ИДЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

© Ю.П.Саламатов, Красноярск, 2000
Охраняется законом РФ об авторском праве. Воспроизведение рукописи или любой ее части запрещается без письменного разрешения авторов.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ГЛАВА 1. ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ: СИНТЕЗ СИСТЕМЫ, ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

1.1. ТЕПЛОВАЯ ТРУБА КАК ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА: ФУНКЦИИ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА.

1.1.1. Общая часть.

Впервые термин "тепловая труба" был предложен Гровером Г.М. и использован в описании к пат. США 3 229 759 (02.12.1963, Комиссия по атомной энергии США) и в статье "Устройство, обладающее очень высокой теплопроводностью" (Гровер Г.М. и др. J.Appl. Phys., 1964, 35, р. 1990 - 1991).

Эта статья была первой публикацией по тепловым трубам; в ней излагались предварительные результаты обширной программы исследований, выполненных Гровером с сотрудниками в Лос-Аламосской лаборатории в последующие годы. Рост количества публикаций в первое десятилетие: 1964 - 1, к 1968 - 80, к 1970 - 149, к 1972 - 544; в 1973 в Штутгарте (ФРГ) состоялась 1-я Международная конференция по тепловым трубам (с участием СССР).

Однако патент Гровера не был первым патентом по тепловым трубам. В результате поисков бюро патентов США было выявлено семь других патентов, включая патент Гоглера (1942), близких по технической сущности к пат. Гровера. Несмотря на это патент Гровера был принят.

Впервые идея тепловой трубы была предложена Гоглером (ф-ма Дженерал Моторс корп.) и описана в пат. США 2 350 348 (заявл. 21.12.1942, опубл. 6.06.1944), выданном на холодильный агрегат и его варианты.

Первой фирмой, развернувшей серийное производство тепловых труб (с середины 1964), была RCA; в качестве материала корпуса использовались стекло, медь, никель, нержав. сталь, молибден; в качестве рабочей жидкости - вода, цезий, натрий, литий и висмут; максимальная рабочая температура достигала 1650°С.

Первая статья обзорного характера по тепловым трубам в СССР вышла в 1969 (Москвин Ю.В., Филиппов Ю.А. Тепловые трубы. "Теплофизика высоких температур", 1969., т.7, № 4, с. 766-775 ).

К 1965 была развернута программа исследований Евратома по применению тепловых труб в термоионных преобразователях ядерной энергии (подвод теплоты к эмиттерам 1600°С - 1800°С и отвод теплоты от коллекторов - 1000°С) в Объединенном ядерном исследовательском центре (Испр, Италия).

В 1967 тепловая труба была впервые испытана на космическом спутнике на околоземной орбите (корпус - нержавеющая сталь, рабочая жидкость - вода, электрообогрев), а в 1968 - впервые применена для теплового регулирования спутника "Геос - Б" (две тепловые трубы, корпус -алюминиевый сплав, фитиль - алюминиевая сетка, рабочая жидкость - фреон-11; назначение - снижение до минимума разности температур между ответчиками, расположенными в разных частях спутника).

В последующие годы сфера применения тепловых труб резко расширилась: от авиации, радиоэлектроники и гелиотехники - до бытовой техники и криохирургии. Это объясняется универсальностью применения теплового поля в современной технике в составе теплофизических структур (теполей) - от простых веполей с прямым использованием теплового поля до цепных и сложных веполей с многоступенчатыми процессами преобразования энергии.

Цель использования тепловой трубы в конкретной технической системе диктуется этой ТС (являющейся надсистемой для ТС "Тепловая труба") и обусловлена требованиями главного производственного процесса (ГПП). Тепловая труба является устойчивым высокоэффективным сочетанием нескольких физических эффектов (ФЭ) и, как любой ФЭ, обладает рядом основных и вторичных (побочных) свойств.

Области использования основных свойств можно условно разделить на шесть классов:

1. Теплопередача (нагрев или охлаждение).
2. Пространственное разделение источника и стока теплоты при теплопередаче.
3. Термостатирование.
4. Трансформация теплового потока.
5. Регулирование температуры.
6. Тепловые диоды и выключатели.

Основные достигнутые характеристики современных тепловых труб:

Рабочий диапазон температур	4 - 2300°К
Скорость теплопередачи	звуковой предел
Мощность теплопередачи	до 20 квт/см2
Ресурс работы	20 000 ч

Таким образом, тепловая труба, являясь высокоэффективной и надежной технической системой, перекрывает весь практически значимый для современной техники диапазон температур.

Скорость и мощность теплопередачи даже в самых простых тепловых трубах (рабочая жидкость - вода, температура - 150°C, фитиль - несколько слоев сетки) в сотни раз превышает теплопередачу по медному стержню того же диаметра.

ТТ-1². Гровер на одной из демонстраций принципа действия тепловой трубы, перед журналистами, показал такой впечатляющий опыт: один конец ТТ ввел в электрическую дугу, второй конец опустил в емкость с водой; вода мгновенно закипела. А поливая конец трубы жидким азотом - заморозил воду…

1.1.2. Принцип действия тепловой трубы.

Непосредственным предшественником ТС-ТТ был термосифон, поэтому полезно рассмотреть вначале принцип действия этого устройства.

ТТ-2. Термосифон.

Внутрь корпуса вводят небольшое количество жидкости, откачивают воздух и герметизируют (запаивают). При подводе тепла к зоне испарения жидкость переходит в пар, давление насыщения паров в этой зоне резко повышается, пар движется вверх в зону с меньшим давлением, конденсируется и стекает по стенкам вниз. Необходимым условием работы является отвод тепла от зоны конденсации. Недопустим также перегрев в зоне испарения - может наступить кризис кипения (вся жидкость испарится) и теплопередача пойдет по стенкам термосифона.

Следует отметить, что термосифон способен обеспечить большую мощность теплопередачи даже при малой разности температур между его концами, т.к. скрытая теплота парообразования у жидкостей велика.

Отличительной особенностью этой системы теплопередачи является способ возврата конденсата - под действием гравитационного поля. Поэтому термосифон может работать только тогда, когда зона испарения находится ниже зоны конденсации.

Для обеспечения возврата конденсата в зону испарения при любой ориентации системы теплопередачи потребовалось заменить гравитационное поле каким-то другим, но, желательно, таким же "бесплатным". Это и было осуществлено при изобретении новой системы - тепловой трубы.

ТТ-3 Пат. США 2 350 348 (1942) Тепловая труба Гоглера. Цель изобретения: "... обеспечение поглощения теплоты, или другими словами, испарения жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора".

ТТ использована для отвода тепла из внутреннего отделения холодильника вниз в поддон, заполненный кусками льда. Техническая идея Гоглера не вышла за рамки патента, т.к. фирма General Motors Corp применила другую, более доступную в то время технологию.

Таким образом, в качестве сил поднимающих конденсат против сил гравитации, были использованы капиллярные силы, возникающие при смачивании рабочей жидкостью капиллярно-пористого материала (КПМ) - фитиля.

ТТ-4. Пат. США 3 229 759 (1963) Тепловая труба Гровера.

Корпус из нержавеющей стали, фитиль - проволочная сетка, рабочая жидкость - натрий, литий, серебро.

Это классический тип тепловой трубы с использованием капиллярного эффекта, который обеспечивает независимость положения зоны испарения в гравитационном поле. Однако эта независимость далеко не беспредельна. Поэтому кроме гравитационных (термосифон) и капиллярных (классическая ТТ) сил в современных типах ТТ применяют центробежные, электростатические, магнитные, осмотические и другие виды полей для возврата конденсата.

1.1.3. Конструкция тепловой трубы.

Наиболее распространенный тип тепловой трубы - ТТ Гровера - состоит всего из трех элементов: корпус, рабочая жидкость, КПМ.

Корпус - обеспечивает изоляцию рабочей жидкости от внешней среды, должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами, обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее.

Материал - обычно используют нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, медь, стекло, бронзу; пластмассы (гибкие ТТ), керамику (высокотемпературные ТТ).

Сечение - круглое или прямоугольное.

Диаметр: минимальный диаметр ТТ должен быть таким, чтобы внутренний диаметр зоны транспорта пара исключал действие капиллярных сил, т.е. чтобы паровой канал не превратился в капиллярный; максимальный - принципиальных ограничений не имеет.

Рабочая жидкость:

• обеспечивает главную полезную функцию системы,

• должна иметь точку фазового перехода жидкость-пар в требуемом диапазоне рабочих температур,

• не должна разлагаться при этих температурах,

• должна обладать достаточно большой скрытой теплотой парообразования,

• должна хорошо смачивать материал фитиля и корпуса,

• должна иметь низкое значение вязкости жидкой и паровой фаз,

• должна иметь высокую теплопроводность и высокое поверхностное натяжение.

В зависимости от интервала температур могут быть использованы самые различные вещества приведенные к жидкой фазе - от сжиженных газов до металлов: гелий (-271 ... -269°C), аммиак (-60 ... +100°C), фреон-11 (-40 ... +120°C), ацетон (0 ... +120°C), вода (30 ... 200°C), ртуть (250 ... 650°C), натрий (600 ... 1200°C), серебро (1800 ... 2300°C) и -т.д.

Большое поверхностное натяжение жидкости необходимо для создания достаточно большого капиллярного напора для хорошей работы против сил гравитации. Для хорошего смачивания корпуса и фитиля жидкость должна иметь краевой угол смачивания близким к нулю. Чем выше скрытая теплота парообразования, тем меньше потребуется жидкости. Жидкость с высокой теплопроводностью сведет к минимуму перепад температур между стенкой и поверхностью испарения (тем меньше вероятность возникновения пузырькового кипения на границе фитиля со стенкой корпуса). Чем меньше вязкость жидкости, тем меньше гидравлическое сопротивление ее течению.

Капиллярно-пористый материал (фитиль) - обеспечивает создание капиллярного напора для перемещения жидкости из конденсатора в испаритель и равномерного распределения ее по всей зоне испарения.

К материалу предъявляются противоречивые требования:

• он должен быть мелкопористым для создания максимального напора и он должен быть крупнопористым для увеличения проницаемости (по жидкости); в связи с этим в условиях работы против сил гравитации практически не используется ТТ длиной более 1 м;

• слой КПМ вдоль стенок должен быть толстым для увеличения расхода жидкости (увеличение теплопередачи) и должен быть тонким дли уменьшения термического сопротивления фитиля в радиальном направлении (с целью увеличения плотности теплового потока в испарителе).

Наиболее часто используют металлические сетки, металлические ткани саржевого плетения, спеченные металлические порошки, металлический войлок. Металлы: медь, никель, титан, фосфористая бронза, нержавеющая сталь.

1.1.4. Функция, основные свойства и области работы ТТ.

Классическая ТТ имеет одну - главную полезную функцию (ГПФ) -теплопередача в осевом направлении между двумя разделенными в пространстве точками.

Для нормальной работы ТТ необходимо, чтобы режимы работы всех ее элементов не достигали критических величии.

Подвод тепла может осуществляться любым известным способом (открытым пламенем, теплообменом с нагретым телом, электрическим током, ИК-лучами, электронной бомбардировкой и др.). При этом из-за термического сопротивления стенки будет обычный перепад температур между источником тепла и рабочей жидкостью. Температурный предел зависит только от термо- (хладо)-стойкости материала корпуса.

Зона испарения. Плотность теплового потока не должна превышать некоторого значения, при котором может наступить кризис теплоотдачи (осушение фитиля, когда КПМ не успевает подавать новые порции жидкости в зону испарения).

Зона конденсации. Существует два типа конденсации - капельная или, чаще, пленочная. Обычно пар конденсируется на поверхности пленки жидкости. Между этой поверхностью и наружной поверхностью стенки существует небольшой перепад температур (т.е. температура стенки ненамного, но отличается от температуры пара). Поверхность ТТ в зоне конденсации обладает интересным свойством - изотермичностью, т.к. эта поверхность работает практически при постоянной температуре (близкой к температуре фазового перехода пар-жидкость). Если на каком-то участке возникает местный тепловой сток, то количество конденсирующегося в этом месте пара увеличивается и температура поддерживается на прежнем уровне.

Зона транспорта пара. В зоне испарения создается избыточное давление насыщения пара, которое расходуется на разгон пара до осевой скорости, на преодоление силы трения парового потока на поверхности фитиля и на преодоление сил вязкости пара. Вследствие этого, давление по длине ТТ, от зоны испарения падает. В среднем участке трубы давление стабилизируется (адиабатный участок). В зоне конденсации давление восстанавливается почти до величины давления в зоне испарения. Практически, потери давления в простых ТТ связаны только с преодолением вязкостных сил.

Некоторые явления, ограничивающие область работы ТТ.

• Срыв жидкости. Направление движения пара и жидкости в ТТ противоположны. Поэтому на поверхности раздела фитиль - паровой поток на жидкость действуют касательные напряжения - возможен срыв капель. Унос капель жидкости наступит тогда, когда скоростной напор пара превысит силы поверхностного натяжения жидкости. Установлено, что чем тоньше сетка (чем меньше шаг проволочек), тем менее вероятен унос капель;

• Ограничение мощности ТТ по вязкости. При низких температурах преобладающими являются силы вязкости в паровом потоке: чем они выше, тем меньше скорость пара и мощность теплопередачи. Установлено, что для увеличения скорости пара достаточно снизить давление (в идеале до нуля) в зоне конденсации, т.е. снизить температуру этого конца ТТ.

• Звуковой предел. Снижение давления (температуры) в зоне конденсации и повышение температуры в зоне испарения как бы повышает "разность потенциалов" между концами ТТ, тем самым повышая скорость движения пара. Однако существует физический предел - скорость звука - при достижении которого уже никакое увеличение "разности потенциалов" не приводит к увеличению скорости пара. Достигается состояние, которое носит название "запирание" канала ТТ. При этом, если продолжать и далее уменьшать температуру в зоне конденсации, то ТТ потеряет свойство изотермичности - по ее длине будет наблюдаться значительный градиент температур.

• Капиллярное ограничение (ограничение по смачиванию фитиля). При возрастании теплового потока в зоне испарения должен возрастать приток жидкости по фитилю. Предельная величина притока жидкости зависит от типа конструкции фитиля.

• Кризис теплоотдачи. Для неметаллических жидкостей характерно возникновение пузырькового кипения в фитиле зоны испарения. Это затрудняет отвод образующегося на греющей поверхности пара через толщу фитиля, а, следовательно, ограничивает мощность теплопередачи (например, предел мощности для воды - 130 кВт/м², для калия - 315 кВт/м².

1.2. ПЕРИОД СИНТЕЗА ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ.

1.2.1. Общая часть.

Итак, тепловая труба как техническая система полностью сформировалась к 1963, в следующем году началось её массовое применение (точка на S - образной кривой - см. ниже [1]), дальнейшее развитие подсистем и развитие системы в целом в других надсистемах.

Основным методом исследования в теории развития технических систем (ТРТС) является метод детального изучения всех этапов и особенностей исторического развития конкретной технической системы с целью выявления ранее неизвестных закономерностей развития техники.

Предварительный анализ информационного фонда показал, что ТС проходят, по крайней мере, три основных этапа:

• период синтеза ТС,
• период массового применения,
• период развития всех веществ и подсистем ТС.

Причем только первый период идет совершенно самостоятельно, не смешиваясь с процессами развития других ТС, остальные же два периода совмещены во времени и оказывают друг на друга взаимное влияние.

Пристального внимания заслуживают все указанные периоды. В данной работе предпринята попытка более или менее подробного описания этих этапов развития с позиций ТРИЗ.

1.2.2. Реконструкция процесса синтеза ТТ.

С чего начался процесс синтеза? Как он проходил? Каковы его особенности? Что было движущей силой этого процесса? Что толкало изобретателей вести поиск именно в этом направлении? Что помогало преодолевать возникающие противоречия? Почему была создана именно такая, а не иная техническая система?

Попытка ответить на эти вопросы привела нас к убеждению, что здесь, наиболее рациональным было бы применение метода исследования, который можно условно назвать "метод реконструктивной скважины". Он основан на следующих положениях:

1. Развитие техники, как и любых других материальных объектов, является объективным процессом, имеющим определенную цель и, следовательно, ход этого процесса должен был привести к созданию одной единственной технической системы (или к очень малой группе близких по технической сущности ТС).

2. Цель этого процесса нам известна (тепловая труба), следовательно, можно обратным ходом по некоему стержню развития дойти до изначальной точки (как бы дойти до "дна скважины").

3. Для уточнения реконструированного процесса синтеза, отбрасывания лишнего, случайного, следует еще раз, но уже прямым ходом, пройти путь от начала до конечной цели (ориентир - ТТ).

Такое исследование было проведено, в нем использовалась та часть картотеки, которая относилась к "доисторическому" периоду, т.е. до момента появления ТТ Гоглера. Это исследование не претендует на полноту (т.к. оно не входило в первоначальную цель исследований по данной ТС и картотека не собиралась специально по этому разделу), однако оно позволило выявить общие, характерные черты процесса синтеза ТТ.

С чисто технической точки зрения установление точек (технических решений) на линии развития, предшествующей моменту создания ТТ, не представляет затруднений. Достаточно расположить эти точки по убывающей линии, т.е. по линии последовательного исключения элементов (подсистем, подподсистем и веществ) составляющих классическую ТТ. Появление элементов в процессе синтеза логически строго обосновано. Каждый из этих микрошагов представляет собой маленький качественный скачок развития - он хорошо заметен. В самых общих чертах обратный ход (против стрелок) можно представить такими крупными шагами:
ТТ <- термосифон <- открытая труба <- одно рабочее вещество <- несколько случайных веществ.

Но уже на следующие вопросы: а что было до "нескольких случайных веществ"?, что было движущей силой процесса синтеза, заставило пройти ТС по этим точкам? - ответить сложнее. Здесь возможен только один подход - с позиций материалистической диалектики.

Процесс развития техники, как разновидность движущейся материи, подчиняется некоторым всеобщим законам и должен иметь какие-то специфические особенности. Этот процесс возник одновременно с общественной формой движения материи, носителем которой является человек. Техника - промежуточное звено между обществом и природой. Общество и природа являются внешней средой для техники в целом (техносферы). Для конкретной же ТС в понятие "внешняя среда" входит также и над-система, составной частью которой она (ТС) является.

Универсальной причиной изменения и развития всех материальных объектов является борьба и единство противоположностей. Причем изменение и развитие происходит не вследствие внешнего толчка как одностороннего действия, (например, "претензии" внешней среды к технической системе), а в силу взаимодействия и противоречия (между внешней средой и ТС). Поскольку техника является многоранговой иерархической системой и понятие "техническая система" относительно, то все это относится и к рангам подсистем и веществ.

Удобно разложить момент "взаимодействие и противоречие" на ряд элементарных актов:

1. Новая ТС (т.е. измененная в соответствии с претензиями ВС предыдущая ТС) входит в контакт с ВС, т.е. начинает работать. Эта часть взаимодействия почти непротиворечива (ТС испытывает слабые толчки, претензии от ВС, которые не полностью удовлетворены предыдущим изменением ТС, плюс небольшие "напряжения", противоречия в самой ТС). Если такое, почти равновесное, взаимодействие сохраняется длительное время, то ТС испытывает только процесс "старения", её организация медленно разрушается и в конце концов приходит в состояние полного равновесия с ВС (прекращает функционировать).

2. Если ТС вывести из состояния равновесия, т.е. попытаться увеличить ее полезную функцию (не меняя ее организацию и структуру), то вначале медленно, а затем все быстрее начнет расти антагонистическая сторона взаимодействия, будут усиливаться старые и возникнут новые противоречия. Какой-то период ТС выдерживает натиск разрывающих ее противоречий (пока есть ресурс компенсирующий претензии).

3. При дальнейшем увеличении полезной функции наступит критический момент - ТС не выдерживает претензий ВС и внутренних противоречий. Происходит падение уровня полезной функции, в ТС ломается организация и структура.

4. В зависимости от силы противоречия и дальности рывка полезной функции вперед происходят те или иные разрушения внутри ТС.
   Степень последующего изменения ТС, т.е. величина качественного скачка в ее развитии, прямо зависит от степени произошедших разрушений. (Поясняющий пример. Допустим, при попытке повысить скорость движения автомобиля выше предельной на 5 км/час от возникшей вибрации разрушилось боковое стекло - эта подсистема и будет изменена; если же скорость попытались увеличить сразу на 50 км/ч, то произойдут гораздо более серьезные разрушения, при которых необходимо будет изменять уже основные системы автомобиля). Другими словами, при небольшом увеличении полезной функции претензия "ударит" по системам самого низшего ранга (вещества и их подуровни), а при больших - по ТС в целом.

5. Только по результатам разрушений в ТС становится ясно, где находится слабое звено системы, что именно не выдерживает дальнейшего увеличения полезной функции. Это место в системе ("горячая" точка) и есть оперативная зона в которой требуется произвести изменения. Чем сильнее противоречие в этой точке, тем труднее задача на изменение, тем более сильное "аризное" решение требуется. Разрешение противоречия приводит к изменению ТС, антагонизм во взаимодействии с ВС снимается, наступает состояние близкое к равновесному. Чем более сильным было разрешенное противоречие, тем больший ресурс имеет измененная ТС, тем длительнее состояние близкое к равновесию.

6. Но потребность в увеличении полезной функции ТС никогда не исчезает...

   Цикл развития повторяется.

Через несколько таких циклов система может настолько сильно изменится, что, на первый взгляд, не будет иметь ничего общего с первоначальной. В ней могут полностью измениться или исчезнуть вещества и подсистемы, появиться новые... Где же критерий, по которому конкретную ТС можно отнести к той или иной линии развития?

Единственным неизменным признаком ТС, по которому ее можно безошибочно классифицировать, является - главная полезная функция (ГПФ) технической системы. У каждого ранга систем (вплоть до вещества и его подуровней) есть свои (одна или несколько) полезных функций (ПФ), направленных, в конечном итоге, на выполнение одной - главной! - полезной функции системы в целом. Если ПФ в технике бесчисленное множество, то ГПФ систем не так уж и много - они являются отражением общественных потребностей. Иными словами, любая ТС является материальным воплощением какой-либо общественной потребности. Причем наиболее полно (почти один к одному) общественная потребность отражается в ГПФ надсистемы, более или менее точно в ТС и все менее точно, преломляясь, в системах низшего ранга. На уровне вещества и ниже уже трудно определить принадлежность ПФ к какой-либо ГПФ.

Таким образом, постоянный рост потребностей вызывает необходимость в постоянном увеличении ГПФ.

Еще одним необходимым условием развития ТС является постоянный рост научных знаний. Именно из области знаний привлекаются средства для разрешения противоречий. Чаще всего наука обеспечивает опережающий рост знаний, тогда основная проблема при решении задач - быстро сориентироваться и применить нужный эффект или явление. Реже новое знание возникает в процессе поиска путей разрешения противоречий в ТС. Собственно поиск новых знаний (решение открывательских задач) в общих чертах похож на процесс развития технических систем: чем более сильные противоречия в материальных системах (природных, биологических, социальных) удастся создать исследователям, тем более сильный "ответ" они получат.

1.2.3. Пояснение к схеме синтеза ТТ.

Суммируя вышесказанное можно коротко записать последовательность воздействия элементарных актов на процесс развития ТС (для одного цикла развития):

• увеличение ГПФ системы,
• удар претензии в ТС, разрушение одного из уровней,
• разрешение противоречия с привлечением средств из области знаний, изменение ТС,
• увеличение ГПФ системы,
  и т.д.

На рис. 4 представлено схематичное изображение процесса синтеза тепловой трубы.

По горизонтали схема делится на 6 полос:

• претензии внешней среды,
• тип системы,
• схематичное изображение системы,
• характеристика изменений,
• ГПФ (потребность),
• развитие знаний.

Вертикальными линиями отмечены скачки в развитии ТС, они отделяют одно качественное изменение в системе от другого.

Перед первой вертикальной линией изображена изначальная точка развития, досистемный период.

Рассмотрим этот участок схемы подробнее.

Итак, "вначале было слово", т.е. возникла потребность - идея ГПФ.

ГПФ - теплопередача между двумя точками какой-либо ТС. Точки разделены в пространстве и не обязательно обе точки фиксированы. Например, имеется нагретое тело (источник тепла), от которого надо отвести теплоту в окружающее пространство или в другую часть системы (кузнечное дело, процесс приготовления пищи, теплоснабжение и т.д.)

ОБОЗНАЧЕНИЯ (к рис. 4)

Г - газ
Ж - жидкость
Тв - твердое вещество
ЖГ - жидкость из газа (сжиженный газ)
ЖТв - жидкость из твердого вещества (жидкий металл)
П - пар
Ж/П - фазовый переход "жидкость - пар"

В - вещество
В_раб - рабочее вещество
Т - тепло
Тп - теплопередача (тепловой поток)
ИВ - идеальное вещество
ТС - техническая система
ПС - подсистема
ГПФ - главная полезная функци

Тр - труба
ТК - труба с капиллярами
ЗТ - закрытая труба
Тс - термосифон
АТс - антигравитационный термосифон
ТсР - термосифон с регуляцией
ТТ - тепловая труба
КПМ - капиллярно-пористое вещество
Р_раб - рабочее давление

Первое, что было использовано для выполнения ГПФ - случайные вещества естественного или искусственного происхождения: газ (окружающий воздух), жидкость (вода), твердые тела (металлы и пр.). Если бы ГПФ не изменилась, т.е. не потребовалось бы увеличение теплопередачи, то все осталось бы без изменений.

Появление новых технологических процессов потребовало увеличения теплопередачи. При попытке увеличения ГПФ у случайных веществ стали все явственнее проявляться побочные, вредные свойства. Произошла дифференциация свойств на полезные и вредные (лишние).

Известно, что в газе теплопередача идет преимущественно за счет конвекции (архимедова сила выталкивает вверх нагретый слой газа, на его место тут же поступает свежая порция), в жидкости за счет конвекции и теплопередачи (непосредственная передача энергии от частиц - молекул, атомов, - обладающих большой энергией, частицам с меньшой энергией), а в твердых телах (например, металлах) - только за счет теплопередачи.

Для увеличения скорости и мощности теплопередачи потребовалось максимально усилить полезные и исключить вредные свойства. Идеальный теплоноситель должен обладать высокой подвижностью, теплопроводностью и теплоемкостью, сопротивление теплопередаче при контакте с источником тепла должно быть очень низким (молекулы теплоносителя должны быть на минимальном расстоянии от источника тепла) и, наконец, теплоноситель должен обладать не просто высокой подвижностью, а подвижностью против сил гравитации. Можно, хотя бы приблизительно (качественно), оценить эти свойства по условной трехбалльной шкале (3 - хорошо, 2 - удовлетворительно, 1 - плохо):

Здесь заметно явное смещение полезных свойств в сторону жидкости и газа. Причем, чтобы совместить нужные свойства жидкости (Ж) и газа (Г) стали использовать первый физэффект - фазовый переход жидкость-газ. В качестве жидкости, в зависимости от требуемых рабочих температур, возможно применение также сжиженных газов (ЖГ) и жидких металлов (ЖТв). Так было найдено первое идеальное вещество (ИВ-1) будущей технической системы.

Для теплопередачи использовался только односторонний фазовый переход (Ж-Г), главное было - отбор тепла от нагретого тела и рассеивание тепла в окружающем пространстве за счет конвекции. Это мешало работе других ТС и человеку. Для создания направленного конвекционного потока потребовалось ввести пограничный слой (стенки трубы), тогда тепловой поток рассеивался за пределами работающей ТС.

При дальнейшем увеличении теплопередачи возникла необходимость точного регулирования расхода жидкости к поверхности испарения. Количество подаваемой жидкости должно быть всегда равно количеству испаряемой, независимо от колебаний притока тепла. Теплопередачу снижает и избыток и недостаток жидкости.

ТТ-5. Пат. США 2 279 548 (1938). Труба для испарения жидкости, содержащая капиллярные канавки для раздачи жидкости и ее испарения в парогенераторах.

Далее пар, как аккумулятор тепла, использовался в различных технологических процессах. Но не рационально было безвозвратно терять пар, полученный из специально подготовленной жидкости (например, вода обессоливалась для предотвращения образования накипи).

В закрытой трубе пар превратился только в переносчик тепла от нагретого конца к холодному. При исключении из внутренней среды закрытой трубы воздуха, мешающего паровому потоку, был синтезирован термосифон (см. ТТ-2) - прообраз тепловой трубы.

Следующей технической системой, продолжающей линию развития, должен быть антигравитационный термосифон (по логике развития, а не по времени создания).

ТТ-6. Д.Чисхольм, США, 1974 Антигравитационный термосифон (диаметр термосифона - 2 см, трубы - 1 см, вода 100°C, плотность осевого потока тепла - 1,2 кВт(см2 , высота - 10 калибров).

Трехступенчатый термосифон (паровой насос) теоретически может обеспечить теплопередачу 14 кВт по вертикали на расстояние 10 м при работе на воде с рабочей температурой 100°C.

Попыткой усовершенствования термосифона была облицовка зон испарения и конденсации капиллярно-пористым материалом для обеспечения равномерного, с заданным расходом, распределения жидкости в рабочих зонах.

Гоглер (см. ТТ-3), создавая новую техническую систему - тепловую трубу, основное внимание уделил главной проблеме - возврату жидкости из зоны конденсации против сил гравитации "без дополнительных затрат на подъем жидкости". Видимо, поэтому фитиль занимает основную часть внутреннего объема ТТ.

В ТТ Гровера этот недостаток исправлен за счет перераспределения объема фитиля (КПМ размещен вдоль стенок), теперь он не мешает паровому потоку передавать энергию достаточной мощности.

1.3. ВЕЩЕСТВЕННО-ПОЛЕВАЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ.

На протяжении всего периода синтеза ТТ обращает на себя внимание одна особенность, характерная, впрочем, и для последующих периодов развития. При любой очередной попытке изменения системы, т.е. введения новых В, подсистем (ПС) и полевых связей между ними, всегда должно выполняться условие их совместимости. Коротко основные требования к совместимости материалов и подсистем ТТ приведены на рис. 6 (подробно см. [4] с. 94-104).

Увеличение ГПФ возможно двумя способами:

• выявлением новых нужных свойств и усилением полезных функций В и ПС;
• исключением вредных свойств и связей в В и ПС.

Использование второго способа - это и есть стремление к достижению ВПФ - совместимости.

Введение новых элементов в ТС сопровождается введением новых ПФ, которые могут вступить в конфликт с ПФ имеющихся элементов. Конфликт разыгрывается на уровне свойств вещества: чем он сильнее, тем меньше выигрыш в ГПФ (чаще: уменьшение ГПФ). Противоречие: для выполнения требуемой ПФ подсистемы необходимо введение новых веществ с нужными свойствами, а для выполнения ГПФ системы эти вещества не нужно вводить.

Разрешение противоречия - переход к одному веществу (идеальному веществу - ИВ), т.е. к работе его подуровней (много веществ в одном веществе). ПФ достигает максимума у идеального вещества (идеального - для данного цикла развития).

Таким образом, несовместимость свойств веществ является одним из двигателей развития вещества в ТС. Полная ВПФ-совместимость достигается на какой-то момент времени в ИВ, но ГПФ системы растет, появляется потребность в новых ПФ, В, ПС и равновесие вновь нарушается.

Круг вопросов связанных с ВПФ-совместимостью требует дополнительной, более детальной, разработки. Видимо, закон согласования ритмики систем является частным случаем более общей закономерности. Но уже сейчас при решении изобретательских задач нельзя не учитывать требования совместимости. При введении в систему новых В, физических и химических эффектов часто не обращается внимание на возможность возникновения вредных связей и свойств в какой-либо части (или уровне) системы; причем нежелательные явления, снижающие ГПФ системы, могут возникать на значительном удалении от оперативной зоны (в которой достигнуто идеальное решение).

1.4. ПЕРИОД МАССОВОГО ПРИМЕНЕНИЯ.

Каков итог периода синтеза тепловой трубы? Что достигнуто за несколько циклов развития системы в направлении увеличения ГПФ?

Создана новая моно - ТС. Характерные признаки такой системы:

1. наличие идеального вещества (одного или нескольких) и пограничного слоя;

2. высокое значение ГПФ (достигнут значительный качественный скачок);

3. исчерпаны физические возможности принципа, на котором основана работа системы (число Маха: М = 1);

4. система представляет собой простой веполь (два вещества и поле)³, причем поле, являющееся основной продукцией работающей ТС, само себя переносит (обслуживает).

Только с момента синтеза моно - ТС начинается период массового применения технической системы. Резкое увеличение ГПФ, вытеснение лишних веществ, подсистем и связей делает систему узко специализированной. В то же время высокоэффективная специализированная ТС становится универсальной подсистемой других систем, она обладает максимальной применимостью. Волна применимости этой моно-ТС, возникнув в теплотехнике, быстро продвигается во все более отдаленные области техники - этот процесс еще далеко не закончен.

Анализ информационного фонда показал, что в период массового применения с тепловой трубой происходят одновременно два противоположно направленных процесса.

1. Процесс постепенного "растворения" ТТ в других технических системах. При этом ТТ поглощается системой, выполняющей ГПП - главный производственный процесс для данной системы.
2. Процесс "кристаллизации", увеличения количества одновременно действующих ТТ, создание собственной надсистемы с новой организацией и структурой.

Первый процесс показан на рис. 7. В этом процессе характерны три способа применения (эксплуатации) моно-ТС - тепловой трубы:

• прямое использование ТТ без изменений.
• использование с внутренними изменениями,
• использование путем совмещения (поглощения) ТТ.

Второй процесс идет по схеме (разработка Г.С.Альтшуллера, 1983): моно-ТС -> би-ТС -> поли-ТС -> сложные ТС.

Предложенные здесь схемы двух процессов периода массового применения ТТ не требуют особо подробных пояснений - особенности этих процессов хорошо видны при знакомстве с конкретными техническими решениями. Поэтому далее приведены информационные карточки с необходимым минимумом пояснений.

1.4.1. Прямое использование основных свойств ТТ.

ТТ-7. Охлаждение элементов электронного оборудования. Для охлаждения полупроводниковых приборов и интегральных модулей широко применяются ТТ - трубчатые, плоские, с непосредственным контактом. Цель применения трубчатых ТТ: теплопередача между двумя точками, обеспечение компактного стока теплоты; плоских ТТ: выравнивание температуры многокомпонентных сборок, охлаждение многокомпонентных сборок; ТТ с непосредственным контактом для исключения необходимости крепления элементов на ТТ и снижения контактного сопротивления (два способа: эластичные стенки ТТ облегают элемент или элемент вводится внутрь ТТ).

ТТ-8. Пат. Великобритании 1 183 145 (1968) - первый патент на охлаждение электронных компонентов (электронных ламп).

ТТ-9. А.с. СССР 306 320 (БИ, 19-1971). Устройство для охлаждения электронных приборов (диодов и др.), содержащее герметичную камеру с КПМ у стенок, пропитанные диэлектрическим теплоносителем, циркулирующим в камере с изменением агрегатного состояния, отличающееся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности, охлаждаемый прибор размещен в зоне испарения теплоносителя внутри КПМ, а камера в зоне конденсации имеет развитую поверхность.



При разогреве прибора теплоноситель испаряется, прибор охлаждается. Теплоноситель под действием разности давлений переходит в зону конденсации, выделяется скрытая теплота парообразования, капиллярные силы возвращают его в зону испарения.

ТТ-10. Пат. США 3 788 389 (1971). Система опорных конструкций со стабилизацией вечной мерзлоты (фирма Мак Доннел Дуглас Корп.). Фирма заключила, по-видимому, самый крупный в настоящее время контракт на ТТ: 100 000 тепловых труб для Трансаляскинского нефтепровода.



а) свая со спиральным крио-анкерным стабилизатором,
б) свая с прямым крио-анкерным стабилизатором.
Для сохранения вечной мерзлоты вокруг опор нефтепровода использовались ТТ диаметром 5 и 7,5 см, длиной от 9 до 18 м. Теплопередача снизу вверх к радиатору, размещенному над уровнем земли. Т.к. ТТ имеет большую длину, то они работают в режиме термосифона (теплопередача только снизу вверх): осенью происходит быстрое охлаждение оттаявшего грунта, весной и летом жидкость скапливается в нижней части и труба не работает. Крио-анкеры позволяют на 10-12 м уменьшить длину свай.

ТТ-11. Пат. Великобритании 1 255 114 (1970). Регенератор воздух-воздух с тепловыми трубами, используемый для производительного подогрева воздуха. Для регенерации тепла сбросного воздуха аппарат имеет пучок оребренных ТТ, испарители которых размещены в канале сбросного воздуха, а конденсаторы - в канале подогреваемого воздуха. К.п.д. системы достигает 70%, окупается за два года.

ТТ-12. А.с. СССР 840 602 (Институт тепло- и массообмена АН БССР) - аналогичное решение.

ТТ-12. Использование ТТ в системах кондиционирования воздуха - для предварительного охлаждения поступающего воздуха. Охлаждение происходит за счет передачи теплоты в канал отвода более холодного сбросного воздуха. Из-за большой длины используемых в таких системах ТТ они могут работать только в горизонтальном положении. Этот недостаток обращен в пользу: регулирование режима работы ТТ осуществляется путем незначительного изменения угла их наклона.

ТТ-13. А.с. СССР 1 028 984 (БИ, 26-1983, с. 129). Шахтная печь - с целью экономии тепловой энергии газоотводы снабжены тепловыми трубами.

ТТ-14. Пат. США 3 302 042 (1965). Применение высокотемпературных ТТ в ядерных реакторах, в частности в термоионных преобразователях (температура эмиттера 1600°C, коллектора 600°C, к.п.д. преобразования энергии 10-20 %).

ТТ-15. Пат. США 3 662 542 (1969). Предложен воздухоподогреватель утилизирующий теплоту выхлопных газов ДВС - для кондиционирования воздуха, регулирования температуры в кабине и т.д.

ТТ-16. А.с. СССР 1 025 843 (БИ, 24-1983, с. 92). Холодильник, имеющий в основании бетонную плиту с вмонтированной в нее системой трубопроводов для циркуляции теплоносителя и снабженный холодильной установкой с конденсатором водяного охлаждения, отличающийся тем, что, с целью сокращения энергозатрат путем испарения вторичных энергоресурсов от холодильной установки, система трубопроводов выполнена в виде ряда ТТ, конденсаторная часть которых вмонтирована в плиту, а испаряющая введена в магистраль для циркуляции отработанной воды, выходящей из конденсатора холодильной установки.

ТТ-17. Пат. Франции 2 361 965 (Новое в жизни, науке, технике. Изд-во "Знание", серия "Техника", 2-1983. с. 59). Во Франции разработаны выхлопные клапаны ДВС, в шток которых встроена тепловая трубка, которая интенсивно отводит тепло от наиболее накаленной части - шляпки клапана. Надежность клапанов, а вместе с ними и двигателя существенно увеличиваются.

ТТ-18. Использование ТТ в антиобледенительных системах самолетов (РЖ Теплотехника, 1981, 4Г 72), в качестве рабочей жидкости - аммиак.

ТТ-19. Использование ТТ для охлаждения в авиации (РЖ Теплотехника, 1981, 4Г 80) - позволяет уменьшить вес и объем ряда компонентов летательных аппаратов.

ТТ-20. Низкотемпературные тепловые трубы, для летательных аппаратов. Под ред. д.т.н. Г.И.Воронина, "Машиностроение", 1976 Низкотемпературные тепловые трубы. Под ред. д.т.н. Л.П. Васильева. "Наука и техника", Минск, 1976.

ТТ-21. Применение ТТ в космической технике (спутники, обсерватории, челночный корабль). Эта область применения в наибольшей степени стимулировала развитие ТТ. Цели применения:

• выравнивание температуры поверхности космических аппаратов, т.е. сведение к минимуму градиентов температуры, возникающих из-за солнечного обогрева, тепловыделений электронных устройств, или ядерных источников энергии;

• охлаждение различных элементов, в частности, подсистем, температура которых должна быть ниже температуры окружения;

• регулирование температуры жидкости в замкнутых водяных контурах системы стабилизации температуры внутреннего пространства корабля;

• быстрое остывание корпуса челночного корабля как до, так и после его приземления для ускорения его оборачиваемости.

ТТ-22. Двигатель Стирлинга (поршневой двигатель внешнего сгорания, рабочее тело - газ - водород или гелий). ТТ может быть использована для передачи тепла от единого источника к отдельным цилиндрам многоцилиндрового двигателя. Мощные двигатели работают при Т = 700-750°C и Р = 10 МПа, для высокотемпературной части двигателя подходит ТТ "натрий - нержавеющая сталь"

ТТ-23. Использование ТТ в инструментах для криохирургии. ТТ соединяет ручку, в которой смонтирован источник холода (холодные спаи термопары или жидкостной теплообменник), с рабочим концом инструмента.

ТТ-24. А.с. СССР 311 110 (БИ, 24-1971). Охлаждаемый корпус агрегата, например, вакуум-насоса, снабжен ребрами, отличающийся тем, что, с целью интенсификации охлаждения, ребра выполнены в виде тепловых трубок.

1.4.2. Прямое использование вторичных свойств ТТ.

ТТ-25. Пат. Великобритании 1 288 222 (1969 г.). Предохранитель на основе ТТ. Передача конденсата с помощью капиллярных сил вдоль плавного проводника. При повышении тока наступает кризис кипения (тепло не успевает отводиться), предохранитель перегорает.

ТТ-26. А.с. СССР 616 073 (БИ, 27-1978, с. 46). Электрический паяльник, содержащий корпус с ручкой, спиральный нагреватель и паяльный стержень, выполненный в виде трубки, часть внешней поверхности которой снабжена охлаждающими ребрами, а внутренняя поверхность - пористым слоем с капиллярными свойствами, капилляры которого заполнены жидким теплоносителем, отличающийся тем, что, с целью стабилизации температуры рабочей части паяльника, полость паяльного стержня заполнена неконденсирующимся газом.
Подробнее о роли неконденсирующихся газов см. раздел 1.6.1.

ТТ-27. А.с. СССР 936 733 (ИР, 12-1983, МИ 1239). Способ определения полноты сгорания топлива по количеству неконденсирующегося газа в ТТ, связанной с любым источником тепла.

ТТ-28. А.с. СССР 1 076 637. Рабочее колесо центробежного насоса содержащее диск с укрепленными на нем лопатками, стенки которых выполнены из упругого материала, отличающееся тем, что, с целью повышения технологичности и надежности путем обеспечения автоматического регулирования подачи при изменении температуры рабочей среды, каждая лопатка имеет герметичную полость, заполненную легкокипящим газом.
Смысл изобретения в том, что при испарении рабочей жидкости, давление внутри ТТ-лопатки повышается, эластичная лопатка изменяет угол наклона - меняется подача. Допустим, центробежный насос подает воду на охлаждение агрегатов из открытого источника, температура в котором меняется; при повышении температуры воды надо увеличить подачу, чтобы уровень охлаждения остался прежним - насос сам изменяет расход перекачиваемой воды в зависимости от температуры.

1.4.3. Использование "образа" моно-ТС.

ТТ-29. В 1974 группой голландских ученых высказана гипотеза по новому объясняющая работу потовых желез, основанное на замеченной ими аналогии с работой ТТ.

До сих пор процесс терморегуляции организма с помощью потовых желез объяснялся следующим образом: при необходимости отвести тепло клубочки желез выделяли воду, которая по каналу поступала на поверхность кожи и испарялась, охлаждая тем самым организм.

Однако новые факты не укладывались в эту концепцию. Например, при пересадке кожи потовые протоки были полностью закупорены, а все же передавали значительное количество теплоты на поверхность кожи. С другой стороны, необъяснимым оставался факт потери теплоты телом, когда потовые железы находились в покоящемся состоянии (т.е. когда не происходит выделение влаги на поверхность кожи, нет активного потовыделения, например, в сидячем положении).

Новая модель работы потовых желез объясняет все наблюдаемые явления.

Потовая железа работает постоянно, т.е. вода клубочками выделяется всегда. Вода испаряется не с поверхности кожи, а в начале протока (это наиболее эффективный режим охлаждения организма). Испарение с поверхности кожи - вспомогательный процесс при чрезмерных нагрузках по теплопередаче. Наблюдениями было установлено наличие возвратного течения воды по потовым протокам благодаря капиллярному подсосу по слизистой оболочке и под действием осмоса. Т.е. налицо работающая модель ТТ (испарение, конденсация, возврат конденсата в "испаритель"). Теоретическим расчетом теплопередачи с позиций этой модели (были заданы параметры ТТ и определено их количество на всей поверхности тела) были определены суммарные потери тепла телом - 34 Вт. Независимые измерения потерь теплоты в сидячем положении показали величину около 100 Вт. Как видно, порядок величин совпадает. Кроме того, в модели не учитывались такие факторы, как осмос и распределение радиальных потоков теплоты вдоль потовой протоки.

Успешное использование идеи ТТ в биологии служит дополнительным показателем высокой степени развития в направлении идеальности данной технической системы.

Принцип ТТ использован также в следующий оригинальной разработке.

ТТ-30. Солнечный холодильник (ХиЖ, 7-1980, с. 70). В США сконструирован домашний холодильник без единой движущейся детали, способный работать без ремонта 20 и более лет. Источником энергии для него служит солнечный свет, рабочим веществом - вода. Солнечная коллекторная панель заполнена цеолитами. Она связана со змеевиком - конденсатором паров, а тот в свою очередь, с баком - накопителем воды. Эти, три узла составляют единую систему, из которой полностью откачан воздух. Днем, когда солнце нагревает коллекторную панель, цеолит начинает испускать водяной пар, который конденсируется в змеевике и, превращаясь в воду, стекает в бак накопитель. Ночью же, когда становится холодно, цеолит адсорбирует часть воды. При этом система охлаждается, и остаток воды в баке превращается в лед. Такой рабочий цикл повторяется постоянно, и температура в холодильнике опускается до минус 3-4°C.
Холодильник продолжает работу в том же режиме, даже если солнце не появляется три дня подряд.

1.4.4. Использование ТТ с изменениями геометрии.

Простейшим изменением ТТ с целью ее приспособления к работе в конкретных условиях других систем является изменение ее геометрических параметров.

ТТ-31. Пат. Великобритании 1 327 794 (1970). ТТ с эластичной стенкой, облегающей электронные компоненты - не нужно сложного крепления этих приборов на ТТ. Тонкая полимерная пленка прижимается под действием давления пара и повторяет их рельеф.

ТТ-32. А.с. СССР 1 070 137 (БИ, 4-1984). Аппарат для выращивания микроорганизмов, содержащий емкость, аэратор и теплообменное устройство типа тепловой трубы, содержащей две вертикальные, цилиндрические обечайки, размещенные коаксиально с образованием кольцевой полости для хладагента, заглушенной с торцов, и трубчатый конденсатор отличающийся тем, что, с целью увеличения коэффициента теплопередачи, стенки обечаек кольцевой полости снабжены покрытием из КПМ, а трубчатый конденсатор размещен в ней центрально.

ТТ-33. А.с. СССР 1 030 631 (БИ, 27-1983, с. 155). Теплообменное устройство, с целью интенсификации теплообмена, тепловые трубы выполнены в форме логарифмической спирали, наружная ветвь которой асимптотически приближена к внутренней поверхности вращающегося корпуса - шаг спирали составляет 0,1-1,0 радиуса вращающегося корпуса.

Довольно большим классом ТТ являются вращающиеся тепловые трубы. Этот тип ТТ представляет собой по сути термосифоны, т.к. в них нет капиллярной структуры. Возврат конденсата осуществляется за счет центробежных сил. Вращающаяся ТТ не имеет тех капиллярных ограничений по возврату жидкости, которые характерны для обычных фитильных ТТ, ее передающая способность может быть во много раз больше. Разумеется, применение их выгодно там, где центробежные силы "бесплатны", т.е. при отводе тепла от вращающихся элементов. Изменение в геометрии - конусность корпуса.

ТТ-34. Вращающаяся ТТ. Впервые идею высказал В.Х. Грей (США) в 1969 г. Вращающаяся ТТ состоит из герметичной полой емкости, внутренняя часть которой слегка коническая и содержит определенное количество рабочей жидкости.

Установлено, что увеличение теплопередачи пропорционально росту центробежного ускорения в степени одна четвертая.

Ограничений роста теплопередачи те же, что и в обычных ТТ (скорость звука, неустойчивость границы раздела жидкость-пар, кризис кипения).

ТТ-35. Применение вращающихся ТТ:
• в кондиционере (Грей, 1969),

• выравнивание температуры во вращающемся барабане (Гроль и др, 1973); барабан - для натяжения пластмассовых волокон, скорость вращения до 6000 об(мин, температура 250°C,

• охлаждение двигателей переменного тока (Полачек, 1973), ТТ вмонтированные в полые валы роторов позволяют увеличить нагрузку на 15 % без увеличения температуры обмотки,

• охлаждение вращающихся резцов, тяжело нагруженных подшипников и валков прессов.

1.4.5. Использование ТТ с изменением вещества.

ТТ-36. Пат. США 3 651 865 (1970). Описывается ТТ для охлаждения электронных приборов. В одном из вариантов для регулирования температуры используется инертный газ.

ТТ-37. Охлаждение высоковольтных элементов с помощью диэлектрических ТТ (П.Дан, Д.Рей. Тепловые трубы, М, Энергия, 1979, с. 217). Стенка, фитиль и. рабочая жидкость - неэлектропроводны (например, стенка - стекло, фитиль - керамическое волокно, жидкость - флутек) .

ТТ-38. Пат. США 3 563 309 (1968). ТТ с улучшенной электрической прочностью для теплопередачи между точками с различным электрическим потенциалом.

ТТ-39. Гибкие ТТ. Целесообразно применение при вибрации источника тепла. Обычное решение - гибкие вставки между зонами испарения и конденсации: сильфоны или эластичный материал. Без вибрации изгиб до 900. При вибрации, увеличение теплопередачи в горизонтальном положении, снижение перекачивающей способности фитиля при работе против сил гравитации. Предел продольных вибраций для ТТ = 500 Вт составляет 10 Гц.

1.4.6. Использование ТТ с изменением подсистем.

ТТ-40. А.с. СССР 363 844 (БИ, 4-1973). ТТ работающая в горизонтальном положении; нет необходимости в КПМ, в транспортной зоне; для обеспечения транспорта жидкости использован принцип сообщающихся сосудов - перетекание без влияния капиллярных сил.

1.4.7. Использование ТТ с исключением веществ и подсистем.

ТТ-41. А.с. СССР 1 020 130 (ИР, 12-1983, МИ 1209). Для пожаротушения предлагается использовать гранулы из пористого теплоизоляционного материала, предварительно пропитанного охлажденным низкокипящим ингибитором.

Есть рабочая жидкость, КПМ, зона испарения; нет корпуса. ГПП - тушение пожара - осуществляется охлаждением и введением ингибитора.

ТТ-42. Пат. Великобритании 1 361 505 (1971г.). Фитиль облегает охлаждаемые элементы, т.е. они помещаются внутрь ТТ. Нет стенки в зоне испарения, а значит нет термического сопротивления.

ТТ-43. Пат. США 3 613 778 (1969 г.). Плоская ТТ, без парового канала; пористый металлический фитиль или сетка в паровом канале.

ТТ-44. Пат. Великобритании 1 283 332 (1970 г.). Вращающаяся (бесфитильная). ТТ для охлаждения электрических машин.

ТТ-45. А.с. СССР 306 321 (БИ, 19-1971 г.). Тепловая трубка, например, для охлаждения вращающегося вала, внутренняя полость которой заполнена теплоносителем, циркулирующим с изменением его агрегатного состояния, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, трубка выполнена внутри вала в виде герметичного осевого канала (форма - усеченный конус), расширяющегося в направлении зоны испарения для перемещения конденсата с помощью центробежных сил.




Канал заполнен жидким теплоносителем. Конденсат под действием ц.б.с. по конической поверхности поднимается в зону испарения.

ТТ-46. А.с. СССР 325.468 (БИ, 3-1972 г.). Вращающаяся ТТ с винтовой нарезкой на внутренней поверхности для интенсификации теплообмена.

ТТ-47. А.с. СССР 338 762 (БИ, 16-1972 г.). Вращающаяся ТТ с резьбовидной внутренней поверхностью.

1.4.8. Использование ТТ с введением промежуточной ТС.

ТТ-48. Регулируемая ТТ, содержащая герметичный корпус с зоной испарения, соединенный при помощи термоконтактора с внутренней стенкой охлаждаемого объекта, отличающаяся тем, что, с целью интенсификации теплоотвода, термоконтактор в виде полых торов, заполненных легкоплавким материалом (парафином) и изменяющих при нагреве сечение на эллиптическое, ориентированное большей осью в направлении перпендикулярном продольной оси трубки, при неизменном периметре сечения.
1 - ТТ, 2 - зона испарения, 3 - объект, внутри которого генерируется тепло, например, электронный элемент - 4, 5 - зона конденсации, 6 - изоляция, 7 - цилиндрическая поверхность, подвод тепла, 8 - торические трубки, одна или несколько с легкоплавким материалом.


Пока температура на 7 ниже температуры плавления, термоконтакта нет, при расплавлении тор превращается в эллипс и плотно прижимается к цилиндрической поверхности. При охлаждении он возвращается в исходное состояние.

ТТ-49. А.с. СССР 1 064 080 (БИ. 48-1983, с. 143). Устройство для утилизации тепловой энергии по а. с. 1 037 023, отличающегося тем, что, с целью повышения эффективности использования влаги вытяжного воздуха, размещенные в другом отсеке концы ТТ также покрыты КПМ.
Чтобы "вытянуть" тепло еще и из влаги, концы ТТ снаружи покрывают КПМ.

1.4.9. Использование ТТ с совмещением ее с другой ТС на уровне вещества.

ТТ-50. А.с. СССР 419 695 (БИ, 10-1974). Плоская ТТ, содержащая корпус, внутри которого трехмерная решетка, образующая параллельные каналы для прохода паров рабочей среды, и равномерно расположенный по объему корпуса фитиль из КПМ, отличающаяся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности, решетка выполнена из теплопроводного материала и покрыта веществом с большой теплотой плавления, например, галлием, удерживаемым при расплавлении в узлах решетки капиллярными силами.
1 - тонкостенный корпус, плоский, 2 - КПМ, 3 - решетка, покрыта веществом с большой теплотой плавления (галлий). Участки решетки 3 около 2 могут быть без покрытия. Решетка 3 образует каналы 4, для прохода паров (ацетон), в ее узлах, 5 плавящееся вещество, удерживаемое капиллярными силами, 6 - фитили КПМ, соединенные с 2.


При подводе тепла к одной из стенок 1 пары нагревают вещество покрывающее решетку 3, оно плавится. Происходит отбор тепла от паров, рабочая среда конденсируется и по фитилям возвращается в зону нагрева.
Для охлаждения периодически действующей радиоаппаратуры. Нужно снять пиковый тепловой поток, а потом пусть помедленнее...
Здесь ТТ совмещена с ТС - тепловой аккумулятор. Галлий - интересное вещество, обладающее аномально большой теплопроводностью, точка плавления - 28°C.

ТТ-51. А.с. СССР 520 492 (БИ, 25-1976). ТТ, содержащая герметичный корпус, наполнитель внутри, пропитанный жидкометаллическим теплоносителем, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, между внутренней стенкой корпуса и наполнителем на адиабатическом переходном участке размещено очистительное устройство, выполненное в виде набора различных геттеров из пористого материала, например, сетки.




Жидкометаллический теплоноситель испаряется, пар конденсируется, обратный поток - через геттеры очищает от примесей. Гидравлическое сопротивление слоев геттеров мало по сравнению с 2 .
Суммарное проходное сечение геттеров больше по сравнению с проходным сечением наполнителя, что значительно уменьшает вероятность уноса окислов к поверхности испарения.

Здесь ТТ совмещена с ТС - очистителем. Рабочая жидкость - жидкий металл - со временем загрязняется различными примесями (окислы, газовые пузырьки, частички материала корпуса); обычный способ очистки - разгерметизация ТТ, очистка, заправка новой жидкостью. Геттер (газопоглотитель) впитывает газы и является накопителем механических примесей.

ТТ-52. Пат. Великобритании 1 194 530 (1969). Для стабилизации процесса окисления высокотемпературной рабочей жидкости (литий) предложено вводить в нее присадки (иттрий и другие редкоземельные элементы).

ТТ-53. А.с. СССР 941 843 (БИ, 1981). Рабочее тело тепловой трубы, содержащее растворенные в воде твердые вещества, отличающееся тем, что, с целью повышения передаваемой тепловой мощности, в качестве твердых веществ в воду введены высокомолекулярные полимеры в количестве 10 - 0,1%

Т.е. для снижения гидравлического сопротивления использован эффект Томса.

ТТ-54. Пат. Великобритании 1 281 272 (1970). Для увеличения мощности теплопередачи предложено добавлять в жидкость (вода) вещества, увеличивающие смачиваемость, например, некал (натриевая соль алкил-нафталии-сульфокислоты - обычное поверхностно-активное вещество).

ТТ-55. А.с. СССР 1 064 115 (БИ, 48-1983, с. 150). Капиллярная структура ТТ из спеченных металлических частиц, отличающаяся тем, что, с целью повышения эксплуатационной надежности, 20-70% свободного пространства между металлическими частицами заполнено частицами из лиофильного пористого материала, преимущественно гипса, крахмала, асбеста и целлюлозы, имеющими диаметр 0,4-0,7 диаметра металлических частиц.

Лиофильный - хорошо смачиваемый материал.

1.4.10. Использование ТТ с совмещением ее с другой ТС на уровне подсистем.

ТТ-9 - ТТ + полупроводниковый прибор.
ТТ-17 - ТТ + выхлопной клапан ДВС.
ТТ-23 - ТТ + криоинструмент.
ТТ-24 - ТТ + ребра корпуса вакуум-насоса.
ТТ-25 - ТТ + предохранитель.
ТТ-26 - ТТ + стержень паяльника.
ТТ-28 - ТТ + лопатка ц(б насоса.
ТТ-35, ТТ-47 - вращающаяся ТТ.

1.4.11. Использование ТТ с полным совмещением ее с другой ТС.

ТТ-56. А.с. СССР 988 513 (БИ, 2-1983 г.). Электрод-инструмент для электрохимической размерной обработки с внутренней герметичной полостью для прокачки охлажденной среды, отличающийся тем, что, с целью повышения точности обработай путем стабилизации выбранного перепада температур электролита по длине межэлектродного промежутка, внутренняя герметичная полость частично заполнена легкоиспаряющейся жидкостью, а нерабочий торец электрод - инструмента с внешней стороны снабжен проточным теплообменником.
2....Внутренняя полость покрыта КПМ.
3....Размер ячеек КПМ структуры уменьшается в направлении к краям электрода.



ТТ-57. А.с. СССР 410 422 ("Знание - сила", 3-1978, с.-40). Автопокрышка в виде ТТ. Для охлаждения резины перегревающейся от трения, об асфальт, предложено помещать внутрь шины немного воды или спирта. Жидкость испаряясь забирает тепло и конденсируется на холодном ободе колеса.

ТТ-58. А.с. СССР 1 020 548 (способ) и а.с. СССР 436 965 (устройство). Арматурный элемент выполнен в виде изогнутой трубки, отличающийся тем, что, с целью увеличения степени его теплового расширения, полость трубки заполнена легкокипящей жидкостью.

ТТ-59. Способ работы ТТ в виде коаксиально расположенных герметичных цилиндров, путем перемещения рабочего агента из зоны испарения в зону конденсации и обратно, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса переноса перемещение агента осуществляют в радиальном направлении при размещении тепловыделяющего источника по оси трубки
Полость между цилиндрами заполнена рабочей жидкостью - агентом. (БИ, 27-1974)




Обычное использование таких ТТ - в качестве емкости термостата. Для различных биохимических процессов (двойные стенки емкости - это и есть радиальная ТТ). В таких процессах, например, размножение микроорганизмов, происходят непредсказуемые скачки температуры (см. также ТТ-32).

ТТ-60. А.с. СССР 777 273 (ИР, 4-1982, с. 16). Шарик подшипника качения выполнен в виде ТТ. Шарик, пробегая по дорожкам качения, то испытывает максимальную нагрузку, то испытывает полную разгрузку. Место контакта с дорожкой перемещается по поверхности бегущего шарика, подчиняясь сложным законам движения. Шарик, можно сказать, живет в вечном напряжении, усугубляемом неравномерным нагревом и охлаждением, плохим теплообменом с окружающей средой. Кроме того, есть машины, работающие в очень тяжелых условиях: при высоких температурах, больших динамических нагрузках, в глубоком вакууме, где нельзя применить смазку.

При работе шарики 1 контактируют с наружным 2 и внутренним 3 кольцами подшипника и нагреваются в местах контакта 4. При этом каждый шарик вращается вокруг геометрической оси 5.
Тепловой поток 6 передается жидко-металлическому теплоносителю, которым насыщено пористое покрытие 7. Забрав тепло от нагретой зоны шарика, теплоноситель испаряется и паровым потоком 8 переносится к более холодным участкам шарика, к тем, которые не находятся в контакте с кольцами. Тепло уходит в окружающее пространство, а теплоноситель конденсируется в зонах пористого покрытия, примыкающих к охлажденным поверхностям шарика, и за счет капиллярного эффекта и центробежной силы возвращается в зоны испарения. Так непрерывно охлаждается подшипник.

ТТ-30 - ТТ + солнечный холодильник,
ТТ-41 - ТТ + средство пожаротушения.

1.4.12. Использование ТТ с образованием би-системы.

Образование би -систем, т.е. систем состоящих из двух совместно работающих ТТ, началось с попыток создания регулируемых тепловых труб (подробнее см. раздел 1.6, карточки ТТ-114, ТТ-115). Трубы соединены противоположными концами (испаритель с конденсатором) и представляют собой простейшую систему с обратной связью.

1.4.13. Использование ТТ с образованием поли-системы.

ТТ-61. А.с. СССР 340 852 (БИ, 18-1972 г.). Тепловая трубка, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения передачи тепла на большие расстояния, корпус разделен поперечными перегородками на отсеки, заполненные различными рабочими телами с температурой испарения последовательно уменьшающейся от горячего конца к холодному.



ТТ-62. А.с. СССР 389 364 (БИ, 29-1873 г.). Тепловая трубка... отличающаяся тем, что, с целью обеспечения передачи тепла на большие расстояния - при малых температурных перепадах и использования одного рабочего тела, поперечные перегородки выполнены в виде термоэлектрических батарей, коммутационные пластины холодных спаев которых обращены в сторону зон испарения.




ТТ-63. А.с. СССР 1 057 706 (БИ, 44-1983, с. 139). Тепловой двигатель, содержащий рабочие элементы, прижатые к горячим и холодным дуговым контактам теплообменников и соединенные с валом отбора мощности, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности и КПД путем интенсификации процесса теплообмена, рабочие элементы выполнены в виде тепловых труб, заполненных капиллярным материалом, пропитанным жидким теплоносителем, установленных вдоль образующих двух цилиндров, расположенных один относительно другого под нужным углом с возможностью вращения вокруг своих осей, а термомеханическая память рабочего элемента выполнена в их максимальном изгибе при расположении на внутренней стороне тупого угла между образующими цилиндров и в минимальном изгибе при расположении на внешней стороне этого угла.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что горячий и холодный контакты соединены соответственно с горячим и холодным теплообменными трубами.

1.4.14. Использование ТТ с образованием сложных систем.

ТТ-64. А.с. СССР 408 114 (БИ, 47-1974 г.). Регулируемая ТТ включающая корпус с капиллярной структурой, испарительную, транспортную и конденсационную зоны, последняя из которых соединена с газовым резервуаром, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности теплопередачи и увеличения точности регулирования зона конденсации выполнена в виде объединенных общим коллектором со стороны транспортной зоны параллельных ветвей, каждая из которых соединена с газовым резервуаром.
2. Испарительная зона с внешней стороны имеет гнезда для подсоединения источника тепла в виде автономных тепловых труб.
3. Конденсационная зона вместе с газовым резервуаром помещена в отсек, заполненный нагреваемой средой.

1 - корпус, 2 - испарительная зона, 3 - транспортная зона, 4 - конденсационная зона, 5 - КПМ, 6 - параллельные ветви конденсационной зоны, 7 - общий коллектор, 8 - газовый резервуар, 9 - канал, соединяющий с газовым резервуаром, 10 - гнезда в испарительной зоне 2 для подсоединения источника тепла, например, в виде автономных тепловых труб 11 (плоских или круглых), 12 - отсек, заполненный нагреваемой средой (газовой смесью).
При нагреве тепловых труб 11 пары рабочей жидкости из испарительной зоны 2 через 3 поступают в конденсационную зону 4. При уменьшении притока тепла к 11 уменьшается количество пара во всей системе и газ из 8 через 9 поступает в 6, выключая тем самым часть теплообменной поверхности. В противном случае она может работать в режиме испарения, что может вести к оттоку тепла из отсека 12.

ТТ-65. А.с. СССР 787 876. Предложена довольно сложная система, включающая испаритель, конденсатор, сборник конденсата, сифон, демпфирующую емкость и т.д.

1.5. ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ТТ

Параллельно с массовым применением ТТ происходило интенсивное развитие всех её элементов: рабочей жидкости - В₁, корпуса - В₂, подсистемы транспорта рабочей жидкости - ПС₁, транспорта пара - ПС₂, зон теплообмена - ПС₃. Развитие шло в одном направлении - увеличение ГПФ системы. При очередной попытке увеличении ГПФ возникающие претензии внешней среды требовали изменения одного из элементов, а часто, одновременного изменения нескольких элементов. Эти изменения обуславливались также и ВПФ-совместимостью.

1.5.1.Рабочая жидкость (В₁).

В разделах 1.1.3 и 1.1.4 кратко изложены основные требования к В₁ и ПС₁, а также их полезные функции и ограничения, накладываемые физическими особенностями процесса. К рабочей жидкости предъявляются противоречивые требования от различных подсистем тепловой трубы - ПС₁, ПС₂, ПС₃ (Рис. 25).

Наибольшее влияние на развитие В₁ оказывает подсистема транспорта жидкости, В₁ является частью ПС₁ и поэтому они развиваются совместно. В₁ изменяется, подчиняется требованиям ПС₁.

Первая ПС₁ - в классической ТТ - была капиллярно - пористая структура. Поэтому первые изменения В₁ были направлены на увеличение скорости транспорта жидкости в условиях ее взаимодействия с КПМ:

ТТ-53 - добавки в В₁ высокомолекулярных полимеров (ВМП); ТТ-54 - добавка в В₁ поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Затем начался поиск нового физического принципа работы ПС₁, соответственно изменилось и В₁.

ТТ-66. Пат. США 3 561 525 (1969) и 3 677 337 (1970). 0смотические ТТ Бэра и Майдоло (без приложения электрического и магнитного полей).



Полупроницаемая мембрана (ацетат целлюлозы) отделяет паровой канал от канала возврата жидкости. Рабочая жидкость: раствор сахара в воде (Бэр) или растворы хлоридов, хлоратов, боратов в воде (Майдоло).

При подводе тепла в зоне испарения чистый растворитель (вода) испаряется через мембрану, попадает в паровой канал, конденсируется на мембране, в зоне конденсации. Затем чистый растворитель проходит через мембрану в раствор, находящийся в канале возврата жидкости. При прохождении растворителя через мембрану возникает осмотическое давление, превышающее гидростатический напор жидкости в канале, что обуславливает течение жидкости к испарителю.

Передающая способность по жидкости в 10 раз выше, чем у систем с КПМ (осмотические силы на порядок выше капиллярных).

Этот тип ТТ до сих пор привлекает исследователей. Например, испытывается осмотическая ТТ мощностью 1000 Вт, работаю-щая в диапазоне 20-100'С на водном растворе сахарозы (РЖ Теплотехника, 4 - 1981, 4Г 82).

ТТ-67. Абу-Ромия М.М. (Бруклинский политехнический институт, Нью-Йорк, 1971). Электроосмотическая ТТ.



Рабочая жидкость - дистиллированная вода с раствором солей калия и хлора (10-5 молей/литр). Разность потенциалов 20 В. Теплопередача в 3 раза выше, чем у обычных ТТ.

ТТ-68. Джонс Т.Б. (США, 1973). Электрогидродинамическая ТТ.


Корпус - тонкостенный из высокоэлектропроводного материала алюминий и др.) с торцевыми колпаками из изоляционного материала (типа оргстекла). Между этими колпаками натянут тонкий ленточный электрод. Между электродом и корпусом - небольшой кольцевой канал (около 20% периметра ТТ, поэтому в зонах испарения и конденсации должен быть КПМ для распределения жидкости по всей поверхности). Диэлектрическая жидкость собирается в зоне действия электрического поля, т.е. в кольцевом канале. При испарении жидкости в зоне испарения нарушается равновесие поверхностных электромеханических сил и жидкость начинает двигаться в кольцевом канале.

ТТ-69. А.с. СССР 568 809 (БИ, 30-1977). ТТ, содержащая вдоль оси электрод, отличающаяся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования теплопередающих свойств, электрод между зонами разделен изолирующей прокладкой на две части с независимым подводом напряжения и в зоне испарения имеет убывающую к прокладке площадь поперечного сечения.


Известны с пористым электродом (а.с. СССР 357 427), однако такое расположение электродов даст эффект, если теплоноситель - электролит. Если диэлектрическая жидкость, такая ТТ не работает.

Известны ТТ, содержащие продольные прорези в корпусе, в них изолирующие электроды (США). Разность потенциалов обеспечивает перемещение рабочей жидкости от зоны конденсации к зоне испарения. Электроды при этом находятся на расстоянии, изменяющемся по длине ТТ. Под действием разности потенциалов не создается неоднородного электростатического поля вдоль ТТ и потому не влияет на подсос теплоносителя из холодильника в испаритель.

Убывающее сечение необходимо, чтобы уменьшить межэлектродный зазор по направлению от зоны конденсации к зоне испарения.

ТТ-70. А.с. СССР 1 024 682 (БИ, 23-1983, с. 116). Электрогидродинамическая ТТ, содержащая высоковольтный ввод в зоне испарения и последовательно соединенного с высоковольтным резистором, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции и увеличения надежности, в корпусе вдоль его оси дополнительно установлена перфорированная диэлектрическая вставка, а высоковольтный резистор выполнен в виде обмотки микропровода, размещенной на вставке и служащий её капиллярной структурой.
2. ТТ, отличающаяся тем, что вставка выполнена с переменным поперечным сечением, уменьшающемся в направлении зоны конденсации.
3. Обмотка многослойная, диаметр провода увеличивается в направлении парового канала.
5. Каждый слой обмотки выполнен с различным сопротивлением.
6. В каждом слое диаметр провода уменьшается к зоне испарения.

Временное изменение фазового состояния рабочей жидкости используется для улучшения технологии заправки и запуска ТТ.

ТТ-71. А.с. СССР 476 419 (БИ, 25-1975). Способ заполнения ТТ путем замораживания теплоносителя с последующим вакуумированием и герметизацией, отличающийся тем, что, с целью заполнения трубы дозированным количеством неконденсирующегося газа, трубу заполняют газом под определенным давлением, на заданной длине на узком участке намораживают пробку из теплоносителя, вакуумируют, герметизируют.

Объем участка между глухим концом и пробкой при данном давлении, соответствующему дозированному количеству газа.


ТТ-72. А.с. СССР 344 237 (БИ, 21-1972). Способ изготовления тепловой трубки. Перед герметизацией рабочее тело охлаждают до затвердевания - чтобы не было потерь (спирт, ацетон, эфир...).

ТТ-73. А.с. СССР 449 212 (БИ, 41-1974). Тепловая труба. Для запуска трубы и выведения на рабочий режим, перегородки выполнены из натрия. Рабочее тело - также натрий.

1.5.2. Транспорт рабочей жидкости (ПС₁).

После формирования моно-ТС - классической ТТ - в период массового применения капиллярно-пористая структура еще имела резерв развития и какое-то время увеличение ГПФ шло за счет улучшения ее функционирования. Усиливались полезные свойства, лучше использовался объем, формировались специальные структуры КПМ (артериальные фитили, переменное сечение капиллярных каналов и др.).

Затем началось использование физэффектов, направленное на интенсификацию процесса возврата жидкости через КПМ. Введение новых физических принципов работы ТТ.

В дальнейшем от КПМ отказались совсем и появилось множество новых типов ТТ. Формирование новой моно-ТС еще не закончилось. Здесь явно заметен переход к использованию "чистых" полевых воздействий. "Старое" идеальное вещество (КПМ) исключается из ТС, как не удовлетворяющее очередным попыткам увеличения ГПФ. Использование новых полей нельзя признать идеальным решением (они требуют усложнения в надсистеме, появления новых обслуживающих их ТС). Цель их применения состоит в другом - в поиске новых функциональных возможностей, формирование функциональных подсистем, которые в будущем будут поглощены новым идеальным веществом.

Все особенности процесса развития ПС₁ отражены на рис.25 и, более подробно, в последовательно расположенных информационных карточках.

ТТ-74. Пат. Великобритании 1 118 468 (1965), Пат. США 3 528 494 (1966) ТТ с продольными канавками в стенке корпуса; для улучшения тепломассообмена при использовании малотеплопроводных жидкостей.

ТТ-75. Пат. США 3 786 861 (1971). Фитиль с параллельными продольными канавками с переменным по длине сечением: от 10 до 10 мм. Этим обеспечивается направленное движение жидкости - в сторону уменьшения сечения канавок. Фитиль имеет выемки в зонах испарения и конденсации для облегчения выхода избыточной жидкости.

ТТ-76. Пат. Великобритании 1 313 525 (1970). Фитиль изготовляется путем охлаждения паров на стенках ТТ, получается пористый слой.

ТТ-77. А.с. СССР 381 850 (БИ, 22-1973). ТТ с КПМ в виде нескольких сетчатых слоев различной структуры, отличающаяся тем, что, с щелью увеличения интенсивности теплообмена и уменьшения гидросопротивления по жидкости при высоких тепловых нагрузках, слой с наименьшим размером ячеек расположен у стенок ТТ, а над ним размещены слои с постепенно увеличивающимся размером ячеек. Здесь также обеспечен направленный поток жидкости к стенкам, к источнику тепла.




ТТ-78. А.С. СССР 759 832. ТТ с КПМ из войлока; войлок из полых волокон бесщелочного боросиликатного стекла. Использование дополнительного объема (КПМ внутри КПМ).

См. также ТТ-55 - введено лиофильное вещество в капиллярную структуру.

ТТ-79. 1. Артериальные фитили. Впервые предложены Катцофом С. (США, 1966).


Стеклянная ТТ, рабочее вещество - спирт. Назначение артерии - обеспечение транспорта жидкости от конденсатора к испарителю при небольшом перепаде давления. В отличие от транспорта по КПМ, где требуются значительно больший перепад давлений (а значит и разность температур концов ТТ), артерия работает при перепаде температур в несколько градусов. Наибольшее распространение - в космической технике, в условиях невесомости. Например, ТТ фирмы ИРД для Европейской космической организации имеет диаметр 5,25 мм, длину 1 м, перепад температур 6°С, мощность 15 Вт; алюминиевый сплав, ацетон.
2. Еще один вариант ТТ с артериальными каналами, расположенными в осевом направлении.




Закрытие всех шести каналов сеткой обеспечивало высокий движущий напор.
Основное внимание при проектировании должно уделяться предотвращению закупорки артерии при попадании в нее газового или парового пузыря (жидкость должна быть дегазирована, артерия не должна касаться нагреваемой поверхности, обычно предусматривают несколько артерий).
3. Пат.. Вбр. 1 275 946 (1969) - артериальные фитили 20 типов для ТТ в космосе.
4. Существуют также технические решения предусматривающие формирование артерий в толще КПМ обычных ТТ для обеспечения транспорта жидкости при пиковых нагрузках.

Использование ультразвукового капиллярного эффекта явилось первым применением ФЭ для интенсификации транспорта жидкости в КПМ:

ТТ-80. А.с. СССР 399 692 (БИ, 39 - 1973). ТТ, содержащая корпус с капиллярной структурой внутри и ускоритель рабочего вещества при его циркуляции от зоны конденсации к зоне испарения и обратно, отличающаяся тем, что, с целью увеличения удельной теплоты потока, ускоритель выполнен в виде излучателя генератора УЗ-частоты, прикрепленного через акустический концентратор к корпусу преимущественно в зоне конденсации.



Скорость циркуляции рабочего вещества в КПМ возрастает в 40-50 раз, и, следовательно, величина удельной теплоемкости потока в 20-50 раз!

ТТ-81. А.с. СССР 418 684 (БИ, 9-1974). Тепловая труба, содержащая снабженный постоянными магнитами корпус с электропроводной рабочей жидкостью, отличающаяся тем, что, с целью увеличения теплового потока, корпус снабжен дополнительной магнитной системой, питаемой переменным током для создания совместно с постоянными магнитами в капиллярной структуре, размещенной на внутренней поверхности корпуса, колебаний рабочей жидкости с ультразвуковой частотой.




ТТ-82. А.С. СССР 504 051 (БИ, 7-1976). ТТ, содержащая корпус, КПМ, паровой канал, в котором размещен источник вибрационных колебаний, отличающаяся тем, что с целью повышения эффективности тепломассопереноса, источник вибрации выполнен в виде изогнутой металлической пластинки и прикреплен к наполнителю.




КПМ выполнен из упругого материала или содержит секцию 5 из такого материла.
Пар движется, создавая турбулентные потоки, под действием которых пластинка вибрирует, колебания от нее передаются жидкости и КПМ (2, 5). Размеры пластинки подбираются так, чтобы генерируемая частота находилась в УЗ области.

ТТ-83. А.с. СССР 1 079 997. Тепловая труба по а.с. СССР 682 750, отличающаяся тем, что, с целью повышения теплопередающей способности при передаче теплового потока на большие расстояния, вне зоны испарения капиллярная структура разделена на участки, между которыми корпус выполнен с карманами, заполненными теплоносителем, в которых установлены дополнительные излучатели ультразвуковых колебаний,. образующие капиллярные зазоры с торцами участков капиллярной структуры, расположенных со стороны зоны испарения.

Затем последовало применение электроосмоса, магнитного и электростатического полей. Применение сильных полевых воздействий позволило вовсе исключить КПМ из системы.

Электроосмотические ТТ см. ТТ-67.

ТТ-84. А.с. СССР 616 519 (24.02.77). Способ работы тепловой трубы путем замкнутой циркуляции неэлектропроводного теплоносителя, между зонами конденсации и испарения, приводимого в движение диспергированными в теплоносителе магнитовосприимчивыми частицами, на которые воздействуют внешним вращающимся вокруг оси трубы магнитным полем, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплопереноса при одновременном обеспечении его регулирования, воздействие магнитного поля осуществляют в зоне конденсации, а магнитовосприимчивые частицы отделяют от теплоносителя на выходе из этой зоны.

Т.е. магнитное поле сначала используется для транспорта жидкости, затем для интенсификации теплопереноса и регулирования теплопередачи.

ТТ-85 А.с. СССР 357 427 (БИ, 33-1972). Тепловая трубка с продольными прорезями на внутренней поверхности, отличающаяся тем, что, с целью интенсификации теплообмена, в прорезях размещены изолированные электроды, к которым приложена разность потенциалов.
2. Для снижения потребляемой мощности, электроды установлены друг относительно друга на расстоянии изменяющемся по длине трубки.


Жидкость изменяет агрегатное состояние. При подводе тепла к зоне А испаряется жидкость, пар удерживается в каналах между электродами капиллярными силами. Под действием разности потенциалов жидкость интенсивно перемещается от зоны Б к зоне А. Без электрического поля и капиллярного эффекта жидкость скапливается на участке конденсации.

ТТ.-86. ТТ с электрическим возвратом жидкости (Япония, РЖ Теплотехника, 3-1981, реферат ЗГ 83). Исследована ТТ с теплоносителем - смесь хладона и кремнийорганического масла; указывается, что возврат жидкости в зону испарения за счет электростатического поля в диапазоне температур от комнатной до точки плавления металлов обеспечивает эффективную теплопроводность в 100 раз больше, чем у ТТ с возвратом под действием капиллярных сил. Открывается возможность создания ТТ большой мощности.

Электростатические ТТ см. карточки ТТ-68, 69, 70.

Электростатическое поле предложено также использовать для определения характеристик КПМ.

ТТ-87. А.С. СССР 1 022 799 (29.07.81). Способ определения максимального капиллярного напора тепловой трубы путем создания в жидкости, заключенной внутри капиллярной структуры, перепада давления с постепенным увеличением до величины нарушения сплошности в капиллярной структуре, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей способа по температурному интервалу, перепад давления создают с помощью электромагнитных сил, измеряют вольтамперную характеристику устройства, создают эти силы и по излому последней судят о нарушении сплошности жидкости.

1.5.3.Транспорт пара (ПС₂).

Работа транспортной зоны ТТ (парового канала) основана на разности давлений между горячим и холодным концами трубы. Скорости движения пара могут варьироваться в широком диапазоне в зависимости от свойств выбранной жидкости и рабочих температур. Уже в классической ТТ осевые скорости приближались к звуковому пределу, т.е. полезная функция этой подсистемы выполнялась на пределе исчерпания физического принципа работы ТТ.

Поэтому дальнейшее развитие ПС₂ ограничивалось исключением вредных связей между ПС₁ и ПС₂ (унос жидкости с поверхности фитиля) и улучшением условий тепломассообмена в зонах испарения и конденсации (Рис. 38).

ТТ-88. Пат. США 3 568 762 (1967). Паровой канал выполнен в виде трубки - отделен от потока жидкости для предотвращения срыва и уноса капель.

См. ТТ-40 - паровой канал также отделен от жидкости.

ТТ-89. А.с. СССР 313 040 и 313 041 (БИ, 26-1971). Тепловая труба отличающаяся тем, что, с целью интенсификации теплообмена в трубу помещен полый открытый с торцов шнек в виде усеченного конуса с переменным шагом закрутки ребер, уменьшающимся от зоны испарения к зоне конденсации.



ТТ-90. А.с. СССР 781 524. ТТ - с целью интенсификации теплообмена в паровом канале установлена вставка, отверстия в которой выполнены радиально, а их оси - по касательной.

Решения в ТТ-89, 90 являются обычными для области тепломассообменной аппаратуры, насчитывающей сотни приемов интенсификации процессов обмена, в том числе, закрутку потоков паров с малыми гидравлическими потерями.

ТТ-91. А.с. СССР 1 027 501 (БИ, 25-1983, с. 139). Тепловая труба с зонами испарения и конденсации содержащая частично заполненный жидким рабочим телом корпус, по оси которого установлен шнек, отличающаяся тем, что, с целью интенсификации теплообмена и массообмена в корпусе дополнительно установлена ленточная спираль, укрепленная на внутренней поверхности и образующая винтовой жидкостный канал, причем сумма углов подъема витков спирали и шнека составляет 100 - 800
2. … Шнек и спираль выполнена с противоположно направленными (в зоне испарения сумма углов подъема витков спирали и шнека равна 450).
3. … спираль выполнена из пористого материала.
4. … спираль выполнена с переменным шагом по длине корпуса, уменьшающимся в направлении зоны испарения.

1.5.4. Корпус (В₂).

Корпус ТТ отказывает наименьшие влияние на увеличение ГПФ. Функция пограничного слоя - служить надежной изоляцией для внутренней среды ТС от воздействий внешней среды. Главное требование к В₂ - механическая прочность и хорошая теплопроводность в зонах теплообмена (минимальное термическое сопротивление). Снижение теплопотерь в окружающую среду через транспортную зону является малозначительным показателем, т.к. скорость такого рассеивания тепла на несколько порядков ниже осевой скорости теплопередачи в ТТ.

Изменения В₂ полностью зависели от требований надсистемы, в которой работала ТТ (Рис. 40). Характер этих изменений отвечает процессу динамизации ТС: жесткий корпус, шарнир, гибкий, использование теплового расширения, нитинол.

Информационные карточки отнесены к другим разделам, поэтому ниже приведено лишь их краткое упоминание:

ТТ - 100 - корпус из двух половинок, шарнир;
ТТ - 39 - гибкая транспортная зона;
ТТ - 109 - сильфон в транспортной зоне;
ТТ - 31 - гибкая зона испарения (полимерная пленка);
ТТ - 113 - гибкая зона конденсации (сильфон - холодный резервуар);
ТТ - 114 - гибкая зона конденсации (сильфон связанный со второй ТТ);
ТТ - 57 - полностью гибкая ТТ (автопокрышка);
ТТ - 28 - лопатки центробежного насоса;
ТТ - 58 - арматурный элемент;
ТТ - 63 - корпус из нитинола;

ТТ-92. А.с. СССР 504 049. Тепловая труба…, отличающаяся тем, что, с целью повышения компактности тепловой трубы в период отсутствия теплового потока, корпус выполнен из сплава титан-никель и имеет в холодном состоянии изогнутую форму, например, волнообразную, а в рабочий период при разогреве трубы - прямолинейную.

1.5.5. Зоны теплообмена (ПС₃)

Работа зон теплообмена непосредственно связана с функционированием ПС₁ и ПС₂. Основное направление усовершенствований - улучшение условий тепломассообмена (Рис.42).

ТТ-93. А.с. СССР 422 925 (БИ: 7-1975). Тепловая труба отличающаяся тем, что с целью повышения эффективности массообмена, внутри корпуса введен еще один охлаждающий элемент (КПМ располагается на его поверхности).

ТТ-94. А.с. СССР 1 071 919 (БИ, 5-1984, с. 133). ТТ с зонами испарения и конденсации, содержащая корпус с капиллярной структурой и центральной артерией, выполненными за одно целое из металлической сетки, отличающаяся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности, зона конденсации выполнена с увеличенным диаметром в виде диска, разделенной поперечной перфорированной перегородкой на камеры, верхняя из которых снабжена системой серповидных лопаток, обращенных узким концом к центру, а нижняя - плоской ленточной спиралью.




ТТ-95. А. с. 461 283 (БИ, 7-1975). Способ работы тепловой трубы с пористым фитилем путем замкнутой циркуляции неэлектропроводного теплоносителя между зонами испарения и конденсации под воздействием внешнего перпендикулярного к оси трубы магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью создания в пористом фитиле наведенной конвекции жидкого теплоносителя, в последний добавляют мелкие магнитовосприимчивые частицы, например в виде коллоидного раствора, а воздействие магнитного поля осуществляют в зонах испарения и конденсации. Наличие феррочастиц в жидкости способствует энергичному перемешиванию теплоносителя в фитиле под воздействием магнитного поля. Наведенная магнитоконвекция позволяет сдвинуть наступление кризиса кипения жидкости в сторону больших тепловых потоков. Частицы в 10 раз меньше размеров пор.

ТТ-96. Электрокинетическая ТТ (РЖ Теплотехника, 5-1981, 5Г 120 П). ТТ с устройством для электроосмотического перемещения жидкости. Для повышения теплопередачи КПМ выполнено в испарительной и конденсационной зонах с осевыми артериями и радиальными перегородками.

Устройство для электроосмотического перемещения выполнено в виде системы пористых электродов и пластин с продольными пазами (в конденсационной зоне), а конденсатопровод в виде камеры и гибкой трубки, размещенных по оси транспортной зоны.

ТТ-97. А.с. СССР 992 997 (БИ, 4-1983, с. 199). Антигравитационная тепловая труба...., отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности в зоне конденсации эластичные стенки с магнитовосприимчивыми частицами внутри последних.

1.6. ПЕРИОД ПОЯВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ПОЛЕЗНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ

1.6.1. Выявление новых функций и обеспечение их дополнительными подсистемами.

Надсистемные требования, предъявляемые к ТТ при их использовании в других технических системах, носят самый разнообразный характер. Множество частных требований, выдвигаемых конкретными ТС, видоизменяют ТТ в ту или иную сторону (см. раздел 1.4).

Но среди этого множества требований выделились два наиболее общих, характерных для большинства ТС:

• направленная теплопередача,
• регулируемая теплопередача.

Эти новые потребности должны быть обеспечены дополнительными полезными функциями, а значит в ТТ должны появиться дополнительные подсистемы.

Интересна взаимосвязь новых ПФ со свойствами классической ТТ. Напомним основные особенности ее функционирования.

1. В ТТ осуществляется равнопотенциальная теплопередача, т.е. плотность теплового потока (теплопередача через единицу площади) в зоне испарения должна быть равна плотности теплового потока в зоне конденсации. Т.е. приток тепла не должен превышать величину его стока (см. раздел 1.1.). Площадь зоны конденсации в классической ТТ неизменна, поэтому она и лимитирует мощность источника тепла.

2. Зоны теплообмена в классической ТТ абсолютно одинаковы, поэтому ТТ безразличны к направлению теплопередачи - она может идти в обе стороны. Т.е. если источник и сток теплоты поменяются местами, то ТТ будет работать также эффективно.

3. Теплопередача в классической ТТ нерегулируемая: нельзя по желанию изменить мощность теплопередачи в работающей трубе.

Можно предложить такую обобщенную формулировку классической ТТ: это такая ТТ, в которой осуществляется нерегулируемая равнопотенциальная теплопередача в обе стороны.

Новые ПФ как бы отрицают эти свойства: теплопередача должна быть регулируемой, неравнопотенциальной, в одну сторону.

1.6.1.1. Тепловые выключатели и диоды.

Во многих областях техники (в частности в криогенной) теплопередача должна идти в одном направлении (режим теплового диода), перенос теплоты в обратном направлении должен быть исключен. Для обеспечения однонаправленной теплопередачи существует несколько возможностей, чтобы зона конденсации не превратилась в зону испарения: выключение или экранирование ТТ в целом, перекрытие парового канала, выключение фитиля. Все эти возможности были реализованы в процессе синтеза тепловых диодов (Рис. 59).

ТТ-98. Тепловые выключатели. Брест 0., Шуберт К.П. (1973):



Эддлетон В.Н., Хекс К. (1973): Выключатель с заслонкой (магнитный привод) в паровом канале.

См. ТТ-48 - термоконтактор в виде тора с парафином.

ТТ-99. Райс Ж. (1975). Для отключения ТТ замораживают рабочую жидкость с помощью термоэлектрического охладителя.

ТТ-100. А.С. СССР 566 087 (БИ, 27-1977). Тепловой выключатель.




ТТ с регулируемым сопротивлением, содержащая установленную в герметичном корпусе трубку капиллярной структуры, имеющую поперечный разъем с изменяемым зазором, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, по крайней мере один из концов трубки в разъеме выполнен эластичным в продольном направлении, например, в виде поперечного гофра, на нем укреплено кольцо из магнитного материала, а снаружи корпуса - электромагнит для управления величиной зазора в разъеме.

На рис. 46 капиллярная система разомкнута; при перемещении кольца 5 с эластичным участком 4 в крайнее левое положение - капиллярная система включается.

ТТ - 101. Пат. США 3 700 028 (1970). Тепловой диод. Фитиль в зоне конденсации не доходит до стенки, т.е. эта зона не может быть испарительной.

ТТ-102. Пат. США 3 587 725 (1968). Тепловой диод. В зоне испарения фитиль имеет большую толщину, чем в других зонах.

ТТ-103. Тепловые диоды. Киркпетрик Д.Н. (1973)

а) с захватом жидкости.




б) с блокадой жидкости




ТТ-104. А.с. СССР 1 028 998 (БИ, 26-1983, с. 131). ТТ, герметичный корпус с зонами испарения и конденсации и центральная трубчатая вставка с расширяющимся концевым участком, контактирующим с капиллярной структурой, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения термодиодного эффекта - вставка расширяющимся участком обращена в сторону зоны конденсации с образованием между этим участком и торцевой стенкой сопла,
2. ... сопло выполнено сужающимся.
3. ... торцевая стенка зоны конденсации расположена под углом к оси корпуса.

1.6.1.2. ТТ переменной проводимости.

Проблема регулирования (или саморегулирования) теплопередачи в ТТ связана с довольно часто встречающейся потребностью поддерживать постоянной температуру источника тепла, т.е. отводить в каждый момент времени ровно столько излишков тепла, сколько их выделяется на источнике. В терминах ТРИЗ создание такой ТТ - это переход от статичной ТС к динамичной.

В классической ТТ зона испарения принимает температуру источника тепла, а зона конденсации - температуру среды, отводящей тепло. Если повышать температуру источника (предел увеличения - термическая стойкость рабочей жидкости), то может наступить кризис кипения; если понижать температуру охлаждающей среды (предел понижения - точка замерзания рабочей жидкости), то ТТ из режима теплопередачи перейдет в режим "отсоса" тепла от источника, температура которого будет понижаться. Таким образом, соответствующее понижение температуры конденсатора (при внезапном повышении температуры источника), это один из возможных способов регулирования теплопередачи в ТТ. Однако такой способ практически трудно осуществим и поэтому развитие ТТ пошло иным путем.

ТТ-105. Уэйт Т. (ун-т Дж. Хопкинса, США) в 1965 при проведении экспериментов с ТТ для спутника обнаружил новое явление: блокирование части поверхности конденсатора неконденсирующимся газом (водородом), выделившимся при работе ТТ (натрий - нержавеющая сталь).

Само по себе выделение неконденсирующихся газов внутри работающей ТТ является следствием ВПФ-несовместимости материалов. С этим нежелательным явлением для обычных ТТ борются различными способами: подбором совместимых материалов, протравливанием корпуса, очисткой жидкости, вакуумированием и т.д. Заслуга Т.Уэйта в том, что он обратил внимание на новое свойство: неконденсирующийся газ уносился из зоны испарения в зону конденсации, где блокировал (отключал) часть поверхности теплообмена. При этом достигалось некоторое равновесное состояние:




Дальнейшее исследование показало, что между паром и газом существует резкая граница раздела; в зоне, блокированной газом, прекращается всякая передача теплоты; граница раздела перемещается вдоль трубы в зависимости от давления паров (т.е. температуры в зоне испарения). Причем перемещение границы очень чувствительно к температуре; например, давление паров натрия при 800°С изменяется пропорционально десятой степени температуры! Т.е. даже небольшое изменение температуры источника приводит к быстрому изменению площади зоны конденсации. Был сделан вывод о возможности регулирования ("газового регулирования") температуры источника теплоты.

Современные ТТ позволяют изменять мощность теплопередачи в больших пределах.

Несмотря на то, что этот высокоэффективный способ регулирования ТТ был найден уже через год после появления ТТ Гровера, процесс заполнения "промежуточных" точек на плавной кривой развития (от обычной ТТ к ТТ переменной проводимости) продолжается и по сей день. Наиболее характерные точки отражены в последовательно расположенных информационных карточках. Продолжается также процесс развития газорегулируемых ТТ.

ТТ-106. Пат. США 3 603 382 (1969). ТТ - трансформатор теплового потока (см. также ТТ-59 и ТТ-48). Радиальная теплопередача, ТТ в виде кольца. Внутренняя кольцевая стенка - испаритель, внешняя - конденсатор. Это простейший способ увеличения площади зоны конденсации.

ТТ-107. Пат. Великобритании 1 222 310 (1969). Способы регулирования потоков жидкости в ТТ; вентили, полностью заполненные фитилем пространства (перетекает только жидкость) и др. Используется в терморегуляции скафандров.

ТТ-108. А.С. СССР 503 116 (БИ, 6-1976). Тепловая труба, содержащая герметичный корпус и установленный в нем с кольцевым зазором цилиндрический канал с сопловым участком, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения непропорционального регулирования теплового потока, вкладыш выполнен разъемным, а сопловый участок образован разрезной двухслойной втулкой из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, закрепленной одним концом в месте разъема вкладыша и имеющей возможность скольжения другим концом по стенке канала.




ТТ-109. А.с. СССР 386 219 (БИ, 26-1973). ТТ, содержащая корпус с КПМ и устройство для термостатического регулирования, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности регулирования, корпус в средней части имеет поперечный разъем. Устройство для термостатического регулирования выполнено в виде сильфона, жестко соединенного с обеими частями корпуса.
2. ... внутренняя полость сильфона заполнена материалом расширяющимся при затвердевании (парафином).
3. ... полость сильфона по напорной линии подключена к источнику давления, на линии установлен клапан, управляемый термодатчиком из зоны нагревания.
5. ... полость сильфона заполнена газом и порошковым адсорбентом, (активным углем).

После появления газорегулируемой ТТ начался поиск газа (или смесей газов) наиболее совместимого с веществами ТС. Водород, с которым было связано открытие нового эффекта, оказался самым неподходящим газом - он хорошо растворяется практически во всех металлах, вызывая водородную коррозию.

ТТ-110. Пат. США 3 525 386 (1969, Гровер). Предложено использовать инертный газ для изменения объема конденсатора.

Для расширения диапазона изменения мощности теплопередачи в газорегулируемой ТТ Уэйта потребовалось бы большое количество газа, а следовательно увеличение размеров ТТ. Первым усовершенствованием этой трубы явилось включение в техническую систему новой подсистемы - специального резервуара для хранения газа.

ТТ-111. Пат. США 3 613 773 (1971). ТТ переменной проводимости с резервуаром для хранения инертного газа со стороны зоны конденсации. Резервуар холодный, без фитиля.




Резервуар (аккумулятор газа) добавлен для обеспечения более тонкого регулирования температуры пара. Кроме того, резервуар мог легко отключаться вентилем, установленным на соединительном патрубке.

Однако уже в первых экспериментах исследователи столкнулись с проблемой диффузии паров рабочей жидкости в резервуар и их конденсации. Для обеспечения возврата конденсата пришлось снабдить фитилем и резервуар.




ТТ-112. ТТ переменной проводимости с холодным резервуаром (Коссон Р. и др., 1973). Мощность 1,2 кВт, длина с резервуаром - 2 м, диаметр - 25 мм Рабочая жидкость - аммиак, газ - азот. КПМ с артериальным фитилем - большая передающая способность по жидкости. В артерии обеспечивалось переохлаждение жидкости для уменьшения размеров пузырьков газа и его поглощения.

Для дальнейшего расширения диапазона регулирования потребовалось смягчить резкое реагирование положения границы пар-газ на изменение температуры. Было предложено выполнять резервуар гибким (с изменением объема) - в виде сильфона.

Но в сильфон нецелесообразно вводить фитиль для возврата конденсата, поэтому в соединительном патрубке появилась полупроницаемая перегородка (мембрана): пропускает газ и не пропускает пар и жидкость.

Другое техническое решение этой проблемы предложил Уэйт: снабдить сильфон электрообогревателем и поддерживать в нем температуру на 1°С выше фазового перехода жидкость - пар, предотвращая тем самым конденсацию попавшей туда жидкости; сильфон топлоизолирован от окружающей среды. Электрообогрев и теплоизоляция позволили бы также исключить вредное влияние изменений температуры окружающей среды, вызывающие довольно сильные скачки давления газа и нарушающие работу ТТ.

ТТ-113. Холодный резервуар в виде сильфона с механическим изменением объема (Тернер Р.К., 1969). Предложено механическое перемещающее устройство для регулирования положения сильфона между двумя точно заданными точками. Недостатки: потребность в электроэнергии для привода, отказы, увеличение веса.

Но главным недостатком этого устройства было, конечно, участие человека в регулировании: перемещение рычага или подача команды исполнительному органу.

Следующим шагом в развитии было введение принципа обратной связи: сначала механической, затем электрической.

ТТ-114. ТТ переменной проводимости с холодным резервуаром - сильфоном (Бинерт У. и др., 1970).
Последовательность работы подсистем:
• изменение температуры источника теплоты,
• изменение давления вспомогательной жидкости,
• перемещение внутреннего сильфона,
• перемещение основного сильфона,
• вытеснение - втягивание газа из (в резервуар),
• изменение положения границы пар-газ,
• изменение теплопередачи ТТ.

Достигнута высокая точность регулирования: ±4°С.

См. также ТТ-64 (А.с. СССР 408 114).

ТТ-115. А.с. СССР 492 712 (БИ, 43-1976). Теплопередающее устройство, отличающееся тем, что, с целью регулирования создаваемого перепада температур, к полости основной трубы присоединен сильфон, к днищу которого жестко прикреплена дополнительная тепловая труба, установленная с возможностью осевого перемещения в основной трубе.




ТТ-116. А.с. СССР 1 032 322 (БИ, 28-1983, с. 168). Коаксиальная ТТ, содержащая корпус, размещенный внутри его с кольцевым зазором трубопровод, герметично соединенный с торцами корпуса и выведенный за его пределы, отличающаяся тем что, с целью повышения термодинамической эффективности, по оси трубопровода с помощью дистанционированных элементов установлен стержень, один из концов которого за пределами корпуса снабжен конусной насадкой, обращенной вершиной к его торцу, а трубопровод внутри корпуса выполнен в виде сильфона.

ТТ-117. ТТ переменной проводимости с электрической обратной связью (Бинерт У. и др.,1971)


Достигнуто прецизионное регулирование температуры источника: ±1°С.

ТТ-118. А.с. СССР 1 030 636 (БИ, 27-1983 с. 156). Газорегулируемая ТТ - испаритель с газовым резервуаром и конденсатор, отличающаяся тем, что, с целью повышения эксплуатационной надежности и точности регулирования при периодических пиковых тепловых нагрузках в стенке испарителя выполнена по крайней мере одна полость, заполненная плавящимся веществом.
2. ... полости выполненные в стенках испарителя заполнены плавящимся веществом с различной температурой плавления.

Здесь применена ТТ с горячим резервуаром (расположенным около или внутри зоны испарения, известны с 1971). Дополнительная функция - сглаживания скачков температуры (сначала теп-ло "поймают" плавящимся веществом, а затем медленно "перерабатывают"); подобное решение см. ТТ-50.

ТТ-119. Использование электрического ветра для управления парогазовым фронтом в газонаполненных ТТ ("Электронная обработка материалов", 1980, № 6, с. 35-37). Предложено использовать для изменения положения границы "пар-газ" "электрический ветер" - появляющийся при изменении параметров противоэлектрода в коронирующей системе типа игла-плоскость. Возможно применение внутри газонаполненных ТТ. Описана кольцевая электродинамическая газонаполненная ТТ.

Здесь сделана попытка исключить из системы резервуар. Но какой ценой? - усложнением подсистемы, введением в нее ТС, обслуживающей коронирующую систему. Такое решение "расчищает" оперативную зону и, если не видеть резкого усложнения надсистемы, может показаться близким к идеальному.

Сравним это решение с последними разработками Института прикладной физики АН Молдавской ССР (ТТ-120; ТТ-121) - в них получен действительно заметный качественный скачок. Такой скачок характерен для изобретений, основанных на введении в ТТ нового идеального вещества.

ТТ-120. А.с. СССР 947 614 (БИ, 28-1982). Газорегулируемая ТТ с зонами испарения и конденсации, содержащая корпус с аккумулирующим объемом, расположенным в торце зоны конденсации и снабженным нагревателем, соединенным через блок управления с датчиком температуры, установленным в зоне испарения, отличающаяся тем, что, с целью расширения пределов регулирования, внутренняя поверхность аккумулирующего объема покрыта спеченным порошком гидрида интерметаллида.

В ТТ снова использован водород. Его уникальное свойство хорошо растворяться в металлах, прежде считавшееся "вредным" (см. ТТ-105, ТТ-110), обращено в пользу. Применен материал наиболее "водородолюбивый" - порошок гидрида интерметаллида с общей формулой: АВ5НХ, где А - редкоземельный металл, В - кобальт или никель, Н - водород. Например, можно использовать лантан - никелевый или самарий - кобальтовый гидриды. Применен также еще один металл (палладий) с интересным свойством: свободно пропускает водород и абсолютно непрозрачен для пара.

При изменении температуры в испарителе 1 датчик 9 через блок управления 8 изменяет мощность нагревателя 7, спеченный порошок 6 интенсивно выделяет водород, который проходя через пластину 10 изменяет положение границы пар-газ 11. При снижении мощности 7 порошок 6 поглощает водород.

Использование нового вещества с новым для этой ТС свойством поглощать или выделять водород при изменении температуры и давления позволило резко сократить объем резервуара и ввести его внутрь ТТ.

Это новый шаг к полному поглощению подсистемы "холодный резервуар" идеальным веществом.

ТТ-121. А.с. СССР 1 070 421 (БИ, 4-1984, с. 141). Газорегулируемая ТТ по А.с. СССР 947 614, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества регулирования, пластина из палладия свернута в цилиндр, образующий аккумулирующий объем и разделенный посредством кольцевой прокладки на две части, каждая из которых подсоединена к нагревателю независимо от другой, а спеченным порошком гидрида интерметаллида покрыта внутренняя поверхность лишь одной из них.




При изменении температуры в зоне 2 датчик 8 с помощью блока управления 7 изменяет силу тока, поступающего от 6 независимо к обеим частям цилиндра. При прохождении электрического тока через стенки цилиндра выделяется джоулево тепло, повышается температура стенок, благодаря чему существенно возрастает проницаемость палладия для прохода водорода (проницаемость изменяется по экспоненциальному закону при изменении температуры палладия(. В зависимости от величины вводимой мощности тока покрытие 9 выделяет большее или меньшее количество водорода. Водород, выделенный интерметаллидом, собирается в виде газовой подушки в верхней части 3 и изменяет положение границы пар-газ. Часть цилиндра 4, свободная от покрытия, имеет самостоятельное подключение к 6, который для этой части цилиндра может работать в постоянном режиме. Теплоизоляция 6 - для разделения тепловых потоков по обеим частям цилиндра 4. Для непрерывной работы ТТ необходимо обеспечить как выделение, так и интенсивное поглощение водорода покрытием 9, к которому водород в этом случае проникает через часть 4 свободную от покрытия.

Высокие динамические характеристики регулирования - за счет возможности пропуска водорода в больших количествах и с большой скоростью в обоих направлениях при его выделении и поглощении.

Отметим особенности этого решения:

1. аккумулирующий объем еще больше сократился;

2. произошло повышение точности регулирования за счет замены статичного режима работы (или поглощения, или выделения водорода) на динамичный (водород одновременно и выделяется и проникает в цилиндр);

3. исчез нагреватель, его функцию выполняет "по совместительству" сам цилиндр (нагреватель поглощен идеальным веществом).

Кроме ТТ переменной проводимости тепловые трубы развиваются еще в одном направлении - они начинают превращаться в преобразователи альтернативной энергии: солнечной, геотермальной и т.п. Предложены способы извлечения низкопотенциальной тепловой энергии недр с использованием принципа тепловой трубы, разработаны ТТ с встроенными в корпус концентраторами солнечного излучения. Пока это только транспортеры и трансформаторы тепловой энергии. Легко представить себе совмещение ТТ с преобразователем тепловой энергии в электрическую: достаточно ионизировать пар и использовать принцип МГД - генератора.

В этом направлении уже есть интересные решения:

ТТ-122. А.с. СССР 842 380 (БИ, 24-1981). Предложено применение пористых р- и п-полупроводниковых элементов в качестве капиллярно-пористой структуры ТТ. ТТ превращается в термогенератор низкого напряжения, преобразуя все тепло в электрический ток. Особенно удобно использовать при утилизации сбросного тепла, излишков тепла или любого другого источника. При этом преобразовании нет потерь тепла, не требуется никакого другого оборудования.

В ТТ появляется еще одно идеальное вещество, поглотившее в себя преобразователь энергии и генератор электрического тока⁴.

И, в заключение, еще одна карточка - об использовании эффекта неконденсирующихся газов в технологии изготовления обычных ТТ.

ТТ-123. А.с. СССР 1 020 748 (БИ, 20-198З, с. 128). Способ изготовле-ния ТТ с зонами испарения и конденсации путем заполнения жидким рабочим телом и вакуумирования, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии изготовления вакуумирование осуществляют в процессе работы трубы путем вытеснения воздуха парами рабочего тела через обратный клапан.

1.6.2. Появление новых идеальных веществ и поглощение ими подсистем.

До сих пор анализ периодов синтеза и развития тепловой трубы носил чисто описательный характер: он нужен был для объяснения особенностей функционирования этой ТС и путей ее развития, выявления качественных скачков в развитии. Теперь полезно очистить процессы синтеза и развития от лишней информации, показать узловые точки развития и выделить механизм этого процесса.

На рис. 60, 61 схематично изображены основные моменты процесса синтеза ТТ и процесса развития ТТ переменной проводимости.

Пояснения к рис. 60.

1. Досистемный период - период синтеза веполя. От случайных веществ Вn (газ, жидкость, твердое тело) переход к идеальному веществу (ИВ-1), с использованием фазового перехода жидкость (В') - пар (В").

2. Появление простейшего веполя (три элемента): В₁ (пограничный слой - стенки трубы), ИВ-1, тепловое поле.

3. Период увеличения степени вепольности. Простейшая система (один веполь) начинает "обрастать" новыми подсистемами, превращаясь в цепной и сложный веполи. Смысл этого процесса - в выявлении новых полезных функций и обеспечении их дополнительными подсистемами.
   • Термосифон: из системы вытесняются лишние вещества (воздух)(, замыкается пограничный слой, создается внутренняя среда для функционирования идеального вещества. ПС₁ - зона испарения, ПС₂ - зона транспорта, ПС₃ - зона конденсации, В'- жидкость, В" - пар, В'/В"- фазовый переход, Эп - энергия полезная (вход в систему), Эп' - полезная энергия на выходе из системы, т.е. продукция (Пр).

   • Антигравитационный термосифон: появляются еще три дополнительные подсистемы для обеспечения возврата жидкости против гравитации. ПС₄ - транспорт жидкости по эрлифту, ПС₅ - нагреватель, ПС₆ - источник питания.

   • ТТ Гровера: процесс синтеза заканчивается простым веполем. Подсистемы, обеспечивающие полезные функции поглощаются новым идеальным веществом ИВ-2 (фитиль). В системе только два вещества, поле и пограничный слой.

Пояснение к рис. 61.

К ГПФ классической (нерегулируемой) ТТ Гровера добавляется новая полезная функция - необходимость в регулировании, которая обеспечивается новыми подсистемами. ПС₁ - рабочий орган регулирования, ПС₂ - механический привод, ПС₃ - измеритель (датчик) температуры в испарителе. Цепочка замыкается на "подсистему" - человек. Все эти подсистемы поглощаются ИВ-3 - неконденсирующимся газом.

Далее идет поиск ИВ-3, наиболее полно отвечающего ГПФ и принципу ВПФ-совместимости. Появляется новая подсистема - холодный резервуар. С увеличением ГПФ (более точного регулирования) вводятся новые подсистемы, изменяется резервуар (сильфон).

Появляется механическая обратная связь. Исключается человек из системы.

Обратная связь становится электрической, появляются подсистемы: блок управления, источник питания, нагреватель.

Появившееся в системе ИВ-4 (гидрид интерметаллида, палладий) поглощает резервуар.

Процесс явно еще не закончен: остались непоглощенными подсистемы, не образовался новый простой веполь (моно'-ТС). Оставшиеся подсистемы должны поглотиться ИВ-5 (это может быть вещество из ТТ-122).

1.6.3. Формирование новой моно-ТС.

Выделим еще раз, более четко основные этапы, которые проходит техническая система в процессе своего развития (увеличения ГПФ):

I. - моно-ТС; простой веполь с двумя идеальными веществами (ИВ-1, ИВ-2) и полем;

II. - появление новых полезных функций (увеличивающих ГПФ) и подсистем, обеспечивающих их выполнение, эти подсистемы являются как бы "черновиками" будущих идеальных веществ;

III. - появление новых идеальных веществ (ИВ-3, ИВ-4 и т.д.), каждое из которых заменяет одну подсистему; это идеальное вещество 1-го порядка: ИВ¹ или ИВ(ПС);

IV. - "взаимопроникновение" и "слияние" нескольких идеальных веществ в одно - ИВ 2-го порядка (ИВ² или ИВ_(ТС)), которое принимает на себя выполнение функций нескольких подсистем и, в конечном итоге, целой ТС;

V. - появление новой моно-ТС (моно'-ТС), представляющей из себя опять же простой веполь из двух ИВ 2-го порядка и поля;

VI. - и т.д. для уровня надсистемы.

К настоящему времени тепловая труба прошла в своем развитии первые три этапа и только-только начался 4-й этап. Поэтому 5-й и последующие этапы проиллюстрировать на примере этой ТС пока нечем.

Необходимо отметить, что и вообще в современной технике еще очень мало ИВ 2-го порядка. Пожалуй, единственной областью техники, оставившей в этом смысле далеко позади большинство современных технических систем, является микроэлектроника. Использующиеся и проектируемые большие и сверхбольшие интегральные схемы можно считать, по меньшей мере, идеальными веществами 4-го и 5-го порядков. В таких ИВ, представляющих собой на макроуровне единое вещество - монокристалл, сосредоточено гигантское число элементов, задействовано несколько микроуровней (этажей) вещества, почти исчерпан физический принцип, заложенный в основу их функционирования. Например, рабочий канал транзистора или проводник, соединяющий два элемента, составлены здесь всего из нескольких сот атомов; в этих условиях уже не действителен закон Ома: сопротивление проводника растет не пропорционально, а экспоненциально с увеличением длины. Разумеется на этом развитие микроэлектроники не остановится - синтез ИВ последующих порядков будет идти за счет освоения все более низких этажей вещества с использованием новых физических принципов микромира.

Не случайно, по-видимому, и проникновение некоторых терминов из этой области в теплотехнику: тепловые выключатели, диоды, ТТ с переменным сопротивлением и др. Вполне возможно, что технические системы с использованием теплового поля могут некоторое время развиваться в русле отработанных в микроэлектронике идей. Это направление соответствует и общей тенденции замены в ТС "малоскоростных" полей (механических, тепловых, звуковых и т.д.) на электромагнитное. Однако не следует принимать это положение буквально для теплотехнических систем, например, ТТ. Тепловое поле не исчезнет из ТТ (иначе это будет другая ТС, т.к. не будет ГПФ - теплопередачи).

Единственный участок, в котором должно работать электромагнитное поле, это - транспортная зона. Таким образом, новым физическим принципом работы ТТ будет теплопередача с помощью ЭМ-поля. Произойдет и замена физических пределов: звукового на световой.

Итак, в новой моно-ТС (в соответствии с определением приведенном на предыдущей странице - этап V) будет два ИВ 2-го или 3-го порядка и новое физическое поле (скорее всего ЭМ-поле). Система теплопередачи, с макроуровневой точки зрения, будет представлять собой простой веполь. Возможно и внешне она будет выглядеть "просто", будет чем-то напоминать предыдущие моно-системы (медный стержень, тепловую трубу). Теплопередачу можно будет осуществлять на большие расстояния (по проводам или ЭМ - излучением)⁵.

Может быть одним из ИВ в таких системах будут экситоны - новые физические структуры, у которых открыто явление сверхтеплопроводности. Не случайно последние изменения в ТТ связаны также с химэффектами (ТТ-120, 121). Использован пока один из известнейших эффектов из арсенала химии. Новые функциональные возможности может открыть, например, применение химических транспортных реакций.

Как видно из сказанного, образ новой моно-ТС вырисовывается пока еще только в общих чертах. Детальное прогнозирование и не входило в задачу данной работы, т.к. пока нет еще даже простейшего алгоритма прогнозирования развития технических систем. Создание такого алгоритма должно быть основано на целом ряде работ подобного типа, в том числе, построенных и на других концепциях развития техники. Это цель ближайшего будущего ТРТС.

⁵ Здесь не следует проводить аналогию с передачей тепла от ТЭС и АЭС с помощью электрического тока к потребителю. Многократное преобразование энергии с использованием ТС с низким значением ГПФ и ее транспорт с большими потерями - все это оставляет потребителю маленький "кусочек" от исходной энергии, всего несколько процентов. Речь идет о теплопередаче с К.П.Д. близким к единице, как в ТТ.