Еще немного о тепловых трубках

Тепловые трубки - высокотехнологичные устройства на фазовом переходе теплоносителя - стали обычным элементом кулеров и систем охлаждения. Но, на первый взгляд, одинаковые кулеры имеют разную эффективность. В чем дело, я попытаюсь рассказать здесь.
Расчет тепловых трубок достаточно сложен и требует знания множества специфических физических параметров для применяемых в конструкции материалов, познакомиться с методикой расчета Вы можете почитав приведенные в конце книги, а самодельщики могут попробовать использовать их для своих экспериментов.

 

 

Не буду здесь рассматривать конструкции кулеров с тепловыми трубками, это я делал в других статьях. Рассмотрим здесь только эффективность тепловых трубок и ее зависимость от условий их применения, от его конструкции и просто качества изготовления.

Как я уже сказал выше, тепловые трубки - высокотехнологичные устройства на фазовом переходе теплоносителя. Поэтому как любые высокотохнологичные устройства требуют точной и отлаженной технологии, любые отклонения от которой могут существенно снизить эффективность тепловой трубки.

На их эффективность, как любой другой системы отвода тепла, существенное влияние оказывают и условия применения тепловых трубок.

Рассмотрим влияние внешних факторов на эффективность работы, на примере тепловой трубки с применением фазового перехода воды при пониженном давлении.

 

Тепловая трубка и влияние на ее эффективность внешних факторов

Как и в системах отвода тепла построенных на эффекте теплопроводности или прокачки теплоносителей, так и у тепловых трубок эффективность их работы определяется тепловым потоком P пропускаемым устройством. Который в свою очередь определяется разностью температур источника тепла и внешней среды:

 

P = k Δt = k (t_ист - t_вн)

 

Здесь k некоторый коэффициент определяющий условия теплообмена для данной конструкции.

Применительно к тепловым трубкам это выглядит так:

Тепловая трубка (рис.1) это замкнутый объем в котором теплоноситель находится в состоянии фазового перехода жидкость - пар, зависимость t_кип = f(p) которой приведена на рис. 2.

В исходном состоянии теплоноситель в состоянии баланса жидкой и паровой фазы находится в точке А кривой.

При подаче тепла в область нагрева, теплоноситель в тепловой трубке закипает и условия баланса выполняются для точки Б (для слабой теплоотдачи) или для точки В (для хорошей теплоотдачи) в охлаждаемой области.

Другими словами, если не обеспечить эффективный теплосъем в области теплоотдачи, то тепловая трубка не будет эффективно отводить тепло.

 

 

Поэтому, если говорить о тепловой трубке, то ее эффективность напрямую зависит от эффективности теплосъема в охлаждаемой области.

 

 

Режим без отвода тепла с холодного конца тепловой трубки

Как я уже говорил выше, если не обеспечить отвод тепла от охлаждаемой области, тепловая трубка нагревается по всей поверхности и ее тепловое сопротивление стремится к бесконечности.

И она просто не может выполнять свою функцию.

Причем условия фазового баланса жидкость - пар сохраняется при более высоких давлении и температуре. В этом случае рабочая точка тепловой трубы переместится далее точки  Б вплоть до прекращения кипения теплоносителя.

 

 

Объем жидкости (теплоносителя) в тепловой трубке и отводимая мощность

Объем теплоносителя в тепловой трубке определяет ее возможность работы при больших тепловых потоках. Поэтому его количество по возможности должно быть большим.

Но тепловой поток в тепловой трубке определяется не только количеством теплоносителя, но и кратностью его обращения, а значит и многими другими параметрами - в том числе и эффективностью отвода тепла от горячего ее конца.

Очень важно, чтобы не было ни недолива, ни перелива тепловой трубы теплоносителем.

Избыточное количество теплоносителя может приводить к блокированию поверхности конденсатора.

Исходя из этого, количество теплоносителя может быть рассчитана по формуле:

 

m = A_vL_tρ_v + A_wL_tερ_l

 

где:

A_v - поперечное сечение парового канала, L_t -полная длина трубы, ρ_v - плотность пара при рабочей температуре трубы, A_w - площадь поперечного сечения фитиля, ε - пористость фитиля, ρ_l - плотность жидкости при рабочей темперетуре трубы.

Отсюда вытекает, что для увеличения объема (массы) активного тела в тепловой трубке требуется увеличение ее диаметра. Все это приводит к увеличению максимальной отводимой мощности через тепловую трубку и снижает ее тепловое сопротивление.

В последних моделях кулеров на тепловых трубках, для увеличения объема теплоносителя используется "испарительная камера" расположенная в основании теплообменника и имеющая объем превышающий объем  тепловых трубок. Это позволяет увеличить отводимую кулером мощность.

 

Характеристики некоторых возможных теплоносителей для тепловых трубок приведены в таблице 1.

* - необходимое для создания теплового потока 1 КВт*сек,

Теплоносители расположены в порядке падения температуры кипения.

 

В последнем столбце показан массовый расход теплоносителя для теплосъема 1 КДж (1 КВт*сек) в области нагрева тепловой трубки. данное значение только характеризует массовую эффективность вещества. Эта величина отличается более чем в 10 раз и показывает, что для отбора 1 КДж энергии требуется испарить массу 0,44 г ВОДЫ или 5 г ФРЕОН 11.

Все теплоносители могут вгоняться в требуемый для РЭА или ПК диапазон температур - 27 -35°С с помощь понижения его рабочего давления (как например водв), так и с помощью его повышения для теплоносителей испаряющихся при низких температурах. Повышением давления можно сдвинуть критическую точку теплоносителя к любой нужной нам температуре.

Конечно работа подобной тепловой трубки  (например на фреоне 12) при температуре в критической точке - 20°С требуется давлении более 40 кГ/см². Это требует подхода к ее проектированию, почти как к сосуду повышенного давления.

 

Для энтузиастов - самодельщиков

Технология изготовления тепловых трубок и оборудование необходимое для этого подробно описаны в [Л.1] и [Л.2]. Здесь просто скажу несколько слов для того чтобы Вы могли осознанно читать их. Но Вы должны быть готовы разбираться с достаточно сложной физикой протекающих процессов и математикой их описывающей.

Но любой у кого есть интерес - в состоянии понять сделанное раньше их, такими же людьми, которые разобрались в этом ранее. Тем более они достаточно подробно все описали.

При изготовлении тепловых трубок большое внимание уделяется чистоте применяемых материалов:

1. теплоносителя,
2. оболочки,
3. капилляр образующих структур.

Под очисткой понимается обезжиривание поверхностей, обезгаживание и удаление примесей из теплоносителя. Не выполнение этих операций приводит к большому разбросу теплопроводности тепловой трубки. а иногда и ее неработоспособности.

 

 

Особую роль в долговечности тепловых трубок имеет совместимость материалов. Все применяемые материалы должны быть химически инертны в условиях экстлуатации тепловой трубки.

 

Литература:

1. С.Чи, Тепловые трубы теория и практика, перевод с английского В.Я. Сидоров, М, Машиностроение, 1981 г.

2. В.А.Алексеев, В.А.Арефьев, Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры, М. Энергия, 1979 г.

3. П.Д.Дан, Д.А.Рей, Тепловые трубы, Перевод с английского Ю.А.Зейгарника, М. Энергия, 1979 г.

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>