Тепловые трубы. Теплоиспользующие устройства на тепловых трубах (на примере РБ)

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский национальный технический университет

Кафедра ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии»

Реферат

на тему: Тепловые трубы. Теплоиспользующие устройства на тепловых трубах (на примере РБ)

Выполнила: Яроцкая Алина Яновна

Минск - 2021



Введение

Истории науки и техники известны открытия, значение которых в полной мере сначала не было и не могла быть оценено.

Такая участь постигла и изобретение Джекоба Перкинса (1766-1849) в начале позапрошлого века. Его нагревательные трубы были предложены для хлебопекарных печей, долгое время использовались только в них и никто до 1960-70-х годов не предвидел их возможного широкого использования в энергетике.

С развитием техники и, в частности, космических исследований возникло множество специальных теплофизических задач, одна из которых - передача тепла при минимальном температурном перепаде.

Понадобилось устройство, обладающее свойством сверхтеплопроводности, работающее в высоком температурном диапазоне, в любом, относительно поверхности Земли, положении, независимо от наличия гравитационного поля. Вот тогда-то взгляд исследователей обратился к почти забытому изобретению Перкинса.

Но современная техника шагает вперед семимильными шагами. И кто знает, может быть, тепловая труба, как теперь называют нагревательную трубу Перкинса, найдет еще десятки областей применения.

Тепловая машина, преобразующая тепло в механическую или непосредственно в электрическую энергию, обязательно включает в себя три составных звена: источник тепловой энергии, преобразователь и устройство для отвода неиспользованной тепловой энергии. Как правило, эти звенья располагаются в непосредственной близости друг от друга в пределах одной энергоустановки или агрегата, и передача тепла от звена к звену не вызывает серьезных технических трудностей. Однако есть большой круг технических задач, где по тем или иным соображениям возникает необходимость территориального разделения этих звеньев, а следовательно, необходимость эффективной передачи тепловой энергии между ними.

Основные свойства тепловых труб, определяющие их применение в различных областях техники, могут быть кратко сформулированы следующим образом:

Тепловые трубы практически изотермичны по всей длине от входа да выхода. Температурный перепад не превышает нескольких градусов. Это свойство позволяет, например, создавать весьма компактные и легкие теплосбрасывающие излучающие системы.

Тепловая труба может выполнять функции «трансформатора» теплового потока. В этом смысле тепловая труба - идеальный согласующий элемент между отдельными звеньями тепловых машин. В частности, открываются широкие возможности использования прямых преобразователей тепловой энергии в электрическую.

Тепловые трубы позволяют «разветвлять» тепловой поток, поступающий от единого теплового источника, подводя тепло к различным местам его потребления.

Таким образом, речь идет не о частной конструкции узкого специального назначения, а о весьма перспективном классе эффективных теплопередающих устройств, претендующих на равноправное существование среди подобных им систем.



1. Как работает простейшая тепловая труба?

1.1 Зона испарения

Возьмем трубу, закрытую снизу, и заполним ее небольшим количеством воды. Верхнее отверстие, через которое заполнялась труба, закроем и будем подогревать нижний конец трубы, а верхний охлаждать, для чего к верхнему концу трубы прикрепим бачок с проточной водой (рисунок 1.1). По мере разогрева трубы жидкость в нижней части ее будет интенсивно испаряться, забирая тепло от пламени горелки. Пар будет двигаться вверх, в сторону более холодного конца трубы и там конденсироваться, т.е. отдавать тепло проточной воде. Чем интенсивнее испаряется жидкость, чем эффективнее происходит процесс конденсации, чем большие потоки пара передаются по трубе, тем, очевидно, интенсивнее происходит теплопередача.

Рисунок 1.1 - Простейшая модель гладкостенной тепловой трубы: 1 - бочок с проточной водой, 2 - теплоизоляция, 3 - водяной пар, 4 - вода

Рассмотренное нами устройство по существу представляет собой примитивную тепловую трубу.

Уже такая простая труба обладает уникальными свойствами. Чтобы убедиться в этом, необходимо разобраться в физической сущности происходящих явлений. Это позволит оценить теплопередающие возможности тепловой трубы.

Рассмотрим процессы, протекающие в исследуемом устройстве, последовательно: на участке испарения, в зоне конденсации и в канале, где происходит движение пара. Затем попытаемся представить себе общую картину теплопередачи в целом, установив некоторые закономерности и соотношения, определяющие выходные параметры всей тепловой трубы.

Жидкая среда состоит из молекул, находящихся в непрерывном тепловом движении. Энергия некоторой части их оказывается достаточной, чтобы молекулы могли выйти за границу жидкости. Этому вылету препятствуют силы взаимного притяжения между молекулами. Некоторое количество вылетевших или испарившихся молекул образует пар, который всегда существует над поверхностью жидкости. Чем выше температура жидкости, тем интенсивнее идет испарение, тем выше давление образующегося пара.

Чтобы поддерживать испаряющуюся жидкость при одной и той же температуре, т.е. не допускать ее охлаждения, необходимо все время подводить тепло извне. Подчеркиваем, что это тепло расходуется не на нагрев жидкости, а на компенсацию ее охлаждения: оно носит название скрытой теплоты испарения. Удобно ввести понятие удельной теплоты испарения, т.е. отнести это тепло к единице массы жидкости. Очевидно, теплота испарения будет зависеть от температуры жидкости, поэтому следует дать более точное определение удельной теплоты испарения.

Удельная теплота испарения - это тепло, которое необходимо сообщить единице массы жидкости, находящейся при заданной температуре, чтобы перевести ее в пар при той же температуре.

Процесс испарения носит характер динамического равновесия. Над поверхностью жидкости при любой постоянной температуре всегда устанавливается равновесное давление пара, или давление насыщенных паров. Это не означает, однако, что испарение молекул прекратилось. Они по-прежнему поступают в зону пара, однако чем выше давление пара, тем больше молекул возвращается назад в жидкость. Очевидно, что при каждой температуре устанавливается определенное равновесие этих выходящих из жидкости и входящих в нее молекул; этому равновесию и соответствует результирующее давлении насыщающих паров.

До сих пор подразумевалось, что имеет место процесс спокойного испарения жидкости, но из опыта известно, что испарение резко возрастает, если жидкость закипит. Происходит скачок интенсивности испарения. Если наблюдать это явление в прозрачном сосуде, можно видеть, что сначала пузырьки пара срываются с отдельных точек внутри жидкости, преимущественно со дна и стенок, затем они так быстро растут, что захватывают весь объем. При более внимательном наблюдении процесс оказывается еще более сложным. Но важно отметить одно: процесс испарения по существу остался прежним, только произошло значительное увеличение поверхности раздела жидкость - пар. В связи с этим возросло общее количество пара, выделяющегося из того же объема жидкости. Этим и объясняется изменение внешней картины явления. Большие потоки выделяющегося пара вызывают активное бурление жидкости. Остается выяснить, каким образом при кипении увеличивается поверхность раздела жидкость - пар. Оказывается, в жидкости до нагрева всегда присутствуют микропузырьки пара и растворенных газов. Они настолько малы, что невидимы простым глазом. При нагреве давление пара в этих пузырьках возрастает, размеры их увеличиваются и они устремляются к поверхности. Совокупность поверхностей этих пузырьков и представляет собой дополнительную поверхность раздела жидкость - пар, ответственную за столь интенсивное парообразование, наблюдаемое при кипении.



Рисунок 1.2 - Характер испарения в зоне нагрева тепловой трубы в зависимости от величины подводимого теплового потока а - поверхностное испарение, б - пузырьковое кипение, в-пленочное кипение, qа<qб<qв - подводимый тепловой поток

Процесс кипения жидкости начинается при вполне определенной для данного давления температуре, которая называется температурой кипения.

В системе жидкость - пар, находящейся в состоянии кипения, жидкость находится при несколько более высокой температуре, чем насыщенный пар над нею. Таким образом, на поверхности раздела между кипящей жидкостью и паром всегда существует определенная разность температур, величина которой зависит от давления и вида жидкости. Эта разность температур или, как обычно говорят, температурный напор, для воды, например, составляет при атмосферном давлении 0,6 град и плавно убывает до нуля при повышении давления до критического (225 кгс/см2).

Наличие температурного напора обусловливает в продолжение всего процесса кипения движение тепла, или тепловой поток, от поверхности нагрева к поверхности раздела.

В зависимости от интенсивности парообразования различают два режима кипения: пузырьковый и пленочный (рисунок 1.2). При пузырьковом кипении сначала появляются маленькие пузырьки, которые, увеличиваясь в размерах за счет пара, образующегося из жидкости, устремляются к поверхности раздела, где и присоединяются к пару, находящемуся над ней. Каждый отдельный пузырек образуется на поверхности нагрева. На его появление оказывают влияние прежде всего поверхностное натяжение жидкости и смачиваемость поверхности трубы.

Под поверхностным натяжением следует понимать силу, стремящуюся сократить свободную поверхность жидкости и направленную касательно к ней. Эта сила уменьшается с повышением температуры жидкости, что видно из следующей формулы:

где - удельный вес жидкости, - удельный вес насыщенного пара, - коэффициент пропорциональности.

Смачиваемость характеризует степень химического родства материала поверхности и жидкости, которая оценивается так называемым внешним или контактным углом соприкосновения между смоченной поверхностью и свободной поверхностью жидкости. Иногда угол называют краевым углом.

На рисунке 1.3 изображены примерно одинаковые пузырьки, образованные на поверхностях при различных значениях углов .

Рисунок 1.3 - Смачиваемость поверхности и контактный угол соприкосновения

На рисунке 1.3 (а) контактный угол между жидкостью и поверхностью составляет менее 90о (<90°), т.е. жидкость как бы стремится оторвать пузырек от поверхности, поверхность слабо смачивается жидкостью. Такая поверхность иногда называется леофильной по отношению к данной жидкости. На рисунке 1.3 (б) жидкость образует с твердой поверхностью угол 90° (=90°), в этом случае жидкость ведет себя как бы нейтрально по отношению к поверхности, наконец, на рисунке 1.3 (в) угол между поверхностью жидкости и поверхностью твердого тела больше 90° (>90°). Пузырек стремится как бы распластаться на поверхности, которая называется леофобной по отношению к данной жидкости.

Контактный угол связан с поверхностным натяжением соотношением

где - сила трения приложенная к периметру смачивания и препятствующая «распластыванию» пузырька, кгс/м, индексы «Ж», «Г» и «Т» относятся соответственно к жидкой, газообразной и твердой фазам.

Примерные значения для хромированной стали и некоторых жидкостей:

Табл. 1

Жидкость	, град
Вода	50
Нефть	26
Ртуть	137

Размер пузырька в момент отрыва от поверхности нагрева можно оценить по соотношению



т.е. этот размер зависит от результирующей сил гравитации и поверхностного натяжения и от смачивания жидкостью поверхности.

Пузырек недолго сидит на поверхности нагрева. Экспериментально установлено, что для воды это время составляет 0,023 - 0,025 секунд. Скорость подъема пузырька в воде около 0,25 м/с, а пауза между отрывом предыдущего пузырька и появлением следующего продолжается около 1/40 с.

Как уже отмечалось, оторвавшись, пузырек увеличивается в объеме, так как получает тепло от жидкости, причем в гораздо большем количестве, чем при своем возникновении от поверхности нагрева. Это объясняется тем, что жидкости от этой поверхности передается в несколько раз больше тепла, чем газу или пару.

При движении пузырьков вверх они увлекают находящиеся над ними столбики жидкости, поднимая более горячую жидкость.

Таким образом, количество тепла, переданного от поверхности нагрева к поверхности раздела фаз, связано с количеством пузырьков в объеме кипящей жидкости.

При пленочном кипении (рисунок 2 (в)) непосредственно над поверхностью нагрева располагается паровая пленка, образовавшаяся в какой-то момент из «распластавшихся» пузырьков. Тепловой поток через слой пара к жидкости ограничен плохой теплопередачей от поверхности нагрева к пару.

Теплопередача при пленочном кипении осуществляется путем теплопроводности, конвекции и излучения через пленку пара. Кроме того, количество пузырьков, поднимающихся вверх, значительно меньше, чем при пузырьковом кипении. Следовательно, теплообмен в слое жидкости при пленочном кипении хуже.

Как правило, переход к пленочному кипению происходит довольно резко, но так же быстро уменьшается и коэффициент теплоотдачи, а температура нагреваемой поверхности быстро увеличивается. Самым нежелательным с рассматриваемой нами точки зрения является то, что на образовавшейся при пленочном кипении паровой прослойке происходит значительное падение температуры. Прослойка пара, подобно подушке, стремится не допустить контакта жидкости с разогретой поверхностью. Таким образом, если пленочное кипение будет происходить в тепловой трубе, то уже за счет одного этого эффекта не удастся обеспечить на ней малых температурных перепадов. Другими словами, коэффициент теплопередачи оказывается существенно меньшим по величине, чем при пузырьковом кипении.

От чего же зависит режим кипения?

Прежде всего - от разности температур между нагретой поверхностью и жидкостью.

На рисунке 1.4 приведена примерная зависимость коэффициента теплоотдачи от перепада температур для воды.

Рисунок 1.4 - Зависимость коэффициента теплоотдачи от перепада температур для воды

В области а перепад температуры и плотность теплового потока малы. Происходит обычное поверхностное испарение жидкости. Пузырьков практически не образуется. Значение коэффициента определяется в основном законами свободной конвекции (перемешивания) некипящей жидкости.

В области б коэффициент зависит от интенсивности перемешивания жидкости, которое происходит за счет движения пузырьков и резко растет при увеличении . Это пузырьковое кипение, критические значения при котором достигают максимальных значений и составляют для органических жидкостей от 5 до 50°С.

В области в происходит пленочное кипение. По мере образования сплошной пленки на поверхности нагрева значения коэффициента падают. Количество пузырьков, участвующих в перемешивании жидкости, с увеличением сокращается.

Таким образом, повышение сверх критических значений приводит к резкому сокращению интенсивности теплообмена. Значение определяется подводимым количеством тепла, которое также имеет какую-то предельную критическую величину.

Например, для воды критическая плотность теплового потока составляет 102 Вт/см2 при 100°С, в то время как для жидкого лития эта величина достигает уже 505 Вт/см2 при температуре 1482°С.

Следует заметить, что критические значения и при возврате от пленочного кипения к пузырьковому существенно меньше тех, которые соответствуют переходу от пузырькового к пленочному. Оказывается, что необходимо гораздо большее снижение величины , чтобы вновь восстановить пузырьковый режим кипения, т.е. между этими двумя значениями критических потоков возможно существование обоих режимов кипения на одной и той же поверхности.

Раннему возникновению пленочного кипения способствует плохая смачиваемость поверхности нагрева жидкостью. Если жидкость вообще не смачивает поверхность, наблюдается устойчивое пленочное кипение практически при любых количествах подводимого тепла. Все сказанное, выше о кипении, очевидно, относится не только к воде, на которую легче ссылаться в примерах из-за наглядности, но также и к любым жидкостям. В частности, в тепловых трубах, предназначенных для работы в области высоких температур, в качестве рабочей жидкости часто используют расплавленные металлы.

Однако существенным недостатком жидких металлов является плохая смачиваемость обтекаемой твердой поверхности. Поэтому в тепловых трубах предпринимаются специальные меры, отодвигающие момент начала пленочного кипения в область более высоких тепловых потоков.

Одна из таких мер - создание системы узких каналов или шероховатостей на внутренней поверхности тепловой трубы, покрытой жидкостью (рисунок 1.5). Это приводит к более равномерному росту пузырьков и, таким образом, сдерживает скачкообразный переход к пленочному кипению. В частности, для воды эти меры позволяют довести величину критического теплового потока до 500 Вт/см2.

Рисунок 1.5 - Выступы и узкие каналы на внутренней поверхности трубы в зоне нагрева, позволяющие задержать момент перехода к пленочному кипению.

1.2 Зона конденсации

Пар жидкости, контактируя с охлаждаемой поверхностью, конденсируется. Этот процесс, как уже отмечалось, сопровождается выделением тепла, количество которого равно теплу, поглощенному при парообразовании. Конденсация происходит при строго определенном давлении насыщающих паров рв.

Рисунок 1.6 - Капельная конденсация в зане охлаждения тепловой трубы

Исследования показали, что характер конденсаций (как и характер процесса кипения) в значительной степени зависит от степени смачиваемости поверхности конденсатом. Если поверхность не смачивается, на ней образуются отдельные капельки. Эти капельки растут, а затем падают под действием силы тяжести. Такой процесс носит название капельной конденсации (рисунок 1.6). Если же поверхность хорошо смачивается конденсатом, вместо капель образуется сплошная пленка, стекающая по стенке. Важно отметить, что при непрерывно поступающем паре все время существует равновесная пленка конденсата. В этом случае пар контактирует практически не с твердой поверхностью стенки, а с поверхностью пленки (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 - Пленочная конденсация в зане охлаждения тепловой трубы



Как различаются условия теплопередачи при этих двух режимах конденсации?

При капельной конденсации теплообмен, очевидно, выше, так как разогретый пар непосредственно контактирует с поверхностью стенки. Температурный перепад между паром и стенкой практически отсутствует.

При пленочной конденсации такого прямого контакта нет. Пленка конденсата обусловливает термическое сопротивление и соответствующий перепад температуры. Очевидно, чем толще равновесная пленка, тем больше величина перепада. Термическое сопротивление пленки конденсата - не единственный фактор, определяющий теплопередачу при конденсации. Важное значение имеет процесс диффузии из объема. Эти два процесса в зависимости от конкретных условий играют различную роль.

Если конденсируемая жидкость характеризуется низкой теплопроводностью, т.е. критерий Прандтля такой жидкости много больше единицы, то основную роль при теплопередаче играет пленка конденсата (точнее, ее термическое сопротивление).

Если мы имеем дело с жидкими металлами, характеризующимися высокой теплопроводностью (Pr<<1), то, очевидно, главную роль играет интенсивность подвода пара к поверхности, т.е. его диффузия. Процессы на поверхности жидкости не сильно влияют на перенос тепла. В частности, этим объясняется незначительная чувствительность теплоотдачи в зоне конденсации тепловых труб, наполненных жидкими маслами, к режиму конденсации (пленочному или капельному).

Если рассмотреть поперечное сечение вертикальной тепловой трубы в зоне конденсации, то при хорошем смачивании можно видеть непрерывно стекающую вниз пленку конденсата, толщина которой из-за постепенного накопления конденсата все более увеличивается. Однако коэффициент теплоотдачи при прочих равных уcловиях выше там, где пленка тоньше.



Рисунок 1.8 - Разный характер течения пленки в зоне конденсации тепловой трубы а - ламинарный (Re?30), б - волнообразный (Re>50), в-турбулентный (Re?1500)

поверхностный кипение парообразование

Интересно проследить за характером течения жидкости в пленке. При малых тепловых потоках, т.е. при малых количествах конденсата, толщина пленки незначительна и течение в ней носит ламинарный, упорядоченный характер (рисунок 1.8 (а)). Но вот тепловой поток по тем или иным причинам возрос, пленка стала «полноводнее», толщина ее возросла, а течение приобрело волнообразный характер (рисунок 1.8 (б)). Наконец, при еще больших потоках течение теряет признаки упорядоченности - наступает турбулентный режим течения с интенсивным перемешиванием (рисунок 1.8 (в)). Последнее обстоятельство существенно улучшает эффективность теплоотдачи по сравнению с ламинарным режимом.

Уже эти качественные рассуждения показывают, насколько труден теоретический анализ рассматриваемых явлений. Однако на основании многочисленных экспериментов удалось установить границы существования разных режимов течения. Определяющим в этом случае оказалось значение безразмерного критерия, установленного английским физиком-инженером Осборном Рейнольдсом (1842-1912):



где - кинематическая вязкость, - характерный для данной задачи размер, - скорость течения жидкости.

Если число Рейнольдса менее или равно 20-30, имеет место ламинарное течение жидкости в пленке. При Re>30-50 течение волновое, и, наконец, при Re>1500 наступает турбулентный режим течения.

Для некоторых режимов течения удалось найти расчетные формулы для коэффициентов теплоотдачи. В частности, для ламинарного течения пленки при скоростях движения пара менее 10 м/с средний коэффициент теплоотдачи на участке конденсации высотой h в вертикальной трубе составит:

.

Такая форма записи уже не должна казаться усложненной, так как выше было показано, что критерии подобия вычисляются довольно просто.

Новым критерием является здесь критерий конденсации , равный

.

Принятые обозначения - те же, что и при рассмотрении процесса кипения. и - критерии Прандтля при температуре насыщения соответственно для жидкости и пара.

Заканчивая рассмотрение процесса конденсации, необходимо еще упомянуть об одном явлении, значительно усложняющем теоретические оценки. При больших скоростях потока пара существенным оказывается его взаимодействие со встречным потоком стекающего конденсата.



Рисунок 1.9 - Эпюра скоростей молекул жидкости и пара в произвольном сечении тепловой трубы

В результате, в любом поперечном сечении тепловой трубы имеет место сложная эпюра скоростей молекул жидкости и пара (рисунок 1.9). Течение пленки тормозится, толщина ее несколько увеличивается, а следовательно, хуже осуществляется теплоотдача. Возможно также местное осушение стенки, приводящее к локальным перегревам. Теоретический анализ этих явлений выходит за рамки данной работы.

1.3 Зона переноса тепла и общая схема работы тепловой трубы

Под зоной переноса тепла в тепловой трубе обычно подразумевается средний участок, на котором практически не происходит теплообмена с окружающей трубу внешней средой. Это достигается применением надежной и эффективной теплоизоляции на этом участке. Таким образом, в тепловой трубе различают три участка: зона подвода тепла, зона переноса тепла, зона отвода тепла. Иногда зону подвода тепла называют зоной испарения, а зону отвода - зоной конденсации. Схематично расположение зон иллюстрирует рисунок 1.10. Зона переноса может быть различной протяженности. В довольно широком классе технических устройств она вообще отсутствует. Что касается зон подвода и отвода тепла, то их длины могут быть равны между собой. Тогда плотность теплового потока на их поверхности будет одинакова.

Конечно, эти зоны могут быть и различными по протяженности. В этом случае в соответствии с выбранным соотношением их поверхностей будет осуществляться трансформация плотности теплового потока. Например, если зона теплоприема в 2 раза больше зоны теплоотвода, то наряду с передачей полного подводимого теплового потока имеет место его двукратная концентрация.

Несколько слов о движении пара в тепловой трубе. Известно, что пар, как и любой другой газ, перетекает из одной области в другую, если имеется какой-либо перепад давления между этими областями.

Рисунок 1.10 - Схема расположения зон в тепловой трубе

В тепловой трубе пар движется из зоны нагрева в зону конденсации, так как между этими зонами имеется некоторый перепад давления. Повышенное давление в зоне нагрева - результат интенсивного образования пара при кипении. Попадая в зону конденсации, где температура ниже, пар конденсируется, т.е. превращается в более плотную субстанцию - жидкость, и поэтому в этой зоне давление падает. Наличие такого постоянно действующего перепада давления и обеспечивает непрерывное перетекание пара вдоль тепловой трубы.



2. Теплоиспользующие устройства на тепловых трубах

Теплообменники на тепловых трубах (ТТТ) - разновидность рекуперативных теплообменников с промежуточным теплоносителем. Появились они в начале 1970-х годов, когда была доказана принципиальная возможность применения тепловых труб в качестве эффективных теплопередающих устройств.

Для теплообменников целесообразны сравнительно дешевые конструкции ТТ, имеющие малые габариты и хорошие теплотехнические характеристики. К таким ТТ можно отнести гладкостенные (термосифоны), фитильные и центробежные. В качестве элементов ТТТ могут успешно применяться и электрогидродинамические, электроосмотические, магнитогидродинамические, осмотические и другие виды тепловых труб.

Эффективность теплообменника с тепловыми трубами обычно оценивается коэффициентом:

т = (Тr1 - Tr2)/(Тr1 - Tx1),

где Тr1 и Tr2 - температуры горячего теплоносителя на входе в теплообменник и выходе из него; Тx1 - температура холодного теплоносителя на входе.

Конструктивно ТТТ выполняются из набора ТТ (рис. 51, 52 ). В ТТТ имеются зоны испарения и конденсации, в некоторых аппаратах - еще и транспортная (адиабатная) зона, не участвующая в процессе теплообмена. Эти зоны могут иметь различные геометрические размеры, которые лимитируются возможностями тепловых труб по транспорту теплоносителя. Испарительная зона теплообменника находится в потоке теплоотдающей среды, а конденсация - в потоке тепловоспринимающей среды.

В зависимости от агрегатов состояния теплоносители, омывающие испарительную и конденсационную зону ТТТ, разделяются на три типа: 1) газ-газ (воздух-воздух); 2) газ-жидкость; 3) жидкость-жидкость.

Теплоиспользующие аппараты первого типа применяются в качестве воздухоподогревателей для промышленных процессов, в системах отопления и вентиляции помещения, для кондиционирования воздуха, в агрегатах-утилизаторах животноводческих ферм и т.д. В свою очередь, каждый из типов ТТТ в зависимости от назначения делится на три вида:

1) «процесс-процесс» - для промышленных процессов (подогрев воздуха для котлоагрегатов, металлургических печей, сушильных камер, печей обжига кирпича, цемента и т.п.);

Рис. 2.1 - Теплообменник на тепловых трубах-парогенератор

2) «процесс-комфорт» - для использования энергии нагретого отработанного воздуха при обогреве помещений, что позволяет отказаться от индивидуальных котельных;

3) «комфорт-комфорт» - для использования отработанного воздуха в целях подогрева зимой поступающего в помещение холодного воздуха и охлаждение летом поступающего в помещение теплого воздуха .

На рис. 2.1 приведен теплообменник на тепловых трубах типа "газ-газ" для утилизации теплоты отходящих газов. Испарительные зоны тепловых труб в нем находятся в потоке горячего газа 1 (рис. 2.1,б), а конденсационные зоны омываются холодным воздухом 2, который необходимо нагреть. Теплообмен внутри такого теплообменника зависит от положения тепловых труб в поле тяжести. Эта зависимость оказывается особенно сильной при использовании термосифонных тепловых труб.

Теплообменники второго типа (газ-жидкость) используются в условиях, исключающих взаимодействие газа и жидкости в широком интервале давлений и температур. Эти ТТТ могут быть применены как конденсаторы, нагреватели и охладители жидкостей, парогенераторы и т.д. Примером такого аппарата является предложенный в [8] парогенератор, который включает (см. рис. 2.1) корпус 5, разделенный перегородкой 3 на камеры нагрева 1 и охлаждения 10. В камере охлаждения расположены слои 9 и 4 из дисперсного материала в виде свободной насыпки или спеченной металлической пористой массы, которые отделяются один от другого зазорами 8. В слой 4 пористой металлокерамики введены с противоположных сторон (чередуя и взаимоперекрывая одни другими) холодные концы высокотемпературных тепловых труб 6 и горячие концы низкотемпературных 7.

В пористый слой 9 введены холодные концы низкотемпературных ТТ 7. Горячие концы высокотемпературных ТТ 2 введены в камеру нагрева 1. Высокотемпературные ТТ служат для передачи теплоты из камеры 1 в пористый слой 4, где часть теплоты воспринимается горячими концами низкотемпературных ТТ 7, а другая расходуется на перегрев пара. Для осуществления кипения (испарения) жидкости, которая поступает из коллектора 10 в пористый слой 9, используется теплота, передаваемая ТТ 7. Вследствие высокоинтенсивного внутрипарового теплообмена температура жидкости при ее движении повышается, давление падает и происходит процесс фазового перехода. В зазор попадает насыщенный пар с каплями жидкости. Входящая в слой 4 парожидкостная смесь перегревается за счет подвода теплоты от ТТ 6 и превращается в перегретый пар. Применение пористой насадки в камерах позволяет обеспечить высокую эффективность и компактность теплообменного аппарата [3, 8].

Следует отметить, что в ТТТ типа "газ-жидкость" теплоносители можно располагать на относительно большом расстоянии друг от друга, а наличие двойной стенки в теплообменнике и промежуточного теплоносителя обеспечивает надежность и безопасность их эксплуатации.

В теплоиспользующих аппаратах типа "жидкость-жидкость" теплоотдающая и тепловоспринимающая среды являются жидкостями. Принцип работы этих аппаратов такой же, что и в рассмотренных выше. Применяются они в основном в химической промышленности и в атомной энергетике в условиях, когда исключается возможность взаимодействия теплоотдающей и тепловоспринимающей жидкостей в широком диапазоне давления и температуры.



Заключение

В данной работе представлен обзор работы самой простейшей тепловой трубы. Даны краткие физические основы для расчета тепловых труб.

Тепловые трубы представляют собой теплопередающие устройства, главной особенностью которых является способность передавать большие тепловые мощности при малых перепадах (градиентах) температуры. Устройства такого типа широко используются в теплоэнергетике, химической промышленности, электронике, а также в других областях промышленности.

Устройством, которое являлось своеобразным «предшественником» тепловых труб современного типа является так называемый термосифон. Его конструкция, хоть и имеет значительные отличия от конструкции тепловых труб, все же базируется на тех же принципах.

Термосифон представляет собой специальную трубчатую емкость, внутрь которой вводится небольшое количество жидкости, после чего из емкости откачивается воздух и она герметизируется путем запайки.

Принцип работы термосифона следующий: тепло подводится к зоне испарения жидкость внутри капсулы термосифона превращается в пар, который под давлением движется в зону конденсации.

В зоне конденсации пар оседает на стенках, отдавая им тепло - следовательно, одним из условий, обеспечивающих работу термосифона, является эффективное отведение тепла от зоны конденсации пара. в противном случае возможен так называемый «кризис кипения», при котором вся жидкость испаряется и теплопередача проходит по стенкам термосифона, минуя зону конденсации.



Список литературы

1. Елисеев В.Б., Сергеев Д.И. Что такое тепловая труба? М., «Энергия», 1971. - 136 с. с ил. (Б-ка теплотехника)

Размещено на Allbest.ru