7.3. ВОЗДУШНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ СПП

Наибольшее распространение в настоящее время получили системы воздушного охлаждения СПП. Это объясняется тем, что воздух является единственной средой, к которой в конечном счете передается выделенное прибором тепло.

Для СПП штыревого и таблеточного исполнений на токи 10—630 А (с мощностью тепловых потерь ) хорошо себя зарекомендовали цельнометаллические охладители (их технические характеристики достаточно полно освещены в ТУ 16.729.377-83, ГОСТ 25293-87, СТ СЭВ 3163—85, СТ СЭВ 3162-85 [7.1; 7.2].

0211, 0321, 0421, 0431, 0531, 0341, 0441, 0451, 0631

Для СПП на токи 630 — 3000 А, выделяющих мощность , применение цельнометаллических охладителей нерационально, так как они имеют относительно низкую теплопроводность, приводящую к возрастанию массогабаритных параметров охладителей и снижению их эффективности.

Наиболее эффективные современные цельнометаллические воздушные охладители СПП таблеточного исполнения позволяют при скорости воздуха в межреберных каналах , габаритных размерах мм, массе 21 кг и перепаде температур 45° С отвести от СПП до тепла.

Анализ путей повышения интенсификации теплообмена показал, что практический интерес представляют разработки теплоотводов воздушных охладителей на основе термосифонов (ТС) и тепловых труб (ТТ) .

Преимуществами ТС и ТТ являются:

высокая теплопроводность зоны «испаритель—конденсатор» (на 3—4 Порядка выше теплопроводности меди);

высокие плотности отводимых тепловых потоков

изотермичность поверхности конденсаторной части теплоотвода, что позволяет обеспечить одинаковый КПД работы оребрения на всей конденсаторной части теплоотвода;

возможность регулирования давления в конденсаторе, позволяющая изменять температуру кипения и конденсации теплоносителя [на развитой поверхности кипения коэффициент теплообмена достигает ;

осуществление кипения без дополнительной энергии, кроме СПП.

К недостатку ТС можно отнести их ограниченную ориентацию в пространстве.

В зависимости от места подвода тепла к испарителю теплоотводы на основе ТС делят на теплоотводы с торцевым подводом тепла для СПП штыревого исполнения и на теплоотводы с боковым отводом тепла для СПП таблеточного исполнения. Это связано с тем, что в зависимости от места подвода тепла изменяется механизм физических процессов, происходящих во внутренней полости термосифонного элемента: процесс кипения на стороне подвода тепла и конденсации на стороне отвода тепла, возврат рабочей жидкости из конденсатора в испаритель за счет сил гравитации, наконец, процесс переноса пара из зоны испарения в зону конденсации.

Процессы кипения и конденсации в термосифонном элементе будут различными также в зависимости от ориентации теплоотводов в пространстве.

Рис. 7.6. Теплоотводы на основе термосифонов для воздушного охлаждения СПП: а — термосифоны с боковым подводом тепла (для приборов таблеточного исполнения); б — термосифоны с торцевым подводом тепла (для приборов штыревого исполнения)

В ТС с торцевым подводом тепла (рис. 7.6) процесс кипения во многом похож на процесс кипения жидкости в большом объеме.

Экспериментальные исследования теплоотводов на основе ТС, с торцевым подводом тепла в диапазоне температур 20—120° С, где тепловой поток составлял , показали, что основным термическим сопротивлением теплопередачи вдоль термосифона является сопротивление на стороне охлаждения, минимальным — в транспортной зоне.

Условный коэффициент теплопроводности определяется .

где Q — количество тепла, передаваемое термосифоном; F — площадь поперечного сечения полости канала; — перепад температур между поверхностями нагрева и охлаждения;

длина термосифона.

Изменение теплового потока q от температуры пара показано на рис. 7.7. Рекомендуемый уровень заливки рабочей жидкости в термосифон составляет 33% для теплоносителей (спирт, вода).

Рис. 7.7. Зависимость теплопроводности термосифона X (1) и теплового потока q (2) от температуры пара

Интенсивность теплопередачи испарительного термосифона зависит от ориентации теплоотвода в пространстве, т. е. от угла наклона к горизонту. При уменьшении угла наклона от 90 до 15° температурный напор на стороне нагрева остается практически постоянным (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Влияние угла наклона термосифона на интенсивность теплообмена

Это связано с тем, что изменение угла наклона нагреваемой поверхности в данном диапазоне изменения угла обеспечивает беспрепятственный отвод пара от поверхности нагрева. Перепад температур между испарителем и конденсатором по паровому пространству теплоотвода также остается постоянным. Однако перепад температур на стороне охлаждения в полости элемента уменьшается с изменением положения его от вертикального к горизонтальному. Это связано с тем, что при увеличении угла наклона существенно улучшаются условия стекания пленки конденсатора с поверхности. Поэтому общий перепад температур между горячим и холодным концами теплоотвода с уменьшением наклона уменьшается.

Экспериментально найден оптимальный угол наклона ТС в пространстве (8—10°). Это минимальный угол, при котором обеспечивается полное смачивание поверхности нагрева жидкой фазой промежуточного теплоносителя, а на поверхности конденсации обеспечивается интенсивный сток конденсата.

Рис. 7.9. Зависимость теплового сопротивления для одностороннего теплоотвода на основе термосифона типа при заданной скорости охлаждающего потока воздуха от мощности СПП (охлаждение СПП — одностороннее):

Анализ путей повышения интенсификации теплообмена показал, что, используя теплофизические свойства ТС (и ТТ), можно при увеличении степени оребрения и коэффициента теплоотдачи отвести от СПП до тепла. Поэтому для СПП на токи до 1250 А разработаны теплоотводы на основе ТС. Типовая конструкция такого теплоотвода и ее основные характеристики представлены на рис. .

В основу конденсаторов ТС положены серийно выпускаемые отечественным производством биметаллические оребренные трубы со специально насеченными турбулизаторами. Внутренняя труба изготовлена из латуни марки , а внешняя — оребренная труба — из алюминиевого сплава . Оребрение получается методом прямой поперечной накатки.

Техническая характеристика биметаллической оребренной трубы, используемой в качестве конденсатора теплоотвода, представлена на рис. 7.13.

В качестве испарителя используют прямоугольную плиту из алюминиевого сплава АД31 с отверстиями для соединения с оребренными трубами.

Рис. 7.10. Зависимость давления пара в термосифоне от отводимой мощности при различных скоростях охлаждающего потока воздуха 20° С): .

Рис. 7.11. Зависимость теплового сопротивления термосифона от отводимой мощности (охлаждение СПП—двустороннее): .

Соединение осуществляется пайкой. Испарительная зона заполняется теплоносителем—дистиллированной водой — через свободные концы оребренных труб, затем трубы вакуумируются и запаиваются.

На рис. 7.10 показан характер изменения давления пара в трубе в зависимости от скорости охлаждаемого потока воздуха. Чем больше скорость потока воздуха, тем меньше давление в оребренных трубах и больше количество отводимого тепла.

Рис. 7.12. Зависимость перепада давления воздуха на входе и выходе теплоотвода на основе термосифона типа при одностороннем (1) и двустороннем (2) охлаждении

Рис. 7.13. Изменение перепада давления воздуха от скорости набегающего потока воздуха , и от скорости воздуха в межреберных каналах (поверхность погонного метра трубы, омываемая воздухом, равна

При двустороннем охлаждений СПП количество отводимого тепла существенно увеличится. Изменение теплового сопротивления теплоотводов при заданной скорости охлаждающего потока воздуха от отводимого от СПП тепла представлено на рис. 7.11. Нужно отметить, что перепад давления воздуха на входе и выходе из теплоотвода начинает изменяться только после скорости охлаждающего потока . Это значит, что при одностороннем и двустороннем принудительном воздушном охлаждении прибора целесообразной скоростью охлаждения является (рис. 7.12).

Испарительная камера теплоотвода ТС для СПП штыревого исполнения выполнена в виде гильзы, основание которой с одной стороны прибора имеет развитую теплоотдающую поверхность в виде ребер, а с другой стороны — отверстие для крепления оребренной трубы — конденсатора.

Одним из существенных недостатков ТС по сравнению с ТТ является их низкая технологичность. Кроме того, тепловые трубы более надежно могут работать в широком диапазоне тепловых нагрузок, когда в зоне нагрева имеет место как испарительный режим, так и режим кипения промежуточного теплоносителя, т. е. при малых и больших тепловых нагрузках.

Для термосифонов наиболее распространенным режимом является режим двухфазной среды, который возможен при относительно больших значениях тепловых потоков для воды). Для уменьшения значения начала закипания необходимо организовать процесс кипения в стесненных условиях. С этой целью организуют процесс кипения в капиллярных щелях, в капиллярах, на пористых и оребренных поверхностях. Необходимо отметить, что применение этих способов позволяет уменьшить тепловые потоки начала закипания по сравнению с большим объемом приблизительно на порядок, однако значение критических тепловых потоков при этом существенно уменьшается более чем на порядок.

Для повышения эффективности тепловых труб в последние годы применяют внутри них мелкоребристые трубы, позволяющие существенно уменьшить среднюю толщину жидкой пленки и соответственно увеличить коэффициент теплопередачи при пленочной конденсации пара. В зоне нагрева перспективной является организация процесса кипения на пористых поверхностях, поры служат центрами парообразования жидкости [7.4].

В настоящее время для охладителей разработана серия теплоотводов на основе ТТ для СПП с естественным и принудительным воздушным охлаждением на токи 320—2000 А. Для СПП на токи до 630 А, выделяющих при работе до тепла, разработана серия теплоотводов с естественным воздушным охлаждением (рис. 7.14), а для СПП на токи до 2000 А с мощностью тепловых потерь — до с принудительным воздушным охлаждением (рис. 7.15). Диапазон ориентации теплоотводов для СЦП с естественным воздушным охлаждением — от 0 до , а с принудительным воздушным охлаждением — от —5 до .

Унифицированная серия теплоотводов на основе ТТ для с принудительным воздушным охлаждением имеет семь типоисполнителей, в основе которых лежит тепловая труба (рис. 7.16). Теплоотводы применяются для охладителей СПП штыревого и таблеточного исполнений. В настоящее время они выпускаются серийно по ТУ .

Условное обозначение (рис. 7.17) включает букву, обозначающую функциональную принадлежность данного узла к охладителю воздушной системы охлаждения — теплоотвод — Т, порядковый номер модификации конструкции теплоотвода, число тепловых труб, конструктивное исполнение ребер. Назначение теплоотвода — конструктивное исполнение основания теплоотвода, контактируемого с прибором, климатическое и механическое исполнения по ГОСТ 15150-69 приведены ниже.

Рис. 7.14. Теплоотводы на основе тепловых труб для СПП с естественным воздушным охлаждением: а — для СПП с количеством отводимого тепла при температурном напоре ; б — для СПП с количеством отводимого тепла при ; в, г — для СПП с количеством отводимого тепла

Например, условное обозначение однотрубного теплоотвода для охладителя СПП штыревого исполнения на токи 320— 400 А — будет Т1111, где Т — теплоотвод, модификация — 1, число тепловых труб — 1, конструктивное исполнение ребер — круглое — 1, исполнение теплоотвода по назначению — для приборов штыревого исполнения — 1, климатическое исполнение — Т, категория размещения — 2.

Рис. 7.15. Теплоотводы на основе тепловых труб для СПП на токи 250—1000 А с односторонним принудительным воздушным охлаждением с мощностью тепловых потерь: а — до б — до в — до — до

Пример условного обозначения однотрубного теплоотвода для СПП таблеточного исполнения на токи 320-400 — теплоотвод, модификация — 1, число тепловых труб конструктивное исполнение ребер — круглое — 1, исполнение теплоотвода по назначению — приборы таблеточного исполнения — 2, климатическое исполнение — Т, категория размещения — 2.

Теплоотводы допускают эксплуатацию при температуре окружающей среды — 40° С, атмосферном давлении Па, смене температур для теплоотводов к СПП штыревого исполнения 190° С, для теплоотводов к приборам таблеточного исполнения — , относительной влажности воздуха до 98% при температуре .

Рис. 7.16. Тепловая труба с капиллярно-пористой структурой из медного порошка: а — тепловая труба медная; б — тепловая труба медная с накатным оребрением из алюминиевого сплава

Окружающая среда взрывобезопасная и химически неактивная, не содержащая токопроводящую пыль, агрессивные газы или пары в концентрациях, разрушающих металлы и изоляцию.

Рис. 7.17. Структура условного обозначения теплоотводов на основе тепловых труб

Рисунок (см. оригинал)

Рис. 7.18. Переходный тепловой импеданс контактная поверхность теплоотвода — охлаждающая среда при скорости набегающего потока воздуха 0, 3 и при горизонтальной и вертикальной ориентации в пространстве для теплоотводов Tllll,

Теплоотводы изготавливают в климатических исполнениях О и Т, категории размещения 2 по ГОСТ 15150-69.

Теплоотводы по стойкости к воздействию механических нагрузок соответствуют группам условий эксплуатации (ГОСТ 17516-72) и выдерживают одиночные удары длительностью импульса и ускорением .

Срок службы теплоотводов — не менее 10 лет.

Теплоотводы соответствуют требованиям технических условий.

Гарантийный срок устанавливается 2 года с момента ввода теплоотводов в эксплуатацию.

Основные технические данные теплоотводов представлены на рис. 7.18.

Тепловая труба изготовлена из медной трубы с внешним диаметром 15, толщиной стенки 1, длиной 363 мм. На внутренней поверхности трубы расположена капиллярнопористая структура из медного спеченного порошка марки ПМС-Н толщиной 2 мм. Фракция порошка мм. Длина зоны нагрева 100 мм. Поверхность подвода тепла к фитилю . В качестве теплоносителя используют дистиллированную воду. Тепловая труба работает при вертикальной и горизонтальной ориентациях в пространстве. Масса тепловой трубы — не более 0,25 кг. Оребренная тепловая труба T111. Оребрение выполнено методом прямой поперечной накатки — выдавливанием из алюминиевого сплава . Поверхность теплообмена . Масса — не более 0,6 кг. Оребренная тепловая труба является основным элементом теплоотводов для принудительного воздушного охлаждения СПП. Путем запрессовки (или запайки) теплоотводов в различные типы оснований получен унифицированный ряд теплоотводов, предназначенный для СПП.

В табл. 7.7 приведены основные характеристики теплоотводов для СПП. Теплоотвод предназначен для СПП штыревого исполнения на токи 320—400 А. Основание теплоотвода выполнено из алюминиевого профиля прямоугольного сечения (материал ), в котором имеется резьбовое отверстие под прибор. Допуск плоскостности контактной поверхности с СПП — не более 0,03 мм, шероховатость — не более 3,2 мкм, допуск перпендикулярности оси резьбового отверстия к контактной поверхности не более 0,06 мм. Теплоотвод предназначен для СПП таблеточного типа на токи 320—400 А, может применяться для одно- и двустороннего охлаждения СПП. По центру основания расположено отверстие 03,5 мм для фиксации СПП. Этот же теплоотвод может применяться для СПП модульного исполнения (с односторонним отводом тепла).

Таблица 7.7. Тепловые и монтажные характеристики теплоотводов с рекомендуемыми СПП

Продолжение табл. 7.7.

Теплоотвод предназначен для одно- и двустороннего охлаждения СПП таблеточного типа на токи 400—630 А, а также для СПП модульного и фланцевого исполнений.

Теплоотводы рекомендуются для СПП на токи 630—1250 А, а также для СПП модульного и фланцевого исполнений с односторонним теплоотводом. Масса теплоотвода — не более 2,5 кг. Аэродинамические характеристики теплоотводов представлены на рис. 7.19.