Индивидуальный проект по физике «ТЕПЛОВАЯ трубка. рыбка поньо»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

<<СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №2 Г. СИМФЕРОПОЛЯ>>

<<ТЕПЛОВАЯ ТРУБКА. РЫБКА ПОНЬО>>

Проект по физике

Выполнил ученик

9 <<Б>> класса

МБОУ <<СОШ № 2>>

Г. Симферополя

Хандогин Вадим Вячеславович

Симферополь 2023

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………………………………………….3

Глава 1.

История создания……………………………………………………………………………………………….4

Глава 2.

Применение………………………………………………………………………………………………….…5-7

Глава 3.

Принцип работы…………………………………………………………………………………………………8

Опрос среди учащихся……………………………………………………………………………………….9

Заключение…………………………………………………………………………………………….…………10

Список использованных источников……………………………………………………….………11

Фотоотчет…………………………………………………………………………………………….……………12

2

Введение

Тепловая труба - высокоэффективное теплопередающее устройство, которое способно передать значительное количество теплоты при незначительной разности температур между его концами. Вместе с этим, тепловая труба способна действовать как трансформатор теплового потока и обладает изотермичностью поверхности при низком термическом сопротивлении. Эти характеристики делают область применения тепловых труб очень обширной.В последние 30 лет в качестве базовых элементов систем температурного регулирования электронных устройств эффективно применяются тепловые трубки — теплопередающие устройства, общим признаком которых является функционирование по принципу замкнутого испарительно-конденсационного цикла. Сейчас широко используются в современных компьютерных системах, для охлаждения ЦПУ, чипсетов и т. п. в компьютерах и ноутбуках, являясь, наряду с испарительными камерами и СЖО, одним из наиболее эффективных методов теплопереноса от компактного источника тепла к радиатору с развитой поверхностью. Иногда также применяются в составе смартфонов для перераспределения тепла. Также тепловые трубки используются в мощных светодиодных лампах. Широко применяются в космической технике. Применяются в солнечной энергетике, для повышения эффективности нагрева воды в солнечных коллекторах. Пульсирующая трубка Рыбка Поньо, является уменьшенной тепловой трубкой, на примере которой можно наглядно рассмотреть устройство этих самых труб.

Цель: изучить устройство конструкции и принцип работы тепловых труб, рассмотреть данное явление на тепловой трубке Поньо.

Задачи:

1) Ознакомится с понятием <<Тепловая трубка>>.

2) Узнать историю изучения и разработки тепловых труб.

3) Изучить, в каких сферах жизни применяются тепловые трубы.

4) Рассмотреть принцип работы тепловых труб на примере пульсирующей трубки Поньо.

5) Подытожить весь материал и сделать вывод.

Актуальность: Загрязнение окружающей среды-важная проблема современного мира. Многие источники энергии загрязняют окружающую среду. Эти проблемы активно решают при помощи тепловых труб, так как это одно из самых экологически чистых оборудований на данный момент.

3

Глава 1.

Впервые термин <<тепловая труба>> был предложен Гровером и использован в статье "Устройство, обладающее очень высокой теплопроводностью". Эта статья была первой публикацией по тепловым трубам; в ней излагались предварительные результаты обширной программы исследований, выполненных Гровером с сотрудниками в Лос-Аламосской лаборатории в последующие годы. Рост количества публикаций в первое десятилетие. В 1973 в Штутгарте состоялась 1-я Международная конференция по тепловым трубам. Однако патент Гровера не был первым патентом по тепловым трубам. В результате поисков бюро патентов США было выявлено семь других патентов, включая патент Гоглера. Несмотря на это патент Гровера был принят.

Первой фирмой, развернувшей серийное производство тепловых труб (с середины 1964), была RCA; в качестве материала корпуса использовались стекло, медь, никель, сталь, молибден; в качестве рабочей жидкости - вода, цезий, натрий, литий и висмут; максимальная рабочая температура достигала 1650°С.

Первая статья обзорного характера по тепловым трубам в СССР вышла в 1969. К 1965 была развернута программа исследований Евратома по применению тепловых труб в термоионных преобразователях ядерной энергии (подвод теплоты к эмиттерам 1600°С - 1800°С и отвод теплоты от коллекторов - 1000°С) в Объединенном ядерном исследовательском центре в Италии. В 1967 тепловая труба была впервые испытана на космическом спутнике на околоземной орбите, а в 1968 - впервые применена для теплового регулирования спутника "Геос - Б" (две тепловые трубы, корпус -алюминиевый сплав, фитиль - алюминиевая сетка, рабочая жидкость - фреон-11)

В последующие годы сфера применения тепловых труб резко расширилась: от авиации, радиоэлектроники и гелиотехники - до бытовой техники и криохирургии. Это объясняется универсальностью применения теплового поля в современной технике в составе теплофизических структур (тополей) - от простых веполей с прямым использование теплового поля до цепных и сложных веполей с многоступенчатыми процессами преобразования энергии.

4

Глава 2.

Типичная конфигурация тепловых трубок в потребительском портативном компьютере. Тепловые трубки отводят отработанное тепло от процессора, графического процессора и регуляторов напряжения, передавая его на радиатор, соединенный с охлаждающим вентилятором, который действует как теплообменник жидкость-жидкость.

Тепловые трубки начали использоваться в компьютерных системах в конце 1990-х, когда возросшие требования к мощности и последующее увеличение тепловыделения привели к повышению требований к системам охлаждения. В настоящее время они широко используются во многих современных компьютерных системах, как правило, для отвода тепла от таких компонентов, как CPU и GPU, к радиаторам, где тепловая энергия может рассеиваться в окружающую среду.

Гелиотермическое

Тепловые трубы также широко используются в гелиотермических приложениях для нагрева воды в сочетании с системами солнечных коллекторов с вакуумными трубками. В этих применениях дистиллированная вода обычно используется в качестве теплоносителя внутри герметичной медной трубки, которая находится внутри стеклянной трубки и ориентирована на солнце. В соединительных трубах перенос тепла происходит в жидкой паровой фазе, потому что теплоноситель преобразуется в пар на большом участке собирающего трубопровода.

В системах солнечного нагрева воды, отдельная труба абсорбера вакуумный трубчатый коллектор до 40% более эффективен по сравнению с более традиционными плоскими солнечными водонагревателями. Во многом это происходит из-за вакуума внутри трубки, что замедляет конвективные потери тепла. Однако относительная эффективность системы откачанных труб снижается по сравнению с плоскими коллекторами, поскольку последние имеют больший размер и поглощают больше солнечной энергии на единицу площади. Это означает, что в то время как отдельная вакуумная трубка имеет лучшую из-за вакуума, создаваемое внутри трубки, массив трубок, находящийся в завершенной солнечной сборке, поглощает меньше энергии на единицу площади из-за меньшей поверхности абсорбера. область обращена к солнцу из-за закругленной конструкции вакуумного трубчатого коллектора. Таким образом, реальная эффективность обеих конструкций примерно одинакова.

Вакуумные трубчатые коллекторы уменьшают потребность в добавках антифриза, поскольку вакуум помогает замедлить потерю тепла. Однако при длительном воздействии на отрицательные температуры жидкий теплоноситель все еще может замерзнуть, и при проектировании систем для таких сред необходимо принять меры, что замерзающая жидкость не повредит откачиваемую трубу. Правильно спроектированные солнечные термальные водонагреватели могут быть защищены от замерзания до температуры более -3 ° C с помощью специальных добавок и используются в Антарктиде для системы воды.

Кулинария

5

Первым коммерческим продуктом с тепловыми трубками была «Волшебная термообработка», впервые проданная в 1966 году. В качестве рабочей жидкости в кулинарных штырях использовалась вода. Оболочка была из нержавеющей стали с внутренним слоем меди для совместимости. Во время работы один конец тепловая трубка протыкается через жаркое. Другой конец заходит в духовку, где нагревается до середины жаркого. Высокая эффективная проводимость тепловой трубки сокращает время приготовления больших кусков мяса наполовину.

Этот принцип также был применен к походным плитам. Тепловая трубка передает большой объем тепла при низкой температуре, позволяя выпекать продукты и готовить другие блюда в условиях кемпинга.

Рекуперация тепла и вентиляции

В системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) тепловые трубы расположены внутри потоков приточного и вытяжного воздуха в системе кондиционирования или в выхлопных газах промышленного процесса для рекуперации тепловой энергии.

Устройство состоит из батареи многорядных тепловых трубок, расположенных внутри как приточного, так и вытяжного потоков воздушных потоков. Тепловая обработка отработанного воздуха. Пар хладагента движется к более холодному концу трубы на стороне подачи воздуха устройства, где он конденсируется и выделяется тепло. Конденсированный хладагент возвращается в фитиль под действием силы тяжести и капиллярности. Таким образом, тепло передается от потока отработанного воздуха через стенку трубы к хладагенту, а затем от хладагента через стенку трубы к потоку потребляемого воздуха.

Из-за характеристик устройства высокий КПД достигается, когда устройство расположено вертикально со стороны приточного воздуха, установленной стороной отработанного воздуха, что позволяет жидкому хладагенту быстро течь обратно в испаритель, чему способствует сила тяжести. Как правило, производители заявляют о полной эффективности теплопередачи до 75%.

Преобразование ядерной энергии

Гровер и его коллеги работали над системами охлаждения для ядерных энергетических элементов для космического корабля, где встречаются экстремальные тепловые условия. Эти тепловые трубы из щелочных металлов передают тепло от источника тепла к термоэлектронному преобразователю или термоэлектрическому преобразователю для выработки электроэнергии.

С начала 1990-х годов были предложены многочисленные энергетические системы ядерных реакторов с использованием тепловых труб для передачи тепла между активным реактором и системой преобразования энергии. Первый ядерный реактор, вырабатывающий электроэнергию с использованием тепловых труб, был запущен 13 сентября 2012 года в демонстрации с использованием деления с верхом.

6

Теплообменники с тепловыми трубками

Теплообменники передают от горячего потока холодному потоку воздуха, воды или масла. Теплообменник с тепловыми трубками содержит несколько тепловых трубок, каждую из которых действует как отдельный теплообменник. Это повышенная эффективность, срок службы и безопасность. В случае разрыва одной тепловой трубки выделяется лишь небольшое количество жидкости, которое имеет решающее значение для определенных промышленных процессов, таких как литье алюминия. Кроме того, с одной сломанной тепловой трубкой теплообменник с тепловой трубкой все еще остается в рабочем состоянии.

7

Глава 3.

Тепловая трубка— элемент системы охлаждения, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.

В трубке сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием исключительно силы тяжести — иными словами, такая трубка будет работать только в положении, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, а жидкость имеет возможность стекать в зону испарения. Тепловые трубки с наполнителем (фитилями, керамикой и т. п.) могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по его порам под действием капиллярных сил, а сила тяжести в этом процессе играет незначительную роль.

Устройство тепловой трубки Поньо довольно простое. Заполним стеклянную трубку с закрытым верхним концом водой и установим вертикально, погрузив нижний конец в ёмкость с водой. Нагреваем короткий участок трубки и наблюдаем выделение пузырьков. В зоне подведения тепла возникает пузырек, который пытается всплыть вверх, однако процесс протекает слишком медленно. Вниз же, его расширение происходит быстро. Пузырек отталкивает воду и соприкасается с относительно холодной трубкой. Тут же давление в нем падает, пар остывает и пузырек исчезает на глазах. Система сразу готова к следующему циклу, таким образом мы пульсирующую трубку, пузыри которой напоминают рыбку.

8

Опрос среди учащихся.

В ходе исследовательской работы у меня возник вопрос, ознакомлены ли учащиеся с понятием <<тепловая трубка>, ее устройство, а также, как в своей повседневной жизни, сами этого не подозревая, сталкиваются с такими трубками. Поэтому, я решил провести опрос среди учащихся в целях проверки их знаний об тепловых трубках и итоге составить диаграмму, которая покажет уровень их знаний. Учащимся было предложено ответить на следующие вопросы:

1. Знаете ли вы, что такое <<тепловая трубка>>?

а) да

б) смутно

в) нет

2. Ознакомлены ли вы с конструкцией и принципом работы тепловых труб?

а) да

б) смутно

в) нет

3. Знаете ли вы, в каких сферах жизни и науки применяются тепловые трубки?

а) да

б) смутно

в) нет

В результате были составлены диаграммы осведомленности учащихся о данной системе, показанные ниже. В опросе приняло участие 105 учащихся из 9 классов.

Вопрос 1 Вопрос 2 Вопрос 3

Как видно из диаграмм, не все учащиеся знают о таком устройстве, как тепловая трубка, принципе его работы и применении. Я считаю важно повысить интерес учащихся 9 классов к данной теме, ведь физика-поистине интересный и полезный предмет.

9

Заключение.

Тепловые трубка является очень важным устройством в нашей жизни, так как не приводит к загрязнению окружающей среды, имеет просторе устройство и широкий диапазон рабочих температур, скорость передачи тепла в таких трубках могут превышать даже скорость звука. Также в тепловых трубках отсутствуют подвижные детали, что обеспечивает бесшумную работу. Они имеют малые массогабаритные характеристики и высокую эквивалентную теплопроводность. На примере тепловой трубки Поньо можно наглядно рассмотреть устройство и процесс работы. Тепловые трубки имеют ресурс работы более 20000 часов, что их делает высокоэффективной и надежной технической системой, которая играет важную роль в повседневной жизни любого человека.

10

Список использованных источников.

1. https://www.nix.ru/computer_hardware_news/hardware_news_viewer.html?id=208693

2. https://arendamanipulyator.ru/otoplenie/teplovye-trubki.html

3. https://dzen.ru/a/XaceRCvrSWKOcZrx

4. https://bibliotekar.ru/spravochnik-16/3.htm

5. https://ru.wikibrief.org/wiki/Heat_pipe

6. https://iypt.ru/задачи/2022/13-тепловая-трубка-рыбки-поньо/

7. https://ask.profi.ru/q/teplovaya-trubka-rybki-pono-zapolnite-steklyannuyu-79105/

8. https://www.xtechx.ru/c40-visokotehnologichni-spravochnik-hitech-book/heat-pipe-teplovaia-trubka/

9. https://gidroguru.com/trubi/truby/426-teplovye-truby

10. https://trubexpert.ru/purpose/osobennosti-ustrojstva-teplovyx-trub-raskryvaem-sekrety/

11. https://pipe-s.ru/kak-izgotovit-teplovuyu-trubu/

12. https://spark-welding.ru/otoplenie/teplovye-truby.html

13. https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=801208

14. http://www.thg.ru/forum/showthread.php?t=54871

15. https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=33202

11

Фотоотчет.

12

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/528962-individualnyj-proekt-po-fizike-teplovaja-trub