Теплоиспользующие устройства на тепловых трубах

Теплоиспользующие устройства на тепловых трубах

1 Введение 3

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

1 Введение

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)

( 1.1 )

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:

	( 1.2 )
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/м²с 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

Термин «тепловая труба» впервые был использован в патенте Гровера, представленном от имени Комиссии по атомной энергии США в 1963 г. Патент Гровера включал описание устройства и результаты экспериментов, проведенных с трубами из нержавеющей стали, в которых фитили были выполнены из проволочной сетки, а в качестве рабочей жидкости использовался натрий.

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.

Эффективность работы ТТ часто определяется с помощью показателя «эквивалентная теплопроводность». Например, цилиндрическая ТТ, где в качестве рабочей жидкости используется вода при температуре 150 ° С, будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь. Теплопередающая способность ТТ может быть очень большой. Так, в ТТ, где в качестве рабочего тела используется литий, при температуре 1500 ° С в осевом направлении можно передать тепловой поток 10-20 кВт/cм².

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.

Т а б л и ц а 1

Совместимость материалов ТТ и используемого теплоносителя

Материал	Теплоноситель
	фреон-11	вода	ацетон	аммиак	метиловый спирт	калий	натрий
Медь	да	да	да	нет	да	-	-
Алюминий	то же	нет	то же	то же	нет	-	-
Нержавеющая сталь	то же	то же	то же	то же	да	да	да
Углеродистая сталь	то же	то же	то же	то же	нет	-	-
Никель	то же	да	то же	то же	да	-	-

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:

p_{к mах}> D р_ж+ D р_n+ D р_д,

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:

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

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. 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.

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.

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_xи 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.

Литература

1 Хутская «Основы энергосбережения», курс лекций, БНТУ, 2000 г.

2 Дан П.Д., Рэй Д.А. «Тепловые трубы» – М.: Энергия, 1979.