Класс рабочих жидкостей для тепловых трубок

 

Тепловые трубки с жидкостями из предложенного класса могут работать без фитиля или желобков. Рабочие жидкости предлагаемого класса представляют раствор, включающий легколетучие компоненты и менее летучие компоненты, повышающие поверхностное натяжение с ростом их концентрации в растворе. Использование рабочих жидкостей этого класса позволяет устранить эффект термокапиллярного запирания возвратного течения жидкости от конденсатора к испарителю, характерного для желобковых тепловых трубок, в которых механизмы создания возвратного течения (касательные напряжения и капиллярное давление) взаимно усиливаются, так как капиллярное давление растет с ростом поверхностного натяжения. Использование рабочих жидкостей из предлагаемого класса не только устраняет проблему термокапиллярного запирания, но и позволяет упростить конструкцию тепловой трубки.

Изобретение относится к рабочим жидкостям тепловых трубок.

В известных тепловых трубках [1-3] теплоперенос осуществляется следующим образом: рабочая жидкость в виде пара переносится от испарителя к конденсору, где, конденсируясь, отдает скрытую теплоту парообразования. Возвратный поток жидкости от конденсора к испарителю создается фитилем (или системой желобков), за счет перепада капиллярного давления.

Тепловые трубки способны передавать тепло в несколько тысяч раз быстрее, чем металлический стержень, надежны, и являются наиболее эффективными устройствами пассивного теплопереноса.

В желобковых тепловых трубках сопротивление возвратному потоку жидкости от конденсора к испарителю значительно ниже, чем в фитильных, благодаря чему передаваемая ими тепловая мощность существенно выше. Однако в желобковых трубках при некотором критическом перепаде температуры между испарителем и конденсором (зависящем от рабочей жидкости и конструкции тепловой трубки), из-за уменьшения поверхностного натяжения жидкости с ростом температуры, возникает эффект термокапиллярного запирания возвратного потока рабочей жидкости [2] , резко снижающий передаваемую тепловую мощность трубки и ограничивающий диапазон ее рабочих температур.

Для устранения эффекта термокапиллярного запирания предлагается использовать в качестве рабочей жидкости раствор, включающий легколетучие компоненты и менее летучие компоненты, повышающие поверхностное натяжение с ростом их концентрации в растворе. В этом случае эффект термокапиллярного запирания ослабляется или полностью подавляется концентрационно-капиллярным эффектом (температурное снижение поверхностного натяжения рабочей жидкости в испарителе подавляется повышением поверхностного натяжения из-за роста концентрации менее летучих компонент) [4].

Примеры жидкостей из предлагаемого класса, в которых наблюдается концентрационно-капиллярный эффект: 1) (3-7)% массовый раствор йода в броме. При одинаковой температуре поверхностное натяжение йода выше, чем у брома (при температуре 120^oС поверхностные натяжения [5] йода 55 мН/м, а брома - 47 мН/м). В то же время бром более летучий (давление насыщенных паров, равное 100 мм рт.ст., достигается для брома при температуре 9,3^oС, а для йода 116,5^oС [5]).

2) (5-15)% объемный раствор ацетона в воде. При температуре 17^oС поверхностные натяжения ацетона 16,8 мН/м, а воды при 20^oС 72,58 мН/м (с понижением температуры поверхностное натяжение растет). Давление насыщенных паров 100 мм рт. ст. достигается для ацетона при 7,7^oС, для воды при 51,6^oС. Все данные из [5].

3) (1-2)% массовый раствор йода в ацетоне.

При использовании предложенного класса рабочих жидкостей вдоль свободной поверхности жидкости возникают направленные в нагретую область касательные напряжения, которые индуцируют концентрационно-капиллярное течение [4]. Поэтому с такими жидкостями могут быть построены гладкостенные (без фитиля или желобков) тепловые трубки. Тем не менее, наиболее целесообразно использовать предложенный класс жидкостей в желобковых трубках. В этом случае механизмы создания возвратного течения (касательные напряжения и капиллярное давление) взаимно усиливаются, т.к. капиллярное давление растет с ростом поверхностного натяжения.

Применение предлагаемого класса рабочих жидкостей не только решает проблему термокапиллярного запирания, но и позволяет упростить конструкцию тепловой трубки.

ЛИТЕРАТУРА 1. Eninger J.E., Markus B.D. Marangoni effect and capacity degradation in axially grooved heat pipes. AIА Journal, 17(7), pp. 797-799, 1979.

2. Kosson R.L., Harwell W. The Marangoni effect in axially grooved variable conductance heat pipes (VCHP). Prog. Astronaut. Aeronaut. 86, pp. 222-238, 1983.

3. Тепловые трубы. Перевод с английского и немецкого. Под ред. Э.Э. Шпильрайна, М.: Мир, 1972.

4. Безуглый Б. А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действие света, и ее применение в способах регистрации информации. Автореф. дис. канд. ф.-м.н., М., МГУ, 1983, 18 с.

5. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина, М., Атомиздат, 1976.

Формула изобретения

Рабочая жидкость для тепловой трубки, отличающаяся тем, что она является раствором, включающим легколетучие компоненты и менее летучие компоненты, повышающие поверхностное натяжение с ростом их концентрации в растворе.