МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ
Интерес к многокомпонентным (обычно двухкомпонентным) тепловым трубам вызван следующими причинами.
1. Они имеют более широкий диапазон рабочих температур по сравнению с тепловыми трубами, использующими одну из выбранных жидкостей.
2. При определенном количественном составе компонент смеси они обладают большим максимальным теплопереносом, чем однокомпонентные.
3. При концентрациях компонент теплоносителя, близких к эвтектическим, они имеют низкую температуру плавления и могут существенно упростить сложную проблему пуска тепловой трубы из состояния с замороженным теплоносителем. Азеотропные растворы не разделяются на компоненты в тепловой трубе, и также имеют пониженную температуру плавления.
4. Могут быть применены при терморегулировании.
Особенности многокомпонентных тепловых труб связаны прежде всего с возможным разделением смеси на составляющие ее чистые компоненты или смеси с различной концентрацией в процессе стационарной работы тепловой трубы. Разделение, с одной стороны, ведет к повышению термического сопротивления тепловой трубы, с другой — в отдельных случаях может увеличить ее мощность. Вопрос о разделении смеси на чистые компоненты является одним из основных вопросов теории и эксперимента многокомпонентных тепловых труб. Как правило, рассматриваются двухкомпонентные тепловые трубы.
Известно, что для стационарной работы любой тепловой трубы, в том числе и двухкомпонентной, необходимо соблюдение двух условий. Во-первых, необходим баланс масс — в каждом сечении тепловой трубы массовый расход пара G должен быть равен массовому расходу жидкости L, т. е.
На рис. 5.6 представлена типичная диаграмма температура кипения—состав для двухкомпонентной смеси веществ. Исходя из условия баланса масс, работа тепловой трубы на диаграмме изобразится линией АВ, т. е. средние массовые доли пара У и жидкости X в каждом сечении трубы равны между собой. Однако из второго условия вытекает, что пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью, должен быть обогащен более низкокипящей компонентой (НКК). Это означает, что жидкость в точке В, имеющая состав Хи будет хотя бы приближенно находиться в термодинамическом равновесии с паром в точке С, имеющим состав У2.
На первый взгляд, требования баланса масс и термодинамического равновесия в двухкомпонентной тепловой трубе противоречат друг другу. Это противоречие привело авторов первых исследований [37, 38] к предположению, что в стационарном режиме в двухкомпонентной тепловой трубе происходит полное разделение компонент смеси п образуются два контура из чистых теплоносителей, соединенных между собой коротким участком с переменным составом (рис. 5.7). Зона высокотемпературного теплоносителя занимает часть тепловой трубы со стороны испарителя,
Степень разделения смеси на чистые компоненты зависит от давления паров, входящих в смесь чистых компонент. Разделение смеси на чистые компоненты более вероятно, если тепловая труба заправлена смесью с сильно различающимися для чистых компонент давлениями паров. Помимо типа раствора разделение его на чистые компоненты зависит также и от его температуры. Эта зависимость выражается законом Вревского [43]: при повышении температуры раствора в равновесных парах повышается относительное содержание той компоненты, парциальная мольная теплота испарения которой больше. Из закона Вревского следует, например, что разделение в тепловой трубе натрий-калиевой смеси на чистые компоненты более вероятно при низкой температуре, чем при высокой.
Зависимость степени разделения смеси на чистые компоненты от состава определяется двумя законами Коновалова. Первый из них характеризует соотношение между составами равновесных жидкости и пара и влияние добавления той или другой компоненты на общее давление пара. Он говорит о том, что: а) повышение относительного содержания данной компоненты в жидкой фазе всегда вызывает увеличение относительного содержания ее в парах; б) в двойной системе пар по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью богаче той из компонент, прибавление которой к системе повышает общее давление пара, т. е. понижает температуру кипения смеси при данном давлении. Применительно к двухкомпонентным тепловым трубам это означает, что если начальная смесь богата НКК, то при работе тепловой трубы в стационарном режиме какое-то количество НКК будет оставаться в зоне испарения. При этом максимальная температура в зоне испарения будет ниже температуры насыщения ВКК для данного давления. В этом случае в тепловой трубе могут существовать следующие зоны: а) зона переменного состава, которую занимает испаритель и часть конденсатора: б) зона приблизительно чистого низкокипящего компонента в конце конденсатора.
Если же начальная смесь богата ВКК, то низкокипящая составляющая раствора может полностью выпариться и в зоне испарения останется лишь его высококипящая часть. Зона конденсатора будет состоять из смеси переменного состава или же начальная часть конденсатора будет содержать чистую ВКК.
Второй закон Коновалова касается азеотропных растворов. (Азеотропными называют такие бинарные растворы, состав которых одинаков с составом равновесного с ним пара.) Азеотропные растворы обладают тем интересным свойством, что, несмотря на большое различие давлений составляющих их чистых компонент, они кипят при одной температуре (для данного давления), т. е. верхняя кривая насыщенного пара и нижняя кривая кипящей жидкости сходятся в одну точку А (рис. 5.8). Азеотропные растворы существуют при строго определенном составе компонент бинарной смеси.
В табл. 5.3 [44] приведены некоторые азеотропные растворы. Азеотропные растворы невозможно разделить на чистые компоненты методом дистилляции. Тепловая труба с азеотропной смесью будет вести себя как однокомпонентная.
Разделение двухкомпонентных смесей на чистые компоненты определяется тепловыми условиями в зоне испарения и конденсации, а также длиной тепловой трубы. В работающей трубе температура в направлении конденсатора уменьшается, и в соответствии с диаграммой температура — состав (см. рис. 5.6) при постоянном давлении содержание НКК в жидкой и паровой фазах увеличивается вдоль трубы от испарителя к конденсатору. Если температура стенки конденсатора ниже температуры насыщения НКК для данного давления, то в зоне конденсации всегда будет существовать зона чистой НКК. Если же эта температура выше температуры насыщения, то при прочих равных условиях зоны чистого НКК может и не быть и всю длину зоны конденсации займет смесь переменного состава.
Двухкомпонентную тепловую трубу можно сравнить с противоточной ректификационной колонной с полным стоком. При конечной длине колонны в ней также не происходит полного разделения компонент. Однако работа тепловой трубы отличается от работы ректификационной колонны тем, что в трубе поверхности раздела фаз мало развиты, нет такого хорошего контакта между паром и жидкостью, как это имеет место в ректификационных колоннах. В связи с этим разделение смеси на чистые компоненты в тепловой трубе менее вероятно. Другое отличие состоит в том, что давление в ректификационной колонне является внешним регулируемым параметром, в то время как в тепловой трубе оно весьма сложно зависит от многих параметров.
Теоретические исследования двухкомпонентных тепловых труб проводятся с 1967 г. [38]. Поскольку модель о полном разделении смеси на чистые компоненты не была подтверждена экспериментально, в работе [38] было высказано предположение о радиальном изменении состава пара в каждом сечении тепловой трубы. Необходимое условие термодинамического равновесия при этом должно удовлетворяться на поверхности раздела фаз, однако средние концентрации пара и жидкости по-прежнему должны быть далеки от термодинамического равновесия. Существование неравновесного состояния — причина радиального адиабатического массообмена между двумя фазами. НКК, концентрация которой по условиям термодинамического равновесия должна быть больше в паре, испаряется из жидкой фазы, а ВКК, наоборот, конденсируется на поверхности раздела. Радиальный профиль концентраций компонент в паре и жидкости в тепловой трубе схематически показан на рис. 5.9.
Этот профиль концентраций выполнен для условия баланса масс, т. е. для У=Х, а также удовлетворяет термодинамическому равновесию пара и жидкости на поверхности раздела фаз. В настоящее время установлено [42], что разделение смеси в двухкомпонентной тепловой трубе — результат адиабатического радиального массообмена, который имеет место по всей ее длине, в том числе и на адиабатическом участке.
В зоне испарения и конденсации имеется, кроме того, радиальный массовый поток, возникающий в результате подвода и отвода тепла. Исследования, проведенные на ректификационных колоннах, например [45], показали, что влияние поперечных потоков при подводе и отводе тепла на адиабатический радиальный массообмен и степень сепарации компонент невелико. Степень сепарации несколько увеличивается при подводе тепла и уменьшается при его отводе.
Наряду с неравновесностью средних концентраций в двухкомпонентной тепловой трубе имеет место неравновесность средних температур. Учитывая малое термическое сопротивление фазового перехода, следует ожидать, что температура жидкости на границе раздела фаз равна температуре пара и, следовательно, в пределах диффузионного пограничного слоя имеется радиальный перепад температур. Радиальный перепад температуры в каждом сечении тепловой трубы, в том числе и в адиабатической зоне, вызывает радиальный теплообмен между двумя фазами, похожий на противоточный теплообмен в теплообменниках. Пар охлаждается при движении в направлении к конденсатору, жидкость, двигаясь в противоположном направлении, нагревается. Радиальное падение температуры пара — совершенно необходимое условие работы двухкомпонентной трубы. Иначе невозможно объяснить значительное падение температуры между испарителем и конденсатором, наблюдаемое во всех экспериментах с двухкомпонентными тепловыми трубами при концентрациях, отличающихся от азеотропных [39—42].
Следует заметить, что испарение в равновесных условиях не может происходить при температуре жидкости ниже, чем температура пара. В работе [42] поперечные профили температуры в различных сечениях тепловой трубы предположительно представлены следующим образом (рис. 5.10).
В самом начале зоны испарения (сечение а) имеется радиальное падение температуры в жидкости, связанное с передачей тепла, необходимого для испарения жидкости. Температуру пара в этом сечении можно принять постоянной, так как теплообмен между паром и жидкостью здесь отсутствует. В сечении б происходит испарение жидкости, которая холоднее, чем жидкость в сечении а, из-за радиального теплообмена между обеими фазами. Пар, образующийся в сечении б, имеет более низкую температуру, чем аксиально-движущийся пар, полученный в сечении а. В адиабатической зоне (сечения виг) радиального падения температуры в жидкой фазе почти нет, так как термическое сопротивление для теплообмена внутри жидкой фазы очень мало по сравнению с паровой фазой. В конденсаторе (сечения д и е) имеется радиальное падение температуры в жидкости вследствие отвода тепла фазового перехода. В паровой фазе можно ожидать, что распределение температуры близко к постоянному (по крайней мере, в конце тепловой трубы — сечение е). Теоретические зависимости для радиального профиля концентраций и поперечного потока низкокипящей компоненты, а также распределения концентраций по длине двухкомпонентной тепловой трубы получены в работе [46].
Экспериментальные исследования по двухкомпонентным тепловым трубам пока сравнительно малочисленны [39—42, 47]. В основном опыты проводились на тепловых трубах, заполненных смесью воды с этиловым или метиловым спиртом. В работе [47] использовалась тепловая труба со смесью натрия и лития. Однако цель этой работы состояла в изучении строения интерметаллических молекул и специальных измерений, характеризующих процессы, массо- и теплопереноса в ней не было. Интересные данные получены в работе Броммера [42], проведенной на тепловой трубе, заполненной смесью воды и метилового спирта. Длина тепловой трубы составляла 50 см при внешнем диаметре 13,5 мм. Корпус трубы — медный, капиллярная система состояла из шести артерий. На рис. 5.11 представлены данные по максимальному тепло- переносу в зависимости от температуры при различном первоначальном составе смеси. По сравнению с чистым метиловым спиртом небольшая добавка воды значительно увеличивает максимальную переносимую тепловой трубой мощность. Это можно» объяснить влиянием разделения компонентов на капиллярное давление. При работе тепловой трубы вода с ее высоким поверхностным натяжением концентрируется преимущественно в испарителе, обеспечивая тем самым высокий теплоперенос. На рис. 5.12 показана зависимость осевого перепада температуры от теплопереноса при различных первоначальных составах смеси. Отметим, что перепад температуры почти постоянен в широком диапазоне изменения мощности.
Степень разделения компонент зависит от состава смеси. Для смесей с близкой концентрацией обеих компонент она выше, чем тогда, когда одной из компонент в смеси мало. Изменение длины испарителя и конденсатора практически не оказывает влияния на осевые перепады температуры. Однако увеличение общей длины трубы увеличивает степень разделения смеси на чистые компоненты. Измеренный радиальный перепад температуры в двухкомпонентных трубах значительно выше, чем в однокомпонентных вследствие диффузионного сопротивления. Большой перепад температуры по длине двухкомпонентной тепловой трубы вызван прежде всего адиабатическим радиальным тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами. Для того чтобы уменьшить радиальный тепло- и массообмен, в адиабатической зоне тепловой трубы в экспериментах [42] был установлен экран, отгораживающий пар от жидкости. В результате установки экрана аксиальный перепад температуры был понижен примерно в два раза.
