РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ОГРАНИЧЕНИЕ ПО ЗВУКОВОЙ СКОРОСТИ ПАРА
Когда тепло переносится из испарителя к конденсатору тепловой трубы, осевой тепловой поток на выводе из испарителя может быть вычислен из уравнения
Максимальный тепловой поток достигается в том случае, когда средняя скорость пара, выходящего из испарителя, оказывается равной скорости звука. Такие условия в тепловой трубе могут возникнуть, если сохранять неизменной подводимую мощность и одновременно, регулируя теплоотвод в конденсаторе, понижать температуру в системе. При этом плотность пара будет понижаться, а скорость возрастать [уравнение (1)] до тех пор, пока не станет звуковой. Это приведет к тому, что паровой поток на выходе из испарителя окажется запертым аналогично тому, как это происходит при достижении скорости звука в горле сужающегося сопла [8]. На фиг. 4 приведен пример такого запирания.
Когда возникло запирание, плотность пара в конденсаторе можно снизить до такого состояния, при котором длина свободного пробега молекул будет больше диаметра парового канала. Подобные условия существуют при запуске тепловой трубы с такими рабочими телами, у которых плотность пара при окружающей температуре очень мала [4]. В сущности, пар, выходящий из испарителя, успевает сконденсироваться прежде, чем он заполнит конденсатор. При медленном ступенчатом запуске трубы можно получить серию подобных состояний (см. фиг. 3).
Предельные значения осевого теплового потока были получены при различных температурах тепловых труб на натрии, калии и цезии в двух типах экспериментов, описанных выше. Эти предельные характеристики представлены на фиг. 5. Там же показаны для сравнения расчетные кривые. Расчетные кривые могут быть получены из уравнения, предложенного Леви [9]:
Уравнение Леви дает возможность рассчитать звуковой предел непосредственно по теплсфизическим свойствам пара, которые легко могут быть определены.
Как видно из фиг. 5, между экспериментальными и расчетными результатами имеется некоторое расхождение. Это могло быть вызвано влиянием на экспериментальные данные некоторого количества неконденсирующегося газа, замеченного, в частности, в тепловой трубе на цезии. Кроме того, расчетные результаты могут оказаться завышенными из-за присутствия в паре димеров, которые не учитывались в расчете. Обе возможности требуют дополнительного исследования.
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ГРАДИЕНТЫ В ИСПАРИТЕЛЕ
Когда в тепловой трубе достигается звуковой режим, температура стенки на выходе испарителя оказывается существенно ниже, чем на входе в испаритель (фиг. 3 и 4). Поскольку температура стенки определяется статическим давлением пара в соответствующем сечении, в качестве меры изменения температуры в испарителе можно использовать отношение давлений PJP2¦ Это отношение можно получить из уравнения
Уравнение (4) может быть использовано для установления давления и перепада температур вдоль испарителя, когда тепловая труба работает в дозвуковом режиме. На фиг. 6 приведена расчетная кривая, показывающая отношение давлений в функции доли теплового потока при звуковом режиме, рассчитанного по уравнению (2).
После достижения звукового предела при какой-то максимальной температуре испарителя эта температура может поддерживаться постоянной, в то время как тепловая мощность снижается ступенями.
После каждой ступени измерялась температура стенки на выходе из испарителя и определялось отношение давлений в испарителе.
Результаты можно было проверить при различных максимальных температурах испарителя. Данные для натрия и цезия, показанные на фиг. 6, являются в известной мере случайными и получены после того, как были установлены кривые звукового предела для каждой тепловой трубы.
Фиг. 7 показывает, что, когда тепловая труба работает в звуковом режиме, вдоль испарителя развиваются довольно значительные градиенты температур. Из фигуры также видно, что градиент может быть существенно снижен, если тепловую мощность уменьшить до 80% тепловой мощности при звуковом режиме. Можно заметить, что перепад температур становится больше с увеличением рабочей температуры. То же относится и к звуковому пределу. Например, предельный тепловой поток в звуковом режиме тепловой трубы на калии при максимальной температуре испарителя 400 °С составляет 180 вт/см2. Если эту температуру поднять до 800 °С, то предельный тепловой поток достигает 37 000 emjcM2. Как следует из этого примера, всегда, когда это возможно, труба должна работать при высокой плотности пара, а не при высокой скорости его.
ДАВЛЕНИЕ В ЖИДКОСТИ
Давление в жидком потоке изучалось в эксперименте, представленном на фиг. 4 (кривая D). Температуры в различных точках по оси использовались для определения кривой давления пара Pv, показанной на фиг. 8. Другие кривые на фигуре характеризуют давление в жидкости и показывают, что последняя в процессе эксперимента находилась в состоянии растяжения.
Нижняя кривая была получена измерением максимального капиллярного напора, который может быть развит в пористой трубе. Измерения выполнялись при вращении тепловой трубы (фиг. 9), таким образом центробежные силы противодействовали капиллярным силам:
Перед испытанием натрий был расплавлен на всей длине трубы, но концы трубы поддерживались в несколько более холодном состоянии, чем середина. Скорость вращения постепенно повышалась до тех пор, пока горячий натрий не доходил до концов трубы и не нагревал эти места. Эксперимент показал, что капиллярный напор составляет около 3-105 дин/см?, что хорошо согласуется с измеренным размером пор. Этот результат затем использовался для определения максимальной разности давлений Pv — PL в испарительном конце тепловой трубы в процессе эксперимента.
Минимальная разность давлений, которая могла существовать в трубе, показана на фиг. 8 (верхняя кривая).
Эта кривая представляет собой расчет падения давления в жидкости в предположении, что канал имеет на всей длине серповидную форму.
В этом случае перепад давлений определяется уравнением
Хотя эксперимент и показывает, что тепловая труба может работать, когда жидкость находится в растянутом состоянии, такую работу не следует рекомендовать. Хорошо известно, что масса жидкости может находиться в состоянии значительного растяжения, но это метастабильное состояние может быть разрушено внешними возмущениями, такими, как вибрация, излучение, или просто возникновением паровых пузырей в центрах парообразования на стенке.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ
Когда тепловая труба работает при дозвуковых скоростях, пар, попадая в конденсатор, замедляется и частично восстанавливает статическое давление. Это обстоятельство было зарегистрировано в экспериментах путем измерения температуры стенки в теплоизолированной секции на конце конденсатора (фиг. 2, участок III). В некоторых экспериментах наблюдалось почти полное восстановление, однако предсказать коэффициент восстановления для различных условий работы трубы оказалось затруднительным. Это явление изучается.
