Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Тепловая труба и термосифон. Тепловая труба представляет собой устройство, обладающее очень высокой теплопроводностью. Впервые идея тепловой трубы была предложена Гоглером (В-1) в 1942 г. Но только в начале 60-х годов, после того как Гровер независимо от Гоглера вновь изобрел тепловую трубу [В-2, В-3], ее замечательные свойства были по достоинству оценены, и появились серьезные исследования и разработки.

Тепловая труба по конструкции аналогична термосифону, но в тепловой трубе на внутренней стенке укреплен фитиль, сделанный, например, из нескольких слоев тонкой сетки, и конденсат возвращается в испаритель под действием капиллярных сил ().

В некоторых отношениях тепловая труба аналогична термосифону, и поэтому, прежде чем рассматривать работу тепловой трубы, было бы полезно описать принцип работы термосифона. Термосифон показан на рис. В-1,а. В трубу помещается небольшое количество воды, затем из трубы откачивается воздух и она плотно закрывается. Нижний конец трубы нагревается, что вызывает испарение жидкости и движение пара к холодному концу трубы, где он конденсируется. Конденсат под действием гравитационных сил возвращается к горячему концу. Так как скрытая теплота парообразования велика, то даже при очень малой разности температур между концами термосифона он может передавать значительное количество теплоты. Таким образом, подобная конструкция имеет высокую эффективную теплопроводность.

Конечно, если испаритель тепловой трубы оказывается в нижней точке, гравитационные силы будут действовать в одном направлении с капиллярными. Термин «тепловая труба» применяется также к высокоэффективным теплопередающим устройствам, в которых .возврат конденсата осуществляется другими способами, например под действием центробежной силы.

Тепловая труба состоит из участка испарения и участка конденсации (В-2,а).  В   случае необходимости, обусловленной внешними требованиями, труба может иметь еще одну зону — адиабатный участок, разделяющий испаритель и конденсатор. В поперечном сечении (В-2,б) пидно, что тепловая труба состоит из стенки корпуса, фитиля и парового канала.

Эффективность тепловой трубы часто определяется с помощью понятия «эквивалентная теплопроводность». Например, цилиндрическая тепловая труба, показанная на рис. В-2, в которой в качестве рабочей жидкости используется вода при температуре  150°С, будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь. Теплопередающая способность тепловой трубы может быть очень большой; в тепловых трубах на литии при температуре 1500°С в осевом направлении может быть передан тепловой поток 10—20 кВт/см2. При соответствующем выборе рабочей жидкости и материала корпуса могут быть созданы тепловые трубы для работы в интервале температур от 4 до 2300 К.

Цилиндрические тепловые трубы применимы во многих случаях, но для удовлетворения специальных требований могут быть созданы трубы других конфигураций.

Выше уже говорилось о высокой теплопроводности тепловых труб, но это не единственное их свойство.

Тепловая труба характеризуется:

1)         очень высокой  эффективной  теплопроводностью;

2)         способностью    действовать    как    трансформатор

теплового потока (рис. В-3);

3)         изотермичностью поверхности  при низком терми

ческом сопротивлении. Поверхность конденсации тепло

вой  трубы в  этом   случае   работает   практически  при

постоянной   температуре.   Если на  некотором  участке

возникает местный тепловой сток, то количество конден

сирующегося  в  этом  месте  пара  увеличивается  и  за

счет   этого   температура    поддерживается   на   прежнем

уровне.

Специальные типы тепловых труб могут иметь следующие характеристики:

1. Переменное термическое сопротивление (тепловые трубы с изменяющейся проводимостью). Такой тип тепловой трубы, известный как газорегулируемая тепловая труба, поддерживает температуру теплового источника почти на одном уровне при изменении подвода теплоты в широких пределах. Этого можно достигнуть, поддерживая постоянным давление в трубе и в то же время изменяя площадь поверхности конденсации в соответствии с изменением подвода теплоты. Удобным способом осуществления такого изменения площади конденсации является «газовое регулирование». Тепловая труба присоединяется к резервуару, имеющему объем значительно больший, чем груба. Резервуар заполняется инертным газом под давлением, соответствующим давлению насыщения паров рабочей жидкости в трубе. При нормальной работе пар в тепловой трубе будет оттеснять инертный газ обратно в резервуар, и поверхность раздела между паром и газом будет находиться в некоторой границе участка конденсации. «Газовое регулирование» осуществляется следующим образом.

Пусть вначале тепловая труба работает в некотором установившемся режиме. Теперь допустим, что подвод теплоты несколько возрос. Температура насыщения пара увеличится, и вследствие этого увеличится давление насыщения. Давление пара увеличивается очень резко при малом возрастании температуры; например, давление паров натрия при 800°С изменяется пропорционально десятой степени температуры. Небольшое увеличение давления вызовет оттеснение поверхности раздела между паром и инертным газом и вследствие этого поверхность конденсации увеличится. Так как объем резервуара был предусмотрен значительно большим по сравнению с объемом тепловой трубы, небольшое изменение давления приведет к значительному смещению поверхности раздела. Газовое регулирование применяется не только в случае небольших изменений теплового потока, но оно может быть применено и при значительных изменениях подвода теплоты.

Следует отметить, что температура, которая регулируется в большинстве простых газорегулирусмыу тепловых трубах, как и в тепловых трубах других .-типов, представляет собой температуру пара в трубе. При прохождении теплоты через стенку корпуса на участках испарения и конденсации будут наблюдаться обычные перепады температур.

Дальнейшее улучшение характеристик трубы достигается использованием контура обратной связи. Давление газа в резервуаре изменяется с помощью электрического нагревателя, который регулируется по сигналу термочувствительного элемента, установленного у источника теплоты.

2) Однонаправленную проводимость (тепловые диоды и выключатели). Тепловые диоды проводят теплоту только в одном направлении, а тепловые выключатели обеспечивают включение и отключение тепловой трубы.

Развитие тепловых труб. Первоначально Гровера интересовала  разработка  высокотемпературных тепловых труб с жидкими металлами в качестве рабочих жидкостей, которые могли бы быть использованы для подвода теплоты к эмиттерам  термоиопных электрогенераторов и отвода теплоты от коллекторов этих устройств. О таком применении тепловых труб более подробно рассказывается  в  гл.  7.  Вскоре   после   публикаций    Гровера [В-3]   начались работы по созданию тепловых труб на жидких  металлах — Дана  п  Харуэлле и Нея  и  Буссе в    Испре,    причем   оба   центра   занимались   разработкой ядерных термоионных генераторов.  Интерес к использованию   идеи  тепловых  труб  для   космических   и наземных применений быстро возрастал. Были проведены   исследования  со  многими   рабочими   жидкостями, включая металлы, воду, аммиак, ацетон, спирт, водород и гелий. В то же время стала более стройной теория тепловых труб, причем наиболее важный вклад в разработке теории тепловых труб принадлежит работе Кот-тера [В-4], опубликованной в   1965 г.  Рост количества публикаций, последовавших за первой работой Гровера, появившейся  в   1964  г.,  показывает,  насколько  возрос интерес к работам по исследованию и применению тепловых труб. В  1968 г. Чунг  [В-5]   приводит 80 работ, Чиехолм в своей книге, вышедшей в 1970 г.  [В-б]  ссылается на 149 работ, а недавно изданная библиография [В-7]   по   тепловым   трубам   включает   544   названия. В октябре 1973 г. в Штутгарте была проведена Первая международная конференция по тепловым трубам; после которой    можно   действительно   считать,  что  тепловые трубы получили общее признание.

Области применения тепловых труб очень разнообразны. Тепловые трубы используются, например, для охлаждения криогенных мишеней в ядерных ускорителях, для охлаждения электронного оборудования, в установках длякондиционированиязданий,в печах, при охлаждении и нагреве двигателей, в космических летательных аппаратах. О применении тепловых труб более подробно говорится в гл. 7.

Содержание книги. В гл. 1 подробно рассматривается история развития тепловых труб. В гл. 2 приводятся теоретические основы процессов, протекающих в тепловой трубе, которые в настоящее время достаточно хорошо разработаны, хотя и существуют некоторые вопросы, требующие дальнейших исследований, особенно расчет условий кризиса теплоотдачи. В гл. 3 рассматриваются проблемы, связанные с применением теории, изложенной в гл. 2, а также дается ряд практических соображений по общему расчету тепловой трубы. В ней также приводятся несколько примеров конструктивного расчета трубы. Глава 4 касается выбора материалов. В ней обсуждаются их совместимость, ресурсные испытания труб, проблемы технологии изготовления, заполнения и герметизации. В гл. 5 описываются специальные типы тепловых труб. В гл. 6 рассматриваются тепловые трубы переменной проводимости, а в гл. 7 — типичные случаи применения тепловых труб. В приложениях собрано большое количество справочных данных, которые могут понадобиться при проработке материала.