Iako metali vode toplinu puno bolje od drugih materijala i oni su zapravo loši vodiči topline. Uzmimo kao primjer bakar (bakar i srebro su od svih metala najbolji vodiči topline pri sobnim temperaturama). Pretpostavimo da trebamo odvesti 1 kW toplinske snage [2] kroz bakreni štap promjera 3 cm i duljine 30 cm (toplinska snaga je toplina Q koja prijeđe u vremenu t iz dijela štapa više temperature na dio štapa niže temperature). To znači da kroz bakreni štap mora postojati toplinski tok [2], razmjeran gradijentu temperature DT/D x duž štapa (toplinski tok q je površinska gustoća toplinske snage i mjeri se u W/m²)

q = -l * DT/Dx.

Negativni predznak stoji zato da bi se za toplinski tok koji se širi štapom u pozitivnom smjeru osi x prema padajućim temperaturama dobila pozitivna vrijednost [3]. Faktor proporcionalnosti l zapravo je koeficijent toplinske vodljivosti [2, 3], koji za bakar iznosi 395 W/K^. m. Račun pokazuje da bi za prijenos 1 kW toplinske snage razlika u temperaturi, D T, krajeva spomenutog bakrenog štapa trebala biti oko 1000 ^oC!

Slika 1a. Metali su loši vodiči topline.

Dakle, za prijenos 1 kW toplinske snage jedan kraj štapa trebao bi biti na sobnoj temperaturi, a drugi kraj bi se već talio od primljene količine topline (talište bakra je na 1083 ^oC)! Prijenos 1 kW toplinske energije praktički je neostvariv danim bakrenim štapom.

Nasuprot tome, toplovodna cijev od nerđajućeg čelika, jednakih dimenzija kao i bakreni štap, s tekućim litijem kao radnim medijem, koja radi na temperaturi od oko 1000 ^oC, vodi bez problema 1 kW toplinske snage uz zanemariv pad temperature, DT Ł 1^oC, između "vrućeg" i "hladnog" kraja. Uređaj se ponaša kao da ima efektivnu toplinsku vodljivost tisuće puta veću nego bakar!  

Slika 1b: Toplovodna cijev je odličan vodič topline

Što je toplovodna cijev? Kako radi? Principijelna shema toplovodne cijevi prikazana je na slici 2. Uređaj može raditi u bilo kojem položaju, ali je vodoravni izabran namjerno da se istakne neovisnost njegova djelovanja o sili teži. Sastoji se od cijevi, kapilarne strukture (najčešće nekoliko slojeva guste mrežice) i radne tekućine. Za većinu primjena najzgodnija je toplovodna cijev cilindričnog oblika, ali i druge geometrije uređaja koriste se bez poteškoća. Uređaj možemo podijeliti na tri dijela: isparivački dio u kojem radna tekućina isparava, središnji prostor kroz koji struji zagrijana para i područje ukapljivanja pare gdje se para ukapljuje.

Rad toplovodne cijevi kombinira prijenos topline zagrijanom parom i kruženje radne tekućine uzrokovano kapilarnim pojavom [4]. Zagrijavanjem isparivačke zone cijevi radna tekućina apsorbira toplinu, isparava i u tom dijelu cijevi tlak para raste. Zagrijana para je sve višim vlastitim tlakom tjerana kroz središnji dio cijevi prema području ukapljivanja (i niskog tlaka para) gdje predajom jednake količine topline koju je prije apsorbirala prelazi u tekuće stanje. Temperatura cijevi praktički je jednaka na cijeloj dužini cijevi od zone isparavanja (grijanja) preko međuprostora do zone ukapljivanja (hlađenja) zato što se procesi isparavanja i ukapljivanja događaju na istoj temperaturi (Clausius-Clapeyronov zakon, [5]). Vrlo mala razlika u temperaturama zone isparavanja i zone ukapljivanja (tipično manje od 1^oC) rezultira vrlo velikom ekvivalentnom toplinskom vodljivošću uređaja. Tekućina iz područja ukapljivanja vraća se u zonu isparavanja kroz kapilare koje tvore slojevi mrežice zato što se u tekućini koja natapa ovu strukturu javlja kapilarna sila [4, 6] koja tjera tekućinu kroz kapilarnu strukturu natrag u isparivač. Da bi se kapilarna sila uopće pojavila radna tekućina mora močiti kapilarnu strukturu. To znači da kut [4] između površine tekućine i površine kapilare mora biti između

0 i 90 stupnjeva (tzv. okrajni kut a, slika 3). Ako taj osnovni uvjet nije ispunjen, toplovodna cijev neće raditi sasvim ispravno i najvjerojatnije će tokom rada biti uništena. Upotrebom prikladnih materijala i radnih tekućina moguće je izraditi toplovodne cijevi koje rade u rasponu temperatura od 4 K do 2300 K.

Realni primjer [7]: toplovodna cijev od nerđajućeg čelika, promjera 25 mm, radne duljine 25 cm (razmak od isparivača do ukapljivačkog dijela), s tekućim litijem kao radnim medijem. Na slici 4 dani su rezultati mjerenja temperaturnog profila duž cijevi za nekoliko različitih toplinskih opterećenja vrućeg dijela cijevi. U slučaju najvećeg opterećenja cijev ima efektivnu toplinsku vodljivost barem 500 puta veću nego bakar i vodi 960 W toplinske snage na udaljenost od oko 20 cm uz razliku temperature "vrućeg" i "hladnog" kraja manju od 2 ^oC. Sa slike se može uočiti još jedna važna sposobnost toplovodne cijevi - izjednačavanje temperature duž cijevi. Temperatura cijevi praktički je jednaka na cijelom području od zone isparavanja (grijanja) preko međuprostora do zone ukapljivanja (hlađenja) zato što prilikom ukapljivanja vruća para predaje istu količinu topline koju je dobila u procesu isparivanja, a oba procesa se odvijaju pri istoj temperaturi (Clausius-Clapeyronov zakon, [5]).

Slika 4: Toplovodna cijev s tekućim litijem kao radnim medijem koja radi na temperaturi od oko 950 ^o C vodi 960W toplinske snage. G označava dio cijevi obuhvaćen grijačem, a H dio cijevi gdje se toplina predaje okolini.

Uvod | Malo povijesti | Nešto fizike | Puno primjena

Literatura | Zanimljivi linkovi