Sam termin: rura cieplna (heat pipe) zaproponował Amerykanin G. M. Grover i użył go do opisu swojego patentu na to rozwiązanie 02.12.1963r. W następnych latach, w laboratorium w Los Alamos, przeprowadzono całą serię eksperymentalnych badań różnych rodzajów rur cieplnych. Znamienny jest wzrost liczby publikacji na ten temat: w 1964 — 1 artykuł, w 1968 — 80, w 1970 — 149, w 1972 — 544.
W 1973 roku w Stuttgarcie odbyła się pierwsza międzynarodowa konferencja, poświęcona w całości rurom cieplnym. W 1965 roku analizowano wykorzystanie rur cieplnych w energetyce jądrowej, a w 1967 rurę cieplną zastosowano do regulacji temperatury we wnętrzu satelity Geos‑B.
Przytoczenie tych faktów uświadamia, jak szybko dziś rozprzestrzenia się wiedza i jak błyskawicznie ogarnia odległe rejony zastosowań. Jest także ostrzeżeniem, jak szybko umykają nam kraje zaawansowane w wyścigu do nowoczesności!
Najwyższy czas, żeby przyjrzeć się tym tajemniczym rurom bliżej. Dla zrozumienia zasady ich działania może posłużyć tzw. termosyfon, będący w pewnym sensie prototypem rury cieplnej. Jego budowa jest prosta 1 – głównym elementem jest pionowa rura, do której wprowadza się niewielką ilość płynu, wypompowuje się powietrze do poziomu tzw. technicznej próżni i zasklepia obydwa końce. Dolna część rury z cieczą to strefa parowania, górna — strefa skraplania. Jeżeli doprowadzić ciepło do dolnej części rury, to dzięki próżni ciecz bardzo szybko wyparuje i przemieści się w górne rejony rury, gdzie podlega skraplaniu. Skroplona ciecz spływa po ściankach rury do strefy parowania i tak w kółko.
Co w tym więc dziwnego? Niby nic, ale jeśli rozważymy różne sposoby transportu ciepła, to oprócz metody przepompowywania gorącego czynnika grzewczego — jak w centralnym ogrzewaniu — mamy tylko przenoszenie przez promieniowanie, konwekcję i przewodzenie. Pompowanie — to rozwiązanie siłowe, pozostałe zaś nie są zbyt efektywne. Efektywność tę można podnieść, wykorzystując przemiany fazowe: cieczy w parę i pary w ciecz. Pobór ciepła, jego transport i oddawanie dzięki skraplaniu — to procesy stosunkowo szybkie i obywające się bez pomp i silników. Zasadnicza różnica pomiędzy przewodzeniem ciepła, które można nazwać naturalnym, a rurą cieplną polega więc na tym, że — wnikając nieco w molekularną budowę materii, możemy powiedzieć, że w procesie przewodnictwa ciepła mamy do czynienia ze stopniowym przekazywaniem energii cieplnej od cząsteczki do cząsteczki, a w rurze cieplnej te rozgrzane cząsteczki całe wędrują wraz ze swym ładunkiem ciepła.
Ta pionowa rura to był jednak tylko termosyfon, a więc jeszcze nie prawdziwa rura cieplna. Termosyfon wymaga odpowiedniego usytuowania rury, a to nie zawsze można zapewnić — chociażby w satelicie. Należało więc wymyślić jakiś sposób transportu kondensatu do strefy parowania. Oczywiście powinien to być sposób jak najprostszy, bez pomp itp. urządzeń.
Sposób taki wymyślono i opatentowano jeszcze przed Groverem — w 1944r. Zrobił to Hogler, który opatentował nieco inny typ rury cieplnej, w której zastąpił siły grawitacji siłami napięcia powierzchniowego, czyli prościej mówiąc, zastosował włoskowate kapilary 2. Oczywiście łatwiej powiedzieć — trudniej wykonać. Nie bardzo mogły się tu przydać zwykłe, znane jeszcze z lamp naftowych knoty. Trzeba było sięgnąć po technologię spiekanych proszków metali, która pozwala uzyskać porowatą strukturę, dającą zadowalający efekt włoskowatości. Niekiedy zamiast grawitacji i włoskowatości stosuje się obracające się rury cieplne, co daje efekt sił odśrodkowych, spełniający nieco inaczej tę samą rolę. Generalnie — wszystko zależy od tego, gdzie i do czego te rury cieplne chcemy zastosować.
Podstawowym parametrem rur cieplnych jest zakres temperatur, w których mogą one pracować. Ten zaś zależy od tego, jaki czynnik roboczy został w konkretnej rurze zastosowany.
W zależności od wymaganego przedziału temperatur można stosować różne substancje, takie, które dają się doprowadzić do fazy ciekłej: od skroplonych gazów do metali. Może to być np.: hel (od –272°C do –269°C), amoniak (od –60°C do +100°C), freon (od –40°C do +120°C), aceton (od 0°C do +120°C), woda (od 30°C do 200°C), rtęć (od 250°C do 6500°C), sód (od 600°C do 12000°C), srebro (od 1800°C do 23000°C) itd.
W rezultacie więc zakres parametrów rur cieplnych obejmuje bardzo szeroki przedział temperatur, szybkości transferu i mocy cieplnej. Poniższe zestawienie podaje pełny wykaz możliwości współczesnych rur cieplnych:
Coraz powszechniejszym ich zastosowaniem są ochładzalniki procesorów komputerowych. Wiadomo: pracują przy coraz większych szybkościach, młodzi informatycy podkręcają jeszcze ich parametry, a wszystko to powoduje konieczność odprowadzania coraz większej ilości ciepła.
Na zdjęciu 3 przedstawiony jest taki właśnie współczesny cooler wykorzystujący trzy rurki cieplne (te miedziane), które z wysoką sprawnością odbierają, wręcz odsysają ciepło z powierzchni procesora i z dużą szybkością transportują do radiatora owiewanego strumieniem powietrza wytworzonym przez typowy wentylator 4.
Przewodność cieplna rur cieplnych jest kilkaset razy (TAK!) większa od przewodności naturalnej najlepszych metali, jak: srebro, aluminium czy miedź, a pomijając diament — bardzo dobry pod tym względem, ale kogo stać na diamentowy radiator! No i pamiętajmy, że diament jest i tak oczywiście dużo gorszy, jako przewodnik ciepła, od rur cieplnych.
Jednocześnie rury cieplne znajdują zastosowanie także w przemyśle i to tym najcięższym — w hutach. Rysunek 5 pokazuje schemat instalacji odzysku ciepła z pieca hutniczego.
Wiadomo, że straty tego ciepła w hutach są ogromne i ich odzysk, z przeznaczeniem na inne cele, oznacza znaczną oszczędność także w aspekcie ochrony środowiska.
Znamienne jest to, że sama teoria procesów będących zasadą działania rur cieplnych była znana co najmniej od czasów pierwszych badań termodynamiki. Dlaczego więc rury cieplne, jako superprzewodniki ciepła, powstały tak późno?
Znamienne jest też i to, że studenci jakoś nie darzą sympatią przedmiotu zakodowanego skrótem: TMC (teoria maszyn cieplnych), a pytania o entropię i entalpię są traktowane jako wyrafinowana złośliwość egzaminatora!
Jest jednak nadzieja, że właśnie szansa na superprzyspieszony — dzięki rurkom cieplnym – procesor zmieni nastawienie studenckiej młodzieży do tego przedmiotu!
Źródło: Kazimierz Topór