2.11. Тепловые трубы

2.11.1. Принцип действия. Принцип действия тепловой трубы (ТТ) был описан в 1944 г. Гоуглером. Однако широкое практическое приме­нение тепловых труб началось только после работ Гровера в 1964 г. В настоящее время ТТ» находят широкое применение в энергетике, ме­таллургии, химической, промышленности и других отраслях. Примене­ние ТТ, например, позволяет утилизировать низкопотенциальную теп­лоту на температурном уровне 100°С и ниже, что сложно осуществить с помощью других теплопередающих устройств. Обычно тепловая тру­ба представляет собой герметичную полость различной геометрии, при теоретических анализах обычно рассматривают трубу цилиндрической формы.

Рис. 2.29. Принципиальные схемы тепловых труб

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 стенке трубы при конденсации. Образовавшийся конден­сат возвращается снова в зону испарения.

Основными преимуществами тепловых труб по сравнению с обыч­ными теплопередающими. устройствами являются простота конструк­ции, отсутствие нагнетателей и, следовательно, затрат энергии на пе­ремещение теплоносителей внутри, ТТ; герметичность, позволяющая использовать в качестве теплоносителей любые, в том числе и агрессивные, жидкости; легкость регулирования; высокая теплопроводность, которая превосходит в сотни раз самые теплопроводные металлы.

В зависимости от способа транспорта жидкости из зоны конденса­ции в зону нагрева можно выделить три типа тепловых труб (рис. 2.29).

В фитильных или капиллярных тепловых трубах (рис. 2.29, а) по их внутренней поверхности уложен капиллярно-пористый материал – фитиль, пропитанный жидким теплоносителем. При внешнем подводе теплоты в зоне испарения (испарителя) жидкость из фитиля испаряет­ся по всей длине зоны L. Капиллярная структура фитиля освобожда­ется от жидкости, что создает в этой зоне капиллярное разрежение.

За счет этого разрежения жидкость под­сасывается из охлаждаемой зоны ТТ– конденсатора (длина которой L_K) в испа­ритель для повторного испарения. Таким образом, в ТТ имеет место процесс не­прерывного переноса теплоты парообра­зования от испарителя к конденсатору. Между зонами испарения и конденсации располагается транспортная зона (дли­на L_T).

В гравитационных тепловых трубах (термосифонах) (рис. 2.29,6) возврат кон­денсата из конденсатора в зону испаре­ния происходит за счет сил тяжести т. е. для нормальной работы термосифонов обязательно расположе­ние конденсатора выше зоны испарения. В центробежных тепло­вых трубах (рис. 2.29,в) корпус трубы вращается вокруг своей продольной оси. В таких трубах толщина слоя жидкости внутри ТТ в зоне конденсации больше, чем в зоне испарения, и возврат кон­денсата из зоны охлаждения в зону нагрева осуществляется за счет центробежных сил. Такие ТТ применяют, например, для охлаждения электродвигателей, где вал электродвигателя одновременно является центробежной тепловой трубой.

2.11.4. Термосифоны. Термосифоны часто называют в технике тру­бами Перкинса. Основное достоинство термосифонов заключается в простоте конструкции и возможности охлаждать тепловыделяющие по­верхности сложной конфигурации, когда установка пористой структуры ТТ на тепловыделяющей поверхности затруднена. В настоящее время область применения термосифонов значительно расширилась: энергети­ка, холодильная техника, нефтехимическая промышленность, системы охлаждения и термостабилизации различной радиоэлектронной аппа­ратуры.

Термосифоны представляют собой герметически замкнутый объем, часть которого заполнена жидким теплоносителем. Тепловой поток плот­ностью q подводится к нижней части термосифона, а отводится от верх­ней. При подводе теплоты к жидкому теплоносителю в зоне нагревания происходит процесс испарения или кипения жидкости; образующиеся нары поднимаются вверх и конденсируются на внутренней стенке тепло-вода. Образовавшийся конденсат стекает в зону нагревания за счет сил гравитации.

В зависимости от геометрии термосифонной трубы различают термо­сифоны цилиндрические и плоские, а в зависимости от места подвода теплоты к испарителю – термосифоны с торцевым (рис.. 2.34, г) и бо­ковым (рис. 2.34,6) подводом. В зависимости от конструкции и условий подвода теплоты меняется механизм физических процессов, происходя­щих во внутренней полости термосифонного элемента: испарения и ки­пения на стороне подвода теплоты испарительного термосифона, кон­денсации на стороне отвода теплоты, возврата рабочей жидкости из конденсатора в испаритель за счет сил гравитации и, наконец, переноса пара из зоны испарения в зону конденсации. Последний процесс для всех термосифонов почти одинаков, вместе с тем в отдельных случаях, особенно при больших длинах тепловода, он сильно влияет на теплопередающую способность термосифона. Остальные процессы в термосифонах различной конструкции могут иметь существенные различия. Кипение и конденсация различны в зависимости от ориентации поверхно­сти, на которой они протекают. Но не это в основном определяет ин­тенсивность теплообмена. Для области кипения характерно увеличение числа центров кипения, которое и определяет высокое значение коэф­фициента теплоотдачи а в зоне нагрева. На теплопередающую способность термосифона большое влияние оказывает присутствие нейтраль­ных газов [15]. Термосифоны чаще работают в режиме двухфазной среды, когда возможно образование в зоне нагрева так называемых паровых снарядов и имеют место выброс жидкости в зону конденсации и колебание давления. В таких случаях происходит перемешивание пара и нейтрального газа, вследствие чего снижается интенсивность конден­сации.

Рис. 2.34. Схемы работы термосифонов

Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал показывает, что коэффициент теплоотдачи в зоне конденсации с доста­точной для инженерных расчетов точностью может быть определен по критериальным уравнениям для конденсации паров при стенании кон­денсата по плоской стенке.

Наиболее распространены термосифоны с боковым подводом тепло­ты (рис. 2.34,6). Работа такого термосифона характеризуется во внут­ренней полости различными процессами тепло- и массопереноса, В за­висимости от количества залитого теплоносителя в зоне подвода тепло­ты, теплового потока на стенке и диаметра термосифона могут осуществляться два режима работы, каче­ственно отличающиеся друг от друга:

1) режим стекающей пленки. Количество залитого теплоносителя находится в полном соответствии с передаваемым тепловым потоком, т. е. пленка жидкости покрывает при работе только внутреннюю по­верхность термосифона. Избыток жидкости в нижней, части тепловода, как правило, отсутствует;

2) режим двухфазной среды (рис. 2.34,в). Уровень заливки может колебаться в довольно широком диапазоне в зависимости от степени заполнения, изменяющей­ся в пределах 0,3–0,8. Режим имеет качественное различие в термосифонах различной геометрии. В термосифонах относительно малого диаметра пе­ремещение паровой фазы из зоны нагревания в зону конденсации осуществляется в виде пробок, «сна­рядов». В термосифонах с большим диаметром про­исходит всплывание отдельных пузырьков пара без объединения их в паровые пробки. Поэтому такой режим работы термосифона часто называют барботажным.

Режим двухфазной среды наиболее распростра­нен. На рис. 2.35 показана типичная зависимость интенсивности теплообмена от теплового потока для ряда теплоносителей. Как видно из приведен­ной графической зависимости, имеются две области кипения, Первая область (область меньших тепло­вых потоков) характеризуется некоторой неста­бильностью процесса кипения.

Рис. 2.36. Схема пе­редачи теплоты через термосифон

Нестабильность, за­ключается в том, что кипение сопровождается всплыванием отдельных паровых пузырьков с последующим их объеди­нением в снаряды. При увеличении теплового потока процесс переходит в область развитого кипения аналогично кипению в большом объеме.

Определим тепловой поток, передаваемый термосифоном от наруж­ной стенки термосифона с температурой t_и к наружной стенке конден­сатора с температурой t_K. При заданных температурах жидкости и па­ра, известных толщине стенки термосифона δ и ее теплопроводности λ для установившегося режима (рис. 2.36) можно записать систему урав­нений,

(2.186)

Здесь Т_и и F_K – площади поверхностей теплообмена в зоне испаре­ния- и кднденсации; α_и и α_к – коэффициенты теплоотдачи в этих зонах; t_s – температура насыщения.

Определим температурные напоры в каждом слое:

Поскольку t_s=t_п, то сложив левые и правые части уравнений> получим

. (2.187)

Величину называют полным термическим сопротивлением термосифона. Для расчета теплового потока по уравне­нию (2.187) необходимо знать α_и и α_к. Они могут быть определены экс­периментальна для конкретного теплоносителя. При развитом процес­се кипения (q>10⁴ Вт/м²) α_в в среднем на 30% выше, чем для анало­гичных условий при кипении в большом объеме.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные виды теплообмена и режимы движения теплоносителей в теплообменных аппаратах.

2. В каких случаях нельзя пользоваться формулой, полученной для плоской стен­ки, при расчете коэффициента теплопередачи через стенку круглой трубы?

3. С какой из сторон стенки, разделяющей холодный воздух и горячую воду, целе­сообразно интенсифицировать теплообмен, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи?

4. При какой схеме движения теплоносителей, не меняющих фазового состояния, средний температурный напор будет наименьшим, и при какой – наибольшим?

5. Влияет ли схема движения теплоносителей на средний температурный напор, если происходит фазовое превращение обоих или хотя бы одного из теплоносителей?

6. Когда коэффициент теплоотдачи выше: при внешнем поперечном обтекании трубы или при движении теплоносителя с той же скоростью в трубе?

7. В каком из теплообменников: кожухотрубчатом или подогревателе-аккумулято­ре – выше коэффициент теплопередачи при использовании одних и тех же теплоноси­телей с одинаковыми начальными температурами?

8. В каких случаях целесообразно применять ребристые трубы?

9.. Когда выше коэффициент теплоотдачи: при конденсации на вертикальной или горизонтальной трубе?

10. Назовите достоинства и недостатки воды и воздуха по сравнению с водяным паром и высокотемпературными теплоносителями.

11. Какой из теплообменников удобней чистить: кожухотрубчатый спиральный, змеевиковый или пластинчатый с профилированными пластинами?

12. Какой из теплоносителей: воду, прошедшую химическую очистку, или дымовые газы – следует подавать в межтрубное пространство кожухотрубчатого теплообмен­ника?

13. Назовите наиболее распространенные способы крепления труб в трубной решетке.

14. Перечислите способы компенсации температурных напряжений в теплообмен­нике.

15. Какие достоинства и недостатки имеет пластинчатый теплообменник по сравнению с кожухотрубчатый?

16. В каком из аппаратов – секционном или спиральном – выше удельный расход металла на единицу поверхности теплообмена?

17. Какие уравнения являются основными и общими для методик расчета теплообменных аппаратов различных конструкций?

18. Из каких составляющих складывается общее гидравлическое сопротивление кожухотрубчатого теплообменника по каждому из теплоносителей?

19. Когда выше затраты мощности: при перемещении газообразного теплоносителя или капельной жидкости (при одинаковых массовых расходах)

20. Какие достоинства и недостатки имеют тепловые трубы?

21. Объяснить принцип работы тепловых труб.

22. Для чего нужен фитиль в ТТ с капиллярно-пористым материалом?

23. Для каких материалов – с малым или с большим радиусом пор – сила капил­лярного впитывания больше?

24. Как зависит расход жидкости по фитилю от коэффициента проницаемости.

25. Какие конструкции фитилей Вы знаете?

^;26. Как влияет присутствие нейтрального газа в ТТ на ее теплопередающую способность?

27. Какие свойства теплоносителей влияют на теплопередающую способ­ность ТТ?

28. Что подразумевается под совместимостью материалов фитиля корпуса ТТ с теплоносителем?

Глава третья

РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ И УСТАНОВКИ