ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Максимальные удельные тепловые потоки в зоне нагрева тепловых труб. Термические сопротивления при испарении из фитилей из "Физические основы тепловых труб " На рис. 3.3 даны предельные значения удельного теплового потока с плоской поверхности испарения для некоторых теплоносителей тепловых труб, рассчитанные при условии /=1.В фитилях тепловых труб в зоне нагрева свободная поверхность жидкости занимает лишь часть поверхности фитиля и, как правило, эта поверхность изогнута. Поэтому при расчете предельных значений удельного теплового потока необходимо учитывать поверхностную пористость фитиля епов и развитие поверхности за счет искривления. [c.126] Из выражения (3.7) видно, что давление при фазовом переходе может оказаться большим лишь при малой поверхностной пористости и высоких удельных тепловых потоках. Максимальное значение этого давления может достигать половины давления парового потока у поверхности испарения [10]. [c.127] Изменение максимальных удельных тепловых потоков при испарении аналогично (хотя эта аналогия весьма ограниченная) поведению максимальных осевых тепловых потоков в тепловой трубе при последовательном увеличении подводимой мощности в случае интенсивного охлаждения конденсаторной части сначала увеличивается температура поверхности жидкости (связь между мощностью и температурой соответствует кинетическому пределу), а затем наступает осушение фитиля (кризис) из-за капиллярных ограничений. [c.128] Малая теплопроводность неметаллических жидкостей, а также малый размер парового зародыша (см рис 3 4) облегчают вскипание неметаллических жидкостей, приводя к парообразованию внутри фитиля даже при небольших относительно удельных тепловых потоках и частичному осушению фитиля. В тепловых трубах с металлическими теплоносителями вскипание для металлов затруднено вследствие высокой теплопроводности металлических жидкостей и больших размеров паровых зародышей. Оценка по формуле (3.10) показывает, что в фитилях одинаковой толщины при одинаковом давлении вскипание для натрия должно происходить при тепловых нагрузках, на четыре порядка более высоких, чем для воды. Даже при очень больших тепловых нагрузках ( 100 вт/см ) и фитилях значительной толщины (порядка 1 мм) парообразование для металлических теплоносителей может происходить испарением со свободной поверхности жидкости в поверхностных порах фитиля Это и позволяет использовать преимущества составных фитилей в тепловых трубах с металлическими теплоносителями. [c.130] Остановимся, далее, на условиях, при которых возможно вскипание жидких металлов. Эксперименты на ртути [14] показывают, что, когда поверхность нагрева не смачивается жидкостью, кипение начинается при температурах на поверхности нагрева, близких к температуре насыщения. В процессе изготовления тепловых труб с металлическими теплоносителями следует обращать внимание на тщательное смачивание стенки и фитиля теплоносителем. Даже локальное несмачивание стенки в зоне нагрева мол ет привести к преждевременному вскипанию, что для тепловой трубы с составным фитилем грозит выходом ее из строя Для смачивания стенок жидким металлом необходимо выдерживание при повышенных температурах Особое внимание следует обращать на смачиваемость в ртутных тепловых трубах из нержавеющей стали, в которых достижениэ смачивания затруднено. [c.130] В период, предшествующий вскипанию, идет деактивация впадины вследствие растворения газа и за счет удаления окис-ной пленки на все большую глубину. В упомянутых выше работах авторы пытались учесть процессы деактивации, причем эксперименты 21, 23—25] подтвердили многие выводы, полученные при рассмотрении такой модели процесса. Однако модель находится в противоречии со следующими фактами даже при тщательной откачке и очистке установок, длительной приработке, когда можно ожидать полного заполнения впадин щелочным металлом, измеренные перегревы остаются намного ниже тех, которые характерны для спонтанного вскипания в объеме. [c.132] На перегревы при вскипании влияет большое число факторов, которые можно подразделить на факторы, относящиеся к предыстории, и факторы, определяющие процесс в момент вскипания. В соответствии с формулой (3.10) увеличение температуры (давления) ведет к уменьшению перегревов. Однако предварительная выдержка поверхности при повышенных температурах и давлении способствует деактивации центров парообразования и повышает перегревы при вскипании 21, 25]. Влияние шероховатости поверхности согласно работам [22,23] слабо сказывается на перегревах. Чистота жидкого металла влияет на перегрев при вскипании натрия, причем с увеличением содержания окислов перегрев несколько понижается [28]. Ультразвуковые колебания способствуют вскипанию при меньших перегревах. Так, в работе [29] перегрев при вскипании калия был понижен в несколько раз вследствие наложения ультразвуковых колебаний. Влияния нейтронного потока плотностью вплоть до 2Х Х10 1 нейтр см -сек) на перегрев при вскипании натрия в работе [29] не обнаружено. [c.132] Следует отметить, что экспериментальные данные по перегревам в цитируемых выше работах получены в условиях, заметно отличающихся от тех, которые наблюдаются в тепловых трубах опыты проведены при теплосъеме естественной конвекцией и при (как правило) значительно большей загрузке жидкого металла в установку в некоторых опытах над поверхностью жидкого металла имелся инертный газ часть данных получена после длительного кипячения жидкого металла. В тепловых трубах загрузка теплоносителя обычно невелика (до нескольких десятков грамм) и, как правило, нет возможности осуществлять приработку поверхности посредством кипячения. Вследствие непрерывного процесса дистилляции загрязнения накапливаются в относительно узкой области зоны испарения, а мелкопористые капиллярные структуры могут затруднять процесс смачивания и способствовать образованию зародышей пара. Таким образом, вопросы вскипания в фитилях тепловых труб нуждаются в специальном изучении. [c.132] На стенке тепловой трубы получены удельные тепловые потоки до 3-102 вт1см , причем при температуре 815° С удельные тепловые потоки, отнесенные к поверхности канавок, достигали 2Х ХЮ вт1см . На стенке трубы в местах расположения канавок были видны более или менее темные полосы, что указывало на испарение натрия только из канавок. В нижнем диапазоне температур в этих опытах удельные тепловые потоки, отнесенные к поверхности канавок, примерно соответствуют кинетическому пределу (рис. 3.6), отклоняясь от него по мере повышения температуры. Впрочем, это расхождение не выходит за пределы погрешности приближенных данных работы [Ю]. [c.133] Сопоставление опытных данных, полученных при условиях, близких к испарению в вакуум, с расчетными значениями кинетического предела показывает, что коэффициент испарения при такой тщательной очистке паровой камеры и натрия от загрязнений близок к единице [9]. В опытах наблюдался кризисный режим осушения составного фитиля (параметры опыта при температуре стенки 700° С см. табл. 3.1). Расчеты показали, что в этом режиме суммарный перепад давления пар —жидкость был близок к располагаемому капиллярному напору, а перепад давления при фазовом переходе давал наибольший вклад. [c.135] Последующие эксперименты [35] проводили на установке, использующей электронный обогрев (рис. 3.8). Хотя, в отличие от обогрева конденсирующимся паром, при электронном обогреве возникает опасность пережога рабочего участка, при таком способе нагрева допустимо проведение опытов при боле высоких температурах и опыты менее трудоемки. В экспериментах использовались электронная лампа и горизонтальный рабочий участок, разработанный авторами работы [И]. На обогреваемом рабочем участке — донышке — был смонтирован фитиль, с поверхности которого и осуществлялось испарение натрия Донышко изготовлялось посредством вакуумной заливки электролитической меди в стакан из нержавеющей стали. После обработки толщина слоя стали составляла 0,5 мм. Перед началом опытов паровую камеру трижды промывали дистиллированным натрием. При этом ее наполовину заполняли жидким металлом и выдерживали при 600° С в течение 1 ч, затем натрий полностью сливали. [c.135] Отметим, что именно в рабочей области между капиллярными ограничениями и ограничениями из-за вскипания (см. рис. 3.2) могут отводиться самые высокие удельные тепловые потоки при испарении жидких металлов из фитилей. Чтобы эффективно использовать возможности теплоотвода при очень высоких удельных потоках, необходимо дальнейшее теоретическое и экспериментальное изучение упомянутых выше ограничений. [c.138] Если для высокотемпературных тепловых труб процессы парообразования зачастую не ограничивают возможностей технического использования этих устройств, то для низкотемпературных и криогенных тепловых труб ситуация совершенно иная — обеспечение достаточно интенсивного теплосъема в зоне нагрева и уменьшение термических сопротивлений фитилей являются актуальной и сложной задачей. В настоящее время выполнено довольно большое число работ, посвященных изучению тепло- и массопереноса при парообразовании в фитилях низкотемпературных тепловых труб и паровых камер, например [37—48]. [c.139] Многообразие фитилей ведет к разнообразию конкретных условий парообразования. Многие явления характерны как для низкотемпературных, так и для высокотемпературных тепловых труб. Рассмотрим прежде всего парообразование в пористых фитилях, состоящих, например, из нескольких слоев сетки, металлического войлока или пористых спеченных засыпок. Для них в первом приближении можно представить следующую общую двумерную модель [38] (рис. 3.11). Модель состоит из шаров, теплопроводность которых значительно больше, чем теплопроводность окружающей жидкости, и шары соединены между собой с помощью тепловых мостиков, которые поддерживают теплопроводность в направлении У (в середине рисунка мостики не обозначены для лучшей наглядности). Если на месте А стенки действует зародыш пузырьков пара, то пузырьки будут распространяться в направлении, где расстояние между шарами наибольшее. Если перегрев жидкости в направлении К достаточен для того, чтобы пузырек расширился (увеличился) до мениска С, то возникает открытый канал пара между местами А и С. Если же пузырек распространяется вдоль стенки так, что и места зародышей В становятся действующими, то это почти несущественно до тех пор, пока сплошная пленка пара не распространится в направлении X у стенки. Вследствие малой теплопроводности пара в этом случае возможны перегрев и пережог стенки — наступает типичный кризис кипения. Уместен вопрос, какая капиллярная структура наиболее пригодна для достижения больших тепловых нагрузок. Очевидно, что такая, в которой облегчено распространение паровой зоны в направлении У (см. рис. 3.11) и затруднено образование сплошной паровой пленки непосредственно у стенки. С одной стороны, для достижения возможно большего капиллярного давления в тепловой трубе требуются небольшие диаметры капиллярных каналов. С другой стороны, при малых диаметрах каналов больше опасность образования пленки у стены, так как для прохода пара через фитиль требуется большая разность давлений пара между Л и С и, соответственно, должен быть велик перегрев жидкости у стенки. Из-за увеличения сопротивления потоку жидкости нельзя сильно уменьшать толщину фитиля. Для жидкости с плохой теплопроводностью необходимо обращать внимание на хорошие тепловые контакты внутри капиллярной структуры, чтобы обеспечивать хорошую теплопроводность в поперечном направлении. Это достигается спеканием частиц или сеток между собой и стенкой. [c.140] В работе [48] исследовались разнообразные фитили из сеток, войлочных тканей, спеченных металлических нитей и спеченных металлических зерен. Толщина слоя на горизонтальной поверхности нагрева составляла 0,75—2,5 мм. Лучшие результаты были получены с высокопористым металлическим войлоком (боб = 0,82- 0,92). Максимальные удельные тепловые потоки для воды при атмосферном давлении составляли 44 вт/см при перегреве стенки 12° С. Введением в фитиль желобков шириной 1 мм на расстоянии 5 мм друг от друга удалось увеличить максимальные удельные потоки до 57 вт1см . Самые высокие удельные тепловые потоки у фитилей из спеченных сеток составляли 28 вт/см для сеток с размером 170 мкм. Из-за сильного перегрева стенки (175° С) было достигнуто пленочное кипение. [c.141] Попытаемся представить основные модели теплопереноса и парообразования в пористых фитилях, а также изменение процессов по мере увеличения теплоподвода. На рис. 3.14 схематично представлены три такие модели. [c.144] Модель I. Весь фитиль насыщен жидкостью и парообразование идет с его поверхности. [c.144] Модель II. Жидкостью насыщен слой фитиля, непосредственно прилегающий к поверхности нагрева, поверхность раздела пар — жидкость заглублена в пористый фитиль. [c.144] Модель III. Паровая фаза располагается преимущественно у поверхности нагрева. Фитиль насыщен жидкостью главным образом в верхней части, прилегающей к паровому каналу. [c.144] На этом же рисунке качественно дано изменение перепада температур пар — стенка в зависимости от теплового потока для случаев, в которых преимущественно реализуется та илй иная модель парообразования. [c.145] Вернуться к основной статье