Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Тепловая труба состоит из трех основных элементов:

1)         рабочей жидкости;

2)         фитиля или капиллярной структуры;

3)         корпуса.

При выборе соответствующей комбинации этих элементов неизбежно может возникнуть ряд противоречий. Ниже рассматриваются принципы подобного отбора.

Рабочая жидкость

Выбор соответствующей рабочей жидкости осуществляется прежде всего, исходя из диапазона рабочих температур парового пространства. Для некоторого ориентировочного температурного диапазона может существовать несколько приемлемых рабочих жидкостей, и для выбора наиболее подходящий из них следует проанализировать весь комплекс их физических свойств. Основные требования, предъявляемые к рабочим жидкостям, следующие:

1)         совместимость  рабочей  жидкости  с  материалом

фитиля и корпуса;

2)         высокая термическая стойкость жидкости;

3)         смачиваемость  жидкостью   фитиля   и материала

корпуса трубы;

4)         давление паров жидкости в рабочем диапазоне

температур не должно быть излишне высоким или слиш

ком низким;

5)         большая скрытая теплота парообразования;

6)         высокая теплопроводность жидкости;

7)         низкое значение вязкости жидкой и паровой фаз;

8)         высокое поверхностное натяжение;

9)         приемлемое значение точки замерзания или за-

твердения.

Многие из проблем, связанных с продолжительностью срока службы тепловой трубы, являются прямым следствием несовместимости используемых в ней материалов, при этом следует иметь в виду все три основных элемента тепловой трубы. Этот вопрос более полно будет рассмотрен ниже. Необходимо отметить лишь один специфический для тепловой трубы аспект —это возможность термического разложения рабочей жидкости. Рабочую температуру ряда органических жидкостей следует поддерживать ниже определенного значения для предотвращения разложения жидкости на отдельные компоненты Тем самым высокая термическая стойкость жидкости в предлагаемом рабочем диапазоне температур является ее необходимым свойством.

Поверхность жидкости ведет себя подобно растянутой оболочке, разница состоит в том, что натяжение жидкой поверхности не зависит от ее площади. По всей площади поверхности жидкости действует стягивающая ее сила, обусловленная притяжением молекул и препятствующая их отделению от основной массы. Поверхностное натяжение изменяется с изменением температуры и давления, однако зависимость от давления обычно слаба.

Эффективное значение поверхностного натяжения может существенно меняться при концентрации инородного вещества на поверхностях раздела жидкость — пар, жидкость — жидкость или же на твердых поверхностях. Расчет поверхностного натяжения рассмотрен в гл. 2.

При проектировании тепловой трубы желательно, чтобы поверхностное натяжение было большим с тем, чтобы труба могла работать против силы тяжести и развивать при этом значительный движущий капиллярный напор.

В дополнение к большому значению поверхностного натяжения необходимо, чтобы рабочая жидкость смачивала фитиль и материал корпуса трубы, краевой угол должен быть нулевым или по крайней мере очень малым.

Давление паров жидкости в рабочем диапазоне температур должно быть достаточно большим с тем, чтобы избежать высоких скоростей пара, приводящих к появлению больших градиентов температуры вдоль от трубы, срыву возвращающегося конденсата в условиях противотока пара и жидкости или возникновению неустойчивости течения связанной со сжимаемостью потока. Однако давление пара не должно быть слишком высоким, так как в последнем случае придется использовать трубу с толстостенным корпусом.

Для обеспечения большой теплопередающей способности трубы при минимальном расходе рабочей жидкости, а следовательно, при минимальном падении давления вдоль трубы желательно использовать жидкость с большой скрытой теплотой парообразования. Желательно, чтобы теплопроводность рабочей жидкости (в жидкой фазе) также была высокой с тем. чтобы свести к минимуму радиальные градиенты температур и уменьшить вероятность "возникновения пузырькового кипения на границе фитиля со стснко.-i корпуса.

Гидравлическое сопротивление течению жидкости будет сведено к минимуму выбором жидкости с малой вязкостью паровой и жидкой фаз.

На 3-1 приведены значения «критерия качества» М для различных жидкостей при температуре насыщения в диапазоне температур 200—1750 К. Видно, что вода имеет несомненное преимущество благодаря высоким значениям скрытой теплоты парообразования и поверхностного натяжения по сравнению со всеми органическими жидкостями, такими как ацетон и спирты. При окончательном выборе рабочей жидкости, безусловно, учитываются также ее стоимость, доступность, совместимость с другими материалами, используемыми в тепловой трубе, и другие указанные выше факторы.

3-1. Параметр качества для ряда рабочих жидкостей при температуре, равной точке . кипения.

Как указывали Эссельмен и Грин [3-1], высокое значение «критерия качества» не является единственным критерием при выборе рабочей жидкости. В конкретной ситуации другие факторы могут играть более существенную роль. Например, если исходить из стоимости рабочей . жидкости, то предпочтение следует отдать калию по сравнению с цезием и рубидием, которые в 1000 раз дороже. Аналогично в диапазоне температур 1200—1800 К литий обладает более высоким значением «критерия качества» по сравнению с большинством других металлов, включая натрий. Однако при использовании лития корпус трубы должен быть изготовлен из дорогого сплава, химически стойкого по отношению к литию, тогда как натрий может находиться в трубе из нержавеющей стали. Поэтому мо-жет; оказаться дешевле и удобнее использовать тепловые трубы с несколько худшими эксплуатационными характеристиками, в которых рабочей жидкостью служит натрий, а сами трубы выполнены из нержавеющей стали используемые в тепловых трубах рабочих жиДкостЙ весьма разнообразны, начиная с гелия для температур 4 К и кончая литием для температур 2300 К. Из 3-1 видно преимущество воды в диапазоне температур 350— 500 К, где конкурирующие с ней органические жидкости имеют существенно меньшие значения «критерия качества». При несколько меньших температурах (270— 350 К) целесообразно применять аммиак, хотя последний требует весьма аккуратного'обращения с целью сохранения его высокой чистоты. Конкурентоспособны в этом диапазоне ацетон и спирты, имеющие более низкое по сравнению с аммиаком давление паров. Эти жидкости обычно используются в тепловых трубах для космических целей. Вода и метиловый спирт совместимы с медью, поэтому обе эти жидкости часто используются для охлаждения электронного оборудования.

В диапазоне температур 500—650 К могут быть использованы высокотемпературные органические теплоносители, такие как термекс и даутерм А. Обе эти жидкости представляют собой эвтектические смеси дифенила и дифенилоксида с точками кипения при атмосферном давлении около 260°С. Однако эти жидкости обладают низким поверхностным натяжением и невысокой скрытой теплотой парообразования. Как и многие другие органические соединения, дифенил легко разлагается по достижении температуры, превышающей некоторое критическое значение. Однако две данные эвтектические смеси в отличие от многих других, имеющих тот же самый рабочий диапазон температур, характеризуются точкой кипения, а не областью кипения.

Двигаясь дальше по температурной шкале, мы приходим к жидким металлам. Для диапазона 500—950 К очень хороша ртуть, которая обладает подходящими термодинамическими свойствами. Она находится в жидком состоянии при комнатной температуре, что упрощает ее перегрузку, а также заполнение и запуск тепловой трубы.

Если отвлечься от токсичности ртути, то основным теневым моментом, препятствующим ее использованию в качестве рабочей жидкости в тепловых трубах, (в отличие от термосифонов), являются трудности, связанные с обеспечением смачиваемости фитиля и стенки корпуса. Работ, специально посвященных этому вопросу,  немного,   и,   пожалуй,  только Довероллу   [3-2]   из Лос-Аламосской лаборатории и Рею [3-3] принадлежат публикации по проблеме смачивания ртутью.

Бинерт [3-4] при создании тепловых труб «ртуть — нержавеющая сталь» для концентраторов солнечной энергии использовал методику Деверолла и достиг в этом направлении определенных успехов для труб, работающих при содействии гравитационной силы. Бииерт указывает, что отсутствие смачивания в зоне конденсации тепловой трубы стимулирует возникновение капельной конденсации, что ведет к росту коэффициента теплоотдачи в этой зоне по сравнению со случаем пленочной конденсации.'

Двигаясь далее в зону еще более высоких температур, мы приходим к цезию, калию и натрию как к наиболее приемлемым рабочим жидкостям. Необходимые для расчета тепловых труб физические свойства этих теплоносителей хорошо исследованы (см. приложение 1). В области температур свыше 1400 К выбор обычно прежде всего падает на литий, однако использовалось также и серебро [3-5].