Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В общей сложности было проведено десять экспериментальных серий: по два различных тепловых режима для каждой из пяти рабочих смесей. На фиг. 5 и 6 графически представлены распределения температуры вдоль трубы. Наиболее важные экспериментальные данные сведены в таблицу. По оценкам, точность измерения температуры составляет ±3%, а точность определения тепловой мощности ±9%.

Кривые температурных полей вдоль трубы, работающей на чистой воде и спирте при тепловой нагрузке 37,5 вт, являются типичными для тепловых труб, мощность которых лимитируется капиллярным напором фитиля. Они относительно пологи в испарительной зоне, тогда как в зоне конденсации имеет место некоторый рост температуры, объясняемый торможением потока пара.

Для тепловой трубы, работающей на воде, при передаваемой мощности 14,4 вт перепад температур на всей длине составил 6 °С; при этих условиях в трубе по показаниям вакуумметра был вакуум 127 мм ipm. cm. Сопоставление измеренного и расчетного давлений пара служило дополнительным критерием надежности контрольно-измерительных приборов. На фиг. 7 Приводятся температурные зависимости упругости насыщенных паров воды и метилового спирта в интересующем нас диапазоне. Измеренный вакуум в конденсаторе, составляющий 127 мм рт. ст., соответствовал абсолютному давлению 517 мм рт. ст. (для Альбукерка атмосферное давление равнялось 636 мм рт. ст.), что близко к давлению насыщенных паров воды, равному 543 мм рт. ст. при температуре конденсатора 91 °С (фиг. 7).



Для трубы, работающей на чистом спирте, при передаваемой мощности 29,1 вт перепад температур составлял только 4,5 °С. Измеренное давление пара, составлявшее 1,76 ати или 2,64 ата, удовлетворительно согласуется с давлением насыщенного пара метилового спирта, равным 2,6 кг!смг при температуре конденсатора 90,5 °С.

При повышении тепловой нагрузки до 47,5 вт в обеих трубах начал проявляться эффект высыхания испарительной зоны, что объясняется ограниченной способностью фитиля обеспечивать соответствующий приток жидкости. Температура испарительной зоны существенно повышалась, приводя к увеличению перепада температур на тепловой трубе. Таким образом, интервал нагрузок, при которых трубу можно считать изотермической, был относительно узким. Он был несколько шире для тепловой трубы на спирте из-за более высокой по сравнению с водой упругости пара.


Характеристики двухкомпонентных и однокомпонентных тепловых труб различаются между собой [5—7]. Типичные характеристики тепловой трубы, работающей на смеси 50% воды — 50% спирта, приведены на фиг. 5 и 6. Испарительная и конденсаторная зоны являются практически изотермичными, однако в зоне конденсации уровень температуры несколько ниже. Соответствующая разность температур составляла 30 °С (фиг. 5) и 25 °С (фиг. 6) в зависимости от тепловой нагрузки, что значительно выше аналогичных значений для однокомпонентных тепловых труб.

Тот факт, что двухкомпонентной тепловой трубе присуще неравномерное распределение температуры при практически постоянном давлении пара по длине, дает все основания предполагать наличие в ней двух зон, в каждой из которых находится чистый компонент при своей температуре насыщения. На фиг. 8 показана схема работы тепловой трубы, иллюстрирующая разделение смеси на чистые компоненты. Несмотря на то что жидкости находятся в разных зонах (каждая при своей температуре), давления в этих зонах должны быть одинаковыми. При фиксированном давлении компонент, имеющий более высокую температуру насыщения, займет испарительную зону, температура которой выше.


Другая жидкость с более низкой температурой насыщения займет низкотемпературную зону конденсации. Теплопередача в трубе будет осуществляться за счет теплопроводности и массообмена на границе раздела этих зон.

Гипотезу, предполагающую разделение смеси, можно дополнительно проверить, сравнивая экспериментально измеренные температуры на обоих концах трубы с расчетными температурами насыщения чистых компонентов, соответствующими данному давлению. Наблюдаемое совпадение качественно и количественно объясняется выдвинутым предположением.

Для 50%-ного состава смеси при нагрузке 37,5 вт абсолютное давление пара в конденсаторе составляло 1,50 кг/смг. Температура конденсатора равнялась 81 °С, температура испарителя 113 °С. Если предположить, что по длине тепловой трубы давление было постоянным, то из фиг. 7 могут быть взяты температуры насыщения воды и метилового спирта при давлении 1,5 кг/см2 (110 и 73 °С соответственно). Таким образом, измеренная разность температур испарительной и конденсаторной зон (Д/изм = 113—81 = 32 °С) составляет 85% расчетного значения (Драсч = НО—73 = 37 °С). Отсюда можно заключить, что в испарительной зоне находится вода, а в зоне конденсации — метиловый спирт; однако на границе этих зон происходят процессы смешения и взаимной диффузии компонентов. Полученные в данной работе экспериментальные результаты были предсказаны Коттером и Кэтзоффом [5, 6].

Остающееся расхождение между измеренным и теоретическим перепадами температур на тепловой трубе может быть объяснено влиянием нескольких факторов. Во- первых, влияние теплопроводности вдоль стенки и заполненного жидкостью фитиля может давать вклад в наблюдаемое расхождение порядка нескольких градусов. Во-вторых, предположение постоянства давления по длине тепловой трубы является приближенным, поскольку для переноса пара в зону конденсации должен существовать некоторый градиент давления. Таким образом, часть существующего температурного градиента в паре является следствием движущего градиента давления. И в-третьих, вполне вероятно, что разделение рабочей смеси на чистые компоненты является неполным, т. е. вода в испарительной зоне может содержать некоторое количество метилового спирта, а метиловый спирт в зоне конденсации может содержать воду.

Аналогичные результаты получены и при более высоких тепловых нагрузках (47,5 вт). В этой связи интересно сопоставить положение переходной зоны, разделяющей чистые жидкости, для двух уровней нагрузки. Как видно из фиг. 5, для 50%-ного состава смеси тепловой трубы с нагрузкой 37,5 вт средняя точка переходной зоны находится в 200 мм от холодного конца, тогда как при нагрузке 47,5 вт эта точка смещается к отметке 250 мм (фиг. 6). Таким образом, более летучий пар метилового спирта оттесняет водяной пар на 50 мм по направлению к испарителю. Качественно другая картина наблюдалась недавно в вертикальной тепловой трубе, где переходная зона с высоким градиентом температуры оставалась неподвижной и располагалась непосредственно за испарительной зоной [7].

Характеристика тепловых труб с составом смеси 75— 25% выражена менее резко, чем характеристика тепловой трубы с 50%-ным составом. Данные о температурном распределении для трубы, работающей на смеси 25% воды и 75% метилового спирта (фиг. 5 и 6), дают возможность сделать вывод, что вода как компонент с более высокой температурой насыщения оттесняется в испарительную зону. Наблюдаемый перепад температур на тепловой трубе выше нормального перепада, характерного для однокомпонентных тепловых труб. Характеристики тепловых труб, работающих на 75 и 100% метилового спирта, практически совпадают в зоне конденсации и в среднем сечении трубы. Измеренный перепад температур составил 46,3 и 48,6% расчетного перепада, который имел бы место в случае полного разделения смеси. По- видимому, это расхождение может быть объяснено перемешиванием, диффузией и другими процессами в трубе, приводящими к понижению наблюдаемого перепада температур относительно расчетного.

Тепловая труба, работающая на смеси 25% спирта — 75 % воды, обнаруживает своеобразную характеристику. Поле температуры по длине трубы является, как видно из фиг. 5 и 6, нормальным, т. е. с малым градиентом. По-видимому, разделения смеси не происходит, и перепады температур на трубе составляют всего лишь 17,2 и 6,0% расчетного перепада для случая полного разделения. Интенсивность передачи тепла в трубе значительно выше, чем у трубы на чистой воде, особенно при нагрузке 47,5 вт. Кроме того, средняя температура трубы почти на 11 °С выше, чем у трубы, работающей на чистом спирте или чистой воде.

Этому факту можно дать следующее объяснение. При данном соотношении компонентов следует ожидать, что метиловый спирт занимает лишь малую часть секции конденсатора, включая объем полости манометра и соединительных штуцеров. Поскольку вода является преобладающим компонентом и занимает, как было показано выше, испарительный участок, температура запуска трубы определяется ее свойствами. При данной температуре давление пара метилового спирта выше, чем у воды, поэтому вода будет испытывать дополнительное давление. Это дополнительное давление повышает температуру воды; в этих условиях возможен также некоторый перегрев водяного пара. Повышение интенсивности передачи тепла объясняется повышением плотности и энтальпии сжатого водяного пара.

Тепловые трубы: Перевод с английского и немецкого Под редакцией проф., д-ра техн. наук Э. Э. ШПИЛЬРАЙНА.: ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР: Москва 1972

Экспертиза

на главную