7.2.5.3. Вентиляторы и насосы систем охлаждения

В воздушных системах охлаждения применяют осевые и центробежные вентиляторы (рис. 7.2.5.3).

В осевых вентиляторах воздух перемещается вращающейся крыльчаткой в направлении оси вентилятора. Эти вентиляторы могут перемещать большие объемы воздуха, но создают сравнительно невысокие напоры (30… 40 мм вод. ст.).

Рис. 7.2.5.3. Вентиляторы: а - осевой; б - центробежный

В центробежных вентиляторах воздух всасывается через осевое отверстие в кожухе и под действием центробежной силы, развиваемой колесом с лопатками, нагнетается в радиальном направлении в выходное отверстие вентилятора. Центробежные вентиляторы конструктивно сложнее осевых, но экономичны и способны создавать более значительные напоры (до 300 мм вод. ст.).

В жидкостных системах охлаждения для перекачивания теплоносителей и хладагентов используются центробежные насосы, принцип работы которых аналогичен центробежному вентилятору.

8. Специальные устройства охлаждения рэс

8.1. Тепловые трубы

Тепловые трубы (ТТ) разработаны и стали применяться в 60-х годах прошлого века. В РЭС они используются для локального охлаждения термонагруженных элементов и узлов и служат для переноса тепла к внешнему теплоотводу. Характерной особенностью тепловых труб является то, что они могут снимать плотности тепловых потоков до 120 .

Независимо от конструктивного выполнения тепловые трубы подразделяются на два типа: трубы первого типа служат только для отвода тепла, трубы же второго типа помимо отвода тепла обеспечивают поддержание постоянной температуру охлаждаемого устройства при изменении количества подводимого тепла. В тепловых трубах обоих типов используются одни и те же физические явления - испарительное охлаждение и капиллярный эффект.

Тепловые трубы первого типа представляют собой полый вакуумированный сосуд, внутренняя поверхность которого облицована капиллярной структурой, называемой фитилем. Капиллярная структура пропитана рабочей жидкостью (рис. 8.1.1).

Один конец трубы (испарительная часть) имеет хороший тепловой контакт с источником тепловой энергии. Второй конец трубы является конденсатором, как правило, он снабжен теплоотводом (чаще всего в виде радиатора).

Процесс испарения рабочей жидкости сопровождается большим поглощением тепла, величина которого определяется теплотой парообразования. При испарении давление пара в зоне испарителя повышается, в результате пар и следовательно и тепловая энергия переносится в конденсационную зону.

Рис. 8.1.1. Устройство тепловой трубы

Стенки конденсатора при отводе тепла во внешнюю среду имеют более низкую температуру, что вызывает конденсацию пара. Процесс конденсации сопровождается выделением тепловой энергии, отобранной в испарительной секции, и уменьшением давления пара.

Скрытая теплота парообразования рабочей жидкости переносится от испарительной части трубы в сторону конденсаторной с помощью пара, температура по длине трубы остаётся почти постоянной. Это обуславливает высокую осевую теплопроводность трубы. Эквивалентный коэффициент теплопроводности ТТ достигает (3…10) 10⁴Вт/(м·К). Для сравнения у серебра=418 Вт/(м К), у меди -= 389 Вт/(м К).

Необходимым условием передачи тепла в ТТ является наличие устройства, возвращающего сконденсированную жидкость в зону испарения. В тепловых трубах для возврата конденсата используется капиллярный эффект. Капиллярный эффект проявляется в материале с малыми сообщающимися порами и хорошей смачиваемостью. Возникающие между жидкостью и стенками пор силы поверхностного натяжения заставляют жидкость двигаться в сторону испарения.

Тепловые трубы, поддерживающие постоянную температуру охлаждаемого устройства, отличаются от труб, выполняющих функции только теплоотвода, тем, что они имеют резервуар, соединенный с секцией конденсатора (рис. 8.1.2).

Этот резервуар заполнен неконденсирующимся газом. До момента подачи тепла к трубе газ распределяется наравне с паром рабочей жидкости равномерно по всей длине трубки.

После подачи тепла на секцию испарителя пар рабочей жидкости и неконденсирующийся газ движутся в сторону зоны конденсатора. Жидкость, полученная в процессе конденсации, возвращается по фитилю к зоне испарителя, а неконденсирующийся газ такой возможности не имеет. Поэтому между паром рабочей жидкости и неконденсирующимся газом устанавливается поверхность раздела, которая делит конденсатор на две части.

Рис. 8.1.2. Тепловая труба с регулируемой теплопроводностью

Постоянный уровень температуры в испарителе обеспечивается благодаря тому, что кривая насыщения пара рабочей жидкости имеет большую кривизну, тогда как давление неконденсирующегося газа при изменении температуры меняется линейно (для идеального газа).

Таким образом, небольшое изменение температуры в испарительной части приводит к существенному изменению давления пара и изменению эффективной площади теплообмена конденсатора, при увеличении температуры эффективная площадь увеличивается, увеличивается процесс конденсации и поступление жидкости к испарителю и, наоборот, вследствие чего температура испарителя стремится оставаться на постоянном уровне.

Изменение эффективной площади теплообмена конденсатора равносильно изменению эквивалентного коэффициента теплопроводности трубы. Поэтому эти трубы называют ТТ с изменяющейся теплопроводностью. Точность поддержания температуры испарителя зависит от соотношения объемов конденсаторной части трубы и резервуара. Так, если мощность, отводимая тепловой трубой, изменяется от 70 до 320 Вт, а отношение объемов равно 5, то изменение температуры испарителя составляет 2,18 ⁰С, а для отношения, равного 100, это изменение составит всего 0,06⁰С.

Эффективность тепловых труб определяется способностью капиллярной структуры фитиля передавать сконденсированную жидкость к испарителю и скрытой теплотой парообразования жидкости. Всасывающая способность фитиля зависит от его структуры, конфигурации и от таких свойств жидкости, как способность смачивать поверхность фитиля, поверхностного натяжения, плотности, вязкости.

Рабочей жидкостью чаще всего являются вода, метиловый спирт, аммиак, хлористый этил, фторорганические жидкости.

В качестве фитиля используется сетка из меди или никеля, стеклоткань, спеченное стекловолокно или металлический порошок.

Корпус ТТ выполняется из различных материалов – дюраль, медь, никель, нержавеющей стали, керамики, причем конфигурация труб определяется условиями использования их в аппаратуре. Применение в качестве материала трубы керамики позволяет обеспечить высокую теплопроводность и значительное электрическое сопротивление. Это особенно важно в тех случаях, когда тепловые трубки и охлаждающий узел образуют единую конструкцию. При передаче больших тепловых потоков (порядка сотен Вт) конденсаторы тепловых труб выполняются с развитой поверхностью (оребряются), что позволяет отводить тепло в окружающую среду, используя воздушное охлаждение. Это позволит трансформировать плотности тепловых потоков от Вт/м²на стороне испарителя до сотен Вт/м²на стороне конденсатора.

При передаче тепловой энергии ТТ гораздо эффективнее, чем другие устройства теплоотвода. Например, тепловая труба длиной около 60 см и диаметром 13 мм может отводить мощность до 200 Вт при перепаде температур между испарителем и конденсатором в 0,5 ⁰С.

Для использования положительных свойств тепловых труб необходимо обеспечивать хороший тепловой контакт охлаждаемого прибора с испарителем ТТ. При механическом креплении этот контактный переход имеет определенное тепловое сопротивление, на котором устанавливается перепад температур. Если даже применить специальную теплопроводную смазку, то перепад температур может составить единицы и даже десятки градусов при больших плотностях тепловых потоков. Тепловая труба не уменьшает этого перепада. Для уменьшения теплового сопротивления перехода охлаждаемый прибор и тепловая труба выполняются конструктивно как одно целое.