МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Вопросам теоретического и экспериментального определения капиллярных характеристик фитилей различного типа для тепловых труб посвящено большое число исследований [11, 15, 16, 31—42].
Коротко остановимся на некоторых наиболее распространенных методах экспериментального нахождения основных характеристик фитилей, таких, как: а) эффективный радиус пор, определяющий максимальное капиллярное давление; б) объемная пористость, необходимая для нахождения объема загрузки теплоносителя; в) проницаемость, определяющая гидравлическое сопротивление при течении жидкости.
Определение максимального капиллярного давления и эффективного радиуса пор. Гравитационный метод. Максимальное капиллярное давление для образцов фитилей (сетки различного плетения, пористые пластины, трубки и т. п.) можно измерить на установках, представленных на рис. 2.5. Разрежение в жидкости, смачивающей фитиль, создается посредством снижения л ровня жидкости в сообщающемся с фитилем сосуде. Максимальное капиллярное давление находят по разности уровней жидкости в момент отрыва мениска жидкости от фитиля:
Часто измерения удобно проводить не на реальных жидкостях, которые используются в тепловых трубах, а на модельных жидкостях (вода, ацетон, спирты и др.). При сложных конфигурациях пор необходимо следить за тем, чтобы величины краевого угла 9 для рабочей и модельных жидкостей были близки, иначе эффективные радиусы пор могут быть различными. Необходимо тщательно промывать установку перед проведением измерений, так как загрязнения способны изменять коэффициент поверхностного натяжения и искажать результаты измерений.
Фитили могут давать заметный гистерезисный эффект. Это явление иногда связывается с гидравлическим сопротивлением фитиля, но чаще обусловлено неоднородностью каналов.
Метод центрифугирования. Для определения максимального капиллярного давления в уже изготовленной тепловой трубе может быть применен метод центрифугирования. Тепловая труба обогревается на вращающейся установке. При постепенном увеличении измеряемого числа оборотов достигается момент, когда происходит осушение фитиля и возникает перегрев стенки.
Капиллярные силы в работающей тепловой трубе противостоят центробежным силам. Для момента, непосредственно предшествующего осушению, может быть записан баланс:
Метод звукового режима. Для высокотемпературных тепловых труб, у которых организовано измерение температур в. начале испарительной и в конце конденсаторной зон, а также имеется возможность плавно изменять теплоподвод и условия теплоотвода, можно измерить капиллярное давление таким образом.
Постепенно увеличивая теплоподвод и регулируя условия теплоотвода, измеряют температуру в начале зоны испарения в момент, непосредственно предшествующий осушению фитиля. При этом следует обеспечить условие: давление насыщения пара в начале зоны испарения должно быть намного выше давления в конце конденсаторной зоны, т. е. должен быть реализован звуковой режим течения пара, при котором в конденсаторной части давление пара снижается до нуля по ходу потока. Давление насыщенного пара, найденное по температуре в начале зоны испарения в момент, предшествующий осушению трубы, равно максимальному капиллярному давлению при этой температуре.
Преимущества этого метода в том, что он обеспечивает возможность проверки одной из основных характеристик фитиля для трубы, вмонтированной в установку в процессе проведения экспериментальных исследований (например, испытаний на ресурс работы и др.).
Определение объемной пористости капиллярно-пористого тела.
Для нахождения пористости достаточно измерить две из трех величин: общий объем, объем пор и собственный объем материала.
Метод, основанный на измерении объема и массы. При известной плотности материала фитиля рлт объемную пористость е0б можно найти, измерив объем образца У0 и его массу G:
Метод пропитки. Фитиль погружают в жидкость, смачивающую материал фитиля. Измеряют объем образца V0 и объем жидкости Кк, поглощенной порами образца. Пористость вычисляют по формуле
Метод нагнетания ртути. Этот метод основан на том, что при атмосферном давлении ртуть не проникает в погруженный в нее образец, так как не смачивает его. Общий объем образца, следовательно, может быть определен по изменению уровня ртути в мерном сосуде. Если сосуд с ртутью и погруженным в ртуть образцом герметически закрыть и сильно увеличить давление, то ртуть войдет в поры, сжав запертый в них воздух до пренебрежимо малого объема, тогда вошедший внутрь образца объем ртути будет равен объему пор.
Метод поглощения р-излучения. Наряду с объемной пористостью иногда необходимо определять и долю насыщения фитиля жидкостью в зависимости от капиллярного давления. Установка, позволяющая проводить такие измерения, представлена на рис. 2.6. Капиллярное давление в этих экспериментах определяется по подъему и опусканию уровня жидкости в стеклянном цилиндре. Доля насыщения определяется методом поглощения p-излучения в фитиле.
Измерение проницаемости капиллярно-пористых тел. Проницаемость однородного материала обычно определяют в стационарных условиях с использованием уравнения Дарси. В качестве примера приведем схему установки (рис. 2.7), использованную авторами для определения проницаемости пакета из саржевых сеток. Прямоугольные образцы из сеток в несколько слоев (7—10) укладывались в металлический пенал таким образом, чтобы жидкость протекала вдоль основы сеток. Между корпусом пенала и пакетом прокладывались паронит и вакуумная резина. Крышка пенала прижимала слои сетки при затяжке болтов. Движущий гидравлический напор обеспечивался вследствие разности уровней жидкости в напорном и сливном баках. Измерялись объемный расход жидкости, а также разность уровней в напорном и сливном баках.
Проницаемость фитилей из прикрепленной сетки, системы параллельных пазов и некоторых других видов фитилей не может быть определена описанным выше способом, так как свободная верхняя поверхность является необходимой характеристикой этих фитилей. Более того, проницаемость может зависеть от местного перепада давления между жидкостью и паром. Примером служит фитиль из одного слоя сетки, укрепленного на стенке корпуса- трубы. Если давление в жидкости заметно меньше давления в паре, мениск жидкости может достаточно сильно влиять на поток и увеличивать гидравлическое сопротивление, так как глубина мениска в любой части фитиля определяется главным образом отношением перепада давления к поверхностному натяжению. На градиент давления в фитиле может также влиять трение пара,, текущего над поверхностью, а также наличие фазового перехода.
Схема установки для определения проницаемости фитилей,, имеющих свободную поверхность, дана на рис. 2.8. Фитиль расположен на верхней поверхности наклонной пластины. Манометрические трубки связаны с основанием фитиля посредством тонких пористых пластинок. Жидкость подается к верхнему концу с регулируемой и измеряемой скоростью и вытекает из нижнего конца фитиля при фиксированной скорости всасывания, которая определяется длиной всасывающей трубки. Скорость подачи жидкости согласована таким образом, чтобы давление было одинаково вдоль фитиля. При этом градиент давления, вызываемый гравитацией, в точности сбалансирован градиентом давления, вызываемым трением, т. е.
Помимо стационарных методов измерения капиллярных характеристик фитилей используются и нестационарные. Один из таких способов описан в работе [32].
