ВЫБОР ТИПА КАПИЛЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ
При выборе капиллярной структуры для тепловой трубы следует исходить прежде всего из комплексной оценки ее качеств, таких, как: 1) транспортные свойства по отношению к тепло- и массопереносу; 2) надежность; 3) технологичность изготовления; 4) моделирование рабочих условий.
Остановимся на каждом из указанных качеств капиллярной структуры.
Высокий теплоперенос в тепловой трубе возможен лишь при благоприятных транспортных свойствах фитиля — малом эффективном радиусе пор, создающих высокое капиллярное давление, большом гидравлическом диаметре каналов и суммарной площади сечения для протока жидкости вдоль трубы, обеспечивающих в целом малое гидравлическое сопротивление при течении жидкости. Одновременное выполнение первых двух условий возможно лишь в составных фитилях. Однако составные фитили имеют крупные недостатки и их применение не всегда допустимо.
Для простых фитилей существует задача оптимизации, относящаяся к выбору размера каналов и их числа. При малом размере канала увеличивается движущий капиллярный напор, однако при этом возрастают гидравлические потери в жидкости, и наоборот. Большое число капиллярных каналов и соответственно большая толщина фитиля уменьшают гидравлические потери в жидкости, но при заданном размере внутреннего диаметра корпуса трубы увеличивают потери давления в паровой фазе.
К транспортным свойствам фитиля можно отнести эффективную теплопроводность и способность к передаче тепла в радиальном направлении без наступления критической ситуации (перегрев стенки, резкое повышение термического сопротивления трубы).
В наземных условиях к фитилю также часто предъявляют требование, чтобы при наклонном или вертикальном положении трубы, работающей с использованием силы тяжести, жидкость заполняла фитиль как минимум на высоту зоны нагрева.
Транспортными свойствами фитиля определяется и работа тепловой трубы в пусковых режимах. Эксперименты показывают, что трудно, а иногда и невозможно добиться пуска тепловых труб с крупной капиллярной структурой. Надежность в данном случае следует понимать как характеристику вероятности выхода трубы из строя из-за протекания разнородных процессов, на которые влияют факторы, различные для каждого процесса. Как для простых, так и для составных фитилей (хотя, конечно, в различной степени) опасным является разрушение пористой структуры фитиля или закупорка пор вследствие массопереноса. В некоторых случаях излишки теплоносителя при неточной заправке могут выводить тепловую трубу из строи или делать ее характеристики неприемлемыми. Для труб с составными фитилями совершенно недопустима недозаправка. Трубы с составными фитилями, как уже указывалось, очень чувствительны к попаданию газа в канал для жидкости. Газовые пузырьки, находясь в области нагрева, инициируют вскипание, осушение составного фитиля и приводят к перегреву и даже разрушению трубы. Для вторичной подготовки к работе в этом случае, как правило, требуется проведение специальных операций. Воздействие ударов и вибраций особенно опасно для составных фитилей, так как «выбивание» части жидкости приводит к упомянутым выше эффектам.
Технологичность изготовления включает в себя несколько характеристик Это трудозатраты на изготовление и очистку фитиля, оснащение им тепловой трубы, необходимость иметь оснастку большей или меньшей сложности, количество брака из-за невоспроизводимое необходимых характеристик. В конечном счете для массового применения важна и стоимость изготовления.
Моделирование рабочих условий заключается прежде всего в возможности распространения данных наземных испытаний на работу в условиях невесомости для труб, предназначенных для работы в таких условиях. Это прежде всего относится к низкотемпературным тепловым трубам, а в ряде случаев и высокотемпературным.
Перейдем далее к рассмотрению свойств различных капиллярных структур (рис. 2.1). Отметим сразу, что при использовании металлических и неметаллических теплоносителей подход к оценке качеств одной и той же капиллярной структуры оказывается различным. Это обусловлено значительным различием физических свойств, приводящим к большим не только количественным, но и качественным различиям. Желание обеспечить высокие радиальные тепловые потоки, форсировать осевой теплоперенос, необходимость моделировать работу трубы в наземных условиях привели к разработке большого числа разновидностей капиллярных структур, специфичных для низкотемпературных и криогенных тепловых труб. Для высокотемпературных тепловых труб упомянутые вопросы часто решаются в ином плане, иными средствами.
Оценка качеств капиллярных структур дана в табл. 2.1 н 2.2. Нумерация фитилей в табл. 2.2 соответствует их нумерации на рис. 2.1. Табл. 2.2 заимствована из работы [1]. Упомянутая работа хотя и посвящена частному вопросу — температурному контролю тепловых труб для космических целей, однако оценка качеств капиллярных структур оказывается пригодной и в общем случае.
Простые фитили. Хорошей технологичностью при изготовлении и высокой надежностью при работе обладают фитили из нескольких слоев металлических или текстильных тканец, которые каким- либо образом прикреплены к стенке тепловой трубы на участке теплообмена. Транспортные свойства этих фитилей обычно таковы, что не могут обеспечивать очень высокого теплопереноса. Такие фитили применимы почти для любого температурного диапазона и теплоносителя [2—6]. Однако в низкотемпературных и криогенных тепловых трубах значительная толщина фитиля создает благоприятные условия для перегрева и кипения теплоносителя внутри капиллярной структуры, что обычно и ограничивает подводимые удельные тепловые потоки сравнительно небольшим значением.
Для труб с круглым поперечным сечением часто вполне достаточно упругих сил металлической сетки или ткани, чтобы фитиль плотно прилегал к стенке. Существует тем не менее опасность, что сетки в каких-то местах будут неплотно прилегать к стенке, особенно при высоких температурах, когда упругие силы исчезнут. Этого нужно избегать ввиду опасности образования в зоне нагрева «горячих пятен», т. е. локального осушения стенки, приводящего к ее перегреву.
Для обеспечения более плотного прилегания сеток или ткани к стенке используют распорные кольца, а при высоких температурах — пружины из тугоплавких материалов или опорные клетки 7—Ю]. В некоторых случаях используется протяжка сквозь трубу шарика, уплотняющего слои сетки, например, сваренные вдоль. Можно приваривать сетки к стенке точечной или диффузионной сваркой, а также припаивать их или спекать со стенкой [4—12].
Рыхлые или спеченные пористые засыпки принципиально мало отличаются от тканевых или сеточных фитилей и также широко- используются в тепловых трубах [13, 14]. Весьма стабильными и благоприятными капиллярными характеристиками обладают металловолокнистые фитили, разработанные специально для использования в тепловых трубах авторами работ [15, 16]. Такие фитили могут быть изготовлены высокой объемной, заранее заданной, пористости. Технология их создания обеспечивает и одновременное крепление, приваривание к корпусу трубы.
Механически стабильной капиллярной структурой, применяемой как для низко-, так и для высокотемпературных тепловых труб, являются продольные канавки в корпусе трубы [17—20]. Канавки выполняются, как правило, прямоугольными, но часто- также трапецеидальными, треугольными или овальными. Некоторая завальцовка краев канавки позволяет уменьшить взаимодействие жидкости с паром, а также увеличить развиваемое капиллярное давление.
Изготовление канавок может осуществляться протяжкой, экструзией, фрезерованием, штамповкой, гофрированием, вытравливанием и другими способами на заготовке или на внутренней поверхности корпуса трубы. Канавки могут быть получены посредством набора продольных пластинок, скрепленных кольцами и помещенных внутри корпуса тепловой трубы или путем приваривания к корпусу гофрированной фольги. Когда корпус трубы выполняется методом осаждения металла (например, вольфрама) из газовой фазы, канавки удобно изготавливать непосредственно в корпусе. Весьма простой в изготовлении и близкой по своим свойствам к канавочной является структура из гофрированной сетки [21]. В низкотемпературных тепловых трубах упругих сил сетчатой гофры достаточно, чтобы она плотно удерживалась внутри корпуса. Такая структура легко может быть изготовлена многоканальной (т. е. имеющей каналы различных гидравлических диаметров), что уменьшает чувствительность ее в недозаправке теплоносителя, а также дает другие преимущества. (В частности, аксиальная неоднородность может приводить к увеличению тепло- переноса при прочих равных условиях.)
Стремление уменьшить температурные перепады на стенке и более эффективно использовать центральную часть трубы привело к использованию для низкотемпературных тепловых труб фитилей, которых капиллярная структура в виде артерии вынесена в паровой канал. Это, в частности, пластинчатый фитиль [рис. 2.1, г] или шнековый [22].
Составные фитили. Составные фитили следует подразделить на артериальные и неартериальные. Примеры конструкций составных фитилей второго типа представлены на рис. 2.2. Они применяются главным образом для высокотемпературных тепловых труб. Под пористым экраном обеспечивается канал достаточно большого размера для протока жидкости. Экран может быть выполнен из одного или нескольких слоев сетки, из перфорированной трубки с отверстиями, изготовленными посредством сверления, электроискровым и фотохимическим способами, электронным лучом, лазером и другими способами. Экран также может быть изготовлен из каркаса (например, из трубки с весьма крупными перфорациями), обтянутого мелкой сеткой.
Тепловые трубы с составными фитилями позволяют переносить большие количества тепла, так как эти фитили обеспечивают высокий капиллярный напор и малое гидравлическое сопротивление при течении жидкости.
Мелкопористые экраны на поверхности фитиля затрудняют взаимодействие потока пара с жидкостью, которое наблюдается при капиллярной структуре открытого типа, например канавках.
Составные фитили, как уже отмечалось, наряду с положительными имеют и отрицательные свойства. При изготовлении таких фитилей необходимо учитывать особенности их работы. Капиллярный напор для составного фитиля определяется самой крупной поверхностной порой, и дефекты пористой поверхности (большие поры) могут ухудшить капиллярные свойства составного фитиля или даже полностью ликвидировать его преимущества. Локальное разрушение мелкопористого экрана выводит из строя всю тепловую трубу. В том случае, когда канал между мелкопористым экраном и корпусом трубы имеет большой размер, возможны трудности с первоначальным заполнением его жидкостью или с заполнением после выдувания жидкости из канала после того, как капиллярный напор оказался недостаточным и возникло «сухое» пятно под мелкопористой структурой.
Недостатки составного фитиля можно несколько уменьшить, применяя продольное секционирование щелевого зазора [рис. 2.1(7)]. Образование крупных пор в этом случае будет приводить к уменьшению эффективности лишь отдельных секций, а не всего фитиля. Фитиль такого типа может быть выполнен в виде продольных канавок в стенке тепловой трубы, покрытых сверху плотно прилегающим мелкопористым экраном. Трудности в этом случае представляет необходимость обеспечить плотный контакт сетки с выступами между канавками.
Высокая теплопроводность жидкометаллических теплоносителей и большие перегревы, необходимые для вскипания, допускают получение чрезвычайно высоких удельных тепловых потоков в зоне нагрева, позволяют не считаться с термическим сопротивлением составных фитилей кольцевого типа. Для тепловых труб с неметаллическими теплоносителями низкая теплопроводность и малые перегревы, необходимые для вскипания, ведут к тому, что в составных фитилях кольцевого типа весьма вероятно вскипание. Следовательно, фитили могут осушаться, что приведет тепловые трубы к выходу из строя.
Чтобы уменьшить толщину слоя жидкости у стенки, Кацов [12] предложил использовать «артерии», расположенные в паровом канале трубы и соприкасающиеся с относительно тонкой капиллярной структурой на стенке. При одинаковой площади сечения трубы, предназначенной для протока жидкости, тепловые трубы с артериями создают существенно меньшее падение давления в жидкости, так как гидравлический диаметр артерий много больше эквивалентного гидравлического диаметра кольцевого зазора, а от размера гидравлического диаметра перепад давления в жидкости при прочих равных условиях зависит обратно пропорционально четвертой степени.
Желание использовать преимущества составных фитилей привело к появлению фитилей артериального типа такой конструкции, чтобы пузырьки, возникшие на стенке, не проникали в артерию. Эксперименты показывают, что капиллярные структуры типа канавок допускают весьма высокие тепловые нагрузки на поверхности нагрева. Сочетать канавочную структуру (например, винтовую резьбу на внутренней стенке трубы) с артериями предложил Моритц [23]. На рис. 2.3 представлены некоторые конструкции фитилей с артериями.
Осевой перенос жидкости происходит в артериях относительно большого гидравлического диаметра, для сбора и растекания жидкости по окружности трубы предназначены желобки резьбы. Чтобы избежать образования пузырьков в артериях, необходимо выполнить дополнительный «мостик» (капиллярную перегородку между артерией и стенкой), связывающий резьбу с артерией. Мостики выполняют важную функцию: они препятствуют проникновению возникшего у стенки пузырька в артерию.
Фитили типов, изображенных на рис. 2.3, а, б, пригодны для тепловых труб малого диаметра. В фитиле типа г механическая жесткость обеспечивается с помощью специальной опоры. Артерии типа г и д изготовлены из фольги без перфораций. В таком случае существует опасность, что при быстром падении давления в трубе произойдет вскипание жидкости в артерии. При артерии типа е имеется возможность быстро охладить жидкость посредством испарения ее из пор на поверхности артерии. Поэтому для такого типа артерии опасности вскипания жидкости внутри артерии нет.
Преимущество фитиля в виде артерии, сочетающейся с резьбой, заключается в простоте изготовления и возможности иметь высокие удельные тепловые потоки при нагреве. Однако резьба не может быть столь же мелкой, что и сетки, а это сказывается на капиллярном напоре.
Широкое распространение получили и артериальные фитили с сеткой, уложенной у стенки [24, 25]. Артерию и пристенную капиллярную структуру при этом часто изготавливают из одной заготовки. Такие заготовки используются как для низкотемпературных, так п для высокотемпературных тепловых труб.
Проблемой номер один для артериальных тепловых труб является заполнение их теплоносителем. Особенно сложен вопрос для газонаполненных труб, когда попадание газа в артерии приводит либо к ухудшению характеристик трубы, либо к полной потере их работоспособности.
Для низкотемпературных и прежде всего криогенных тепловых труб, у которых теплоносители обладают очень плохими в отношении заполняемости и теплопереноса свойствами, разработано несколько оригинальных конструкций артериальных фитилей [1, 26—29].
На рис. 2.4, а представлена схема так называемой спиральной артерии [26—27]. На центральный стержень по спирали с зазором, центрируемым с помощью проволок, наматывается мелкая сетка. Спираль помещают в тщательно уплотненный цилиндрический кожух из мелкой сетки. С помощью капиллярных мостиков артерия соединяется с капиллярной системой на стенке, выполняемой чаще всего в виде резьбовых канавок на внутренней поверхности корпуса трубы. Хорошей заполняемости способствует наличие относительно небольших каналов между витками спирали, большое суммарное сечение фитиля обеспечивает высокий теплоперенос, канавочная структура на стенке приводит к относительно малому термическому сопротивлению тепловой трубы.
В работе [29] рассматриваются характеристики так называемого лепесткового фитиля (рис. 2.4,6), который является усовершествованием фитиля спиральной артерии. Капиллярными мостиками в нем служат лепестки из мелкой сетки. Показано, что лепестковый фитиль способен функционировать при наличии на трубе изгибов малых радиусов, он мало чувствителен к избытку, а также недостатку заправленного в трубу теплоносителя.
Модулированная артерия (рис. 2.4, в) при одинаковой заполняемое™ со спиральной артерией обладает лучшими гидродинамическими свойствами и соответственно лучшей способностью к теплопереносу вследствие того, что имеет круглые капиллярные каналы. Секционирование капиллярных каналов уменьшает влияние на теплоперенос паровых и парогазовых пузырей. Тепловые трубы с такой артерией используются в качестве газорегулируемых [28]. В модифицированной модулированной артерии (рис. 2.4, г) улучшены условия для диффузии газа.
Принципиально новая идея заложена в конструкцию туннельного фитиля (рис. 2.4, 6) — заполнение большого канала артерии (туннеля) посредством использования разности давлений насыщения по длине парового канала и по сечению артерии [30]. Для этого жидкость (по крайней мере в центральной части фитиля) должна быть более холодной, чем пар. При стационарной работе тепловой трубы это условие всегда выполняется, так как жидкость из конденсаторной части поступает в артерию всегда охлажденной. Первоначально вследствие действия капиллярных сил заполняется жидкостью периферийная часть артерии, образуя «шубу», в которой имеется радиальный градиент температуры. Даже малого капиллярного напора может быть достаточно для того, чтобы при заполнении создавалась разность давлений, намного превышающая капиллярный напор фитиля. Разность давлений в зависимости от температурного напора «температура насыщения пара — температура жидкости» может быть вычислена по формуле Клапейрона — Клаузиуса:
Под действием разности давлений происходит заполнение туннеля, паровая фаза конденсируется в нем.
Такого типа артерии способны обеспечивать заполнение каналов очень большого гидравлического диаметра и соответственно создавать теплоперенос в тепловых трубах, недостижимый при других конструкциях капиллярных систем.
Отметим, что наряду с преимуществами у туннельного фитиля есть и недостатки. При отсутствии теплопереноса, т. е. тогда, когда нет разности температур по радиусу артерии, возможно осушение туннеля. Такой же эффект возможен при быстром охлаждении тепловой трубы. Очевидно, что преимущества туннельного фитиля могут быть использованы лишь для низкотеплопроводных, т. е. неметаллических жидкостей.
Из изложенного выше следует, что выбор фитиля в значительной степени зависит от рабочего диапазона температур. Желательно проводить его выбор одновременно с выбором теплоносителя.
Выбор должен быть направлен на обеспечение конкретных требований, предъявляемых к характеристикам тепловой трубы, учитывая их комплекс, а не отдельные, хотя и важные из них. Зачастую при выборе фитиля стремятся обеспечить наибольший теплоперенос, пренебрегая рассмотрением условий пуска, обеспечением длительности ресурса работы и др. Лишь комплексный подход при выборе типа, конструкции, размеров фитиля является правильным, оптимальным.
