Учебное пособие 1106

где Rконд − радиус кривизны мениска в зоне конденсации,

м.

На поверхности мениска в зоне испарения происходит унос массы, а на поверхности мениска в зоне конденсации − приток массы. Это приводит к тому, что жидкость движется по фитилю из зоны конденсации в зону испарения.

Таким образом, теплоноситель в тепловой трубе движется по замкнутой траектории.

Учитывая потери давления на трение и на преодоление действия массовых сил при движении среды, записывают

где (∆pтр+∆pм)ж − потери давления жидкости на трение и на преодоление действия массовых сил, Па; ∆pп − потери давления пара над мениском, Па.

Следствием несоблюдения последнего условия является высыхание фитиля и нарушение в работе тепловой трубы.

Передаваемая тепловая мощность тепловой трубы дается выражением

где m – массовый расход рабочей жидкости (теплоносителя), кг/с; r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг.

Для характеристики эффективности теплопереноса тепловой трубой используют эффективную теплопроводность, которую определяют по формуле

29

где А – площадь поперечного сечения тепловой трубы, м2; gradT – продольный градиент температуры, К/м.

3.2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

Тепловые трубы классифицируют по температурному диапазону:

1)4-110 К; теплоносителями являются кислород, азот и гелий; низкая способность передачи тепла; области применения крайне ограничены;

2)230-500 К; теплоносителями являются вода, спирты, фреоны и аммиак; в основном находят применение в аэрокосмической технике, а также в системах обеспечения жизнедеятельности и системах терморегулирования космических аппаратов;

3)700-1500 К; теплоносителями являются жидкие щелочные металлы (литий, натрий, калий); применяются для охлаждения коллекторов термоэмиссионных преобразователей энергии;

4)свыше 1500 К; теплоносителями являются серебро (до 2600 К), свинец (до 2100 К) и барий (до 1900 К); используются

вядерных реакторах.

3.3.ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ

Факторы, ограничивающие теплопередающую способность трубы:

1. Капиллярное давление, создаваемое пористым фильтром. Повышение подводимой тепловой нагрузки требует уве-

30

личение массового расхода теплоносителя, с которым капиллярный насос может не справиться.

2.Звуковой предел для скорости пара. Рост тепловой нагрузки приводит к возрастанию скорости пара вплоть до скорости звука, при которой в непрофилированном канале возникает эффект звукового запирания.

3.Предельный тепловой поток в зоне испарения. Высокий тепловой поток в зоне испарения может привести к высыханию мениска, в результате чего прекращается поступление жидкости и происходит выход температуры тепловой трубы за пределы заданного температурного диапазона.

3.4.ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Схема экспериментальной установки показана на рис. 3.2

Рис. 3.2. Экспериментальная установка

31

Стержень из алюминиевого сплава имеет длину 500 мм и наружный диаметр 20 мм.

Одни концы тепловой трубы и стержня находятся в омическом нагревателе мощностью Q, а другие − в холодильнике, представляющем собой резервуар с охлаждающей водой. Нагреватель имеет две одинаковые электрические спирали, поэтому расходуемая им мощность на нагрев тепловой трубы и стержня равна Q/2. На внешних поверхностях тепловой трубы и стержня вдоль оси располагаются шесть хромель-копелевых термопар.

Номера термопар и соответствующие им координаты, мм, отсчитываемые от границ зон нагрева и адиабатных зон, показаны в табл.

Таблица Номера термопар и соответствующие им координаты

Показания термопар регистрируются 12-канальным самописцем типа КСП и отмечаются на движущейся диаграммной ленте пронумерованными точками, номера которых совпадают с номерами термопар.

3.5.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1.Включить КСП. Рекомендуемая скорость движения диаграммной ленты составляет 600 мм/ч.

2.Включить нагреватель на мощность 80 Вт.

3.Через 20 мин залить холодную воду в холодильники.

4.Через 10 мин выключить экспериментальную установ-

ку.

5.Снять с КСП построенную диаграмму температур.

32

3.6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Построить зависимости температуры от координаты термопар и определить значения средних градиентов температуры для тепловой трубы и стрежня.

Температура t является функцией координаты точки на

Методом наименьших квадратов определить градиенты температур вдоль тепловой трубы и стержня. Температура за-

где x – координата горячего спая термопары. Вид этой зависимости показан на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость t от x: точки − эксперимент, сплошная линия − расчет

Чтобы найти коэффициенты α и β, составляют систему уравнений

33

Коэффициент α = t, когда x = 0. Коэффициент ддxt −

градиент температур. Работа ограничивается пятью точками измерения температуры как для тепловой трубы, так и для стержня. Показания термопар 6 и 12 в обработке не учитываются.

Затем рассчитывают коэффициенты α и β

α = − 0,245t1 − 0,0718t2 + 0,217t3 − 0,449t4 + 0,651t1, (3.12)

34

2. Вычислить плотности тепловых потоков, которые передаются тепловой трубой и стержнем

где D – наружный диаметр тепловой трубы, м.

3. Найти среднюю температуру стержня

35

6. Сравнить эффективную теплопроводность тепловой трубы со средней теплопроводностью стержня. Проанализировать полученные результаты.

3.7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дайте определение понятию «тепловая труба».

2.Что обеспечивает движение жидкости в тепловой трубе из зоны конденсации в зону испарения?

3.Какие факторы ограничивают теплопередающую способность тепловой трубы?

4.Может ли тепловая труба работать в условиях невесо-

мости?

36

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Теплофизика двухфазных сред» / МГТУ им. Н.Э. Баумана; сост. Д.Н. Морской, В.В. Школа. – Москва,

2014. 36 с.

37

38