Книги по строительству и ремонту

Тепловые трубы

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Совместимость материалов

Проблема совместимости уже рассматривалась ранее в связи с выбором рабочей жидкости, материалов фитиля и корпуса тепловой трубы. Однако это проблема первостепенной важности и поэтому заслуживает специального рассмотрения в данной главе.

Два основных эффекта являются следствием несовместимости материалов: коррозия и выделение неконденсирующегося газа. Если материал стенки или фитиля растворяется в рабочей жидкости, то в тепловой трубе возникает перенос массы между конденсатором и испарителем, при этом твердая фаза будет откладываться в последнем. В результате этого процесса либо появятся местные горячие пятна, либо произойдет закупорка пор фитиля. Выделение неконденсирующегося газа, по-видимому, является наиболее типичным индикатором повреждения тепловой трубы. Неконденсирующиеся газы стремятся сосредоточиться в зоне конденсации тепловой трубы, которая постепенно «выключается» из работы, что легко зафиксировать из-за наличия в этом случае резкого скачка температур на границе газ — пар.

Хотя некоторые данные по совместимости материалов, безусловно, содержатся в обычных научных публикациях, а также в торговых проспектах по химическим веществам и материалам, тем не менее, повсеместно применяемой практикой стало проведение ресурсных испытаний характерных конструкций тепловых труб, основной целью которых является установление совместимости материалов в условиях длительной эксплуатации при рабочих параметрах. В конце этих ресурсных испытаний могут проводиться газовый анализ, металловедческое исследование, а также химический анализ рабочей жидкости (см. также § 4-2).

Ресурсные испытания тепловых труб проводились многими лабораториями, в результате опубликовано большое число данных. Однако при этом важно помнить, что данные ресурсных испытаний, полученные в одной лаборатории, могут свидетельствовать об удовлетворительной совместимости каких-то материалов, тогда как иная технология сборки, применяемая в другой лаборатории, включая, например, нестандартные способы обработки материалов, могут в других случаях привести к появлению коррозии или выделению газа. Тем самым появляется необходимость проводить испытания по совместимости материалов всякий раз, когда меняется технология очистки или сборки тепловой трубы.

Нержавеющая сталь является с позиций совместимости подходящим материалом для изготовления фитилей и корпусов труб при использовании таких рабочих жидкостей, как ацетон, аммиак или жидкие металлы. Недостатком нержавеющей стали является ее низкая теплопроводность, поэтому там, где важно последнее свойство, используют медь или алюминий. Медь особенно привлекательна для серийных изделий с водой в качестве рабочей жидкости. В качестве материала корпуса были использованы пластмассы, а при очень высоких температурах обстоятельному рассмотрению подвергались керамика и тугоплавкие металлы, такие как тантал. Для того чтобы обеспечить определенную эластичность стенки тепловой трубы, были использованы сильфоны из нержавеющей стали, а в тех случаях, когда требовалась хорошая электроизоляция;, применяли керамические или стеклянно-металлические прокладки. В последнем случае, естественно, использовались неэлектропроводные рабочие жидкости и фитили

Сравнительный обзор различных комбинаций материалов для диапазона умеренных температур выполнен Бейсьюлисом и Филлером [3-3-3], его основные результаты приводятся ниже. Приведенные в указанной статье данные получены для более широкой, нежели указанная в табл. 3-4, гаммы органических жидкостей, большая часть которых выпускается фирмой Dow Chemicals (DC).

Испытания на совместимость пары- алюминий — аммиак продолжались свыше 8000 ч, тогда как для пары алюминий — ацетон было достигнуто лишь 1008 ч. Для указанных испытаний Бейсьюлисом не приводится область рабочих температур. Тем не менее в настоящее время другими исследователями последняя комбинация проверена в течение более чем 16 000 ч работы.

Позднее в материалах Штутгартской конференции [3-34] были опубликованы результаты ресурсных испытаний, выполненных в ЩЕ на более чем 40 тепловых трубах. Опыты показали, что тепловые трубы могут работать без ухудшения их характеристик В течение длительного времени (в настоящее время превзойдены 20 000 ч), однако в тепловых трубах нержавеющая . сталь.— вода наблюдалось сильное газовыделение. Фирма IKE высказала некоторые оговорки относительно использования ацетона в паре с медью и нержавеющей сталью. Хотя эти пары и совместимы, но было подчеркнуто, что необходимо обращать должное внимание по обеспечению надлежащей чистоты как ацетона, так и металла. Аналогичные оговорки сделаны и для метилового спирта.

Всесторонние испытания тепловых труб нержавеющая сталь — вода были также выполнены в Испре [3-35], где опыты проводились до 250°С.

Обнаружилось, что ни изменения условий изготовления, ни добавление большого процента кислорода в газовую пробку не приводили к существенному снижению интенсивности выделения водорода при 250°С. В некоторых случаях водород выделялся в течение двух стартовых часов. В указанных опытах использовалась нержавеющая сталь 316, при этом в плане предотвращения выделения газа оказались неэффективными такие операции, как пассивация стали и дегазация. Все же было найдено, что образование окисного слоя на поверхности стали предотвращает в дальнейшем выделение водорода.

Джеррелс и Ларсон [3-36] также провели обширные ресурсные испытания тепловых труб, явившиеся частью исследования условий применения этих устройств для спутников. Цель этих исследований состояла в определении совместимости широкой гаммы рабочих жидкостей с алюминием (сплав 6061) и нержавеющей сталью 321. Использованный набор рабочих жидкостей включал в себя аммиак, который был признан приемлемым. Важно, однако, обеспечить очень низкое содержание воды в аммиаке. В паре с алюминием и нержавеющей сталью допустимая концентрация воды, составляет всего лишь несколько миллионных частей.

Основные выводы Джеррелса и Ларсона по совместимости материалов приводятся ниже. Данные получены для следующих жидкостей: н-пентана; н-гептана, беизо-ла, толуола, воды (с нержавеющей сталью 321), фрео-на-11, фреона-ИЗ, СР-32 и СР-34 (экспериментальные жидкости фирмы Монсанто), этилового спирта, метилового спирта, аммиака и я-бутана. В паре с водой использовалась нержавеющая сталь 321.

Все ресурсные испытания проводились с трубами, обеспечивающими возврат конденсата под действием силы тяжести, причем отвод теплоты происходил за счет обдува трубы потоком воздуха, а подвод — путем погружения ее испарительной части в масляную ванну с регулируемой температурой.

Предварительная подготовка алюминиевого сплава состояла в следующем: предварительное отмачивание в горячем отмывающем щелочном растворе с последующей отмывкой от окислов раствором '112 г сульфита натрия и 150 мл концентрированной азотной кислоты в 850 мл воды в течение 20 мин при температуре 60°С. Кроме того, алюминий либо обтачивался, либо шлифовался в области сварных швов. В тепловые трубы вставлялся сетчатый фитиль из технически чистого алюминия. Корпуса сваривались дуговой сваркой под гелием в специальной сварочной камере, отвакуумированной и продутой инертным газом. После сварки проводилась проверка на отсутствие течей, корпуса также опрессовыва,-лись на давление до 7 МПа. Испытания на давление также сопровождались контролем утечек,

Корпус из нержавеющей стали 391 перед дальнейшей обработкой также отмачивался в горячем отмывающем щелочном растворе и травился в течение 15 мин при 58°С раствором, содержащим концентрированную азотную кислоту (объемная доля 15%), соляную кислоту (5%) и 80% воды. Кроме того, нержавеющая сталь пассивировалась погружением на 15 мин при 65°С в 15%-ный раствор азотной кислоты. В качестве материала фитиля использовалась нержавеющая сталь 316. Корпус сваривался аргонодуговой сваркой.

Дегазация корпуса осуществлялась кипячением.

При применении метилового спирта в процессе заполнения трубы было замечено протекание химической реакции, что безусловно сделало нецелесообразным проведение последующих ресурсных испытаний.

Герметизация корпусов капсул осуществлялась обжатием с последующим погружением сжатого конца в эпоксидную смолу для окончательной заделки.

В опытах были получены следующие результаты.

Пентан: испытан в течение 750 ч при 150°С. Замечены, эпизодические пульсации температуры со случайными отклонениями в 0,2°С. При осмотре капсулы на внутренней стенке обнаружены места измененного цвета (слегка коричневатые), однако сетка фитиля выглядела чистой. Никаких свидетельств коррозии не было найдено. Удаленная из капсулы жидкость была слегка коричневатого цвета.

й-Гелтан: испытан в течение 600 ч при температуре 160°С. После 465 ч работы было замечено некоторое увеличение внутренних сопротивлений, однако после вскрытия капсулы в конце испытаний её внутренность, включая сетку, была чистой, также чистой оставалась рабочая жидкость.

Бензол: испытан в течение 750 ч при 150°С (с кратковременным повышением температуры). Давление паров 0,67 МПа. На стенке обнаружены места с очень слабым изменением цвета, фитиль был чистым, свидетельства коррозии отсутствовали, жидкость была чистой. Сделан вывод о высокой стойкости бензола в сочетании с выбранным алюминиевым сплавом.

Толуол: опыты проводились в течение 600 ч при температуре 160°С. В течение первых 200 ч испытаний наблюдалось постепенное снижение температуры в конденсаторе, однако в последующий период изменения температуры не наблюдались. При вскрытии капсулы на стенке корпуса обнаружены места слегка измененного цвета. По-видимому, это были поверхностные отложения, без каких-либо признаков воздействия на алюминий. По окончании испытаний материал сетки был чистым, а рабочая жидкость прозрачной.

В испытанной тепловой трубе обнаружен также коричневый осадок.

Фреон-1 1: испытаны две капсулы: одна в течение 500 ч при температуре 68°С, другая в течение 500 ч при 95°С. При вскрытии первой капсулы на внутренней ее стенке обнаружены небольшие площадки измененного цвета. Сетка выглядела чистой, а жидкость — прозрачной. Внутренность второй капсулы была совершенно чистой, а жидкость — прозрачной.

Ф р е о н -1 13: испытаны две капсулы при тех же температурах и в течение того же отрезка времени, что и образцы с фреоном-11. По окончании испытаний внутренность камер была чистой, а жидкость — прозрачной.

С Р - 3 2: испытана в течение 550 ч при температуре 158°С. Местами на внутренней поверхности обнаружены коричневые отложения. Сетка чистая, однако рабочая жидкость помутнела.

СР-34: испытана в течение 550 ч при температуре 158°С. Было обнаружено выделение газа. Имелось также обширное местное изменение цвета стенки капсулы вблизи поверхности жидкости. Цвет сетки не изменился.. Жидкость сильно потемнела.

Аммиак: испытан в течение 500 ч при температуре 70°С. После опытов обнаружено некоторое изменение цвета стенки и сетки. Эти изменения были связаны с загрязнением аммиака некоторыми нелетучими примесями, которые могли попасть в капсулу при ее заполнении. В частности, в рабочую жидкость могла попасть смазка вентиля, когда он находился в положении на заполнение капсулы. (Это была единственная испытанная труба, заполнение которой осуществлялось через вентиль.)

я-Бутан: испытан в течение 500 ч при 68°С. Считалось, что в данном случае могло происходить выделение неконденсирующегося газа, однако ухудшение характеристик было связано с некоторым загрязнением «-бутана перед заполнением. Авторы полагают, что загрязняющим веществом мог быть изобутан. Последующие опыты с более чистым «-бутаном дали лучшие результаты, однако полностью от загрязнения избавиться не удалось.

При анализе надежности результатов приведенных ресурсных испытаний Джеррелс и Ларсон приводят следующие соображения: «Следует подчеркнуть, что данные опыты ставили своей целью исследовать совместимоСть определенных сочетаний рабочая Жидкость — Материал в условиях длительной (пять лет) работы в радиаторе паровой камеры при заданных условиях. Исходные условия следующие: стационарная температура греющей жидкости на входе в радиатор 143°С с кратковременными повышениями ее до 160°С. Действительная температура рабочей жидкости в паровой камере должна быть несколько ниже температуры греющей жидкости, поскольку между последней и поверхностью испарения паровой камеры должен существовать некоторый перепад температур. Согласно оценкам при испытаниях капсул высокотемпературные рабочие жидкости находились при температурах, примерно на 10°С превышающих расчетные максимальные и примерно на 20°С превышающих расчетные стационарные температуры, при которых жидкости будут работать в реальных радиаторах. Длительность работы жидкостей во время испытаний капсул составила всего лишь примерно 1% планируемого срока службы радиатора, однако условия их работы были существенно тяжелее расчетных. Поэтому представляется разумным принять, что если испытания в капсулах определенного сочетания жидкость — материал не дали отрицательных результатов, то это сочетание может считаться потенциальным кандидатом на его использование в радиаторах со сроком службы пять лет»!

На основании описанных выше испытаний Джеррелс и Ларсон выбрали следующие рабочие жидкости:

для алюминиевого сплава 6061 при температурах не более 150°С — бензол, «-гептан, и-пентан;

для алюминиевого сплава 6061 при температурах не более 94°С—; фреон-11 и фреон-113;

для алюминиевого сплава 6061 при температурах не более 65°С — аммиак и «-бутан.

Согласно данным фирмы Dupon скорость коррозии алюминия во фреоне-11 составляет 1,25-10 см/мес при 115°С. Другие исследования [3-37], проведенные на фре-оне-113, показали отсутствие коррозии алюминия при его 100 часовых испытаниях при температуре кипения. Фре-он-113 содержался в сосудах из различных металлов в течение двух лет при 150°С, при степени разложения фреона 0,3—0,4%.

Следующие рабочие жидкости, по-видимому, являются непригодными:  вода   (с нержавеющей сталью 321);

СР-32; СР-34; метиловый спирт; толуол (с алюминиевым сплавом 6061).

Джеррелс и Ларсон указывают, что в Лос-Аламос--ской лаборатории достигнут срок службы тепловой трубы, работающей на воде, превышающий 3000 ч без ухудшения характеристик трубы. Труба изготовлена из нержавеющей стали 347.

Согласно другим источникам [3-38] спирты в абщем случае непригодны для работы с алюминием.

По результатам анализа Джеррелса и Ларсона для паровых камер с корпусом, изготовленным из алюминия, при температуре менее 65°С, в качестве наиболее подходящей   рабочей  жидкости   был   рекомендован   аммиак, а для температур более указанной — пентан.

На другом конце температурной шкалы большие сроки службы тепловых труб были достигнуты при работе с литием или серебром в качестве рабочих жидкостей [3:5]. При изготовлении корпуса из сплава вольфрам-рений (W-26Re) полагали, что длительность работы тепловой трубы на литии составит много лет при температуре 1600°С. При 1700°С значительная коррозия наблюдалась после одного года эксплуатации, а при 1800°С срок службы составил всего лишь один месяц. Полагали, что тепловые трубы W-26Re-Ag могут работать при 2000°С в течение 1000 ч. Некоторые другие данные приведены в табл. 3-5.

Специально должен быть рассмотрен вопрос о методике ресурсных испытаний и правомерности экстраполяции полученных данных на период в несколько лет. Например, для труб, устанавливаемых на спутниках, где ремонт в случае аварии затруднен, если не невозможен, семилетний срок службы согласно требованиям Европейской космической исследовательской организации является стандартным минимумом. Поэтому необходимо уменьшить длительность проведения ресурсных испытаний, но так, чтобы надежность работы труб в течение длительного времени могла быть определена с высокой степенью точности.

Ресурсные испытания тепловых труб обычно прежде всего связаны с определением любой несовместимости рабочей жидкости с материалом фитиля или корпуса. Кроме того, полные ресурсные испытания должны включать в себя длительные исследования характеристик трубы в условиях, близких к рабочим. При выполнении подобных работ, однако, трудно добиться ускорения ресурсных испытаний, скажем, путем увеличения теплового потока в испарителе, поскольку любое существенное увеличение этого параметра может привести к осушению фитиля из-за работы трубы в режиме, существенно превышающем ее расчетные возможности. Поэтому любое ускоренное ресурсное испытание, которое предусматривает, скажем, четырехкратное увеличение теплового потока относительно номинального, должно выполняться в условиях обеспеченного за счет естественного слива возврата конденсата и сопровождаться систематическим  -определением    характеристик    трубы с тем, чтобы иметь уверенность, что ее расчетная мощность все еще достигается.

Другая возможность уменьшения времени ресурсных испытаний заключается в ускорении любого процесса, ведущего к ухудшению характеристик трубы. Например, можно поднять рабочую температуру трубы, если конструкция испарителя допускает подобную операцию. Одной из теневых сторон этого метбда является возможность термического разложения самой рабочей жидкости. Например, в присутствии окислов металлов может произойти крекинг ацетона с образованием диацетонового спирта, имеющего значительно более высокую точку кйиения, нежели чистый ацетон.

Несомненно, что многие факторы должны быть учтены при подготовке программы ресурсных испытаний, включая такие вопросы, как наличие клапанов в опытной установке или обеспечение ее полной герметичности, характерной для реальных устройств. Этот вопрос первостепенной важности.