Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Сравнение систем

Сопоставление двух типов регулирования с обратной связью (активной и пассивной) показывает, что более эффективное регулирование температуры достигается при использовании систем с активной обратной связью. В системе с активной обратной связью весь неконденсирующийся газ будет находиться в конденсаторе при работе в режиме малой мощности. В системе с пассивной обратной связью неконденсирующийся газ будет присутствовать в резервуаре, независимо от использования втулки, а при растянутом состоянии сильфона (режим высокой передаваемой мощности) в трубе должен остаться избыток газа. Следовательно, объем аккумулированного газа в общем случае будет больше в системе с пассивной обратной связью, обладающей теми же регулирующими возможностями, что и система с активной обратной связью. Поэтому в системе с активной обратной связью может быть достигнуто более эффективное регулирование температуры, чем при эквивалентном объеме в системе с пассивной обратной связью. Необходимость установки полупроницаемой втулки и использования движущихся частей в виде сильфонов тдкже увеличивает сложность пассивных систем.

В ряде случаев использование дополнительной электрической мощности для нагрева резервуара или повышенная сложность систем с сильфонами может оказаться неприемлемой. В этих случаях приходится выбирать между простыми тепловыми трубами переменной проводимости с горячим или холодным резервуарами.

Процедура выбора может быть проиллюстрирована на примере описанной ниже задачи охлаждения элементов космического корабля.

Пример. Провести первичное сравнение тепловых труб переменной проводимости с холодным и горячим резервуарами, запускаемых при —100°С и работающих при температуре в испарителе +35°С. Минимальная температура стока равна —100°С. Интервал регулирования ±5°С.

6-5-1. Тепловые трубы с холодным резервуаром.

Геометрия конденсатора. Объем конденсатора в тепловой трубе с холодным резервуаром должен быть настолько мал, насколько это возможно, для того чтобы обеспечить малые размеры резервуара.

Рабочая жидкость. Обычные критерии, используемые при выборе рабочей жидкости стандартных тепловых труб (а именно, большое значение критерия качества, совместимость с материалами фитиля и корпуса и т.п.), полностью применимы к газорегулируемым тепловым трубам. Выбранные рабочие жидкости должны также обеспечивать достижение высоких значений коэффициента чувствительности газового регулирования.

Условие минимальной передаваемой мощности. Это условие отвечает ситуации, когда тепловой поток к конденсатору передается осевой теплопроводностью и паровой диффузией, т. е. в случае выключения из работы тепловой трубы. Желательно поддерживать эту утечку мощности на минимально возможном уровне. Для этих целей резервуар должен иметь объем, достаточный для аккумулирования такого количества газа, которое может полностью блокировать конденсатор   на  всей его длине. Кроме того, можно устроить в этой зоне в стенке корпуса участок с малой проводимостью непосредственно перед конденсатором.    (По этим   соображениям более предпочтительной будет стенка из нержавеющей стали, нежели из алюминия.)

Холодные ловушки. Достижимая степень регулирования тепловыми трубами переменной проводимости с холодным резервуаром ограничена возможными значительными колебаниями температуры резервуара. Одной из возможных причин роста температуры резервуара является передача теплоты осевой теплопроводностью от конденсатора, особенно в случае работы тепловой трубы в режиме максимальной мощности. Эта передача теплоты может быть сведена к минимуму устройством участка малой проводимости на выходе из резервуара. Конструкционные материалы. Условие работы в режиме максимальной и минимальной передаваемой мощности требует изготовления стенки и фитиля из материала с малой осевой теплопроводностью. Однако при использовании таких материалов снижается скорость диффузионного вымораживания и в вопросе выбора материала приходится идти на компромисс.

Характеристика переходного режима работы. Характеристика переходного режима работы тепловой трубы с холодным резервуаром является функцией теплоемкости системы. Система хорошо реагирует на изменения подводимой мощности, но, к сожалению, она так же быстро реагирует и на изменения окружающих условий.

6-5-2. Тепловые трубы с горячим резервуаром. Чувствительность тепловой трубы переменной проводимости с горячим резервуаром хуже, чем у системы с холодным резервуаром. Однако, ее регулирующая способность существенно лучше, поскольку ее резервуар, в котором отсутствует фитиль, находясь вблизи или внутри испарителя тепловой трубы, расположен в среде с практически постоянной температурой.

Большинство решений, рассмотренных в процессе выбора тепловых труб переменной проводимости с холодным резервуаром, могут быть применены к устройствам с горячим резервуаром. Основное различие между двумя системами заключается в характеристиках переходных режимов.

Характеристика переходных режимов. Парциальное давление паров в резервуаре с отсутствующим фитилем зависит в большей степени от диффузии паров вдоль трубы, нежели от стенок резервуара. Следовательно, длина пути диффузии оказывается значительно более протяженной и скорость диффузии может определять переходные характеристики системы с горячим резервуаром.

Если, например, при запуске ракеты жидкость окажется выдавленной из фитиля тепловой трубы и соберется в резервуаре, то потребуется значительный отрезок времени для восстановления нормального рабочего состояния тепловой трубы. Пока эти условия не достигнуты, давление паров в резервуаре будет слишком большим, что приведет к чрезмерной блокаде конденсатора, неконденсирующимся газом и к повышенным рабочим температурам. Диффузия  является единственным процессом, с помощью которого избыток паров в резервуаре может перейти к фитилю в зоне конденсации.

Если прирост давления паров в резервуаре велик, как это имеет место при использовании рабочей жидкости с высоким давлением пара, то характеристика тепловой трубы может радикально измениться. Скорости диффузии меняются обратно пропорционально давлению в системе. Оба эти соображения говорят в пользу применения рабочей жидкости "с низким давлением пара, так как при этом чувствительность тепловой трубы будет выше. При этом также сводится к минимуму запас по толщине стенки на тот случай, если превышение рабочего давления заставит избыток жидкости перейти в горячий резервуар.

Из жидкостей с точкой замерзания менее —100°С этиловый спирт имеет самое низкое давление паров при + 35°С (7 кПа). Давление паров фреонов будет больше, а давление пара н-пентана — промежуточное (0,1 МПа).

Определение размеров резервуара. Горячий и холодный резервуары. Хотя нежелательно в расчетах тепловых труб использовать модель плоского фронта, в которой поверхность раздела между паром и газом считается плоской, а также применять допущения об отсутствии осевой теплопроводности или диффузии, все же подобный подход может быть применен для получения первичных  оценок  различных  параметров.  Маркес   [6-16] приводит уравнения для оценки   необходимого   объема резервуара  в  функции требуемой  степени  регулирования  температуры.  Эти  уравнения  были  выведены  для тепловых труб как с холодным, так и с горячим резервуарами.  Они приводятся  ниже.   Принимается   полное использование поверхности конденсатора.

Эти уравнения выведены для специальных случаев, но поскольку бесфитильные горячие резервуары часто выполняются заодно с испарителем как с объемом, обладающим устойчивой температурой, а холодные резервуары с фитилем зачастую находятся при той же температуре окружающей среды, что и конденсатор, уравнения могут рассматриваться как характерные для типичных конфигураций тепловых труб переменной проводимости,  используемых на космических кораблях.

Предварительные расчеты могут быть выполнены с учетом температуры в испарителе +35°С, точности поддержания температуры ±5°С, а минимальной температуры стока теплоты —100°С.

Единственной рабочей жидкостью из трех приведенных выше, которая может использоваться в тепловых трубах переменной проводимости с холодным резервуаром и обеспечивать требуемое регулирование температуры в испарителе, является этиловый спирт.

Все вышеперечисленные рабочие жидкости могут быть использованы в тепловых трубах переменной проводимости с горячим резервуаром, однако минимальный объем резервуара получится при использовании этилового спирта. Для других рабочих жидкостей объем резервуара будет почти в 2 раза больше, что ведет к проигрышу в массе конструкции.

Можно видеть, что применительно к рассматриваемому примеру система с горячим резервуаром обладает преимуществами, а из предложенных рабочих жидкостей лучшей является этиловый спирт.

Более сложный анализ системы с активной обратной связью приводится ниже.