Тепловые трубы. Циркуляция и передача теплоты. Характеристики капиллярных структур

конденсат возвращается в зону испарения под действием гравитационных сил, а не капиллярных, как в тепловых трубах. Поэтому в термосифонах зона испарения должна быть расположена ниже зоны конденсации, тогда как в тепловых трубах зона испарения может быть ориентирована произвольно по отношению к зоне конденсации. В тепловых трубах возможна даже передача теплоты в направлении, противоположном направлению сил гравитации.

При условии, что градиент давления в паре мал, градиенты температур вдоль тепловых труб также могут быть невелики, что приводит к высоким значениям теплопроводности. Эффективная теплопроводность таких устройств может превышать в 1000 раз теплопроводность медного стержня такого же размера. В тепловых трубах с литием в качестве рабочей жидкости и при температуре 1500 °С измеренные значения тепловых потоков составляли 15 кВт/см², Тепловые трубы, в которых передача теплоты производится в направлении, противоположном силам гравитации, могут иметь максимальную длину около 40 см при использовании существующих пористых наполнителей.

Первая статья по тепловым трубам была опубликована в 1964 г. [I]. Когда автор этого раздела работал над книгой по тепловым трубам [2], в его распоряжении было 152 статьи. В настоящее время должно быть опубликовано более 1000 статей и имеются еще две монографии [3, 4].

Кроме высокой эффективной теплопроводности тепловые трубы обладают также гибкостью, могут функционировать как тепловой диод и преобразователь теплового потока, имеют изотермическую поверхность. Поэтому тепловые трубы находят широкое применение в различных отраслях промышленности (табл. 1),

3.10.2. Циркуляция и передача теплоты

Во всех точках вдоль тепловой трубы перепад статического давления фаз на границе раздела паровой и жидкой фаз уравновешен локальной разностью давлений в капиллярах. Условия равновесия имеют вид

py—Pi=2acosa/r.                                 (1)

Поверхность раздела фаз имеет в системе капилляров такой вид, который обеспечивает приведенные условия равновесия, т, е. поверхность раздела фаз будет существовать только и порах радиусом г.

На рис. 1 показано изменение давления, расхода и уровня раздела фаз вдоль тепловой трубы. Максимальная

3.10.6. Характеристики капиллярных структур

Первоначальные капиллярные структуры, которые использовались в тепловых трубах, представляли собой такие материалы, как ткань, стекловолокно, пористый металл и проволочная сетка. Эти структуры будем считать гомогенными, чтобы отличать их от комбинаций различных материалов, которые будем называть композиционными капиллярными структурами.

На рис. 1, а схематически показана гомогенная капиллярная структура. Фитиль прилегает к стенке тепловой трубы таким образом, чтобы обеспечить хороший контакт со стенкой в зоне передачи теплоты. Хороший контакт обеспечивает удовлетворительную теплопередачу ог стенок и к стенкам тепловой трубы. Используются также каналы на стенках (рис. 1, б). Более усовершенствованную структуру представляют собой тонкие экраны (рис. 1, в). Преимущество такой конструкции заключается в том, что уменьшается унос жидкости, текущей в фитиле, паром, который движется из испарителя тепловой трубы к конденсатору. Более важно, что экран может иметь поры малого размера и это позволяет увеличить капиллярный потенциал без существенного увеличения сопротивления в каналах. В [196] приведены результаты испытаний тепловых труб с капиллярной структурой, изображенной на рис. \, б, в, которые показали улучшение характеристик тепловых труб.

Несколько других конструкций капиллярных структур показано на рис. 1, г—з. Структура на рис. 1, з является примером использования артерий, которые позволяют получить низкие сопротивления и перепады давления в жидкости. Структуры на рис. 1, д — ж также имеют низкие сопротивления для течения жидкости.

На рис. 1, ж, з проходы или артерии с низким сопротивлением для потока