф
Исследование работы тепловых труб с большим заполнением жидкостью показало, что их теплопередающая способность достигает максимального значения при некотором определенном угле наклона. В частности, для большинства промышленных труб Перкинса длиной до нескольких метров этот угол составляет 2-3°. При еще меньших углах наклона, прежде чем теплоотдающая поверхность начинает обнажаться от пленки, наблюдается режим неустойчивой работы трубы.
Явление неустойчивости еще более усугубляется в условиях неравномерного и быстро меняющегося подвода и отвода тепла. В этих случаях рекомендуется проводить эксплуатацию трубы при углах 3-5°.
Следует еще раз подчеркнуть, однако, что даже при оптимальном угле наклона тепловые трубы с большим наполнением характеризуются меньшей температурной однородностью, большим перепадом температуры на полной длине, меньшим коэффициентом теплопередачи, чем соответствующие вертикальные трубы с оптимальным наполнением.
Наблюдаемое рядом исследователей изменение теплопередающих свойств тепловой трубы при изменении ее наклона вызвано изменениями характера процессов, происходящих в тепловой трубе. Таких процессов по существу всего два: кипение и конденсация. Процесс кипения, а также коэффициент теплопередачи при кипении в условиях хорошо организованного отвода пузырьков пара практически не зависят от положения тепловой трубы относительно горизонтали. На процесс кипения, видимо, может оказать влияние только изменение толщины слоя жидкости при наклоне. В первом приближении предполагается, что этот эффект незначителен, если толщина слоя жидкости остается по величине большей пятикратного размера диаметра пузырька в момент отрыва. Что касается процесса конденсации и величины соответствующего коэффициента теплоотдачи, то здесь ориентация поверхности, на которой конденсируется пар, относительно направления силы тяжести, оказывает весьма существенное влияние. Если труба эксплуатируется в вертикальном положении, то поверхность конденсации располагается горизонтально. Наоборот, если труба лежит горизонтально, конденсация идет на вертикальной стенке. В частности, в этих двух крайних случаях совершенно различные условия определяют равновесную толщину и скорость стекания пленки с поверхности конденсации.
Итак, главная причина изменения параметров гладкостенной тепловой трубы с большим наполнением при различном наклоне ее к горизонту заключается в изменении условий конденсации.
В общем виде коэффициент теплоотдачи в области конденсации рассматриваемой тепловой трубы при эксплуатации ее под некоторым углом Ф к горизонту может быть представлен так:
,
где 
- коэффициент теплоотдачи конденсации при вертикальном положении элемента, n, а - постоянные, характерные для данной системы.
В частности, для тепловой трубы из нержавеющей стали диаметром 30 и длиной 224 мм с наполнением аммиаком (по объему около 26%) постоянная а равна примерно 0,26.
Весьма интересным оказались экспериментальные данные по зависимости температурного поля вдоль такой трубы от угла наклона, представленные на рисунке 1.16. В описываемом эксперименте на вход тепловой трубы подводилась тепловая мощность, равная 140 вт, а температура воды в системе охлаждения зоны конденсации поддерживалась равной 30°С.
Рисунок 1.16 - Зависимость температурных перепадов на различных участках длины тепловой трубы от угла наклона ее к горизонту (заполнение около 26% по объему)
- температурный перепад на всей трубе от поверхности теплоотвода,
- температурный перепад на центральном участке,
, 2 - температурные перепады в зоне испарения и конденсации соответственно
Уже беглый анализ представленных зависимостей позволяет отметить следующие характерные особенности. Как и следовало ожидать, величина перепада температуры в зоне испарения оказывается нечувствительной к углу наклона. Постоянной остается все время и величина падения температуры на центральном участке (порядка 1°С). Сама же абсолютная величина температуры изменяется по длине центрального участка по линейному закону. Наибольшее падение температуры имеет место в зоне конденсации, причем величина этого перепада, начиная приблизительно с угла 40°, оказывается сильно зависящей от наклона. Чем ближе к вертикали стоит труба, тем больше перепад. Именно этим перепадом и обусловливается чувствительность к углу наклона полного перепада температуры на тепловой трубе между торцевыми поверхностями. Изменение температурного поля в зависимости от угла наклона трубы качественно иллюстрируется рисунке 1.17.
Рисунок 1.17 - Изменение температурного поля вдоль тепловой трубы (заполнение около ½ оп объему) в зависимости от угла наклона к горизонту
Полный коэффициент теплопередачи через тепловую трубу при любом угле наклона описывается соотношением:
,
где 
- коэффициент теплопередачи через трубу при вертикальном положении.
Соответствующая графическая зависимость представлена на рисунке 1.18. Там же приведено изменение коэффициента теплоотдачи 
в зоне конденсации от угла наклона.
Рисунок 1.18 - Зависимость коэффициента теплоотдачи в зоне конденсации и коэффициента теплопередачи 
через тепловую трубу с большим заполнением и торцевым подводом тепла от угла наклона к горизонту
Этот коэффициент возрастает по мере приближения тепловой трубы к горизонтальному положению. По-видимому, при более вертикальном положении поверхности конденсации теплоноситель стекает легче, т.е. становится меньше равновесная толщина пленки, затрудняющая теплоотвод.
В области малых углов наклона к горизонту, которая показана на рисунке 1.18 пунктиром, как предсказывалось выше обнаружено существование оптимального наклона, при котором теплопередача через тепловую трубу достигает максимального значения.
Затем, при дальнейшем уменьшении угла наклона, после прохождения через условия максимума теплопередача опять ухудшается.
Из рисунка 1.19 легко видеть, что начиная с оптимального значения угла наклона при приближении к горизонтальному положению температурный перепад в зоне конденсации опять резко возрастает.
Как следствие, возрастает температурный перепад по всей тепловой трубе и ухудшаются ее теплопередающие свойства. Наиболее вероятные причины наблюдаемого эффекта - появление осушенных участков в зоне нагрева или сокращение поверхности конденсации в результате заполнения жидкостью. Возможно, очевидно, одновременное существование этих явлений.
тепловой кипение труба конвекция
Рисунок 1.19 - Возрастание температурного перепада в зоне конденсации при приближении тепловой трубы к горизонтальному положению
Заканчивая рассмотрение работы гладкостенных труб, целесообразно условно разделить их на две группы: трубы с оптимальным наполнением, функционирующие только в вертикальном положении, и трубы с большим наполнением, предназначенные для работы при различных углах наклона к горизонту (лучше всего работающие при некотором оптимальном угле, составляющем 2-3°).
Особенности каждой из групп качественно иллюстрируются таблицей 1.
| Тепловые трубы | Положение в пространстве | Коэффициент теплопередачи | Перепад температуры | Заполнение теплоносителем |
| гладкостенные с оптимальным наполнением | близкое к вертикальному | выше | не более 1-2оС | только в качестве, обеспечивающем смачивание всей поверхности |
| гладкостенный с большим наполнением | близкое к горизонтальному | ниже | более значительные | от 1/3 до 1/2 по объему |
Заключение
В данной работе представлен обзор работы самой простейшей тепловой трубы. Даны краткие физические основы для расчета тепловых труб.
Список литературы
1. Елисеев В.Б., Сергеев Д.И. Что такое тепловая труба? М., «Энергия», 1971. - 136 с. с ил. (Б-ка теплотехника)