Повышение сопротивления тепловому потоку в месте контакта двух поверхностей обусловлено меньшим коэффициентом теплопроводности газовой прослойки (в сравнении с твердым телом), отклонением направление теплового потока от нормали к поверхности контакта, повышенным термическим сопротивлением поверхностного слоя из-за оксидной плёнки и загрязнения.
Если пренебречь радиационным теплообменом, то можно считать, что тепловая проводимость контакта равна сумме тепловых проводимостей фактического контакта и газовой прослойки.
Рисунок 3.2 График зависимости теплового контактного сопротивления от усилия сжатия. Прокладка - дюралюминиевая или медная фольга
С повышением класса чистоты обработки контактное термическое сопротивление уменьшается, и его зависимость от сжимающей силы становится более слабой:
Рисунок 3.3 Зависимость КТС от силы сжатия, шероховатости и твердости соприкасающихся поверхностей для пары медь-медь.
Как видно из рис. 3.3, увеличение нагрузки вызывает сначала резкое уменьшение термического сопротивления, а затем – более плавное. При силе сжатия больше 200 бар контактное термическое сопротивление практически перестает зависеть от влеичины этой силы. Это справедливо для большинства металлов, особенно при высоком классе шероховатости поверхностей.
|
|
При небольших усилиях сжатия проводимость контакта обусловлена проводимостью газовой прослойки. При низких удельных давлениях контакта (0...2,45·105Н/м2) при классе шероховатости 7...11 основными факторами, влияющими на проводимость контакта, являются неплоскостность и волнистость контактных поверхностей.
Тепловое контактное сопротивление (ТКС) можно регулировать в широком диапазоне с помощью изменения теплопроводности межконтактной среды. Применение прокладок из мягких материалов значительно снижает ТКС. Уменьшение ТКС основано на введении в контактную зону прокладок из менее твердых металлов, чем основная контактная пара. В результате меньшей твердости материала прокладки происходит проникновение ее материала в микровпадины шероховатости, что и обусловливает увеличение проводимости контакта.
Тепловое контактное сопротивление соединенных через тонкие металлические прокладки пар зависит от контактного давления и температуры. Снижение ТКС может быть достигнуто не только за счет повышения класса шероховатости поверхностей, но и в результате применения прокладок из меди, олова, алюминия, латуни и других металлов.
При введении в зону контакта стальных деталей, дюралюминиевой или медной фольги значение ТКС при контактном давлении выше 9,8∙107 Н/м2 уменьшается в 10 раз. При давлении 2,45∙107 Н/м2, применяемом при креплении полупроводниковых приборов, уменьшение ТКС не наблюдалось вследствие того, что заметное увеличение площади контакта наступает только при внедрении выступов шероховатости в тело прокладки, что имеет место при давлении свыше 2,45∙107 Н/м2. Наибольший эффект снижения ТКС наблюдается при использовании прокладок из олова.
|
|
Введение алюминиевой фольги в зону стальных пластин, обработанных по 3...8-му классам шероховатости, при контактном давлении 4,9-9,8∙106 Н/м2 уменьшает ТКС в 2…3 раза. С повышением качества обработки поверхности выше 8-го класса эффект применения прокладок пропадет. Оптимальная толщина прокладок должна соответствовать средней квадратичной высоте выступов шероховатостей.
Таким образом, наиболее эффективными является применение прокладок из мягких металлов (индия, олова, алюминия и др.) и увеличение контактного давления до (1,3…1,4)∙107Н/м2, что приводит к уменьшении ТКС в 10 раз (в зависимости от типа контактной пары).
Тепловые трубы
Тепловыми трубами названы испарительно-конденсационные устройства для передачи тепла, в которых осуществляется перенос скрытой теплоты парообразования за счет испарения жидкости в зоне подвода тепла и конденсации ее паров в зоне отвода, а замкнутая циркуляция теплоносителя поддерживается действием капиллярных или массовых сил. В простейшем случае тепловая труба имеет герметичный корпус, внутренняя поверхность которого устлана слоем капиллярно-пористого материала — фитилем, который насыщен жидкой фазой теплоносителя (рис. 3.4.).
Фитилем могут служить различные пористые материалы (сетки, спеченные пористые структуры), канавки на внутренней поверхности корпуса трубы, экраны с перфорациями или какая-либо другая структура, способная осуществлять перенос жидкости из зоны конденсации в зону нагрева за счет действия капиллярных сил. В качестве теплоносителя могут быть использованы любые химически чистые материалы или соединения, имеющие жидкую и паровую фазу при рабочей температуре трубы и, как правило, смачивающие материал фитиля. Используя в качестве теплоносителей жидкий гелий, азот, спирты, фреоны, воду, щелочные металлы и т. п., можно создать тепловые трубы для работы как в областях низких, криогенных температур, так и в области высоких температур — 2500° С и даже выше [1].
Рисунок 3.4 Схема тепловой трубы.
Рассмотрим работу тепловой трубы простейшего типа в условиях отсутствия массовых сил. Подводимое к трубе тепло передается за счет теплопроводности через корпус трубы и зачастую через элементы фитиля к теплоносителю. Испарение смачивающей фитиль жидкости приводит к образованию или увеличению кривизны вогнутых менисков на поверхности жидкости в порах фитиля в зоне нагрева. Под действием сил поверхностного натяжения в вогнутых менисках появляется капиллярное давление Ркап, воздействующее на жидкость и стремящееся уменьшить кривизну менисков. Капиллярное давление в мениске определяется по формуле Лапласа:
где Ркап – капиллярное давление, R1 и R2 – главные радиусы кривизны поверхности мениска.
Конденсация жидкости в зоне отвода тепла приводит к затоплению фитиля. Кривизна менисков жидкости внутри фитиля в этой зоне, как правило, ничтожна по сравнению с соответствующей кривизной в зоне нагрева трубы. Различие кривизны менисков и, следовательно, капиллярных давлений в этих двух зонах трубы приводит к появлению перепада этих давлений, который является движущим перепадом давления при перекачке жидкости по фитилю из зоны конденсации в зону испарения. Таким образом, в тепловой трубе для обеспечения замкнутой циркуляции теплоносителя используется «капиллярный насос». Помимо капиллярных сил при работе тепловых труб могут действовать массовые силы — гравитационные, центробежные, электромагнитные и др. Массовые силы способны как улучшать циркуляцию теплоносителя в тепловых трубах, так и затруднять ее.
|
|
В работающей трубе при циркуляции теплоносителя имеют место следующие процессы: 1) испарение жидкой фазы теплоносителя в зоне нагрева при подводе тепла от источника; 2) перенос пара в зону с пониженным давлением — зону теплоотвода и конденсации; 3) конденсация пара в зоне теплоотвода; 4) подача жидкости из зоны конденсации в зону испарения под действием капиллярных или массовых сил.
Каждый из этих процессов происходит с изменением давления вдоль линии тока циркулирующего теплоносителя. При течении пара по паровому каналу изменение давления происходит как за счет гидравлических потерь, обусловленных трением, так и за счет инерционных эффектов — статическое давление в паре изменяется при вдуве массы пара в поток (испарение) или отводе массы пара (конденсация). Для жидкости, движущейся по фитилю под действием капиллярных сил, давление изменяется главным образом вследствие трения. В зоне испарения и конденсации на границе раздела фаз жидкость — пар помимо капиллярного давления имеет место перепад давления при фазовом переходе, обусловленный динамическим воздействием испаряющегося или конденсирующегося теплоносителя. В любом сечении стационарно работающей трубы перепад давления между фазами уравновешивается капиллярным давлением:
где ΔPФ – перепад давления между паром и жидкостью вследствие фазового перехода.
Рисунок 3.5 Распределение давления в паре и жидкости по длине тепловой трубы (зона испарения, адиабатическая зона и зона конденсации)
Максимальная кривизна имеет место в начале испарительной зоны трубы, а минимальная — в конце зоны конденсации. Кривая а (рис. 3.5) — изменение давления в жидкости при отсутствии воздействия массовых сил, кривая б, данная для сравнения, – распределение давлений в жидкости по длине трубы с учетом влияния гравитации в случае, когда силы тяжести препятствуют циркуляции жидкости. При постоянном значении передаваемой трубой мощности влияние гравитации приводит к тому, что капиллярный насос должен развивать более высокий перепад давления по сравнению с работой трубы в невесомости.
|
|
Рисунок 3.6 Зависимость перепада температуры вдоль направления теплопереноса и эффективный коэффициент теплопроводности в зависимости от температуры области теплоотвода.
Эффективность теплопередачи сильно зависит от рабочей температуры [10]. При температурах ниже ≈ 25° плотность водяного пара низкая, что приводит к значительному перепаду давления, а, следовательно, и температуры вдоль движения пара по каналам (рис. 3.6). С ростом рабочей температуры эффективность теплопередачи резко возрастает. При температуре более 25 °С перепад температуры не превышает 2 градусов. При этом эффективная теплопроводность достигает 17 000 Вт/(м·°С).
Тепловые трубы могут применяться в широком диапазоне температур от -200°С до 2000-2500°С. Основные достигнутые характеристики современных тепловых труб:
• Рабочий диапазон температур 4 – 2300°К.
• Скорость теплопередачи – звуковой предел.
• Мощность теплопередачи – до 20 кВт/см2.
• Ресурс работы 20 000 ч.
Цели применения в КА:
· выравнивание температуры поверхности космических аппаратов, т.е. сведение к минимуму градиентов температуры, возникающих из-за солнечного обогрева, тепловыделений электронных устройств, или ядерных источников энергии;
· охлаждение различных элементов, в частности, подсистем, температура которых должна быть ниже температуры окружения;
· регулирование температуры жидкости в замкнутых водяных контурах системы стабилизации температуры внутреннего пространства корабля;
· быстрое остывание корпуса челночного корабля как до, так и после его приземления для ускорения его оборачиваемости.
Низкотемпературные тепловые трубы (НТТ) предназначены для работы при температурах 200—550° К. Для этого диапазона температур применимы теплоносители: фреоны, аммиак, спирты, ацетон, вода, некоторые органические соединения. Распространенный теплоноситель для этих труб — вода, обладающая хорошими теплофизическими свойствами. НТТ могут обеспечить более высокий осевой теплоперенос по сравнению с криогенными трубами. Иногда в раздел НТТ зачисляют и криогенные трубы.
Таблица 3.4 Основные параметры и результаты испытаний НТТ
Высокотемпературные тепловые трубы (ВТТ) могут работать при температуре от 500 К до 1800 К. В качестве теплоносителей в ВТТ используются жидкие металлы с высокой температурой кипения, обладающие благоприятным сочетанием теплофизических свойств и обеспечивающие высокие тепловые потоки. Наилучшими теплопередающими свойствами характеризуются щелочные металлы (цезий, калий, натрий и литий).
Достижение длительного ресурса работы при высоком теплопереносе требует решение проблемы тщательной очистки металла – теплоносителя и конструкционных материалов от коррозионно-активных примесей, предотвращения интенсивного переноса массы жидким металлом [11].
Основной причиной, приводящей к перегоранию высокотемпературных тепловых труб или потере их работоспособности, является массоперенос как металлических, так и неметаллических элементов конструкционного материала из зоны конденсации в зону испарения. Забивание фитиля при кристаллизации перенесенных масс приводит к его осушению. Повышение концентрации неметаллических примесей в зоне испарения способствует усилению как межкристаллитной коррозии материала стенки и фитиля, так и их растворения с одновременным ослаблением прочности.
Для получения длительного ресурса работы необходима соответствующая техника заполнения трубы теплоносителем, гарантирующая хорошую очистку от примесей как конструкционных материалов, так и щелочного металла.
Таблица 3.5 Основные параметры и результаты испытаний ВТТ