Критические плотности теплового потока и коэффициенты теплоотдачи.

Известно, что при кипении жидкости на твердой поверхности критические плотности подводимого теплового потока и соответствующие максимальные коэффициенты теплопередачи во многом зависят от типа жидкости, причем для различных диэлектрических жидкостей они изменяются в довольно широком диапазоне. Естественно, что для повышения эффективности системы испарительного охлаждения СПП желательно использовать промежуточные теплоносители с максимальными критическими параметрами.

Поверхностное натяжение. Жидкости с низкими коэффициентами поверхностного натяжения предпочтительнее, так как чем ниже коэффициент поверхностного натяжения жидкости, тем выше ее способность к смачиваемости твердой поверхности, что в свою очередь положительно влияет на пузыреобразование при кипении теплоотдающей поверхности и улучшает теплоотдачу.

Вязкость. Степень вязкости кипящей жидкости особенно сильно сказывается в процессе конденсации на стекание конденсата с поверхности конденсирования в общий объем, на толщину пленки конденсата. Чем ниже вязкость промежуточного теплоносителя, тем интенсивнее он конденсируется на вторичном теплообменнике.

Электрические сопротивления и прочность. Эти параметры диэлектрической жидкости являются в большинстве случаев определяющими при выборе жидкости в качестве промежуточного теплоносителя в испарительных системах охлаждения погружного типа СПП. СПП, у которых допустимое обратное напряжение достигает , а расстояние между анодом и катодом по прямой линии не более 10—15 мм, могут работать при погружении в жидкость с очень высоким объемным электрическим сопротивлением. Во всяком случае, сопротивление жидкости не должно быть меньше сопротивлений твердых диэлектрических материалов, применяемых в конструкциях СПП и ПУ в качестве изоляторов.

Электрическое сопротивление и неразрывно связанная с ним электрическая прочность жидких диэлектриков в значительной степени зависят от сроков и условий эксплуатации жидкостей. Определяющее влияние оказывают наличие различных примесей, рабочая температура жидкости и СПП, наличие доступа влаги и воздуха, химический состав и качество материалов, находящихся в непосредственном контакте с теплоносителем. Допускается использование только тех жидкостей, которые изменяют незначительно первоначальные электрические параметры под влиянием указанных факторов в процессе длительной эксплуатации.

Негорючесть, пожаробезопасность. Так как жидкий диэлектрик в процессе работы находится в непосредственном контакте с токоведущими элементами СПП и ПУ, которые могут быть локально нагреты до высоких температур, а также возможно образование электрических искр в режимах коммутации, он должен обладать температурой вспышки, значительно превышающей все возможные эксплуатационные температуры; пары данной диэлектрической жидкости не должны образовывать в контакте с воздухом, водяным паром, газами, которые могут выделить другие материалы, взрывоопасных примесей.

Токсичность. Диэлектрические жидкости, обладающие самыми высокими теплофизическими и электротехническими параметрами, не могут быть использованы в системах испарительного охлаждения, если они хотя бы в незначительной мере оказывают вредное влияние на жизнедеятельность обслуживающего персонала.

Токсичность определяется составом жидкости или ее паров, условиями эксплуатации охлаждаемых СПП и ПУ, а также принятыми конструктивными решениями при создании ПУ.

Совместимость с другими материалами. Как известно, при испарительном погружном охлаждении все материалы СПП, крепления, токосъемов, а также всевозможные прокладки, уплотнения, материалы самой емкости и теплообменника находятся в контакте со средой кипящего теплоносителя. Жидкость или ее пары не должны вызывать изменения электрических, механических и других свойств этих материалов; в свою очередь, материалы не должны оказывать влияние на свойства жидкости.

Экономичность. Для того чтобы системы погружного типа (СПТ) были экономически целесообразными, промежуточный теплоноситель должен иметь низкую стоимость и являться легкопроизводимым материалом. Кроме того, необходимо, чтобы он имел большой срок службы, так как частая смена отработанного теплоносителя приведет к подорожанию всей системы.

Наиболее пригодными по совокупности тепло- и электрофизических параметров жидкости и для использования в качестве промежуточных теплоносителей в испарительных СПТ являются дистиллированная вода и фреон-113 или его заменитель, являющийся экологически чистым МД-ЗФ.

Тепло- и электрофизические параметры этих жидкостей широко известны из справочной литературы.

Дистиллированная вода является распространенным жидким теплоносителем в различных системах охлаждения. Она имеет наилучшие теплофизические данные, низкую стоимость, практически абсолютно нетоксична, имеет меньшую массу по сравнению с другими диэлектрическими жидкостями. Дистиллированную воду легко получить как в лабораторных, так и в заводских условиях. По температуре насыщения при атмосферном давлении вода — идеальный промежуточный теплоноситель для испарительного охлаждения СПП с предельно допустимой температурой корпуса 125—190° С, так как критические плотности теплового потока при кипении воды на твердой поверхности нагрева, максимальные коэффициенты теплоотдачи, а следовательно, и наибольшая эффективность охлаждения достигаются при температурных напорах .

Однако вода имеет два недостатка, сдерживающих ее использование в системах испарительного охлаждения, — высокую температуру замерзания и резкое ухудшение электроизолирующих характеристик при попадании даже незначительного количества посторонних примесей.

Трифтортрихлорэтан—фреон-113 — бесцветная жидкость со слабым запахом; температура кипения при нормальном атмосферном давлении 47,7° С, температура замерзания

— 36,6° С. Несмотря на то что теплофизические свойства фреона-113 значительно хуже воды, спирта, некоторых других диэлектрических жидкостей, большинство авторов работ, посвященных вопросам испарительного охлаждения СПП, рекомендуют использовать в качестве промежуточного теплоносителя фреон-113 или МД-ЭФ. Это объясняется температурой их насыщения, удовлетворяющей условия работы СПП в части обеспечения Предельной температурой корпуса

— 85° С. Фреон-113 и МД-ЭФ в качестве теплоносителя можно применять при испарительном охлаждении (тиристоров) с температурой насыщения 55—70° С, создав при этом оптимальные условия для процессов теплоотдачи как при кипении, так и при конденсации; при этом требуется создание незначительного давления в емкости с теплоносителем. Фреон-113 обладает лучшими электроизоляционными свойствами в сравнении с другими теплоносителями. Все эти качества позволяют успешно использовать их в качестве промежуточного теплоносителя в испарительных погружных системах охлаждения СПП.

Данные о совместимости фреона-113 с различными электротехническими материалами малочисленны, отрывочны и носят иногда противоречивый характер. В связи с этим проведен комплекс исследований влияния среды фреона-113, а также и перфтортриэтиламина, жидкой и паровой фаз, на многочисленные электротехнические материалы, используемые в СПП и преобразователях на их основе.

Фреон-113 и МД-ЗФ выпускает отечественная промышленность в больших количествах.

— жидкость без цвета, почти без запаха, температура кипения 39,2 и замерзания —96,7° С соответственно. обладает более высокими теплофизическими параметрами, чем фреон-113. Взаимодействие с окружающими материалами практически такое же, как и трифтор - трихлорэтана. Он малотоксичен, но при температуре 120° С и выше начинает разлагаться, имеет высокие электроизоляционные свойства. Горючесть его очень низкая.

Важным фактором при разработке испарительных систем погружного типа СПП и ПУ на их основе является совместимость электротехнических материалов, используемых в конструкциях СПП и ПУ, с диэлектрическими промежуточными теплоносителями жидкостной, парожидкостной и паровой фаз.

Испытания на коррозийную стойкость таких материалов, как кремний, сталь , молибден, нержавеющая сталь, вольфрам, титан, а также защитные покрытия металлов — оловом, цинком, кадмием, хромом и никелем, показали, что указанные материалы можно отнести к весьма стойким материалам. По отношению к фреону-113 и перфтортриэтиламину они могут эксплуатироваться в контакте с фреоном-113 и МД-ЗФ без ограничения.

При изучении коррозии пластических материалов важным является отношение к ним химическим реагентов, поведение пластических материалов или защитных покрытий для оборудования. При использовании пластических материалов необходимо учитывать не только их физико-химические свойства, но и стойкость к коррозии для правильного выбора и установления экономической целесообразности применения данного материала.

В результате воздействия среды жидких диэлектриков — фреона-113 и МД-ЗФ — на неметаллические материалы наблюдается набухание таких материалов, как кремнийорганическая резина марки ТКР, капрон, стеклолакоткань марки ПСК, поливинилхлоридная пластмасса , резина РТИ, а также стеклотекстолиты, текстолиты, оргстекло, паронит, кремнийорганический самовулканизирующий компаунд . Незначительное набухание наблюдается у гетинакса, эбонита, пресс-материала , фторопласта и фенопласта.

При длительном воздействии фреона-113 и ДМ-ЗФ происходит снижение массы у стеклотекстолитов, текстолитов, кремнийорганических материалов, капрона, стеклолакоткани, поливинилхлоридной пластмассы, пенопласта. В то же. время у паронита, различных резин, органического стекла массы после испытаний несколько увеличивались. Наблюдается сильное растрескивание органического стекла, что указывает на возникновение внутренних механических напряжений при его нахождении в среде кипящих диэлектриков. Происходит отслаивание затвердевших эпоксидного и кремнийорганического компаундов от металлических поверхностей. Керамика всех марок инертна к данным жидким диэлектрикам.

Таким образом, можно отметить, что:

1) стеклотекстолиты, текстолиты, гетинакс, эбонит, керамики, полиамид стеклонаполненный, пресс-материал , фторопласт, несмотря на некоторые изменения их физических свойств, являются стойкими материалами в среде фреона-113 и МД-ЗФ и можно использовать их в конструкциях СПП и ПУ на их основе с испарительным погружным охлаждением;

2) органическое стекло, пенопласт, резины, стеклоткань, кремнийорганические материалы, поливинилхлоридные пластмасса, капрон являются нестойкими материалами в среде фреона-113 и МД-ЗФ и использовать их в данных условиях нельзя.

Результаты исследования состояния жидких диэлектриков, таких, как фреон-113 и МД-ЗФ, после контакта с электротехническими материалами показали, что эти диэлектрики практически инертны.