Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Фитиль или капиллярная структура

Выбор фитиля для тепловой трубы определяется многими факторами, часть из них тесно связана со свойствами рабочей жидкости. Основное назначение фитиля, несомненно, состоит в создании капиллярного напора для перемещения жидкости из конденсатора в испаритель. Фитиль должен также обеспечить должное распределение жидкости по всей зоне испарения, т. е. ко всем ее точкам, где к тепловой трубе может быть осуществлен подвод теплоты. Зачастую решение этих двух задач требует использования фитилей различной формы, в частности в тех случаях, когда возврат конденсата должен быть осуществлен на расстояние, скажем, в 1 м при отсутствии гравитационных сил.

Из приведенных в 2 гл. данных можно видеть, что максимальный капиллярный напор, развиваемый фитилем, увеличивается с уменьшением размеров пор в фитиле. Другая важная характеристика фитиля — его проницаемость, напротив, увеличивается с ростом размеров пор. Для гомогенных фитилей существует оптимальный с точки зрения удовлетворения этих противоположных требований   размер  пор.   В   этой  связи  возможны  три основных варианта. Фитили, развивающие небольшой напор и применяемые в горизонтальных тепловых трубах или в трубах с использованием силы тяжести, должны обеспечивать протекание максимальных расходов жидкости и имеют сравнительно большие поры, примерно в 100—150 меш (150—100 мкм).

Измеренная плотность радиального теплового потока в испарителях тепловых труб (приведенные значения не обязательно являются предельными) размеров и необходимость обеспечения высокой тепло-передающей способности трубы приводят к использованию негомогенных или артериальных фитилей с мелко-цорлстой структурой.

Другой подлежащей оптимизации характеристикой фитиля является его Толщина. Теплопередающая способность тепловой трубы увеличивается с ростом толщины фитиля. Однако при этом, увеличивается термическое сопротивление фитиля в радиальном направлении, что будет препятствовать росту теплопередающей способности трубы в целом и снижать допустимую -максимальную плотность теплового потока в испарителе.

Суммарное   термическое   сопротивление   испарителя   зависит также и от теплопроводности рабочей жидкости, заполняющей фитиль.   (В  табл. 3-2  приведены измеренные значения плотности теплового потока в испарителе для различных сочетаний фитиль — рабочая жидкость.) Другими существенными характеристиками фитиля являются его совместимость с рабочей, жидкостью и смачиваемость.  Фитиль должен  легко  принимать надлежащую форму, с тем чтобы следовать за изменениями формы корпуса тепловой трубы, прн этом геометрическая форма   фитиля  должна  обеспечивать  получение  вослронзводимых характеристик. Фнтнль должен быть дешевым. Так называемые гомогенные фитили могут быть разного типа. Это —сеткн, пенистые Структуры, войлок, волокна и спеченные материалы. Другой тип фитиля образуют канавкн н артериальные фитили, которые могут сочетаться с гомогенными для обеспечения распределения   жидкости   по   периметру.   Формы   используемых в тепловых трубах фитилей представлены на 3-2. 3-2-1. Гомогенные структуры. Из всех располагаемых типов гомогенных фитилей наиболее часто используются фитили, выполненные из сеткн и тканн саржевого плетення. Они изготовляются с различными размерами пор  и из  разных материалов,  включая нержавеющую сталь, никель, медь и алюминий. В табл. 3-3 приводятся данные по измеренным размерам пор н значениям проницаемости для ряда сеток и саржевых материалов. Все более насто применяются гомогенные фитили, изготовленные из металлической ваты, в частности войлочные. Изменяя степень сжатия войлока в процессе сборки трубы, можно варьировать размер полученных пор. Используя удаляемые металлические оправкн, можно образовать в теле войлока систему артерий.

В тепловых трубах широко используются также волокнистые материалы, которые обычно имеют поры малого размера. Основной недостаток керамических волокон заключается в их малой жесткости, вследствие чего они обычно требуют применения несущего каркаса, например металлической сетки. В итоге, если сами по себе волокна совместимы с рабочими жидкостями, с материалом каркаса в этом плане могут возникнуть проблемы. Для обеспечения большого расхода жидкости делают из спеченных из разных материалов в виде шариков порошков мелкопористую структуру, при необходимости дополняя ее артериями с повышенными проходными сечениями. При изготовлении тонких продольных каналов используется метод выщелачивания. Такие тепловые трубы с корпусами из меди и алюминия и с канавками на стенке применяются в условиях невесомости. В общем случае канавки не обеспечивают необходимый капиллярный напор в гравитационном поле. Теплопередающая способность таких труб может ограничиваться устойчивостью поверхности жидкой пленки — срывом влаги. Закрытие канавок сеткой предотвращает этот эффект.

3-2-2. Артериальные фитили. Артериальные фитили следует "применять в высокоэффективных тепловых трубах для космоса, когда градиенты температур в тепловой трубе должны  быть сведены к минимуму с целью компенсации неблагоприятных последствий обычно низкой теплопроводности рабочих жидкостей. На 3-3 изображен артериальный фитиль, разработанный

фирмой IRD. Внутренний диаметр тепловой трубы составляет всего лишь 5,25 мм. Данная тепловая труба, разработанная для Европейской космической организации (ESRO), была рассчитана на передачу 15 Вт мощности на расстояние 1 м при полном перепаде температур, не превышающем 6°С. Корпус был изготовлен из алюминиевого сплава, рабочей жидкостью служил ацетон (см. приведенный в конце настоящей главы пример А).

Конструкция фитиля, использованная в данной трубе, была предназначена для перекачки жидкости вдоль трубы с минимальным перепадом давления. Высокий движущий напор достигался закрытием шести артерий мелкой сеткой. Для полной реализации передающей способности артериального фитиля артерия должна быть полностью отгорожена от парового пространства. Максимальная капиллярная движущая сила в этом случае определяется размером ячеек сетки. Таким образом, в процессе производства требовался высокоэффективный контроль качества изготовления трубы с тем, чтобы артерия была действительно хорошо закрыта, а сетка не имела повреждений.

Далее при проектировании тепловых труб с артериальными фитилями следует обращать внимание на закупорку, а-ртерий паром или газом. Если в артерии образуется или. в нее засасывается паровой либо газовый пузырьГто ее передающая способность существенно снижается. Действительно, в том случае, когда пузырь полностью перегораживает артерию, теплопередающая способность трубы оказывается зависящей от эффективного капиллярного радиуса артерии, п е. для трубы будет существовать некое эффективное состояние свободной артерии. Если исходить из этого условия, то для того, чтобы артерия вновь заполнилась, нужно снизить тепловую нагрузку до значений, меньших максимально возможной при состоянии свободной артерии (см. также гл. 6).

При разработке конструкции фитиля и выборе рабочей жидкости для артериальных тепловых труб необходимо иметь в виду следующее:

1.         Рабочая  жидкость  перед  заполнением   тепловой

трубы должна быть тщательно дегазирована с тем, что

бы   ввести  к  минимуму  опасность  закупорки  артерии

неконденсирующимися газами.

2.         Артерия не должна находиться в контакте с обо

греваемой стенкой для того, чтобы предотвратить обра

зование в ней пузырьков.

3.         Должно быть предусмотрено наличие нескольких

запасных  артерий  с  тем,  чтобы  допустить  некоторую

страховку от вероятного возникновения аварийной си

туации в отдельных артериях.

4.         Успешное    восстановление    заполнения    артерии

в конструкциях, предназначенных для космоса, должно

определяться экспериментально при перегрузке в одно

g, так как ожидается, что повторное заполнение в усло

виях нулевого g окажется более легким.