Сюрпризы сверхпроводимости. Статья №42. 06.06.17.


Термин сверхпроводимость обычно ассоциируется с проводимостью электрического тока при почти полном отсутствии сопротивления. У некоторых материалов, при очень низкой температуре, скачкообразно, практически до нуля, падает электрическое сопротивление. Экспериментально подтверждённое время циркуляции тока по замкнутому сверхпроводнику составляет два с половиной года.

Но, помимо интереса к электрической сверхпроводимости, у инженеров существует не меньший интерес к материалам с высокой теплопроводностью. Лучшими проводниками тепла принято считать металлы, среди которых медь обладает самой высокой теплопроводностью, превышающей теплопроводность серебра и золота. Хотя, по электропроводности, золото и, особенно, серебро – лучше меди.

Однако рекорд в плане проводимости тепла принадлежит, как ни странно, не металлу, а минералу – алмазу. Его теплопроводность в четыре раза выше, чем у меди. Уникальность алмаза ещё и в том, что это единственный из драгоценных камней, состоящий только из одного элемента – углерода.

Из алмаза получились бы очень хорошие радиаторы для электронной аппаратуры, если бы не его заоблачная дороговизна.

И, всё же, теплопроводность меди, серебра и даже алмаза явно недостаточна для многих технических задач, которые приходится решать инженерам при проектировании серьёзной техники. По этой причине, во второй половине XX века, по всему миру начался активный поиск решений, способных на несколько порядков повысить эффективность теплоотвода.

Разумеется, в очередной раз, выяснилось, что новое – это хорошо забытое старое.

В далёком 1831 г. американский изобретатель-самоучка Джекоб Перкинс усовершенствовал хлебопекарную печь, отделив задымлённую зону топки от зоны выпечки герметичной кирпичной кладкой. Для передачи тепла он применил запаянные металлические трубки, частично заполненные водой. Теплопроводность этих трубок в тысячу раз превышала теплопроводность меди. Благодаря этому, температура трубки на всём её протяжении была практически одинаковой, что способствовало равномерной выпечке и исключало пригорание хлебобулочной продукции.

Принцип работы трубок Перкинса был на удивление прост. Вода в нижней части герметичной трубки закипала, и пар устремлялся вверх к другому концу трубки. Там пар конденсировался и капли стекали под силой тяжести вниз, в зону нагрева. За счёт гигантской теплоты испарения-конденсации воды, перенос тепла происходил сверхэффективно.

При температуре 250 градусов Цельсия, давления пара в трубках достигало сорока атмосфер, а скорость пара превышала сотню метров в секунду. И всё это – без насосов и вообще без единой подвижной детали.

И вот однажды руководитель отдела, в котором я работал на фирме Туполева, поставил задачу изготовления теплоотвода самолётного оборудования с помощью тепловых труб.

Прочитав всё что было в то время доступно по этой новой для меня теме, я приступил к изготовлению экспериментальных образцов.

Важнейшее условие для эффективной работы тепловой трубы – это полное отсутствие воздуха внутри самой трубы. В трубе не должно быть ничего, кроме воды и водяного пара.

С помощью вакуумного насоса я откачал воздух из трёх трубок метровой длины, сделанных из нержавеющей, стали, и загерметизировал концы трубок специальными заглушками.

Можно было приступать к испытаниям.

Но время подошло к обеду, и я, положив трубки на стенд, отправился в столовую.

После обеда мне пришлось заняться каким-то срочным делом, в результате, я вернулся в лабораторию только через два часа. Взяв в руки одну из откаченных трубок, я неожиданно услышал странный звук, напоминающий звонкий удар двух металлических деталей. Оглянувшись по сторонам в поисках того, что тут могло “звякнуть”, я ничего не обнаружил.

«Может быть, отвалилась заглушка», – подумал я, и повернул трубку вверх штуцером.

В этот момент опять что-то звякнуло. Звук явно был как-то связан с перемещением трубки. Тогда я решил встряхнуть трубку, и услышал череду позвякиваний, как будто на стальной плите скакал металлический шарик.

Ничего не понимая, я взял в руки вторую трубку, и встряхнув её, опять услышал звук прыгающего шарика. С третьей трубкой всё было точно также.

Я был на сто процентов уверен, что внутрь трубок я ничего не помещал, кроме воды. И уж, тем более, я не мог засунуть туда шарики от шарикоподшипника. Но они там звенели.

В лаборатории в этот момент никого не было, хотя обычно несколько инженеров крутятся около своих стендов. Мелькнула мысль, что это не спроста. Наверное, кто-то из коллег решил подшутить, и пока меня не было, в мои трубки вложили стальные шарики.

Потому никого и нет в лаборатории, стоят, небось, за дверью и давятся от смеха, представляя моё недоумение.

Но, с другой стороны, это уж слишком. Вложить шарик в одну из трубок – это ещё куда ни шло, но чтобы – во все три !

Мучась сомнениями, я решил открыть одну из трубок и проверить есть ли в ней шарик. Вскрыв штуцер с заглушкой, я наклонил трубку, чтобы из неё выкатился шарик. Но, вместо шарика, из неё вылилось немного воды и больше ничего.

Я хорошенько потряс трубку и даже постучал по ней – безрезультатно. Шарика не было. Вернув на место штуцер, я несколько раз встряхнул трубку – звук исчез.

У второй трубки я лишь чуть-чуть ослабил заглушку, впустив внутрь атмосферный воздух, и потряс трубку. В ответ – полная тишина. Так, может быть, мне всё это показалось ?

Но нет, третья, нетронутая трубка по-прежнему звенела после встряхивания.

Я заново заправил все три трубки водой и откачал воздух. Трубки опять зазвенели. В чём же дело ? Не может же вода превращаться в лёд под действием вакуума. Я не знал, что и думать. Мне очень захотелось проникнуть своими глазами сквозь стенки трубки и увидеть, что же там происходит.

Верная мысль ! Нужно, чтобы стенки трубки были прозрачными, то есть трубку следует сделать из стекла.

На следующий день я осуществил свой план. Стеклянная трубка метровой длины с двумя штуцерами с каждой стороны была заправлена и откачена. Столбик воды высотой в три сантиметра покоился в нижней части трубки.

Резкое встряхивание, и водяной столбик, как единое целое, полетел в верхнюю часть трубки. Ударившись со звоном в верхний штуцер, столбик повернул вниз и, опять со звоном ударился в нижний штуцер, после чего стал звонко подпрыгивать с убывающей амплитудой. Этого я уж никак не ожидал. Прыгающим шариком оказалась сам столбик воды.

Вместо того, чтобы размазаться по стенкам трубки в первые же мгновения передвижения после встряхивания, столбик, как кусочек льда, сохранял неизменную форму, несмотря на эффект смачивания.

При движении по трубке такого необычного поршня, пар конденсировался на переднем торце поршня и в таком же количестве испарялся на заднем торце. В итоге, поршень летел по трубе без малейшего сопротивления, как будто в вакууме.

Это была очень полезная информация. Оказалось, что “подпрыгивание” водяного столбика может происходить и без встряхивания трубы: достаточно подвести к столбику мощный импульс тепла. Но если нижняя часть тепловой трубы остаётся без воды, то теплосъём мгновенно нарушается, и труба срывается в разрушительный колебательный режим.

Для предотвращения срыва пришлось установить в зону подвода тепла пористый фитиль из нержавеющей стальной проволоки, а ещё позже стало ясно, что канал для перемещения пара, и канал для возврата конденсата лучше разделить, а вместо воды использовать фреон.

В общем, пошла обычная работа по модернизации и совершенствованию нового устройства.

Но в моей памяти навсегда остался перезвон скачущего столбика воды.


Игорь Юрьевич Куликов


Ваше изобретение тоже будет запатентовано.
Мы поможем.

Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 6800
Нина Николаевна Андреева



Автор:  Игорь Юрьевич Куликов. Видео - Николай Геннадьевич Соков.

Возврат к списку