МАШИНОСТРОЕНИЕ

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ И ИХ КОНСТРУКЦИИ

Разработаны различные варианты тепло­вых труб. По форме они могут быть прямыми, изогнутыми, гибкими, спиральными, прямо­угольными и т. д. Тепловые трубы позволяют решать следующие задачи: обеспечивать про­странственное разделение источников и стоков теплоты (известны разработки тепловых труб длиной несколько километров); выравнивать и стабилизировать температуру поверхности;

Трансформировать плотность теплового потока (подвод теплоты по малой площади поверхно­сти, отвод по большой, и наоборот); осуществ­лять регулирование температуры; выполнять функции тепловых диодов и выключателей.

Тепловые трубы - относительно молодые современные технические устройства. Область их применения постоянно расширяется.

Высокотемпературные тепловые трубы, работающие при температуре до 1800 К, ис­пользуются в химической промышленности, металлургии и ядерной энергетике. В области ядерной энергетики тепловые трубы могут применяться в системах отвода теплоты из активной зоны небольших реакторов (напри­мер, космического назначения). Для стацио­нарной ядерной энергетики тепловые трубы могут быть применены в системах отвода теп­лоты при авариях различного рода.

Применение тепловой трубы дает суще­ственный экономический эффект. В США только при утилизации теплоты термических печей экономия топлива составляет 12%. В США и Японии разрабатываются керамиче­ские теплообменники на тепловых трубах, в которых теплоносителями являются Na, К, Li. Керамика ( SiC, Si3N4, MgO, А1203) использу­ется или как материал корпуса, или как внеш­нее покрытие, нанесенное на металл и предо­храняющее его от коррозии. Для предотвраще­ния взаимодействия керамики со щелочными металлами на внутренние поверхности труб напыляется ниобий.

Высоко - и среднетемпературные тепло­вые трубы применяют в котлах-утилизаторах и экономайзерах. Фирма Хитачи (Япония) разра­ботала радиационный паровой котел на тепло­вых трубах (рис. 4.5.3). Барабан котла подобен

Рис. 4.5.3. Схема радиационного парового котла: / - тепловая труба; 2 - болванка; 3 - подача воды; 4 - выход пара

Барабану котла-утилизатора, а испарительная часть тепловых труб размещена в теплоизоли­рованном кожухе и воспринимает лучистые потоки тепла от раскаленных болванок. Котел устанавливается на промышленных прокатных станах.

Технические характеристики котла: рас­ход пара 600 кг/ч, отливок 200 ООО кг/ч; темпе­ратура на входе воды 20 °С, отливок 750 °С; температура на выходе пара 147,5 °С, отливок 730 °С ; давление пара 0,147 МПа; количество утилизированной теплоты 419 кВт.

Теплообменники на тепловых трубах перспективны для утилизации потоков тепло­ты, технической воды и отработанного пара в установках малой и средней мощности. Темпе­ратура уходящих газов технологических топок, районных котелен, дымовые газы которых со­держат до 12 % энергии, получаемой при сжи­гании топлива, равна 450...600 °С. Отопитель- но-вентиляционная установка на тепловых трубах с утилизацией теплоты дымовых газов размещается в дымовой трубе над топкой (рис. 4.5.4). Медные оребренные тепловые трубы 5 заправлены водой, в качестве фитиля применен спеченный медный порошок. Испа­рительная часть тепловой трубы размещена в газоходе, конденсационная - внутри кожуха 2, через который вентилятором 1 продувается нагреваемый воздух. Его расход регулируется заслонкой 4. Испарительная часть труб отделе­на от конденсационной перегородкой из сталь­ного листа. Теплообменник на тепловых тру­бах предназначен для обогрева и вентиляции жилых помещений площадью до 100 м2 в ком­плекте с бытовыми котлами КУМ-2. Тепловая мощность установки не менее 15 кВт; расход нагретого воздуха 100.. .200 м7ч; удельный расход электроэнергии 0,4 Вт/м2; масса уста­новки 20 кг; габаритные размеры 0,425x0,46х х0,26м.

Центробежные теплообменники на теп­ловых трубах - это двухфазные термосифоны, в которых конденсат возвращается в испаритель под действием центробежных сил (рис. 4.5.5). Вращающиеся теплообменные грубы также

Рис. 4.5.5. Схема вращающейся тепловой трубы: 1 - отвод теплоты; 2 - подвод теплоты; 3 - паровой поток; 4 - возврат конденсата

2

Имеют испарительный (подвод теплоты), транспортный и конденсационный (отвод теп­лоты) участки. Вращение вокруг оси обуслов­ливает появление центробежного ускорения, составляющая которого вдоль стенки трубы перемещает сконденсировавшуюся рабочую жидкость по стенке к испарителю. Термиче­ская проводимость этих труб сравнима или выше, чем тепловых труб с капиллярной струк­турой.

Центробежные тепловые трубы приме­няют для утилизации теплоты уходящих газов печей в химической, нефтехимической, метал­лургической отраслях промышленности, в ко­торых сжигается низкосортное топливо. Про­дукты сгорания содержат пыль, коррозионно - опасные и смолистые вещества, которые, осе­дая, загрязняют поверхность теплообмена и существенно снижают перенос теплоты В та­ких теплообменниках исключается отложение твердых веществ на теплопередающих поверх­ностях. Применение вращающихся ТТ для ох­лаждения двигателей переменного тока позво­ляет повышать нагрузку двигателя на 15 % при сохранении прежней температуры обмотки ротора.

Отдельный тип ТТ представляют регули­руемые тепловые трубы, тепловые диоды и тепловые выключатели. Разработаны газорегу- лируемые тепловые трубы и с регулированием циркуляции теплоносителя. В первом случае регулирование производится за счет неконден­сирующегося газа, блокированная им зона вы­ключается из процесса теплообмена.

В газорегулируемой тепловой трубе с го­рячим резервуаром У неконденсирующегося газа (рис. 4.5.6) любое изменение температуры зоны испарения приводит к изменению давле­ния пара и соответствующему перемещению границы переходной зоны. При этом изменяет­ся площадь поверхности конденсации пара и происходит термостабилизация источника теп­лоты при изменении мощности тепловыделе­ния в нем. Газорегулируемые тепловые трубы

Могут быть сконструированы для термо­стабилизации обогреваемого объекта (прием­ника теплоты) и выполнять функцию теплово­го диода (передачи теплоты только в одном направлении). Они обеспечивают термостаби­лизацию источников и приемников теплоты без применения движущихся деталей, специаль­ных датчиков и исполнительных механизмов, без применения внешних источников энергии.

В тепловых трубах с регулированием цир­куляции теплоносителя прерываются потоки жидкой и паровой фаз (рис. 4.5.7). Паровой клапан управляется термочувствительным эле­ментом, изменение объема которого в зависи­мости от температуры в зоне испарения меняет степень его открытия (рис. 4.5.7, а). Термочув­ствительный элемент может быть выполнен в виде биметаллической детали (рис. 4.5.7, б), разрывающей или восстанавливающей капил­лярную связь между частями фитиля в зависи­мости от температуры зоны испарения.

Парлифтная тепловая труба является объ­ектом активного регулирования (рис. 4.5.8). Жидкость в парлифтном узле перемещается против направления силы тяжести благодаря подогреву. Мощность, подводимая к нагрева­телю. определяет мощность этой тепловой трубы.

Рис. 4.5.8. Схема парлифтной тепловой трубы: 1 - нагреватель; 2 - парлифтный узел; 3 - зона испарения; 4 - зона конденсации

В тепловом диоде, приведенном на рис. 4.5.9, а, часть фитиля делается с весьма малым капиллярным напором. Если эта часть тепловой трубы служит зоной конденсации, то развивается значительная мощность. При из­менении направления теплового потока, когда эта часть оказывается в зоне испарения, пере­даваемая мощность резко падает.

В тепловой трубе с капиллярным сборни­ком жидкости в зоне испарения она работает в обычном режиме (рис. 4.5.9, б). При обратном направлении теплового потока капиллярный сборник отсасывает из рабочей зоны практиче­ски всю жидкость от части фитиля, находя­щейся в зоне конденсации. Зона испарения высыхает, испарительно-конденсационный ме­ханизм отключается.

Термический диод с жидкостной ловуш­кой представляет собой двухфазный термоси­фон с раздельными каналами для подъема пара и слива жидкости (рис. 4.5.9, в). Закрытием клапана на сливном канале тепловая труба отключается.

В качестве термодиода могут работать тепловые трубы с парлифтным подъемником (рис. 4.5.10). Двухфазная смесь из вертикаль­ной зоны испарения при помощи вспомога­тельной опускной линии (канала) 2 создает мощный циркуляционный контур теплоноси­теля, расход жидкости через который много­кратно превышает испаряющую часть этого потока. Отсепарированный пар попадает в зону конденсации 3, конденсат отсасывается эжек­тором 4, работа которого обеспечивается тем же парлифтным циркуляционным контуром. При переключении направления теплового потока тепловая труба не работает.

Вариант отключения тепловой трубы 4 методом вытеснения рабочей жидкости У из бесфитильного резервуара 2 твердым телом - вытеснителем 3 показан на рис. 4.5.11. Тепло­вая труба может быть выключена перекрыти­ем парового клапана заслонкой с магнитным приводом. Рабочая жидкость может быть замо­рожена с помощью термоэлектрического охла­дителя.

Плоская тепловая труба (рис. 4.5.12) ра­ботает так же. как и обычная трубчатого типа. На ней создается почти изотермическая по­верхность, которая может быть использована как эффективный радиатор для охлаждения и термостатирования размещенных на ней устройств.

Гибкие тепловые трубы применяют в тех случаях, когда имеется вибрация источника (стока) теплоты или возникают трудности при соединении источника (стока) теплоты с жест­кой тепловой трубой. Гибкость обеспечивается вставкой в корпус между испарителем и конденсатором гибкого элемента-сильфона.

Рис. 4.5.13. Гибкая тепловая труба:

1 - подвод охлаждающей жидкости;

Рис. 4.5.12. Плоская тепловая труба: 1 - спеченные металлические фитили; 2 - охлаждаемая пластина, 3 - сетчатый фитиль; 4 - испаритель

2 - зона конденсации; 3 - внутренние ребра жесткости; 4 - фитиль; 5 - гиб­кий сильфон; 6 - изоляция; 7 - при­жимное устройство фитиля; 8 - зона испарения; 9 - отвод охлаждающей жидкости

Пластмассовой трубы (рис. 4.5.13). Характери­стики тепловой трубы изменяются из-за изгиба и вибраций.

В тепловой трубе с осмотической пере­качкой жидкости канал, по которому происхо­дит возврат жидкости, отделен от центрального парового потока полупроницаемой мембраной 1 (например, из целлюлозы) (рис. 4.5.14). Рабо­чей жидкостью могут быть водные растворы хлоридов, хлоратов и боратов. В испарителе при нагревании раствора испаряется чистый растворитель, пар конденсируется в холодной зоне на полупроницаемой мембране. Конден­сат чистого растворителя проходит через мем­брану в раствор, создавая осмотическое давле­ние значительно более высокое, чем капилляр­ный напор, создаваемый поверхностным натя­жением.

Рис. 4.5.15. Схема электроосмотической тепловой трубы: 1 - охлаждающая рубашка конденсатора; 2 - источ­ник постоянного тока; 3 - пористый электрод; 4 - нагреватель; 5 - поток жидкости, несущий электри­ческие заряды; 6 - поток пара; 7 - фитиль

Электроосмос - движение электропро­водной жидкости под воздействием приложен­ного электрического поля через пористое тело используется для повышения интенсивности движения рабочей жидкости в электроосмоти­ческой тепловой трубе (рис. 4.5.15). Электро­осмотический эффект получается введением двух пористых электродов 3, к которым при­ложена разность потенциалов от источника

Постоянного тока 2. Испытаны тепловые трубы с водными растворами НС1, КС1, КОН (кон­центрация КГ5 моль/л).

Описание многих промышленных тепло­обменников, в которых используются тепловые трубы, а также специальных их типов дано в монографиях, приведенных в списке литерату­ры. Там же изложены методы расчета, выбор конструкции элементов тепловых труб, подго­товка их к заполнению и приведены схемы их заполнения рабочей жидкостью.