ЭКСПЕРИМЕНТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка (фиг. 4.1) для исследования тепловых труб, в которых в качестве теплоносителя используется вода, в основном состоит из трех систем: систем обогрева тепловой трубы, ее охлаждения и температурных измерений. Обогрев осуществляется токами высокой частоты (1 Мгц) при помощи индуктора, образованного цилиндрической обмоткой. Тепловая труба для охлаждения помещена в калориметр, охлаждаемый водой, который одновременно служит опорой для всей установки. Абсолютная температура за пределами зоны нагрева измеряется при помощи термопар, распределение температуры — по периметру и величина перегрева в зоне нагрева — с помощью инфракрасного пирометра. Шесть зеркал позволяют измерять температуры на половине периметра тепловой трубы между витками индуктора. Более подробное описание отдельных измерений дано в разд. 4.4 и 4.5.
КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗЬБОВЫХ КАНАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ
Изготовление резьбы. Резьба нарезается в трубах на токарном станке; при этом выбор соответствующей подачи обеспечивает получение желаемого шага резьбы. Инструмент для нарезания резьбы (фиг. 4.2) представляет собой обычный удлиненный резец для нарезки внутренней резьбы, который проходит через всю трубу. Он зажимается в суппорте. Для центрирования его в трубе служит втулка, надетая на шлифованную цилиндрическую поверхность стержня резца. Наружная поверхность втулки покрыта слоем тефлона. Ее наружный диаметр (вместе со слоем тефлона) точно равен внутреннему диаметру трубы. Втулка сидит на стержне резца с эксцентриситетом ~0,5 мм. Желаемая глубина резьбы устанавливается поворотом втулки на стержне резца. Установленное положение втулки закрепляется резьбовыми штифтами. Этот способ позволяет точно установить расстояние между острием резца и осью трубы. Такая технология создает два преимущества: во-первых, таким образом резец точно и стабильно подается вдоль гладкой внутренней поверхности трубы, во-вторых, удаление стружки не вызывает никаких затруднений.
Изготовленные тепловые трубы имеют внутренний диаметр 12 мм, шаг резьбы 0,2 или 0,3 мм и длину 300 мм. При трубах больших диаметров необходимость в направлении инструмента в трубе может отпасть. Постоянный профиль резьбы может быть получен только при условии, что допуск на внутренний диаметр трубы мал по сравнению с глубиной нарезки. Применяемые глубины лежат в пределах от 0,05 до 0,5 мм. Это значит, что в любом случае для изготовления тепловых труб необходимы заготовки из прецизионных труб.
На фиг. 4.3 показана резьба с углом при вершине 60° и шагом 0,3 мм. На фиг. 6.1—6.4 в разд. 6.1.1 показано, насколько могут быть велики отклонения профиля резьбы, нарезанной с помощью не очень точно шлифованного инструмента в трубах, имеющих допуски на внутренний диаметр, соответствующие обычным торговым трубам.
Изготовление каналов. Для каналов в изготовленных тепловых трубах использовалась сетка 100 меш с отверстиями 0,15 мм в свету из проволоки V2A диаметром 0,11 мм. Соединение обеих сеток производится точечной сваркой в плоском шаблоне. Окончательная форма поперечного сечения каналов (фиг. 4.4) легко придается протягиванием двух протяжек между двумя слоями сеток. При этом стенки каналов образуют своего рода пружину, которая после удаления протяжек вдавливает концы капиллярных перемычек в канавки. Для создания возможности выравнивания давления пара в обоих паровых каналах в случае несимметричного обогрева капиллярные перемычки разрываются в нескольких местах у стенки вне зоны нагрева.
Монтаж и очистка. Каналы ввинчиваются в трубы при помощи специального приспособления. При этом протяжки остаются в каналах. Затем их удаляют и концы каналов закрывают точечной сваркой. В заключение перед заваркой торцевой пробки или штуцера для заполнения трубы подвергаются очистке в ультразвуковой ванне. В разд. 3.6 было разъяснено, насколько важно тщательно дегазировать все детали тепловой трубы. По этой причине перед заполнением труба в сборе должна быть прокалена в вакууме (тепловые трубы на воде из проволоки V2A в течение 5 час при 10_3 мм рт. ст. и температуре 700 °С, тепловые трубы на натрии из сплава Nb — iZr при 10-5 мм рт. ст. при 1200 °С).
ЗАПОЛНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ
Заполнение теплоносителем происходит путем дистилляции в вакууме. Для того чтобы избежать попадания воздуха в тепловую трубу на заключительной стадии заполнения, штуцеры для заполнения изготавливаются из таких металлов, которые позволяют при пережиме осуществить вакуумную плотную холодную сварку; тонкие сварные швы, полученные таким образом, в дальнейшем усиливаются электроннолучевой сваркой в вакууме (фиг. 4.5). Для тепловых труб на воде применяется медь, не содержащая кислорода, для тепловых труб на натрии— сплав Nb —; IZr. Обе использованные установки для дистилляционного заполнения работали при 10~3 мм рт. ст. для воды (фиг. 4.6) и соответственно при 10~5 мм рт. ст. для натрия; перед дистилляцией установки должны быть также тщательно прокалены.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ТРУБЫ И ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА
Измерение распределения источников тепла в зоне нагрева. Для определения распределения источников тепла в стенке тепловой трубы необходимо знать распределение поля в индукторе в аксиальном и азимутальном направлениях. Аксиальное распределение поля измерялось на трубе из проволоки V2A тех же размеров, что и исследуемая тепловая труба; изменения производились при помощи рамки из изолированного высокочастотного кабеля (фиг. 4.7). При этом индуцируемая мощность, приходящаяся на единицу длины трубы, пропорциональна квадрату напряжения, индуцируемого в рамке. Результаты измерений, относящихся к использованному в дальнейшем индуктору № 6, нанесены вместе с расчетными данными на фиг. 4.9. Индуцированную безразмерную тепловую мощность на единицу длины N (г) находят по измеренному напряжению ?/инд. Для этого наносят вдоль координаты г (длины обмотки индуктора), а затем каждое локальное значение Щяд делят на интеграл под кривой N (2) = 1ЛЯд (z)l j Umpdz.
Для измерения распределения в азимутальном направлении использовалась маленькая катушка длиной ~10 мм из высокочастотного кабеля, намотанная на сердечник из тефлона; она центрировалась в индукторе при помощи тефлоновой втулки, не показанной на фигуре. Результаты измерений индуктора № 6 показаны на фиг. 4.8. Индуктор № 6 изготовлен из медной трубки прямоугольного сечения 5 X 3; его внутренний диаметр 22 мм, ширина составляет 13,75 мм. Особенности изготовления этого типа индуктора не позволяют достичь равномерного распределения поля по окружности. Измерение перегрева стенки с помощью зеркал производилось только на половине трубы между точками измерения 1 я 5 (фиг. 4.10). Поэтому для определения тепловой нагрузки поверхности нагрева использовалось значение ?/(,„д. i_5, которое приблизительно на 6% выше среднеинтегрального значения ?/инд (определенная на половине трубы в интервале 1—5 плотность тепловых источников отклоняется на 2—3,5% от среднего значения).
Если тепловая труба расположена эксцентрично относительно оси индуктора, то это оказывает воздействие также и на распределение тепловыделения по окружности. Эксцентриситет 0,3 мм приводит к ошибке приблизительно в 5%, при 0,5 мм ошибка составляет ~10%.
Во время опытов жесткое центрирование было невозможно — ошибка установки составляла от 0,2 до 0,3 мм. На основании этих оценок можно принять, что максимальное отклонение плотности тепловыделения от среднего значения составляет ±8%.
Расчет распределения плотности тепловыделения в зоне нагрева. Рейс и Шрецман разработали теорию для расчета распределения тепловыделения при индукционном обогреве круглого цилиндрического стержня [32]. В соответствии с этой теорией безразмерная мощность на единицу длины N (г) рассчитывается по уравнению
Произведение hNm (bjh) не может быть получено из уравнения (4.1) в квадратурах. Поэтому Рейс и Шрецман интегрировали его численно; результаты приведены в табл. 4.1.
По уравнениям (4.1) и (4.2) с помощью табл. 4.1 вычислены значения N (z) для индуктора № 6 и нанесены вместе с опытными данными на фиг. 4.9. Здесь принято DL = 4 мм (переход к DL =5 мм изменяет ход кривой лишь незначительно). Как видно, теоретическое решение дает для максимальной плотности теплового потока в середине значение, завышенное приблизительно на 20%. Если,однако, принять во внимание точность измерения напряжения на рамке (~3%) и негомогенность индуктора, то сходимость обеих кривых следует признать удовлетворительной. Для определения максимальной теплоюй нагрузки было принято Nmax =0,6, отклонение от измеренных значений составляло при этом около ±4%.
Калориметр. Количество энергии, переданной тепловой трубе индуктором, может быть оценено расчетным путем лишь весьма грубо. Гораздо точнее и удобнее измерять энергию, отдаваемую тепловой трубой. Охлаждаемый водой калориметр состоит из разделенного на две половины медного корпуса (фиг. 4.1), тепловой контакт которого с тепловой трубой может быть изменен за счет затяжки соединительных болтов; длина калориметра 180 мм. Расход охлаждающей воды поддерживается постоянным с помощью датчика разности давления, регулятора PID и электропневматического преобразователя, подающего сигнал на регулирующий вентиль. Путем ряда градуировок оказалось возможным установить постоянный расход охлаждающей воды и поддерживать его с точностью ±0,5%. Приращения температуры охлаждающей воды измерялись двумя термопарами и цифровым вольтметром; точность измерения составляла ±0,1 °К. При нагреве от 5 до 30 °К измеренное таким образом количество тепла, отводимое из калориметра, может быть определено с точностью ~2%. Мощность AN, теряемая тепловой трубой, на участке между зоной нагрева и калориметром вычислялась по уравнению Макадамса для свободной конвекции при постоянной температуре в помещении
Даже если эта величина будет определена с ошибкой 20%, то значение N изменится только на 1%, так как AN/N составляет ~5%. Следовательно, мощность N, индуцируемая индуктором в тепловой трубе, может быть определена с точностью приблизительно ±3%.
Максимальная тепловая нагрузка поверхности нагрева. Максимальная тепловая нагрузка определяется по известным значениям суммарной мощности и распределению тепловыделения в виде
точность измерения может быть оценена в ±10%.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ СТЕНКИ В ЗОНЕ НАГРЕВА
Измерения температуры. Непосредственно измерить температуру на внутренней поверхности стенки с помощью термоэлементов невозможно. Разместить термоэлементы под капиллярной структурой в высшей степени затруднительно, кроме того, они нарушали бы температурное поле. Температуру внутренней стенки можно вычислить, если известна температура наружной поверхности стенки (разд. 4.5.2). Термоэлементы и другие аналогичные датчики температуры в зоне нагрева сами подвергаются неконтролируемому нагреву под действием высокочастотного поля. Поэтому температуры там измеряются инфракрасным пирометром. Тарировка пирометра возобновлялась перед каждым опытом путем сравнения результатов измерения с показаниями термоэлемента между зоной нагрева и калориметром; при этом нужно следить за тем, чтобы коэффициенты черноты по всей внешней поверхности нагрева были одинаковы (одинаковая обработка всей наружной поверхности). Температурная разность АТн измерялась каждый раз по внешней стороне стенки между зонами нагрева и конденсации в шести точках по окружности (фиг. 4.10). Плотность теплового потока в радиальном направлении на участке между зоной нагрева и калориметром очень мала (0,1— 0,2 вт/см2). Поэтому температура внешней поверхности стенки в этой области приравнивалась к температуре внутренней стенки и соответственно к температуре пара.
Расположение зеркал выбиралось таким образом, чтобы длина хода луча во всех измерительных точках была одинакова. Зеркальная оптика пирометра позволяет воспроизвести на фотоэлементе пирометра при длине хода луча 1 м пятно на наружной поверхности тепловой трубы диаметром 1 мм (область измерения температуры). Воспроизводимость измерений температуры в зависимости от ее абсолютного значения была в пределах от ±2 до ±5°К.
Расчет перепада температур в стенке, обусловленного теплопроводностью при нагреве высокочастотной индукцией. При расчете перепада температур в стенке зоны нагрева тепловой трубы при индукционном нагреве решающую роль играет распределение тепловыделения в стенке вдоль радиуса. Если глубина проникновения е электромагнитного поля меньше толщины стенки s, но все. же не настолько чтобы ею можно было пренебречь, приходится рассматривать две отдельные области (фиг. 4.11).
В области ге<г<гнар имеет место и тепловыделение и теплопроводность, в области гвн < г < ге тепловыделением можно пренебречь и считаться только с чистой теплопроводностью. При этих условиях искомый температурный перепад можно записать в виде
для исследованных тепловых труб № 19, 20, 21. Расчет произведен для плотности теплового потока 103 вт/см2 внутренним диаметром 12 мм наружный диаметр во всех случаях 14 мм. Для резьбовых канальных труб № 19 и 20 в качестве гвн принимался внутренний диаметр резьбы (6,25 мм для трубы № 19 и 6,2 мм для трубы № 20). Такой выбор внутреннего диаметра не оказывает влияния на численное значение множителя перед скобками в уравнении (4.9) по той причине, что в условиях передачи тепла чистой теплопроводностью произведение qBHrBH = qr = = const. Тепловая труба № 21 имеет фитиль из пяти слоев сетки 100 меш, гвн равен 6 мм. Если предположить, что принятые значения физических констант точны, то изменение диаметра ±0,05 мм влечет ошибку в определении А Гст в ±3°К (разд. 6.1.1.).
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В ходе экспериментов измеряются следующие величины: 1) расход охлаждающей воды в калориметре; 2) подогрев охлаждающей воды; 3) температура тепловой трубы в зоне конденсации; 4) разность температур ДТН по наружной поверхности между зоной нагрева и зоной конденсации.
При переходе от режима к режиму выходная мощность генератора изменялась ступенчато на определенную величину и каждый раз установка выдерживалась до наступления стационарного режима. Достижение максимальной тепло: ой нагрузки фиксировалось по очень быстрому повышению температуры в зоне нагрева или температурной разности А 7. Она считалась достигнутой тогда, когда на наружной поверхности тепловой трубы появлялось темно-синее пятно. При дальнейшем увеличении количества подводимого тепла пятно быстро достигало цвета красного каления. Передаваемую тепловую нагрузку можно было определять во всех режимах по положению ручного регулятора проградуированного генератора. Тепловые трубы устанавливались приблизительно горизонтально с незначительным наклоном в сторону зоны конденсации с тем, чтобы во всех случаях избежать переполнения трубы в зоне нагрева.
