ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫБОРА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Для возможностей теплоносителя по теплопереносу в тепловых трубах в работе [4] предложено использовать комплексы, названные коэффициентами переноса жидкости и пара и равные соответственно
Коэффициент переноса жидкости имеет максимум при определенной температуре для каждой жидкости и падает до нуля в критической точке. Характер зависимости коэффициента переноса пара от температуры качественно аналогичен, однако максимум располагается при иной температуре. Выбирая теплоноситель для заданного интервала температур, нужно стремиться к тому, чтобы теплоноситель имел наибольшие значения и NQ . Максимум теплопереноса для тепловых труб располагается в интервале температур между максимумами Л? и NQ- Положение его зависит от геометрических размеров трубы, характеристик капиллярного устройства, от ориентировки в поле массовых сил. Nn и ЛД при оценке положения максимума должны входить со своим статистическим весом, пропорциональным изменению давления в паре и в жидкости, которые будут компенсироваться капиллярным напором. На соотношение этих давлений влияет местоположение «мокрой» точки.
На рис. 1.1 представлены изменения коэффициентов переноса пара и жидкости для некоторых веществ в зависимости от температуры.
Как показано в работе [5], для коротких тепловых труб, работающих при больших числах Рейнольдса (Re>l) и имеющих капиллярную структуру в виде составного фитиля с кольцевым зазором, учет теплофизических свойств теплоносителя сводится к величине, которая названа фактором качества и определяется как
Отметим, что такой тип капиллярной структуры наиболее применим для металлических теплоносителей. На рис. 1.2 представлено значение Ф для некоторых металлов.
Задержку вскипания можно охарактеризовать комплексом
Значение этого отношения пропорционально высоте капиллярного поднятия жидкости при наличии сил гравитации. Афр для разных теплоносителей дан на рис. 1.4 в зависимости от температуры.
Рассмотрим вкратце характеристики различных теплоносителей. Каждый теплоноситель способен эффективно переносить тепло лишь в ограниченном интервале температур (табл. 1.1). Для различных температурных уровней имеющиеся теплоносители сильно различаются своими способностями осуществлять перенос тепла.
В целом следует отметить, что по мере понижения уровня температуры и соответственно использовании подходящих для этого уровня теплоносителей наблюдается ухудшение теплофизических свойств (уменьшение г, а, к, увеличение цж). Это влечет за собой в первую очередь ухудшение такой важной характеристики, как максимальная переносимая мощность, обусловленная капиллярными ограничениями. Из-за понижения теплопроводности увеличиваются термические сопротивления фитилей, облегчается вскипание жидкостей, увеличивается относительное влияние сил гравитации.
Теплоносители низкотемпературных и криогенных тепловых груб. В области низких температур теплоносители обладают сравнительно плохими теплопередающими свойствами. Теплота парообразования и коэффициент поверхностного натяжения для них малы, а вязкость жидкости велика. Тем не менее и криогенные тепловые трубы весьма эффективны по сравнению, например, с медными тепловодами. Из табл. 1.2 видно ухудшение характеристик теплоносителей по мере понижения рабочих температур. Проводится сравнение теплоносителей с водой при давлении пара 105 Па. Если не удалять теплоноситель из корпуса при использовании криогенных жидкостей в тепловых трубах при комнатных температурах, то давление пара в трубах будет большим. Во многих случаях приходится предусматривать удаление теплоносителя из труб или применение дополнительных емкостей для снижения давления газа.
Наибольший теплоперенос при температурах ниже 200° С обеспечивает вода. Однако и вода имеет некоторые недостатки. Точка замерзания воды значительно выше точки замерзания многих органических жидкостей. Смачивающие характеристики воды ухудшаются даже при наличии следов масляных загрязнений. Впрочем, проблема смачивания водой может быть решена введением в воду различных добавок. Однако смачивающие агенты сильно (более чем втрое) снижают преимущества воды, касающиеся теплопереноса.
Весьма высокий теплоперенос, сочетающийся с низкой температурой плавления, способен обеспечивать аммиак. Другие устойчивые жидкости, которые пригодны в области температур, характерных для климата Земли, низкие алкоголи (спирты), галогенные гидрокарбонаты, гидрокарбонат (например, бифинил), эфиры, полиалкоголи (например, дифинильный), диэтилфталат и дибутилфталат, которые могут быть получены очень чистыми, — являются устойчивыми и не разлагаются до достаточно высоких температур.
Для температур ниже 0° С применимы низшие кетоны и другие более низкие гидрокарбонаты, а также жидкости типа фреонов.
Что касается ожиженных газов, то отметим следующее. Дейтерий в некоторых случаях можно предпочесть водороду, так как он остается жидким и при низком давлении пара. Жидкий кислород имеет преимущество перед жидким азотом.
Теплоносители высокотемпературных тепловых труб. Наилучшими теплопередающими свойствами обладают металлические теплоносители. Особенно хорошие свойства имеют литий и натрий. Литий обладает самыми благоприятными свойствами в отношении теплопереноса среди всех теплоносителей. В диапазоне высоких температур остальные теплоносители, в том числе и используемые с тугоплавкими материалами, существенно уступают ему в теплопередающих свойствах. Второе место до теплофизическим свойствам занимает натрий. Натрий широко используется в тепловых трубах. Лишь в диапазоне температур, где давление его пара очень мало, целесообразно применять калий, а затем и цезий. Следует отметить, что для таких металлов, как кальций, магний, затруднен пуск тепловой трубы — для расплавления теплоносителя требуется нагрев до высоких температур. Большую опасность при пуске тепловой трубы представляет удаление теплоносителя из зоны нагрева вследствие сублимации его в зоне охлаждения.
Теплоносители среднетемпературных тепловых труб. При подборе теплоносителя для диапазона температур 200—400° С существуют некоторые трудности — для воды давление пара слишком велико, а для щелочных металлов мало. Органические же теплоносители применимы лишь для случаев с малой интенсивностью теплопереноса (например, для систем теплового регулирования). Для данного диапазона температур ртуть является наиболее перспективным теплоносителем.
Ценное свойство ртути — низкая температура плавления. При соответствующей конструкции тепловой трубы (большом гидравлическом диаметре каналов для протока жидкости) ртуть способна переносить очень большие количества тепла. Неблагоприятным свойством при использовании ртутных тепловых труб для отвода тепла из ядерных реакторов является большое сечение захвата нейтронов у ртути, а также трудности обеспечения смачивания. К тому же ртуть токсична,
В диапазоне температур от 50 до 400° С в качестве теплоносителя применим даутерм. Относительно низкая теплопроводность продуктов распада особенно неблагоприятно сказывается на тепловых трубах, имеющих капиллярную структуру, — происходит закупорка этой структуры твердыми продуктами разложения.
Мало исследованный в настоящее время, но перспективный теплоноситель в диапазоне температур 200—800° С (особенно для использования в бесфитильных трубах) сера [6]. Сера не является химическим соединением и поэтому не подвержена термическому разложению и мало чувствительна к ионизирующему излучению. Стоимость ее невысока. Сера не коррозионно-активна по отношению к сталям. Нет противопоказаний и против использования серы в ядерных реакторах. Однако в жидком состоянии сера обладает высокой вязкостью. Выяснено, что добавка элементов со свободными электронами может снизить вязкость серы. Например, сравнительно небольшие (несколько процентов) количества йода в десятки раз понижают вязкость серы, обеспечивая эффективную ее работу в гравитационных тепловых трубах.
В отличие от даутерма и ртути сера может быть использована как теплоноситель и в трубах для пищевой промышленности. Хорошие диэлектрические свойства серы делают ее перспективной для применений в электротехнической промышленности.
