Тепловые трубы

  Тепловые трубы.

УДК 536.24

В пособии изложены основы расчета характери­стик тепловых труб, приведены справочные материалы, необходимые для расчетов, и пример проектировоч­ного расчета конкретной тепловой трубы.

Пособие предназначено для использования в учеб­ном процессе, особенно при курсовом и дипломном проектировании.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Создание компактных теплообменных аппаратов связано с необходимостью разработки устройств, обладающих высокими теплопередающими свойствами при небольших габаритах и массе. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют тепловые трубы. Они характеризуются следующими основными свойствами:

1.  Высокая эффективная теплопроводность.  Тепловые тру­бы обладают эффективной теплопроводностью в сотни раз выше, чем материалы, имеющие самую высокую теплопроводность, например, медь.

2.  Изотермичность теплообменных поверхностей тепловой трубы.  Это свойство в значительной степени определяет уникаль­ность тепловой трубы как теплообменного устройства.  Оно свя­зано с тем, что теплообмен в тепловых трубах осуществляется при испарении и конденсации рабочего тела. А эти процессы, как известно, протекают для большинства веществ в заданных условиях при постоянной температуре.

3.  Способность передавать теплоту при плотности тепло­вого потока в осевом направлении на несколько порядков выше, чем в устройствах, где теплота передается за счет изменения энтальпии теплоносителя. Это свойство обусловлено тем, что в тепловых трубах в процессе теплопередачи используется скры­тая теплота парообразования.

4. Относительная простота конструкции.

Обладая перечисленными свойствами тепловые трубы привлек­ли самое серьезное внимание как исследователей, так и разра­ботчиков теплообменных аппаратов различного назначения. В результате они нашли широкое применение в самых разнообраз­ных теплообменных устройствах, и область их применения по­стоянно расширяется.

На сегодня теория тепловых труб хорошо развита, и на ее основе разработаны эффективные методики расчета их характе­ристик,  позволяющие с высокой адекватностью проектировать тепловые трубы различного назначения для передачи больших те­пловых потоков на значительные расстояния в широком диапазо­не температур.

В настоящем учебном пособии содержатся сведения, необ­ходимые для понимания физических основ и принципов работы тепловых труб, а также для их проектирования. В приложении при­веден справочный материал, используемый при проектировании.

Автор выражает благодарность и , оказавшим большую помощь в подготовке рукописи к изданию.

I. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ.

Тепловая труба является во многих отношениях наиболее совершенным устройством для передачи теплоты. Она позволяет переносить большое количество теплоты с эффективной тепловодностью, на несколько порядков большей теплопроводности метал­лического стержня тех же размеров.

Тепловая труба состоит из собственно трубы или камеры самой разнообразной формы, служащей герметичной оболочкой трубы, капиллярной системы - фитиля, выложенного по внутрен­ней поверхности оболочки и заполненного рабочей жидкостью, и центральной полости для пара. Принципиальная схема тепло­вой трубы изображена на рис.1.

Передача тепловой энергии с помощью тепловой трубы осу­ществляется следующим образом.

На нагреваемом источником теплоты участке тепловой тру­бы (в испарителе) происходит испарение рабочей жидкости (РЖ) из фитиля. На испарение РЖ источником теплоты затрачивается энергия, равная скрытой теплоте парообразования. Эта энергия потоком пара переносится к охлаждаемому участку трубы (кон­денсатору) , где происходит его конденсация и выделение скры­той теплоты испарения. Теплота, выделившаяся в конденсаторе, отводится теплопроводностью через фитиль и стенку трубы наружу.

При работе тепловой трубы в установившемся режиме теплоноситель в паровой фазе неразрывно течет от зоны испарения к зоне конденсации, а возвращается к испарителю в жидкой фа­зе по капиллярам фитиля. Для обеспечения такого перемещения теплоносителя как в потоке пара, так и в потоке жидкости устанавливаются соответствующие градиенты давлений.

Перепад давления в паре лрд возникает в результате того, что температура конденсатора поддерживается несколько ниже, чем температура испарителя. В соответствии с этим давление насыщенного пара в зоне испарения выше, чем в зоне конденса­ции.

Перепад давления в жидкости обусловлен действием капил­лярных сил.

Для требуемого баланса давлений необходимо, чтобы дав­ление со стороны жидкости на поверхности раздела жидкость - пар было больше, чем давление со стороны пара на всей длине паровой трубы. Эта разность давлений между фазами на межфазной границе жидкость-пар называется капиллярным давлением  РК

7

Количество теплоты, которое может быть перенесено в виде скрытой теплоты парообразования на несколько порядков величи­ны больше количества теплоты, которое может быть перенесено в виде энтальпии рабочей жидкости в обычной конвективной сис­теме. Поэтому тепловая труба может передавать большое коли­чество теплоты при малом собственном размере и малом значении разности температур испарителя и конденсатора, обусловленном лишь необходимостью создания достаточного перепада давлений для обеспечения движения пара.

2. ТЕОРИЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ.

2.1. Баланс давлений.

В процессе установившегося режима работы тепловой тру­бы, как было отмечено в п.1, теплоноситель в паровой фазе неразрывно течет от зоны испарения к зоне конденсации, а воз­вращается к испарителю в жидкой фазе. Для обеспечения движе­ния пара от испарителя к конденсатору вдоль парового канала в потоке пара существует перепад давления дрп. Существует также перепад давления в потоке жидкости држ, под действием которого она движется от конденсатора к испарителю. Необходи­мым условием работы трубы является то, что максимальный ка­пиллярный напор (дрк)мах. должен быть не меньше полного паде­ния давления в трубе.

где дрп - гравитационная составляющая полного падения давле­ния, которая может быть положительной или отрицательной, а также равной нулю.

Если условие (2.1) не будет выполнено, то произойдет вы­сыхание фитиля в испарителе и труба не будет работать.

При запуске, а также в процессе нормальной эксплуатации тепловых труб скорость пара может достигнуть скорости звука. Возможность достижения скорости звука является одним из ог­раничений максимальной передающей способности тепловой тру­бы. Другие ограничения связаны: с недостаточным капиллярным напором и кризисом теплоотдачи в испарителе (запариванием фитиля), при низких температурах - с действием вязкостных сил, а при высоких температурах - со срывом капель теплоно­сителя с поверхности фитиля под действием парового потока.

2.5. Пределы теплопередающей способности тепловых труб

2.5.1. Ограничение мощности тепловой трубы по вязкости. При низких температурах преобладающими являются силы вязкос­ти в паровом потоке тепловой трубы. Тепловой поток в осевом направлении быстро возрастает при снижении давления в конден­саторе. „Максимум теплового потока достигается при снижении давления до нуля. Радиальная составляющая вектора скорости пара оказывает существенное влияние на характеристики течения. «Максимальный тепловой поток, передаваемый тепловой трубой, может быть вычислен в этом случае по формуле [1]

где р„ и гп относятся к зоне испарения.

Это выражение хорошо согласуется с опубликованными дан­ными по испытанию тепловых труб.

2.5.2, Звуковой предел.

При повышенных температурах может произойти запирание канала в зоне испарения, что приведет к ограничению тепловой мощности, передаваемой трубой. Запирание парового канала обу­словлено достижением потоком пара скорости звука.

Предел мощности по скорости звука рассчитывается по

Эта формула хорошо согласуется с экспериментальными ре­зультатами.

2.5.3. Ограничение мощности по устойчивости границы раздела жидкость-пар (уносу жидкости),

В тепловой трубе пар течет в направлении от испарителя к конденсатору, а жидкость по фитилю возвращается в испари­тель. На поверхности раздела фитиль-паровой поток в результа­те взаимодействия этих потоков в жидкости возникают касатель­ные напряжения. Их значение зависит от свойств пара и его скорости. Результатом наличия касательных напряжений будет срыв (унос) капель жидкости и перемещение их потоком пара к концу конденсатора. Тенденции к срыву капель противодействуют силы поверхностного натяжения в жидкости. Унос капель пре­пятствует нормальной работе тепловой трубы и является одним из ограничивающих факторов ее теплопередающей способности.

Удобным параметром, определяющим интенсивность срыва жидкости, является число Вебера We, которое характеризует соотношение между инерционными силами в паре и силами повер­хностного натяжения:

где 2 - размер, характеризующий поверхность раздела фаз.

/нос жидкости будет иметь место, если We ^ \ * Это соотношение фактически определяет, значение 2 .

Предельное значение скорости пара можно определить при

Поскольку аксиальный поток энергии

то предельный по уровню срыва капель аксиальный тепловой поток определится по формуле

Значение произведения J^ L> Ож является своего рода "мерой" склонности данной рабочей жидкости к уносу.

Величина 2 в формуле (2.26) определяется шагом пор на поверхности фитиля. В частности, для сетчатого фитиля 5? определяется шагом проволочек в сетке.

2.5.4. Капиллярное ограничение (ограничение по смачива­емости фитиля). Для того, чтобы тепловая труба работала, необходимо, чтобы удовлетворялось соотношение

где Дра=ДЕа-$^чР  ;f - угол наклона трубы; (/ - дли­на трубы; а - ускорение свободного падения, а остальные величины определяются из выражений (2.3), (2.9)...(2.13), (2.23),

Выражение для максимального потока массы 1ГЦии..можно легко получить, если принять следующие допущения:

- свойства жидкости не меняются вдоль трубы;

- фитиль является однородным;

- перепадом давления в паровом потоке можно пренебречь. Тогда

и соответствующий тепловой поток

J° 6" L

где Ф=—-—5-=±-  - критерий и-и параметр "качества" рабочей  жидаости; комЕлекс  - у-  - определяет геометрические

характеристики фитиля;  К  - проницаемость фитиля;  А  - площадь сечения.

Литература:    «Тепловые трубы».