2.4 Тепловой расчет коллектора с жидкостным охлаждением

Коллектор – электрод электронно-оптической системы, на котором заканчивается движение электронов, эмитированных катодом. При ударе с ним кинетическая энергия электронов переходит в тепло.

Среди всех существующих способов теплоотвода (излучением, теплопроводностью, изменением агрегатного состояния вещества) конвективный обеспечивает наиболее высокий теплосъём с единицы поверхности при относительно невысокой температуре охлаждаемой поверхности. Эти качества проявляются в наибольшей степени при использовании в качестве теплоносителя обычной воды. Вода отличается рекордно высокой теплоемкостью, хорошей теплопроводностью, низкой вязкостью, очень доступна, имеет низкую химическую активность. Наличие разветвленной водопроводной магистрали сводит подключение, отладку и обслуживание водяной системы охлаждения к простейшим операциям. Нередко единственным ограничением применения водопроводной магистрали является невысокий объемный расход - не более 18л/мин.

Средняя мощность, выделяемая в коллекторе:

,

где – ток луча, – напряжение, – скважность импульсов, – электронный КПД, коэффициент токопрохождения.

Универсальным уравнением конвективного отвода тепла является формула Ньютона - Рихмана:

,

где – отводимый тепловой поток, – коэффициент теплоотдачи, – охлаждаемая поверхность, – температура охлаждаемой поверхности коллектора, – средняя температура охлаждающей жидкости.

Важнейшим моментом проектирования водяной системы охлаждения является оптимизация конструкции, при которой будет обеспечен заданный теплосъём при ограниченных значениях объёмного расхода.

В данной проектной задаче выходными параметрами являются объёмный расход теплоносителя V и его температура на выходе Т.

Внутренними параметрами структуры объекта проектирования являются внутренний диаметр коллектора D₀ , его длина L₀ ,толщина стенки d_а ,а также для рубашки охлаждения: величина зазора канала d₀ (рисунок 9).

Рисунок 9 – Варианты конструкций жидкостной системы охлаждения

а – рубашка охлаждения; б – змеевик; в – спиральная проточка.

Внешним параметром является значение мощности Р₀, выделяемой на коллекторе электронным потоком. Как правило, коллектор рассчитывается при отсутствии переменного сигнала, когда в нём выделяется вся мощность, подводимая от источника. Для клистронов внутренний диаметр коллектора D₀ составляет (5..10)а, где а - радиус пролетной трубы в резонаторном блоке ; длина коллектора L₀ определяется, исходя из величины допустимой плотности тепловой нагрузки W . Спокойный режим работы коллектора с жидкостным охлаждением будет при W=0,1..0,2 кВт/см². Толщина стенки d_a выбирается в пределах 2..5мм. При выборе системы охлаждения следует учитывать, что система в виде рубашки охлаждения наиболее эффективна при небольших поперечных

размерах коллектора, по крайней мере, при D₀ <2,5 см. При больших D₀ может неоправданно возрасти требуемый объёмный расход. По этой причине зазор рубашки охлаждения d₀ следует выбирать как можно меньше, но не менее 2 мм, т.к. возможно засорение канала охлаждения.

Расход теплоносителя минимизируется при условии, чтобы температура охлаждаемой поверхности не превышала температуру кипения теплоносителя. В качестве теплоносителя выбираем воду, отличающуюся рекордно высокой теплоемкостью, хорошей теплопроводностью, низкой химической активностью и дешевизной. За значение рассеиваемой мощности принимаем всю подводимую мощность. Применим конструкцию жидкостной системы охлаждения типа «спиральная проточка» (рисунок 9в).

Таким образом, получили конструкцию жидкостной системы охлаждения коллектора с требуемыми параметром: температура охлаждаемой поверхности не превышает температуру кипения охладителя – воды. То есть .