Контактное тепловое сопротивление.

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 Р_кап, воздействующее на жидкость и стремящееся уменьшить кривизну менисков. Капиллярное давление в мениске определяется по формуле Лапласа:

где Р_кап – 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 ΔP_Ф – 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