Способ получения порошковой капиллярной структуры в длинномерных трубчатых элементах тепловых труб
METHOD OF PRODUCING THE POWDER CAPILLARY STRUCTURE IN LONG-DIMENSIONAL TUBULAR ELEMENTS OF THERMAL PIPES

Изобретение относится к теплотехнике и порошковой металлургии.
Необходимость поддержания отрицательных температур в мёрзлых грунтах; обусловлена существенным ростом строительства промышленных и гражданских зданий и сооружений газовой и нефтяной отрасли в пределах криолитозоны, где сосредоточены основные разведанные запасы природного газа и нефти. Эффективным способом поддержания мерзлого состояния грунта является сезонное использование низких температур наружного воздуха с помощью пологонаклонных термостабилизаторов грунта, представляющих собой фактически термосифоны длиной десятки метров, которые свариваются из отдельных трубчатых элементов длиной 2-3 метра. В конструкции термостабилизаторов грунта используются испарители с гладкой стенкой трубы. Для интенсификации работы термостабилизатора требуется использование тонкой порошковой капиллярной структуры на внутренней поверхности трубы испарителя.
Известен способ получения порошковой капиллярной структуры тепловой трубы посредством помещения в корпус тепловой трубы центрального сердечника, засыпки порошка в зазор между корпусом и сердечником, спекания порошка и изъятия сердечника из корпуса [US Patent 7802362, Sep. 2. 2010, В23Р 6/00, B23Q 3/00, B21D 53/06].
Недостатком известного способа является его технологическая ограниченность. При достаточно большой длине корпуса затруднительно получить равномерный слой порошка без проплешин в узком зазоре между корпусом и сердечником. Изъятие сердечника из корпуса осложняется припеканием порошка к сердечнику и заклиниванием сердечника в спеченной капиллярной структуре, что ведет к повреждению последней, особенно при спекании с горизонтальным положением корпуса.
Известен способ получения порошковой капиллярной структуры тепловой трубы посредством приготовления суспензии на основе органического растворителя, содержащего органическое связующее и частицы порошка, нанесения слоя суспензии на внутреннюю поверхность корпуса тепловой трубы, испарения растворителя и отверждения связующего [US Patent 3762011, Oct. 2, 1973, B21D 53/02, В21Р 15/26].
Недостатком данного способа является низкое потребительское качество получаемых изделий. Оставление в поровом пространстве порошковой капиллярной структуры отвержденного связующего снижает пористость, проницаемость и теплопроводность капиллярной структуры. В процессе работы тепловой трубы органическое связующее химически взаимодействует с теплоносителем, происходит их химическое разложение и выделение неконденсирующихся газов, нарушающих работу тепловой трубы.
В известном способе [US Defensive Publication, Oct. 7, 1980, B05D 3/02] для приготовления суспензии с частицами порошка предлагается использовать сложные эфиры жирных кислот и глицерин. Поскольку данные жидкости имеют большую вязкость и плохую смачиваемость сухих металлов, равномерное растекание суспензии по поверхности корпуса затруднено, особенно в случае значительной длины корпуса, формируется струйное течение суспензии вдоль образующей корпуса с образованием локальных сухих проплешин.
Задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в расширении технологических возможностей способа с обеспечением получения тонкой равномерной порошковой капиллярной структуры в длинномерных трубчатых элементах тепловых труб.
Поставленная задача реализуется тем, что внутреннюю поверхность трубчатого элемента покрывают пленкой смеси глицерина и этилового спирта, располагают трубчатый элемент в наклонное положение, близкое к вертикальному, приводят трубчатый элемент во вращение вокруг собственной оси, на верхнюю часть нижней образующей внутренней поверхности трубчатого элемента сыплют порошок и осуществляют спекание сформованной заготовки капиллярной структуры, причем соотношение глицерина и этилового спирта в смеси находится в пределах от 60:40% до 80:20%, а наклонное положение трубчатого элемента отклоняется от вертикального в пределах от 10 до 20 градусов.
Сущность предлагаемого способа поясняется фиг. 1. Предварительно готовится смерь глицерина и этилового спирта с соотношением глицерина и этилового спирта в пределах от 60:40% до 80:20%. Приготовленной смесью покрывают внутреннюю поверхность 1 трубчатого элемента 2, например, полностью заполняя объем трубчатого элемента 1 смесью, затем сливая смесь и оставляя трубчатый элемент 1 в вертикальном положении до стабилизации пленки, т.е. прекращения ее течения по внутренней поверхности 1 трубчатого элемента 2. После стабилизации пленки трубчатый элемент 2 располагают в наклонное положение, которое отклоняется от вертикального положения 3 на угол 4, находящийся в пределах от 10 до 20 градусов. Трубчатый элемент 2 приводят во вращение 5 вокруг собственной оси 6. Во время вращения трубчатого элемента 2 на верхнюю часть нижней образующей внутренней поверхности 1 трубчатого элемента 2 сыплют порошок 7, который прилипает к пленке смеси и фиксируется на внутренней поверхности 1 трубчатого элемента 2. В завершение процесса осуществляют спекание сформованной на внутренней поверхности 1 трубчатого элемента 2 заготовки капиллярной структуры.
При соотношении глицерина и этилового спирта менее 60:40% смесь получается слишком текучей, так что пленка на внутренней поверхности 1 трубчатого элемента 2 получается слишком тонкой и неспособной удержать частицы порошка, которые под действием силы тяжести ссыпаются вниз. При соотношении глицерина и этилового спирта более 80:20% смесь получается слишком вязкой, так что пленка на внутренней поверхности 1 трубчатого элемента 2 получается слишком толстой и неспособной сформировать равномерный слой порошка, контактирующего с внутренней поверхностью 1 трубчатого элемента 2.
При отклонении трубчатого элемента 2 от вертикального положения 3 на угол 4 менее 10 градусов большая часть порошка не задерживается пленкой смеси, а под действием силы тяжести ссыпается вниз, что ведет к перерасходу порошка. При отклонении трубчатого элемента 2 от вертикального положения 3 на угол 4 более 20 градусов порошок задерживается пленкой смеси на внутренней поверхности 1 трубчатого элемента 2 неравномерно, формируя волнообразный слой капиллярной структуры неоднородной толщины.
Предлагаемый способ получения порошковой капиллярной структуры в длинномерных трубчатых элементах тепловых труб позволяет получать, например, стальные трубчатые элементы наружным диаметром 76 мм, длиной до 4 м, с капиллярной структурой из железного порошка толщиной порядка 0,3 мм, успешно применяемые для сварки корпусов испарителей термостабилизаторов грунта длиной до 60 м. Преимуществом способа также является возможность проведения операции спекания при горизонтальном положении трубчатого элемента, позволяющая использовать высокопроизводительные проходные печи.