Чем КТТ отличаются от обычных тепловых труб и как их применять

Июнь 2016-го. Остров Чеджу, Южная Корея. Третий день международной конференции по тепловым трубам. Во время перерыва подходят два китайца:

– Здравствуйте! А вы из Теркона? – Из Теркона. – А правда, что у вас Юрий Фольевич работает, Майданик? – Правда. – И что, он здесь? – Здесь. – Дак он еще и живой? И что, можно с ним сфотографироваться? – Конечно.

Так с нашим Юрием Фольевичем в тот день сфотографировалось несколько десятков китайцев. Сначала вместо двух пришла группа из двадцати человек. Потом они еще видимо другим китайцам сказали и еще пара групп поменьше приходила посмотреть на живого ученого.

В этой статье — краткий экскурс в историю появления КТТ, чем КТТ отличаются от простых тепловых труб, серия коротких видеороликов о том, как применять КТТ.

История КТТ

Юрий Фольевич стоял у истока появления контурных тепловых труб (КТТ), изобретенных в тогда ещё Свердловске в начале 1970-х. Уже более четверти века КТТ успешно применяются в космической промышленности. Более 500 КТТ запущены и успешно эксплуатируются на борту космических аппаратов России, США, Китая, Европы.

В середине 2000-х появилась идея использования КТТ где-то не в космосе, а поближе. В гражданских продуктах. Для этого нужно было решить два вопроса — уменьшить размеры КТТ и наладить серийное производство. Космические КТТ были большими (труба толщиной с человеческую руку — обычное явление) и изготавливались индивидуально, штучно, под каждый конкретный космический аппарат. Так появилось предприятие «Теркон-КТТ».

Действующая модель

Можно ли изготовить тепловую трубу для отопительной системы частного дома своими руками?

Разумеется, причем инструкция не отличается особой сложностью:

1. Ввариваем в стальную трубу длиной 2 — 4 метра и диаметром 100 — 150 мм стакан из той же трубы, ориентированный перпендикулярно ее оси;
2. Помещаем в стакан электрод, изолировав его от стенок;
3. Заливаем в стакан небольшое количество воды (0,5 — 1 литр);
4. Глушим торцы трубы;
5. Фиксируем ее с небольшим наклоном в сторону стакана;
6. Подаем на электрод фазу, а на корпус трубы — ноль.

Что в результате?

Вода, представляющая собой электролит благодаря растворенным в ней солям, кипит при протекании через нее тока. Пар конденсируется на холодном конце трубы и стекает к стакану самотеком. Полное испарение воды разрывает цепь между электродом и стенкой, после чего нагрев прекращается.

Автор этой конструкции встроил в нее дополнительную страховку — электроконтактный манометр, отключающий питание при повышении давления до 6 атмосфер и включающий при его понижении до 3 кгс/см. Дополнительным эффектом стало повышение рабочей температуры нагревателя: при повышенном давлении вода закипает при температуре более 100 градусов.

Эксперимент можно упростить, нагрев на одном конце заглушенную с обеих сторон гофрированную трубку из нержавейки с небольшим количеством воды внутри. Второй ее конец мгновенно раскалится.

Тепловые трубы

Обычные тепловые трубы (ТТ) сегодня — знакомая всем технология. Они применяются практически в каждом современном компьютере. Будь то настольный ПК или ноутбук. Тепловые трубы используются для переноса тепла от источника к радиатору. Когда невозможно или не удобно разместить радиатор сразу на источнике тепла.

ТТ были дважды (!) изобретены в США. Сначала Гоглером в General Motors Corporation. Затем доктором Гровером из Лос-Аламосской национальной лаборатории. Суть внутреннего устройств ТТ и принцип ее работы:

То есть ТТ — отрезок трубы со сложной внутренней структурой. Когда с одной стороны трубы происходит нагрев, тепло по центральному каналу переходит в виде пара на другой конец трубы. Затем по сложной капиллярной структуре внутренних стен трубы остывающая жидкость возвращается обратно. Цикл повторяется.

Каждая ТТ может передавать ограниченное количество тепла. Для того, чтобы передать больше тепла, используют несколько параллельных ТТ.

Ограничения применения ТТ:

1. Небольшое расстояние теплопереноса. В условиях земной гравитации, при вертикальном размещении, ТТ работает эффективно при длине до 25 см.
2. Мощность. Если нужно передать много тепла, не всегда получается использовать столько параллельных труб, сколько необходимо.
3. Конфигурация. Каждый изгиб ТТ заметно влияет на ее эффективность. Сложная внутренняя структура трубки разрушается при изгибах. Соответственно, если требуется сделать несколько крутых изгибов, применение ТТ может стать нецелесообразно из-за большой потери эффективности.

Сборка. Первые тесты и работа над корпусом

Вот уже есть предварительный итог — смонтирована КТТ, компьютер собран для первых тестов (теплосъёмник прижат с помощью бекплейта)!

Проверим пассивный вариант использования — никаких кулеров! При низкой нагрузке (простой, серфиг, офисные утилиты….) температура процессора доходит до отметки 50 градусов (минут через 20 после включения и просмотре фильма). Жить можно, но если увеличить нагрузку… Вот график температур при запуске встроенного стресс теста CPU-Z:

Вот что видит тепловизор после прогрева:

Очевидно, что полностью пассивный режим работы не наш случай. Нужно создать хотя бы небольшой поток воздуха (все таки достаточно много ушло времени для достижения предельных температур на максимальной нагрузке). То, что такому радиатору достаточно небольшого потока было проверено 50мм кулером от древней видеокарты. Просто бросив его поверх радиатора при тех же условиях и времени тестирования максимальная температура добралась лишь до 87 градусов!

Значит, проблему перегрева вполне можно решить с помощью более крупных кулеров (или даже нескольких), работающих на минимальных оборотах. Но вот как быть с их размещением? Тут уже совсем близко подбираемся к корпусу.

Контурные тепловые трубы

КТТ — замкнутая система. Это не отрезок трубы.

КТТ состоит из испарителя и паропровода. Вся сложная начинка находится в испарителе. Паропровод же — обычная труба. При изгибах паропровода не происходит какого-либо значительного падения эффективности теплопередачи.

Обычно используется жесткая нагартованная труба из нержавеющей стали. Для сгиба контура применяются специальный трубогиб, чтобы не допустить перелома трубы. Так же возможно применение ненагартованной трубы из нержавеющей стали или из меди. Такой контур легко гнется руками, риск перелома трубы минимален. Даже настолько изогнутая КТТ остается вполне работоспособной:

Испаритель монтируется к источнику тепла. Средний отрезок паропровода монтируется змейкой внутри радиатора, для увеличения площади контакта.

Применение КТТ

Типовой сценарий появления КТТ-охлаждения в устройстве заказчика:

1. Заказчик решает, что обычные системы охлаждения не позволяют функционировать его устройству с требуемым уровнем эффективности. Либо конструктив устройства не позволяет эффективно решить задачу теплообмена.
2. Наши специалисты уточняют у заказчика все существенные условия функционирования его устройства.
3. Если это допустимо и может принести ощутимую пользу, мы рекомендуем заказчику внести изменения в конструктив устройства. Для более эффективной работы системы охлаждения.
4. Проектируется система охлаждения на базе КТТ. Моделируется пространственная конфигурация контура охлаждения. Выбирается тип испарителя.
5. На основе разработанной документации изготавливается опытный образец системы охлаждения.
6. После удачных экспериментов с опытным образцом изготавливается серия КТТ для конкретного устройства заказчика.

Вакуумные радиаторы: циничным взглядом сантехника

Первое знакомство

Ключевое отличие вакуумного радиатора от обычной батареи — в том, что вода в нем циркулирует только через нижний коллектор. По всей высоте секции прогреваются именно благодаря эффекту пресловутой тепловой трубки: при нагреве герметичных секций некая «литиево-бромидная жидкость» испаряется и переносит тепло. Температура ее кипения — 35 градусов.

Знакомьтесь: батарея, использующая для передачи тепла испарение и конденсацию теплоносителя.

Цена вакуумных радиаторов существенно выше, чем у алюминиевых и даже многих биметаллических аналогов. Так, 8-секционная батарея отечественного производства обойдется покупателю примерно в 6000 рублей.

Разбор полетов

А теперь давайте ознакомимся с ключевыми утверждениями продавцов и попробуем соотнести их с собственным здравым смыслом:

1. Благодаря небольшому внутреннему объему уменьшается объем теплоносителя в системе отопления.

Вода наполняет только нижний коллектор.

Объем теплоносителя имеет хоть какое-то значение в том случае, если система отопления заполняется антифризом, который приходится покупать. Во всех прочих случаях этот параметр влияет разве что на инерционность изменения температуры. При использовании твердотопливных котлов малая инерционность и вовсе вредна: при редких растопках котла батареи должны оставаться теплыми как можно дольше.

Особый случай — установленные в контуре теплоаккумуляторы. Они полезны в случае тех же твердотопливных котлов или электрокотла в сочетании с ночным тарифом на электричество. При объеме теплоизолированного бака хотя бы в кубометр разница между радиаторами объемом в 8 литров и в 0,5 литра незаметна в принципе.

На фоне размеров теплоаккумулятора разница между секциями с разным внутренним объемом сглаживается.

1. Радиатор универсален и подходит как для автономной системы, так и для ЦО. Если нижний коллектор, контактирующий с водой в контуре, выполнен из нержавейки достаточной толщины — этот аргумент действительно говорит в пользу вакуумного радиатора. Он на самом деле сможет без ущерба для себя перенести гидроудары или скачки температуры, нередкие в ЦО. Другое дело, что это свойство не эксклюзивно: любой биметаллический радиатор обладает теми же свойствами.
2. Отпадает необходимость в стравливании воздуха. Действительно, в самих радиаторах воздух скапливаться не будет: вода заполняет только нижний коллектор. Что не отменяет образования воздушной пробки при запуске сброшенного контура: розлив никогда не прокладывается строго в горизонт, на одном уровне с выходом и входом котла.

Радиатор расположен выше розлива и при сбросе системы будет завоздушен.

1. Срок службы составляет не менее 50 лет.

В автономной системе любой радиатор прослужит не меньше. Просто потому, что полностью отсутствуют деструктивные факторы:

• Теплоноситель не обогащается кислородом, что означает отсутствие коррозии черной стали;
• Гидроудары при минимальной вменяемости владельца полностью исключены;
• Перепады температуры незначительны, что гарантирует долгий срок службы межсекционных прокладок;
• Ил и ржавчина отсутствуют как класс, поскольку вода в контуре практически не обновляется. Весь мусор остается на фильтре грубой очистки в первые часы работы системы после запуска.

В системе ЦО вакуумный радиатор опять-таки ни в чем не превосходит биметаллический, который рассчитан именно на экстремальные условия эксплуатации.

Биметаллические батареи как минимум не уступают вакуумным прочностью.

1. Конструкция вакуумной батареи исключает засоры.

Это действительно так. Вода циркулирует только через нижний коллектор — прямую трубу без извилин и ходов с низкой скоростью движения теплоносителя, где будет оседать ил. Другое дело, что (смотреть выше) в автономной системе это качество не востребовано благодарю отсутствию ила.

Подключение обычного радиатора по схеме «снизу вниз» тоже позволяет полностью забыть про промывку.

При такой схеме подключения прибор не заиливается.

1. Вакуумный радиатор обладает низким гидравлическим сопротивлением. Еще один случай, когда реклама не лжет. Однако увеличение гидравлического сопротивления в автономной системе вызовет лишь небольшое увеличение нагрузки на циркуляционный насос, а в системе ЦО владельцу квартиры этот параметр и вовсе абсолютно безразличен.

Едва ли владельца квартиры интересуют гидравлические характеристики батарей.

1. Прибор обладает высокой теплоотдачей. Довод исключительно демагогический. В паспорте к любому вакуумному радиатору производитель указывает тепловую мощность секции (смею заметить, для идеальных условий — для дельты температур между теплоносителем и воздухом комнаты в 70 градусов). Так вот, в идеальных условиях тепловая мощность равна 150 — 170 ваттам на секцию. У типичного алюминиевого радиатора этот параметр равен 190 — 210 ваттам. Кроме того, у прибора нет никакой причины обладать необычно высокой мощностью. Количество тепла, которое он может отобрать у теплоносителя, ограничено площадью стенок нижнего коллектора и их теплопроводностью.

Для получения достаточной мощности понадобится многосекционная гармошка.

1. КПД отопительного прибора достигает 98%. Я вообще не понимаю, как можно говорить о КПД отопительного прибора в отрыве от остальных компонентов системы. Тепло, которое осталось в батарее, в любом случае будет рассеяно в воздухе отапливаемого помещения. Неиспользованная тепловая энергия переносится теплоносителем к следующему прибору в контуре. На КПД системы в целом влияет качество теплоизоляции проходящих по подвалу и улице участков контура и эффективность котла.
2. Допустим температурный режим от -20 до +90 С. Температурный режим снизу ограничен исключительно типом теплоносителя. Если в контур залит антифриз, остающийся жидким при -20С — любой радиатор не порвет льдом.

Если в батарее замерзнет вода, результат будет весьма предсказуемым.

При +90 С будет функционировать любая отопительная батарея, независимо от ее материала и устройства.

1. Вода циркулирует не по всему объему радиатора.

А владельцу-то какая разница, как она циркулирует?

1. Использование прибора исключает влияние на человека электромагнитных полей и конвекционные процессы (я не шучу, этот пункт реально присутствует в рекламе!). Конвекция (перемешивание сред под влиянием разницы в плотности при нагреве) присутствует всегда и в любой неравномерно нагретой среде. Воздух в помещении над батареей перемешивается именно за счет этого процесса. В любом случае конвекция никому и ничем не вредит.

Тепловая конвекция обеспечивает прогрев воздуха в помещении по всему объему.

Каким образом в отопительном приборе без собственной катушки индуктивности могут в принципе присутствовать электромагнитные поля — мне также неизвестно. Утверждение о том, что они вредны или опасны, я тоже оставлю на совести авторов рекламы.

1. Вакуумные радиаторы экономичны. Они позволяют уменьшить расход топлива или электричества на 40 — 100% относительно обычных приборов. Этот пункт я сознательно оставил на сладкое.

Количество тепловой энергии, необходимое для поддержания в доме постоянной температуры, определяется:

• Качеством утепления ограждающих конструкций;

Утепление — лучший способ уменьшить расходы на отопление.

• Дельтой температур с улицей.

На финансовые затраты на отопление по понятной причине влияет тип используемого источника тепла (скажем, магистральный газ обойдется заметно дешевле соляры) и КПД котла.

Конструкция отопительных приборов на расходы не влияет. Вообще. Никак и никогда.

Какой бы радиатор вы ни выбрали, затраты на топливо не уменьшатся.

Некоторую экономию можно получить путем перераспределения источников тепла. Скажем, теплый пол несколько экономичнее конвекционного отопления потому, что в этом случае более рационально распределяются температуры в помещении: нет перегрева воздуха под потолком, который приводит лишь к увеличению потерь тепла через крышу.

Распределение температур при конвекционном отоплении и над теплым полом.

Однако это явно не наш случай. Вакуумные батареи, как и любые другие, прогревают воздух за счет конвекции. Вывод очевиден: в этом случае реклама беззастенчиво лжет.

Батареи на тепловых трубках — обычный отопительный прибор, не хуже и не лучше любого другого. Его текущая рыночная стоимость сильно завышена, а реклама полна… скажем вежливо — оторванных от действительности домыслов.

Применение КТТ. DIY-сценарий

Типовой сценарий, описанный выше, характерен для относительно больших заказчиков. Моделирование и опытные образцы могут стоить вполне заметных денег. Но есть и второй путь.

Кроме заказных разработок в ассортименте нашей компании есть так называемые «стандартные КТТ». Это набор контурных тепловых труб нескольких типовых конфигураций. Они обычно есть в наличии и относительно недорого их можно приобрести поштучно для своих экспериментов.

Понимая правила работы с КТТ вполне реально на базе таких стандартных труб сделать самостоятельно систему охлаждения для своего малосерийного (или вообще штучного) изделия.

Посмотреть доступные к приобретению варианты стандартных КТТ можно у нас на сайте. А понять основные правила работы с ними можно, посмотрев наш мини-сериал в заключительной части этой статьи.

Как все начиналось

Одним прекрасным утром я осознал, что настало время заменить свой старый (тоже в самопальном корпусе) ПК на что то гораздо более свежее и производительное. Вместе с корпусом — и шумноват стал, и запаса по охлаждению СО нет никакого. Мой первенец

В плане выбора комплектующих сейчас все вполне просто — о видеокартах можно даже не задумываться и забыть что такое существует (спасибо за это ценам). А ещё китайцы предлагают весьма доступные и интересные варианты распаянные на стеклотекстолитовую подложку под настольный сокет мобильные CPU. Итого получился вот такой набор: — CPU QNCT — MB Asus H110T Thin Mini ITX — RAM 8Gb DDR4 x2 — SSD 500ГБ, M.2 2280, SATA III
Добавлю парочку замечаний. По процессору

— что бы раз и навсегда снять вопрос с прилеганием сокетных СО к крохотному кристаллу была добавлена теплораспределительная крышка от какого то древнего процессора. Крышка обтачивается у основания, что бы по высоте прилегала к кристаллу и с боков, что бы влезла на подложку:

Немного термопасты и автомобильного нейтрального герметика:

SSD

изначально брался под иные цели, но в итоге было решено его использовать в этой сборке. А так как материнка конструктивно не поддерживает размещение накопителей длиной 80мм и более, то пришлось использовать такой адаптер: