Тепловые трубы и их техническое применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Цели и задачи:

§ Изучить конструкции и принципы работы тепловых труб.

§ Рассмотреть различные виды тепловых труб, их характеристики и модификации.

§ Рассмотреть сферы применения и примеры использования тепловых труб.

§ С помощью расчетов провести сравнительный анализ эффективности теплообменника-излучателя космической энергоустановки с тепловыми трубами и без использования таковых.

Тепловая труба - высокоэффективное теплопередающее устройство, которое способно передать значительное количество теплоты при незначительной разности температур между его концами. Вместе с этим, тепловая труба способна действовать как трансформатор теплового потока и обладает изотермичностью поверхности при низком термическом сопротивлении. Эти характеристики делают область применения тепловых труб очень обширной.

В некоторых отношениях тепловая труба аналогична термосифону, и поэтому, прежде чем рассматривать работу тепловой трубы, было бы полезно описать принцип работы термосифона. Термосифон показан на рис. 1,а. В трубу помещается небольшое количество воды, затем из трубы откачивается воздух и она плотно закрывается. Нижний конец трубы нагревается, что вызывает испарение жидкости и движение пара к холодному концу трубы, где он конденсируется. Конденсат под действием гравитационных сил возвращается к горячему концу. Так как скрытая теплота парообразования велика, то даже при очень малой разности температур между концами термосифона он может передавать значительное количество теплоты. Таким образом, подобная конструкция имеет высокую эффективную теплопроводность. Термосифон работал в течение многих лет с различными рабочими жидкостями. Одним из принципиальных недостатков термосифона является возврат конденсата в зону испарения за счет гравитационных сил, вследствие чего зона испарения должна находиться ниже зоны конденсации.

Тепловая труба по конструкции аналогична термосифону, но в тепловой трубе на внутренней стенке укреплен фитиль, сделанный, например, из нескольких слоев тонкой сетки, и конденсат возвращается в испаритель под действием капиллярных сил (рис. 1,б). В тепловой трубе на расположение испарителя не накладывается никаких ограничений, и она может работать при любой ориентации. Конечно, если испаритель тепловой трубы оказывается в нижней точке, гравитационные силы будут действовать в одном направлении с капиллярными. Термин «тепловая труба» применяется также к высокоэффективным теплопередающим устройствам, в которых возврат конденсата осуществляется другими способами, например под действием центробежной силы (Вращающаяся тепловая труба) или Осмотических сил (Осмотическая тепловая труба).

Основные элементы тепловой трубы показаны на рис. 2.

Тепловая труба состоит из участка испарения и участка конденсации (рис. 2,а). В случае необходимости, обусловленной внешними требованиями, труба может иметь еще одну зону -- адиабатный участок, разделяющий испаритель и конденсатор. В поперечном сечении (рис. 2,б) видно, что тепловая труба состоит из стенки корпуса, фитиля и парового канала.

Тепловые трубы могут работать в диапазоне от 4 до 2300 К в зависимости от рабочей жидкости и материала корпуса.

В таблице представлены варианты рабочих жидкостей для ТТ, их температуры плавления и кипения а так же рабочий диапазон температур. (Дан, Тепловые Трубы) азот, фреон, аммиак, пентан - низкие температуры. Серебро, литий, натрий - высокие.

Специальные виды тепловых труб отличаются от устройства простой цилиндрической формы. Их модификации улучшают характеристики труб и расширяют сферы их приложения.

Виды тепловых труб:

· плоские;

· гибкие;

· осмотические;

· с электроосмотической перекачкой жидкости;

· антигравитационный термосифон;

· диоды и переключатели;

· вращающиеся.

ПЛОСКАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА

Плоская тепловая труба работает точно так же, как и обычная тепловая труба трубчатого типа. Основное различие между ними состоит в форме фитиля, которая обеспечивает распределение жидкости по всей развитой поверхности плоской трубы. Основной чертой плоских труб является наличие протяженной поверхности с очень малым градиентом температур поперек нее. Её изотермическая поверхность используется для выравнивания температуры и устранения горячих пятен, связанных с наличием нагревателей. С ее помощью можно создать очень эффективный радиатор для охлаждения размещенных на нем устройств. Обеспечивает работу расположенных на ней элементов при одинаковых температурах.

ГИБКАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА

используется в случаях, когда имеет место вибрация источника теплоты или возникают трудности при соединении источника теплоты с жесткой тепловой трубой. Гибкость тепловой трубы может быть обеспечена путем вставки в корпус трубы между испарителем и конденсатором гибкого элемента типа сильфона или просто изготовлением трубы из какого-либо пластичного материала с включением обычных металлических секций для подвода и отвода теплоты. Существуют критические продольные вибрации, по достижении которых тепловая труба полностью перестает функционировать. При подводимой мощности 500 Вт это состояние достигалось при частоте 10 Гц. Для обеспечения гибкости фитиля используют сетчатый фитиль, сплетенный таким образом, что все проволоки шли в направлениях, перпендикулярных продольной оси тепловой трубы. Это обеспечивает большую гибкость тепловой трубы и предотвращает механическое повреждение фитиля.

ТРУБА С ПРОСТОЙ ОСМОТИЧЕСКОЙ ПЕРЕКАЧКОЙ КОНДЕНСАТА

Осмос способствует существенному улучшению характеристик тепловой трубы в условиях нулевой гравитации и в еще большей степени при работе против силы тяжести. Канал, по которому осуществляется возврат жидкости, в осмотической тепловой трубе отделен от центрального парового потока полупроницаемой мембраной, изготовленной, например, из целлюлозы. В добавление можно использовать обычный фитиль для создания дополнительного напора за счет капиллярных сил. При подводе теплоты к рабочему раствору происходит испарение чистого растворителя. который поступает в паровой канал, перетекает в более холодную зону корпуса, где конденсируется на полупроницаемой мембране. Чистый жидкий растворитель затем проходит через мембрану в раствор, находящийся в канале возврата жидкости. При прохождении растворителя через мембрану возникает осмотическое давление ,значительно более высокое, нежели капиллярный напор, создаваемый поверхностным натяжением, превышающее гидростатический напор раствора в канале возврата жидкости, что обусловливает течение раствора к испарителю.

В качестве подходящих химических веществ для образования рабочих растворов он указывает растворимые в воде хлориды, хлораты и бораты.

ТЕПЛОВАЯ ТРУБА С ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКОЙ ПЕРЕКАЧКОЙ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ

Одним из успешно использовавшихся способов увеличения перекачивающей способности тепловых труб является применение электрокинетики, которая включает в себя электроосмотическую перекачку. Электроосмотический эффект достигался введением двух пористых электродов и приложением к ним разности потенциалов. С увеличением разности потенциалов Е передающая способность трубы возрастает, хотя при очень высоких напряжениях на передающую способность трубы будет влиять электрический нагрев среды.

В нем для возврата конденсата в испаритель служит «паровой подъемный насос». Этот насос представляет собой трубу (стояк), основание которой погружено в объем конденсата (отстойник), а другой конец имеет отверстие, выходящее в испаритель. Этот паровой подъемный насос требует для своей работы подвода небольшого количества теплоты в нижней части стояка. В результате образующаяся пароводяная смесь, имеющая меньшую по сравнению с жидкостью в отстойнике плотность, поднимается к верху стояка. Испаритель выполнен в виде закрытого снизу кольцевого канала, в который жидкость подается паровым насосом. В испарителе установлена дополнительная кольцевая перегородка, назначение которой обеспечить циркуляцию в испарителе. Существенным преимуществом этого устройства является то, что для него, в отличие от обыкновенной тепловой трубы, не существует ограничения теплопередающей способности, связанного с возникновением кипения в испарителе. Можно также создать многоступенчатый подъемный паровой насос, что позволит обеспечить передачу теплоты по вертикали не значительные расстояния.

ТЕПЛОВАЯ ТРУБА В РОЛИ ТЕПЛОВОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ И ТЕПЛОВОГО ДИОДА

Тепловая труба может выполнять роль управляемого термического сопротивления, что существенно расширяет область её применения. Например, для космических кораблей часто очень существенно точное поддержание температуры, несмотря на значительные изменения внешнего теплового потока. В криогенной технике и ряде других приложений эффективная передача теплоты должна осуществляться в одном направлении, в то время как перенос теплоты в обратную сторону должен быть исключен. излучение конденсат осмотический тепловой

Для обеспечения однонаправленной работы трубы (режим теплового диода) можно использовать тепловой диод с захватом жидкости или

Данный диод имеет дополнительный резервуар с отдельным фитилем, не связанным с фитилем самой тепловой трубы. Если подвод тепла осуществляется как на рисунке А (со стороны доп. Резервуара), то труба будет работать в обычном режиме. Если зоны испарения и конденсации меняются местами то сконденсировавшаяся жидкость захватывается резервуаром, фитиль которого не связан с левым концом фитиля собственно тепловой трубы, и тепловая труба перестает работать -- теплота передаваться не будет.

ДИОД С БЛОКАДОЙ ЖИДКОСТИ

Существует несколько способов отключения тепловой трубы. Рисунок А иллюстрирует простой способ вытеснения рабочей жидкости, в котором пребывающая в жидкой фазе рабочая жидкость может быть вытеснена из безфитильного резервуара твердым телом -- вытеснителем. На рис. Б показано перекрытие парового потока с помощью заслонки с магнитным приводом.

ВРАЩАЮЩАЯСЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА

Вращающаяся тепловая труба представляет собой двухфазный термосифон, в котором конденсат возвращается в испаритель под действием центробежных сил. Вращающая тепловая труба состоит из герметичной полой емкости, внутренняя часть которой слегка коническая и содержит определенное количество рабочей жидкости.

Подобно обычной тепловой трубе с капиллярной структурой вращающаяся тепловая труба имеет три характерных участка: испаритель, адиабатный участок и конденсатор. Вращение вокруг оси обусловливает появление центробежного ускорения щІr составляющая которого вдоль стенки трубы равна щІr sin б. Соответствующая сила заставляет сконденсировавшуюся рабочую жидкость возвращаться по стенке к испарителю. Используется для охлаждения вращающихся элементов, нагревающихся за счет энергии, выделяющейся при трении. Например для

ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

С помощью тепловых труб можно решать следующие задачи:

1) обеспечить пространственное разделение источника и стока теплоты;

2) выровнять температуру поверхности;

3) трансформировать плотность теплового потока;

4) осуществить регулирование температуры;

5) выполнить функции тепловых диодов и выключателей.

Все это делает область применения тепловых труб очень обширной.

ТТ могут быть использованы в космических аппаратах, энергоустановках, двигателях, аккумуляторах тепла, в компьютерной технике, криогенно й технике, строительстве.

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ В АККУМУЛЯТОРАХ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЦА

Концентрированное солнечное излучение, поступающее в камеру приемника, поглощается первичными тепловыми трубами и переносится к тепловому аккумулятору. От аккумулятора теплота переносится вторичной тепловой трубой к теплообменнику энергопреобразователя. Первичная тепловая труба выравнивает тепловой поток по капсулам аккумулятора. Вторичная тепловая труба обеспечивает равномерный теплосъем со всех капсул. Конденсационная зона вторичной тепловой трубы является нагревающей поверхностью теплообменника энергопреобразователя.

Теплоаккумулирующее вещество служит промежуточным звеном в цепи теплопереноса. Равномерное (за счет наличия тепловых труб) распределение теплоты по капсулам аккумулятора приводит к полному использованию аккумулирующих свойств вещества и соответственно к сокращению его массы. При этом устраняется опасность перегрева (пережога) отдельных капсул.

Вариант конструкции, в котором теплоноситель (рабочее тело энергопреобразователя), нагретый в приемнике, прокачивается через камеру теплообменника. В камере размещены тепловые трубы, взаимодействующие с теплоносителем и отбирающие часть тепловой энергии от него. Абсорбированная энергия переносится к конденсационной зоне тепловых труб (на схеме не показаны), размещенных в емкости с аккумулирующим веществом. В режиме аккумулирования тепловая труба передает теплоту на зарядку аккумулятора, а в режиме разрядки переносит аккумулированную энергию обратно и передает ее теплоносителю, постоянно циркулирующему через камеру теплообменника.

ТТ могут быть очень полезны в строительстве в районах вечной мерзлоты.

На Аляске,где ведется добыча природного газа, газопроводы проходят через районы вечной мерзлоты. Газопровод излучает тепло, по этому прокладка его под землей вызвала бы таяние вечной мерзлоты, что привело бы к осадке грунта и следовательно повреждению газопровода.

По этому газопровод был проведен над землей на специальных опорах. Но оказалось, что сами опоры являются теплопроводником и грунт под ними все равно начал оседать.

Для решения это проблемы используются ТТ, которые устанавливаются в почву вокруг фундамента опоры. За счет этого температура почвы вокруг опоры выравнивается что предотвращает просадку грунта.

В районах резко континентального климата (центральная Сибирь, Якутия),где летом достаточно жарко, а зимой достаточно холодно, на определенной глубине температура почвы постоянна круглый год. Проведя от дома на данную глубину тепловую трубу, мы получим автономную, не требующую энергозатрат систему, которая зимой будет нагревать, а летом охлаждать воздух в доме или входящие в дом через какие либо вентиляционные отверстия потоки воздуха.

Для обеспечения работы тепловой трубы необходимо, чтобы максимальный капиллярный напор превышал полное падение давления в трубе. Это падение давления складывается из трех составляющих:

а) перепада давлений необходимого для возврата жидкости из конденсатора в испаритель;

в) перепада давления требуемого для обеспечения перетекания пара из испарителя в конденсатор;

с) гравитационной составляющей которая может быть положительной или отрицательной, а также равной нулю. Таким образом, должно выполняться соотношение

Если это условие не будет соблюдено, то произойдет высыхание фитиля в зоне испарения и труба не будет работать.

При запуске, а также в процессе нормальной эксплуатации определенных типов высокотемпературных жидкометаллических тепловых труб скорость пара может достигнуть скорости звука. В этом случае при анализе процессов следует учитывать эффекты, связанные со сжимаемостью потока. Возможность достижения скорости звука является одним из ограничений максимальной передающей способности тепловой трубы.

Ограничения максимальной передающей способности тепловой трубы связаны:

Ш При использовании жидких металлов в качестве рабочей жидкости - с возможностью достижения паром скорости звука.

Ш При низких температурах -- с действием вязкостных сил.

Ш При повышенных температурах -- со срывом капель рабочей жидкости с поверхности фитиля под действием парового потока.

Ш В других случаях -- с недостаточным капиллярным напором и кризисом теплоотдачи в испарительной зоне (запариванием фитиля).

Величины, определяющие максимальную передающую способность устройства, можно объединить в некий критерий качества М:

где (ро)-- плотность; (сигма) -- поверхностное натяжение; L(эль большая) -- энтальпия или скрытая теплота парообразования; (мю) -- вязкость рабочей жидкости.

Размещено на Allbest.ru