Применение тепловых труб в аэрокосмической технике является важным при решении вопросов теплообмена, особенно в энергосистемах космических аппаратов. Однако, уникальные свойства тепловых труб позволяют применять их не только в холодильниках-излучателях космических аппаратов, но и в других областях техники, включая наземную солнечную энергетику. Конверсия тепловой трубы в вакуумный коллектор позволяет значительно повысить эффективность энергоустановки, но при этом приходится несколько модифицировать подходы к проектированию тепловых труб.
Основные преимущества тепловых труб:
1. Высокая эффективная теплопроводность.
2. Изотермичность теплообменных поверхностей тепловой трубы.
3. Способность передавать теплоты при плотности теплового потока в осевом направлении на несколько порядков выше, чем в устройствах, где теплота передается за счет изменения энтальпии теплоносителя.
4. Относительная простота конструкции.
Тепловая труба является устройством, которое обладает очень высокой теплопередающей способностью. Если характеризовать ее эквивалентным коэффициентом теплопроводности, то он оказывается в сотни раз больше, чем у меди. Конструктивно тепловая труба представляет собой герметичный сосуд (чаще всего цилиндрическую трубу), заполненный жидкостью-теплоносителем. Высокая теплопередающая способность ее достигается за счет того, что в тепловой трубе осуществляется конвективный перенос тепла, сопровождаемый фазовыми переходами (испарением и конденсацией) жидкости-теплоносителя. При подводе теплоты к одному концу тепловой трубы жидкость нагревается, закипает и превращается в пар (испаряется). При этом она поглощает большое количество теплоты (теплота преобразования), которое переносится паром к другому более холодному концу трубы, где пар конденсируется и отдает поглощенную теплоту. Далее сконденсированная жидкость опять возвращается в зону испарения. Самый простой способ возврата заключается в использовании силы тяжести. При вертикальном расположении тепловой трубы, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, жидкость стекает вниз непосредственно под действием силы тяжести. Такой вариант тепловой трубы называется термосифоном. Эффективность работы термосифона зависит от его ориентации относительно направления силы тяжести. Для исключения этого недостатка в тепловых трубах для возврата жидкости в зону испарения используются капиллярные эффекты. Для этого на внутренней поверхности тепловой трубы располагают слой капиллярно-пористой структуры (фитиль), по которому под действием капиллярных сил и происходит обратное давление жидкости.
Принципиальная схема тепловой трубы с фитилем изображена на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Схема тепловой трубы: 1 – медный цилиндр; 2 – капиллярная структура
По характеру капиллярной структуры фитили можно разделить на три принципиальных типа:
1. Фитиль с пористой структурой и взаимосвязанными порами (гомогенные). Под этот тип подходят тканевые (в том числе, фитили из многослойных проволочных сеток), войлочные и спеченные фитили.
2. Фитиль с открытыми канавками.
3. Фитиль с закрытыми канавками, т.е. сечение для прохода жидкости отделено от паровой фазы мелкоячеистой капиллярной структурой.
Поперечные сечения перечисленных фитилей представлены на рис. 5.2 и 5.3.
Рис. 5.2. Поперечные сечения однородных фитилей:
а – многослойная сетка; б – спеченный металлический порошок; в – открытые осевые канавки; г – кольцевой фитиль; д – серповидный фитиль; е – артерия
Рис. 5.3. Поперечные сечения составных фитилей:
а – составной фитиль; б – каналы, покрытые сеткой
Использование тепловых труб в солнечных коллекторах повышает надежность их в целом, так как выход из строя отдельных элементов не прекращает передачу энергии, также неосуществима возможность сброса тепла из системы. Гелиоколлектор с тепловыми трубами имеет средние энергетические характеристики выше, чем у конвективного с автоматическим регулированием расхода теплоносителя.
Для ламинарного течения жидкости в фитиле, когда влиянием сил инерции можно пренебречь, потери давления Δ ρж из-за действия сил трения и гравитации определяются по закону Дарси:
(5.1)
где 
– эффективная длина тепловой трубы, которая вводится для учета поперечного потока массы жидкости в зонах испарения и конденсации; k – проницаемость пористой структуры; ψ – угол наклона ТТ к горизонту; ρж, ηж – плотность и коэффициент динамической вязкости жидкости соответственно; S – площадь поперечного сечения пористого тела; 
– массовый секундный расход жидкости.
Знак «±» в уравнении (5.1) учитывает расположение зон испарения и конденсации относительно друг друга в пространстве. Знак «±» используется в случаях, когда зона конденсации расположена ниже зоны испарения.
Бесперебойная работа ТТ может быть достигнута лишь при условиях, когда перепады давлений, обеспечивающие перемещение жидкости по фитилю Δ ρж и пара в паровом канале Δ ρп, будут равны или больше перепадов давлений, которые необходимы для преодоления сил трения, инерции и гравитации при движении жидкости и пара. Силой инерции для жидкости и силой гравитации для пара ввиду их малого влияния, как правило, пренебрегают.
В настоящее время существуют несколько методов расчета тепловых труб, но ни один из них не является общепризнанным. Это объясняется сложностью явлений в ТТ, влияние которых трудно учесть.
Для расчета высокотемпературных тепловых труб сравнительно часто используют линеаризованную модель Шиндлера и Веснера. В указанной модели предполагается линейный характер изменения градиентов давления и температуры в жидкости и паре между зонами испарения и конденсации. Режимы течений жидкости и пары принимаются ламинарными и подчиняющимися закону Пуазейля. Из-за малости градиентов температуры и давления по длине тепловой трубы принимаются постоянными следующие величины: 
. Допустим, что ТТ работает в состоянии невесомости и не имеет транспортной зоны. Тогда из уравнения (5.1) получим:
. (5.2)
Примем 
. Окончательно получим:
(5.3)
где G – объемный расход жидкости; r – средний эффективный радиус поперечного сечения капилляра фитиля.
Для круглого канала 
, как следствие, массовый секундный расход жидкости через него определяется выражением вида:
(5.4)
Из предположения о том, что тепловой поток, участвующий в фазовых превращениях, без потерь передается ТТ, найдем:
(5.5)
где λ – скрытая теплота парообразования.
Подставим соотношение (5.4) в уравнение (5.5):
(5.6)
где 
– температура и соответственно давление насыщенного пара.
Проницаемость k в выражении (5.1) учитывает размер пор, их извилистость и распределение. Параметр k представляет собой эффективную площадь поперечного сечения в пористом теле для прохождения жидкости и определяется для различных структур в соответствии с соотношениями вида:
· Для капиллярных структур из шариков:
(5.7)
где dш – диаметр шарики; ε – пористость фитиля.
· Для сетчатых фитилей:
(5.8)
где dпр – диаметр проволоки.
· Для металловойлока и тканевого материала:
(5.9)
· Для сеточных фитилей величина параметра k, как правило, выбирается из следующего диапазона значений: (2-6)ꞏ10-10 м2.
Пористость ε задается отношением объема пустот к объему фитиля:
(5.10)
где 
– масса и объем фитиля; 
– плотность материала каркаса фитиля; 
– фактор, при помощи которого учитываются изгибы проволоки.
Для идеального газа перепад давления Δ ρп и температурный перепад Δ Т при заданной рабочей температуре тепловой трубы связаны уравнением Клапейрона – Клаузиуса:
(5.11)
Подставим выражение (5.11) в соотношение (5.6):
(5.12)
Уравнения (5.6) и (5.12) позволяют рассчитывать рабочие характеристики тепловых труб 
и 
при заданных геометрических размерах ТТ и капиллярной структуры.
Расчет выполняется в следующей последовательности:
1) задается средняя рабочая температура тепловой трубы Т, по которой выбираются теплофизические параметры жидкого и парообразного теплоносителей;
2) при заданной температуре Т (Т = const) определяется Q в зависимости от температурного перепада Δ Т (Q = f (ΔT));
3) задаваясь целым рядом рабочих температур тепловой трубы и определяя зависимость ее теплопередающей способности от Δ Т для каждого значения заданной температуры, получают рабочие характеристики .