КРИТЕРИИ ВЫБОРА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
В качестве теплоносителей в тепловых трубах в принципе применимы любые химические вещества и соединения, имеющие при выбранных рабочих температурах жидкую и паровую фазы. Однако количество практически применяемых жидкостей сильно уменьшается из-за различных ограничений. Можно выделить следующие условия и требования, которым должны удовлетворять теплоносители.
1. Обеспечение передачи большого количества тепла в осевом направлении во многих случаях является главным требованием, которому должна удовлетворять труба. Для этого теплоноситель должен: хорошо смачивать капиллярную "структуру фитиля, обладать высокой теплотой парообразования, иметь большой коэффициент поверхностного натяжения, достаточно высокую плотность пара при рабочих температурах и невысокую вязкость, особенно в жидком состоянии.
Критические параметры жидкости должны быть значительно выше рабочих, так как с увеличением температуры поверхностное натяжение и теплота парообразования уменьшаются и становятся равными нулю в критической точке.
2. Давление насыщенных паров теплоносителя при рабочей температуре должно быть достаточно высоким, чтобы обеспечить большой перенос тепла и малый перепад температуры по длине. Как правило, тепловые трубы начинают переносить значительные количества тепла и становятся почти изотермичными при давлении паров выше 104 Па. Перепад температуры в паровой области при повышении давления уменьшается. Верхний предел давления пара определяется прочностью материала корпуса тепловой трубы.
3. Температура плавления должна быть по возможности низкой. Для КТТ появляется опасность замерзания теплоносителя, если температура плавления близка к рабочему диапазону температур. Для ВТТ и особенно ТВТТ важно, чтобы давление пара при температуре плавления не было высоким. Это упрощает пуск, помогая исключить трудности, связанные с сублимацией теплоносителя в зоне нагрева. (Высокое давление пара обусловливает высокую скорость переноса теплоносителя из зоны испарения в зону конденсации и сублимации его.
4. Теплоноситель, как правило, должен иметь высокую чистоту, так как загрязнения могут снизить поверхностное натяжение, смачиваемость и увеличить коррозионные свойства теплоносителя. Накапливаясь в зоне испарения в концентрациях, превышающих предел растворимости, примеси способны выкристаллизовываться и закупоривать капилляры. Вред наличия примесей иллюстрируют неудачные попытки вывести на номинальный режим работы тепловую трубу со свинцовым теплоносителем [1]. Свинец при этих экспериментах был загружен в тепловую трубу с примесями кислорода. Это крайне отрицательно сказалось на работоспособности трубы. Следует, однако, заметить, что некоторые примеси, наоборот, благоприятно сказываются на работе тепловой трубы. Так, в опытах с тепловой трубой, изготовленной из тантала, со свинцом в качестве теплоносителя труба не работала в горизонтальном положении до тех пор, пока не было добавлено малое количество кремния, который улучшил смачиваемость тантала свинцом [2]. Иногда металлические примеси используются для геттер- ной (химической) очистки теплоносителя в процессе работы тепловой трубы. Например, в литий для улавливания из него кислорода в зоне нагрева добавляют небольшие количества кальция, иттрия и скандия [3].
5. Теплоноситель должен быть в коррозионном отношении совместим с материалами стенки тепловой трубы и фитиля во всем диапазоне температур.
6. Для теплоносителей, молекулы которых состоят из нескольких атомов, может возникать требование достаточной термической стойкости и стойкости в условиях ионизирующего излучения..Под воздействием нагрева или ионизирующего излучения такие теплоносители могут разлагаться на газообразные или твердые продукты. В первом случае вследствие появления газов возникает неизотермическая зона в тепловой трубе, во втором возможна закупорка фитиля продуктами разложения и, следовательно, выход тепловой трубы из строя. На одноатомные инертные газы и металлы ионизирующее излучение почти не оказывает влияния. Относительно небольшому воздействию подвержены двухатомные газы.
Особенно велико ионизирующее, а также термическое воздействие на сложные многоатомные соединения.
7. Наряду-С другими свойствами при выборе теплоносителя приходится учитывать взрывоопасность и токсичность веществ. Хотя количество теплоносителя в тепловых трубах обычно мало, безопасность работы с ним имеет не последнее значение при изготовлении тепловых труб, их испытаниях и использовании,
8. Для применения тепловых труб в активной зоне реактора важно, чтобы теплоноситель имел малое сечение захвата нейтронов.
Рассмотрим далее более детально сначала теплофизические, а затем и материаловедческие основы выбора теплоносителей.
