Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Изменение характеристик тепловой трубы

Измерение характеристик тепловых труб осуществляется сравнительно просто и требует для своей реализации обычное оборудование, имеющееся в любой лаборатории, изучающей теплопередачу.

Измерения необходимы для того, чтобы показать, что тепловая труба отвечает заданным при ее проектировании техническим условиям. Описанные в гл. 2 ограничения передающей способности трубы, образующие своего рода огибающую рабочего диапазона параметров, также могут быть исследованы как и степень изотермичности трубы. Значительное число факторов может быть изучено в результате стендовых испытаний, включая ориентацию в поле силы тяжести, рабочую температуру, тепловой поток в испарителе, вибрацию и ускорение, вопросы запуска.

4-3-1. Схема установки для измерения характеристик. На 4-16 показана типичная схема измерительного стенда. Стенд включает в себя следующие основные элементы:

1)         нагреватель испарителя;

2)         ваттметр  для  измерения  подводимой  мощности;

3)         трансформатор, регулирующий подводимую мощ

ность;

4)         конденсатор для отвода теплоты;

5)         устройство для измерения расхода  и подогрева

охлаждающей жидкости;

6)         устройство для изменения угла наклона тепловой

трубы;

7)         термопары для измерения температур и соответ

ствующую систему записи их показаний;

8)         тепловую изоляцию

Нагреватели могут иметь различную форму, поскольку подводимая теплота постоянна, а термическое сопротивление между нагревателем и испарителем мало. Они могут быть выполнены в виде стержневых нагревательных элементов, установленных в пазах медного блока, который плотно надевается на тепловую трубу, либо в виде изолированной проволоки, непосредственно намотанной «а тепловую трубу. Во многих случаях удобно использовать индукционный нагрев, при этом конденсатор играет роль калориметра. Тепловые потери излучением и конвекцией в окружающую среду следует свести к минимуму путем установки тепловой изоляции на наружной поверхности нагревателя. В электрической цепи нагревателя имеются ваттметр высокого класса и трансформатор, регулирующий подводимую мощность. Если ориентация трубы может меняться, то для удобства целесообразно соединять нагреватель с регулирующей аппаратурой длинными проводами.

Эффективным способом измерения мощности, подводимой к тепловой трубе, работающей в диапазоне температур, характерных для большинства органических рабочих жидкостей и воды, является установка конденсирующей рубашки, через которую пропускается охлаждающая жидкость. Во многих случаях можно использовать воду. Количество теплоты, переданного воде, может быть определено по известным значениям разности температур воды на входе и выходе и ее расхода. Температура жидкости, протекающей через рубашку, может меняться с целью изменения рабочей температуры парового пространства тепловой трубы. Если требуется определить характеристики тепловой трубы при температуре пара около 0°С, можно использовать криостат.

Испытания криогенных тепловых труб следует проводить в вакуумной камере. Это предотвращает теплообмен конвекцией, а холодная стенка  может быть использована дЛя поддержания температуры окружающей среды на требуемом уровне. В качестве защиты от подвода теплоты излучением сама тепловая труба, трубопроводы охлаждающей жидкости и холодная стенка должны быть покрыты суперизоляцией. Если тепловая труба закреплена таким образом, что все точки крепления оказываются при одной и той же температуре (холодная стенка и сток теплоты), то можно считать, что вся подводимая к испарителю теплота будет переноситься тепловой трубой так, как если бы никакого дополнительного сброса теплоты в окружающую среду не существовало. Дополнительную информацию по испытаниям криогенных тепловых груб можно найти в [4-12] и [|4-13].

Важным фактором во многих практических приложениях является влияние ориентации трубы на ее характеристики. Теплопередающая способность тепловой трубы, работающей в условиях, когда испаритель расположен ниже конденсатора (термосифон или возврат конденсата самотеком), может оказаться на порядок выше, чем у трубы, использующей фитиль для возврата жидкости в испаритель из расположенного ниже его конденсатора. Во многих случаях фитиль может оказаться недееспособным даже при незначительном наклоне тепловой трубы к горизонту, когда испаритель оказывается расположённым всего лишь на несколько сантиметров выше конденсатора. Естественно, что выбор фитиля частично базируется на ожидаемой ориентации тепловой трубы в конкретных условиях.

При испытаниях следует обеспечить возможность поворота тепловой трубы на 180° при работающих испари--теле и конденсаторе. Угол наклона тепловой трубы должен быть точно зафиксирован и измерен. При испытании тепловых труб для спутников для проверки работы тепловой трубы может потребоваться наклон всего лишь в 0,5 см на длине 1 м, т. е. требуется очень точная нивелировка контура.

Измерение профилей температуры вдоль тепловой трубы обычно осуществляется с помощью термопар, установленных на наружной стенке трубы. Если же : требуется провести измерения температур во время переходных процессов, например при запуске, кризисе теплоотдачи в испарителе или в тепловых трубах переменной проводимости,   то   необходимо  использовать   автоматичёскую электронную систему сбора данных. При исследовании стационарных режимов вполне достаточно цифрового вольтметра с подсоединением термопар через переключатель или многоточечного самописца.

4-3-2. Методика эксперимента. После того как на тепловой трубе установлены необходимые датчики и сама она помещена в экспериментальный контур, можно начинать прокачку воды через охлаждаемую рубашку конденсатора и подачу теплоты к испарителю. Желательно, чтобы количество подведенной теплоты увеличивалось ступенями до достижения расчетной мощности, причем между ступенями следует делать временные интервалы, необходимые для достижения тепловой трубой стационарного температурного режима. По достижении стационарного состояния следует записать подводимую и отводимую мощности (т. е. расход охлаждающей жидкости через конденсатор и AT) и профиль температур вдоль трубы.

Если достигаются изображенные на 4-17 профили температур, то тепловая труба работает удовлетворительно. Однако могут возникнуть различного рода аварийные ситуации, причем все они обнаруживаются по изменению температуры в испарителе или конденсаторе.

Наиболее часто встречающейся неполадкой является кризис теплоотдачи в испарителе, вызываемый подводом к нему слишком большой мощности. Он связан с неспособностью фитиля подать в испаритель достаточное количество жидкости и характеризуется резким ростом температуры в испарителе по сравнению с остальными участками тепловой трубы.

После того как кризис произошел, необходимо чтобы фитиль вновь насытился жидкостью, это лучше всего осуществить путем полного отключения подводимой мощности. Как только перепад температур вдоль трубы снизится до 1—2°С, подвод мощности можно возобновить. Если ожидается работа тепловой трубы против силы тяжести или в условиях невесомости, то фитиль обязательно должен быть насыщен рабочей жидкостью вновь, т. е. он должен снова оказаться смоченным и заполненным рабочей жидкостью по всей его длнне. Если предвидится работа в невесомости, восстановление нормальной передающей способности после кризиса должно быть продемонстрировано работой трубы в наклонном положении. В других случаях восстановление передающей способности трубы можно производить, используя силу тяжести.

Другой аварийной ситуацией, проявляющейся в увеличении температуры испарителя, является его перегрев, происходящий при повышенных рабочих температурах. Как указывалось в гл. 2 и 3, для каждой рабочей жидкости "существует свой рабочий диапазон температур, определяемый критерием М, причем оптимум достигается при определенной температуре и при превышении ее значение критерия качества уменьшается. Это Означает, что жидкость может передавать меньшее количество теплоты. Таким образом, температура в непарителе становится больше, чем в остальной части трубы. В общем случае температура испарителя в указанной ситуации не возрастает столь резко, как в случае кризиса теплоотдачи, но оба эти явления трудно различить.

Изменения температуры в зоне конденсации могут указывать на нарушение механизма теплоотдачи на этом участке или на ухудшение характеристик тепловой трубы. Резкое снижение температуры на конце трубы за охлаждающей рубашкой, происходящее при больших мощностях, может быть связано с накоплением рабочей жидкости в этой области и изоляцией стенки с образованием холодного пятна. Это явление может быть вызвано «отключением охлаждения» [4-14]. Подобное «отключение охлаждения» не обязательно приводит к полному нарушению работы трубы, однако суммарный &Т существенно увеличится, а эффективная длина тепловой трубы уменьшится.

Аналогичное падение температур ниже по потоку от охлаждающей рубашки конденсатора может произойти в тепловых трубах малого диаметра (менее 6 мм), в которых количество заправляемой в трубу жидкости больше требуемого для полного насыщения фитиля. Пар стремится отогнать избыток жидкости в более холодный конец тепловой трубы, где из-за малого объема парового пространства небольшой избыток жидкости образует длинную холодную зону. Это может произойти при малых нагрузках, но если тепловая труба содержит вентиль, то количество рабочей жидкости может быть отрегулировано. Другой способ решения этой проблемы состоит в использовании емкости для избыточной жидкости, которая будет работать подобно губке, но поры этой «губки» должны быть достаточно большими, чтобы предотвратить отсос жидкости из фитиля. Этот способ применяется в тепловых трубах, работающих в космосе, подобная емкость может быть расположена в любой удобной точке тепловой трубы.

Неполадки могут быть связаны с несовместимостью материалов, обычно в виде появления неконденсирующихся газов, которые накапливаются в зоне конденсации. В отличие от случая накопления жидкости объем газа зависит от рабочей температуры пара и его присутствие проще определить.

Неудовлетворительная очистка фитиля может воспрепятствовать смачиванию. При частичном смачивании пережог трубы произойдет достаточно быстро после приложения даже незначительной мощности.

4-3-3. Оценочные испытания медной тепловой трубы и ее типичная характеристика. Передающие способности трубы. Для определения температурных профилей и максимальной теплопередающей способности медная тепловая труба с водой в качестве рабочей жидкости была изготовлена и испытана.

Методика испытаний. Испаритель помещался в нагревательный блок длиной 100 мм, а зона конденсации окружалась водяной рубашкой длиной 150 мм. Вся система покрывалась изоляцией.

Первые опыты были проведены с тепловой трубой, работавшей в вертикальном положении так, что сдла тяжести способствовала возврату конденсата. Подавалась мощность, и по достижении стационарного состояния записывались показания термопар на стенке трубы и подогрев охлаждающей воды в водяной рубашке, а также ее расход.

Мощность нагревателей увеличивалась маленькими ступенями, и показания приборов при установившихся режимах записывались до тех пор, пока не было замечено наступление кризиса теплоотдачи в испарителе. (Кризис фиксировался по резкому увеличению э. д. с. термопар в испарителе по сравнению с показаниями остальных термопар.)

Подобная процедура была осуществлена при различных значениях температуры пара и разной ориентации тепловой трубы относительно направления силы тяжести.

Результаты, эксперимента. Типичные результаты проведенного эксперимента показаны на 4-17. На нем представлены профили температур вдоль трубы при расположении испарителя на 10 мм выше конденсатора.

В приведенной ниже таблице представлены значения мощности, передаваемой тепловой трубой в зависимости от рабочей температуры пара:

Температура пара, °С           Подводимая мощность, Вт

84        17

121      30,5

162,5   54

197      89

Труба была изготовлена из меди, с наружным диаметром 9,5 мм и длиной 30 см. Труба имела составной фитиль из сеток 100 и 400 меш, с высотой поднятия жидкости (превышение уровня расположения испарителя над конденсатором), 18 см. Рабочей жидкостью вновь служила вода. При горизонтальном расположении трубы измеренная мощность составила 165 Вт (при возврате конденсата с помощью силы тяжести 290 Вт).