ВОЗМОЖНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Поскольку в данной работе рассматриваются только вопросы регулирования термического сопротивления тепловых труб, предполагается, что какие-либо ограничения переноса отсутствуют, т. е. предполагается, что рассматриваемая тепловая труба способна передать расчетный тепловой поток без высыхания фитиля. Эффективное термическое сопротивление тепловой трубы может быть определено как
Здесь сопротивление Явнеш и Явнеш — термические сопротивления границ раздела между тепловой трубой и источником тепла или холодильником соответственно; Явнутр и Rвнутр — суммарные сопротивления фитиля и стенки тепловой трубы в испарителе и конденсаторе. Наконец, сопротивление Rx связано с необратимыми потерями, имеющими место в процессах массопереноса, в которых участвует рабочая жидкость.
Часто термическое сопротивление выражают через коэффициент теплопередачи h и площадь теплопередающей поверхности Л:
В качестве примера, где используется эта зависимость, рассмотрим тепловую трубу, охлаждаемую естественной конвекцией. Если площадь конденсатора есть коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции Лконв, то внешнее сопротивление на стороне конденсатора выражается формулой
Соотношение типа (3) может применяться для определения внешнего и внутреннего сопротивлений в испарителе и конденсаторе, однако оно непригодно для расчета термического сопротивления в пределах рабочей жидкости.
Эффективное сопротивление тепловой трубы в принципе можно изменить путем изменения любого из указанных выше сопротивлений.
ИЗМЕНЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ В РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
Термическое сопротивление, связанное с испаряющейся и конденсирующейся рабочей жидкостью, обусловлено конечным градиентом давления в паре и жидкости, который вызывает движение в тепловой трубе. Градиент давления в паре можно регулировать в некоторых пределах без заметного изменения теплопередачи. Этот подход не без успеха применялся Анандом [1] и Франком [2], которые для дросселирования потока пара в осевом направлении использовали дроссельные вентили. Степень регулирования, достигаемого этим способом, к сожалению, ограничена: во-первых, термическое сопротивление в рабочей жидкости составляет лишь незначительную долю общего сопротивления тепловой трубы, а во-вторых, падение давления в паре и соответствующее ему сопротивление могут быть изменены только в ограниченном диапазоне, поскольку они не должны превосходить возможностей капиллярного всасывания.
Второе ограничение может быть отчасти устранено при работе тепловой трубы в условиях низкого абсолютного давления пара наполнителя, когда большое относительное изменение перепада давления мало по сравнению с капиллярным напором.
РЕГУЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЕМ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
Двухпозиционное регулирование тепловой трубы осуществить сравнительно легче, нежели плавно изменять ее эффективное термическое сопротивление. Существует много возможных способов такого регулирования, однако мы перечислим только некоторые из них. Двухпозиционное регулирование проще всего достигается прерыванием теплопереноса или, точнее, переноса циркулирующей в процессах испарения и конденсации жидкости. Теплопроводность вдоль стенки контейнера и капиллярной структуры безусловно будет играть роль даже в позиции «выключено». Один из методов выключения (остановки) тепловой трубы заключается в перекрывании потока пара при помощи вентиля. Этот подход был успешно применен Шлозингером [3]. Кроме перекрывания потока пара, можно также прервать возвратное течение жидкости, если каким-либо образом разъединить фитиль [2]. В обоих случаях нормальная циркуляция жидкости невозможна. После выключения тепловой трубы та часть жидкости, которая находия в испарительной зоне будет продолжать испаряться (при условии, что тепловой источник не устранен) и непрерывно покидать испарительную зону, что приведет к ее высыханию. Высыхание произойдет также и в том случае, когда будет блокирован только паровой канал, поскольку возросшее давление пара (как результат перегрева испарителя) преодолеет капиллярный напор, и пар по капиллярной структуре будет перетекать в конденсатор, вытесняя туда же и жидкость.
ИЗМЕНЕНИЕ ПЛОЩАДИ ТЕПЛОСЪЕМА
Данный метод изменения проводимости в принципе отличается от предыдущих. Способность к теплопередаче в осевом направлении косвенным образом зависит от величины теплоотводящей поверхности. Регулирование осуществляется изменением термического сопротивления между тепловой трубой и основным холодильником. Изменение теплоотводящей поверхности в известном смысле эквивалентно регулированию внутреннего сопротивления тепловой трубы. Указанный принцип регулирования на практике проще всего достигается добавлением к рабочей жидкости неконденсирующегося газа.
Влияние неконденсирующегося газа на характеристику тепловой трубы было обнаружено еще в первых исследованиях тепловой трубы, выполненных Гровером и др. [4]. Он показал, что в тепловых трубах, работающих на натрии с примесью водорода, происходит заполнение водородом части конденсатора. Характеристики, приводимые авторами [4], отчетливо показывают стабилизирующее влияние водорода на температуру тепловой трубы при различных тепловых нагрузках. Впоследствии использование неконденсирующихся газов для регулирования температуры теплового источника было предложено в нескольких публикациях [5—8].
САМОРЕГУЛИРУЮЩИЕСЯ И РЕГУЛИРУЕМЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ
Саморегулирующимися тепловыми трубами называют такие трубы, в которых эффективное сопротивление самоустанавливается на уровне, определяемом некоторым внутренним параметром. Типичным примером таких труб являются так называемые трубы-«терморегуляторы». Для поддержания температуры пара в конденсаторе практически постоянной в трубу вводится неконденсирующийся газ, влияние которого выражается в изменении площади конденсатора соответственно тепловому потоку или температуре холодильника. В этом случае внутренним параметром является давление пара жидкости. В регулируемой тепловой трубе связь между сопротивлением и температурой пара отсутствует. Управляющий сигнал может быть подан от любого внешнего источника. Такое регулирование бывает желательным даже в том случае, если цель заключается только в поддержании температуры источника.
В саморегулирующейся тепловой трубе с неконденсирующимся газом температура конденсатора устанавливается практически на постоянном уровне. Температура источника связана с температурой пара 7ТНД соотношением
Поскольку термические сопротивления R внеш» Авнутр и Rx являются положительными величинами, график функции Тист (Q) будет всегда иметь положительный наклон. Однако в случае применения внешнего регулирования последний член в уравнении (6) может быть отрицательным и температура источника будет поддерживаться постоянной.
