9.Процессы образования накипи на электродах мощных ламп
Применение воды в качестве наиболее дешевого и эффективного теплоносителя сопровождается некоторыми нежелательными явлениями.
Если
удельная тепловая нагрузка на электроде
(аноде) превышает
Вт/м2,
это всегда приводит к образованию
отложений (накипи) на охлаждаемой
поверхности.
Возникновение
накипи связано в основном с химической
и электрохимической коррозией медных
и других материалов прибора и системы
охлаждения, а также с осаждением на
поверхности различных веществ из-за
испарения воды в пристенном слое. Все
отложения сосредоточены в основном на
активной поверхности анода, подверженной
наиболее сильному нагреву, и имеют
преимущественно черный или зеленый
цвет. На рис. 2.5 можно видеть характер
отложений на аноде мощного триода после
работы в течение 1500 ч. при удельной
тепловой нагрузке
Вт/м2
(толщина отложений 500 мкм).
Рис. 2.5
Основной составляющей черной накипи является оксид меди CuO. Отложения накипи представляют собой теплоизолирующее покрытие, приводящее к постепенному и значительному перегреву анода. Борьба с отложениями на электродах ламп может вестись двумя путями: «экстенсивным», при котором создаются условия, ослабляющие физико-химические процессы образования отложения в системах, и «интенсивным» путем проведения мероприятий по химической очистке от отложений.
Первый путь это создание герметизированных двухконтурных систем охлаждения, выполненных из слабокорродирующих материалов и включающих в себя элементы очистки воды от ионных примесей, кислорода и других газов, механических частиц и органических соединений.
Система охлаждения заполняется дистиллированной водой, качество которой должно периодически контролироваться по таким основным показателям, как удельное электрическое сопротивление, солесодержание, содержание кислорода.
Пример 2.1. Расчет теплового режима анода с водяным охлаждением. Расчет выполнен применительно к лампе ГУ-94А.
Анод
лампы представляет собой цилиндрический
медный стакан с наружным диаметром
мм и длиной 283 мм, на поверхности которого
выполнено 90 продольных проточек шириной
мм и глубиной
мм, которые образуют развитую ребристую
поверхность с высотой ребра
мм и толщиной
около 3 мм. Диаметр анода у основания
ребер
мм. Внутренний диаметр анода
мм.
В верхней части анод имеет фланец,
к которому прикрепляется съемный бак.
Бак состоит из внутренней рубашки,
плотно прилегающей к торцам ребер, и
наружного цилиндра с рукоятками для
крепления его к лампе. В нижней части
рубашка имеет горизонтальную разделительную
перегородку, а на дне наружного цилиндра
закреплены два штуцера для подвода и
отвода охлаждающей воды.
Исходные данные для расчета:
1.
Мощность, рассеиваемая анодом
кВт.
2.
Расход воды
л/мин.
3.
Начальная температура воды
.
Требуется рассчитать температуру анода.
Учитывая большой диаметр анода, его можно считать как оребренную пластину толщиной 12,5 мм.
Активная
поверхность анода, на которой выделяется
тепло в результате бомбардировки
электронами, расположена напротив
катода длиной
мм.
Участки анода, находящиеся за пределами
активной зоны, называются условно
«холодными» концами, их влияние невелико
и поэтому в расчете не учитывается. Это
можно рассматривать как некоторый запас
надежности.
Удельный тепловой поток на внутреннюю поверхность анода определяется как
Вт/м2.
Удельный тепловой поток, отнесенный к основанию ребер,
Вт/м2.
Средний
тепловой поток
Вт/м2.
Перепад
температуры по толщине анодной стенки,
равной
мм,
,
где
теплопроводность меди, Вт/(м · оС).
Для
расчета конвективного коэффициента
теплоотдачи
все физические параметры воды берем
при ее средней температуре. Нагрев воды
на выходе из бака легко вычислить из
уравнения теплового баланса
:
,
где
Дж/(кг· оС)
теплоемкость воды;
расход воды, м3/с
(80 л/мин =
м3/с);
плотность воды кг/м3.
оС.
Температура
воды на выходе из бака
оC.
Средняя
температура воды
оС.
Физические
параметры воды при этой температуре:
кинематическая вязкость
м2/с;
теплопроводность
Вт/(м
· оС);
критерий Прандтля
;
скорость воды в каналах
м/с;
сечение всех каналов; критерий Рейнольдса
,
где
эквивалентный диаметр канала, равный
учетверенному сечению, деленному на
периметр канала
м.
Так
как
,
имеет место турбулентный режим течения,
для которого можно рассчитать критерий
Нуссельта (Nu)
по следующей формуле:
.
Конвективный коэффициент теплоотдачи
Вт/(м2
·
оС).
Вычисляем
конвективную составляющую теплового
потока, если температура поверхности
достигает температуры кипения воды
при нормальном давлении:
Вт/м2.
Тепловой поток на охлаждаемую поверхность (без учета остывания по высоте ребра)
Вт/м2,
где
вся поверхность охлаждения на участке,
расположенном напротив катода.
Из расчета следует, что тепловая нагрузка на охлаждаемую поверхность почти в два раза выше конвективной составляющей теплового потока. По этой причине теплообмен в каналах будет происходить в режиме поверхностного кипения с конденсацией пара в потоке холодной воды. Режим поверхностного кипения позволяет существенно повысить интенсивность теплоотдачи.
Вычислим перегрев охлаждаемой поверхности относительно температуры кипения воды по следующей формуле:
,
где
К
температура насыщения воды;
критическая температура воды;
Н/м2
критическое давление для воды, М
= 18,02
молекулярная масса воды.
°С.
Температура охлаждаемой поверхности (при атмосферном давлении)
=100
+ 22=122 °С.
Температура внутренней поверхности анода
°С.
Температура внутренней поверхности анода не превышает предельную допустимую, равную 220 оС.
Устойчивость
процесса поверхностного кипения
характеризуется критерием
,
который не должен быть больше 3:
.