Охлаждение с помощью тепловых труб

Тепловые трубы (ТТ) представляют собой сравнительно новый тип устройства для пространственного переноса тепла (тепловод) при малом градиенте температуры. Согласно стандартному определе­нию тепловая труба - испарительно-конденсационное герметичное устройство с использованием ка­пиллярных сил, служащее для передачи теплоты и работающее по замкнутому циклу. В отличие от других систем подобного принципа действия - типа рекуперативных теплообменников с промежуточным теплоносителем - в ТТ передача теплового потока на расстояние от источника к стоку осуществляется без дополнительных энергозатрат на циркуляцию промежуточного энергоносителя.

Конструкции ТТ сегодня весьма разнообразны в зависимости от области применения, вписываемости в конструкцию охлаждаемого устройства и устройства для рассеяния отводимого тепла, условий размещения. Принцип действия ТТ рассмотрим на примере ее прос­тейшего исполнения цилиндрической формы (рис. 4.18). ТТ представ­ляет собой полую запаянную с обоих концов металлическую трубку (I), внутренняя поверхность которой представляет собой капил­лярно-пористую структуру – фитиль (2). Фитиль пропитан легко испаряющейся в данных условиях жидкостью. Левый участок трубы – испаритель I (длиной - рис. 4.18) – плотно (с малым тепло­вым сопротивлением) соединен с охлаждаемым элементом или конст­руктивно интегрирован с ним. Жидкость в порах испарителя под действием отводимого тепла охлаждаемого элемента испаря­ется и в виде пара по внутреннему отверстию (паровому каналу - II) под давлением пара направляется к правому концу ТТ – конденсатору III (длиной ), имеющему температуру, меньшую температуры кон­денсации пара. Пар, отдавая свое тепло, конденсируется, и обра­зующаяся жидкость капиллярными силами направляется по фитилю к левому, нагретому концу трубки, где испаряется, и процесс пов­торяется. Так осуществляется замкнутый процесс переноса тепла от охлаждаемого устройства (испарителя) к находящемуся за его пределами конденсатору, соединенному с рассеивателем тепла (имеющему развитую поверхность охлаждения или охлаждаемому любым другим известным способом) и отводящему поток тепла .

Рис. 4.18. Принципиальная схема цилиндрической тепловой трубы: I - зона испарения; II - фитильная (транспортная) зона; III - зона конденсации

Переносимым тепловой поток тем больше, чем интенсивней поток пара (где – масса пара), который в свою очередь растет по мере увеличения температурного перепада на концах ТT, и тем больше, чем больше удельная теплота парообра­зования рабочей жидкости. Возвращение потока жидкости (где – масса конденсата) по фитилю в зону наг­рева происходит под действием сил поверхностного натяжения. Поэтому транспортировка жидкости может происходить как в поле сил тяжести, так и при его отсутствии, т.е. работоспособность ТТ сохраняется и в условиях ее использования в невесомости, в частности, для космических ЛА (КЛА).

Сама конструкция фитиля ТТ может быть различной: это или приваренная к внутренней поверхности ТТ, состоящая из нескольких слоев свернутая в трубку сетка из металла или стеклоткани с ячейками 0,03-0,2 мм в зависимости от материала сетки и теплоно­сителя, или на внутренней поверхности ТТ имеются нарезанные про­дольные канавки трапециевидного, прямоугольного или треугольного профиля. Если нежелательна передача тепла с наружной поверхности фитильной части ТТ (длиной ) в окружающую среду, то они по­крываются тепловой изоляцией (как это показано на рис. 4.18). Иногда фитильная часть ТТ разделяется на две отдельные трубки – паровую и фитильную (возвратную). Поперечное сечение ТТ может иметь любой профиль, а сама ТТ иметь удобную для размещения форму и изгибы по месту использования в конкретном объекте.

Поскольку температуры испарения жидкости и конденсации пара практически равны, то теплопередача от испарителя к конденсатору происходит при очень малой разности температур, определяемой тепловыми сопротивлениями в местах подвода тепла к испарителю и отвода тепла от конденсатора. Температура охлаждаемых изделий, а следовательно, и рабочая температура ТТ могут быть различными: от криогенных температур до очень высоких.

Соответственно рабочим температурам выбирается и рабочее вещество – теплоноситель ТТ. Для области отрицательных температур используют в качестве теплоносителя фреоны, аммиак, сжиженные газы, для умеренных тем­ператур (до 250°C) – воду, спирты, ацетон, для средних (до 300°C) – ртуть, натрий, калии, а для высоких температур (до 2000°C) – литий, галий, индий, серебро и др.

Применение ТТ, как способа передачи тепла, началось сравни­тельно недавно в первую очередь для космической техники.

Направление передачи тепла в ТТ в простейшем случае обрати­мо, т.е. испаритель и конденсатор могут меняться местами. Однако путем усложнения конструкции теплопередача может быть и однонап­равленной – дискретно регулируемой. ТТ работает в этом слу­чае в режиме термодиода. Необходимость в термодиоде возникает в случае, если источник потерь периодически отключается, а внешние потоки тепла у конденсатора сравнимы с потерями охлаждаемого устройства.

Были предложены также различные конструкции ТТ и с плавным регулированием. Простейшей конструкцией таких ТТ является газо-регулируемая тепловая труба (ГРТТ) – рис. 4.19. Во внутреннюю по­лость такой ТТ вводится газ, не конденсирующийся в условиях рабо­чих температур данной трубы. Этот газ давлением пара теплоноси­теля вытесняется в зону конденсации и в специальный резервуар, соединенный с внутренней полостью ТТ (баллон справа ТТ на рис. 4.19), где он и скапливается. Между газом и паром устанавливает­ся четкая граница. На длине зоны конденсации , занятой газом, конденсации пара теплоносителя и теплопередачи не происходит (передача тепла вдоль ТТ ничтожно мала по сравнению с радиальной). Если потери охлаждаемого устройства возрастут, это приведет к росту температуры вдоль всего тракта теплопередачи, в том числе и пара теплоносителя, возрастет давление пара, граница раздела газа и пара сместится к резервуару газа, увеличится длина конден­саторной части ТТ, занятой паром и, следовательно, увеличится отдаваемый в окружающую среду тепловой поток. В итоге ограничи­вается перепад температур на всем пути передачи тепла и, главное, уменьшаются колебания температуры охлаждаемого элемента при из­менении потерь в нем. Таким же образом ограничиваются колебания температуры охлаждаемого элемента при изменении условий охлажде­ния конденсатора. Если же в резервуаре с неконденсирующимся газом установить, например, нагреватель, управляемый системой авто­матического регулирования, то температура охлаждаемого устройст­ва может регулироваться и поддерживаться более точно.

Рис.4.19. Схема газо-регулируемой тепловой трубы (ГРТТ): 1 – резервуар с неконденсируемым газом (НКГ); – длина зоны, занятой НКГ

Все большему использованию ТТ способствует ряд их очевидных преимуществ:

§ большая теплопроводность, в сотни и тысячи раз превышающая теплопроводность стержней такого же сечения из самых тепло­
проводных материалов - меди и серебра;

§ возможность работы в широком диапазоне температур: от
близких к абсолютному нулю до предельно высоких (тысячи градусов);

§ простота конструкции, отсутствие движущихся частей, долговечность, бесшумность, простота обслуживания;

§ возможность работы при отсутствии сил гравитации (при не­
весомости);

§ отсутствие затрат дополнительной энергии на циркуляцию
хладоагента, для этого используются потери охлаждаемого устройства;

§ возможность отвода тепла из труднодоступных мест и рассеивания его в удобном месте вдали от источника потерь;

§ легкая трансформируемость и вписываемость в конструкцию охлаждаемых или нагреваемых устройств.

Однако существует и немало ограничений, затрудняющих ис­пользование ТТ: сложность изготовления капиллярных структур и сопряжения их с внутренней поверхностью ТТ, необходимость согла­сования свойств материалов корпуса, капилляров и теплоносителя, сложность заправки ТТ, высокая стоимость, за счет технологии.

Наиболее широкое применение ТТ находят ныне на КЛА, где они наиболее просто решают задачи передачи тепла, и для которых они преимущественно пока и развиваются. Известны при­менения ТТ и для охлаждения отдельных узлов в сверхзвуковой ави­ации: на самолете "Конкорд" они использованы для охлаждения ко­лодок шасси, в одном из сверхзвуковых самолетов - для охлаждения передних кромок крыла. Достаточно широко используют ТТ для охлаж­дения и термостатирования как комплексов, так и отдельных уст­ройств и сборок радиоэлектронной аппаратуры. Существуют разработ­ки по применению ТТ и в электрических машинах (ЭМ). Чаще всего ТТ монтируется в полом валу или представляет вместе с ним единое конструктивное целое – "вал-ТТ". Особенно эффективно такое при­менение для ЭМ с повышенными потерями в роторе. Так мощность асинхронного авиационного двигателя при применении ТТ, вмонтированной в полый вал, удалось увеличить в 1,65 раза. Перспективным представля­ется применение ТТ в авиационных генераторах с замкнутой испари­тельной СО (испарительно-конденсационное охлаждение).