ВВЕДЕНИЕ
В последние годы тепловые трубы привлекли к себе пристальнее внимание. Их намериваются использовать во многих теплоебменных установках, в том числе в ряде перспективных энергетических установок. Данная работа посвящена исследованию характеристик тепловых труб при наличии магнитного поля. Оно было проведено в связи с предполагаемым использованием тепловых труб в одном из вариантов энергетической установки с управляемым термоядерным реактором [11.
Предполагается, что в управляемом термоядерном реакторе горячая плазма внутри вакуумной камеры будет удерживаться от контакта со стенками камеры с помощью сильных магнитных полей (фиг. 1). Известно, чтр значительная часть выделяемой в результате термоядерного синтеза энергии приходится на нейтроны больших энергий. Кинетическая энергия этих нейтронов превращается в тепловую в замедлителе —«оболочке» из жидкого литья, расположенной снаружи вакуумной камеры с плазмой. В результате столкновений с ядрами лития движение нейтронов замедляется, при этом их энергия передается литию. Литий по трубам перекачивается в парогенератор, где получают пар высоких параметров, служащий рабочим телом паросиловой установки.
К сожалению, выделение энергии нейтронами в литиевой оболочке происходит крайне неравномерно. Плотность выделения энергии с ростом радиуса фактически падает примерно по экспоненте. Для того чтобы «сгладить» этот неблагоприятный профиль плотности выделяемой энергии, Вернер предложил использовать тепловые трубы, объединенные в одно целое со специально спроектированной вакуумной камерой [1]. На фиг. 2 изображена принципиальная схема предлагаемой конструкции.
Сверхпроводящие обмотки магнита, используемого для получения магнитных полей большой напряженности, должны располагаться за пределами зоны интенсивного потока нейтронов, т. е. снаружи литиевой оболочки. Это в свою очередь означает, что тепловые трубы будут находиться в магнитном поле. Из исследований магнитных расходомеров и МГД-генераторов известно, что при течении электропроводных жидкостей в магнитном поле возникают дополнительные потери давления, поэтому было проведено специальное исследование по влиянию магнитных эффектов на характеристики тепловых труб.
Тепловая защита и магнитная катушка
В следующих разделах настоящей работы прежде всего проанализировано влияние магнитного поля на течение жидкой фазы в фитиле. Показано, что влияние магнитного поля на характеристики тепловой трубы проявляется наиболее сильно в том случае, когда составляющая магнитного поля перпендикулярна оси трубы, рабочая жидкость электропроводна и фитиль выполнен из металла. В этих условиях влияние магнитного поля проявляется через три основных механизма, каждый из которых обусловливает увеличение потерь давления при течении жидкой фазы.
1. В жидкости в плоскости, перпендикулярной направлению течения, возникают вихревые электрические токи, что ведет к утонению пристеночных пограничных слоев (профиль скорости в канале становится более «плоским»)
2. Величина указанных в п. 1 электрических токов возрастает, если стенки фитиля электрспроводны, что обусловливает появление в жидкости объемных магнитных сил, тормозящих ее движение.
3. Вихревые электрические токи возникают и в «концевых областях», где жидкость входит в магнитное поле или покидает его; они текут в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Аналогичная ситуация также имеет место при наличии градиентов напряженности магнитного поля.
Каждый из указанных выше эффектов анализируется по очереди, и там, где это возможно, определяется их вклад в перепад давления. Полученные результаты затем используются совместно с уравнениями, описывающими перепад давлений в паровой фазе, для определения оптимальной геометрии тепловой трубы для заданных конкретных условий. Характеристика «оптимальной» конструкции затем сравнивается с показателями обычной тепловой трубы при работе ее в магнитном поле для иллюстрации возможности существенного улучшения характеристик тепловой трубы при тщательной проработке ее конструкции.
В настоящей статье под «обычной тепловой ,трубой» подразумевается труба с простым фитилем, имеющим единственный радиус пор капилляров гс; в последующем этот вид тепловой трубы будет называться простотепловой трубой типа I.
Более совершенной является тепловая труба с составным фитилем, представляющим собой канал или канавку, закрытую с внутренней стороны мелкой сеткой или проницаемым экраном. Канал имеет большой гидравлический диаметр, в результате чего снижается перепад давлений в жидкой фазе; размер пор в сетке делается технически минимально возможным, чтобы обеспечивалась эффективная перекачка жидкости за счет капиллярных сил. Этот вид тепловой трубы с составным фитилем будет называться тепловой трубой типа II.
