ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Некоторые особенности тепловых процессов, происходящих в тепловой трубе, усложняют исследование теплообмена в испарительной зоне трубы. Давление и температура в тепловой трубе зависят от количества подводимого тепла, количество жидкости, необходимое для пропитки фитиля, определяется температурой, а наличие неконденсирующихся газов, которые скапливаются в зоне конденсатора, ухудшает эффективность работы конденсатора. Удаление неконденсирующихся газов без уменьшения количества находящейся в тепловой трубе жидкости представляет определенную трудность.
В силу этих причин в опытах использовалась специальная конфигурация тепловой трубы, которую мы будем называть тепловой трубой с регулируемыми условиями окружающей среды. Тепловая труба, работающая по открытому циклу, размещалась в большой стеклянной трубе, заполненной паром от вспомогательного сосуда с рабочей жидкостью для обеспечения постоянства температуры и давления окружающей среды. Для сохранения постоянных условий окружающей среды производилась продувка и конденсация избыточного количества пара.
В опытах, результаты которых излагаются в данной работе, давление поддерживалось равным одной атмосфере, а в качестве рабочей жидкости использовалась вода. Схема тепловой трубы показана на фиг. 1.
Тепловая труба, работающая по открытому циклу, состояла из двух участков: адиабатического и испарительного. Адиабатический участок представлял собой наклонный прямоугольный канал, изготовленный из нержавеющей стали 304, полностью заполненный частицами, образующими фитиль. Для удержания частиц в фитиле один конец канала закрывался сеткой, размер ячеек которой равен размеру частиц. Этот конец канала погружался в объем рабочей жидкости, которая за счет капиллярных сил подтекала к испарительному участку, где она испарялась.
Основание и одна сторона испарительного участка являлись продолжением канала, образующего адиабатический участок. Другая сторона и торец испарительного участка были изготовлены из плоского стекла для проведения визуальных наблюдений процессов, происходящих в фитиле. Верхняя часть фитиля в испарительном участке покрывалась сеткой для предотвращения перемещения частиц под действием сил, вызываемых движением потока пара. Поперечные размеры сечения фитиля этого участка были такими же, как и в адиабатическом участке. Конструкция опорного узла позволяла менять угол наклона трубы (от —3° до + 45°) по отношению к горизонтальной плоскости. Таким образом, влияние гравитационных сил на режим работы тепловой трубы можно было изучать путем изменения угла наклона. Кроме того, конструкция установки позволяла легко производить замену шариков и заполнение жидкостью фитиля между опытами. Тепловой поток подводился к испарительному участку с помощью четырех нагревателей, вставленных в медный блок, который непосредственно крепился к основанию канала. Каждый нагреватель имел мощность 300 вт при напряжении на входе 120 в.
Измерение расхода рабочей жидкости через фитиль производилось с помощью протарированного дифференциального датчика давления, работающего в узком диапазоне перепадов давлений (от 0 до 51 мм вод. ст.), сигнал от которого подавался к пневматическому самописцу. Датчик подключался к двум отборам давления, расположенным на расстоянии 305 мм друг от друга на одной стенке адиабатического участка тепловой трубы.
Измерение температур производилось с помощью медь-константановых термопар, которые устанавливались в трех точках испарительного участка, в одной точке адиабатического участка и четырех точках обогреваемого блока. Расположение термопар в обогреваемом блоке и испарительном участке показано на фиг. 1. Термопары в фитиле были установлены на расстоянии 6,35 мм от поверхности нагрева, выполненной из нержавеющей стали. Термопары в обогреваемом блоке были расположены на расстоянии 1,6 мм ниже поверхности раздела нержавеющая сталь — медный блок Э. д. с. термопар непрерывно записывалась многоточечным самописцем, а также измерялась в стационарных условиях с помощью прецизионного потенциометра.
Расход воды через адиабатический участок тепловой трубы и соответственно скорость испарения определялись по методу, описанному выше. Тарировочная кривая этой системы показана на фиг. 2. Приведенная на фиг. 2 кривая соответствует уравнению Дарси в виде
Тепловой поток на обогреваемой поверхности измерялся двумя независимыми способами путем измерения мощности, подводимой к нагревателям, и измерения расхода испарившейся жидкости.
Приведенное на фиг. 3 сопоставление результатов показывает, что тепловые потери в опытах составляли п<8%. Поскольку для всех измерений потери тепла оказались одинаковыми, значения тепловых потоков определялись на основе измерения расхода жидкости. В опытах в диапазоне тепловых потоков ниже критического все четыре термопары, установленные в обогревающем блоке, показывали одинаковые температуры, что свидетельствовало о равномерности теплового потока на поверхности нагрева. Температуры на поверхности определялись по уравнению теплопроводности на основе известных физических свойств материалов греющего блока и пластины из нержавеющей стали, а также измеренного теплового потока. Контактное термическое сопротивление между обогреваемым блоком и поверхностью пластины не учитывалось. Все термопары тарировались по месту.
Температура фитиля в обоих участках тепловой трубы оставалась постоянной и равной температуре насыщения до тех пор, пока увеличение подводимой мощности не приводило к внезапному возрастанию показаний термопары, установленной на расстоянии 12,7 мм от верхнего конца испарительного участка. Такое резкое увеличение температуры соответствовало достижению критического теплового потока. Четыре термопары, установленные в обогревающем блоке, показали аналогичные результаты.
Для изготовления фитилей использовались частицы из монеля и стекла. Эти частицы, имеющие форму, близкую к сферической, тщательно сортировались с помощью сит с различными размерами ячеек. Каждой группе отсортированных частиц приписывался размер, соответствующий среднему размеру отверстий сита. Физические свойства и геометрические размеры материалов, использо%? ванных для изготовления фитиля, приведены в табл. 1.
Частицы тщательно очищали от всех поверхностных загрязнений. Частицы из монеля несколько раз промывали в толуоле и ацетоне, а затем погружали в метиловый спирт для окончательной очистки от загрязнений. Кроме того, частицы в течение часа кипятили в двух различных сосудах с дистиллированной водой. Частицы из стекла промывали приблизительно в течение часа в теплом (70 °С) моющем растворе. Затем эти частицы кипятили в дистиллированной воде так же, как и частицы из монеля.
Пористость, проницаемость и высоту равновесного капиллярного поднятия жидкости измеряли по методу, описанному в работах [4, 5]. Результаты приведены на Фиг- 4 и 5. На фиг. 4 приведен также расчет, проницаемости по уравнению Блейк — Козены, преобразованному Бёрдом, Стюартом и Лайтфутом [2],
