ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА Российский патент 2003 года по МПК F28D15/04 

Изобретение относится к энергетике и теплофизике и может быть использовано при создании теплопередающих тепловых труб (ТТ), преимущественно энергонапряженных, работающих во внешней вакуумной среде (ВС), в том числе в космическом пространстве.

Известно большое количество схемно-конструктивных решений ТТ.

Известна ТТ, описанная в [1]. Она содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки корпуса размещена капиллярная структура в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана. В зависимости от назначения в ТТ может быть и адиабатическая зона. В энергонапряженных, в том числе высокотемпературных, ТТ в качестве рабочего тела может быть использован щелочной металл, а для уменьшения гидравлического сопротивления в качестве капиллярной структуры может использоваться составной фитиль, состоящий из кольцевой щели для прохода жидкости (жидкой фазы рабочего тела) и перфорированного "экрана" тонкостенной перфорированной трубки, обеспечивающего разделение жидкости и пара, причем размер отверстия экрана определяет капиллярный напор, развиваемый ТТ при полностью заполненной жидкостью кольцевой щели.

Рассмотренная ТТ с описанной капиллярной структурой является высокоэффективным теплопередающим устройством, в особенности в космосе в условиях невесомости, когда ширина щели в зоне конденсации неограничена.

Однако использование в качестве конструкционных материалов ТТ обычной или нержавеющей стали ограничивает максимальную рабочую температуру ТТ, в результате чего поверхность холодильника-излучателя из таких ТТ получается относительно большой.

Известна ТТ, предложенная в [2]. Она содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки корпуса размещена капиллярная структура (фитиль) в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана. В фитиле выполнены отверстия двух типоразмеров, размещенных в шахматном порядке.

Рассмотренная ТТ с описанной капиллярной структурой является высокоэффективным теплопередающим устройством, в особенности в условиях невесомости, когда ширина щели в зоне конденсации неограничена. Наличие в капиллярной структуре ТТ дополнительных пароотводящих отверстий, которые больше размера отверстий капиллярной структуры, повышает устойчивость энергонапряженных ТТ по механизму вскипания жидкой фазы рабочего тела в зоне испарения.

Однако использование в качестве конструкционных материалов ТТ обычной или нержавеющей стали ограничивает максимальную рабочую температуру ТТ, в результате чего поверхность холодильника-излучателя из таких ТТ получается относительно большой.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является ТТ, предложенная в [3]. Она содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки корпуса установлена капиллярная структура, выполненная в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана, в которой выполнены отверстия двух размеров, причем отверстия большого диаметром выполнены лишь в капиллярной структуре в зоне испарения.

Рассмотренная ТТ с описанной капиллярной структурой является высокоэффективным теплопередающим устройством. В качестве рабочего тела ТТ может быть использован натрий или другой щелочной металл, т.е. химически активный по отношению к кислороду внешней вакуумной среды (ВС). В этом случае ТТ является еще и высокотемпературной, что особенно важно в условиях невесомости, когда она используется для сброса тепла в космос излучением.

Однако использование в качестве конструкционных материалов ТТ обычной или нержавеющей стали ограничивает максимальную рабочую температуру ТТ, в результате чего поверхность холодильника-излучателя из таких ТТ получается относительно большой.

Кроме того, ресурсоспособность ТТ с щелочным металлом в качестве рабочего тела зависит от парциального давления кислорода внешней вакуумной среды, в которой может работать ТТ. Так, например, при работе ТТ в составе холодильников-излучателей в космосе на высотах до 500 км влияние кислорода, в том числе атомарного, может быть существенным. При наземной эксплуатации или отработке при остаточном вакууме в вакуумной испытательной камере 10^-5-10^-6 мм рт. ст. парциальное давление кислорода может превышать пороговое значение. При аварийных ситуациях, когда возможна разгерметизация вакуумной камеры, даже при незначительном повышении парциального давления кислорода в вакуумной камере возможно заметное сокращение ресурса ТТ.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение рабочей температуры ТТ с одновременным обеспечением длительной работоспособности ТТ с щелочным металлом литием, натрием, калием в качестве рабочего тела ТТ, в условиях эксплуатации в ВС, в том числе в космосе, за счет использования высокотемпературных материалов со специальными свойствами и защиты наружной поверхности ТТ как от постоянного, так и от кратковременного и локального попадания кислорода ВС при эксплуатации ТТ при высоких рабочих температурах.

Указанный технический результат достигается в высокотемпературной тепловой трубе, содержащей обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого у внутренней стенки корпуса установлена капиллярная структура, по крайней мере часть которой в исходном состоянии заполнена рабочим телом в виде химически активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды щелочного металла лития, или натрия, или калия, в которой корпус выполнен из геттерно-активного по отношению к кислороду внешней ВС металла, а на наружную поверхность корпуса, по крайней мере в зоне конденсации, нанесено покрытие с шероховатой наружной поверхностью из материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней ВС. В качестве гетерно-активного по отношению к кислороду внешней ВС металла может выбран титан или его сплав, или ниобий или его сплав, или тантал или его сплав. В качестве материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней ВС, может быть выбрана хромоникелевая шпинель.

На чертеже приведена схематично высокотемпературная ТТ для работы во внешней вакуумной среде.

Высокотемпературная ТТ содержит герметичный корпус 1 с зонами испарения 2 и конденсации 3, внутри которого с зазором 4 относительно внутренней стенки корпуса 1 размещена капиллярная структура 5 с мелкими ячейками 6, выполненными, например, в виде перфорированных отверстий по всей длине ТТ. В исходном состоянии полностью или по крайней мере часть капиллярной структуры 5 с ячейками 6 и зазором 4 заполнена рабочим телом 7 в виде химически активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды 8 щелочного металла лития или натрия или калия. Корпус 1 выполнен из гетерно-активного по отношению к кислороду внешней ВС 8 металла, например из титана или его сплава, ниобия или его сплава, тантала или его сплава. На наружную поверхность корпуса 1, по крайней мере в зоне конденсации 3, нанесено покрытие 9 с шероховатой наружной поверхностью 10 из материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней ВС 8, например хромоникелевая шпинель.

Высокотемпературная ТТ работает следующим образом.

В исходном состоянии ТТ заполнена рабочим телом 7, например литием, натрием или калием, твердая или жидкая фаза которого располагается в зазоре 4 и в капиллярной структуре 5. При нагреве корпуса 1 в зоне испарения 2 тепло передается твердой фазе рабочего тела 7 зоны испарения 2, которая постепенно нагревается, и затем происходит плавление рабочего тела 7 в зоне испарения 2. При дальнейшем нагреве корпуса 1 в зоне испарения 2 тепло передается жидкой фазе, которая испаряется преимущественно через развитую поверхность мелких ячеек 6 капиллярной структуры 5. Пар рабочего тела 7 в паровом объеме 11 переносится к капиллярной структуре 5 в зоне конденсации 3. За счет переноса тепла паром рабочего тела постепенно расплавляется рабочее тело 7 и в зоне конденсации 3. После того как все рабочее тело 7 в зонах испарения 2 и конденсации 3 будет расплавлено, процесс пуска считается завершенным, т.е. ТТ готова к нормальной штатной эксплуатации при высоких рабочих температурах.

Нормальная эксплуатация высокотемпературной ТТ во внешней вакуумной среде происходит следующим образом.

При наружном нагреве корпуса 1 в зоне испарения 2 тепло передается жидкому рабочему телу 7, например литию, натрию или калию, которое испаряется преимущественно через развитую поверхность мелких ячеек 6 капиллярной структуры 5. Пар рабочего тела в паровом объеме 11 переносится из зоны испарения 2 к капиллярной структуре 5 в зоне конденсации 3. Здесь в капиллярной структуре 5 зоны конденсации 3 благодаря отводу тепла с защитного покрытия 9 с внешней шероховатой наружной поверхности 10 происходит конденсация пара рабочего тела, а выделяющееся при этом тепло (теплота конденсации) отводится с шероховатой наружной поверхности 10 излучением в вакуумную среду 8, например космическое пространство. Cконденсировавшееся в зоне конденсации 3 жидкое рабочее тело по зазору 4 и капиллярной структуре 5 возвращается в зону испарения 2, где процесс повторяется снова.

Использование в качестве материала корпуса 1 тугоплавких металлов, например, ниобия или тантала позволяет повысить рабочую температуру ТТ по сравнению с ТТ, корпус которой изготовлен из обычной или нержавеющей стали, в результате чего поверхность холодильника-излучателя из таких ТТ получается существенно меньшей.

Ресурсоспособность ТТ с рабочим телом в виде химически активного по отношению к кислороду ВС щелочного металла лития, или натрия или калия зависит от парциального давления кислорода внешней ВС, в которой может работать ТТ. Поэтому необходимо предпринять меры по снижению поступления кислорода внешней ВС в щелочной металл внутри корпуса ТТ.

Одним из таких способов является использование в качестве материала корпуса ТТ гетерно-активного по отношению к кислороду внешней ВС 8 металла, например, титана, ниобия или тантала. Кислород внешней ВС будет поглощаться этим металлом, в результате чего герметичность корпуса 1 будет сохраняться и ТТ будет работоспособной.

Однако кислород внешней ВС будет поглощаться этим металлом лишь до некоторого порогового значения, после чего может произойти разгерметизация корпуса в результате специфических для системы щелочной металл - конструкционный материалов из гетерно-активного по отношению к кислороду внешней ВС металла.

При работе ТТ в составе холодильников-излучателей в космосе на высотах более 800 км влияние кислорода, в том числе атомарного, на ресурсоспособность рассматриваемой ТТ несущественно. При наземной эксплуатации или отработке при остаточном вакууме в вакуумной испытательной камере не хуже 10^-6 мм рт. ст. парциальное давление кислорода таково, что пороговое значение концентрации кислорода в металле корпуса будет достигнуто в течение некоторого времени. Однако при аварийных ситуациях, когда возможна разгерметизация вакуумной камеры, то даже при незначительном повышении парциального давления кислорода в вакуумной камере возможно заметное сокращение ресурса ТТ.

Поэтому использование в качестве конструкционных материалов корпуса 1 гетерно-активного по отношению к кислороду внешней ВС 8 металла, например титана, ниобия или тантала, требует специальной защиты наружной поверхности корпуса 1 от кислорода внешней ВС (вакуумной камеры или космического пространства). Поэтому на наружную поверхность корпуса 1, по крайней мере в зоне конденсации 3, нанесено защитное покрытие 9 с шероховатой наружной поверхностью 10 из материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней ВС. В качестве материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода ВС, может быть выбрана хромоникелевая шпинель. Защитное покрытие препятствует попаданию кислорода внешней ВС на металл корпуса 1, в результате чего ресурс ТТ по фактору появления порогового значения содержания кислорода в металле корпуса повышается. Выполнение наружной поверхности 10 шероховатой увеличивает степень черноты наружной поверхности ТТ в зоне конденсации, что при прочих равных условиях также приводит к снижению поверхности холодильника-излучателя.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить рабочую температуру ТТ с одновременным обеспечением длительной работоспособности ТТ с щелочным металлом литием, натрием, калием в качестве рабочего тела ТТ, в условиях эксплуатации в вакуумной среде, в том числе в космосе. Это достигается за счет использования высокотемпературных материалов со специальными свойствами и защиты наружной поверхности ТТ как от постоянного, так и от кратковременного и локального попадания кислорода вакуумной среды при эксплуатации ТТ при высоких рабочих температурах.

Источники информации
1. П.Т. Дан и Д.А. Рей. Тепловые трубы. М.: Энергия, 1979, с.83-90.

2. Тепловая труба. А.с. SU 1011997, F 28 D 15/02, 1983.

3. Тепловая труба. Патент RU 2083940 С1, F 28 D 15/02, B 64 G 1/0, 19.07.97. Бюл. 19 - прототип.

Изобретение предназначено для применения в энергетике и теплофизике. Изобретение содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого у внутренней стенки корпуса установлена капиллярная структура, по крайней мере часть которой в исходном состоянии заполнена рабочим телом в виде химически активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды щелочного металла лития, или натрия, или калия, причем корпус выполнен из гетероактивного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла, а на наружную поверхность корпуса, по крайней мере в зоне конденсации, нанесено покрытие с шероховатой наружной поверхностью из материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, в качестве гетероактивного по отношению к кислороду внешней вукуумной среды металла выбран титан или его сплав, или ниобий или его сплав, или тантал или его сплав, а в качестве материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, выбрана хромоникелевая шпинель. Изобретение позволяет повысить рабочую температуру изобретения с одновременным обеспечением длительной работоспособности. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Высокотемпературная тепловая труба, содержащая обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого у внутренней стенки корпуса установлена капиллярная структура, по крайней мере часть которой в исходном состоянии заполнена рабочим телом в виде химически активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды щелочного металла лития, или натрия, или калия, отличающаяся тем, что корпус выполнен из гетероактивного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла, а на наружную поверхность корпуса, по крайней мере в зоне конденсации, нанесено покрытие с шероховатой наружной поверхностью из материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды. 2. Высокотемпературная тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что в качестве гетероактивного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла выбран титан или его сплав, или ниобий или его сплав, или тантал или его сплав. 3. Высокотемпературная тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, выбрана хромоникелевая шпинель.