Демонстрационная модель термосифона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ литературы по теме термосифонов

1.1 История создания тепловых труб

1.2 Принцип действия термосифона

1.3 Анализ существующих конструкций

2.. Конструирование термосифона

2.1 Выбор конструктивной схемы и технологии

2.2 Разработка демонстрационной модели термостфона

Заключение

Библиографический список



Введение

Термосифон - приспособление для нагревания воды, основанное на законе равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах. Представим себе большой резервуар с холодной водой, сообщающийся снизу с такой же вышины трубкою: вода установится в них на одном уровне. Если трубку сильно нагреть, плотность воды в ней станет меньше, чем в резервуаре, а уровень ее поднимется выше, и она станет переливаться в резервуар, если верх трубки с ним сообщается.

Движение будет происходить, пока вся вода не согреется до одной и той же температуры, и будет продолжаться непрерывно, если вода по пути охлаждается. В описанном виде Т. употребляется для согревания воды в ваннах; на основании этого же принципа действует водяное отопление зданий. термосифон демонстрационный конструкция

Актуальность исследования заключается в разработке демонстрационной модели термосифона для использования в учебных лабораториях, с целью ознакомления с принципом работы термосифонов и тепловых труб.



1. Анализ литературы по теме термосифонов

1.1 История создания тепловых труб

Впервые идея тепловой трубы предложена Гоглером из американской фирмы General Motors Corporation (GMC). В патентной заявке от 21 декабря 1942 г., опубликованной как Патент США № 2350348, 6 июня 1944 г., тепловая труба описывается применительно к холодильной установке.

В патенте Гровера , представленном от имени Комиссии об атомной энергии США в 1963 г., для описания устройства, по существу идентичного предложенному в патенте Гоглера, использован термин «тепловая труба». Патент Гровера, кроме того, включает в себя небольшой теоретический .анализ процесса и содержит описание результатов экспериментов, проведенных с трубами из нержавеющей стали с фитилями из проволочной сетки и натрием в качестве рабочей жидкости, причем в качестве возможных рабочих жидкостей упомянуты еще также литий и серебро.

Под руководством Гровера в Лос-Аламосской лаборатории в штате Нью-Мексико была выполнена обширная программа по исследованию и разработке тепловых труб, и ее предварительные результаты были изложены в первой публикации по тепловым трубам . Вслед за этой лабораторией аналогичную работу над натриевой и другими тепловыми трубами начала Лаборатория по атомной энергии в Харуэлле (Великобритания) .Исследования в Харуэлле были направлены преимущественно на применение тепловых труб в термоионных преобразователях ядерной энергии; подобная программа была развернута и в Объединенном ядерном исследовательском центре в Испре (Италия) под руководством Нея и Буссе. Работы в Испре продвигались очень быстро, и эта лаборатория стала самым, активным центром по исследованию тепловых труб за пределами США

В качестве средства возврата жидкости из конденсатора в испаритель была предложена капиллярная структура, и, в частности, Гоглер полагал, что одним из вариантов такой структуры мог бы быть спеченный из порошка железный фитиль. Интересно отметить, что во всех трех вариантах для потока пара отведена сравнительно небольшая часть поперечного сечения трубы..

В другом случае тепловая труба используется для отвода теплоты из внутреннего отделения холодильника к установленному снизу поддону, заполненному кусками льда. Для улучшения теплообмена между тепловой трубой и льдом тепловая труба оборудуется трубчатой паровой камерой с наружными ребрами, которая также служит резервуаром для рабочей жидкости тепловой трубы. Тепловая труба в предложенном Гоглером виде не была .осуществлена, и техническая идея не вышла за рамки патента, так как GMC применила другую, более доступную в то время технологию для решения конкретных тепловых задач.

Работы в Испре были связаны с разработкой тепловых труб для подвода теплоты к эмиттерам и отвода теплоты от коллекторов. В этих условиях были нужны трубы, работающие в температурных диапазонах от 1600 до 1800°С (для эмиттеров) н 1000°С (для коллекторов). В Испре основное внимание было уделено тепловым трубам эмиттеров, разработка которых потребовала решения более сложных задач, связанных с обеспечением их надежности в течение длительного периода эксплуатации.

Первой фирмой, (развернувшей серийное производство тепловых труб, была RCA. Большинство заказов на ранней стадии работ поступило от правительства США. В течение двухлетнего периода с середины 1964 до середины 1966 г. RCA изготовила тепловые трубы, в которых в качестве материалов стенок корпуса были использованы стекло, медь, никель, нержавеющая сталь, молибден. В качестве рабочих жидкостей применялись вода, цезий, натрий, литий н висмут. Достигнутая максимальная рабочая температура составляла 1650°С.

Не все ранние Исследования по тепловым трубам были связаны с созданием высокотемпературных труб. Деверолл и Ксмые разработали тепловую трубу для применения на искусственном спутнике, в которой рабочей жидкостью служила вода, первые проекты по тепловым трубам переменной проводимости были также сделаны для спутника iЈ 1 -10J.

В течение 1967--1968 гг. появилось несколько статей в научной печати, большей частью в США, свидетельствующих о расширении области применения тепловых труб, которые использовались для охлаждения электронных устройств, для кондиционирования воздуха, охлаждения двигателей и т. д. Для этих целен разработаны, в частности,, гибкие и плоские тепловые трубы. Главным достоинством тепловой трубы, привлекшим к себе внимание, являлась ее существенно большой тепловой проводимость по сравнению даже с такими прекрасными проводниками теплоты как медь, причем водяная тепловая труба с простым фитилем обладает в сотни раз большей эффективной теплопроводностью, чем медный стержень тех же размеров.

Работы [в Лос-Аламосской лаборатории продолжались в больших масштабах. Главное внимание по-прежнему уделялось применению тепловых труб для спутников, и первый полет спутника с тепловой трубой состоялся в 1967 г. Для того чтобы продемонстрировать успешную работу тепловой трубы в космических условиих, спутник с тепловой трубой с корпусом из нержавеющей стали и водой в качестве рабочей жидкости и с электрическим обогревом был выведен на околоземную орбиту с мыса Кеннеди при помощи ракеты-носителя «Атлас-Эджена». После выхода спутника на орбиту труба автоматически включалась в работу и телеметрические данные о ее работе принимались питью станциями слежения в течение 14 витков вокруг Земли. Данные позволили заключить, что тепловая труба работала успешно.

В настоящее время теория тепловой трубы разработана, главным образом, Коттером , также сотрудником Лос-Аламосской лаборатории. Исследования в лабораториях Соединенных штатов и в Испре велись настолько активно, что в своем критическом обзоре теории и приложения тепловых труб в 1968 г. Чунг смог процитировать более 80 статей по всем аспектам работ над тепловыми трубами. Ему удалось показать высокую надежность жидкометаллических тепловых труб при длительной работе (9000 ч) при повышенных температурах (1500°С). Были сконструированы тепловые трубы, способные передавать осевые тепловые потоки до 7 кВт/см2, и планировалось более чем вдвое увеличить этот параметр. Были получены радиальные тепловые потоки до 400 Вт/сма.

Чунг упомянул также о различных формах фитиля, включая фитиль артериального типа, показанный на 1-3, который был разработан Катцоффом . Он был испытан в тепловой трубе со стеклянным корпусом, в которой рабочей жидкостью служил спирт. Назначение артерии, применение котоон стало общим правилом для тепловых труб, разработанных для спутников, состоит в том, чтобы обеспечить транспортировку жидкости от конденсатора к испарителю при небольшом перепаде давлений. В зоне испарения рабочая жидкость перераспределяется по периметру тепловой трубы с помощью мелкопористого фитиля, размещенного около стенки

Вслед за первым испытанием тепловой трубы в космосе в 1967 г. она была впервые применена для теплового регулировании спутника Geos-B, запущенного с военно-воздушной базы Ванденберг в 1968 г. На спутнике были использованы две тепловые трубы. В качестве материала., корпуса тепловых труб был применен алюминиевый сплав 6061 Т-6, ^ материала фитиля-- алюминиевая сетка (120 меш). В качестве рабочей жидкости использовался фреон-11. Назначение тепловых труб состояло в снижении до минимума разности температур между различными ответчиками на спутнике. На основании 145-суточного периода наблюдений было установле-' но, что разница между максимальной и минннальной температурами ответчиков была значительно меньше, чем при подобных же условиях на запущенном ранее спутнике Geos-A, на котором не использовались тепловыетрубы. Тепловые трубы работали в режиме, близком к изотермическому, с высокой эффективностью ,в течение всего периода наблюдений.

В 1968 г. Буссе опубликовал статью в которой он собрал сведения о работах в области тепловых труб, проводившихся в Европе. Примечательно, что лаборатория Евроатома >в Испре все еще оставалась центром, где сосредотачивались основные работы по тепловым трубам. Однако и ряд других европейских лабораторий внесли свой вклад в эту проблему, среди них Brown Bowery (BB), Атомный исследовательский центр в Карлсруэ, Институт ядерной энергии (IKH) в Штутгарте, атомный исследовательский центр ъ Гренобле. Экспериментальные программы в названных выше лабораториях орнентировалнсь главным образом на тепловые трубы с жидкометаллическими жидкостями н посвящались ресурсным испытаниям труб и измерениям максимальных осевых и радиальных тепловых потоков. Были также изучены теоретические аспекты ограничений теплопередающей способности труб. К настоящему времени опубликованы результаты фундаментальных исследований отдельных процессов, реализуемых в тепловых трубах. Они, например, включают разработку фитилей, анализ факторов, воздействующих на предельные тепловые потоки в испарителе, на эффективность работы трубы с неконденсирующимся газом. В Японии компанией «Киса Сейдзо Кайса» была проведена ограниченная экспериментальная программа исследований. Представляя в апреле 19.68 г. статью по результатам этой работы инженерам по кондиционированию и холодильной технике, Нозу описал воздухоподогреватель, в котором используются пучки посеребренных тепловых труб. Такие теплообменники с тепловыми трубами приобретают особое значение в условиях современного положения с энергетическими ресурсами, так как они могут быть использованы для утилизации теплоты уходящих горячих газов и могут применяться в промышленных и бытовых кондиционирующих установках. Такие теплообменники сейчас имеются в продаже..

Опубликованная в течение 1969 г. литература по тепловым трубам показала, что исследовательские учреждения Великобритании, в том числе British Aircraft Corporation (ВАС) и Royal Aircraft Establishment (RAE) все в большей степени начали осознавать потенциальные возможности тепловых труб. В RAE была исследована возможность применения тепловых труб и паровых камер для теплового регулирования спутников, аналогичные задачи решала ВАС.

В том же 1969 г. была начата работа в International Research and Development Co (IRD) первоначально в форме изучения возможных способов применения, за которой последовала экспериментальная программа, связанная с производством плоских и круглых тепловых труб. Исследования проводились также под руководством Даппа в университете «Ридинг», часть сотрудников которого имела опыт работы с тепловыми трубами, приобретенный в Харуэлле, о котором говорилось выше. Национальная техническая лаборатория в Ист-Кдл-брайде и Национальный газотурбинный институт в Пайстоке также включились в работу в этой сфере.

Интерес Советского Союза к тепловым трубам виден из статьи, опубликованной в выходящем в СССР журнале «Теплофизика высоких температур» хотя большая часть содержащейся в ней информации носит обзорный характер.

В 1969 г. появились дальнейшие работы по тепловым трубам с переменной проводимостью, причем большой вклад в их разработку был сделан Тернером в RCA и Бинертом из Dyna-ttierm Corporation (DC). Были проведены теоретические исследования тепловых труб переменной проводимости для определения таких параметров этих устройств, как размер резервуара, рассмотрены практические вопросы его конструирования и чувствительности к внешним тепловым воздействиям. В это же время в NASA был разработан новый вид тепловой трубы, в которой отсутствовал фитиль. Это -- вращающаяся тепловая труба, в которой для возврата жидкости от конденсатора к испарителю используется центробежная сила. Такая труба может быть использована для охлаждения роторов двигателей и лопаток турбин.

Грей предложил также конструкцию кондиционера который работает по принципу вращающейся тепловой трубы. Вращающаяся тепловая труба не имеет тех капиллярных ограничений по возврату жидкости, которые характерны для обычной фитильной тепловой трубы, и ее передающая способность может быть во много раз больше. Получает все большее распространение применение тепловых труб в системах охлаждения электронных приборов в «некосмических областях». Для охлаждения блоков интегральных схем Шеппардом были предложены трубы прямоугольного сечения, Калимбасом и Хьюлеттом из Filco--Ford Corporation (FFC) были описаны конструкция, расчет и технология изготовления тепловых труб для охлаждения мощных ' бортовых ламп с бегущей волной.

В большинстве работ по тепловым трубам до сих пор описывались трубы, у которых в качестве рабочей жидкости использовались жидкие металлы, а для более низких температур -- вода, ацетон, спирт и т. д. В связи с необходимостью охлаждения чувствительных элементов инфракрасных сканирующих систем спутников появилась еще одна область применения тепловых труб, особое внимание было уделено криогенным тепловым трубам Самой распространенной рабочей жидкостью в них являлся азот, который был наиболее подходящим в интервале температур от 77 до 100 К.. Для этого же температурного интервала применялся также жидкий кислород. Резерфордовская лаборатория высоких энергий была первой организацией в Великобритании, где были использованы криогенные тепловые трубы, причем тепловые трубы с жидким водородом использовались для охлаждения мишеней. Позднее там была разработана гелиевая криогенная труба, работающая, при температуре

К 1970 г. ряд компаний США приступили к серийному производству широкого ассортимента тепловых труб. Среди фирм, поставляющих на рынок стандартные тепловые трубы, а также разрабатывающих и изготовляющих специальные конструкции трубы для особых целей, были RCA, Thermo-Eiektron (ТЕ), Noren Products (NP). Позднее появились трубы английских фирм

Дальнейшее совершенствование тепловых труб и развитие исследований в этой области, в частности, в Европе, описаны в отдельных разделах этой книги. Достижения в этой сфере за последние четыре года можно суммировать следующим образом:

1. Были разработаны тепловые трубы переменной проводимости специально для использования на космических, объектах. В послед них моделях этих труб используется принцип регулирования с активной обратной связью для улучшения времени срабатывания и чувствительности.

2. Созданы тепловые трубы, работающие в диапазоне от 4 до 2800 К, срок службы которых во всем температурном диапазоне, кроме экстремальных случаев, в общем приемлем.

3. Европейская организация космических исследований (ESRO) способствовала развитию работ в Европе путем заключения кон трактов на разработку систем па тепловых трубах для европейских спутников.

4. Состоялась Первая международная конференция по тепловым трубам (Штутгарт, 1973 г.), на которой были представлены работы из Голландии, ФРГ, Советского Союза, Чехословакии, Франции, Италии и Великобритании, а также из Соединенных Штатов.

1.2 Принцип действия термосифона

Принцип действия термосифона достаточно прост и основан на таком хорошо известном физическом явлении, как конвекция .Простейший термосифон представляет собой полую трубку, например из меди, внутри которой имеется небольшое количество рабочей жидкости. Жидкость может быть различной -- все зависит от характерных температур. Для температур от 0 до 300 °С в качестве рабочей жидкости может использоваться вода. После добавления жидкости из корпуса термосифона откачивают воздух, а корпус запаивают (герметизуют).

Термосифон располагается вертикально, а конец с жидкостью помещается в область повышенной температуры. При подводе тепла жидкость начинает превращаться в пар (зона испарения). Из курса физики вам, наверное, известно, что процесс парообразования происходит при любой температуре, однако только до тех пор, пока давление пара над жидкостью не станет насыщенным. На скорость парообразования влияют такие факторы, как температура жидкости и давление. Для того чтобы повысить интенсивность парообразования при температурах, которые значительно ниже температуры кипения жидкости (имеются в виду температуры кипения при нормальном атмосферном давлении), как раз и создается разреженное давление внутри термосифона.

Образующийся при нагревании пар в результате конвекции движется вверх, то есть в зону с меньшей температурой. В результате остывания пар конденсируется и стекает по стенкам термосифона вниз. Итак, мы рассмотрели простейшую модель тепловой трубы (точнее, термосифона), обладающей теплопроводностью, которая в сотни раз выше аналогичной по геометрии цельной медной трубки. Для эффективного теплоотвода с помощью такого термосифона необходимо обеспечить постоянный отвод тепла от зоны конденсации, что можно сделать с помощью радиатора. Таким образом, необходимо, чтобы всегда был градиент температуры и чтобы температура зоны конденсации была достаточной для конденсации пара. Отметим, что термосифон способен обеспечить большую мощность теплопередачи даже при малой разности температур между его концами, так как скрытая теплота парообразования у жидкостей велика.

Рассмотренный принцип действия термосифона достаточно хорошо известен, так как уже на протяжении многих десятков лет используется в самогонных аппаратах -- ничего оригинального здесь нет. Единственное отличие термосифона от самогонного аппарата заключается в том, что в последнем образующийся конденсат не возвращается обратно, а используется по прямому назначению, то есть «в медицинских целях». Именно необходимость возврата сконденсировавшейся жидкости в зону испарения исключает использование термосифона иначе, как в горизонтальном положении. В этом случае жидкость стекает вниз под действием гравитационных сил, поэтому термосифон может работать только тогда, когда зона испарения находится ниже зоны конденсации. В этом заключается главный недостаток термосифона, ограничивающий его использование в системах охлаждения процессоров. Для построения более универсальных систем охлаждения требуется, чтобы теплоотвод осуществлялся при любом положении трубы, а не только при вертикальном. Однако для этого необходимо предусмотреть иной механизм возврата конденсата в зону испарения, то есть не под действием, а, возможно, вопреки действию гравитационных сил. Таким механизмом возврата может служить капиллярный эффект. Идея достаточно проста: если опустить в вертикальном положении конец тряпки или веревки в стакан с водой, то через некоторое время вся тряпка станет мокрой, поскольку за счет капиллярного эффекта вода будет подниматься по тряпке вверх против действия гравитационных сил.

1.3 Анализ существующих конструкций

Тепловая труба состоит из трех основных элементов:

1) рабочей жидкости;

2) фитиля или капиллярной структуры;

3) корпуса.

При выборе соответствующей комбинации этих элементов неизбежно может возникнуть ряд противоречий. Ниже рассматриваются принципы подобного отбора.

Рабочая жидкость

Выбор соответствующей рабочей жидкости осуществляется прежде всего, исходя из диапазона рабочих температур парового пространства. Для некоторого ориентировочного температурного диапазона может существовать несколько приемлемых рабочих жидкостей, и для выбора наиболее подходящий из них следует проанализировать весь комплекс их физических свойств. Основные требования, предъявляемые к рабочим жидкостям, следующие:

1) совместимость рабочей жидкости с материалом фитиля и корпуса;

2) высокая термическая стойкость жидкости;

3) смачиваемость жидкостью фитиля и материала корпуса трубы;

4) давление паров жидкости в рабочем диапазоне температур не должно быть излишне высоким или слишком низким;

5) большая скрытая теплота парообразования;

6) высокая теплопроводность жидкости;

7) низкое значение вязкости жидкой и паровой фаз;

8) высокое поверхностное натяжение;

9) приемлемое значение точки замерзания или затвердения.

Многие из проблем, связанных с продолжительностью срока службы тепловой трубы, являются прямым следствием несовместимости используемых в ней материалов, при этом следует иметь в виду все три основных элемента тепловой трубы. Этот вопрос более полно будет рассмотрен ниже. Необходимо отметить лишь один специфический для тепловой трубы аспект --это возможность термического разложения рабочей жидкости. Рабочую температуру ряда органических жидкостей следует поддерживать ниже определенного значения для предотвращения разложения жидкости на отдельные компоненты Тем самым высокая термическая стойкость жидкости в предлагаемом рабочем диапазоне температур является ее необходимым свойством.

Поверхность жидкости ведет себя подобно растянутой оболочке, разница состоит в том, что натяжение жидкой поверхности не зависит от ее площади. По всей площади поверхности жидкости действует стягивающая ее сила, обусловленная притяжением молекул и препятствующая их отделению от основной массы. Поверхностное натяжение изменяется с изменением температуры и давления, однако зависимость от давления обычно слаба.

Эффективное значение поверхностного натяжения может существенно меняться при концентрации инородного вещества на поверхностях раздела жидкость -- пар, жидкость -- жидкость или же на твердых поверхностях.

При проектировании тепловой трубы желательно, чтобы поверхностное натяжение было большим с тем, чтобы труба могла работать против силы тяжести и развивать при этом значительный движущий капиллярный напор.

В дополнение к большому значению поверхностного натяжения необходимо, чтобы рабочая жидкость смачивала фитиль и материал корпуса трубы, краевой угол должен быть нулевым или по крайней мере очень малым.

Давление паров жидкости в рабочем диапазоне температур должно быть достаточно большим с тем, чтобы избежать высоких скоростей пара, приводящих к появлению больших градиентов температуры вдоль от трубы, срыву возвращающегося конденсата в условиях противотока пара и жидкости или возникновению неустойчивости течения связанной со сжимаемостью потока. Однако давление пара не должно быть слишком высоким, так как в последнем случае придется использовать трубу с толстостенным корпусом.

Для обеспечения большой теплопередающей способности трубы при минимальном расходе рабочей жидкости, а следовательно, при минимальном падении давления вдоль трубы желательно использовать жидкость с большой скрытой теплотой парообразования. Желательно, чтобы теплопроводность рабочей жидкости (в жидкой фазе) также была высокой с тем. чтобы свести к минимуму радиальные градиенты температур и уменьшить вероятность "возникновения пузырькового кипения на границе фитиля со стенке.-i корпуса.

Гидравлическое сопротивление течению жидкости будет сведено к минимуму выбором жидкости с малой вязкостью паровой и жидкой фаз.

На приведены значения «критерия качества» М для различных жидкостей при температуре насыщения в диапазоне температур 200--1750 К. Видно, что вода имеет несомненное преимущество благодаря высоким значениям скрытой теплоты парообразования и поверхностного натяжения по сравнению со всеми органическими жидкостями, такими как ацетон и спирты. При окончательном выборе рабочей жидкости, безусловно, учитываются также ее стоимость, доступность, совместимость с другими материалами, используемыми в тепловой трубе, и другие указанные выше факторы.

Как указывали Эссельмен и Грин высокое значение «критерия качества» не является единственным критерием при выборе рабочей жидкости. В конкретной ситуации другие факторы могут играть более существенную роль. Например, если исходить из стоимости рабочей . жидкости, то предпочтение следует отдать калию по сравнению с цезием и рубидием, которые в 1000 раз дороже. Аналогично в диапазоне температур 1200--1800 К литий обладает более высоким значением «критерия качества» по сравнению с большинством других металлов, включая натрий. Однако при использовании лития корпус трубы должен быть изготовлен из дорогого сплава, химически стойкого по отношению к литию, тогда как натрий может находиться в трубе из нержавеющей стали. Поэтому мо-жет; оказаться дешевле и удобнее использовать тепловые трубы с несколько худшими эксплуатационными характеристиками, в которых рабочей жидкостью служит натрий, а сами трубы выполнены из нержавеющей стали используемые в тепловых трубах рабочих жидкости весьма разнообразны, начиная с гелия для температур 4 К и кончая литием для температур 2300 К. Из 3-1 видно преимущество воды в диапазоне температур 350-- 500 К, где конкурирующие с ней органические жидкости имеют существенно меньшие значения «критерия качества». При несколько меньших температурах (270-- 350 К) целесообразно применять аммиак, хотя последний требует весьма аккуратного обращения с целью сохранения его высокой чистоты. Конкурентоспособны в этом диапазоне ацетон и спирты, имеющие более низкое по сравнению с аммиаком давление паров. Эти жидкости обычно используются в тепловых трубах для космических целей. Вода и метиловый спирт совместимы с медью, поэтому обе эти жидкости часто используются для охлаждения электронного оборудования.

В диапазоне температур 500--650 К могут быть использованы высокотемпературные органические теплоносители, такие как термекс и даутерм А. Обе эти жидкости представляют собой эвтектические смеси дифенила и дифенилоксида с точками кипения при атмосферном давлении около 260°С. Однако эти жидкости обладают низким поверхностным натяжением и невысокой скрытой теплотой парообразования. Как и многие другие органические соединения, дифенил легко разлагается по достижении температуры, превышающей некоторое критическое значение. Однако две данные эвтектические смеси в отличие от многих других, имеющих тот же самый рабочий диапазон температур, характеризуются точкой кипения, а не областью кипения.

Двигаясь дальше по температурной шкале, мы приходим к жидким металлам. Для диапазона 500--950 К очень хороша ртуть, которая обладает подходящими термодинамическими свойствами. Она находится в жидком состоянии при комнатной температуре, что упрощает ее перегрузку, а также заполнение и запуск тепловой трубы.

Если отвлечься от токсичности ртути, то основным теневым моментом, препятствующим ее использованию в качестве рабочей жидкости в тепловых трубах, (в отличие от термосифонов), являются трудности, связанные с обеспечением смачиваемости фитиля и стенки корпуса. Работ, специально посвященных этому вопросу, немного, и, пожалуй, только Довероллу [ из Лос-Аламосской лаборатории и Рею принадлежат публикации по проблеме смачивания ртутью.

Бинерт при создании тепловых труб «ртуть -- нержавеющая сталь» для концентраторов солнечной энергии использовал методику Деверолла и достиг в этом направлении определенных успехов для труб, работающих при содействии гравитационной силы. Бииерт указывает, что отсутствие смачивания в зоне конденсации тепловой трубы стимулирует возникновение капельной конденсации, что ведет к росту коэффициента теплоотдачи в этой зоне по сравнению со случаем пленочной конденсации.'

Двигаясь далее в зону еще более высоких температур, мы приходим к цезию, калию и натрию как к наиболее приемлемым рабочим жидкостям. Необходимые для расчета тепловых труб физические свойства этих теплоносителей хорошо исследованы .В области температур свыше 1400 К выбор обычно прежде всего падает на литий, однако использовалось также и серебро .

Фитиль или капиллярная структура

Выбор фитиля для тепловой трубы определяется многими факторами, часть из них тесно связана со свойствами рабочей жидкости. Основное назначение фитиля, несомненно, состоит в создании капиллярного напора для перемещения жидкости из конденсатора в испаритель. Фитиль должен также обеспечить должное распределение жидкости по всей зоне испарения, т. е. ко всем ее точкам, где к тепловой трубе может быть осуществлен подвод теплоты. Зачастую решение этих двух задач требует использования фитилей различной формы, в частности в тех случаях, когда возврат конденсата должен быть осуществлен на расстояние, скажем, в 1 м при отсутствии гравитационных сил.

Максимальный капиллярный напор, развиваемый фитилем, увеличивается с уменьшением размеров пор в фитиле. Другая важная характеристика фитиля -- его проницаемость, напротив, увеличивается с ростом размеров пор. Для гомогенных фитилей существует оптимальный с точки зрения удовлетворения этих противоположных требований размер пор. В этой связи возможны три основных варианта. Фитили, развивающие небольшой напор и применяемые в горизонтальных тепловых трубах или в трубах с использованием силы тяжести, должны обеспечивать протекание максимальных расходов жидкости и имеют сравнительно большие поры, примерно в 100--150 меш (150--100 мкм).

Измеренная плотность радиального теплового потока в испарителях тепловых труб (приведенные значения не обязательно являются предельными) размеров и необходимость обеспечения высокой тепло-передающей способности трубы приводят к использованию негомогенных или артериальных фитилей с мелко-цорлстой структурой.

Другой подлежащей оптимизации характеристикой фитиля является его Толщина. Теплопередающая способность тепловой трубы увеличивается с ростом толщины фитиля. Однако при этом, увеличивается термическое сопротивление фитиля в радиальном направлении, что будет препятствовать росту теплопередающей способности трубы в целом и снижать допустимую -максимальную плотность теплового потока в испарителе.

Суммарное термическое сопротивление испарителя зависит также и от теплопроводности рабочей жидкости, заполняющей фитиль. (В табл. 3-2 приведены измеренные значения плотности теплового потока в испарителе для различных сочетаний фитиль -- рабочая жидкость.) Другими существенными характеристиками фитиля являются его совместимость с рабочей, жидкостью и смешиваемость. Фитиль должен легко принимать надлежащую форму, с тем чтобы следовать за изменениями формы корпуса тепловой трубы, при этом геометрическая форма фитиля должна обеспечивать получение воспроизводимых характеристик. Фитиль должен быть дешевым. Так называемые гомогенные фитили могут быть разного типа. Это --сетки, пенистые Структуры, войлок, волокна и спеченные материалы. Другой тип фитиля образуют канавки н артериальные фитили, которые могут сочетаться с гомогенными для обеспечения распределения жидкости по периметру. Из всех располагаемых типов гомогенных фитилей наиболее часто используются фитили, выполненные из сетки и ткани саржевого плетения. Они изготовляются с различными размерами пор и из разных материалов, включая нержавеющую сталь, никель, медь и алюминий.. Все более часто применяются гомогенные фитили, изготовленные из металлической ваты, в частности войлочные. Изменяя степень сжатия войлока в процессе сборки трубы, можно варьировать размер полученных пор. Используя удаляемые металлические оправки, можно образовать в теле войлока систему артерий.

В тепловых трубах широко используются также волокнистые материалы, которые обычно имеют поры малого размера. Основной недостаток керамических волокон заключается в их малой жесткости, вследствие чего они обычно требуют применения несущего каркаса, например металлической сетки. В итоге, если сами по себе волокна совместимы с рабочими жидкостями, с материалом каркаса в этом плане могут возникнуть проблемы. Для обеспечения большого расхода жидкости делают из спеченных из разных материалов в виде шариков порошков мелкопористую структуру, при необходимости дополняя ее артериями с повышенными проходными сечениями. При изготовлении тонких продольных каналов используется метод выщелачивания. Такие тепловые трубы с корпусами из меди и алюминия и с канавками на стенке применяются в условиях невесомости. В общем случае канавки не обеспечивают необходимый капиллярный напор в гравитационном поле. Теплопередающая способность таких труб может ограничиваться устойчивостью поверхности жидкой пленки -- срывом влаги. Закрытие канавок сеткой предотвращает этот эффект.

Артериальные фитили. Артериальные фитили следует "применять в высокоэффективных тепловых трубах для космоса, когда градиенты температур в тепловой трубе должны быть сведены к минимуму с целью компенсации неблагоприятных последствий обычно низкой теплопроводности рабочих жидкостей. На 3-3 изображен артериальный фитиль, разработанный фирмой IRD. Внутренний диаметр тепловой трубы составляет всего лишь 5,25 мм. Данная тепловая труба, разработанная для Европейской космической организации (ESRO), была рассчитана на передачу 15 Вт мощности на расстояние 1 м при полном перепаде температур, не превышающем 6°С. Корпус был изготовлен из алюминиевого сплава, рабочей жидкостью служил ацетон .

Конструкция фитиля, использованная в данной трубе, была предназначена для перекачки жидкости вдоль трубы с минимальным перепадом давления. Высокий движущий напор достигался закрытием шести артерий мелкой сеткой. Для полной реализации передающей способности артериального фитиля артерия должна быть полностью отгорожена от парового пространства. Максимальная капиллярная движущая сила в этом случае определяется размером ячеек сетки. Таким образом, в процессе производства требовался высокоэффективный контроль качества изготовления трубы с тем, чтобы артерия была действительно хорошо закрыта, а сетка не имела повреждений.

Далее при проектировании тепловых труб с артериальными фитилями следует обращать внимание на закупорку,артерий паром или газом. Если в артерии образуется или. в нее засасывается паровой либо газовый пузырь где ее передающая способность существенно снижается. Действительно, в том случае, когда пузырь полностью перегораживает артерию, теплопередающая способность трубы оказывается зависящей от эффективного капиллярного радиуса артерии, п е. для трубы будет существовать некое эффективное состояние свободной артерии. Если исходить из этого условия, то для того, чтобы артерия вновь заполнилась, нужно снизить тепловую нагрузку до значений, меньших максимально возможной при состоянии свободной артерии.

При разработке конструкции фитиля и выборе рабочей жидкости для артериальных тепловых труб необходимо иметь в виду следующее:

1. Рабочая жидкость перед заполнением тепловой трубы должна быть тщательно дегазирована с тем, чтобы ввести к минимуму опасность закупорки артерии неконденсирующимися газами.

2. Артерия не должна находиться в контакте с обогреваемой стенкой для того, чтобы предотвратить образование в ней пузырьков.

3. Должно быть предусмотрено наличие нескольких запасных артерий с тем, чтобы допустить некоторую страховку от вероятного возникновения аварийной ситуации в отдельных артериях.

4. Успешное восстановление заполнения артерии в конструкциях, предназначенных для космоса, должно определяться экспериментально при перегрузке в одно так как ожидается, что повторное заполнение в условиях нулевого g окажется более легким.

Корпус трубы

Назначение корпуса -- изолировать рабочую жидкость от окружающей среды. Поэтому корпус должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней его полостью и окружающим пространством, а также обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее.

Выбор материала корпуса определяется следующими факторами:

1) его совместимостью с рабочей жидкостью и окружающей средой;

2) отношением предела прочности к плотности;

3) теплопроводностью;

4) технологичностью, включая свариваемость, простоту механической обработки, пластичность;

5) пористостью;

6) смачиваемостью.

Большинство из этих характеристик не требует специальных разъяснений. Высокие значения отношения предела прочности к плотности более важны для космических приложений. Отсутствие пор в материале необходимо для предотвращения диффузии газа в тепловую трубу. Высокая теплопроводность обеспечивает минимальный перепад температур между источником теплоты и фитилем.



2. Конструирование термосифона

2.1 Выбор конструктивной схемы и технологии

Выбор конструкционной схемы осуществляем на основе принципа совместимости материалов, наглядности и простоты изготовления, и использования

Проблема совместимости уже рассматривалась ранее в связи с выбором рабочей жидкости, материалов фитиля и корпуса тепловой трубы. Однако это проблема первостепенной важности и поэтому заслуживает специального рассмотрения при выборе конструкционной схемы

Два основных эффекта являются следствием несовместимости материалов: коррозия и выделение неконденсирующегося газа. Если материал стенки или фитиля растворяется в рабочей жидкости, то в тепловой трубе возникает перенос массы между конденсатором и испарителем, при этом твердая фаза будет откладываться в последнем. В результате этого процесса либо появятся местные горячие пятна, либо произойдет закупорка пор фитиля. Выделение неконденсирующегося газа, по-видимому, является наиболее типичным индикатором повреждения тепловой трубы. Неконденсирующиеся газы стремятся сосредоточиться в зоне конденсации тепловой трубы, которая постепенно «выключается» из работы, что легко зафиксировать из-за наличия в этом случае резкого скачка температур на границе газ -- пар.

Хотя некоторые данные по совместимости материалов, безусловно, содержатся в обычных научных публикациях, а также в торговых проспектах по химическим веществам и материалам, тем не менее, повсеместно применяемой практикой стало проведение ресурсных испытаний характерных конструкций тепловых труб, основной целью которых является установление совместимости материалов в условиях длительной эксплуатации при рабочих параметрах. В конце этих ресурсных испытаний могут проводиться газовый анализ, металловедческое исследование, а также химический анализ рабочей жидкости .Ресурсные испытания тепловых труб проводились многими лабораториями, в результате опубликовано большое число данных. Однако при этом важно помнить, что данные ресурсных испытаний, полученные в одной лаборатории, могут свидетельствовать об удовлетворительной совместимости каких-то материалов, тогда как иная технология сборки, применяемая в другой лаборатории, включая, например, нестандартные способы обработки материалов, могут в других случаях привести к появлению коррозии или выделению газа. Тем самым появляется необходимость проводить испытания по совместимости материалов всякий раз, когда меняется технология очистки или сборки тепловой трубы.

Нержавеющая сталь является с позиций совместимости подходящим материалом для изготовления фитилей и корпусов труб при использовании таких рабочих жидкостей, как ацетон, аммиак или жидкие металлы. Недостатком нержавеющей стали является ее низкая теплопроводность, поэтому там, где важно последнее свойство, используют медь или алюминий. Медь особенно привлекательна для серийных изделий с водой в качестве рабочей жидкости. В качестве материала корпуса были использованы пластмассы, а при очень высоких температурах обстоятельному рассмотрению подвергались керамика и тугоплавкие металлы, такие как тантал. Для того чтобы обеспечить определенную эластичность стенки тепловой трубы, были использованы сильфоны из нержавеющей стали, а в тех случаях, когда требовалась хорошая электроизоляция;, применяли керамические или стеклянно-металлические прокладки. В последнем случае, естественно, использовались неэлектропроводные рабочие жидкости и фитили

Сравнительный обзор различных комбинаций материалов для диапазона умеренных температур выполнен Бейсьюлисом и Филлером его основные результаты приводятся ниже. органических жидкостей, большая часть которых выпускается фирмой Dow Chemicals (DC).

Испытания на совместимость пары- алюминий -- аммиак продолжались свыше 8000 ч, тогда как для пары алюминий -- ацетон было достигнуто лишь 1008 ч. Для указанных испытаний Бейсьюлисом не приводится область рабочих температур. Тем не менее в настоящее время другими исследователями последняя комбинация проверена в течение более чем 16 000 ч работы.

Позднее в материалах Штутгартской конференции были опубликованы результаты ресурсных испытаний, выполненных в ЩЕ на более чем 40 тепловых трубах. Опыты показали, что тепловые трубы могут работать без ухудшения их характеристик В течение длительного времени (в настоящее время превзойдены 20 000 ч), однако в тепловых трубах нержавеющая . сталь.-- вода наблюдалось сильное газовыделение. Фирма IKE высказала некоторые оговорки относительно использования ацетона в паре с медью и нержавеющей сталью. Хотя эти пары и совместимы, но было подчеркнуто, что необходимо обращать должное внимание по обеспечению надлежащей чистоты как ацетона, так и металла. Аналогичные оговорки сделаны и для метилового спирта.

Всесторонние испытания тепловых труб нержавеющая сталь -- вода были также выполнены в Испре, где опыты проводились до 250°С.

Обнаружилось, что ни изменения условий изготовления, ни добавление большого процента кислорода в газовую пробку не приводили к существенному снижению интенсивности выделения водорода при 250°С. В некоторых случаях водород выделялся в течение двух стартовых часов. В указанных опытах использовалась нержавеющая сталь 316, при этом в плане предотвращения выделения газа оказались неэффективными такие операции, как пассивация стали и дегазация. Все же было найдено, что образование окисного слоя на поверхности стали предотвращает в дальнейшем выделение водорода.

Джеррелс и Ларсон также провели обширные ресурсные испытания тепловых труб, явившиеся частью исследования условий применения этих устройств для спутников. Цель этих исследований состояла в определении совместимости широкой гаммы рабочих жидкостей с алюминием (сплав 6061) и нержавеющей сталью 321. Использованный набор рабочих жидкостей включал в себя аммиак, который был признан приемлемым. Важно, однако, обеспечить очень низкое содержание воды в аммиаке. В паре с алюминием и нержавеющей сталью допустимая концентрация воды, составляет всего лишь несколько миллионных частей.

Основные выводы Джеррелса и Ларсона по совместимости материалов приводятся ниже. Данные получены для следующих жидкостей: н-пентана; н-гептана, беизо-ла, толуола, воды (с нержавеющей сталью 321), фрео-на-11, фреона-ИЗ, СР-32 и СР-34 (экспериментальные жидкости фирмы Монсанто), этилового спирта, метилового спирта, аммиака и я-бутана. В паре с водой использовалась нержавеющая сталь 321.

Все ресурсные испытания проводились с трубами, обеспечивающими возврат конденсата под действием силы тяжести, причем отвод теплоты происходил за счет обдува трубы потоком воздуха, а подвод -- путем погружения ее испарительной части в масляную ванну с регулируемой температурой.

Предварительная подготовка алюминиевого сплава состояла в следующем: предварительное отмачивание в горячем отмывающем щелочном растворе с последующей отмывкой от окислов раствором '112 г сульфита натрия и 150 мл концентрированной азотной кислоты в 850 мл воды в течение 20 мин при температуре 60°С. Кроме того, алюминий либо обтачивался, либо шлифовался в области сварных швов. В тепловые трубы вставлялся сетчатый фитиль из технически чистого алюминия. Корпуса сваривались дуговой сваркой под гелием в специальной сварочной камере, отвакуумированной и продутой инертным газом. После сварки проводилась проверка на отсутствие течей, корпуса также опрессовыва,-лись на давление до 7 МПа. Испытания на давление также сопровождались контролем утечек,

Корпус из нержавеющей стали 391 перед дальнейшей обработкой также отмачивался в горячем отмывающем щелочном растворе и травился в течение 15 мин при 58°С раствором, содержащим концентрированную азотную кислоту (объемная доля 15%), соляную кислоту (5%) и 80% воды. Кроме того, нержавеющая сталь пассивировалась погружением на 15 мин при 65°С в 15%-ный раствор азотной кислоты. В качестве материала фитиля использовалась нержавеющая сталь 316. Корпус сваривался аргонодуговой сваркой.

Дегазация корпуса осуществлялась кипячением.

При применении метилового спирта в процессе заполнения трубы было замечено протекание химической реакции, что безусловно сделало нецелесообразным проведение последующих ресурсных испытаний.

Герметизация корпусов капсул осуществлялась обжатием с последующим погружением сжатого конца в эпоксидную смолу для окончательной заделки.

В опытах были получены следующие результаты.

Пентан: испытан в течение 750 ч при 150°С. Замечены, эпизодические пульсации температуры со случайными отклонениями в 0,2°С. При осмотре капсулы на внутренней стенке обнаружены места измененного цвета (слегка коричневатые), однако сетка фитиля выглядела чистой. Никаких свидетельств коррозии не было найдено. Удаленная из капсулы жидкость была слегка коричневатого цвета.

й-Гелтан: испытан в течение 600 ч при температуре 160°С. После 465 ч работы было замечено некоторое увеличение внутренних сопротивлений, однако после вскрытия капсулы в конце испытаний её внутренность, включая сетку, была чистой, также чистой оставалась рабочая жидкость.

Бензол: испытан в течение 750 ч при 150°С (с кратковременным повышением температуры). Давление паров 0,67 МПа. На стенке обнаружены места с очень слабым изменением цвета, фитиль был чистым, свидетельства коррозии отсутствовали, жидкость была чистой. Сделан вывод о высокой стойкости бензола в сочетании с выбранным алюминиевым сплавом.

Толуол: опыты проводились в течение 600 ч при температуре 160°С. В течение первых 200 ч испытаний наблюдалось постепенное снижение температуры в конденсаторе, однако в последующий период изменения температуры не наблюдались. При вскрытии капсулы на стенке корпуса обнаружены места слегка измененного цвета. По-видимому, это были поверхностные отложения, без каких-либо признаков воздействия на алюминий. По окончании испытаний материал сетки был чистым, а рабочая жидкость прозрачной.

В испытанной тепловой трубе обнаружен также коричневый осадок.

Фреон-1 1: испытаны две капсулы: одна в течение 500 ч при температуре 68°С, другая в течение 500 ч при 95°С. При вскрытии первой капсулы на внутренней ее стенке обнаружены небольшие площадки измененного цвета. Сетка выглядела чистой, а жидкость -- прозрачной. Внутренность второй капсулы была совершенно чистой, а жидкость -- прозрачной.

Ф р е о н -1 13: испытаны две капсулы при тех же температурах и в течение того же отрезка времени, что и образцы с фреоном-11. По окончании испытаний внутренность камер была чистой, а жидкость -- прозрачной.

С Р - 3 2: испытана в течение 550 ч при температуре 158°С. Местами на внутренней поверхности обнаружены коричневые отложения. Сетка чистая, однако рабочая жидкость помутнела.

СР-34: испытана в течение 550 ч при температуре 158°С. Было обнаружено выделение газа. Имелось также обширное местное изменение цвета стенки капсулы вблизи поверхности жидкости. Цвет сетки не изменился.. Жидкость сильно потемнела.

Аммиак: испытан в течение 500 ч при температуре 70°С. После опытов обнаружено некоторое изменение цвета стенки и сетки. Эти изменения были связаны с загрязнением аммиака некоторыми нелетучими примесями, которые могли попасть в капсулу при ее заполнении. В частности, в рабочую жидкость могла попасть смазка вентиля, когда он находился в положении на заполнение капсулы. (Это была единственная испытанная труба, заполнение которой осуществлялось через вентиль.)

я-Бутан: испытан в течение 500 ч при 68°С. Считалось, что в данном случае могло происходить выделение неконденсирующегося газа, однако ухудшение характеристик было связано с некоторым загрязнением «-бутана перед заполнением. Авторы полагают, что загрязняющим веществом мог быть изобутан. Последующие опыты с более чистым «-бутаном дали лучшие результаты, однако полностью от загрязнения избавиться не удалось.

При анализе надежности результатов приведенных ресурсных испытаний Джеррелс и Ларсон приводят следующие соображения: «Следует подчеркнуть, что данные опыты ставили своей целью исследовать совместимоСть определенных сочетаний рабочая Жидкость -- Материал в условиях длительной (пять лет) работы в радиаторе паровой камеры при заданных условиях. Исходные условия следующие: стационарная температура греющей жидкости на входе в радиатор 143°С с кратковременными повышениями ее до 160°С. Действительная температура рабочей жидкости в паровой камере должна быть несколько ниже температуры греющей жидкости, поскольку между последней и поверхностью испарения паровой камеры должен существовать некоторый перепад температур. Согласно оценкам при испытаниях капсул высокотемпературные рабочие жидкости находились при температурах, примерно на 10°С превышающих расчетные максимальные и примерно на 20°С превышающих расчетные стационарные температуры, при которых жидкости будут работать в реальных радиаторах. Длительность работы жидкостей во время испытаний капсул составила всего лишь примерно 1% планируемого срока службы радиатора, однако условия их работы были существенно тяжелее расчетных. Поэтому представляется разумным принять, что если испытания в капсулах определенного сочетания жидкость -- материал не дали отрицательных результатов, то это сочетание может считаться потенциальным кандидатом на его использование в радиаторах со сроком службы пять лет»!

На основании описанных выше испытаний Джеррелс и Ларсон выбрали следующие рабочие жидкости:

для алюминиевого сплава 6061 при температурах не более 150°С -- бензол, «-гептан, и-пентан;

для алюминиевого сплава 6061 при температурах не более 94°С--; фреон-11 и фреон-113;

для алюминиевого сплава 6061 при температурах не более 65°С -- аммиак и «-бутан.

Согласно данным фирмы Dupon скорость коррозии алюминия во фреоне-11 составляет 1,25-10 см/мес при 115°С. Другие исследования [3-37], проведенные на фре-оне-113, показали отсутствие коррозии алюминия при его 100 часовых испытаниях при температуре кипения. Фре-он-113 содержался в сосудах из различных металлов в течение двух лет при 150°С, при степени разложения фреона 0,3--0,4%.