КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

Классификация по свойствам. Тепловые трубы обладают рядом уникальных полезных свойств, и классификацию тепловых труб можно провести с учетом этих свойств.

Высокая эффективная теплопроводность. Количество тепла, переносимое тепловой трубой, определяется массовой скоростью потока пара и скрытой теплотой парообразования. Поскольку скрытая теплота парообразования для многих жидкостей велика, то даже при малой скорости потока пара имеется возможность переносить значительные количества тепла. Так как изменения температуры по длине трубы происходят на линии насыщения, а давление пара в области от 1 атм и выше по ходу потока изменяется незначительно, то перепад температуры пара может составлять менее 1°С на 1 м длины. Особенно велики переносимые мощности в тепловых трубах с жидкометаллическими теплоносителями. Полученный поток тепла в осевом направлении для них достигает в настоящее время 15 кет/см2. Отметим, что это значение осевого потока не является предельным и может быть существенно превышено. Оценивая эффективную теплопроводность натриевой тепловой трубы, получаем, что достигает 106 вт/(см-°С) Это значение коэффициента эффективной теплопроводности тепловой трубы в сотни тысяч раз превышает значение коэффициента теплопроводности лучших проводников тепла — серебра и меди. Диапазон рабочих температур трубы определяется выбором теплоносителя и конструкционных материалов.

Изотермичность поверхности трубы. Температура поверхности трубы определяется распределением температуры пара в паровом канале и перепадами температуры в стенках трубы и фитиле. При давлении пара в трубе от десятых долей атмосферы и выше независимо от формы трубы и ее размеров во всем объеме парового канала обычно достигается высокая изотермичность Толщины стенок трубы и фитиля, как правило, невелики, и перепады температур в них также малы. Следовательно, и поверхность трубы практически изотермична по всей длине. С ростом давления пара изотермичность парового объема внутри трубы улучшается.

Трансформация тепловых потоков. Процессы испарения и конденсации в тепловой трубе пространственно разделены. Поэтому тепловые трубы позволяют осуществлять трансформацию тепловых потоков: при высоких тепловых потоках в зоне нагрева можно получить малые потоки в зоне охлаждения путем увеличения поверхности теплоотвода и наоборот. Коэффициент трансформации теплового потока с помощью тепловых труб определяется выбором конструкционных параметров и может иметь практически любое значение. Свойство трансформации тепловых потоков широко используется на практике.

Терморегулирование и термостатирование. Использование некоторых типов тепловых труб позволяет осуществлять регулирование или стабилизацию температуры источника тепла и теплоприемника. Свойством регулирования температуры при изменении переносимого трубой количества тепла обладают, например, газонаполненные тепловые трубы. Помимо теплоносителя в таких трубах имеется некоторое количество неконденсирующегося газа. В работающей трубе газ концентрируется в охлаждаемой части трубы в конце зоны конденсации и образует газовую «холодную» зону. С ростом подводимого к трубе количества тепла увеличивается давление пара теплоносителя при незначительном повышении температуры трубы. Вследствие сжатия газа уменьшается длина газовой холодной зоны. При этом зона теплоотвода увеличивается. Так как давление пара изменяется примерно экспоненциально при уменьшении или увеличении температуры трубы, то соответствующее изменение температуры трубы весьма мало в довольно широком интервале изменений мощности.

Другие свойства. Использование теплоносителей, а также материалов корпуса и фитиля с высокими диэлектрическими свойствами позволяет создавать тепловые трубы-изоляторы, что имеет большое значение для некоторых применений тепловых труб в электронной технике и энергетике

Тепловые трубы могут разветвлять тепловой поток, поступающий от одного источника тепла, подводить его к различным пространственно разделенным теплоносителям.

Малая масса, отсутствие движущихся частей и необходимости обслуживания, бесшумность, надежность в работе, способность работать как в поле массовых сил, так и в невесомости, отсутствие вспомогательных систем для поддержания циркуляции теплоносителя и связанных с этим затрат энергии, простота конструкции — эти свойства в совокупности с перечисленными выше позволяют утверждать, что тепловые трубы могут быть эффективно использованы при решении задач тепло- переноса в самых различных областях техники.

Известно много типов конструкционного исполнения тепловых труб Для того чтобы дать представление об основных разновидностях этих устройств, а также для удобства дальнейшего изложения материала дадим классификацию тепловых труб по ряду признаков. Предложенная классификация достаточно условна, однако она удобна при дальнейшем рассмотрении работы тепловых труб.

Классификация по целям применения. Конструкционное оформление, используемые материалы и теплоноситель существенно зависят от целей, для которых предназначена тепловая труба Цели, которые могут достигаться применением тепловых труб, базируются на использовании перечисленных выше свойств труб. Выделим основные цели.

Перенос тепла. Как правило, необходимо переносить тепло от источника к удаленному теплоприемнику при минимальных потерях температурного напора.

Трансформация тепловых потоков. Большие тепловые потоки в зоне испарения трубы преобразуются в малые в зоне конденсации и наоборот.

Терморегулирование. Путем воздействия на тепловую трубу меняется переносимое количество тепла или температура источника (приемника) тепла.

Термостатирование. Поддержание постоянства температуры во времени или в пространстве с помощью тепловой трубы.

Диодные свойства трубы. Использование труб, переносящих тепло лишь в одном направлении.

Электрическая изоляция источника тепла от приемника. Применение тепловой трубы часто позволяет решить одновременно несколько таких задач. Например, при использовании труб в электронных приборах достигаются термостатирование, теплотрансформация, электроизоляция и отвод тепла при одновременном повышении надежности работы устройства.

Классификация по диапазону рабочих температур. Криогенные тепловые трубы (КТТ) предназначены для работы в области температур от 0 до 200° К. В этом диапазоне температур в качестве теплоносителей можно использовать как: химически чистые вещества в виде отдельных элементов (гелий, аргон, криптон, азот, кислород), так и химические соединения (этан, фреоны). Теплоперенос в КТТ сравнительно мал из-за небольшой теплоты парообразования, большой вязкости и малого коэффициента поверхностного натяжения теплоносителей. Ограничивающим фактором является также невысокая плотность теплового потока, достижимая в зоне нагрева, которую составляют, как правило, значения менее 1 вт/смг.

Низкотемпературные тепловые трубы (НТТ) предназначены для работы при температурах 200—550° К. Для этого диапазона температур применимы теплоносители: фреоны, аммиак, спирты, ацетон, вода, некоторые органические соединения. Распространенный теплоноситель для этих труб — вода, обладающая хорошими теплофизическими свойствами. НТТ могут обеспечить более высокий осевой теплоперенос по сравнению с криогенными трубами. Иногда в раздел НТТ зачисляют и криогенные трубы.

Среднетемпературные тепловые трубы (СТТ) — трубы для работы в диапазоне температур 550—750° К- Теплоносителями в этих трубах могут быть сера, ртуть, щелочные металлы (цезий, рубидий), а также некоторые химические соединения, например даутерм. Среднетемпературные тепловые трубы обеспечивают дальнейшее повышение осевого потока тепла по сравнению с криогенными и низкотемпературными тепловыми трубами.

Высокотемпературные тепловые трубы (ВТТ) —трубы, предназначенные для работы при температурах выше 750° К. В качестве теплоносителей могут быть использованы калий, натрий, литий, кальций, свинец, серебро, индий и другие высококипящие металлы. Эти теплоносители, в особенмости литий, позволяют достичь весьма высоких осевых потоков тепла (15 кет/см2 и выше).

Высокотемпературные тепловые трубы из тугоплавких материалов (ТВТТ) обычно используются в верхней части этого диапазона температур — выше 1300° К- Как правило, они работают в контролируемой среде (вакууме или атмосфере инертного газа). Наиболее сложная проблема для ТВТТ — обеспечение длительной «живучести», так как коррозия и массоперенос при высоких температурах протекают весьма интенсивно.

Классификация по составу теплоносителя. По составу теплоносителя тепловые трубы можно подразделять на одно компонентные, в которых теплоноситель однороден по химическому составу, многокомпонентные — теплоноситель представляет собой смесь двух и более веществ — и газонаполненные, в которых наряду с теплоносителем имеется некоторое количество неконденсирующихся газов. Особенность труб с многокомпонентным теплоносителем — возможность разделения компонентов по длине трубы, вследствие чего может происходить образование участков по длине трубы с различным уровнем температуры. Чем больше различие в упругости паров компонентов теплоносителя, тем, как правило, больше различаются эти уровни температур. В предельном случае, когда рабочая температура выше критической температуры одного из компонентов, этот компонент находится в трубе в виде неконденсирующегося газа. Газ накапливается в конце зоны конденсации и образует существенно неизотермичную зону. Длина неизотермичной зоны чаще всего пропорциональна количеству газа и обратно пропорциональна давлению пара в тепловой трубе. Изменяя количество газа в трубе, можно регулировать длину неязотермичной зоны и тем самым управлять площадью поверхности теплосъема и соответственно температурой трубы. Важная особенность газонаполненных тепловых труб — возможность саморегулирования рабочей температуры при изменении переносимого количества тепла. Повышение давления пара при увеличении подводимого количества тепла приводит к сжатию газа в трубе, уменьшению зоны трубы, занимаемой газом, при одновременном увеличении поверхности теплосъема. Наличие такой обратной связи дает возможность при значительном изменении переносимого количества тепла поддерживать близкой к постоянной температуру трубы. Многокомпонентные тепловые трубы позволяют работать при наличии высокой температуры в зоне испарения и более низкой — в зоне нахождения более низкокипящей компоненты.

Классификация по конструкционному исполнению. Тепловые трубы выполняются самых разнообразных геометрических форм: прямые и изогнутые, цилиндрические и прямоугольные, жесткие щ гибкие, спиральные и кольцевые (рис. В.4). Как правило, направление оси трубы совпадает с направлением потока пара. Если размеры трубы соизмеримы с длиной трубы по оси или превышают последнюю, то такие устройства называют паровыми камерами. Паровые камеры могут быть выполнены, например, в виде дисков, параллелепипедов или иметь другую форму.

К тепловым трубам часто относят также бесфитильные трубки Перкинса — термосифоны, в которых перенос тепла осуществляется посредством испарения и конденсации теплоносителя аналогично процессу переноса тепла в тепловых трубах. Однако, в отличие от обычно рассматриваемых тепловых труб, возврат жидкости из зоны конденсации в зону испарения в них осуществляется под действием массовых сил, а не капиллярных. В термосифонах теплоноситель часто занимает значительную часть нагреваемого объема, а парообразование осуществляется вследствие кипения в объеме теплоносителя или же на гладкой стенке трубы. Иногда парообразование осуществляется со свободной поверхности жидкости за счет тепла, подводимого к ней из объема теплопроводностью и конвекцией. Термосифоны позволяют переносить относительно небольшие количества тепла, но весьма привлекательны конструкционной простотой. Процессы парообразования и замкнутая циркуляция теплоносителя в термосифонах существенно отличаются от тех, которые имеют место в трубах с капиллярной структурой, и не рассматриваются в данной книге.

Капиллярная структура в тепловых трубах может иметь самое различное конструкционное решение (рис.В.5 ). Однако все фитильные устройства для тепловых труб по принципу их работы следует подразделить на две категории, которые в литературе по тепловым трубам до сих пор так и не получили жесткого разграничения (а также и общепринятого названия). Эго разделение обусловлено потребностью понимания характерных особенностей каждой категории фитилей и различных режимов, их работы. Разграничим фитили на простые и составные.

Тепловые трубы с простыми фитилями. Простой фитиль представляет собой капиллярную структуру, в которой канал для протока жидкости одновременно служит и для создания капиллярного перепада давления. Пример простого фитиля — канавки различной формы на внутренней стенке трубы (см. рис. В.5, сектор а), гофры из сетки или перфорированной фольги (см. рис. В.5, сектор б). К этому же типу относятся капиллярные структуры в виде пористых спеченных или напыленных материалов (см. рис. В.5, сектор в), войлочные набивки, например из проволоки, а также плотно уложенные по стенке трубы слои сетки (см. рис. В.5, сектор г). Для создания большого капиллярного перепада давления в тепловой трубе с простым фитилем необходимо уменьшать геометрические размеры капиллярных каналов. А это приводит к резкому возрастанию гидравлического сопротивления прокачиваемой по фитилю жидкости (гидравлическое сопротивление по жидкости в капиллярно-пористой структуре обратно пропорционально гидравлическому диаметру в четвертой степени). В результате оказывается, что возможности по теплопереносу для тепловых труб с простыми фитилями довольно ограничены. Стремление создать тепловые трубы высокой мощности привело к использованию таких фитилей, у которых были бы разделены функции по созданию необходимого капиллярного напора и обеспечению прокачки жидкости с невысокими гидравлическими потерями. Это фитили, которые мы условились называть составными.

Тепловые трубы с составными фитилями. Составной фитиль представляет собой капиллярное устройство, в котором высокий капиллярный перепад давления обеспечивается мелкопористой структурой, расположенной на поверхности раздела фаз жидкость—пар, а малое сопротивление при перекачивании жидкости из зоны конденсации в зону испарения обеспечивается каналами большого гидравлического диаметра.

Один из примеров составного фитиля — капиллярная структура в виде мелкопористого тонкостенного экрана, образующего канал кольцевого сечения с корпусом трубы для обеспечения протока жидкости (см. рис. В.5, сектор 5). Составной фитиль кольцевого типа наряду с положительными имеет и отрицательные свойства. Капиллярный перепад давления для составного фитиля определяется самой крупной поверхностной порой. Дефекты пористой поверхности (большие поры) в этом случае практически определяют капиллярный перепад давления и, следовательно, приводят к существенному ухудшению работы составного фитиля. Локальное осушение фитиля, т. е. соединение полости зазора с паровым пространством, приведет к тому, что капиллярный перепад давления и работа трубы будут определяться размерами зазора, а не размерами поверхностных пор малого размера. Локальное разрушение мелкопористой структуры выводит из строя всю тепловую трубу. В том случае, когда зазор под мелкопористым экраном велик, возможны трудности с первоначальным заполнением его жидкостью, а также с за- чонением после удаления жидкости из зазора вследствие неостаточности капиллярного перепада давления или возникновения локального осушения фитиля под экраном, т. е. при образовании «горячего» пятна. Причиной осушения фитиля может быть вскипание жидкости внутри капиллярной структуры.

Тепловые трубы с комбинированными фитилями Недостатки, присущие составному фитилю, можно существенно снизить, применяя продольное секционирование щелевого канала для протока жидкости. Образование крупных пор в мелкопористом экране в этом случае будет приводить к снижению эффективности работы или, в конечном итоге, к осушению фитиля лишь в тех секциях, где имеются эти повреждения, а не всей капиллярной структуры. Таким образом, секционирование зазора для протока жидкости приводит к существенному улучшению работы трубы, повышает ее надежность.

Комбинированный фитиль представляет собой разновидность составного фитиля с продольным секционированием канала для протока жидкости (см. рис. В.5, сектор е). В качестве примера (можно привести капиллярную структуру, представляющую собой продольные канавки, выполненные на внутренней поверхности корпуса тепловой трубы и покрытые плотно прилегающим мелкопористым экраном. Комбинированный фитиль обладает всеми преимуществами составного фитиля и уменьшает некоторые его недостатки. В качестве мелкопористого экрана в составных и комбинированных фитилях могут быть применены мелкоячеистые сетки или тонкостенные пористые или перфорированные трубки.

Тепловые трубы с артериальными фитилями В тех случаях, когда необходимо иметь Тонкий слой жидкости у стенки трубы, например для криогенных и низкотемпературных тепловых труб, возможно применение фитиля с вынесенным в паровое пространство каналом для протока жидкости — артерией (см. рис. В.5, сектор ж). Артерия, имеющая большой гидравлический диаметр или проходное сечение, резко уменьшает гидравлическое сопротивление при течении жидкости из зоны конденсации в зону испарения. Для раздачи жидкости от артерии поверхности трубы в зоне испарения часто используют капиллярную структуру в виде резьбовых канавок на внутренней стенке корпуса трубы. Артериальные фитили можно также подразделить на простые и составные. Одна из разновидностей артериальных фитилей — фитиль с так называемой туннельной артерией (см. рис. В.5, сектор з). В туннельной артерии криогенной тепловой трубы вследствие возникновения перепада температур и, собственно, давлений насыщения в поперечном сечении создаются условия для заполнения ее жидкостью даже при очень большом диаметре жидкостного канала.

В заключение отметим, что фитили следует делить на простые и составные, исходя из оптимального режима их работы. Составные фитили, конечно, способны работать и в режиме простого фитиля, но при этом обеспечивают лишь малый теплоперенос.

Ивановский М. Н., Сорокин В. П., Ягодкин И. В. Физические основы тепловых труб.—М.: Атомиздат, 1978