Принудительное водяное охлаждение мощных электронных приборов.

Принудительное водяное охлаждение нашло самое широкое распространение в практике эксплуатации электровакуумных приборов большой мощности. В качестве теплоносителя используется очищенная и обессоленная вода, которая при помощи распределительных устройств подается под давлением в каналы охлаждения прибора с расчетной скоростью.

Задача охлаждения тепловыделяющего элемента, в частности анода лампы, состоит в определении конструкции его охлаждаемой поверхности и в выборе параметров потока охлаждающей воды. Специфика работы мощных электронных ламп состоит в высокой тепловой нагруженности их электродов, в ряде случаев превышающей нагрузки на активные поверхности ядерных реакторов. Удельные тепловые нагрузки на анодах ламп вещательного диапазона достигают 150 ·10⁴ Вт/м², а у СВЧ-приборов с сеточным управлением до (300…500)10⁴ Вт/м².

Если температура охлаждаемой поверхности не превышает температуру кипения воды t_s при рабочем давлении, имеет место чисто конвективный режим охлаждения. Например, при давлении p = 2 бар температура кипения воды составляет 120 °С.

Режим конвективного охлаждения может быть реализован при относительно низких тепловых потоках (менее 20 ·10⁴ Вт/м²). В конвективном режиме охлаждения перегрев охлаждаемой стенки относительно температуры воды в соответствии с законом Ньютона пропорционален удельному тепловому потоку q: q = α_k (t – t_в) Вт/м², где α_k – конвективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·°С).

Коэффициент теплоотдачи α_k характеризует интенсивность теплообмена между твердой стенкой и водяным потоком и является величиной, обратной удельному тепловому сопротивлению на границе "стенка–жидкость". Природа возникновения этого теплового сопротивления связана с тормозящим действием сил вязкости, приводящих к образованию у поверхности динамического пограничного слоя жидкости, на котором происходит падение скорости воды от среднего значения в потоке до нуля на стенке (прилипание).

В условиях нагрева на охлаждаемой поверхности формируется и тепловой пограничный слой, на котором происходит изменение температуры от нагретой стенки до температуры потока. Толщины динамического и теплового пограничных слоев на противоположных поверхностях канала увеличиваются по длине канала до полного их смыкания. Расстояние от входа до точки смыкания слоев называется участком динамической и тепловой стабилизации. Отсюда следует, что, чем короче канал, тем тоньше тепловой и динамический слои, тем выше теплоотдача. Подобие теплового и гидродинамического полей в пограничном слое определяется безразмерным критерием Прандтля (Pr), который является физическим параметром вещества, так как составлен как отношение двух физических параметров – кинематической вязкости ν и температуропроводности a.

Рисунок 2. Принудительная водяная система охлаждения

Рассмотрим схему системы принудительного водяного охлаждения мощной генераторной лампы типа ГУ-94А с внешним анодом (рисунок 1). Медный цилиндрический анод 1 диаметром 185 мм имеет на своей наружной поверхности 90 ребер высотой 5 мм и толщиной 3 мм, которые образованы проточками шириной 3,3 мм.

Анод помещен в бак 2 таким образом, что торцы ребер плотно прилегают к рубашке бака. Вход и выход воды из бака осуществляется через два присоединенных штуцера. Вода поступает в бак и отводится из него через протяженные рукава из электроизолирующего материала (например, полиэтилена), оформленные конструктивно в виде электроизолирующего стенда 4.

Для измерения объемного расхода воды [л/мин] в напорной магистрали установлен ротаметр 10 с местными показаниями типа РМ. Ротаметр содержит коническую стеклянную трубку со шкалой, внутри которой находится массивный поплавок обтекаемой формы.

В результате действия динамического давления воды поплавок поднимается на определенную высоту, соответствующую заданному расходу. Шкала трубки линейная благодаря ее конической форме. Если верхнего предела измерения ротаметра недостаточно для измерения заданного расхода, используют два или несколько ротаметров, присоединенных к магистрали параллельно. Для изменения установленного расхода воды служит клапан 11.

Все каналы охлаждения лампы обладают определенным гидравлическим сопротивлением, которое может быть измерено по разности показаний манометров 3, присоединенных ко входному и выходному штуцерам бака (потери давления ).

Потери давления в каналах охлаждения резко зависят от расхода воды, как правило, по квадратичному закону.

Термопару 6 для измерения температуры анода изготавливают из тонкой проволоки (диаметром 0,2) из хромель-копелевого сплава. Головка термопары закрепляется в верхней, наиболее горячей части анода методом зачеканивания. Концы термопары выводятся за пределы бака через резиновую уплотнительную прокладку и затем подключаются к измерительной схеме (переключатель 7, вторичный прибор 8, разделительный трансформатор 9). Для измерения температуры воды на входе и выходе из бака используются также термопары 5, головки которых крепятся ко входной и выходной трубкам.