Анализ практики конструирования тепловых труб

Проблема совместимости уже рассматривалась ранее в связи свыбором рабочей жидкости, материалов фитиля и корпуса тепловой трубы. Однакоэто проблема первостепенной важности и поэтому заслуживает специальногорассмотрения в данной главе.

Два основных эффекта являются следствием несовместимостиматериалов: коррозия и выделение неконденсирующегося газа. Если материалстенки или фитиля растворяется в рабочей жидкости, то в тепловой трубевозникает перенос массы между конденсатором и испарителем, при этом твердаяфаза будет откладываться в последнем. В результате этого процесса либопоявятся местные горячие пятна, либо произойдет закупорка пор фитиля.Выделение неконденсирующегося газа, по-видимому, является наиболее типичным индикаторомповреждения тепловой трубы. Неконденсирующиеся газы стремятся сосредоточитьсяв зоне конденсации тепловой трубы, которая постепенно «выключается» изработы, что легко зафиксировать из-за наличия в этом случае резкого скачкатемператур на границе газ — пар.

Хотя некоторые данные по совместимости материалов,безусловно, содержатся в обычных научных публикациях, а также в торговыхпроспектах по химическим веществам и материалам, тем не менее, повсеместноприменяемой практикой стало проведение ресурсных испытаний характерныхконструкций тепловых труб, основной целью которых является установлениесовместимости материалов в условиях длительной эксплуатации при рабочихпараметрах. В конце этих ресурсных испытаний могут проводиться газовыйанализ, металловедческое исследование, а также химический анализ рабочейжидкости (см. также § 4-2).

Ресурсные испытания тепловых труб проводились многимилабораториями, в результате опубликовано большое число данных. Однако приэтом важно помнить, что данные ресурсных испытаний, полученные в однойлаборатории, могут свидетельствовать об удовлетворительной совместимостикаких-то материалов, тогда как иная технология сборки, применяемая в другойлаборатории, включая, например, нестандартные способы обработки материалов,могут в других случаях привести к появлению коррозии или выделению газа. Темсамым появляется необходимость проводить испытания по совместимостиматериалов всякий раз, когда меняется технология очистки или сборки тепловойтрубы.

Нержавеющая сталь является с позиций совместимостиподходящим материалом для изготовления фитилей и корпусов труб прииспользовании таких рабочих жидкостей, как ацетон, аммиак или жидкие металлы.Недостатком нержавеющей стали является ее низкая теплопроводность, поэтомутам, где важно последнее свойство, используют медь или алюминий. Медьособенно привлекательна для серийных изделий с водой в качестве рабочейжидкости. В качестве материала корпуса были использованы пластмассы, а приочень высоких температурах обстоятельному рассмотрению подвергались керамикаи тугоплавкие металлы, такие как тантал. Для того чтобы обеспечитьопределенную эластичность стенки тепловой трубы, были использованы сильфоныиз нержавеющей стали, а в тех случаях, когда требовалась хорошая электроизоляция;,применяли керамические или стеклянно-металлические прокладки. В последнемслучае, естественно, использовались неэлектропроводные рабочие жидкости ифитили

Сравнительный обзор различных комбинаций материалов длядиапазона умеренных температур выполнен Бейсьюлисом и Филлером [3-3-3], егоосновные результаты приводятся ниже. Приведенные в указанной статье данныеполучены для более широкой, нежели указанная в табл. 3-4, гаммы органическихжидкостей, большая часть которых выпускается фирмой Dow Chemicals (DC).

Испытания на совместимость пары- алюминий — аммиакпродолжались свыше 8000 ч, тогда как для пары алюминий — ацетон былодостигнуто лишь 1008 ч. Для указанных испытаний Бейсьюлисом не приводитсяобласть рабочих температур. Тем не менее в настоящее время другимиисследователями последняя комбинация проверена в течение более чем 16 000 чработы.

Позднее в материалах Штутгартской конференции [3-34] былиопубликованы результаты ресурсных испытаний, выполненных в ЩЕ на более чем 40тепловых трубах. Опыты показали, что тепловые трубы могут работать безухудшения их характеристик В течение длительного времени (в настоящее времяпревзойдены 20 000 ч), однако в тепловых трубах нержавеющая . сталь.— воданаблюдалось сильное газовыделение. Фирма IKE высказала некоторые оговоркиотносительно использования ацетона в паре с медью и нержавеющей сталью. Хотяэти пары и совместимы, но было подчеркнуто, что необходимо обращать должноевнимание по обеспечению надлежащей чистоты как ацетона, так и металла.Аналогичные оговорки сделаны и для метилового спирта.

Всесторонние испытания тепловых труб нержавеющая сталь —вода были также выполнены в Испре [3-35], где опыты проводились до 250°С.

Обнаружилось, что ни изменения условий изготовления, нидобавление большого процента кислорода в газовую пробку не приводили ксущественному снижению интенсивности выделения водорода при 250°С. Внекоторых случаях водород выделялся в течение двух стартовых часов. Вуказанных опытах использовалась нержавеющая сталь 316, при этом в планепредотвращения выделения газа оказались неэффективными такие операции, какпассивация стали и дегазация. Все же было найдено, что образование окисногослоя на поверхности стали предотвращает в дальнейшем выделение водорода.

Джеррелс и Ларсон [3-36] также провели обширные ресурсныеиспытания тепловых труб, явившиеся частью исследования условий примененияэтих устройств для спутников. Цель этих исследований состояла в определениисовместимости широкой гаммы рабочих жидкостей с алюминием (сплав 6061) инержавеющей сталью 321. Использованный набор рабочих жидкостей включал в себяаммиак, который был признан приемлемым. Важно, однако, обеспечить оченьнизкое содержание воды в аммиаке. В паре с алюминием и нержавеющей стальюдопустимая концентрация воды, составляет всего лишь несколько миллионныхчастей.

Основные выводы Джеррелса и Ларсона по совместимостиматериалов приводятся ниже. Данные получены для следующих жидкостей: н-пентана;н-гептана, беизо-ла, толуола, воды (с нержавеющей сталью 321), фрео-на-11, фреона-ИЗ,СР-32 и СР-34 (экспериментальные жидкости фирмы Монсанто), этилового спирта, метиловогоспирта, аммиака и я-бутана. В паре с водой использовалась нержавеющая сталь321.

Все ресурсные испытания проводились с трубами,обеспечивающими возврат конденсата под действием силы тяжести, причем отводтеплоты происходил за счет обдува трубы потоком воздуха, а подвод — путемпогружения ее испарительной части в масляную ванну с регулируемойтемпературой.

Предварительная подготовка алюминиевого сплава состояла вследующем: предварительное отмачивание в горячем отмывающем щелочном растворес последующей отмывкой от окислов раствором ‘112 г сульфита натрия и 150 млконцентрированной азотной кислоты в 850 мл воды в течение 20 мин притемпературе 60°С. Кроме того, алюминий либо обтачивался, либо шлифовался вобласти сварных швов. В тепловые трубы вставлялся сетчатый фитиль изтехнически чистого алюминия. Корпуса сваривались дуговой сваркой под гелием вспециальной сварочной камере, отвакуумированной и продутой инертным газом.После сварки проводилась проверка на отсутствие течей, корпуса также опрессовыва,-лисьна давление до 7 МПа. Испытания на давление также сопровождались контролемутечек,

Корпус из нержавеющей стали 391 перед дальнейшейобработкой также отмачивался в горячем отмывающем щелочном растворе итравился в течение 15 мин при 58°С раствором, содержащим концентрированнуюазотную кислоту (объемная доля 15%), соляную кислоту (5%) и 80% воды. Крометого, нержавеющая сталь пассивировалась погружением на 15 мин при 65°С в15%-ный раствор азотной кислоты. В качестве материала фитиля использоваласьнержавеющая сталь 316. Корпус сваривался аргонодуговой сваркой.

Дегазация корпуса осуществлялась кипячением.

При применении метилового спирта в процессе заполнениятрубы было замечено протекание химической реакции, что безусловно сделалонецелесообразным проведение последующих ресурсных испытаний.

Герметизация корпусов капсул осуществлялась обжатием споследующим погружением сжатого конца в эпоксидную смолу для окончательнойзаделки.

В опытах были получены следующие результаты.

Пентан: испытан в течение 750 ч при 150°С. Замечены,эпизодические пульсации температуры со случайными отклонениями в 0,2°С. Приосмотре капсулы на внутренней стенке обнаружены места измененного цвета(слегка коричневатые), однако сетка фитиля выглядела чистой. Никакихсвидетельств коррозии не было найдено. Удаленная из капсулы жидкость быласлегка коричневатого цвета.

й-Гелтан: испытан в течение 600 ч при температуре 160°С.После 465 ч работы было замечено некоторое увеличение внутреннихсопротивлений, однако после вскрытия капсулы в конце испытаний еёвнутренность, включая сетку, была чистой, также чистой оставалась рабочаяжидкость.

Бензол: испытан в течение 750 ч при 150°С (скратковременным повышением температуры). Давление паров 0,67 МПа. На стенкеобнаружены места с очень слабым изменением цвета, фитиль был чистым,свидетельства коррозии отсутствовали, жидкость была чистой. Сделан вывод овысокой стойкости бензола в сочетании с выбранным алюминиевым сплавом.

Толуол: опыты проводились в течение 600 ч при температуре160°С. В течение первых 200 ч испытаний наблюдалось постепенное снижениетемпературы в конденсаторе, однако в последующий период изменения температурыне наблюдались. При вскрытии капсулы на стенке корпуса обнаружены местаслегка измененного цвета. По-видимому, это были поверхностные отложения, безкаких-либо признаков воздействия на алюминий. По окончании испытаний материалсетки был чистым, а рабочая жидкость прозрачной.

В испытанной тепловой трубе обнаружен также коричневыйосадок.

Фреон-1 1: испытаны две капсулы: одна в течение 500 ч притемпературе 68°С, другая в течение 500 ч при 95°С. При вскрытии первойкапсулы на внутренней ее стенке обнаружены небольшие площадки измененногоцвета. Сетка выглядела чистой, а жидкость — прозрачной. Внутренность второйкапсулы была совершенно чистой, а жидкость — прозрачной.

Ф р е о н -1 13: испытаны две капсулы при тех жетемпературах и в течение того же отрезка времени, что и образцы с фреоном-11.По окончании испытаний внутренность камер была чистой, а жидкость —прозрачной.

С Р – 3 2: испытана в течение 550 ч при температуре 158°С.Местами на внутренней поверхности обнаружены коричневые отложения. Сеткачистая, однако рабочая жидкость помутнела.

СР-34: испытана в течение 550 ч при температуре 158°С.Было обнаружено выделение газа. Имелось также обширное местное изменениецвета стенки капсулы вблизи поверхности жидкости. Цвет сетки не изменился.. Жидкостьсильно потемнела.

Аммиак: испытан в течение 500 ч при температуре 70°С.После опытов обнаружено некоторое изменение цвета стенки и сетки. Этиизменения были связаны с загрязнением аммиака некоторыми нелетучимипримесями, которые могли попасть в капсулу при ее заполнении. В частности, врабочую жидкость могла попасть смазка вентиля, когда он находился в положениина заполнение капсулы. (Это была единственная испытанная труба, заполнениекоторой осуществлялось через вентиль.)

я-Бутан: испытан в течение 500 ч при 68°С. Считалось, чтов данном случае могло происходить выделение неконденсирующегося газа, однакоухудшение характеристик было связано с некоторым загрязнением «-бутана передзаполнением. Авторы полагают, что загрязняющим веществом мог быть изобутан.Последующие опыты с более чистым «-бутаном дали лучшие результаты, однакополностью от загрязнения избавиться не удалось.

При анализе надежности результатов приведенных ресурсныхиспытаний Джеррелс и Ларсон приводят следующие соображения: «Следуетподчеркнуть, что данные опыты ставили своей целью исследовать совместимоСтьопределенных сочетаний рабочая Жидкость — Материал в условиях длительной (пятьлет) работы в радиаторе паровой камеры при заданных условиях. Исходныеусловия следующие: стационарная температура греющей жидкости на входе врадиатор 143°С с кратковременными повышениями ее до 160°С. Действительнаятемпература рабочей жидкости в паровой камере должна быть несколько нижетемпературы греющей жидкости, поскольку между последней и поверхностьюиспарения паровой камеры должен существовать некоторый перепад температур.Согласно оценкам при испытаниях капсул высокотемпературные рабочие жидкостинаходились при температурах, примерно на 10°С превышающих расчетныемаксимальные и примерно на 20°С превышающих расчетные стационарныетемпературы, при которых жидкости будут работать в реальных радиаторах.Длительность работы жидкостей во время испытаний капсул составила всего лишьпримерно 1% планируемого срока службы радиатора, однако условия их работыбыли существенно тяжелее расчетных. Поэтому представляется разумным принять,что если испытания в капсулах определенного сочетания жидкость — материал недали отрицательных результатов, то это сочетание может считатьсяпотенциальным кандидатом на его использование в радиаторах со сроком службыпять лет»!

На основании описанных выше испытаний Джеррелс и Ларсонвыбрали следующие рабочие жидкости:

для алюминиевого сплава 6061 при температурах не более150°С — бензол, «-гептан, и-пентан;

для алюминиевого сплава 6061 при температурах не более94°С—; фреон-11 и фреон-113;

для алюминиевого сплава 6061 при температурах не более65°С — аммиак и «-бутан.

Согласно данным фирмы Dupon скорость коррозии алюминия вофреоне-11 составляет 1,25-10 см/мес при 115°С. Другие исследования [3-37],проведенные на фре-оне-113, показали отсутствие коррозии алюминия при его 100часовых испытаниях при температуре кипения. Фре-он-113 содержался в сосудахиз различных металлов в течение двух лет при 150°С, при степени разложенияфреона 0,3—0,4%.

Следующие рабочие жидкости, по-видимому, являютсянепригодными:  вода   (с нержавеющей сталью 321);

СР-32; СР-34; метиловый спирт; толуол (с алюминиевымсплавом 6061).

Джеррелс и Ларсон указывают, что в Лос-Аламос–скойлаборатории достигнут срок службы тепловой трубы, работающей на воде,превышающий 3000 ч без ухудшения характеристик трубы. Труба изготовлена изнержавеющей стали 347.

Согласно другим источникам [3-38] спирты в абщем случаенепригодны для работы с алюминием.

По результатам анализа Джеррелса и Ларсона для паровыхкамер с корпусом, изготовленным из алюминия, при температуре менее 65°С, вкачестве наиболее подходящей   рабочей  жидкости   был   рекомендованаммиак, а для температур более указанной — пентан.

На другом конце температурной шкалы большие сроки службытепловых труб были достигнуты при работе с литием или серебром в качестверабочих жидкостей [3:5]. При изготовлении корпуса из сплава вольфрам-рений(W-26Re) полагали, что длительность работы тепловой трубы на литии составитмного лет при температуре 1600°С. При 1700°С значительная коррозиянаблюдалась после одного года эксплуатации, а при 1800°С срок службы составилвсего лишь один месяц. Полагали, что тепловые трубы W-26Re-Ag могут работатьпри 2000°С в течение 1000 ч. Некоторые другие данные приведены в табл. 3-5.

Специально должен быть рассмотрен вопрос о методикересурсных испытаний и правомерности экстраполяции полученных данных на периодв несколько лет. Например, для труб, устанавливаемых на спутниках, где ремонтв случае аварии затруднен, если не невозможен, семилетний срок службысогласно требованиям Европейской космической исследовательской организации являетсястандартным минимумом. Поэтому необходимо уменьшить длительность проведенияресурсных испытаний, но так, чтобы надежность работы труб в течениедлительного времени могла быть определена с высокой степенью точности.

Ресурсные испытания тепловых труб обычно прежде всегосвязаны с определением любой несовместимости рабочей жидкости с материаломфитиля или корпуса. Кроме того, полные ресурсные испытания должны включать всебя длительные исследования характеристик трубы в условиях, близких крабочим. При выполнении подобных работ, однако, трудно добиться ускоренияресурсных испытаний, скажем, путем увеличения теплового потока в испарителе,поскольку любое существенное увеличение этого параметра может привести косушению фитиля из-за работы трубы в режиме, существенно превышающем еерасчетные возможности. Поэтому любое ускоренное ресурсное испытание, котороепредусматривает, скажем, четырехкратное увеличение теплового потокаотносительно номинального, должно выполняться в условиях обеспеченного засчет естественного слива возврата конденсата и сопровождатьсясистематическим  -определением    характеристик    трубы с тем, чтобы иметьуверенность, что ее расчетная мощность все еще достигается.

Другая возможность уменьшения времени ресурсных испытаний заключаетсяв ускорении любого процесса, ведущего к ухудшению характеристик трубы.Например, можно поднять рабочую температуру трубы, если конструкцияиспарителя допускает подобную операцию. Одной из теневых сторон этого метбда являетсявозможность термического разложения самой рабочей жидкости. Например, вприсутствии окислов металлов может произойти крекинг ацетона с образованием диацетоновогоспирта, имеющего значительно более высокую точку кйиения, нежели чистыйацетон.

Несомненно, что многие факторы должны быть учтены приподготовке программы ресурсных испытаний, включая такие вопросы, как наличиеклапанов в опытной установке или обеспечение ее полной герметичности,характерной для реальных устройств. Этот вопрос первостепенной важности.