Основы расчета тепловой трубы с капиллярно-пористым фитилем

Общие сведения по тепловым трубам

Тема 4. Теплообменные аппараты (ТА) на основе тепловой трубы

В радиоэлектронной промышленности, компьютерной технике и в космонавтике широко используются теплообменные аппараты на основе тепловой трубы. Впервые идея тепловой трубы была предложена американским инженером Гоглером в 1942 году. Однако только американец Гровер в 1963 году запатентовал ее и поэтому к настоящему времени созданы тысячи модификаций тепловых труб.

Рисунок 4.1 – Принципиальная схема тепловых труб

а) фитильная тепловая труба;

б) термосифон;

в) центробежная тепловая труба.

Тепловая труба представляет собой устройство, обладающее очень высокой теплопередающей способностью. Ее эквивалентный коэффициент теплопроводности в сотни раз больше, чем у меди и у серебра. Конструктивно тепловая труба представляет собой герметичный сосуд чаще всего цилиндрическую трубу, заполненной жидкостью – теплоноситель. Высокая теплопередающая способность достигается за счет того, что в тепловой трубе осуществляется конвективный перенос теплоты, сопровождаемый фазовыми переходами (испарением и конденсацией теплоносителя). При подводе теплоты к одному концу жидкость нагревается, закипает и превращается в пар. При этом она поглощает от греющего теплоносителя скрытую теплоту парообразования, которая переносится паром к другому холодному концу трубы, где пар конденсируется и отдает поглощенную теплоту холодному или нагреваемому теплоносителю. Сконденсировавшаяся жидкость обратно возвращается в зону испарения одним из трех способов:

а) под действием капиллярных сил по фитилю, такие трубы называются фитильные, именно это и называется тепловая труба;

б) под действием сил тяжести (гравитационных сил). Вертикальная либо наклонная труба, такая труба называется термосифоном;

в) под действием центробежных сил. Возврат конденсата за счет центробежных сил. Толщина пленки конденсата в зоне конденсации больше, чем в зоне испарения. На этом принципе основан принцип охлаждения валов крупных электродвигателей, полых турбин.

Термосифоны могут работать только в зоне земного всемирного тяготения, а тепловые трубы могут работать в космосе.

Основные достигнутые характеристики современных тепловых труб:

1. Рабочий диапазон температур от 4 до 2300 К;

2. Скорость передачи теплоты – звуковой предел;

3. Мощность теплоотдачи до 20 кВт/см²;

4. Ресурс работы до 20 000 часов;

В зависимости от интервала используются следующие теплоносители:

Теплоноситель	Температурный интервал, °С	Материал
Гелий	-271…-269	Алюминий, нержавеющая сталь
Аммиак	-60…100	Алюминий, нержавеющая сталь
Фреон 11	-40…-120	Алюминий, медь
Ацетон	0…120	Медь
Вода	30…200	Медь
Ртуть	250…650	Углеродистая и нержавеющая сталь
Натрий	600…1200	Нержавеющая сталь, никель, молибден
Серебро	1800…2300	Вольфрам, молибден

Тепловые трубы широко используются для охлаждения центрального графического процесса, блока питания, микросхем и т. д., персональных компьютеров, т.е. в кулерах. Например, в ПК кулер имеет вид:

Кривая 1 – изменение давление пара по длине трубы (Р_п)

Кривая 2 – изменение давление жидкости (Р_ж)

ΔР_п – перепад давления пара по длине трубы

ΔР_ж – перепад давления жидкости по длине трубы

Кривая 3 – массовый расход жидкости через фитиль

Кривая 4 – капиллярно-пористый фитиль

В любом сечении тепловой трубы разность статических давлений на границе раздела жидкости и паровой фазы (на поверхности фитиля) должна уравновешиваться разностью давлений в капиллярах. Максимальная разность давлений возникает в начале зоны испарения, где вся жидкость покидает фитиль. Работа тепловой трубы возможно при условии, когда суммарные потери давления в тракте пара и жидкости оказываются равными или меньшими движущих сил (капиллярных, гравитационно-массовых):

(1)

σ – коэффициент поверхностного натяжения;

ϴ - краевой угол смачивания жидкостью капилляра;

r_o – радиус поры капилляра;

γ – угол наклона оси тепловой трубы к горизонту.

Для вертикальной трубы γ = 90˚ и sinγ = 1; для горизонтальной трубы (как на рисунке 4.4) γ = 0˚ и sinγ = 0, следовательно, второе слагаемое отсутствует, движение происходит только под действием капиллярных сил.

При стационарном процессе, постоянном удельном тепловом потоке на стенках активных зон тепловой трубы (q_w = const), ламинарных потоках режима движения жидкости и пара, суммарное сопротивление фитиля (ΔР_ж) и парового канала (ΔР_п) можно представить следующим выражением:

(2)

- длина тепловой трубы, м

- длина транспортной зоны, м

- передаваемый тепловой поток пара, Вт

- скрытая теплота фазового перехода, Дж/кг

- поперечное сечение фитиля, м²

- капиллярная проницаемость капиллярно-пористой структуры фитиля

- диаметр парового канала

- поперечное сечение парового канала

Совместное решение уравнения 1 и 2 позволяет определить максимальный тепловой поток, передаваемый тепловой трубой ограниченной капиллярными свойствами тепловой трубы.

…..(3)

Для анализа полученного выражения рассмотрим частный случай (- горизонтальная труба), , тогда максимальныйтепловой поток:

Ф_г – отражает геометрические характеристики тепловой трубы

Ф_т – характеризует теплофизические свойства теплоносителя

Максимальный тепловой поток можно изменить либо геометрией трубы, либо изменением теплоносителя (заменой).

Зависимости 3 и 4 характеризуют лишь теплопередающую способность, ограниченную капиллярными свойствами тепловой трубы.

Существуют и другие ограничения передаваемого теплового потока, связанные с:

1) Ограничением по скорости пара (по звуковому пределу (максимальная скорость пара может быть равна скорости звука)

2) Ограничением по уносу капель жидкости с поверхности фитиля

3) Ограничением по условию кризиса кипения жидкости в испарительной зоне (кризис кипения 1-го рода – это переход от пузырькового режима кипения к пленочному, который сопровождается резким увеличением температуры фитиля).

В различных конструкциях тепловых труб фитиль выполняется в виде:

1. Засыпки

2. Пористого органического вещества

3. Многослойной металлической сетки

4. Металлического войлока

5. Закрытые капилляры

6. Капиллярные вставки

7. Резьбовые канавки

8. Сетчато-канавочные структуры

9. Продольные канавки и т.д.

В общем случае необходимо учитывать совместимость теплоносителя с корпусом и фитилем тепловой трубы. Это связано с тем, что в результате химических реакций или разложения теплоносителя, коррозии и эрозии корпуса и фитиля могут ухудшаться теплопередающие свойства тепловой трубы, следовательно для воды как промежуточного теплоносителя использование алюминия или железа не предоставляется возможным, необходимо использовать медь, никель, титан. Теплоноситель должен быть предварительно дегазирован.

Рассмотрим процесс передачи теплоты от наружной поверхности испарителя к наружной поверхности конденсатора. Этот процесс можно разделить на ряд составляющих.

В зоне испарения тепловой поток Q передаётся от наружной поверхности стенки тепловой трубы с температурой стенки через стенку корпуса путём теплопроводности через фитиль.

Тепловой поток от наружной поверхности к пару передается за счет теплопроводности

- толщина стенки фитиля

- коэффициент теплопроводности стенки и эффективная теплопроводность фитиля (эффективная теплопроводность зависит от пористости, от конструкции и материала фитиля)

- температура наружной поверхности испарения

- температура пара внутри трубы

- площадь поверхности зоны испарения.

Аналогично для зоны конденсации:

- температура наружной поверхности конденсата.

Приняв в 1-ом приближении толщину фитиля в области конденсата и равно толщине фитиля из 5, 6 получаем, что тепловой поток, передаваемого от наружной поверхности зоны испарения через тепловую трубу наружной поверхности зоны конденсации будет рассчитан из выражения:

где термическое сопротивление .

По уравнение 7 можно определить тепловой поток, передаваемый тепловой трубой, зная разность температур поверхности испарителя и конденсатора. После определения плотности теплового потока по формуле 7, надо найти максимальное значение плотности теплового потока по формуле 3,4 и сравнить их между собой. Тепловая труба будет передавать требуемое количество теплоты, если Q по формуле 7 по формуле 3.

Дата добавления: 2013-12-11