Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Методики ресурсных испытаний тепловых труб

Вопрос о проведении ресурсных испытаний и определении характеристик тепловых труб, особенно в тех случаях, когда требуется выполнить их ускоренными темпами, является одним из наиболее существенных факторов, определяющих выбор типа тепловой трубы.

Ресурсные испытания тепловых труб обычно связывают прежде всего с выявлением возможной несовместимости рабочей жидкости с материалами корпуса и фитиля. В предельном случае ресурсные испытания заключаются в определении" длительных характеристик тепловой трубы в условиях, соответствующих реальным. Даже если это и сделано, все же трудно в тех случаях, когда труба работает против силы тяжести, ускорить ресурсные испытания, окажем, путем увеличения теплового потока в испарителе. Указанный прием может одновременно привести к аварийной ситуации, так как труба будет работать в условиях, существенно превышающих расчетные. Поэтому подобные испытания следует производить в режиме возврата конденсата самотеком, т. е. под действием силы тяжести.

При разработке полной программы ресурсных испытаний должны быть учтены многие факторы. Ниже дается сравнительный анализ различных методик.

4-2-1. Факторы, которые следует учитывать при проведении ресурсных испытаний. Число параметров, которые следует учитывать при анализе методики ресурсных испытаний конкретного сочетания рабочая жидкость — фитиль — материал корпуса, очень велико, и потребовалось бы провести испытания большого числа тепловых труб, чтобы получить исчерпывающую информацию.

Некоторые из этих факторов можно не рассматривать, поскольку данные по ряду частных вопросов уже имеются. Однако следует подчеркнуть одно важное обстоятельство — контроль качества технологических операций и методика сборки неизбежно меняются при их осуществлении в различных лабораториях. Эти отклонения могут проявиться в отличии полученных данных по совместимости материалов и по характеристикам тепловой трубы.

Факторы, которые требуется учитывать при. ресурсных испытаниях тепловой трубы, представлены на 4-15. (Неконденсирующийся газ включен для того, чтобы рассматриваемый набор параметров охватывал также тепловые трубы переменной проводимости.)

Рабочая жидкость. При выборе рабочей жидкости должны учитываться следующие факторы, каждый из которых может быть исследован экспериментально:

1.         Чистота. Рабочая жидкость должна быть свобод

на от растворенных газов и других жидкостей, например

воды. Для очистки рабочей жидкости  могут использо

ваться такие методы, как дегазация вымораживанием и

дистилляция. Важно также обеспечить надлежащие ус

ловия при последующих операциях с рабочей жидкостью

с тем; чтобы она вновь не загрязнилась.

2.         Температура.   Некоторые  рабочие   жидкости чув

ствительны к рабочей температуре.  Если подобная си

туация  ожидается,  то следует  определить  безопасный

диапазон рабочих температур.

3.         Тепловой поток. При высоких тепловых потоках

в фитиле может возникнуть интенсивное кипение, кото

рое может повести к эрозии.

4.         Совместимость с материалами стенки  и фитиля.

Рабочая жидкость не должна реагировать с материа

лами корпуса  и фитиля. Химическая реакция в свою

очередь также может быть функцией температуры и те

плового потока, причем вероятность реакции в общем

случае .возрастает с увеличением температуры или тепло

вого потока.

5.         Неконденсирующийся газ. В тепловых трубах пере

менной проводимости, в которых неконденсирующийся

газ используется в контакте с рабочей жидкостью, выбор

рабочей   жидкости  и  газа   должен основываться на их

совместимости, а также на растворимости газа в рабо

чей жидкости. (В общем случае эти данные имеются в

литературе, однако в специфических артериальных кон

струкциях степень влияния растворимости может стать

очевидной  только после соответствующих эксперимен

тов).

Корпус тепловой трубы. В дополнение к уже упомянутому взаимодействию с "рабочей жидкостью на поверхности стенки, имеется ряд специфических требований, предъявляемых условиями длительной эксплуатации собственно к корпусу и связанным с ним элементам конструкции, таким как торцевые колпаки. Условия накладываются также и на взаимодействие с фитилем на поверхности контакта. Для того чтобы тепловая труба работала, необходимо принять во внимание следующее:

1.         Вибрация и ускорение. Конструкция должна обла

дать способностью противостоять какой бы то ни было

возможной    вибрации   и   ускорениям,  и   любые   спосо

бы, предназначенные для определения этих свойств, долж

ны органически входить в любую программу ресурсных

испытаний.

2.         Гарантия химсостава материала. Выбор материа

ла внешнего корпуса должен базироваться на его хими

ческом анализе или, по крайней мере, на известном сер

тификате на используемый металл.

3.         Внешние условия. Внешние условия могут влиять

на свойства материала корпуса или вызвать коррозию

наружной поверхности. Этот вопрос тоже должен быть

включен в программу ресурсных испытаний, если ожи

дается какое-либо воздействие внешней среды.

4.         Коррозия на границе контакта корпуса с фитилем.

. Возможно, что на поверхности контакта с фитилем бу

дут протекать определенные коррозионные процессы, эта

ситуация особенно вероятна при использовании разнород

ных металлов и в присутствии рабочей жидкости.

Фитиль.. Фитиль тепловой трубы, в принципе, подвержен тем же отрицательным воздействиям, что и корпус тепловой трубы, за исключением действия внешней окружающей среды. Более опасной, однако, является вибрация. Фитиль сам по себе в большинстве случаев содержит много поверхностей, контактирующих с корпусом, где может происходить коррозия.

4-2-2. Методики ресурсных испытаний. Имеется много способов проведения ресурсных испытаний. Все они преследуют одну и ту же цель — показать, что можно с высокой степенью уверенности рассчитывать на эффективную работу тепловой трубы до конца ее расчетного срока службы.

Наиболее сложной частью любой программы ресурсных испытаний является интерпретация полученных результатов и их экстраполяция с целью расчета длительности работы тепловой трубы. (Одна из методик, использованная для экстраполяции результатов измерений интенсивности газовыделения, описана в § 4-2-3.)

Основным недостатком проведения ресурсных испытаний с одним конкретным сочетанием материалов, независимо от того, являются ли эти испытания ускоренными или они проводятся при номинальной нагрузке, является следующее обстоятельство. Если какая-то реакция действительно происходит, то данных для того, чтобы выявить основные причины этой реакции, обычно недостаточно. Например, при некоторых ресурсных испытаниях, проведенных в IRD, в результате разложения рабочей жидкости (ацетона) образовывался диацетоновый спирт. Однако в то время без проведения дальнейших длительных испытаний не было достаточных оснований утверждать, что этот процесс является функцией рабочей температуры, поскольку аналогичные устройства, работающие при несколько отличных температурах пара, еще должны были испытываться. Возможно что даже обширные программы ресурсных испытаний никогда не смогут дать исчерпывающий ответ на некоторые вопросы. Каждое очередное исследование выявит новые аспекты.

Влияние теплового потока. Действительное влияние теплового потока на срок службы тепловой трубы и ее характеристики может быть исследовано только при работе устройств в режиме возврата конденсата самотеком, так как только в этом случае к тепловой трубе может быть подведен тепловой поток, намного превышающий расчетное значение.

Проведя опыты с рядом тепловых труб, работающих при одной и той 5ке температуре пара, но при разных тепловых потоках в испарителе, можно исследовать внутреннюю поверхность испарителя на коррозию и т. п.

Если исследуется опытный образец тепловой трубы, то эксперименты по определению ее характеристик могут быть осуществлены через определенные промежутки времени в течение ресурсных испытаний.

Влияние температуры. Рабочая температура тепловой трубы может влиять как на совместимость, так и на состав рабочей жидкости.

Как показано в § 4-2-3, влияние температуры на выделение неконденсирующего газа может быть в определенных случаях рассчитано для длительного периода, исходя из данных значительно более краткосрочных испытаний опытных образцов тепловых труб.

Совместимость. Кроме анализа влияния теплового потока и температуры на рабочую жидкость саму по себе, необходимо исследовать совместимость рабочей жидкости с материалом корпуса и фитиля.

Здесь следует обратить внимание на реакции между материалами, которые могут изменить структуру поверхностей внутри тепловой грубы, привести к выделению неконденсирующегося газа или образованию инородных веществ в виде отложений, которые могут сказаться на работе испарителя. Безусловно, все три вышеупомянутых процесса могут протекать одновременно, но с различной интенсивностью, что может сделать анализ результатов существенно более сложным.

Опыты на совместимость с тепловыми трубами, работающими горизонтально или под наклоном к горизонту против действия силы тяжести, могут проводиться в расчетных условиях. Для получения достоверных результатов эти эксперименты Должны длиться годами, однако, если, скажем, трехлетние испытания покажут удовлетворительную совместимость используемых материалов, то определенные заключения могут быть сделаны относительно их вероятного поведения в течение более длительного срока. Могут также проводиться ускоренные испытания на совместимость, сопровождающиеся периодическими опытами в реальном режиме работы- тепловой трубы с целью проверки ее расчетных характеристик.

Другие факторы. На сроке службы тепловой трубы могут сказаться технология сборки и очистки. Важно убедиться, что испытываемые на ресурс тепловые трубы являются абсолютно типичными с точки зрения рассматриваемой технологии сборки. Используемая рабочая жидкость должна, безусловно, иметь максимальную чистоту.

Другой характерной особенностью ресурсных испытаний является желательность установки на трубах вентилей с тем, чтобы иметь возможность отбора проб газа из трубы без приостановки ее работы. Недостатком наличия вентилей является появление дополнительной возможности для нового рода несовместимости, в данном случае между рабочей жидкостью и материалом вентиля. Однако эта возможность может быть устранена применением современных вентилей из нержавеющей стали.

При испытании устройств, в режиме работы тепловой трубы   корпус   вентиля   может оказаться заполненным рабочей жидкостью, удаление которой может быть сопряжено с определенными трудностями. Это обстоятельство нужно иметь в виду и при проведении подобного рода испытаний, так как в противном случае фитиль или артериальная система могут оказаться осушенными.

4-2-3. Расчет длительных характеристик по данным ускоренных ресурсных испытаний. Одним из основных недостатков ускоренных ресурсных испытаний была неопределенность, связанная с экстраполяцией полученных результатов для оценки характеристик трубы в условиях достаточно длительной работы. Бейкер [4-10] весьма успешно обобщил данные по генерации водорода в нержавеющих тепловых трубах, используя кривую Аррениуса, это обобщение было использовано для расчета выделения неконденсирующегося газа в течение 20-летного периода.

Расчеты базировались на данных двухлетних ресурсных испытаний при различных рабочих температурах, при этом периодически измерялась масса выделяющегося водорода. Опыты проводились при температурах 37,7; 93,2 и 148,8°С. При каждой температуре были испытаны пять тепловых труб.

Для обработки этих полученных в лаборатории реактивных двигателей результатов Бейкер использовал кривую Аррениуса следующим образом.

Модель Аррениуса применима для описания процессов активации, включая коррозию, окисление и диффузию: Если кривая Аррениуса справедлива, то график зависимости логарифма скорости реакции F от обратной абсолютной температуры будет представлять прямую линию.

Начертив для каждой трубы график зависимости массы выделившегося водорода от времени для различных уровней температуры, можно с помощью этих графиков получить универсальную кривую, бпйсЫвайШуй массу выделившегося водорода в виде функции времени, умноженной на масштабный коэффициент, которая в логарифмических координатах будет прямой линией. Наконец, если начертить график зависимости поправочных коэффициентов- от обратной абсолютной температуры для исследованных температур, то наклон получившейся кривой даст значение энергии активации Л в уравнении (4-1).

Масса выделившегося водорода при любом значении рабочей температуры может быть определена с помощью соответствующего поправочного коэффициента. Бейкср пришел к выводу, что тепловая труба нержавеющая сталь — вода может работать в течение многих лет при температурах на уровне 16°С, однако при 93,5°С газовыделение будет чрезмерным.

Эта модель, по-видимому, может быть применена к другим сочетаниям материал стенки—фитиль — рабочая жидкость, при этом единственным отрицательным мбментом будет большое число испытуемых комбинаций, необходимых для осуществления точных расчетов. Минимальное число составляет около дюжины, причем опытные результаты были получены для трех значений температур и четыре тепловые трубы испытывались при каждой температуре.

Недавно выполненное исследование было посвящено выделению водорода в тепловых трубах из никеля с водой. Андерсон [4-11] использовал модель коррозии, в основе которой лежала методика Бейкера. Она позволила ему рассчитать поведение тепловых труб в течение . длительных периодов, основываясь на данных ускоренных ресурсных испытаний.

Он утверждает, что из теории окисления следует, что рост пассивирующей пленки происходит по параболической зависимости от времени и по экспоненциальной от температуры..

Андерсон приводит следующие значения энергии ак-тивлции А: нержавеющая сталь 304—зода — 8,29Х Х'10-20 Дж, никель — вода — 10,3 -10—20 Дж и подтверждает модель Бейкера.

4-2-4. Программа ресурсных испытаний. Программа ресурсных испытаний должна обеспечивать получение детальных данных по влиянию температуры, теплового, потока и технологии сборки на собственно рабочую жидкость и ее совместимость с материалом стенки и фитиля.

Различные виды ресурсных испытаний были обсуждены в § 4-2-2, теперь остается сформулировать программу, обеспечивающую получение данных, достаточных для точного расчета срока службы тепловой трубы конкретной конструкции.

Для каждого вида ресурсных испытаний может быть определен порядок очередности (он обозначается числами от единицы до грех в порядке убывания значимости).