Применение термической фильтрации

Термическая фильтрация применяется в инженерной практике при разделении газов, в том числе изотопов (более легкие компоненты скапливаются на горячем конце капилляра), зонной очистке металлов, поверхностном легировании металлургических отливок и т.д. Она чрезвычайно широко распространена в природе: по законам термической фильтрации переносятся газ и влага в почвах и грунтах, происходит обмен в капиллярах живых организмов и т.д.

Очень интересное практическое применение термическая фильтрация нашла в так называемых тепловых трубках. Эффективная теплопроводность трубок может в 1500 раз превышать теплопроводность самых теплопроводных металлов и работать в области температур от –220 до +2000 °С. Передаваемая мощность изменяется от нескольких ватт до нескольких киловатт. Тепловая трубка устроена следующим образом.

Геометрически закрытая с торцов металлическая трубка выстлана изнутри капиллярнопористым телом – фитилем. В нее налита некоторая жидкость, обладающая определенными температурами кипения и конденсации. При нагреве одного конца трубки жидкость по фитилю вследствие термической фильтрации подсасывается к горячему участку, там испаряется и в виде пара устремляется по центральному каналу к холодному концу трубки, где конденсируется. Испарение жидкости связано с поглощением большого количества тепла, а конденсация пара – с выделением. Благодаря этому переносятся огромные потоки теплоты (термиора) на уровне температур, определяемых процессами испарения и конденсации.

Тепловые трубки начинают использоваться в различных областях техники. Например, очень эффективные трубки разработаны английской лабораторией NEL в Глазго, предназначенные для работы в диапазоне температур от –20 до 400 °С.

Термофильтрация нашла применение также при поверхностном легировании отливок [11, 16]. В процессе затвердевания металла в его сечении возникают заметные градиенты температуры и некоторых других интенсиалов. Под их воздействием в межкристаллические капилляры фильтруется легирующий элемент, который содержится в обмазке, наносимой на внутреннюю поверхность формы. В результате поверхностный слой отливки оказывается облагороженным нужной легирующей добавкой. Теория термодинамической пары позволила разобраться в физическом существе этого процесса и создать необходимые расчетные методы. На этой основе были разработаны высокоэффективные технологические процессы [11, 16].

В почвах и грунтах, являющихся капиллярнопористыми телами, влага покидает холодные места и подсасывается к горячим. Например, ночью, когда поверхность почвы охлаждается ниже температуры внутренних слоев, влага уходит в глубину. Днем при нагреве почвы солнцем влага поднимается на поверхность и там испаряется. Чтобы предотвратить потери влаги, почву перекапывают, нарушая тем самым сплошность капилляров, или мульчируют – засыпают торфом или опилками и т.д., что дает аналогичный эффект.

Зимние колебания температуры иногда вызывают вспучивание грунтов и дорог. Силовой эффект вспучивания, определяемый давлением Dр_с¥, возрастает с уменьшением диаметра капилляров.

В листьях растений, по опытам З.Ф. Слезенко, всегда имеется градиент температуры, который изменяется в течение суток. Это изменяет направление термофильтрационного потока газов – кислорода, углекислого газа, паров воды, азота и разделения (§ 7), что создает необходимые предпосылки для газового и водного обмена в растительном организме. Обмену способствуют суточные изменения диаметров капилляров.

Аналогичная картина наблюдается в живом организме, где разность температур приводит к термофильтрационному переносу и разделению газов и жидкостей с растворенными в них веществами.