Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Как уже упоминалось во Введении, впервые идея тепловой трубы предложена Гоглером из американской фирмы General Motors Corporation (GMC). В патентной заявке от 21 декабря 1942 г., опубликованной как Патент США № 2350348, 6 июня 1944 г., тепловая труба описывается применительно к холодильной установке.

В патенте Гровера [1-2], представленном от имени Комиссии йб атомной энергии США в 1963 г., для описания устройства, по существу идентичного предложенному в патенте Гоглера, использован термин «тепловая труба». Патент Гровера, кроме того, включает в себя небольшой теоретический .анализ процесса и содержит описание результатов экспериментов, проведенных с трубами из нержавеющей стали с фитилями из проволочной сетки и натрием в качестве рабочей жидкости, причем в качестве возможных рабочих жидкостей упомянуты еще также литий и серебро.

Под руководством Гровера в Лос-Аламосской лаборатории в штате Нью-Мексико была выполнена обширная программа по исследованию и разработке тепловых труб, и ее предварительные результаты были изложены в первой публикации по тепловым трубам [1-3]. Вслед за этой лабораторией аналогичную работу над натриевой и другими тепловыми трубами начала Лаборатория по атомной энергии в Харуэлле (Великобритания) [1-4], Исследования в Харуэлле были направлены преимущественно на применение тепловых труб в термоионных преобразователях ядерной энергии; подобная программа была развернута и в Объединенном ядерном исследовательском центре в Испре (Италия) под руководством Нея и Буссе. Работы в Испре продвигались очень быстро, и эта лаборатория стала самым, активным центром по исследованию тепловых труб за пределами США

В качестве средства возврата жидкости из конденсатора в испаритель была предложена капиллярная структура, и, в частности, Гоглер полагал, что одним из вариантов такой структуры мог бы быть спеченный из порошка железный фитиль. Предложенные Гоглером геометрии фитилей показаны на 1-1. Интересно отметить, что во всех трех вариантах для потока пара отведена сравнительно небольшая часть поперечного сечения трубы. Одним из типов холодильной установки, предложенной Гоглером, показан на 1-2. В данном случае тепловая труба используется для отвода теплоты из пнутреннего отделения холодильника к установленному снизу поддону, заполненному кусками льда. Для улучшения теплообмена между тепловой трубой и льдом тепловая труба оборудуется трубчатой паровой камерой с наружными ребрами, которая также служит резервуаром для рабочей жидкости тепловой трубы. Тепловая труба в предложенном Гоглером виде не была .осуществлена, и техническая идея не вышла за рамки патента, так как GMC применила другую, более доступную в то время технологию для решения конкретных тепловых задач.

Работы в Испре были связаны с разработкой тепловых труб для подвода теплоты к эмиттерам и отвода теплоты от коллекторов. В этих условиях были нужны трубы, работающие в температурных диапазонах от 1600 до 1800°С (для эмиттеров) н 1000°С (для коллекторов). В Испре основное внимание было уделено тепловым трубам эмиттеров, разработка которых потребовала решения более сложных задач, связанных с обеспечением их надежности в течение длительного периода эксплуатации.

Первой фирмой, (развернувшей серийное производство тепловых труб, была RCA [1-7, 1-8]. Большинство заказов на ранней стадии работ поступило от правительства США. В течение двухлетнего периода с середины 1964 до середины 1966 г. RCA изготовила тепловые трубы, в которых в качестве материалов стенок корпуса были использованы стекло, медь, никель, нержавеющая сталь, молибден. В качестве рабочих жидкостей применялись вода, цезий, натрий, ли: тий н висмут. Достигнутая максимальная рабочая температура составляла 1650°С.

Не все ранние Исследования по тепловым трубам были связаны с созданием высокотемпературных труб. Деверолл и Ксмые [1-9] разработали тепловую трубу для применения на искусственном спутнике, в которой рабочей жидкостью служила вода, первые проекты по тепловым трубам переменной проводимости были также сделаны для спутника i£ 1 -10J. (Трубы с переменной теплопроводностью подробно рассматриваются в гл. 6.)

В течение 1967—1968 гг. появилось несколько статей в научной печати, большей частью в США, свидетельствующих о расширении области применения тепловых труб, которые использовались для охлаждения электронных устройств, для кондиционирования воздуха, охлаждения двигателей и т. д. [1-11, 1-12, 1-13]. Для этих целен разработаны, в частности,, гибкие и плоские тепловые трубы. Главным достоинством тепловой трубы, привлекшим к себе внимание, явлилась ее существенно большой тепловой проводимость по сравнению даже с такими прекрасными проводниками теплоты как медь, причем водянаи тепловая труба с простым фитилем обладает в сотнн раз большей эффективной теплопроводностью, чем медный стержень тех же размеров.

Работы [в Лос-Аламосской лаборатории продолжались в больших масштабах. Главное внимание по-ирежнему   уделялось   применению

тепловых труб для спутников, и первый полет спутника с тепловой трубой состоялся в 1967 г. [1-9]. Для того чтобы продемонстрировать успешную работу тепловой трубы в космических усло-виих, спутник с тепловой трубой с корпусом из нержавеющей стали и водой в качестве рабочей жидкости и с электрическим обогревом был выведен на околоземную орбиту с мыса Кеннеди при помощи ракеты-носителя «Атлас-Эджена». После выхода спутника на орбиту труба автоматически включалась в работу и телеметрические данные о ее работе принимались питью станциями слежения в течение 14 витков вокруг Земли. Данные позволили заключить, что тепловая труба работала успешно.

В настоящее время теория тепловой трубы разработана, главным образом, Коттером [1-14], также сотрудником Лос-Аламосской лаборатории. Исследования в лабораториях Соединенных штатов и в Испре велись настолько активно, что в своем критическом обзоре теории и приложения тепловых труб в 1968 г. Чунг смог процитировать более 80 статей по всем аспектам работ над тепловыми трубами. Ему удалось показать высокую надежность жидкометаллических тепловых труб при длительной работе (9000 ч) при повышенных температурах (1500°С). Были сконструированы тепловые трубы, способные передавать осевые тепловые потоки до 7 кВт/см2, и планировалось более чем вдвое увеличить этот параметр. Были получены радиальные тепловые потоки до 400 Вт/сма.

Чунг упомянул также о различных формах фитиля, включая фитиль артериального типа, показанный на 1-3, который был разработан Катцоффом  [1-16]. Он был испытан в тепловой трубе со стеклянным корпусом, в которой рабочей жидкостью служил спирт. Назначение артерии, применение котооон стало общим правилом для тепловых труб, разработанных для спутников, состоит в том, чтобы обеспечить транспортировку жидкости от конденсатора к испарителю при небольшом перепаде давлений. В зоне испарения рабочая жидкость перераспределяется по периметру тепловой трубы с помощью мелкопористого фитиля, размещенного около стенки

Вслед за первым испытанием тепловой трубы в космосе в 1967 г. [1-9] она была впервые применена для теплового регулировании спутника Geos-B, запущенного с военно-воздушной базы Ванденберг в 1968 г. [1-17]. На спутнике были использованы две тепловые трубы, расположенные, как показано на 1-4. В качестве материала., корпуса тепловых труб был применен алюминиевый сплав 6061 Т-6, ^ материала фнтн-ля — алюминиевая сетка (120 меш). В качестве рабочей жидкости использовался фреон-11. Назначение тепловых труб состояло в снижении до минимума разности температур между различными ответчиками на спутнике. На основании 145-суточного периода наблюдений было установле-' но, что разница между максимальной и минннальной температурами ответчиков была значительно меньше, чем при подобных же условиях на запущенном ранее спутнике Geos-A, на котором  не использовались тепловые

трубы. Тепловые трубы работали в режиме, близком к изотермическому, с высокой эффективностью ,в течение всего периода наблюдений.

В 1968 г. Буссе опубликовал статью [1-18], в которой он собрал сведения о работах в области тепловых труб, проводившихся в Европе. Примечательно, что лаборатория Евроатома >в Испре все еще оставалась центром, где сосредотачивались основные работы по тепловым трубам. Однако и ряд других европейских лабораторий внесли свой вкла'д в эту проблему, среди них Brown Bowery (BB), Атомный исследовательский центр в Карлсруэ, Институт ядерной энергии (IKH) в Штутгарте, атомный исследовательский центр ъ Гренобле. Экспериментальные программы в названных выше лабораториях орнентировалнсь главным образом на тепловые трубы с жидкометаллическими жидкостями н посвящались ресурсным испытаниям труб и измерениям максимальных осевых и радиальных тепловых потоков. Были также изучены теоретические аспекты ограничений теплопередающей способности труб. К настоящему времени опубликованы результаты фундаментальных исследований отдельных процессов, реализуемых в тепловых трубах. Они, например, включают разработку фитилей, анализ факторов, воздействующих на предельные тепловые потоки в испарителе, на эффективность работы трубы с неконденсирующимся газом. В Японии компанией «Киса Сейдзо Кайса» [1-19] была проведена ограниченная экспериментальная программа исследований. Представляя в апреле 19.68 г. статью по результатам этой работы инженерам по кондиционированию и холодильной технике, Нозу описал воздухоподогреватель, в котором используются пучки оребренных тепловых труб. Такие теплообменники с тепловыми трубами приобретают особое значение в условиях современного положения с энергетическими ресурсами, так как они могут быть использованы для утилизации теплоты уходящих горячих газов и могут применяться в промышленных и бытовых кондиционирующих установках. Такие теплообменники сейчас имеются в продаже, они описываются в гл. 7.

Опубликованная в течение 1969 г. литература по тепловым трубам показала, что исследовательские учреждения Великобритании, в том числе British Aircraft Corporation (ВАС) и Royal Aircraft Establishment (RAE) все в большей степени начали осознавать потенциальные возможности тепловых труб. В RAE [1-20] была исследована возможность применения тепловых труб и паровых камер для теплового регулирования спутников, аналогичные задачи решала ВАС.

В том же 1969 г. была начата работа в International Research and Development Co (IRD) первоначально в форме изучения возможных способов применения, за которой последовала экспериментальная программа, связанная с производством плоских и круглых тепловых труб. Некоторые примеры изделий показаны на 1-5. Исследования проводились также под руководством Даппа в университете «Ридинг», часть сотрудников которого имела опыт работы с тепловыми трубами, приобретенный в Харуэлле, о котором говорилось выше. Национальная техническая лаборатория в Ист-Кдл-брайде и Национальный газотурбинный институт в Пайстоке также включились в работу в этой сфере.

Интерес Советского Союза к тепловым трубам виден из статьи, опубликованной в выходящем в СССР журнале «Теплофизика высоких температур» [1-21], хотя большая часть содержащейся в ней информации носит обзорный характер.

В 1969 г. появились дальнейшие работы по тепловым трубам с переменной проводимостью, причем большой вклад в их разработку был сделан Тернером в RCA [1-22] и Бинертом [1-23] из Dyna-ttierm Corporation (DC). Были проведены теоретические исследования тепловых труб переменной проводимости для определения таких параметров этих устройств, как размер резервуара, рассмотрены практические вопросы его конструирования и чувствительности к внешним тепловым воздействиям. В это же время в NASA был разработан новый вид тепловой трубы, в которой отсутствовал фитиль. Это — вращающаяся тепловая труба, в которой для возврата жидкости от конденсатора к испарителю используется центробежная сила. Такая труба может быть использована для охлаждения роторов двигателей и лопаток турбин.

Грей [1-24] предложил также конструкцию кондиционера (1-6), который работает по принципу вращающейся тепловой трубы. (Подробно вращающая теп-л ловая труба описывается в гл. 5)7 Вращающаяся тепловая труба не имеет тех капиллярных ограничений по возврату жидкости, которые характерны для обычной фитильной тепловой трубы, и ее передающая способность может быть во много раз больше. Получает все большее распространение применение тепловых труб в системах охлаждения электронных приборов в «некосмических областях». Для охлаждения блоков интегральных схем Шеппардом были предложены трубы прямоугольного сечения, Калимбасом и Хьюлеттом из Filco—Ford Corporation (FFC) [1-26] были описаны конструкция, расчет и технология изготовления тепловых труб для охлаждения мощных ' бортовых ламп с бегущей волной.

В большинстве работ по тепловым трубам до сих пор описывались трубы, у которых в качестве рабочей жидкости использовались жидкие металлы, а для более низких температур — вода, ацетон, спирт и т. д. В связи с необходимостью охлаждения чувствительных элементов инфракрасных сканирующих систем спутников появилась еще одна область применения тепловых труб, особое внимание было уделено криогенным тепловым трубам [1-27, 1-28]. Самой распространенной рабочей жидкостью в них являлся азот, который был наиболее подходящим в интервале температур от 77 до 100 К.. Для этого же температурного интервала применялся также жидкий кислород. Резерфордовская лаборатория высоких энергий была первой организацией в Великобритании, где были использованы криогенные тепловые трубы, причем тепловые трубы с жидким водородом использовались для охлаждения мишеней. Позднее там была разработана гелиевая криогенная труба, работающая, при температуре

К  1970 г. ряд компаний США приступили  к серийному  производству широкого ассортимента тепловых труб. Среди фирм, поставляющих на рынок стандартные тепловые трубы, а также разрабатывающих и изготовляющих специальные конструкции трубы для особых целей, были RCA, Thermo-Eiektron (ТЕ), Noren Products (NP). Позднее появились трубы английских фирм (список фирм, серийно производящих тепловые трубы, дан в. приложении 4).

Дальнейшее совершенствование тепловых труб и развитие исследований в этой области, в частности, в Европе, описаны в отдельных разделах этой книги. Достижения в этой сфере за последние четыре года можно суммировать следующим образом:

1.         Были разработаны тепловые трубы переменной проводимости

специально для использования на космических, объектах. В послед

них    моделях    этих    труб    используется    принцип    регулирования

с активной обратной связью для улучшения времени срабатывания

и чувствительности.

2.         Созданы тепловые трубы,  работающие в диапазоне от 4 до

2800  К, срок службы  которых  во всем температурном диапазоне,

кроме экстремальных случаев, в общем приемлем.

3.         Европейская организация космических исследований   (ESRO)

способствовала  развитию  работ   в  Европе  путем  заключения  кон

трактов на разработку систем па тепловых трубах для европейских

спутников.

4.         Состоялась Первая международная конференция по тепловым

трубам  (Штутгарт, 1973 г.), на которой были представлены работы

из   Голландии,   ФРГ,   Советского   Союза,   Чехословакии,   Франции,

Италии и Великобритании,  а  также  из  Соединенных Штатов.