ОГРАНИЧЕНИЯ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

Физические процессы при работе тепловых труб накладывают ряд ограничений на их рабочие параметры. Рассмотрим в первую очередь те ограничения, которые определяют максимальную переносимую мощность и задают область параметров, где обеспечивается нормальная работа трубы (рис. В.З). Факторами, ограничивающими теплоперенос, могут быть:

1. Достижение потоком пара звуковой скорости в какой-либо части трубы, чаще всего в начале конденсаторной зоны. В этом случае говорят о звуковом пределе мощности трубы.

2. Способность данной капиллярной структуры обеспечивать циркуляцию данного теплоносителя только до определенного предела. Условились такие ограничения называть капиллярными ограничениями. В общем случае следует говорить о гидродинамических ограничениях.

3. Трение в паровой фазе при низких давлениях, ограничивающее циркуляцию теплоносителя и приводящее тем самым к возникновению вязкостного предела теплопереноса.

4. Унос жидкости из фитиля в паровой поток, который приводит к преждевременному наступлению капиллярных ограничений.

5. Вскипание теплоносителя и другие эффекты, приводящие к кризисным явлениям и ограничивающие допустимую плотность теплового потока в зоне нагрева.

6. Возможности теплоотвода от тепловой трубы.

Для высокотемпературных тепловых труб (в частности, для Труб, работающих в контролируемой инертной среде при 7>1000°С) основную трудность представляет обеспечение длительной стойкости конструкционных материалов. Поэтому иногда говорят о седьмом ограничении, накладываемом на рабочие параметры тепловых труб, — ресурсе работы. Ресурс работы тепловой трубы ограничен коррозионной и механической стойкостью материалов стенки и капиллярной структуры, работающих в контакте с теплоносителем в условиях, как правило, напряженного состояния, усложненного влиянием высокой температуры.

В зависимости от конструкции трубы, типа теплоносителя, уровня рабочей температуры и переносимой трубой мощности определяющим фактором может быть какое-либо одно из перечисленных ограничений.

Коротко остановимся на перечисленных выше ограничениях параметров тепловых труб. При низких давлениях пара в трубе, когда удельные объемы пара велики, даже при относительно небольшом теплопереносе скорость пара в конце зоны испарения велика и может достигать скорости звука. В этом случае увеличение переносимой мощности только за счет улучшения условий теплоотвода становится невозможным, происходят дросселирование, звуковое запирание парового потока. Ограничение мощности, связанное с дросселированием потока пара при неизменной температуре в начале зоны нагрева, называют звуковым пределом. Звуковой предел мощности характерен для работы трубы в области низких давлений пара. Осевой поток тепла, ограниченный звуковым пределом, определяется параметрами пара в критическом сечении:

Для тепловых труб с достаточно длинной зоной теплоотвода в области малых давлений пара, для которой характерны звуковые ограничения, возможно наступление вязкостного предела. Вязкостный предел наступает вследствие значительных потерь давления на трение в паровом потоке по длине трубы. В таком случае скорость звука может иметь место в конце зоны конденсации или вообще не достигаться.

Замкнутая циркуляция теплоносителя в стационарном тепловом режиме осуществляется за счет движущегося напора, создаваемого, например, капиллярной структурой. Если постепенно увеличивать передаваемую трубой мощность при постоянной температуре в начале трубы, то потери давления по парожидкостному тракту теплоносителя также возрастут. При определенной подводимой к трубе мощности наступает такое состояние, когда движущий перепад давления может оказаться недостаточным для того, чтобы обеспечить перенос необходимого количества теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения. Если движущий перепад давления создается под действием капиллярных сил фитиля, то наступают так называемые капиллярные ограничения мощности, обусловленные конечным значением перепада давления. Капиллярные ограничения определяются из баланса давлений по парожидкостному тракту теплоносителя в тепловой трубе:

Противоположно направленные потоки пара и жидкости взаимодействуют друг с другом на поверхности раздела фаз. Это взаимодействие наиболее ощутимо при высоких значениях скорости потока пара, когда с поверхности жидкой фазы теплоносителя могут срываться капли. Поток пара захватывает эти капли и переносит их по ходу потока. Капли вместе с конденсирующимся паром возвращаются в фитиль и участвуют в циркуляции. В тепловой трубе в результате срыва и уноса жидкости в паровой поток наблюдается многократная циркуляция (рециркуляция) теплоносителя, не участвующего в процессе тепло- переноса. Эта паразитная рециркуляция теплоносителя может увеличивать потери движущего перепада давления по парожидкостному тракту и, в конечном счете, приводить к превышению потерь давления над движущим капиллярным перепадом давления. В результате возможно осушение фитиля в зоне нагрева трубы, т. е. ограничение теплопереноса, вызванное уносом жидкости из фитиля в паровой поток.

Возрастание удельной плотности теплового потока в зоне нагрева тепловых труб не может быть беспредельным. При низких давлениях пара в трубе значение ее ограничено возможностями отвода тепла вследствие достижения кинетического предела при испарении. При определенных условиях действие перепада давления на межфазной границе, вызванное испарением, определяет критические тепловые потоки при нагреве. При высоком давлении пара в трубе удельная плотность теплового потока ограничена критическими потоками, при которых начинается интенсивное вскипание жидкости, приводящее к осушению фитиля и перегреву стенки корпуса трубы.

Как правило, тепловые трубы работают при достижении ограничения мощности по теплоотводу. При проектировании геометрические параметры трубы и способ охлаждения подбираются таким образом, чтобы работа трубы осуществлялась при необходимой температуре с заданным теплопереносом. Однако в процессе работы трубы эффективная длина зоны теплоотвода может уменьшаться из-за накопления в полости трубы неконденсирующихся газов. Газы, концентрируясь в конце конденсаторной зоны трубы, приводят к резкому понижению температуры стенки трубы в этой зоне.

Ресурс работы тепловой трубы ограничивается коррозионной и механической стойкостью материалов трубы и фитиля, находящихся в контакте с испаряющимся и конденсирующимся теплоносителями, и определяется интенсивностью процессов, приводящих к разрушению конструкционных материалов трубы. При проектировании тепловых труб следует подбирать соответствующие конструкционные материалы с учетом возможностей протекания этих процессов. Образование интерметаллических соединений между конструкционным материалом и металлом- теплоносителем, как правило, недопустимо. Для уменьшения массопереноса необходимо подбирать материалы с низкой растворимостью в теплоносителе.

Итак, рабочие параметры тепловых труб могут быть ограничены рядом факторов. Естественно, что в зависимости от конструкции устанавливается соответствующее соотношение между различными ограничениями. Например, в тепловых трубах с канавочной капиллярной структурой возможно достижение ограничений мощности, связанных с уносом жидкости из фитиля в паровой поток, а не чисто капиллярных ограничений. Для некоторых конструкций тепловых труб с низкотеплопроводными теплоносителями ограничения по удельной плотности теплового потока в зоне нагрева могут быть определяющими. Перед детальным рассмотрением физических процессов, обусловливающих каждое из рассмотренных выше ограничений, обратимся к различным модификациям тепловых труб, дадим классификацию их по ряду признаков.

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