ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
МАКСИМАЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАГРУЗКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА В ТЕПЛОВЫХ ТРУБАХ № 19, 20, 21
Размеры исследованных тепловых труб приведены в табл. 5.1. Во всех трех трубах в качестве теплоносителя использовалась вода; стенки и сетки изготовлены из стали V2A (18/9).
Поскольку в трубах № 19 и 20 допуск на диаметр труб был большим, глубина нарезки в этих трубах изменялась довольно заметно как по окружности, так и по длине. Желаемую ферму профиля нарезки не удалось получить (разд. 6.1.1) вследствие того, что резцы были прошлифованы не очень точно. Поэтому для обоих концов труб 1 и 2 следовало ожидать различной величины максимальной тепловой нагрузки.
Во время экспериментов каналы располагались и вертикально, но чаще горизонтально, как на фиг. 4.4. В обоих случаях высыхание в зоне нагрева происходило почти точно между капиллярными перегородками при горизонтальном расположении каналов вверху и внизу. Это определялось по охватывающему очень ограниченную площадь изменению цвета наружной поверхности тепловой трубы. Различие в максимальной тепловой нагрузке при разном взаимном расположении каналов не выходило за пределы точности измерений ±10%; следовательно, направление силы тяжести не оказывало заметного влияния на максимальную тепловую нагрузку. Результаты экспериментов даны на фиг. 5.1. На основе их анализа можно прийти к следующим заключениям (сравнение с расчетами и результатами других авторов приводится в разд. 6.2):
1. Плотности тепловых потоков настолько велики, что ни теплопроводность, ни испарение не в состоянии их обеспечить (табл. 3.2). Сетки в тепловой трубе № 21 не спечены ни между собой, ни со стенкой; поэтому не приходится ожидать существенного улучшения теплопроводности в фитиле замечает части объема, заполненной металлом.
2. Характер кривых а, b, с, d на фиг. 5.1, построенных для резьбовых канальных тепловых труб № 19 и 20, принципиально отличается от кривой для сетчатой тепловой трубы № 21. Это свидетельствует о том, что используются два различных механизма теплопередачи. Максимумы кривых 19/1—20/2 лежат в диапазоне температур 420—450 °К, что и следовало ожидать для воды в соответствии с уравнением (3.23) (фиг. 3.12). Этот максимум объясняется только зависимостью физических констант от температуры; следовательно, можно с большей вероятностью предположить, что причиной высыхания капилляров был разрыв потока жидкости в азимутальном направлении вследствие трения жидкости, а не образование пузырей. Напротив, характер кривой трубы № 21 соответствует результатам, полученным для кипения в большом объеме [351 (фиг. 6.8). Возрастание температуры насыщенного пара способствует распространению пузырей вплоть до свободной поверхности жидкости (табл. 3.3). Поэте му можно предположить влияние механизма кипения.
3. В резьбовых канальных тепловых трубах могут быть достигнуты большие тепловые нагрузки поверхности 7—396 нагрева даже с теплоносителями, имеющими плохую теплопроводность и низкую температуру перегрева.
4. При одинаковой кривизне менисков, т. е. при Р gh Y cos б cos a/s0 [уравнение (3.37), фаг. 3.15], максимальная тепловая нагрузка не зависит от направления силы тяжести по отношению к тепловому потоку. Опыты на тепловой трубе № 21 отчетливо показали, что гораздо большее влияние на максимальную тепловую нагрузку оказывают небольшие отклонения геометрических размеров фитиля. При этом вращением тепловой трубы в обмотке индуктора можно было сместить пятно пережога в любую точку. Она находилась, по-видимому, на стыке между первым и вторым слоями сетки у стенки. Несмотря на местные перегревы до красного каления, часто оказывалось возможным продолжать стационарный режим работы тепловой трубы. Эго позволяет предположить, что в зоне нагрева устанавливалось пленочное кипение.
На фиг. 5.2 приведен фотоснимок тепловой трубы, полученный при помощи шести зеркал. Перегрев между витками индуктора виден в трех нижних зеркалах, максимум заметен в пятом зеркале сверху. Так как необходимое время экспозиции составляет приблизительно 10 сек, перегрев успевает охватить уже более Vi окружности.
ПЕРЕГРЕВ СТЕНКИ
Превышение температуры стенки над температурой насыщения ДГ-Ж определяют по измеренной температурной разности по внешней поверхности между зонами нагрева и конденсации АТН с учетом расчетного перепада температур в стенке ДГСТ:
Результаты определения ДТж могут быть признаны достоверными только при использовании среднестатистических значений, так как расчет ДГСТ весьма ненадежен. Для пояснения ниже приводится пример.
При тепловой нагрузке 91,6 вт/см2 на тепловой трубе № 19/2 величина АГн составляла от 35 до 51 ± 3 °К. Перепад ДТСТ, рассчитанный по уравнению (4.9), равнялся (27,5 ± 3) ± 10% =22-4- 33,5 °К. Возможная ошибка в скобках вводится на изменение толщины стенки до 0,05 мм, дальнейшие 10% учитывают неточность определения плотности теплового потока, вызванную распределением тепловыделения в стенке и эксцентричным положением тепловой трубы относительно индуктора. В результате находим Д Тж =(7,5 -4- 23,5) ± 11,5 °К. Поэтому тепловые трубы многократно монтировались и демонтировались, сдвигались в осевом направлении и поворачивались вокруг оси. Таким образом, были получены средние значения, что позволяет уменьшить ошибки вследствие неточности измерений, отклонений в толщине стенки и эксцентриситета; влияние неоднородности электромагнитного поля, показанное на фиг. 4.8, исключить не удается.
Средние значения ДТж по окружности резьбовых канальных труб, полученные на основе результатов 40 опытов, приведены на фиг. 5.3. Во всех экспериментах перегрев в точке 1 (вверху) был наименьшим. Из сравнения кривых, приведенных на фиг. 5.3 и 4.8, видно, что они имеют аналогичный характер. Следует напомнить, что кривая на фиг. 4.8 получена только]по результатам интегральных измерений по длине индуктора. Поэтому ход кривой на фиг. 5.3, во всяком случае, нельзя объяснить влиянием силы тяжести. Среднее для всех точек измерения значение составляет АТж = 10,5 °К. Ни в опытах с резьбовыми канальными тепловыми трубами № 19 и 20, ни с сетчатой тепловой трубой № 21 не была обнаружена зависимость перегрева стенки от тепловой нагрузки q или температуры насыщения Тнас. Но все же здесь, так же как и в разд. 5.1 для тепловой трубки № 21, наблюдалось влияние дефекта в фитиле. Если измерения производились в той точке, в которой позже наступал пережог, то перегрев в точке измерения 1 (вверху) при нагрузке 20— 50 вт/см2 составлял около 30 ± 3 °К; если же измерения производились в другой точке наверху, перегрев составлял всего 10+3 °К. Таким способом опасная точка могла быть найдена еще до наступления пережога.
Несмотря на недостаточную точность измерений, низкие значения измеренных перегревов позволяют сделать следующие заключения. В резьбовых канальных трубах теплопередача может осуществляться только за счет пузырькового кипения, как показано на фиг. 3.8. В сетчатой тепловой трубе № 21 должно происходить пузырьковое кипение, аналогичное изображенному на фиг. 3.5. Эти результаты подтверждают, что (как уже было сказано ранее) теплопередача путем теплопроводности и испарения или пленочного кипения не может быть определяющей. Для исследованных капиллярных структур средний перегрев стенки при тепловых нагрузках до 100 вт/см2 можно считать равным 10 + 5 °К (перегревы стенки при больших плотностях теплового потока не измерялись).
ВОЗМУЩЕНИЯ
В некоторых опытах на резьбовых канальных тепловых трубах № 19 и 20 наблюдались высокие кратковременные повышения температуры в зоне нагрева между капиллярными перемычками. Причины их возникновения установить не удалось, однако они все же заслуживают упоминания вследствие их величины. Абсолютное значение А Т увеличивалось с ростом тепловой нагрузки так же, как и время т между двумя максимумами, в то время как длительность отдельного возмущения i становилась все короче. Эти возмущения исчезли только при дальнейшем повышении мощности. Некоторые данные из одного опыта с тепловой трубой № 19/2 приведены в табл. 5.2.
Запись показаний пирометра воспроизведена на фиг. 5.4. Величина кратковременных повышений температуры могла быть оценена только путем экстраполяции тарировсчной кривой пирометра, так как тарировка проводилась только до 500 °К.
Возмущения всегда появлялись при тепловых нагрузках, которые существенно меньше максимальных (фиг. 5.1), и затем исчезали полностью и внезапно (фиг. 5.4). Они могут означать только кратковременное высыхание зоны нагрева; каким образом, однако, капилляры могут снова наполняться, остается непонятным до сих пор. Какое-либо влияние возмущений на температуру за пределами зоны нагрева при этом установлено не было.
