Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Воздушная подушка, которая возникает перед мчащимся с космической скоростью телом, мгновенно превращается в ослепительно сияющий сгусток плазмы, обрушивающий на породившую его стенку неимоверные тепловые потоки. Правда, сравнительная кратковременность вхождения в атмосферу позволяет применить не совсем обычные методы тепловой защиты.

Как на несколько минут, пока не намокли листья, можно укрыться от дождя под деревом, так можно и стенку защитить от нагрева слоем материала, быстро отводящего тепло от поверхности, распределяя его равномерным слоем по всей толще. При более длительных нагрузках стенку можно охлаждать с помощью трубок, по которым прокачивается жидкость или газ. Можно, наконец, нагнетая сквозь поры газ или жидкость, очень эффективно охлаждать саму стенку и, утолщая пограничный слой, уменьшать поток от источника тепла к стенке. Не нужно много фантазии, чтобы сделать следующий шаг и защищать стенку слоем металла, который, плавясь или испаряясь, отнимает тепло от потока и оказывает, таким образом, охлаждающее действие (не совсем привычно звучит слово «охлаждение», когда речь идет о кипении при 2–3 тыс. градусов). Следующий шаг — абляция.

Оказывается, не разлагайся молекулы кислорода и азота воздуха на атомы, не поглощай они энергию при этом разложении, и температура летательного аппарата при скорости 12 тыс. км/ч была бы не 4000°, а 7500 °C. Почему же не покрыть стенку таким веществом, которое химически разлагалось бы при нагреве, отнимая при этом огромное количество тепла у набегающего потока. Именно так и работают абляционные покрытия. Разлагаясь, они создают струи газов, уносящих поглощенное тепло, и внешне процесс похож на горенке. Но необычно это горение, которое порождает охлаждающее пламя. Наконец, можно покрывать стенку веществом, которое под действием высокой температуры вступает с воздухом в реакцию, сопровождающуюся поглощением тепла.

Теперь, зная, как сильно зависит от теплопередачи космическая техника, как мучительно и непросто возвращение от звезд к планете Земля, мы сможем понять, почему произвело сенсацию среди специалистов-теплотехников появление тепловой трубки…

Открытие сверхпроводимости, при которой электрический ток может циркулировать в металлическом кольце сколь угодно долго, не испытывая никакого сопротивления, натолкнуло ученых на мысль, что может существовать и сверхтеплопроводность. Однако первые же даже не очень точные опыты показали, что, когда металл переходит в сверхпроводящее состояние, его теплопроводность становится меньше, чем в нормальном состоянии. И чем ниже опускается температура, тем ближе сверхпроводник к абсолютному теплоизолятору. Причина этого эффекта проста: электроны, ответственные за сверхпроводимость, «умирают» для теплового движения, не могут участвовать в нем. И чем ниже температура сверхпроводника, тем меньше остается в его теле электронов, способных проводить тепло.

Эффект, который ученым не удалось открыть в природе, инженерам удалось создать искусственно, силой своей изобретательности. И что самое удивительное, в основу этого изобретения легли процессы давным-давно всем известные: кипение и конденсация жидкостей, характеризующиеся необычайно высокими коэффициентами теплоотдачи. С одного квадратного метра поверхности нагрева при перепаде температур всего в 1 °C кипящая вода за час может снять около 50 тыс. ккал тепла, а конденсирующийся пар — около 100 тыс. ккал. Нагретое тело можно быстро охлаждать кипящей жидкостью, получившийся при этом пар чисто механически транспортировать к холодному телу, конденсируясь на котором, он так же быстро отдает тепло, снова превращаясь в жидкость. Возвращая жидкость в зону нагрева, ее опять можно испарить, опять перегнать пар к холодному телу, опять сконденсировать… Другими словами, можно заставить рабочее тело непрерывно циркулировать и переносить при этом тепло. Причем, поскольку сопротивление движению пара гораздо меньше, чем сопротивление движению тепла в теплопроводящем стержне, потоки тепла могут быть увеличены в сотни, а то и тысячи раз.

В одной из первых конструкций через трубку диаметром 2,5 см тепловой поток мощностью 11 кВт передавался на 70 см при перепаде температур, который практически невозможно было измерить. Для сравнения укажем: чтобы выполнить такую задачу с помощью одного из лучших теплопроводников — меди, понадобился бы стержень диаметром 2,75 м, весом 40 т!

Особенно эффектно выглядела одна из первых демонстраций литиевой трубки. Один конец ее экспериментаторы сунули в середину электрической дуги, а другой — в бак с холодной водой. Стержень мгновенно раскалился докрасна и вода в баке закипела. Чтобы оценить всю необычайность этого опыта, достаточно привести такие цифры. Для передачи 15 кВт тепловой мощности по медному стержню с поперечным сечением 1 кв. см на расстояние 1,5 м его горячий конец должен быть раскален до 180 тыс. (!) градусов — в 30 раз горячее поверхности Солнца! А литиевая трубка таких же размеров, нагретая до 1500 °C, передает эту же мощность при разности температур на концах всего в 5 °C.

С помощью тепловых трубок — устройств, температура которых остается практически постоянной по всей длине, — можно очень легко и удобно концентрировать тепловые потоки. Благодаря этому возникает возможность создать источники энергии на радиоактивных изотопах с низкой плотностью тепловыделения: поглощая тепло на большой поверхности, тепловые трубки концентрируют его на малой площади, где оно удобно может быть использовано для привода теплового двигателя либо термоэлектрического элемента. Так же просто с помощью тепловых трубок можно «разжижать» тепловые потоки, что очень важно во всевозможных системах охлаждения…

В самом деле, хуже всего проводят и излучают тепло газы. Они же хуже всего отдают и получают его при конвекции. А поскольку источники энергии чаще всего генерируют ее именно в виде горячих газов и поскольку газы — лучшее рабочее тело для всевозможных тепловых машин, именно газы всегда были настоящим камнем преткновения в инженерной теплопередаче. Например, в котле от газов в топке теплота передается к внешней поверхности трубки излучением и конвекцией, от внешней поверхности трубки к внутренней — теплопроводностью, от внутренних поверхностей трубок к воде — конвекцией при испарении. Каждый из этих участков представляет собой частное тепловое сопротивление. И как скорость эскадры измеряется скоростью самого тихоходного корабля, так и суммарное тепловое сопротивление целиком зависит от самого большого из всех частных сопротивлений. А таким сопротивлением практически всегда оказывается сопротивление при теплоотдаче к газу. Увеличивая с помощью вентиляторов скорость обдувания трубок газовым потоком, скорость теплоотдачи можно увеличить до нескольких сот ккал/чм 2°С. И это предел. Дальнейшее увеличение теплового потока возможно только за счет увеличения поверхности, по которой идет теплообмен с газом: в результате на газовой стороне появляются всевозможные замысловатые ребра. Но вот беда — к концам ребер теплота поступает только за счет теплопроводности, а поскольку она сравнительно невелика, температура ребер оказывается гораздо ближе к температуре охлаждающего газа, чем к температуре охлаждаемых деталей. В результате эффективность их резко падает…