Физические основы теплопередачи в тепловых трубах, страница 2

Итак, внутри тепловой трубы происходит сложный процесс взаимосвязанного тепломассопереноса. Даже незначительный перепад температуры на концах тепловой трубы приводит к нарушению динамического равновесия между фазами рабочего вещества, и в полости тепловой трубы возникают два противоположно ориентированных потока: через свободное сечение канала из зоны, испарения в зону конденсации движется поток пара, а по стенке или капиллярной структуре возвращается поток конденсата. В стационарных условиях потоки пара и жидкости взаимно компенсируются , и внутри тепловой трубы создается замкнутый циркуляционный поток рабочего вещества. Интенсивность потока растет по мере увеличения температурного перепада на концах тепловой трубы.

Циркуляция жидкости и пара между зонами испарения и конденсации благодаря наличию теплоты фазового перехода сопровождается возникновением  значительного  направленного теплового потока. Переносимый тепловой поток P тем больше, чем интенсивней поток пара  и чем значительнее удельная теплота парообразования рабочей жидкости r.

Известно, что все жидкости   в  докритической  области  обладают  большой  теплотой парообразования,    поэтому    пространственно разделенный испарительно-конденсационный  теплоперенос на линии насыщения  отличается очень высокой тепловой проводимостью даже при малых перепадах температуры. Количество переносимой теплоты теплопроводностью вдоль тепловой  трубы  по корпусу пренебрежимо мало по сравнению с тепломассопереносом внутри нее.

Рассмотрим основные варианты используемых в настоящее время  капиллярных структур. На рис. 2,а показана капиллярная структура, состоящая из нескольких  слоев свернутой в трубку сетки из металл или стеклоткани. Капиллярная структура на рис. 2,б образована спеканием металлических проволочек малого диаметра  (так называемая металловолокнистая структура). Капиллярная структура может быть также выполнена па внутренней поверхности тепловой трубы в виде продольных канавок (рис. 2,в). Канавки могут быть открыты или закрыты проницаемым экраном (сеткой) от парового пространства.

Выбор рабочейжидкости для каждого уровня температур определяется целым рядом ее физико-химических свойств, а именно: теплопроводностью, теплотой парообразования, вязкостью, температурой замерзания, плотностью жидкости и се насыщенного пара, давлением пара при рабочей температуре и др.

Капиллярные структуры, используемые в тепловых трубах:

а- из нескольких слоев сетки; б- из металлического войлока; в- в виде канавок

1-корпус тепловой трубы; 2- капиллярная структура

В качестве рабочего вещества в тепловых трубах обычно используют : в области отрицательных температур— фреоны, аммиак, сжиженные газы; в области умеренных температур (до 250° С)—воду, спирты, ацетон; в области средних температур (до 900° С) — натрий, калий, ртуть; в Области высоких температур {до 2000° С) — литий, галлий, индий, серебро.

Качество работы тепловых труб существенно зависит от чистоты рабочего вещества. Для улучшения смачивающей способности капиллярной структуры используются особые приемы ее изготовления и очистки поверхности. Тепловые трубы могут быть различных фирм и конфигураций, обычно они стандартизированы по типоразмерам и функциональному назначению или специально изготовлены для охлаждения конкретного объекта.

На рис. 3 изображены тепловые трубы различной формы: плоские (а), гибкие (б), Y-образные (в), в форме змеевика (г). Тепловые трубы характеризуются теплофизическими, конструктивными и стыковочными параметрами. К теплофизическим параметрам относятся: величина теплового потока P[Вт], передаваемого с помощью тепловой трубы от зоны испарения к зоне конденсации при заданных условиях эксплуатации; уровень рабочих температур; термическое сопротивление тепловой трубы между зонами испарения и конденсации R_т [К/Вт]. Термическое сопротивление равно отношению разности средне поверхностных температур стенок корпуса зоны испарения t_SK1 и конденсации   t_SK2 к величине переносимого теплового потока:

Конструктивные параметры определяют внешние и внутренние особенности конструкции тепловой трубы, а именно: конфигурацию н наружные размеры корпуса, испарительной, конденсационной и транспортной зон, толщину материал стенок корпуса, устройство капиллярной структуры.