СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ
HEAT PIPE FILLING METHOD

Изобретение относится к способам заполнения тепловых труб рабочими жидкостями с невысокой температурой кипения, преимущественно диэлектрическими, включая полярные как смачивающие, так и несмачивающие.
Известен способ заполнения тепловой трубы рабочей жидкостью по а.с. №542086, F28D 15/00, F25B 19/02, включающий подачу рабочей жидкости с избытком в вертикально расположенную тепловую трубу, вытеснение атмосферного воздуха и удаление излишков рабочей жидкости.
Недостатком известного способа является неполнота насыщения (пропитки) капиллярно-пористой вставки рабочей жидкостью, сохранение остаточных газов в мелких порах, что приводит к нестабильности работы тепловой трубы при последующем выделении остаточных газов.
Известен способ заполнения тепловой трубы рабочей жидкостью по а.с. №1273728, F28D 15/02, F25B 45/00, включающий подачу рабочей жидкости с избытком в наклонно установленную тепловую трубу, приводимую во вращение, и насыщение капиллярно-пористых вставок рабочей жидкостью за счет центробежных сил, возникающих при вращении.
Недостатком данного способа является недостаточность величины давления, прикладываемого при насыщении (пропитке) капиллярно-пористой вставки рабочей жидкостью, сохранение остаточных газов в мелких порах, что приводит к нестабильности работы тепловой трубы при последующем выделении остаточных газов.
Наиболее близким к заявляемому способу принятый в качестве прототипа является способ заполнения тепловой трубы рабочей жидкостью по а.с. №1160227, F28D 15/02, F25B 45/00, включающий вакуумирование тепловой трубы, и подачу в нее рабочей жидкости в виде известного количества сухого насыщенного пара рабочей жидкости.
Недостатком данного способа является неполнота насыщения (пропитки) капиллярно-пористой вставки рабочей жидкостью в виде сухого насыщенного пара, связанная с тем, что при конденсации пара в порах вставки резко падает давление и снижается проникающая способность жидкости. Процесс насыщения (пропитки) капиллярно-пористой вставки рабочей жидкостью - процесс небыстрый, требующий стабильного давления, поэтому в результате падения давления не достигают полноты пропитки и вытеснения остаточных газовых примесей, что приводит к нестабильности работы тепловой трубы и недостижению ее предельных параметров.
Цель изобретения - повышение стабильности теплопередающих характеристик тепловых труб с капиллярно-пористыми вставками за счет гарантированного насыщения (пропитки) капиллярно-пористых вставок рабочей жидкостью.
K
Поставленная цель достигается тем, что насыщение капиллярно-пористой вставки осуществляют путем пропитывания при температуре, не превышающей температуру кипения рабочей жидкости t, при давлении Р и времени пропитывания τ, определяемыми из уравнений (1) и (2), а количество поглощенной при пропитывании рабочей жидкости M определяют из уравнения (3):
где:
ВСТ
P - давление, необходимое для насыщения (пропитывания) капиллярно-пористой вставки рабочей жидкостью, Па;
Э
ΔP - электростатическое противодавление, Па;
К
ΔP - контактное противодавление, Па;
σ
ΔP - капиллярное противодавление несмачивающей рабочей жидкости, Па;
К
σ - предел прочности компактного материала (без учета пористости) капиллярно-пористой вставки, Па;
m - постоянный показатель степени, равный m=3÷4.
П - средняя пористость капиллярно-пористой вставки;
µ - коэффициент динамической вязкости пропитывающей жидкости, кг/м·сек;
l - средняя толщина капиллярно-пористой вставки, м;
r - средний радиус пор капиллярно-пористой вставки, м.
3
V - объем капиллярно-пористой вставки, м;
3
ρ - плотность рабочей жидкости, кг/м.
K
K
Пропитывание (насыщение) капиллярно-пористых вставок рабочей жидкостью внутри тепловых труб проводят при температуре, не превышающей температуру кипения t рабочей жидкости. Превышение температуры процесса пропитывания над t приводит к кипению жидкости с образованием двухфазного парожидкостного состояния, резкому уменьшению пропитывания и, как следствие, к неполноте пропитки. При низкой температуре становится значимым возрастание вязкости рабочей жидкости, что также приводит к неполноте пропитки.
ВСТ
Э
К
σ
К
Давление пропитывания (насыщения) Р капиллярно-пористых вставок рабочей жидкостью определяют из уравнения (1), и оно должно превышать суммарную величину давления пропитывания капиллярно-пористой вставки P; тормозящего электростатического противодавления ΔP; тормозящего противодавления областей контактов (контактного противодавления) ΔP; тормозящего капиллярного противодавления +ΔP в случае несмачивающего характера рабочей жидкости. Давление меньшее Р не гарантирует полноту пропитки и вытеснения остаточных газовых примесей, а превосходящее предел прочности σ приводит к разрушению капиллярно-пористых вставок.
Время (продолжительность) τ насыщения (пропитывания) капиллярно-пористых вставок рабочей жидкостью определяют из уравнения (2). Отклонение в меньшую сторону или меньшая продолжительность насыщения (пропитывания) не гарантирует полноту пропитки, а в большую сторону нецелесообразно по экономическим соображениям.
Поглощенное при пропитке капиллярно-пористых вставок количество рабочей жидкости определяют из уравнения (3). Отклонение в меньшую сторону или меньшее поглощенное количество не гарантируют полноту пропитки, а в большую сторону может привести к разрушению капиллярно-пористых вставок.
При ламинарной фильтрации (пропитывании) рабочей жидкостью капиллярно-пористой вставки тепловой трубы количество прошедшей через внешнюю поверхность фрагмента вставки рабочей жидкости оценивают следующим образом (Андриевский Р.А. Пористые металлокерамические материалы. - М.: Металлургия, 1964 г., с.87):
где:
3
q - объемный расход жидкости при пропитывании фрагмента пористой вставки, м/сек;
2
α - коэффициент проницаемости фрагмента пористой вставки, м;
µ - коэффициент динамической вязкости пропитывающей жидкости, кг/м·сек;
ΔP - перепад давления на пропитываемом фрагменте пористой вставки, Па;
l - толщина фрагмента капиллярно-пористой вставки, м;
2
S - площадь внешней поверхности фрагмента капиллярно пористой вставки, м.
Величина коэффициента проницаемости α при ламинарной фильтрации (течении) рабочей жидкости с учетом гидравлического радиуса пор связана с пористостью пропитываемого фрагмента капиллярно-пористой вставки следующим образом (там же, с.88-89):
-2
C - численный коэффициент порядка 10;
r - средний радиус пор пропитываемого фрагмента пористой вставки, м;
П - пористость пропитываемого фрагмента пористой вставки.
Используют определение расхода q и коэффициента гидравлического сопротивления ξ из руководящего документа (Арматура трубопроводная. Методика определения коэффициентов сопротивления, коэффициентов расхода и пропускной способности. РД. 26-07-32-99), подставляют выражение (5) в уравнение (4), проводят необходимые преобразования и получают выражение для коэффициента гидравлического сопротивления ξ при ламинарном пропитывании фрагмента капиллярно-пористой вставки толщиной l:
где:
ξ - коэффициент гидравлического сопротивления, безразмерная величина.
3
ρ - плотность рабочей жидкости, кг/м;
Коэффициент гидравлического сопротивления ξ при пропитывании фрагмента пористой вставки внутри тепловой трубы представляет собой инвариант, связывающий как собственно геометрические характеристики фрагмента пористой вставки, так и параметры процесса насыщения (пропитывания) вставки рабочей жидкостью.
2
Используют аналогию с трубопроводной арматурой согласно стандарту ОТТ-87 (Арматура для оборудования и трубопроводов АС. Общие технические требования. М., 1992 г., с.8), коэффициент гидравлического сопротивления ξ которой выдерживают практически постоянным при всех больших и малых диаметрах проходных каналов арматуры данного класса и всех внешних параметрах - давлении, температуре, расходе и скорости текущей среды. Основываются на максимальном значении коэффициента гидравлического сопротивления ξ~10, рекомендованном ОТТ-87 для арматуры КИП, и задают величину ξ всех пропитываемых (насыщаемых) капиллярно-пористых вставок и их фрагментов в тепловых трубах, при всех допустимых значениях толщин капиллярно-пористых вставок l, их среднего радиуса пор τ, давления (перепада давления) Р и пористости П.
Таким образом, для всех насыщаемых (пропитываемых) капиллярно-пористых вставок, размещенных в тепловых трубах, средняя величина гидравлического сопротивления ξ фрагмента такой вставки постоянна и равна:
и тем самым задают режим ламинарной фильтрации (пропитывания) капиллярно-пористых вставок рабочей жидкостью.
ВСТ
Решают уравнение (4) с учетом (5), (6) и (7) и получают выражение для определения давления Р, необходимого для пропитывания расположенных в тепловых трубах капиллярно-пористых вставок толщиной l:
где
ВСТ
Р - давление, необходимое для насыщения (пропитывания) капиллярно-пористой вставки рабочей жидкостью, Па.
ВСТ
При этом вместо перепада давления ΔР на насыщаемой (пропитываемой) капиллярно-пористой вставке толщиной l задают полное давление рабочей жидкости Р.
Э
При протекании диэлектрической рабочей жидкости по порам капиллярно-пористой вставки, выполненной также из диэлектрического материала, на поверхности пор появляются поверхностные электрические заряды. Эти наведенные заряды создают, в свою очередь, электрическое поле E, которое взаимодействует с электрическими дипольными моментами полярных молекул жидкости (молекулярными моментами) и тормозит их течение. Таким образом, при протекании диэлектрической (полярной) жидкости по порам диэлектрической капиллярно-пористой вставки возникает дополнительное поверхностное трение, которое представляют в виде тормозящего электростатического противодавления ΔP. Величину этого электростатического противодавления с учетом гидравлического радиуса пор и элементарной электростатики (Тамм И.Е. Основы теории электричества. - М.: Наука, 1976 г., с.134-135) представляют в следующем виде:
где:
Э
ΔP - электростатическое противодавление, Па;
3
n - число полярных молекул в единице объема рабочей жидкости, 1/м;
0
P - электрический дипольный момент полярной молекулы диэлектрической рабочей жидкости, кг/м·сек;
ε - диэлектрическая проницаемость материала капиллярно-пористой вставки;
0
ε - электрическая постоянная;
0
d - размер полярной молекулы диэлектрической рабочей жидкости, м.
K
При насыщении (пропитывании) капиллярно-пористой вставки, расположенной внутри тепловой трубы, учитывают контактные гидравлические сопротивления ξ, возникающие в местах соединения различных элементов капиллярно-пористой вставки - элемента удержания рабочей жидкости в зоне кипения, элемента, формирующего поток пара из зоны кипения, и элемента переноса рабочей жидкости (конденсата) из зоны конденсации назад в зону кипения тепловой трубы.
K
К
Контактные гидравлические сопротивления ξ, к в местах соединения различных элементов, которые могут иметь различную пористость, возникают из-за переформирования струйного потока жидкости в струйный с иным числом струй, равным другому числу пор на единицу площади, и приводят к дополнительному торможению при течении рабочей жидкости в капиллярно-пористой вставке. Это дополнительное тормозящее трение представляют в виде контактного противодавления ΔP, величину которого определяют опытным путем в специальных калибровочных опытах.
σ
При насыщении (пропитывании) капиллярно-пористой вставки несмачивающей диэлектрической рабочей жидкостью учитывают капиллярное противодавление ΔP, возникающее при проникновении жидкости внутрь пор. Величину капиллярного противодавления оценивают по уравнению:
где:
σ
ΔP - капиллярное противодавление несмачивающей рабочей жидкости, Па;
2
σ - коэффициент поверхностного натяжения несмачивающей рабочей жидкости, м.
Σ
Таким образом, давление P, минимально необходимое для пропитки капиллярно-пористой вставки, определяется из выражения:
где:
Σ
P - минимально необходимое давление для пропитки капиллярно-пористой вставки, Па;
σ
+ - перед вкладом ΔP означает случай несмачивающей жидкости;
σ
- - перед вкладом ΔP означает случай смачивающей жидкости.
Максимальное давление рабочей жидкости, которое может быть приложено при насыщении (пропитывании) капиллярно-пористой вставки, ограничивается прочностью вставки (Джонс В.Д. Свойства и применение порошковых материалов. Пер. с англ. Под ред. Балынина М.Ю., Натансона А.К. - М.: Мир, 1965 г., с.7), и его определяют следующим образом:
где:
MAX
P - максимальное давление рабочей жидкости, Па;
к
σ - предел прочности компактного материала (без учета пористости) капиллярно-пористой вставки, Па;
m - постоянный показатель степени, обычно m=3÷4.
Таким образом, окончательное выражение для давления Р насыщения (пропитывания) капиллярно-пористой вставки внутри тепловой трубы выглядит следующим образом:
ПОР
Внутренний объем пор V во фрагменте капиллярно-пористой вставки с линейными размерами l, в первом приближении оценивают следующим образом:
где:
V - объем фрагмента капиллярно-пористой вставки с линейными размерами l.
M - количество поглощенной при пропитывании рабочей жидкости, кг.
Объемный расход жидкости при ламинарном течении в цилиндрическом канале с гидравлическим радиусом r пор (Андриевский Р.А. Пористые металлокерамические материалы. - М.: Металлургия, 1964 г., с.88) вычисляют следующим образом:
ПОР
ПОР
Рассматривают гипотетический случай существования одной внутренней поры V внутри фрагмента капиллярно-пористой вставки с характерным размером l, включая прежде всего толщину. Внутренняя пора соединена цилиндрическим каналом радиусом r с поверхностью пористого фрагмента и окружающим пространством внутри тепловой трубы и оценивают теоретически максимальное время заполнения τ объема внутренней поры V объемным расходом диэлектрической (полярной) несмачивающей жидкости с расходом q из уравнения (15) следующим образом:
где:
τ - время заполнения поры во фрагменте капиллярно-пористой вставки с линейными размерами l диэлектрической (полярной) несмачивающей жидкостью, сек.
Обозначения во всех уравнениях и выражениях (1)-(16) едины.
Пример осуществления способа
Давление пропитывания P
4
-2
3
3
-8
-4
3
4
3
2
5
2
Э
К
σ
Подставляют в уравнение (13) следующие значения размерных параметров: минимальное значение коэффициента гидравлического сопротивления ξ~10, толщину капиллярно-пористой вставки l~10 м, плотность рабочей жидкости, в качестве которой применяют диэтиловый эфир (CH)O, ρ~0.71·10 кг/м, средний радиус пор r~50 нм (5·10)м, коэффициент динамической вязкости диэтилового эфира µ~1.5·10 кг/м·сек, пористость капиллярно-пористой вставки П~0.2, тормозящее электростатическое противодавление ΔР~2.2·10 Па, контактное противодавление ΔР~3·10 Па, капиллярное противодавление ΔP~1·10 Па и получают:
5
Р~3.5·10 Па
Время пропитывания τ
Подставляют в уравнение (16) те же самые размерные параметры, и давление Р~3.5-105 Па и получают:
τ~5.7·104 сек ~15.9 час
Количество поглощенной при пропитывании рабочей жидкости M.
-3
3
Подставляют в уравнение (14) объем капиллярно-пористой вставки V~1·10 м и получают:
-1
M~1.42·10 кг ~142 г
Подставляют в уравнение (13) размерные параметры для графита, из которого сделана капиллярно-пористая вставка.
К
К
Предел прочности σ компактного графита σ ~2 МПа, П ~0.2, показатель степени m~4, и получают максимальное значение давления пропитывания рабочей жидкостью на примере графита:
К
m
4
σ·(1-П)~2 МПа·(0.8)~0.8 МПа.
Таким образом, в случае пропитывания капиллярно-пористой вставки, выполненной из графита ГС-1, необходимая величина давления рабочей жидкости, в качестве которой взят диэтиловый эфир, находится в пределах:
5
5
3.5·10 Па≤Р<8·10 Па
K
Температура кипения рабочей жидкости, в качестве которой взят диэтиловый эфир, равна t=35.6°С, таким образом температура пропитывания ограничена:
K
t≤t=35.6°С,
что хорошо согласуется с экспериментально определенными значениями давления, времени пропитывания и температуры.