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 23:21:37

ТЕМАТИКА ЛАБОРАТОРИИ

 

В связи с развитием ряда областей новой техники вопросы передачи тепла от одних устройств к другим приобрели особую простоту. Наиболее ярко это проявилось в ядерной энергетике, электронике, космической технике и в целом ряде научных исследований. Здесь возникло своего рода противоречие между весами и габаритами основных устройств и устройств, отводящих от них тепло. В последнее время во многих странах (в первую очередь в США и России) усиленно разрабатываются так называемые тепловые трубы (ТТ), которые являются эффективно действующими теплоотводами.

При меньшем весе, тех же размерах и разности температур на их концах, они способны передавать тепла в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз больше, чем сплошные стержни, изготовленные из высокотеплопроводных материалов, таких как медь и серебро.

Классическая тепловая труба (Рис. 1) представляет собой вытянутый в длину герметичный, как правило, тонкостенный металлический сосуд (1), внутренние стенки которого выложены капиллярно-пористым материалом - так называемым фитилём (2). Фитиль имеет малую толщину и пропитан рабочей жидкостью. Внутренний объём (3), свободный от фитиля, заполнен паром этой жидкости и является паровым каналом.

Если один конец тепловой трубы подключить к источнику тепла с температурой Т₁, а противоположенный - к приёмнику тепла с температурой Т₂, которая несколько ниже Т₁, то тепловая труба будет передавать значительное количество тепла Q, которое во много раз больше, чем тепло, передаваемое сплошным стержнем, изготовленным из самых теплопроводных материалов и имеющем те же габариты и такую же разность температур между концами, что и тепловая труба.

Участок тепловой трубы, к которому подводится тепло, является испарителем, а участок, от которого оно отводится - конденсатором рабочей жидкости.

При нагреве испарителя рабочая жидкость испаряется из пор фитиля этого участка в паровой канал. При этом давление пара в этой зоне повышается. В то же время при охлаждении конденсатора давление пара в нём понижается. Под действием возникшей разности давлений пар в паровом канале движется от испарителя к конденсатору, где он конденсируется. Образовавшаяся жидкость впитывается в поры фитиля конденсатора и за счёт капиллярных сил подаётся по порам в испаритель, где она вновь испаряется. Таким образом, тепловая труба работает на принципе замкнутого испарительно-конденсационного цикла.

При температурах вдали от критической скорость пара, как правило, значительно превышает скорость жидкости в фитиле. Высокая теплопередающая способность тепловых труб достигается не только за счёт циркуляции теплоносителя при высокой скорости пара, но и высокой теплоты парообразования и конденсации его.

Таким образом, в тепловых трубах имеет место главным образом не обычная теплопроводность, которая относительно мала, а гидравлический перенос тепла при двух противоположных друг другу фазовых превращениях теплоносителя.

Насосом, который обеспечивает циркуляцию как жидкого, так и парообразного теплоносителя, является фитиль, От его геометрических, теплофизических и гидравлических характеристик зависит теплопередающая способность тепловой трубы. Сюда в первую очередь следует отнести такие параметры как теплопроводность каркаса фитиля, его пористость, распределение пор по радиусам, проницаемость для рабочей жидкости. Эта способность не в меньшей степени зависит от характеристик и самого теплоносителя: давления насыщенного пара, теплоты испарения, вязкости, плотности жидкости и пара, теплопроводности, поверхностного натяжения, смачивания им твёрдых стенок капиллярных каналов фитиля. Все эти параметры зависят от температуры и изменяются вместе с тепловой нагрузкой на тепловую трубу.

Для среднетемпературных тепловых труб в качестве рабочих жидкостей используются такие капельные жидкости как вода, спирты, ацетон, некоторые фреоны и т. д.

Если внешняя задача передачи тепла с помощь тепловых труб решается относительно просто и сводится в основном к теплопередаче на её концах, то внутренняя, связанная с процессами испарения и конденсации в пористой среде, а также с транспортировкой жидкости и пара вдоль тепловой трубы, представляет в ряде случаев большие трудности.

При отсутствии разности температур между испарителем и конденсатором в тепловой трубе нет циркуляции теплоносителя. Такая циркуляция возникает только когда образуется такая разность.

Если считать, что поверхность жидкости в конденсаторе плоская или близкая к ней (а там, как правило, всегда есть, хотя и небольшая «лужа» с плоской поверхностью жидкости), то эта разность температур, в конечном счете, приводит к разности давлений по обе стороны поверхностей вогнутых менисков жидкостей только в испарителе тепловой трубы.

Таким образом, поверхности этих менисков можно рассматривать не только как генераторы пара, но и как поверхности, не пропускающие пар обратно в жидкость.

Мениски в испарителе - это тепловой капиллярный насос, работающий при разности температур и фазовых превращениях. Разность давлений, которую он создаёт, обеспечивает всю гидравлику тепловой трубы.

Основное (гидравлическое) уравнение тепловой трубы без учёта изменения количества движения и гравитационного воздействие на течение пара в виду его малой плотности, может быть представлено в виде:

где DPmax - максимальный капиллярный напор (абсолютная величина разности капиллярных давлений), которую может создавать фитиль данной тепловой трубы на данном теплоносителе при данной температуре. Самое высокое давление в тепловой трубе - это давление пара над менисками в испарителе, а самое низкое давление в тепловой трубе - это давление жидкости под этими же менисками в испарителе. DPg - разность гидростатических давлений жидкости в порах фитиля между концами тепловой трубы. Считается, что аналогичные потери в паре отсутствуют из-за его малой плотности. DPж - гидравлическое сопротивление (потери на трение) при движении жидкости по фитилю. DPп - гидравлическое сопротивление при движении пара в паровом канале.

В стационарно работающей тепловой трубе всегда сумма потерь давлений равна разности капиллярных давлений DP, которое обязательно в данном случае и создаёт фитиль, то есть:

Гидравлические сопротивления DPж и DPп проявляются только во время работы тепловой трубы и возрастают при увеличении её длины и передаваемой мощности. Поэтому в неработающей тепловой трубе эти гидравлические потери, имеющие место только при движении теплоносителя, отсутствуют, то есть DPж =0, DPп=0 и DP= DPg. Величина DPg возрастает при увеличении превышения испарителя над конденсатором и становится максимальной, когда тепловая труба находится в вертикальном положении, то есть когда её испаритель находится «вверху».

В неработающей тепловой трубе малого диаметра, расположенной в поле тяжести горизонтально DPg=0, DPж=0, DPп=0 и DP=0.

В любом случае, чтобы тепловая труба могла работать, должно соблюдаться условие DP <= DPmax, то есть всегда должен иметься запас в разности давлений, которую может создать фитиль. Величина DPmax зависит от рода жидкости, материала фитиля, диаметров его пор и температур. DPmax - это максимальный напор, который может создавать капиллярный насос на выбранной рабочей жидкости и казалось бы надо стремиться к его увеличению. DPmax есть важная потенциальная характеристика фитиля, но она отражает только одну сторону - способность создавать разность давлений. Но с другой стороны увеличение DPmax может быть осуществлено только путём уменьшения диаметров капиллярных каналов, что приведёт к увеличению гидравлического сопротивления DPж. При этом увеличение DPmax происходит значительно медленнее, чем увеличение гидравлического сопротивления трения DPж.

Поэтому для данных размеров фитиля имеется оптимальный диаметр капиллярных каналов, который уменьшать нельзя. В противном случае снизится мощность или повысится разность температур между испарителем и конденсатором.

В наиболее общем случае, когда вогнутые мениски есть не только в испарителе, но и в конденсаторе, а сами мениски имеют правильную сферическую поверхность (то есть одинаковые главные радиусы кривизны, что в реальных структурах маловероятно), то для данной жидкости, температуры и радиусов капиллярных каналов максимальная разность капиллярных давлений на основании уравнения Лапласа может быть представлена в виде (рис. 2):

так как r=R·CosQ, где s - коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-пар, который уменьшается при повышении температуры примерно по линейному закону и при Ткр равен нулю.

Rи, Rк - радиусы кривизны менисков в испарителе и конденсаторе. Если центр кривизны находится вне жидкости, то радиус считается отрицательным. Чем меньше R, тем ниже давление жидкости под мениском по сравнению с плоской поверхностью. r_пи, r_пк - средние радиусы пор (капиллярных каналов) в испарителе и конденсаторе. Qи, Qк - краевые углы смачивания в испарителе и конденсаторе - углы между касательными к жидкости на краю менисков и твёрдой стенкой, залитой жидкостью.

Чем меньше Qи и больше Qк, а также чем меньше Rи и больше Rк, тем выше DPmax.

При увеличении тепловой нагрузки Q вогнутые мениски в испарителе прогибаются сильнее, их кривизна увеличивается, а радиусы кривизны Rи уменьшаются и стремятся к радиусам пор (капиллярных каналов). При этом краевые углы в испарителе Qи также уменьшаются, а отрицательное давление Лапласа на жидкость увеличивается, а давление под её поверхностью уменьшается. При этом вогнутые мениски в конденсаторе уменьшают свою кривизну, краевые углы увеличиваются, отрицательное давление Лапласа уменьшается. Поэтому абсолютная величина разности капиллярных давлений, всегда равная величине потерь, увеличивается.

При дальнейшем увеличении нагрузки мениски в конденсаторе становятся близкими к плоским (R_ꮥ), второй член в уравнении (3) обращается в ноль, а капиллярный напор становится равным

Практически в тепловой трубе всегда есть некоторый избыток жидкости, который в вертикально работающей трубе находится в конденсаторе. Поэтому поверхность жидкости в конденсаторе можно считать близкой к плоской, а повышение разности капиллярных давлений DP происходит только за счёт увеличения кривизны менисков в испарителе. Дальнейшее увеличение DP при данном радиусе пор r_пи возможно только путём улучшения смачивания фитиля. При полном смачивании

При увеличении тепловой нагрузки на тепловую трубу температура повышается, величина s, а следовательно и DPmax уменьшаются, а потери по пару и жидкости DP при этом возрастают и стремятся к своему максимальному значению DPmax. Когда DP=DPmax дальнейшее увеличение нагрузки становится невозможным.

Улучшение работы классической тепловой трубы путём уменьшения радиуса пор малоэффективно, так как уменьшение радиуса пор при тех же размерах фитиля приводит к одновременному увеличению DP и уменьшению DPmax.

Значительное увеличение длины классической тепловой трубы даже при работе в горизонтальном положении наталкивается на определённые трудности, связанные с одной стороны с увеличением потерь, как по пару, так и по жидкости, что снижает предельную мощность, а с другой - с изготовлением и монтажом длинных фитилей, особенно в том случае, если тепловая труба имеет изгибы корпуса.

Особые трудности в трубах первого поколения возникают когда передача тепла должна производиться по направлению поля тяжести, то есть когда испаритель находится «вверху» или при других ускорениях, направленных против движения жидкости.

В этом случае классические трубы даже малой длины малоэффективны - у них сильно снижаются плотности как осевых, так и радиальных потоков тепла. Основная причина состоит в том, что при такой ориентации тепловых труб неизбежно добавляются гидростатические потери давления в виде DPg=r_ж·g·h (6), где r_ж - плотность жидкости, h - «высота» тепловой трубы, g - ускорение силы тяжести. Эти потери не зависят от поперечного сечения фитиля. Уменьшать эти потери не представляется возможным. При этом, как правило, гидростатические потери в паре r_п·g·h из-за малой его плотности, не учитываются.

Для подъёма жидкости на высоту h приходится применять более мелкие поры. В этом случае гидравлические сопротивления трения (DPж) значительно возрастает и не только из-за уменьшения диаметров капиллярных каналов, но и ещё и за счёт увеличения длины фитиля. Дальнейшее уменьшение диаметров капиллярных каналов при тех же размерах (длине) фитиля практически не приводит к увеличению мощности тепловой трубы. Причина заключается в том, что увеличение напора DPmax при уменьшении этих диаметров происходит значительно медленнее, чем увеличение гидравлического сопротивления фитиля DPж - разность капиллярных давлений обратно пропорциональна диаметрам пор, а гидравлическое сопротивление трения при ламинарном течении жидкости по фитилю обратно пропорционально более чем второй степени этих диаметров.

Но тем не менее увеличение длины тепловых труб, передающих теплоту по направлению поля тяжести, всё же возможно. Но для этого должна быть изменена их конструкция. Поскольку гидростатические потери давления уменьшать нельзя, то конструкция тепловой трубы должна быть такой, при которой увеличение длины тепловой трубы, передающей теплоту по направлению поля тяжести при той же её мощности или увеличение мощности при той же длине тепловой трубы, осуществлялось за счёт увеличения разности максимального капиллярного напора DPmax и гидравлических потерь в жидкости DPж, то есть путём увеличения величины DPmax - DPж. Это может быть достигнуто при одновременном увеличении как разности капиллярных давлений DPmax, так и при уменьшении DPж. Увеличение DPmax на той же рабочей жидкости возможно только путём уменьшения диаметров капиллярных каналов, а уменьшение потерь на трение DPж (при таком же уменьшении диаметров этих каналов и при том же поперечном сечении фитиля) возможно только при значительном уменьшении длины фитиля. Очевидно последнее в тепловых трубах первого поколения без уменьшения их длины просто не возможно.

Таким образом, задача передачи тепла по направлению поля силы тяжести приводит к такой конструкции тепловой трубы, в которой мелкопористый фитиль, создающий необходимый и достаточно большой капиллярный напор, должен обладать малым гидравлическим сопротивлением по жидкости, то есть иметь небольшую длину (толщину), а следовательно находиться только в испарителе.

Конструкции таких тепловых труб были разработаны в 1971 году на кафедре молекулярной физики физико-технического факультета Уральского политехнического института им. С. М. Кирова (ныне Уральского государственного технического университета) а городе Свердловск (ныне Екатеринбург).

 

Это тепловые трубы с раздельными каналами для пара и жидкости. Один из вариантов такой конструкции представлен на Рис. 3. Тепловая труба состоит из герметичного корпуса, содержащего испаритель 1, к которому присоединяется источник тепла, конденсатор 2, который подключается к приёмнику тепла. Испаритель и конденсатор соединены между собой паропроводом 3 и конденсатопроводом 4. Обычно паровой канал 3 и жидкостный канал 4 - это пустотелые трубки небольшого диаметра. Мелкопористый фитиль 5 имеется только в испарителе. Он плотно посажен в корпус последнего. Откачка воздуа и заполнение трубы теплоносителем осуществляется через штуцер 6.

Фитиль имеет пароотводные микроканалы 7, расположенные радиально и паросборные каналы 8, расположенные вдоль испарителя. Продольные паросборные каналы могут быть выполнены в виде пазов 9 между рёбер на внешней поверхности фитиля. Для приёма жидкости во время работы имеется компенсационная полость 10. Количество рабочей жидкости, заправляемой в трубу таково, что при пропитанном фитиле она при вертикальном положении трубы находится на уровне А-А. Это исключает вероятность отрыва жидкости от фитиля.

При подводе тепла к испарителю давлением пара паровой канал и конденсатор освобождаются от жидкости, которая поступает в компенсаторную полость. Объём компенсаторной полости и прилегающих к ней деталей таков, что она может полностью принимать эту жидкость.

Было разработано и испытано на различных жидкостях более десяти конструктивных вариантов таких тепловых труб. При этом изменялась длина тепловых труб, размеры испарителя, размеры и форма конденсаторов. Иногда их внешняя сторона делалась оребрённой. В ряде конструкций компенсационная полость размещалась в «нижней» части испарителя, стенки этой полости и конденсатора иногда покрывались крупнопористым материалом, в ряде случаев к основному мелкопористому фитилю присоединялся небольшой крупнопористый фитиль. последнее позволяло несколько уменьшить объём заправляемой жидкости.

Но в основном эти изменения касались испарителя: изменялось количество и размеры как микроканалов, так и каналов для сбора пара, а так же толщина запорной стенки фитилей. Изменялась пористость и структура самой массы фитилей, а следовательно их проницаемость. При этом полная длина тепловых труб составляла 60-150 см, диаметр парового канала был 5-6 мм, а жидкостного около 3 мм. Диаметр испарителей изменился от 15 до 30 мм, а их длина от 60 до 120 мм. В зависимости от длины тепловых труб, теплоносителя и передаваемой мощности разность температур между испарителем и конденсатором колебалась от нескольких десятков до нескольких градусов. Опыт показал, что длина таких тепловых труб при работе в горизонтальном положении может составлять несколько метров.

Фитили изготовлялись из карбонильных порошков никеля путём прессования в цилиндрических прессформах при давлениях 800-900 кг/см². Используемые порошки имели 80% частиц размером от 1 до 20 мкм. Карбонильные порошки имеют форму частиц близкую к овальной в отличии от никелевых электролитических порошков, у которых форма частиц папоротниковообразная и которые после прессования дают более высокую закрытую объёмную пористость, а следовательно более высокое гидравлическое сопротивление.

В шихту карбонильных порошков в качестве наполнителя добавлялась мочевина CO(NH₂)₂ в количестве от 10% до 40% со средним размером частиц около 30 мкм. Температура плавления мочевины около 133°С. Применение мочевины позволяло изменять открытую пористость фитилей в широких пределах: от 40% до 75%. К тому же мочевина является хорошей смазкой, уменьшающей трение между стенкой прессформы и деталью. Это облегчает как само прессование, так и извлечение этой детали из прессформы.

Спекание фитилей производилось в кварцевой капсуле, которая подключалась к насосу через фильтр. В течении 4-5 часов температура медленно поднималась до 800-900°С. Во время спекания мочевина испаряется и до температуры 500°С среда в капсуле является восстановительной. Эту среду создают такие продукты разложения мочевины как водород и окись углерода. Поэтому в значительной степени спекание порошка происходит по чистому металлу.

Спечённые заготовки фитилей являются достаточно прочными - они обтачиваются на токарном станке и в них выполняются необходимые отверстия. После охлаждения в жидком азоте изготовленные фитили плотно вставляются в корпус испарителя.

В таких конструкциях тепловых труб не только увеличивается длина теплопереноса, и уменьшается длина фитилей, но благодаря наличию компенсационной полости и тонкой запорной стенки, отделяющей пар от жидкости, последовательное питание фитилей жидкостью заменяется на питание близкое к параллельному.

Кроме этого из-за малых размеров фитилей упрощается технология их изготовления и монтаж в корпус тепловой трубы.

Наличие раздельных каналов позволяет исключить тормозящее действие пара на встречный поток жидкости и нежелательный её обогрев паром. Последнее уменьшает величину бесполезного обогрева жидкости, который и без того образуется из-за потерь давления в ней.

Наличие разделительных каналов позволяет в случае необходимости охлаждать жидкость после её конденсации, регулировать мощность тепловой трубы с помощью вентиля, который можно устанавливать на паровом канале.

Такая конструкция также позволяет придавать испарителю и конденсатору желаемую форму, обеспечивает возможность изгибания тепловой трубы при её изготовлении, монтаже и эксплуатации, позволяет ослаблять передачу вибрации от одного её конца к другому, если какую-то часть этих каналов выполнять в виде змеевиков.

Раздельные каналы могут быть выполнены из диэлектрического материала, позволяющего электрически изолировать испаритель и конденсатор. Окончательное отключение тепловых труб (отпайка штуцера 6) от заправочного стенда производилась после её работы в течении нескольких часов. Все детали труб за исключением фитилей были выполнены из нержавеющей стали.

责任编辑: banye 参与评论