ЗАПОЛНЕНИЕ КАПИЛЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ ЖИДКОСТЬЮ

Как в экспериментах, так и при техническом использовании тепловых труб часто приходится сталкиваться с пуском их после осушения фитиля. От заполнения фитиля зависит как время восстановления работоспособности тепловых труб, так зачастую и характеристики теплопереноса. Осушение может иметь различные причины.

1. Гравитационное осушение обусловлено воздействием сил тяжести на жидкость (в общем случае рассмотрения — воздействием массовых сил).

2. Тепловое осушение связано с теплоподводом к тепловой трубе и обусловлено превышением циркуляционных ограничений либо критических тепловых потоков при нагреве.

Когда устраняются причины, вызвавшие осушение, фитиль под действием сил поверхностного натяжения или массовых сил снова заполняется Эксперименты показывают, что во многих случаях восстановление работоспособности тепловых труб требует проведения определенных операций и значительного времени. Для низкотемпературных и особенно криогенных теп ловых труб вследствие малых значений капиллярных сил время заполнения может достигать от нескольких минут до нескольких часов.

Обратимся к соотношениям, которые позволяют оценить воемя заполнения фитиля для ряда случаев: при наличии и отсутствии теплоподвода, при наличии и отсутствии перегрева стенки в осушенной части и при воздействии гравитации.

Время заполнения фитиля жидкостью. Рассмотрим задачу, когда происходит заполнение фитиля с одинаковой по длине трубы гомогенной капиллярной структурой [6]. На участке движения жидкости задана линейная плотность теплового потока q(x), в осушенной части в начальный момент существует перегрев стенки АТ (х), который ликвидируется продвигающейся по фитилю жидкостью (рис. 4.8). Температура жидкости в процессе заполнения не меняется, тепло, отводимое от стенки, тратится на испарение жидкости. Задано начальное положение фронта жидкости (xK=Xi), скорость движения фронта в начальный

Наблюдения за поведением паровых пузырей, проведенные авторами на стеклянных тепловых трубах с составными фитилями и ацетоном или этиловым спиртом в качестве теплоносителей, показали следующее. В условиях, когда перегрев ниже критического, паровые пузыри для низкотемпературных теплоносителей способны существовать длительное время минуты и даже часы. На продолжительность существования пузырей очень сильно влияет наличие в них неконденсирующихся газов. Даже в переохлажденной жидкости пузырек полностью не исчезает сразу, он может исчезнуть лишь в результате длительного процесса растворения газа в жидкости.

Были проведены измерения времени конденсации парового пузыря в составном фитиле на стеклянной модели тепловой трубы с ацетоном. Схема модели показана на рис. 4.12. Экран составного фитиля, изготовленный из мелкой сетки саржевого плетения (диаметр проволоки утка 0,032 мм, основы — 0,064 мм), располагался на расстоянии 0,15 мм от стенки. Перегрев в опытах создавался гидростатически, модель находилась в изотермических условиях при температуре около 20° С.

Заполнение ацетоном проводилось двумя способами: с удалением неконденсирующихся газов при замораживании теплоносителя и с удалением из конденсаторной части паров вместе с неконденсирующимися газами, когда ацетон кипятили при температуре около 70° С. В первом случае газы не полностью удаляются из модели (остаются следы их), во втором случае удается тщательно очистить модель от неконденсирующихся газов. Некоторые результаты этих опытов представлены на рис. 4.13 и 4.14. При неполном удалении неконденсирующихся газов пузырь при относительном перегреве v=0,82 способен существовать более 10 мин. При тщательной очистке от газов пузырь при такой же величине конденсируется за 7 сек. Таким образом, наличие даже следов газа может приводить к резкому увеличению времени существования пузыря.

В процессе заполнения фитиля жидкостью при строго однородных по величине зазорах под экраном пузыри должны образоваться в верхней части фитиля. Наблюдения показывают, что в реальных тепловых трубах не удается строго выдержать однородность зазоров и жидкость, обтекая при заполнении фитиля •области с увеличенными зазорами, может замыкать паровые пузыри в самых различных частях фитиля. Наибольшую опасность при работе тепловых труб представляют пузыри, сохранившиеся в испарительной зоне. При перегревах выше критических они увеличиваются в размерах, вытесняя жидкость из-под фитиля. Некоторое время тепловая труба продолжает переносить тепло, хотя в местах нахождения паровых пузырей и происходит перегрев стенки. Но увеличение гидравлического сопротивления для жидкости в зазоре под фитилем и транспортные ограничения при переносе жидкости вдоль экрана над местом расположения пузыря приводят к разрыву жидкости в порах экрана над пузырем. Полость пузыря соединяется с паровым каналом, и происходит осушение большей части фитиля в нагреваемой зоне трубы. Вследствие этого резко увеличивается термическое сопротивление при переносе тепла, большая часть нагреваемой стенки почти не охлаждается.

Определенную опасность могут представлять сохранившиеся пузыри не только в испарительной, но также и в адиабатической или конденсаторной зоне тепловой трубы. В работающих тепловых трубах, как показывают наблюдения, пузыри не перемещаются вместе с потоком жидкости до тех пор, пока их размер в процессе конденсации пара в пузыре не станет меньше зазора под экраном.

Если движущиеся пузыри малых размеров не успеют сконденсироваться (для парогазовых пузырей такая вероятность особенно велика) и попадут в зону с большими перегревами, то и они приведут к нарушению работоспособности тепловой трубы. Наблюдения показали, что при первоначальном заполнении составного фитиля с экраном из перфорированной фольги пар и газ полностью вытесняются из зазора жидкостью. Однако если предварительно такой экран был смочен жидкостью, то возможно образование пузырей (рис. 4.15). Особенно в том случае, когда экран толстостенный, т. е. в его порах после смачивания может сохраняться жидкость. В тонкостенном экране, когда мениски жидкости смыкаются, линза жидкости в порах не может сохраняться. Такие тонкостенные перфорированные экраны используются для удаления парогазовых пузырей из фитилей тепловых труб.

Из рассмотренного анализа становится ясно, какие меры необходимо предпринимать для предотвращения нарушения работоспособности тепловых труб паровыми и парогазовыми пузырями. Тщательное удаление неконденсирующихся газов существенно облегчает задачу ликвидации пузырей. Уменьшение зазоров под экраном увеличивает критические перегревы, отодвигая опасную область длительной жизни пузырей. Понижение температуры, так называемое «захолаживание», снижает радиальные и циркуляционные перегревы, создавая благоприятные условия для конденсации в тех случаях, когда не удается полностью исключить перенос тепла. Строго горизонтальное расположение трубы, а также вращение ее вокруг продольной оси создают условия для достижения минимального гидростатического перегрева в каждой области фитиля при подготовительных операциях в целях ликвидации пузырей. Наконец, использование тонкостенных экранов, в которых отсутствует продольная проницаемость, позволяет исключить образование паровых пузерей при заполнении составного фитиля или организовать зону удаления пузырей в начальный период работы тепловой трубы.

Хотя проведенное выше рассмотрение влияния пузырей проводилось на примере тепловых труб с составными фитилями, очевидно, что его результаты справедливы и для тепловых труб с артериальными фитилями, для которых паровые и парогазовые пузыри представляют ту же, если не большую, опасность.

Рассмотрим некоторые особенности пуска тепловых труб с составными фитилями, а также вопрос о капиллярных ограничениях мощности труб при охлаждении.

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