Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


РАЗВИТИЕ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

В ходе развития тепловых труб внимание концентрировалось на решении двух задач: на достижении оптимальной геометрии и длительного ресурса работы. Стоимость изготовления стала учитываться только после перехода к изготовлению крупных серий. Наряду с большим количеством экспериментальных исследований имеются многочисленные теоретические работы, в которых рассматривается расчет процессов переноса с точки зрения выбора оптимальных размеров проходных сечений как парового и жидкостного потоков, так и капилляров [6]. В качестве отправного пункта такого рассмотрения может быть принята теория Готтера 17]. Для достижения длительного ресурса решающее значение имеет совместимость теплоносителя с материалами стенки и фитиля. Это значит, что в области температур выше 1600 К на первый план выступает проблема материалов [4, 8—11]. При изготовлении тепловых труб все же не всегда могут быть выдержаны оптимальные размеры, рекомендуемые теорией; часто технологические трудности ограничивают возможности получения желательных размеров. Поэтому ниже будет приведен краткий обзор осуществленных конструктивных решений для реализации пригодных капиллярных структур.

Наиболее простые и дешевые фитили изготовляются из металлических или текстильных тканей, которые каким- либо образом укрепляются на стенках тепловых труб. В случае круглого поперечного сечения для фиксации фитиля на стенке зачастую оказывается достаточно сил упругости металлической сетки 13—5, 12, 131. Однако опасность хотя бы незначительного отставания от стенки имеется, в особенности при высоких температурах по мере исчезновения сил упругости. Этого следует избегать, так как в зоне нагрева могут образоваться большие пузыри (см.фиг. 3.5). Поэтому для прижатия сеток употребляются оперные решетки [6, 14—161 (фиг. 2.1), либо же сетки спекаются со стенкой или припаиваются к ней [5, 17]. В качестве фитилей также могут применяться засыпные или спеченные пористые насадки из зерен или порошка [1, 5, 8, 131. Трудностей, связанных с нарушением механической стабильности фитилей, не возникает, если капилляры выполняются в виде продольных открытых канавок R стенках трубы. Такие трубы с канавками либо изготовляют путем нанесения канавок в готовой трубе, либо их сваривают из листового материала с предварительно нанесенными в нем канавками [8, 9, 15, 18—20].


Для всех фитилей из сеток, канавок, зерновых насадок и аналогичных капиллярных структур максимальная капиллярная разность давления прямо связана с перепадом давления в потоке жидкости. Мелкие поры или соответственно узкие канавки обеспечивают высокие капиллярные разности давления, но при этом одновременно требуются большие перепады давления для возвратного течения жидкости. Поэтому существует оптимальный диаметр капилляра, который может быть рассчитан. Иначе обстоит дело в случае, когда жидкость течет в каналах, в которых мелкие поры имеются только настенках: падение давления в жидкости является при этом функцией площади поперечного сечения канала, а максимальный капиллярный напор — функцией размера пор и не зависит от площади поперечного сечения канала. Эти так называемые канальные тепловые трубы, или тепловые трубы второго поколения, обеспечивают потоки тепла в осевом направлении во много раз большие, нежели тепловые трубы первого поколения с сетками или канавками 16].


Для реализации каналов имеются различные возможности. Кольцевые щелевые артериальные тепловые трубы [6, 8, 10, 13, 17] имеют трубу из сетки или перфорированной жести, расположенную концентрично в трубе с небольшим кольцевым зазором. Весьма удачное решение нашли Гровер, Кемме и Кедди [10]. Между концами тепловой трубы они свободно натянули шланг из мелкоячеистой сетки с размером ячеек меньше 10 мкм, при этом расстояние до стенки составляло только 0,15 мм. На фиг. 2.2 и 2.3 показана такая тепловая труба с перфорированной опорной втулкой, на которую наложена сетка 330 меш, и с кольцевой щелью шириной 1 мм. Применение этого конструктивного принципа создает возможность передачи очень больших осевых потоков тепла [10], но этот принцип непригоден в случае, когда имеют место большие радиальные тепловые нагрузки теплопередающей поверхности (разц. 3.7.2).


В канальных тепловых трубах с канавками фитиль образован относительно большими канавками в стенке, прикрытыми мелкой сеткой [II, 19, 211. Трудности все же возникают при обеспечении контатка сетки с ребрами между канавками. По этой причине прибегают либо к протягиванию через трубу конических оправок, либо к приковыванию сеток. Кроме того, можно спекать сетки с плоскими полосами, с нанесенными на них канавками и затем сваривать из них трубы или камеры. В канальных тепловых трубах с сетками по Кацову каналы образуются карманами в сетке, которая спечена со стенкой или припаяна к ней (фиг. 2.4). Кацов исходил из наименьшей возможной толщины слоя на стенке и больших поперечных сечений потока жидкости, которые необходимы в случае применения теплоносителей с малыми теплопроводностью и теплотой испарения и низкой температурой перегрева (разд. 3.7). Если стенки паровых камер плоские, а температуры не слишком высокие, то сетки и каналы могут быть припаяны к стенке. При высоких температурах возникает проблема совместимости припоя с теплоносителем и материалом стенки или соответственно фитиля; спекание также нелегко осуществить из-за необходимости обеспечить потребное давление прижатия. Большие технологические трудности всегда возникают при изготовлении тепловых труб круглого сечения малых размеров. Кроме того, при осуществлении этого конструктивного принципа возникает необходимость в дополнительной капиллярной перемычке между стенкой и каналом для предотвращения образования пузырей в последнем (см. фиг. 3.7).


Выход из некоторых, перечисленных здесь трудностей дает предложенный автором новый конструктивный принцип — резьбовые канальные тепловые трубы [22]. На фиг. 2.5 показан образец такой конструкции с шагом резьбы 0,3 мм и двумя каналами из сетки 100 меш. Перетекание жидкости в осевом направлении в этих трубах осуществляется в каналах с большой площадью поперечного сечения, в то время как для сбора и соответственно распределения жидкости на периферии служат канавки, которые в случае круглого поперечного сечения наносятся на стенку в виде резьбы. Капиллярные перегородки между каналами и стенками выполняют важную роль: они препятствуют распространению в каналы пузырей, образующихся на стенке.


Преимущества этой конструкции заключаются в простоте изготовления и возможности получения высоких тепловых нагрузок (разд. 3.7.3, 4.2 и 5.1). Трубка с резьой и каналы могут быть изготовлены отдельно и соединены достаточно прочномеханическим путем без сварки, пайки или спекания. Недостаток же по сравнению с канальными тепловыми трубами, имеющими только сетчатую папиллярную структуру, состоит в том, что возможность уменьшения размера канавок ограничена, и тем самым ограничен капиллярный напор, а значит, и тепловой поток в осевом направлении. Поэтому канальным тепловым трубам с резьбой следует отдать предпочтение при необходимости обеспечения высоких тепловых нагрузок при материала. Каналы формы г и д выполняются из жести без перфорации. При этом, однако, возникает опасность того, что при быстром понижении температуры жидкости температура перегрева в каналах будет превзойдена и наступит кипение в объеме. Для предотвращения этого явления в жестяных стенках канала следует предусмотреть поры, с тем чтобы каналы также быстро охлаждались за счет испарения через отверстия. В образце е каналы изготовлены из сетки, и поэтому опасности образования пузырей в них не возникает.


Число образцов, приведенных здесь, далеко не исчерпывает все возможные, так как конструктивные формы артерий можно приспосабливать как к особенностям области применения, так и к возможностям технологии изготовления.

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

Экспертиза

на главную