БАЛАНС ДАВЛЕНИЙ В ТЕПЛОВОЙ ТРУБЕ
Устойчивая работа тепловой трубы при передаче тепла в стационарном режиме достигается за счет работы капиллярного насоса, обеспечивающего замкнутую циркуляцию в парожидкостном контуре трубы. При этом максимальное значение капиллярного движущего перепада давления должно превышать сумму потерь давления по парожидкостному тракту теплоносителя. Перепад капиллярного давления, развиваемого в фитиле в зоне испарения и конденсации, должен преодолевать следующие потери давления: падение давления в паровой фазе, гидравлическое сопротивление жидкости, протекающей по фитилю, перепад давления при фазовом переходе в зоне испарения и конденсации, а также влияние массовых сил. Условие стационарной циркуляции теплоносителя — баланс сил вдоль любого замкнутого контура, проходящего по длине тепловой трубы через область пара и жидкости. Условием для определения максимального теплопереноса является баланс сил вдоль контура, проходящего по парожидкостному тракту через сечения с максимально возможной кривизной мениска и минимальной кривизной его.
Точку фитиля с максимально возможной кривизной мениска условно называют «сухой», точку с минимальной кривизной мениска условились называть «мокрой». Если в тепловой трубе имеется достаточное количество теплоносителя, то в этой точке поверхность раздела фаз почти плоская. Таким образом, для нахождения максимального теплопереноса необходимо составить баланс сил в контуре, проходящем через сухую (1) и мокрую (2) точки:
Если перепад давлений между фазами больше максимально развиваемого капиллярного давления в порах фитиля данной конструкции в сухой точке, то происходит осушение фитиля в данном месте. Отметим, что осушение фитиля (даже в небольшой части зоны нагрева тепловой трубы) часто недопустимо, так как может привести к перегреву и последующему пережогу стенки трубы. Если структура фитиля однородна по длине трубы, то сухая точка располагается обычно в начале зоны испарения. Положение мокрой точки может быть различным в зависимости от соотношения падений давления в паре и жидкости. На рис. 1.4 качественно представлены ход давлений в паровой и жидкой фазах и расположение сухой (точка 1) и мокрой (точка 2) точек. Возможность различного местоположения мокрой точки по длине тепловой трубы и последствия, из этого вытекающие, будут проанализированы в гл. 2.
Рассмотрим более подробно слагаемые потери давления по длине трубы. Изменение давления в паре складывается из следующих величин. В зоне испарения это потери на трение и разгон пара (инерционный эффект). Обе эти составляющие действуют в направлении увеличения перепада давления по ходу парового потока. При низких давлениях пара в трубе и интенсивном теплопереносе, когда скорости потока пара велики и числа Маха достигают десятых долей единицы, инерционный эффект в паре преобладает и может составлять до 80—90% потерь давления в паре на длине зоны нагрева. В адиабатической зоне тепловой трубы происходит падение давления пара из-за трения. Перестройка профиля скорости приводит к очень слабому эффекту восстановления давления. В зоне конденсации при дозвуковых режимах течения пара из-за отсоса массы скорость парового потока уменьшается и происходит восстановление той части перепада давления, которая была израсходована на разгон пара в зоне испарения. Перепад давления пара в зоне конденсации, который следует учитывать при расчетах, зависит от местоположения мокрой точки.
Давление в жидкости падает по всей длине трубы в направлении от зоны конденсации к зоне испарения. Для течения жидкости характерны наличие притока массы по длине зоны теплоотвода за счет конденсации пара и отток массы по длине зоны нагрева за счет испарения вследствие подвода тепла к тепловой трубе. Эти явления должны приводить к разгону массы жидкости в зоне конденсации и торможению в зоне испарения. Однако вследствие того, что скорости жидкости в фитилях очень малы (плотность ее на много порядков превышает плотность пара вдали от критического состояния), инерционными эффектами в жидкости практически всегда можно пренебречь по сравнению с эффектами, вызванными трением.
Перепад давления при фазовом переходе в зоне испарения обусловлен тем, что покидающие жидкость молекулы обладают определенным импульсом. Такой же импульс действует и на поверхность жидкости, увеличивая перепад давления в паре и жидкости. Имеется также перепад давления при фазовом переходе в зоне конденсации. В практике расчетов тепловых труб этими перепадами можно пренебречь, за исключением тех случаев, когда рассматриваются высокоинтенсивные процессы испарения и конденсации в пористых телах при низком давлении.
Наличие массовых сил, например, при работе тепловой трубы в поле сил тяжести приводит к тому, что они могут как способствовать работе капиллярного насоса, так и увеличивать потери давления по парожидкостному тракту. Если труба работает в поле сил тяжести в горизонтальном положении, то баланс давлений по тракту должен быть составлен по контуру, проходящему через верхнюю точку трубы. Суть состоит в том, что даже в отсутствие теплопереноса мениск жидкости в фитиле в. верхней точке трубы будет вогнутым, так как необходимо компенсировать потери давления на подъем жидкости на высоту диаметра трубы. Разрыв мениска при работе тепловой трубы при прочих равных условиях происходит именно в верхней точке трубы.
Ивановский М. Н., Сорокин В. П., Ягодкин И. В. Физические основы тепловых труб.—М.: Атомиздат, 1978
