Тепловые трубы теплоиспользующие устройства на тепловых трубах на примере рб реферат

Обновлено: 04.07.2024

Тепловые трубы имели предшественника – так называемые трубы Перкинса.

Трубы Перкинса – это бесфитильные тепловоды, в которых перенос тепла осуществляется также за счет скрытой теплоты парообразования, а циркуляция теплоносителя – за счет сил гравитации. Эти устройства были изобретены Перкинсом в 1897 г. и успешно использовались сначала в хлебопекарном деле, а затем нашли и другие многочисленные области применения [55].

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

парение жидкости и движение пара к холодному концу трубы. Здесь в результате охлаждения пар конденсируется и под воздействием капиллярных сил возвращается к горячему концу трубы. Поскольку теплота парообразования теплоносителя велика, то ТТ и при малой разности температур на концах может передавать большой тепловой поток.

Рис. 13.19. Основные элементы тепловой трубы:

а – продольное сечение (1 – фитиль; 2 – стенка трубы; 3 – возврат жидкости по фитилю; 4 – пар; 5 – участок конденсации; 6 – адиабатный участок; 7 – участок испарения);

б – поперечное сечение (1 – стенка; 2 – фитиль; 3 – паровое пространство)

В ТТ различают три участка: зону подвода теплоты, или участок испарения 7, зону переноса теплоты, или адиабатный участок 6; зону отвода теплоты, или участок конденсации 5. Испаритель в рассматриваемой трубе может располагаться по-разному, и потому она будет работать в любом положении. ТТ позволяет транспортировать теплоту в различных направлениях, по любым прямолинейным и криволинейным каналам, поскольку фитиль, который смачивается в зоне конденсации, будет всегда подавать теплоноситель в зону испарения. Круговорот теплоносителя в ТТ совершается независимо от наличия сил тяжести. Благодаря этому ТТ является универсальным теплопроводом, подобно электрическому проводу, который предназначен для передачи электроэнергии, или световоду, который осуществляет передачу света.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

Не менее разнообразны и теплоносители – ацетон, аммиак, фреоны, дифенильные смеси, вода, ртуть, индий, цезий, калий, натрий, литий, свинец, серебро, висмут и неорганические соли.

При выборе материалов и теплоносителей для ТТ необходимо учитывать их совместимость. В противном случае вследствие химического взаимодействия теплоносителя с материалом стенки корпуса образуются продукты реакции в виде неконденсирующегося газа и твердого осадка

В настоящее время известны десятки разновидностей конструкций ТТ. Наряду с гладкостенными, фитильными, центробежными (вращающимися) существуют электрогидродинамические трубы, трубы с эффектом магнитного поля, осмотические ТТ и др.

Наиболее характерными областями применения ТТ являются энергетика, машиностроение, электроника, химическая промышленность, сельское хозяйство. В каждой из этих отраслей они могут использоваться для утилизации низкопотенциальных вторичных энергоресурсов. Наибольшее применение ТТ находят при температуре ВЭР от 50 до 250 °С, поскольку в данном температурном диапазоне нет необходимости использовать дорогостоящие материалы и теплоносители.

Для передачи теплоты по криволинейным каналам могут быть использованы гибкие тепловые элементы. Гибкость достигается установкой в корпус трубки (между испарителем и конденсатором) гибкого элемента типа сильфона или изготовлением трубки из какого-либо пластического

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

материала с использованием обычных металлических секций для подвода или отвода теплоты.

Теплоиспользующие устройства на тепловых трубах

2 Теплоиспользующие аппараты на тепловых трубах 6

2.1 Принцип действия, назначение и типы тепловых труб 6

2.2 Конструкции теплоиспользующих аппаратов с тепловыми трубами 10

2.3 Использование тепловых труб для отбора и утилизации 14

Теплопередача или теплообмен – учение о самопроизвольных, необратимых процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом распространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами и между областями рассматриваемой среды. Перенос теплоты осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.

Явление теплопроводности представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется путем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах-диэлектриках – путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется путем диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристаллической решетки здесь второстепенна.

Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется теплообменом излучения. В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение - часто происходят совместно.

Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Коэффициент теплопроводности l численно равен количеству теплоты (Q), передаваемой механизмом теплопроводности через единицу площади (F) в единицу времени ( D t ) при градиенте температуры, равном единице:

l = Q / (F D t grad T )

Градиент температуры – вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности (поверхности с одинаковыми температурами) в сторону возрастания температуры и численно равный производной от температуры по этому направлению:

где - единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры; - производная от температуры по нормали n.

Рис. 1. Направление вектора градиента температур

В соответствии со своим определением коэффициент теплопроводности имеет размерность Дж·м/м 2 с К=Вт/м·К.

Коэффициент теплопроводности является одной из важнейших теплофизических характеристик вещества и наибольшие значения имеет у металлов, а среди них– у серебра, меди, золота, алюминия. В связи с этим одним из самых распространенных конструкционных материалов в теплоэнергетических устройствах является медь.

Из формулы (1.1) видно, что чем больше коэффициенты теплопроводности, тем меньшие перепады температуры требуются для передачи одного и того же количества теплоты. Или, другими словами, чем больше эти коэффициенты, тем большее количество теплоты передается при всех прочих равных условиях, то есть теплопередающее устройство работает более эффективно.

Эффективное решение проблем теплообмена в значительной мере обеспечивает и общую эффективность теплоэнергетических систем и установок. Одним из таких решений часто является использование оригинальных теплопередающих устройств, называемых тепловыми трубами.

2 Теплоиспользующие аппараты на тепловых трубах

2.1 Принцип действия, назначение и типы тепловых труб

Тепловая труба (ТТ) (рис. 2.1) представляет собой устройство, обладающее высокой эффективностью передачи теплоты. На внутренней стенке ее укреплен фитиль, сделанный, например, из нескольких слоев тонкой сетки. Труба заполняется небольшим количеством теплоносителя (рабочей жидкости), после чего из нее откачивается воздух и она плотно закрывается. Один конец трубы нагревается, что вызывает испарение жидкости и движение пара к холодному концу трубы. Здесь в результате охлаждения пар конденсируется и под воздействием капиллярных сил возвращается к горячему концу трубы. Так как теплота парообразования теплоносителя велика, то ТТ и при малой разности температур на концах может передавать большой тепловой поток.

Рис. 2.1. Основные элементы тепловой трубы: а – продольное сечение

(1 – фитиль; 2 – стенка трубы; 3 - возврат жидкости по фитилю; 4 – пар; 5 – участок конденсации; 6 – адиабатный участок; 7 – испарительный участок);

б – поперечное сечение (1 – стенка; 2 – фитиль; 3 – паровое пространство)

В ТТ различают три участка: зону подвода теплоты, или зону испарения 7, зону переноса теплоты, или адиабатный участок 6; зону отвода теплоты, или зону конденсации 5.

Испаритель в рассматриваемой трубе может располагаться по-разному, и потому она будет работать в любом положении. ТТ позволяет транспортировать теплоту в различных направлениях, по любым прямолинейным и криволинейным каналам, поскольку фитиль, который смачивается в зоне конденсации, будет всегда подавать теплоноситель в зону испарения. Круговорот теплоносителя в ТТ совершается независимо от наличия сил тяжести. Благодаря этому ТТ является универсальным теплопроводом, подобно электрическому проводу, который предназначен для передачи элекроэнергии, или световоду, который осуществляет передачу света.

Т а б л и ц а 1

Совместимость материалов ТТ и используемого теплоносителя

В настоящее время уже известны десятки разновидностей конструкций ТТ: наряду с гладкостенными, фитильными, центробежными (вращающимися) существуют электрогидродинамические трубы, трубы с эффектом магнитного поля, осмотические ТТ и другие.

Наиболее характерными областями применения ТТ являются: энергетика, машиностроение, электроника, химическая промышленность, сельское хозяйство. В каждой из этих отраслей они могут использоваться для утилизации низкопотенциальных вторичных энергоресурсов. Наибольшее применение они находят при температуре ВЭР 50-+250 ° С, поскольку в данном температурном диапазоне не требуется применение дорогостоящих материалов и теплоносителей.

Для передачи теплоты по криволинейным каналам могут быть использованы гибкие тепловые элементы. Гибкость тепловой трубы достигается установкой в корпус трубки (между испарителем и конденсатором) гибкого элемента типа сильфона или изготовлением трубки из какого-либо пластического материала с использованием обычных металлических секций для подвода или отвода теплоты.

Основы теории тепловых труб можно рассматривать на примере фитильных ТТ. Для обеспечения работы ТТ необходимо соблюдать следующее соотношение:

где p_{к mах} - максимальный капиллярный напор;

D р_ж - перепад давления, необходимый для возврата жидкости из зоны конденсации в испарительную зону;

D р_n - перепад давления который необходим для перехода пара из испарительной зоны в конденсационную;

D р_д - гравитационный перепад давления.

Следует заметить, что при несоблюдении условия фитиль в зоне испарения высохнет и работать не будет.

2.2 Конструкции теплоиспользующих аппаратов с тепловыми трубами

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

e _т = (Т_r1 – T_r2)/(Т_r1 – T_x1). Здесь Т_r1 и T_r2 – температуры горячего теплоносителя на входе в теплообменник и выходе из него; Т_x1 - температура холодного теплоносителя на входе.

Конструктивно ТТТ выполняются из набора ТТ (рис. 2.2, 2.3 ). 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.

Рис. 2.3. Теплообменник на тепловых трубах–парогенератор

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:

На рис. 51 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.2.2,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 парогенератор, который включает (см. рис. 2.3) 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.

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.

2.3 Использование тепловых труб для отбора и утилизации

Тепловые трубы в настоящее время находят все большее применение. При использовании ТТ для утилизации ВЭР представляется возможным не только повысить тепловую эффективность работы энергетических установок, но во многих случаях уменьшить загрязнение окружающей среды. Примером может быть применение ТТ в двигателях Стирлинга или в карбюраторных двигателях в качестве испарителя топлива.

Примером использования тепловых труб является схема установки ТТ в газоходах двигателя. Испарительная зона ТТ размещается в выпускном патрубке , а конденсационная во впускном (после карбюратора). В результате теплота отработанных газов передается посредствам ТТ топливно-воздушной смеси, обеспечивая полное испарение топлива и увеличение конденсации его паров в смеси с воздухом. Было установлено, что в этих условиях даже такая бедная смесь с соотношением "воздух-топливо" 22:1, воспламеняется без затруднений. В результате содержание NО_x и СО в отработанных газах (ОГ) двигателя сжигается до минимума.

Теплота ОГ двигателей внутреннего сгорания (ДВС) может быть использована для отопления транспортных средств. Эта задача эффективно решается с помощью ТТТ. В предложены отопительные кабины автомобиля. Отопитель состоит из патрубков для ОГ и воздуха, разделенных перегородкой, через которую проходят ТТ. В теплообменнике применены ТТ, снабженные принципиальной (пористой) кольцевой пластиной, которая разделяет соединенные клапаном зоны испарения и конденсации. Особенность конструкции отопителя состоит в том, что, начиная с определенного периода D Т между воздухом и ОГ, повышение температуры последнего не приводит к увеличению теплового потока, рабочей температуры и давления в тепловой трубе. На основании проведенных расчетов и экспериментов установлено, что использование ТТТ для отопления кабин транспортных средств с помощью ОГ ДВС позволило бы сэкономить в зимнее время до 30 % топлива двигателей воздушного охлаждения. В то же время установка их на двигателях жидкостного охлаждения позволит предотвратить чрезмерное понижение температуры охлаждающей жидкости в зимнее время. Для утилизации вторичных энергоресурсов газовых турбин и других энергетических установок разработан специальный ТТТ. Основным узлом этого теплоиспользующего аппарата является дисковая центробежная ТТ.

Цель работы: определение и сравнение коэффициентов эффективной теплопроводности тепловой трубы и медного стержня.

изучение механизмов переноса тепловой энергии;
изучение принципа действия и конструкции тепловых труб;
экспериментальное определение коэффициента теплопроводности тепловой трубы и сравнение его с коэффициентом теплопроводности медного стержня;
изучение основных способов практического применения тепловых труб.

Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.

Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется теплообменом излучения. В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – часто происходят совместно.

Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.

Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

Коэффициент теплопроводности λ численно равен количеству теплоты (Q), передаваемой механизмом теплопроводности через единицу площади (F) в единицу времени (Δτ) при градиенте температуры, равном единице:

λ= .

Градиент температуры – вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности (поверхности с одинаковыми температурами) в сторону возрастания температуры, и численно равный производной от температуры по этому направлению:

grad t = ,

где – единичный вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры; – производная от температуры по нормали n.

Рис. 6.1. Направление вектора градиента температур

В соответствии со своим определением коэффициент теплопроводности имеет размерность Дж⋅м/м2с⋅К=Вт/м⋅К.

Коэффициент теплопроводности является одной из важнейших тепло-физических характеристик вещества и наибольшие значения имеет у металлов, а среди них у серебра, меди, золота, алюминия. В связи с этим одним из самых распространенных конструкционных материалов в теплоэнергетических устройствах является медь.

Из формулы (6.1) видно, что чем больше коэффициенты тепло-проводности, тем меньшие перепады температуры требуются для передачи одного и того же количества теплоты. Или, другими словами, чем больше эти коэффициенты, тем большее количество теплоты передается при всех прочих равных условиях, то есть теплопередающее устройство работает более эффективно.

Впервые идея тепловой трубы была предложена американским инженером Гоглером в 1942 году. Но только в начале 60-х годов, после того как другой американский ученый Гровер независимо от Гоглера вновь изобрел и в 1963 году запатентовал ее, тепловые трубы получили интенсивное развитие. К настоящему времени созданы тысячи модификаций тепловых труб с различными функциями и для многообразных применений.

Тепловая труба представляет собой устройство, обладающее очень высокой теплопередающей способностью. Если характеризовать ее эквивалентным коэффициентом теплопроводности, то он оказывается в сотни раз больше, чем у меди. Конструктивно тепловая труба представляет собой герметичный сосуд (чаще всего цилиндрическую трубу), заполненный жидкостью-теплоносителем. Высокая теплопередающая способность ее достигается за счет того, что в тепловой трубе осуществляется конвективный перенос тепла, сопровождаемый фазовыми переходами (испарением и конденсацией) жидкости-теплоносителя. При подводе теплоты к одному концу тепловой трубы жидкость нагревается, закипает и превращается в пар (испаряется). При этом она поглощает большое количество теплоты (теплота преобразования), которое переносится паром к другому более холодному концу трубы, где пар конденсируется и отдает поглощенную теплоту. Далее сконденсированная жидкость опять возвращается в зону испарения. Этот возврат может осуществляться разными способами. Самый простой из них заключается в использовании силы тяжести. При вертикальном расположении тепловой трубы, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, жидкость стекает вниз непосредственно под действием силы тяжести. Такой вариант тепловой трубы называется термосифоном. Естественно, эффективность работы термосифона зависит от его ориентации относительно направления силы тяжести. Для исключения этого недостатка в наиболее распространенных типах тепловых труб для возврата жидкости в зону испарения используются капиллярные эффекты. Для этого на внутренней поверхности тепловой трубы располагают слой капиллярно-пористой структуры (фитиль), по которому под действием капиллярных сил и происходит обратное движение жидкости.

Принципиальная схема тепловой трубы с фитилем изображена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Принципиальная схема тепловой трубы:

1 – корпус, 2 – капиллярно-пористый слой (фитиль);

⇒ – направление движения пара (направление переноса теплоты);

← – направление движения жидкости (конденсата)

Основными преимуществами таких тепловых труб являются: высокая эффективность теплообмена, автономность работы, малый вес и габариты, высокая надежность, возможность реализации сложных теплопередающих функций, высокая изотермичность поверхности трубы.

Тепловая труба может иметь различные формы и габариты. Внутренний диаметр труб составляет от нескольких миллиметров до десятка сантиметров, длина – до нескольких метров. Для изготовления корпусов и капиллярных структур (фитилей) используются стекло, керамика, различные металлы и сплавы. В качестве жидкости-теплоносителя используются как легко испаряемые жидкости (ацетон, аммиак, фреоны) для низкотемпературных труб, так и вода, ртуть, индий, цезий, калий, натрий, литий, свинец, серебро, висмут и неорганические соли для труб, работающих при высоких температурах.

Наиболее характерными областями применения тепловых труб являются энергетика, машиностроение, электроника, химическая промышленность, сельское хозяйство. Широкое применение находят тепловые трубы при обеспечении тепловых режимов космических аппаратов, для охлаждения электронных приборов и систем, для создания регенеративных теплообменников.

Основными элементами лабораторной установки (рис. 6.3) являются укрепленные на штативах 1 тепловая труба 5 и медный стержень 6 одинаковой длины l и диаметра d. На нижних концах трубы и стержня установлены электрические нагреватели 2 одинаковой мощности, на которые подается электрическое напряжение от блока питания 9. Выделяемая на нагревателях тепловая мощность W измеряется вольтметром (U) и амперметром (I) 8, и находится W = I ⋅ U. Верхние концы тепловой трубы и стержня находятся в холодильнике 11 и охлаждаются проточной водопроводной водой. По длине трубы и стержня установлены по три термопары 4 (две по концам и одна в центре), определяющие температуры в соответствующих точках. Показания термопар через коммутационные устройства 7 регистрируются измерителем малых ЭДС – самопишущим потенциометром КСП-4 и выводятся на печать.

Рис. 6.3. Схема лабораторной установки:

а) -тепловая труба; б)- медный стержень;

1 – стойка (штатив); 2 – электрический нагреватель; 3 – теплоизоляция;

4 – датчики температуры (термопары); 5 – тепловая труба; 6 – медный стержень; 7 – коммутатор; 8 – вольтметр и амперметр; 9 – блок питания; 10 – измеритель малых ЭДС (самопишуший потенциометр КСП-4); 11 – холодильник

Тепловые трубы имели предшественника - так называемые трубы Перкинса.

Трубы Перкинса - это бесфитильные тепловоды, в которых перенос тепла осуществляется также за счет скрытой теплоты парообразования, а циркуляция теплоносителя - за счет сил гравитации. Эти устройства были изобретены Перкинсом в 1897 г. и успешно использовались сначала в хлебопекарном деле, а затем нашли и другие многочисленные области применения [55].

Рис. 13.19. Основные элементы тепловой трубы: а - продольное сечение (1 - фитиль; 2 - стенка трубы; 3 - возврат жидкости по фитилю; 4 - пар; 5 - участок конденсации; 6 - адиабатный

участок; 7 - участок испарения); б - поперечное сечение (1 - стенка; 2 - фитиль; 3 - паровое пространство)

Не менее разнообразны и теплоносители - ацетон, аммиак, фреоны, дифенильные смеси, вода, ртуть, индий, цезий, калий, натрий, литий, свинец, серебро, висмут и неорганические соли.

Совместимость материалов ТТ и используемого теплоносителя

Основы теории тепловых труб можно рассматривать на примере фитильных ТТ. Для обеспечения их работы необходимо соблюдать следующее соотношение:

рк max > Дрх + Дрп + Дрд,

где рк max - максимальный капиллярный напор; Дрх - перепад давления, необходимый для возврата жидкости из зоны конденсации в испарительную зону; Дрп - перепад давления, который необходим для перехода пара из испарительной зоны в конденсационную; Дрд - гравитационный перепад давления.

Следует заметить, что при несоблюдении этого соотношения фитиль в зоне испарения высохнет и работать не будет.

Теплообменники на тепловых трубах (ТТТ) - разновидность рекуперативных теплообменников с промежуточным теплоносителем. Появились они в начале 70-х гг. XX в., когда была доказана принципиальная возможность применения тепловых труб в качестве эффективных теплопередающих устройств.

Эффективность теплообменника с тепловыми трубами обычно оценивается коэффициентом

Єт = (Тг1 - Тг2) / (Тг1 - Tx2).

Здесь Тг1 и Тг2 - температуры горячего теплоносителя на входе в теплообменник и выходе из него; Tx2 - температура холодного теплоносителя на входе.

Конструктивно ТТТ выполняются из набора ТТ (рис. 13.20, 13.21). 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 агрегатного состояния теплоносителей, омывающих испарительную и конденсационную зоны ТТТ, они 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 с 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. 13.20. Рекуперативный теплообменник на тепловых трубах:

а - общий вид (1 - рама с тепловыми трубами; 2 - воздуховод; 3 - газоход);

б - направление потоков (1 - горячий газ; 2 - холодный воздух)

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 охлаждения летом поступающего в помещение теплого воздуха.

На рис. 13.20 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, 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.

Рис. 13.21. Теплообменник на тепловых тубах (парогенератор)

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 парогенератор (рис. 13.21), который включает в себя 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 чередующиеся и взаимоперекрывающиеся 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

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.

Тепловые трубы в настоящее время находят широкое применение. При использовании ТТ для утилизации ВЭР представляется возможным не только повысить тепловую эффективность работы энергетических установок, но во многих случаях уменьшить загрязнение окружающей среды. Примером может служить применение ТТ в двигателях Стирлинга или в карбюраторных двигателях в качестве испарителя топлива.

Рассмотрим схему установки ТТ в газоходах двигателя. Испарительная зона ТТ размещается в выпускном патрубке, а конденсационная - во впускном (после карбюратора). В результате теплота отработанных газов передается посредством ТТ топливно-воздушной смеси, обеспечивая полное испарение топлива и увеличение конденсации его паров в смеси с воздухом. Было установлено, что в этих условиях даже бедная смесь с соотношением воздух - топливо 22 : 1 воспламеняется без затруднений. В результате содержание N0x и СО в отработанных газах (ОГ) двигателя снижается до минимума.

Теплота ОГ двигателей внутреннего сгорания (ДВС) может быть использована для отопления транспортных средств. Эта задача эффективно решается с помощью ТТТ. В [48] предложены отопительные кабины автомобиля. Отопитель состоит из патрубков для ОГ и воздуха, разделенных перегородкой, через которую проходят ТТ. В теплообменнике применены ТТ, снабженные пористой кольцевой пластиной, которая разделяет соединенные клапаном зоны испарения и конденсации. Особенность конструкции отопителя состоит в том, что начиная с определенного уровня АТ между воздухом и ОГ повышение температуры последнего не приводит к увеличению теплового потока, рабочей температуры и давления в тепловой трубе. На основании проведенных расчетов и экспериментов установлено, что использование ТТТ для отопления кабин транспортных средств с помощью ОГ ДВС позволило бы сэкономить в зимнее время до 30 % топлива двигателей воздушного охлаждения. В то же время установка их на двигателях жидкостного охлаждения позволит предотвратить чрезмерное понижение температуры охлаждающей жидкости в зимнее время.

Для утилизации вторичных энергоресурсов газовых турбин и других энергетических установок разработан специальный ТТТ. Основным узлом этого теплоиспользующего аппарата является дисковая центробежная ТТ.

Н. И. Данилов, Я. М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Тепловые трубы: устройство и принцип действия 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.

Какие же основные требования предъявляются в технике к теплопередающим устройствам? Прежде всего любое теплопередающее устройство по своему прямому назначению должно обеспечить прохождение больших тепловых потоков при минимальных перепадах температур.

Второе важное свойство теплопередающих устройств - минимум тепловых потерь при передаче тепла.

Для характеристики эффективности передачи тепла обычно вводят понятие соответствующего КПД теплопередающего устройства, причем под ним подразумевается выраженное в процентах отношение выходного и входного тепловых потоков.

Задачи передачи тепла на значительные расстояния в настоящее время, как правило, решаются за счет использования контуров с движущимся теплоносителем. Но у таких систем есть существенные недостатки: требуется расход энергии на прокачку теплоносителя; имеют место большие потери при передаче; наблюдаются значительные перепады температур; ограниченные рабочие температуры используемых теплоносителей не позволяют применять наиболее эффективные высокотемпературные циклы преобразования; при больших передаваемых тепловых потоках системы громоздки и тяжелы по весу; насосы, содержащие вращающиеся элементы, являются источниками шума и вибрации, требуют систематической профилактики и надзора.

Использование теплопроводов, изготовленных из материалов с высокой теплопроводностью, весьма дорого.

Читайте также: