Тепловые трубы.

Принцип действия тепловой трубы был описан в 1944 году, американцем Гооблером, однако широкое практичное применение тепловых труб началось с развития авиа космической техники, потребовавших совершенно иных порядков величин удельных тепловых потоков. В настоящее время тепловые трубы находят широкое применение в энергетике, металлургии, химической промышленности, микробиологии. Обычно тепловая труба представляет собой геометрическую полость различной геометрии. При теоретических анализах обычно рассматривают трубу цилиндрической формы. В тепловой трубе теплота от охлаждаемой среды отбирается в зоне испарения испаряющейся здесь жидкостью и с потоком образующегося пара переносится на значительное расстояние в зону охлаждения, где передается стенки трубы при конденсации. Образующийся конденсат возвращается снова в зону испарения за счет капиллярных сил по фитилю.

Lu – зона испарения

Lт – зона транспорта

Lк – зона конденсации

Основным преимуществом тепловых труб по сравнению с обычными теплопередающими устройствами является:

- простота конструкции

- отсутствие нагнетателей

следовательно затрат энергий на перемещение теплоносителей.

- герметичность труб позволяет использовать в качестве теплоносителя дорогостоящие фреоны и агрессивные жидкости.

В общем случае процесс передачи теплоты в тепловой трубе осуществляется следующим образом: в зоне испарения теплота Q с начальной температурой tнач. передается через стенку корпуса и фитиль пропитанный жидкостью, теплопроводность.

В общем случае в зоне испарения и конденсации толщина фитиля и его теплопроводность равны:

Совместное решение уравнений (1) и (2) путем исключения температуры пара tп и дает уравнение (3):

По уравнению (3) можно найти тепловую нагрузку тепловой трубы при известном перепаде температур стенок в зоне испарения и конденсации, размерах и форме тепловой трубы. Однако, уравнение (3) не учитывает гидравлического сопротивления жидкости при движении по фитилю тепловой трубы и потока пара внутри трубы. Поэтому после определения Q по уравнению (3) необходимо сравнить его значение с максимальной теплопередающей способностью тепловой трубы из условий движений жидкости по фитилю и пара внутри трубы. Максимальное количество передаваемого тепла по фитилю будет находиться по уравнению (4):

r – удельная теплота парообразования

j – удельный расход жидкости по фитилю вдоль оси трубы описывается уравнением Дарси (5)

Если рассматривать конечные величины перепада давлений на различных участках тепловой трубы, то можно получить зависимость для расчета падения давления на каждом уз участков, уравнение (6):

Поток жидкости G меняется в зонах испарение и конденсации меняется от 0 до G и от G до 0, а в транспортной зоне он будет постоянным.

L = Lи + Lт + Lк

Тогда среднее гидравлическое сопротивление для каждой из зон:

Суммарное гидравлическое сопротивление при движении жидкости будет равно:

Течение пара внутри тепловой трубы отвечает закону Пуазейля, поэтому перепад давления при движении пара для всей трубы будет описываться уравнением (11):

dn – диаметр парового канала;

Fn – площадь поперечного сечения этого канала.

Общие гидравлические потери на перенос жидкости, пара и компенсацию гравитационных сил должны быть меньше или, по крайней мере, равны капиллярному потенциалу фитиля.

σ –поверхностное натяжение жидкости (Н*м)

R - средний радиус капилляров.

подставив в уравнение (12) выражение (10), (11) и (13) получим:

(уравнение (3) и уравнение (15))

Верхний предел теплопередающей способности тепловой трубы может ограничиваться следующими факторами:

1. предельная скорость пара на выходе из зоны испарения не должна превышать скорость звука.

2. гидравлическое сопротивление капиллярных структур не должны превышать капиллярного напора.

3. в ходе теплообмена не должно происходить вскипание жидкости в капиллярных структурах.

4. теплоноситель не должен замерзать в тепловой трубе.

В качестве фитилей используются тканевые фитили, многослойные металлические сетки, металлический войлок, стекловолоконный войлок, капиллярные канавки в стенках тепловой трубы. Разновидностью тепловых труб являются термосифоны, в которых фитиль отсутствует. Возврат конденсата происходит под действием гравитационных сил земного тяготения техники, их часто называют трубами Перкинса.