晨怡热管  哈尔滨晨怡热管技术有限公司  晨怡热管技术研究所

晨怡热管 2008-4-11 23:58:12

ГЛАВА 1. ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ: СИНТЕЗ СИСТЕМЫ, ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

1.1. ТЕПЛОВАЯ ТРУБА КАК ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА: ФУНКЦИИ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА.

1.1.1. Общая часть.

Впервые термин "тепловая труба" был предложен Гровером Г.М. и использован в описании к пат. США 3 229 759 (02.12.1963, Комиссия по атомной энергии США) и в статье "Устройство, обладающее очень высокой теплопроводностью" (Гровер Г.М. и др. J.Appl. Phys., 1964, 35, р. 1990 - 1991).

Эта статья была первой публикацией по тепловым трубам; в ней излагались предварительные результаты обширной программы исследований, выполненных Гровером с сотрудниками в Лос-Аламосской лаборатории в последующие годы. Рост количества публикаций в первое десятилетие: 1964 - 1, к 1968 - 80, к 1970 - 149, к 1972 - 544; в 1973 в Штутгарте (ФРГ) состоялась 1-я Международная конференция по тепловым трубам (с участием СССР).

Однако патент Гровера не был первым патентом по тепловым трубам. В результате поисков бюро патентов США было выявлено семь других патентов, включая патент Гоглера (1942), близких по технической сущности к пат. Гровера. Несмотря на это патент Гровера был принят.

Впервые идея тепловой трубы была предложена Гоглером (ф-ма Дженерал Моторс корп.) и описана в пат. США 2 350 348 (заявл. 21.12.1942, опубл. 6.06.1944), выданном на холодильный агрегат и его варианты.

Первой фирмой, развернувшей серийное производство тепловых труб (с середины 1964), была RCA; в качестве материала корпуса использовались стекло, медь, никель, нержав. сталь, молибден; в качестве рабочей жидкости - вода, цезий, натрий, литий и висмут; максимальная рабочая температура достигала 1650°С.

Первая статья обзорного характера по тепловым трубам в СССР вышла в 1969 (Москвин Ю.В., Филиппов Ю.А. Тепловые трубы. "Теплофизика высоких температур", 1969., т.7, № 4, с. 766-775 ).

К 1965 была развернута программа исследований Евратома по применению тепловых труб в термоионных преобразователях ядерной энергии (подвод теплоты к эмиттерам 1600°С - 1800°С и отвод теплоты от коллекторов - 1000°С) в Объединенном ядерном исследовательском центре (Испр, Италия).

В 1967 тепловая труба была впервые испытана на космическом спутнике на околоземной орбите (корпус - нержавеющая сталь, рабочая жидкость - вода, электрообогрев), а в 1968 - впервые применена для теплового регулирования спутника "Геос - Б" (две тепловые трубы, корпус -алюминиевый сплав, фитиль - алюминиевая сетка, рабочая жидкость - фреон-11; назначение - снижение до минимума разности температур между ответчиками, расположенными в разных частях спутника).

В последующие годы сфера применения тепловых труб резко расширилась: от авиации, радиоэлектроники и гелиотехники - до бытовой техники и криохирургии. Это объясняется универсальностью применения теплового поля в современной технике в составе теплофизических структур (теполей) - от простых веполей с прямым использованием теплового поля до цепных и сложных веполей с многоступенчатыми процессами преобразования энергии.

Цель использования тепловой трубы в конкретной технической системе диктуется этой ТС (являющейся надсистемой для ТС "Тепловая труба") и обусловлена требованиями главного производственного процесса (ГПП). Тепловая труба является устойчивым высокоэффективным сочетанием нескольких физических эффектов (ФЭ) и, как любой ФЭ, обладает рядом основных и вторичных (побочных) свойств.

Области использования основных свойств можно условно разделить на шесть классов:

1. Теплопередача (нагрев или охлаждение).
2. Пространственное разделение источника и стока теплоты при теплопередаче.
3. Термостатирование.
4. Трансформация теплового потока.
5. Регулирование температуры.
6. Тепловые диоды и выключатели.

Основные достигнутые характеристики современных тепловых труб:

Рабочий диапазон температур	4 - 2300°К
Скорость теплопередачи	звуковой предел
Мощность теплопередачи	до 20 квт/см2
Ресурс работы	20 000 ч

Таким образом, тепловая труба, являясь высокоэффективной и надежной технической системой, перекрывает весь практически значимый для современной техники диапазон температур.

Скорость и мощность теплопередачи даже в самых простых тепловых трубах (рабочая жидкость - вода, температура - 150°C, фитиль - несколько слоев сетки) в сотни раз превышает теплопередачу по медному стержню того же диаметра.

ТТ-1². Гровер на одной из демонстраций принципа действия тепловой трубы, перед журналистами, показал такой впечатляющий опыт: один конец ТТ ввел в электрическую дугу, второй конец опустил в емкость с водой; вода мгновенно закипела. А поливая конец трубы жидким азотом - заморозил воду…

1.1.2. Принцип действия тепловой трубы.

Непосредственным предшественником ТС-ТТ был термосифон, поэтому полезно рассмотреть вначале принцип действия этого устройства.

ТТ-2. Термосифон.

Внутрь корпуса вводят небольшое количество жидкости, откачивают воздух и герметизируют (запаивают). При подводе тепла к зоне испарения жидкость переходит в пар, давление насыщения паров в этой зоне резко повышается, пар движется вверх в зону с меньшим давлением, конденсируется и стекает по стенкам вниз. Необходимым условием работы является отвод тепла от зоны конденсации. Недопустим также перегрев в зоне испарения - может наступить кризис кипения (вся жидкость испарится) и теплопередача пойдет по стенкам термосифона.

Следует отметить, что термосифон способен обеспечить большую мощность теплопередачи даже при малой разности температур между его концами, т.к. скрытая теплота парообразования у жидкостей велика.

Отличительной особенностью этой системы теплопередачи является способ возврата конденсата - под действием гравитационного поля. Поэтому термосифон может работать только тогда, когда зона испарения находится ниже зоны конденсации.

Для обеспечения возврата конденсата в зону испарения при любой ориентации системы теплопередачи потребовалось заменить гравитационное поле каким-то другим, но, желательно, таким же "бесплатным". Это и было осуществлено при изобретении новой системы - тепловой трубы.

ТТ-3 Пат. США 2 350 348 (1942) Тепловая труба Гоглера. Цель изобретения: "... обеспечение поглощения теплоты, или другими словами, испарения жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора".

ТТ использована для отвода тепла из внутреннего отделения холодильника вниз в поддон, заполненный кусками льда. Техническая идея Гоглера не вышла за рамки патента, т.к. фирма General Motors Corp применила другую, более доступную в то время технологию.

Таким образом, в качестве сил поднимающих конденсат против сил гравитации, были использованы капиллярные силы, возникающие при смачивании рабочей жидкостью капиллярно-пористого материала (КПМ) - фитиля.

ТТ-4. Пат. США 3 229 759 (1963) Тепловая труба Гровера.

Корпус из нержавеющей стали, фитиль - проволочная сетка, рабочая жидкость - натрий, литий, серебро.

Это классический тип тепловой трубы с использованием капиллярного эффекта, который обеспечивает независимость положения зоны испарения в гравитационном поле. Однако эта независимость далеко не беспредельна. Поэтому кроме гравитационных (термосифон) и капиллярных (классическая ТТ) сил в современных типах ТТ применяют центробежные, электростатические, магнитные, осмотические и другие виды полей для возврата конденсата.

1.1.3. Конструкция тепловой трубы.

Наиболее распространенный тип тепловой трубы - ТТ Гровера - состоит всего из трех элементов: корпус, рабочая жидкость, КПМ.

Корпус - обеспечивает изоляцию рабочей жидкости от внешней среды, должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами, обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее.

Материал - обычно используют нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, медь, стекло, бронзу; пластмассы (гибкие ТТ), керамику (высокотемпературные ТТ).

Сечение - круглое или прямоугольное.

Диаметр: минимальный диаметр ТТ должен быть таким, чтобы внутренний диаметр зоны транспорта пара исключал действие капиллярных сил, т.е. чтобы паровой канал не превратился в капиллярный; максимальный - принципиальных ограничений не имеет.

Рабочая жидкость:

• обеспечивает главную полезную функцию системы,

   

• должна иметь точку фазового перехода жидкость-пар в требуемом диапазоне рабочих температур,

   

• не должна разлагаться при этих температурах,

   

• должна обладать достаточно большой скрытой теплотой парообразования,

   

• должна хорошо смачивать материал фитиля и корпуса,

   

• должна иметь низкое значение вязкости жидкой и паровой фаз,

   

• должна иметь высокую теплопроводность и высокое поверхностное натяжение.

В зависимости от интервала температур могут быть использованы самые различные вещества приведенные к жидкой фазе - от сжиженных газов до металлов: гелий (-271 ... -269°C), аммиак (-60 ... +100°C), фреон-11 (-40 ... +120°C), ацетон (0 ... +120°C), вода (30 ... 200°C), ртуть (250 ... 650°C), натрий (600 ... 1200°C), серебро (1800 ... 2300°C) и -т.д.

Большое поверхностное натяжение жидкости необходимо для создания достаточно большого капиллярного напора для хорошей работы против сил гравитации. Для хорошего смачивания корпуса и фитиля жидкость должна иметь краевой угол смачивания близким к нулю. Чем выше скрытая теплота парообразования, тем меньше потребуется жидкости. Жидкость с высокой теплопроводностью сведет к минимуму перепад температур между стенкой и поверхностью испарения (тем меньше вероятность возникновения пузырькового кипения на границе фитиля со стенкой корпуса). Чем меньше вязкость жидкости, тем меньше гидравлическое сопротивление ее течению.

Капиллярно-пористый материал (фитиль) - обеспечивает создание капиллярного напора для перемещения жидкости из конденсатора в испаритель и равномерного распределения ее по всей зоне испарения.

К материалу предъявляются противоречивые требования:

• он должен быть мелкопористым для создания максимального напора и он должен быть крупнопористым для увеличения проницаемости (по жидкости); в связи с этим в условиях работы против сил гравитации практически не используется ТТ длиной более 1 м;

   

• слой КПМ вдоль стенок должен быть толстым для увеличения расхода жидкости (увеличение теплопередачи) и должен быть тонким дли уменьшения термического сопротивления фитиля в радиальном направлении (с целью увеличения плотности теплового потока в испарителе).

Наиболее часто используют металлические сетки, металлические ткани саржевого плетения, спеченные металлические порошки, металлический войлок. Металлы: медь, никель, титан, фосфористая бронза, нержавеющая сталь.

1.1.4. Функция, основные свойства и области работы ТТ.

Классическая ТТ имеет одну - главную полезную функцию (ГПФ) -теплопередача в осевом направлении между двумя разделенными в пространстве точками.

Для нормальной работы ТТ необходимо, чтобы режимы работы всех ее элементов не достигали критических величии.

Подвод тепла может осуществляться любым известным способом (открытым пламенем, теплообменом с нагретым телом, электрическим током, ИК-лучами, электронной бомбардировкой и др.). При этом из-за термического сопротивления стенки будет обычный перепад температур между источником тепла и рабочей жидкостью. Температурный предел зависит только от термо- (хладо)-стойкости материала корпуса.

Зона испарения. Плотность теплового потока не должна превышать некоторого значения, при котором может наступить кризис теплоотдачи (осушение фитиля, когда КПМ не успевает подавать новые порции жидкости в зону испарения).

Зона конденсации. Существует два типа конденсации - капельная или, чаще, пленочная. Обычно пар конденсируется на поверхности пленки жидкости. Между этой поверхностью и наружной поверхностью стенки существует небольшой перепад температур (т.е. температура стенки ненамного, но отличается от температуры пара). Поверхность ТТ в зоне конденсации обладает интересным свойством - изотермичностью, т.к. эта поверхность работает практически при постоянной температуре (близкой к температуре фазового перехода пар-жидкость). Если на каком-то участке возникает местный тепловой сток, то количество конденсирующегося в этом месте пара увеличивается и температура поддерживается на прежнем уровне.

Зона транспорта пара. В зоне испарения создается избыточное давление насыщения пара, которое расходуется на разгон пара до осевой скорости, на преодоление силы трения парового потока на поверхности фитиля и на преодоление сил вязкости пара. Вследствие этого, давление по длине ТТ, от зоны испарения падает. В среднем участке трубы давление стабилизируется (адиабатный участок). В зоне конденсации давление восстанавливается почти до величины давления в зоне испарения. Практически, потери давления в простых ТТ связаны только с преодолением вязкостных сил.

Некоторые явления, ограничивающие область работы ТТ.

• Срыв жидкости. Направление движения пара и жидкости в ТТ противоположны. Поэтому на поверхности раздела фитиль - паровой поток на жидкость действуют касательные напряжения - возможен срыв капель. Унос капель жидкости наступит тогда, когда скоростной напор пара превысит силы поверхностного натяжения жидкости. Установлено, что чем тоньше сетка (чем меньше шаг проволочек), тем менее вероятен унос капель;

   

• Ограничение мощности ТТ по вязкости. При низких температурах преобладающими являются силы вязкости в паровом потоке: чем они выше, тем меньше скорость пара и мощность теплопередачи. Установлено, что для увеличения скорости пара достаточно снизить давление (в идеале до нуля) в зоне конденсации, т.е. снизить температуру этого конца ТТ.

   

• Звуковой предел. Снижение давления (температуры) в зоне конденсации и повышение температуры в зоне испарения как бы повышает "разность потенциалов" между концами ТТ, тем самым повышая скорость движения пара. Однако существует физический предел - скорость звука - при достижении которого уже никакое увеличение "разности потенциалов" не приводит к увеличению скорости пара. Достигается состояние, которое носит название "запирание" канала ТТ. При этом, если продолжать и далее уменьшать температуру в зоне конденсации, то ТТ потеряет свойство изотермичности - по ее длине будет наблюдаться значительный градиент температур.

   

• Капиллярное ограничение (ограничение по смачиванию фитиля). При возрастании теплового потока в зоне испарения должен возрастать приток жидкости по фитилю. Предельная величина притока жидкости зависит от типа конструкции фитиля.

   

• Кризис теплоотдачи. Для неметаллических жидкостей характерно возникновение пузырькового кипения в фитиле зоны испарения. Это затрудняет отвод образующегося на греющей поверхности пара через толщу фитиля, а, следовательно, ограничивает мощность теплопередачи (например, предел мощности для воды - 130 кВт/м², для калия - 315 кВт/м².

责任编辑: banye 参与评论