Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ НА НАТРИИ И ВОДЕ

На величину теплопереноса в тепловых трубах накладываются следующие пять ограничений: максимальный осевой перенос; максимальная радиальная плотность теплового потока (нагрузка поверхности нагрева); достижение скорости звука паровым потоком в конце зоны нагрева; унос капель жидкости из капиллярной структуры встречным потоком пара; растворимость материалов структуры капилляров и стенки трубы в теплоносителе. Целью исследований было изучение первых двух из указанных ограничений по переносу тепла в тепловых трубах на натрии и воде, стенки которых изготовлены из сплава V2A. В последние годы опубликован ряд работ по методам расчета осевого переноса в тепловой трубе, результаты которых в большей или меньшей степени согласуются с опытом. Напротив, расчет максимальной тепловой нагрузки представляет значительные затруднения и поэтому ее необходимо определять на основе экспериментальных исследований. В работе [1] изучался процесс кипения в заполненных жидкостью капиллярных структурах.

В настоящем исследовании определялась зависимость максимальной тепловой нагрузки в тепловой трубе от геометрии капилляров с целью получения представлений о механизме кипения. Одновременно изучались значения осевого переноса тепла, и эти значения сравнивались с расчетными. Исследования проведены главным образом с тепловыми трубами на воде (400—500 °К), которые по сравнению с натриевыми тепловыми трубами (800—1200 °К) находят широкое применение и характеризуются низкой стоимостью. Кроме того, изучение теплообмена в тепловой трубе на воде предпочтительнее, поскольку зависимость максимальной тепловой нагрузки от геометрии капилляров проявляется сильнее, чем в случае жидких металлов. Опыты проводились с тепловой трубой, установленной горизонтально и обогреваемой индукционным методом с помощью генератора высокой частоты (1 Мгц). Подводимая мощность определялась калориметрическим способом. В натриевой тепловой трубе отвод тепла осуществлялся за счет излучения через вакуумную полость кварцевой трубы к зачерненной медной рубашке охлаждения. В тепловых трубах на воде тепло передавалось непосредственно медной охлаждающей рубашке через слой изоляции с высокой теплопроводностью, находящейся в хорошем тепловом контакте со стенкой трубы.

Температура поверхности тепловой трубы измерялась нихромникелевыми термопарами и пирометрами. Перепад температур от стенки тепловой трубы до парового пространства рассчитывался по радиальной плотности теплового потока и по известным физическим свойствам материалов. Результаты измерения радиальной плотности теплового потока q в зависимости от температуры Т для тепловой трубы на натрии первого поколения (тепловая труба ТТ9, фитиль состоит из трех слоев сетки, имеющей 625 отверстий на 1 см2) и для второго поколения с кольцевой щелью (ТТ12, щель толщиной 1 мм и с сеткой, имеющей 17 ООО отверстий на 1 см2), показаны на фиг. 1. Тепловая труба ТТ12 изображена на фиг. 2.2 и 2.3, стр. 38,39. В качестве параметра в опытах изменялись условия охлаждения путем излучения. При неизменном радиальном тепловом потоке q в случае ухудшения условий охлаждения температура тепловой трубы возрастает. Пунктирной кривой соединены точки, соответствующие максимальным тепловым нагрузкам для тепловой трубы (ТТ9).

При использовании натрия и других жидких металлов в качестве теплоносителей тепловых труб выяснилось, что труба с кольцевой щелью допускает значительно большие тепловые потоки, чем тепловые трубы первого поколения. Это обусловлено высокой теплопроводностью жидких металлов (~56 впг/м-°К для натрия) и большим перегревом (50—100 °К для натрия), необходимым для образования пузырей. В случае использования низкотемпературных теплоносителей из-за малой теплопроводности (для воды ~ 0,65 вт/м-0К) в кольцевой щели возникает достаточно большой температурный перепад. Образование пузырей происходит при небольшом перегреве (5—10 °К), что приводит к пережогу трубы. При этом существенно, что при образовании одного-единственного пузыря капиллярное действие в очень тонких каналах срывается и перенос жидкости в зону нагрева прекращается.



На основе обследования большого числа различных конструкций было найдено конструктивное решение (труба с резьбой и артериями дана на фиг. 2 и на фиг. 2.5 на стр. 41), которое обеспечивает тепловую нагрузку, в 4—8 раз большую, чем при использовании тепловых труб, в которых фитиль выполнен в виде кольцевой щели или сетки.


Измеренная максимальная тепловая нагрузка для тепловой трубы на воде в зависимости от температуры показана на фиг. 3. Для сравнения приведены результаты опытов для тепловой трубы, фитиль которой состоит из сетки. Выполненные эксперименты позволяют заключить, что с такими тепловыми трубами можно получить еще большие тепловые потоки.

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

Экспертиза

на главную