ПРОБЛЕМА ЗАМОРАЖИВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ
Для выбранной рабочей жидкости рабочий диапазон тепловой трубы ограничен полосой между точкой замерзания жидкости и ее критической температурой. В большинстве тепловых труб диапазон рабочих температур лежит значительно ниже критической температуры. В то же время возможность замерзания рабочей жидкости в тепловой трубе представляет вполне реальную проблему.
При проектировании тепловой трубы, безусловно, желательно выбрать такую рабочую жидкость, у которой точка замерзания была бы заведомо ниже предполагаемой рабочей температуры. Однако может оказаться, что это требование все же будет трудно удовлетворить. Если говорить о применении тепловых труб в космическом скафандре, то выбор рабочей жидкости (воды) диктуется как соображениями безопасности, так и достижимыми эксплуатационными характеристиками. В других случаях, даже если требования безопасности будут менее жесткими, стремление обеспечить высокую тепловую эффективность устройства может склонить чашу весов в пользу рабочей жидкости, точка замерзания которой будет выше минимальной возможной рабочей температуры.
Эффективными рабочими жидкостями будут те, которые сочетают высокую теплоту испарения, высокие поверхностное натяжение и плотность с низкой вязкостью [12]. Оценка с этих позиций рабочих жидкостей для тепловых труб показывает, что металлы с /Низкой точкой плавления (натрий, калий и т. п.) и вода стоят во главе списка, тогда как аммиак, спирты и фреоны значительно менее эффективны, т. е. более эффективны- ми оказываются рабочие жидкости со сравнительно высокими значениями точки замерзания.
Рабочая температура в тепловой трубе зависит от плотности подводимого и отводимого тепловых потоков.
В стационарных условиях количество подводимого тепла должно быть равно количеству отводимого тепла. Температура пара в большинстве тепловых труб приблизительно постоянна. Величина подводимого и отводимого тепловых потоков зависит от термических сопротивлений между источником тепла и паром и соответственно между паром и стоком тепла. Эти сопротивления практически постоянны. Поэтому тепловые потоки и температура пара будут изменяться при изменении температуры стока и (или) температуры источника тепла.
Тепловая труба может работать при температуре, лежащей между сравнительно высокой температурой источника тепла и температурой стока тепла, которая ниже температуры замерзания рабочей жидкости. При этом рабочая температура трубы за счет подвода тепла от источника будет поддерживаться на уровне, заметно превышающем точку замерзания. Роль источников тепла могут выполнять элементы оборудования, выделяющие тепло, температура которых регулируется тепловой трубой; выделяемое тепло отводится в космическое пространство излучением. Если оборудование будет временно отключено, то его температура понизится, к тепловой трубе перестанет поступать тепло и ее температура приблизится к температуре стока тепла. Рабочая жидкость в этом случае замерзнет, и передача тепла в процессе ее испарения-конденсации прекратится. Последнее обстоятельство само по себе не вызывает неприятностей, поскольку в оборудовании совсем не выделяется тепла. Более того, замерзание рабочей жидкости фактически предотвратит чрезмерное понижение температуры оборудования.
Если по прошествии этого периода с нулевым выделением мощности тепло вновь начинает выделяться,то тепловая труба окажется неспособной к немедленному возобновлению передачи тепла.
Низкая температура в конденсаторе тепловой трубы приводит к снижению давления пара. В свою очередь это обусловливает дальнейшее испарение рабочей жидкости в испарителе. Пар перетекает в холодную зону тепловой трубы (конденсатор), конденсируется там и замерзает или сублимируется. По мере того как рабочая жидкость будет собираться и замерзать, фитиль в области испарения высохнет.
При таком начальном состоянии увеличение подвода тепла к испарителю не может заставить тепловую трубу вновь функционировать. Перед запуском тепловой трубы, для того чтобы расплавить замерзшую рабочую жидкость, требуется поднять температуру в конденсаторе и заставить фитиль перекачать жидкость в испаритель. Однако в испарителе отсутствует какое- либо количество жидкости, которое обеспечило бы передачу тепла к конденсатору и расплавление затвердевшей рабочей жидкости. На фиг. 16 показано изменение во времени температуры вдоль «замерзшей» тепловой трубы трубчатого типа длиной 60 см, изготовленной из нержавеющей стали и использующей в качестве рабочей жидкости воду. В момент времени «нуль» подвод тепла в зону испарения увеличится. Из графика видно, что температура в испарителе возросла за 11 мин почти до 200 °С, тогда как температура в конденсаторе заметно не изменилась и осталась равной температуре замерзания воды.
Было сделано заключение, что необходимо предотвращать замерзание тепловой трубы, в противном случае повторный запуск замерзшей трубы в приемлемо короткий промежуток времени после возобновления подвода тепла к испарителю окажется невозможным.
Во многих практических конструкциях для предотвращения замерзания воды в нее добавлялись вещества, понижающие точку замерзания. Антифризные добавки, включающие спирты и этиленгликоль, обычно используются в автомобилях. Однако, если говорить о тепловых трубах, в них рабочая жидкость претерпевает фазовый переход; в этих условиях возможность применения смесей оказывается проблематичной.
Пусть рабочая жидкость представляет собой смесь метилового спирта и воды, тогда более высокое давление паров метилового спирта обусловит фракционную возгонку смеси при испарении. Паровая фаза будет представлять смесь паров компонентов, отношение концентраций которых равно отношению давлений насыщения двух компонентов при температуре смеси. Доля паров метилового спирта, обладающих более высокой упругостью, будет выше. Напротив, в жидкой фазе, наполняющей фитиль, основным компонентом будет вода, т. е. мы будем иметь дело с тепловой трубой, в которой перенос тепла будет осуществляться в основном метиловым спиртом, не являющимся достаточно эффективной рабочей жидкостью. Фитиль же будет заполнен жидкостью с относительно большим содержанием воды, которая будет замерзать при низких температурах, делая фитиль непригодным для перекачки вообще какой-либо жидкости.
Положение изменится, если снижение точки замерзания будет достигнуто путем добавки жидкости, образующей с водой азеотропный раствор. Концентрация таких добавок будет постоянной в жидкой и паровой фазах, т. е. смесь будет по существу работать как одна жидкость.
Были предприняты поиски сведений о жидкостях, кривые упругости которых были бы близки к кривой упругости водяных паров. В результате обнаружилось, что кривая упругости паров нормального пропилового спирта (пропанола-1) почти идентична кривой упругости паров воды при температурах выше ее точки замерзания, и в то же время точка замерзания этого спирта равна —127 °С. В результате было начато исследование эффективности использования пропилового спирта в качестве вещества, снижающего точку замерзания воды. В опубликованной литературе имеется лишь одно указание [7], что смесь воды и 32,5% пропилового спирта имеет точку замерзания —10,5 °С. Для определения перспективности этой смеси было необходимо расширить имеющиеся сведения о точке плавления смеси, а также уточнить, существует ли эвтектическая смесь. Для простоты измерялась точка плавления, а не точка замерзания. Была разработана простая экспериментальная установка. Эта установка и методика исследования описаны в работе [6].
На фиг. 17 приведена кривая зависимости температуры замерзания смесей воды и пропанола-1 от состава смеси. Каких-либо указаний на существование эвтектического состава смеси обнаружено не было. Температура замерзания снижалась незначительно, пока массовое содержание пропанола-1 не достигало примерно 90%, т. е. пропанол-1 не является эффективным в плане снижения точки замерзания воды до низких температур. Его применимость ограничивается, по-видимому, —10 °С.
Поиски упоминания о других жидкостях с требуемой кривой упругости паров не обнаружили каких-либо агентов, обещающих существенное снижение точки замерзания воды. В другом подходе к решению этой проблемы не делается попытки предотвратить замерзание.
Как указывалось выше, тепловая труба после замерзания не может быть вновь быстро запущена в работу, потому что вся рабочая жидкость в горячей зоне трубы испарилась, а пар сконденсировался и замерз в холодной зоне. Если увеличить подвод тепла в горячей зоне, то передачу тепла к замерзшей рабочей жидкости можно осуществить только за счет теплопроводности по фитилю и корпусу тепловой трубы. Но, как видно из данных фиг. 16, этого явно недостаточно.
Однако тепловые трубы представляют собой устройства, обладающие способностью к передаче больших плотностей теплового потока. Пусть в качестве рабочей жидкости, обеспечивающей высокую интенсивность передачи тепла, для тепловой трубы выбраны вода или металл. В этом случае можно дополнительно установить вспомогательную тепловую трубу с менее эффективной с точки зрения переноса тепла рабочей жидкостью, но имеющей более низкую точку замерзания. Мощность этой трубы должна быть достаточна для передачи нужного количества тепла от испарителя к конденсатору с тем, чтобы обеспечить повторный запуск замерзшей основной трубы в приемлемые сроки.
Вспомогательная тепловая труба должна находиться 1 в хорошем тепловом контакте с основной тепловой трубой. Вспомогательную трубу устанавливают внутри основной тепловой трубы, иона непосредственно соприкасается с фитилем по всей его длине. Основная тепловая труба, использующая эффективную рабочую жидкость, рассчитывается на перенос основной доли тепла. Во вспомогательной тепловой трубе используется рабочая жидкость с низкой точкой замерзания, и хотя ее тепловая мощность весьма ограничена, тем не менее ее будет достаточно для передачи нужного количества тепла к конденсатору, чтобы обеспечить расплавление замерзшей рабочей жидкости основной трубы при увеличении подвода тепла к испарителю.
Для демонстрации осуществимости вышеуказанной идеи была создана специальная многоцелевая установка для испытаний тепловых труб, показанная на фиг. 1.8. Она состояла из стеклянной трубы, внутри которой размещались фитиль и плата, на которой он укреплялся. Плата была снабжена с одного конца электрическим нагревателем сопротивления, выполнявшим роль источника тепла, а с другой — теплообменником, через который могла циркулировать охлаждающая жидкость; теплообменник служил стоком тепла. На поверхности фитиля были установлены термопары (ТП). В качестве вспомогательной использовалась тепловая труба с метиловым спиртом в качестве рабочей жидкости. Вспомогательная тепловая труба была изготовлена, из трубки нержавеющей стали диаметром 12,7 мм. Фитиль образовывали два слоя сетки из нержавеющей стали размером 105 меш.
Были проведены два одинаковых опыта с водой в качестве первичной рабочей жидкости. В одном из этих опытов к верхней части фитиля, перекачивающего воду, была прикреплена вспомогательная тепловая труба. Во втором опыте вспомогательная тепловая труба не использовалась.
Во время опытов через теплообменник (сток тепла) циркулировала охлаждающая жидкость с температурой ниже точки замерзания рабочей жидкости основной трубы; к электрическому нагревателю сопротивления подводилась мощность 2 вт. Тепловая труба работала до тех пор, пока не появлялся большой перепад температур между испарителем и конденсатором. Это указывало на то, что тепловая труба замерзла, и рабочая жидкость, как ожидалось, собралась на холодном конце устройства. После этого прокачка охлаждающей жидкости прекращалась, а подводимая к тепловой трубе мощность увеличивалась до 15 вт. На фиг. 19 и 20 представлены графики изменения температуры во времени в этих двух опытах при наличии и отсутствии вспомогательной тепловой трубы. Из приведенных данных видно, что вспомогательная тепловая труба существенно ускоряла повторный запуск устройства после его замерзания.
Как уже отмечалось выше, основная тепловая труба в этом опыте представляла собой «многоцелевую конструкцию», не предназначенную специально для данного эксперимента. Вспомогательная тепловая труба также не проектировалась специально для обеспечения передачи тепла в холодную зону наилучшим образом. Однако проведенный эксперимент показал практическую возможность использования этой идеи для повторного запуска замороженных тепловых труб. Поэтому целесообразны дальнейшие исследования в этой области.
