Как быстро тепло может быть унесено от небольшого источника?

Представим себе, что самая горячая часть аппарата - это, так сказать, ствол цилиндрической формы длиной$l$, радиус$r$и температура$T_b$. Мы можем окружить его жидкостью температуры$T_f$. Теперь ствол имеет коэффициент теплопередачи$h$. Изменение тепловой энергии ствола во времени,$\dot{Q}$, является

• Больший коэффициент теплопередачи приводит к более быстрому охлаждению.
• Большая площадь, по которой передается тепло, приводит к более быстрому охлаждению.
• Большая разница температур приводит к более быстрому охлаждению.

$h$сильно зависит от свойств материалов, которые могут быть жесткими. Однако мы можем сделать некоторые оценки для других величин.

• Источник портативный (что, как я понимаю, может поместиться, например, в большой фургон), поэтому я оценю, что$l=3\text{ m}$и$r=0.05\text{ m}$(возможно, последний немного великоват). Это ведет к$A=0.942\text{ m}^2$.
• Давайте будем чрезвычайно великодушны и скажем, что лазер достигает температуры около$T_b=1,000\text{ K}$. Это действительно растягивает его. Во всяком случае, даже если$T_f$близко к$0\text{ K}$, разница$\Delta T$не может быть больше, чем$1,000\text{ K}$. Поэтому пусть$\Delta T\sim1,000\text{ K}$.

На самом деле лучшие коэффициенты передачи, которые я могу найти, - это вода-вода. Тем не менее, воздух-пар может привести к$h=17\text{ W m}^{-2}\text{ K}^{-1}$через медь (температура плавления которой выше, чем температура, используемая здесь). Поэтому у нас есть

Насколько я знаю, рекорд для радиаторов с водяным охлаждением принадлежит… на самом деле несколько различных конструкций (поиск «радиатор воды МВт/м2»), есть несколько статей о радиаторах, которые могут выдерживать 20+ мегаватт/м2 (это поверхность уровень солнца). Я помню, как видел конструкцию, способную выдавать 40 МВт/м2, в основном из вольфрамовой или молибденовой пластины с плотным пучком сверхзвуковых водяных струй, обрушивающихся на нее (хитрость заключается в том, чтобы перемещать воду достаточно быстро и с достаточной силой, чтобы она не закипела). .

Но ваша реальная проблема заключается в теплопроводности самого устройства, алмаз, являющийся лучшим подтвержденным теплопроводником при ~ 2000 Вт / м * К или 2 кВт / м2 тепла на блоке длиной 1 м, приведет к 1'K (1'C) разница температур. Решение? Сделать указанный лазер очень плоским и длинным, тонким и с большой площадью поверхности - это способ получить действительно хорошее охлаждение.

Но настоящим рекордсменом по самому мощному радиатору является ступень предварительного охлаждения гибридного ракетного двигателя SABRE, где, как они утверждают, «Экспериментальное устройство достигло теплообмена почти в 1 ГВт/м3», но, учитывая, что в нем используется жидкий водород, вы можете загореться. Выключите свое многогигаваттное лазерное устройство до тех пор, пока у вас есть запас жидкого водорода, тогда вам придется подождать, пока вы сконденсируете еще немного.

Конечно, реальным пределом будет эффективность устройств. Если ваше устройство имеет КПД 90% (а некоторые лампы лабораторного уровня сейчас довольно близки к этому), то вы можете непрерывно откачивать ~ 10 ГВт на м3 устройства, пока у вас не закончится охлаждающая жидкость.

Кстати, я помню статью о конденсаторе из углеродных нанотрубок с плотностью мощности в пару мегаватт/литр (или пару ГВт/м3), но не могу найти страницу. (колпачки из алюминиевой фольги могут производить еще большую мощность, но их плотность энергии ужасна по сравнению с ними, примерно на несколько порядков)

Таким образом, верхний предел современных технологий как в области радиаторов, так и в источниках питания, по-видимому, находится на отметке гигаватт/м3. Решение? Замените свой фургон на большую установку, 40-футовый контейнер для лазера, еще 40-футовый для охлаждения и последние 40-футовый для источника питания, и вы, вероятно, получите устройство тераваттного класса, которое может работать за какую-то заметную долю секунда (и большой автопоезд тоже)

Избегайте чрезмерного нагрева оружия

Это не то, о чем вы спрашиваете, но это способ избежать охлаждения вашего оружия, а именно, в первую очередь, не перегревать оружие. Один из способов добиться этого — отделить источники энергии друг от друга настолько, чтобы любой излучатель легко охлаждался. Затем каждый из лучей встретится в мишени, объединившись в один луч с конструктивной интерференцией.

Если вы хотите, вы можете включить отражающие станции/транспортные средства, чтобы ваши лучи могли генерироваться из разных мест и отражаться в соответствии с точкой схождения с мобильными самолетами, спутниками, наземными транспортными средствами и т. д.

Если вы продвинете эту идею достаточно далеко, вы сможете разместить огромные электростанции по всему миру или в солнечной системе, как мобильные, так и нет, и иметь сеть отражающих станций, способных разделять лучи, чтобы определенные проценты можно было посылать одновременно многим. реципиентов, т. е. питание множества ручных ружей, мобильных транспортных средств, дирижаблей, эсминцев, нанодронов и т. д. одновременно.

Здесь мы должны принять во внимание закон охлаждения Ньютона. Закон охлаждения Ньютона гласит, что скорость потери тепла телом пропорциональна разнице температур между телом и окружающей его средой. Таким образом, это эквивалентно утверждению, что коэффициент теплопередачи, который является посредником между потерями тепла и разностью температур, является константой. мы можем пойти на что-то холодное, например жидкий азот, и дать вашему оружию систему жидкостного охлаждения, но она будет работать нормально, только если ваше оружие не развалится от собственного тепла.

Отмахивание руками части, вырабатывающей энергию, делает этот вопрос не очень эффективным.

Эффективность имеет первостепенное значение. Если процесс идеальный, 100% энергии преобразуется в лазерный луч. Тогда у вас не будет проблем с теплопередачей. Самые эффективные лазеры сегодня могут преобразовывать около 70% электричества в свет.

Для любого количества генерируемого тепла можно построить достаточно большой теплообменник, чтобы иметь достаточную площадь поверхности, с миллионами ребер радиатора, при небольшой разнице температур, чтобы отводить все тепло.

Поэтому я могу сказать, что нет никаких ограничений, основанных на предоставленных ограничениях.

На практике всегда есть ограничения, такие как размер, вес, стоимость и т. д. Поэтому в реальном мире реальные ответы на реальные проблемы находятся в уравновешивании всех ограничений.