Лекция 9 ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ Тепловые трубы (ТТ

Лекция 9
ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ
Тепловые трубы (ТТ) - теплопередающие трубы- разновидность регенеративных теплообменников с промежуточным
теплоносителем. Они представляют собой замкнутые полости, которые под
вакуумом заряжают некоторым количеством легкокипящей жидкости.
Снаружи трубы имеют пластинчатые ил спирально навитое оребрение.
Трубы собирают в пучки, образующие теплообменники.
Тепловые трубы как высокоэффективные теплопередающие устройства,
работающие по замкнутому испарительно-конденсационному циклу, находят
все более широкое применение в различных отраслях промышленности.
Высокие коэффициенты теплопередачи обуславливаются молярным
переносом теплоты фазового перехода промежуточного теплоносителя от
источника теплоты к потребителю. Для эффективного функционирования
тепловых труб необходимы гидродинамические и термодинамические
условия. Гидродинамические – характеризуют равенство движущих сил с
силами, определяющими потери давления при течении пара, жидкости и
фазовых переходах. Термодинамические – определяются перепадами
температур на отдельных участках тепловых труб, сумма которых не должна
превышать имеющуюся разность температур между источником теплоты и
ее потребителем.
Тепловая труба – это устройство для переноса тепловой энергии из
нагретой области («источника») в холодную область («сток») с КПД, намного
большим, чем при использовании любых высокотеплопроводных металлов.
Если подводить тепло к одной секции такой герметичной трубы, содержащей
жидкость, то часть жидкости будет испаряться, поглощая большие
количества тепла. Пары, переходя в другую секцию, будут конденсироваться
и отдавать тепло. Вернув сконденсировавшуюся жидкость обратно, мы
получим замкнутый цикл. Перенос жидкости из зоны конденсации в зону
испарения в тепловой трубе осуществляется за счет капиллярных сил в
фитиле, закрепленном на внутренних стенках трубы. Фитиль в тепловой
трубе действует так же, как и в старых керосиновых лампах, в которых
керосин поступает из резервуара к пламени по фитилю.
Тепловая труба была предложена как средство отвода тепла в
космических летательных аппаратах: тепло, выделяемое электронными
приборами, отводится к наружным стенкам КЛА и там за счет излучения
рассеивается в космосе. В пилотируемых космических кораблях тепло
солнечного излучения должно равномерно распределяться по всему КК,
чтобы обеспечивалась необходимая комфортность (чего можно добиться
также за счет медленного вращения космического корабля). В связи с этим
тепловая
труба,
способная
осуществлять
теплоперенос
в
условиях
невесомости, сразу же нашла практическое применение при исследовании
космического пространства. Благодаря той простоте, с которой тепловые
трубы работают в условиях нормальной силы тяжести, на их основе были
созданы энергосберегающие теплообменники. «Сбросное» тепло отходящих
газов печи или топки можно улавливать посредством теплообменника с
решеткой из тепловых труб, один конец которой омывается отходящими
газами, а другой – потоком холодного свежего воздуха. Свежий воздух
нагревается за счет тепла отходящих газов, передаваемого посредством
рабочего тела тепловой трубы. Для увеличения площади поверхности
теплообмена трубы можно оребрить. Компактная система такого рода
способна сберегать 60–70% энергии, которая иначе просто терялась бы,
рассеиваясь в атмосфере. Нагретый воздух можно использовать для
отопления или подавать в топку (например, парового котла) в качестве
предварительно подогретого воздуха для горения топлива.
На практике обычно применяются либо горизонтальные тепловые
трубы, либо наклонные с нижней нагреваемой секцией. Сила тяжести
способствует возврату жидкости в испарительную секцию, а фитиль
равномерно распределяет ее по всей поверхности. Но разработаны и т.н.
антигравитационные тепловые трубы, в которых нагреваемая секция
расположена выше охлаждаемой.
Тепловая труба может работать в широком диапазоне температур, если
в качестве рабочих жидкостей использовать воду, обычные хладагенты и
жидкие углеводороды. Превосходными рабочими жидкостями оказываются
жидкие
металлы
при
высоких
температурах.
Например,
одно
экспериментальное устройство с расплавленным серебром в вольфрамовом
резервуаре проработало сотни часов при температуре выше 2200 К.
Принцип действия.
Один конец ТА вводят в поток теплого воздуха, другой в поток
холодного воздуха. Воспринимая явную и скрытую теплоту испарения от
теплого воздуха, ТН внутри труб испаряется, образующийся пар движется в
сторону концов трубки, где конденсируется, отдавая воспринятую теплоту. В
одном корпусе, по существу, сочетается испаритель и конденсатор.
Рис. 16.1
Lи  зона испарения;
Lк  зона конденсаци и;
Lа  адиабатиче ская зона(траспортная)
Тепловые трубы могут быть классифицированы на основе сил,
обеспечивающих гидродинамический принцип циркуляции промежуточного
теплоносителя в замкнутом объеме:
- фитильные (капиллярные);
- инерционные;
- гравитационные (термосифоны);
- электрогидродинамические;
- различные комбинации вышеперечисленных.
Фитильные тепловые трубы, в которых перенос жидкой фазы
теплоносителя от зоны конденсации к зоне испарения происходит под
действием капиллярных сил, находят широкое применение для охлаждения
элементов радиоэлектронной и вычислительной техники, переноса теплоты в
условиях пониженной или при отсутствии гравитации и т. д.
Инерционные
тепловые
трубы
используются,
например,
для
охлаждения статоров электродвигателей, где роторами являются тепловые
трубы, передающие избыточную теплоту внешним потребителям и т. д.
В
промышленности
и
ЖКХ
наиболее
перспективными
являются
гладкостенные гравитационные тепловые трубы, которые чаще называют
термосифонами. Объясняется это тем, что фитильная структура поверхности,
расположенная внутри трубы, создает дополнительное гидродинамическое
сопротивление для движения конденсата промежуточного теплоносителя к
зоне испарения, в результате чего предельные тепловые потоки в фитильных
тепловых
трубах
меньше,
чем
в
термосифонах
[1].
Кроме
того,
использование фитильной структуры усложняет изготовление тепловых труб
и приводит к существенному повышению их стоимости.
Термосифоны подразделяются на однофазные и двухфазные. В первом
случае теплота от зоны подвода к зоне отвода передается за счет свободной
конвекции и теплопроводности жидкости. Во втором – с использованием
фазовых переходов промежуточного теплоносителя.
Первый патент на теплопередающее устройство, соответствующее
однофазному термосифону, получил А. М. Перкинс в 1831 году. В 1892 году
Л. П. Перкинс и В. Е. Бак получили патент на теплопередающее устройство,
выполненное в виде двухфазного термосифона.
В фитильных или капиллярных тепловых трубах (рис. 16.1) по их
внутренней поверхности уложен капиллярно-пористый материал – фитиль,
пропитанный жидким теплоносителем. При внешнем подводе теплоты в зоне
испарения жидкость из фитиля испаряется по длине зоны Lи [Бакластов].
Капиллярная структура фитиля освобождается от жидкости, что создает в
этой
зоне капиллярные разряжение. За счет разряжения
жидкость
подсасывается из конденсации (длина Lк ) в зону Lи для повторного
испарения. Таким образом возникает непрерывный процесс переноса
теплоты парообразования от испарителя к конденсатору.
Достоинства
:
простота
устройства,
надежность
действия,
неограниченный срок службы, отсутствие подвижных деталей и узлов,
отсутствие нагнетателей и, следовательно, затрат энергии на перемещение
теплоносителей внутри ТТ, герметичность, что позволяет использовать в
качестве ТН даже агрессивные жидкости; высокая теплопроводность,
легкость регулирования.
Недостатки : сравнительно малая длина (не больше 5 метров), отсюда
ограниченная
возможность
рассредоточения
воздухоохладителя
и
воздухонагревателя.
Применение
Фитильные тепловые трубы находят широкое применение в энергетике,
металлургии, химической промышленности, электронике и других отраслях.
Применение ТТ позволяет утилизировать низкопотенциальную теплоту при
температуре t=100C и ниже. ТТ применяются, например, для охлаждения
электродвигателей, где
вал
электродвигателя
одновременно
является
центробежной тепловой трубой. ТТ встраивают в кондиционеры, при точно
вытяжные агрегаты, воздуховоды, светильники и коллекторы солнечной
энергии.
Термосифоны пока применяют мало, но в основном в энергетике,
холодильной
технике
нефтехимической
промышленности,
системах
охлаждения, в электронике. В ЖКХ термосифоны как высокоэффективные
теплопередающие устройства могут широко использоваться как для
непосредственного переноса теплоты от источников с соответствующей
температурой в систему теплоснабжения, так и для переноса теплоты от
низкопотенциальных источников к установкам, догревающим теплоноситель
до необходимой температуры.
Использование двухфазных термосифонов как в промышленности, так
и в ЖКХ может быть весьма эффективным. На многих промышленных
предприятиях значительное количество теплоты технологических процессов
с достаточно высокой температурой выбрасывается в окружающую среду.
Из-за агрессивности и загрязненности многих источников теплоты, при
использовании традиционных теплообменных аппаратов, например, для ее
непосредственной передачи потребителю, возникает ряд проблем, связанных,
в первую очередь, с надежностью и безопасностью. В то же время
термосифоны, как показали результаты их применения в таких условиях,
являются
достаточно
эффективными.
Например,
в
производстве
экстракционной фосфорной кислоты для терморегулирования экстрактора в
пределах от 80 до 110 °C (в зависимости от типа проводимой реакции) и
выделением около 20 МВт теплоты, использование термосифонных
теплообменников позволяет передавать ее непосредственно в систему
теплоснабжения предприятия и оказывает существенное влияние на
экономию электроэнергии и экологическую безопасность [6]. Так, в
производстве экстракционной фосфорной кислоты для технологической
линии производительностью 110 тыс. т 100 %-ой Р2О5/год сокращается
потребление электроэнергии на 4,18 млн. кВт•ч/год, 270 тыс. ГДж/год
возвращается в систему теплоснабжения предприятия, сокращаются выбросы
фтора в атмосферу на 10 950 т/год. В действующих производствах серной
кислоты при абсорбции водой SO3 выделяется значительное количество
теплоты при температуре около 80 °C, которая через водооборотный цикл
выбрасывается
в
окружающую
теплотехнологического
теплообменников
среду.
аппарата
позволяет
на
перейти
к
Использование
нового
основе
термосифонных
более
производительной
высокотемпературной технологии производства серной кислоты, где теплота
абсорбции используется для производства насыщенного пара с давлением 0,6
МПа [7]. Это приводит к дополнительному получению 662 400 ГДж/год
насыщенного пара в одной технологической линии производительностью
1 515 т 100%-ой H2SO4/сут. для регенеративного и внешнего использования.
Тепловые трубы и пластинчато-ребристые радиаторы широкого
применения
Тепловые трубы и пластинчато-ребристые радиаторы предназначены
для отвода (подвода) тепла, выделяемого различными источниками тепла, и
передачи его на заданные расстояния.
Тепловые трубы и пластинчато-ребристые радиаторы допускают
нормальную работу при температуре окружающей среды от -60 до +50°С,
атмосферном давлении (866-10,6)*104 Па, смене температур от -50 до
+190°С, относительной влажности до 98% при температуре +35°С.
Изделия
стойки
к
воздействиям
вибрационных
нагрузок
и
выдерживают одиночные удары длительностью импульса 40-60 мс с
ускорением 1g. Тепловые трубы и пластинчато-ребристые радиаторы
экологически чистые и взрывобезопасны.
Тепловые
трубы
обеспечивают
высокую
плотность
отводимых
тепловых потоков (до 200 Вт/кВ.см) с помощью изотермической поверхности
конденсаторной части трубы, что дает одинаковую эффективность ребер на
длине трубы. Серия тепловых труб изготовлена из медной трубы с
наполнителем.
Пластинчато-ребристые радиаторы применяются для обеспечения
нормального теплового режима электросинтетических, электронных и
радиотехнических устройств с воздушными системами охлаждения. Могут
использоваться в качестве масляно-воздушных радиаторов в наземном
транспорте, а также в космических, подводных и надводных устройствах.
Перспективными областями применения тепловых трубок пластинчаторебристых радиаторов являются утилизация тепла, экологически чистая и
эффективная сушка зерна в сельском хозяйстве, прогрев холодного грунта,
обеспечение
нормального
теплового
режима
электронных
и
радиомеханических устройств, стабилизация температуры окружающей
среды в биомассах, экологически чистый обогрев салонов автомобильного и
железнодорожного транспорта.
На паротурбинных электростанциях важнейшими теплообменными
устройствами являются паровой котел и конденсатор. Имеются и другие
теплообменники,
назначение
электростанции или
термические
которых
улучшить ее
деаэраторы,
–
повысить
тепловой
КПД
эксплуатационные характеристики:
экономайзеры,
воздухоподогреватели
и
подогреватели питательной воды. Точно так же основными компонентами
всякой холодильной системы с замкнутым циклом являются испаритель и
конденсатор. Теплообменники широко применяются в перерабатывающей и
химической промышленности, например в установках для нефтепереработки.
Они играют важную роль также на атомных электростанциях.
В
настоящее
время
миллионы
тепловых
труб
работают
в
энергосберегающих теплообменниках и в промышленных технологических
установках. Тысячи тепловых аккумуляторов такого типа отводят тепло из
тундрового грунта под Аляскинским нефтепроводом. За счет охлаждения,
происходящего в зимние месяцы, слой грунта под нефтепроводом
поддерживается замерзшим на протяжении всего лета. Тепловые трубы все
шире применяются и в повседневной жизни.