ГРАВИТАЦИОННЫЕ КАПИЛЛЯРНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ
При создании различных типов тепловых труб, использующих силы гравитации, возникают свои специфические проблемы [48—55]. В бесфитильных трубах—термосифонах — силы гравитации являются основными движущими силами. В тепловых трубах с капиллярной структурой, добавляясь к капиллярным, они способны существенно увеличивать теплоперенос.
Остановимся на особенностях гидродинамики в вертикальных капиллярных тепловых трубах. На рис. 5.13 показано изменение давления пара и жидкости вдоль трубы. На рис. 5.13, а при отсутствии теплопереноса избыток теплоносителя находится в нижней части трубы (мокрая точка М внизу), давление в жидкости меняется линейно, капиллярная структура заполняется лишь частично— верхняя граница находится на высоте, при которой перепад давления между паром и жидкостью равен максимальному капиллярному давлению. На рис. 5.13,6, соответствующем пусковому режиму, жидкость вследствие возникновения перепада давления в паре поднимается уже на большую высоту (на этом рисунке представлен случай, когда сечение фитиля велико и падением давления в жидкости вследствие трения можно пренебречь из-за малости по сравнению с изменением давления в паре). В той части трубы, где фитиль еще не заполнен, осуществляется ¦свободное стекание жидкости. Наконец, на рис. 5.13, в, соответствующем большому теплопереносу при повышенном давлении пара в тепловой трубе, капиллярная структура заполнена полностью, избыток жидкости удален из нижней части трубы, мокрая точка перемещается к верхней части зоны нагрева. Капиллярное давление уравновешивает перепад давления пар—жидкость, уменьшенный вследствие гравитационного напора на высоте зоны нагрева.
Для некоторых областей применения (например, ампульные испытания твэла в реакторе) необходимо создать высокотемпературные вертикально работающие тепловые трубы с большим теплопереносом. При выборе капиллярной структуры для таких труб возникают противоречивые требования: 1) нужно иметь мелкую капиллярную структуру, способную обеспечивать поднятие жидкости часто на значительную высоту зоны нагрева; 2) следует использовать фитили с большими гидравлическими диаметрами и капиллярным давлением, чтобы иметь большой теплоперенос. Решение задачи следует искать в использовании неоднородных капиллярных структур, прежде всего по сечению фитиля.
Стенка трубы должна быть устлана простым фитилем мелкой структуры, предназначенным для теплоотвода в пусковых режимах и для распределения жидкости по периметру трубы. Высокий теплоперенос может быть обеспечен лишь при использовании каналов большого гидравлического диаметра для протока жидкости. Капиллярная структура, использованная авторами в газонаполненной натриевой тепловой трубе (см. рис. 5.3), лишь частично решает задачу — максимальный теплоперенос, характерный для составного фитиля, в опытах не был получен, что, по-видимому, обусловлено влиянием парогазовых пузырей.
Для обеспечения работоспособности составного фитиля при отсутствии неконденсирующихся газов может быть использована выдвинутая авторами идея «самозаполнения» больших каналов в таком фитиле, т. е. постепенное поднятие жидкости в них из-за уменьшения перепада пар—жидкость в пусковых режимах работы. Конструирование фитиля в таком случае должно сопровождаться расчетными оценками, показывающими осуществимость идеи «самозаполнения». Избыток жидкости должен быть выведен из зоны нагрева во избежание вскипания и осушения вследствие этого составного фитиля.
В работе [54] для обеспечения относительно высокого теплопереноса в тепловой трубе при 600—650° С разработана спиральная капиллярная структура. Опыты в целях выбора оптимальной геометрии фитиля были проведены с тепловыми трубами, отличающимися числом, шагом и размером спиральных артерий. Трубы имели длину 54 см и внутренний диаметр корпуса 20,4 мм. На стенке каждой трубы в несколько слоев (5—6) монтировалась мелкая сетка, затем к ней приваривались расположенные по спирали артерии из мелкой сетки круглого или прямоугольного сечения. В качестве теплоносителя использовался как натрий, так и калий. На рис. 5.14 для примера представлены экспериментальные результаты, полученные на тепловой трубе, имеющей два слоя сетки с 102 яч/см у стенки, затем три слоя сетки с 63 яч/см, распределяющие жидкость по периметру трубы, и четыре спирально расположенных желоба из сетки 63 яч/см (по 6 витков на всю длину трубы). Каждый желоб имел высоту 3,2 мм, ширину 1,6 мм и был открыт сверху. Из рис. 5.14 видно, что калий при низких давлениях при такой капиллярной структуре способен давать более высокий теплоперенос, чем натрий. Однако в целом следует отметить, что такая капиллярная структура не способна обеспечить высокий теплоперенос, особенно при повышенных давлениях. Осушение тепловых труб наступало вследствие ограничения по градиенту давления. Это специфичное для гравитационных труб ограничение связано с тем, что стекание пленки жидкости вниз происходит лишь тогда, когда градиент давления в жидкости превышает градиент давления в паре. В противном случае происходит остановка и даже возвратное (снизу вверх) течение жидкости.
Для расчета ограничения мощности по градиенту давления в работе [55] предложена формула
В работе [56] отмечается, что наибольший теплоперенос водяные капиллярные тепловые трубы с канавочной капиллярной структурой обеспечивают не в вертикальном, а в наклонном положении. К существенному увеличению переносимой мощности приводит введение в паровой канал специальной трубы, способствующей перетеканию жидкости из зоны конденсации в зону испарения без взаимодействия с потоком пара, текущим в противоположном направлении.
