Тепловые трубы и принципы их работы

Помимо ЭВТИ важным элементом системы обеспечения теплового режима КА являются тепловые трубы – устройства, обладающие очень высокой теплопроводностью. Тепловая труба состоит из участка испарения и участка конденсации. Труба может иметь и еще одну зону – адиабатный участок, разделяющий испаритель и конденсатор.

Тепловая труба по конструкции аналогична термосифону, но в тепловой трубе на внутренней стенке укреплен фитиль, сделанный, например, из нескольких слоев тонкой сетки и конденсат возвращается в испаритель под действием капилярных сил. В тепловой трубе на расположение испарителя не накладываются ограничения, и она может работать при любой ориентации. Конечно, если испаритель тепловой трубы окажется в нижней точке, гравитационные силы будут действовать в одном направлении с капиллярными. А вообще, для обеспечения работы тепловой трубы необходимо, чтобы максимальный капиллярный напор ( превышал полное падение давления в трубе. Это падение давления складывается из трех составляющих:

1) перепада давления , необходимого для возврата жидкости из конденсатора в испаритель;

2) перепада давления , требуемого для обеспечения перетекания пара из испарителя в конденсатор;

3) гравитационной составляющей , которая может быть положительной и отрицательной, а также равняться нулю.

Таким образом, должно выполняться соотношение . Если это условие не будет соблюдено, то произойдет высыхание фитиля в зоне испарения и труба не будет работать.

Эффективность тепловой трубы часто определяется с помощью понятия “эквивалентная теплопроводность” [17]. В качестве примера можно отметить, что тепловая труба, в которой в качестве рабочей жидкости используется вода при температуре 150 ^○С, будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь. Теплопередающая способность тепловой трубы может быть очень большой; в тепловых трубах на литии при температуре 1500 ^○С в осевом направлении может быть передан тепловой поток плотностью .

Цилиндрические тепловые трубы применимы во многих случаях, но для удовлетворения специальных требований могут быть созданы трубы других конфигураций.

Тепловая труба помимо высокой эффективной теплопроводности характеризуется изотермичностью поверхности при низком термическом сопротивлении. Поверхность конденсации тепловой трубы в этом случае работает практически при постоянной температуре. Если на некотором участке возникает местный тепловой сток, то количество конденсирующегося в этом месте пара увеличивается и за счет этого температура поддерживается на прежнем уровне.

Имеются специальные тепловые трубы, которые обладают переменным термическим сопротивлением (тепловые трубы с изменяющейся проводимостью). Такой тип тепловой трубы, известный как газорегулируемая тепловая труба, поддерживает температуру теплового источника почти на одном уровне при изменении подвода теплоты в широких пределах. Это можно достигнуть, поддерживая постоянным давление в трубе и в то же время изменяя площадь поверхности конденсации в соответствии с изменением подвода теплоты. Тепловая труба присоединяется к резервуару, имеющему объем значительно больший, чем труба. Резервуар заполняется инертным газом под давлением, соответствующим давлению насыщения рабочей жидкости в трубе. При нормальной работе пар в тепловой трубе будет оттеснять инертный газ обратно в резервуар, и поверхность раздела между паром и газом будет находиться в некоторой границе участка конденсации. Допустим, что подвод теплоты несколько возрос. Температура насыщенного пара увеличивается, и вследствие этого увеличивается давление насыщения. Давление пара возрастает очень резко при малом возрастании температуры. Небольшое увеличение давления вызовет оттеснение поверхности раздела между паром и инертным газом и вследствие этого поверхность конденсации увеличится. Так как объем резервуара значительно больше по сравнению с объемом трубы, небольшое изменение давления приведет к значительному смещению поверхности раздела. Следует заметить, что температура, которая регулируется в большинстве простых газорегулируемых тепловых трубах, как и в тепловых трубах других типов, представляет собой температуру пара в трубе. При прохождении теплоты через стенку корпуса на участках испарения и конденсации будут наблюдаться обычные перепады температур.

Дальнейшее улучшение характеристик трубы достигается за счет использования контура обратной связи. Давление газа в резервуаре изменяется с помощью электронагревателя, который регулируется по сигналу чувствительного элемента, установленного у источника теплоты