Испарительное охлаждение мощных генераторных ламп.

Испарительное охлаждение может рассматриваться как вариант водяного охлаждения, но с существенным отличием, заключающимся в том, что процесс охлаждения осуществляется за счет испарения (кипения) неподвижной воды, в которую помещен электрод (анод) лампы.

На первый взгляд кажется парадоксальным, что с помощью пара можно охлаждать. Однако все легко объяснимо, если рассмотреть физику процесса испарения, являющегося эндотермическим, т. е. с поглощением больших количеств тепловой энергии. Так, для превращения 1 кг воды в пар при температуре 100 ^оС необходимо затратить Дж тепловой энергии. Эта тепловая энергия, идущая на изменение агрегатного состояния воды, называется скрытой теплотой парообразования и обозначается буквой (Дж/кг).

Легко подсчитать, что для превращения воды в пар при температуре 100 °С с расходом кг/мин необходимо затратить электрическую мощ-ность Вт.

Анод в кипящей воде поддерживается при достаточно низкой температуре, ненамного превышающей температуру кипения жидкости. При атмосферном давлении равновесная температура между жидкостью и паром (температура кипения) составляет 100 °С.

Образующийся пар автоматически удаляется за пределы испарительного объема в теплообменник, где конденсируется и оттуда возвращается обратно в виде конденсата. Выделенное в теплообменнике при конденсации пара тепло, благодаря высокой температуре, можно использовать для различных целей, например, для отопления зданий.

Системы испарительного охлаждения строят в виде замкнутого контура, заполненного дистиллированной водой.

Испарительные системы охлаждения имеют следующие преимущества:

1. Общий запас дистиллированной воды относительно мал. Потери воды также пренебрежимо малы и в большинстве случаев не превышают 1 л в неделю.

2. При соответствующей обработке можно получить вторичную воду в теплообменнике с температурой 60…80 °С и использовать ее (утилизировать) для хозяйственных нужд, например, отопления зданий.

3. Благодаря автоматической циркуляции воды в контуре охлаждения повышается общий КПД, так как отпадает необходимость в насосе.

4. Процесс испарения и отвод тепла изменяется автоматически при изменении выделяемой на аноде мощности, в то время как при других видах охлаждения расход теплоносителя должен быть рассчитан на максимальную мощность.

5. Система работает при атмосферном давлении, охлаждающий эффект не зависит от колебаний температуры среды и атмосферного давления.

6. Лампа может быть легко заменена без разрыва системы охлаждения.

Несмотря на преимущества испарительного охлаждения, связанные с высокой теплотой парообразования, первые опыты по охлаждению мощных генераторных ламп заканчивались неудачей на протяжении десятка лет.

Было установлено, что обычный гладкостенный цилиндрический анод разрушается в течение короткого времени в результате появления в нем очагов покраснения и проплавления из-за обволакивания его сплошным паровым слоем. Это явление называется кризисом теплообмена, исследованию которого посвящены многие работы.

Кризис теплообмена иногда называют феноменом Ляйденфроста. Эффект Ляйденфроста можно легко наблюдать, если холодная капля падает на горячую плиту. Между каплей и плитой возникает теплоизолирующий паровой слой, на котором капля прыгает как резиновый мячик, с большим трудом отбирая тепло от плиты.

Интуитивная уверенность в возможности решения проблемы кризиса теплообмена привела многих экспериментаторов к идее использования цилиндрической стенки с большим числом массивных радиальных ребер (шипов), протыкающих паровой слой и разрушающих его непрерывность в результате действия термосифонного эффекта на неизотермической поверхности и турбулентности.