ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Теплоиспользующие аппараты на тепловых трубах

Принцип действия, назначение и типы тепловых труб

Тепловые трубы имели предшественника - так называемые трубы Перкинса.

Трубы Перкинса - это бесфитильные тепловоды, в которых перенос тепла осуществляется также за счет скрытой теплоты парообразования, а циркуляция теплоносителя - за счет сил гравитации. Эти устройства были изобретены Перкинсом в 1897 г. и успешно использовались сначала в хле­бопекарном деле, а затем нашли и другие многочисленные области приме­нения [55].

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) представляет собой устройство, обладающее высокой эффективностью передачи теплоты (рис. 13.19). 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. Поскольку теплота парообразо­вания теплоносителя велика, то ТТ и при малой разности температур на концах может передавать большой тепловой поток.

В ТТ различают три участка: зону подвода теплоты, или участок ис­парения 7, зону переноса теплоты, или адиабатный участок 6; зону отвода теплоты, или участок 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 электроэнергии, 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/см.

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 (табл. 13.8 [42]).

В настоящее время известны десятки разновидностей конструкций ТТ. Наряду с гладкостенными, фитильными, центробежными (вращающи­мися) существуют электрогидродинамические трубы, трубы с эффектом магнитного поля, осмотические ТТ и др.

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 ТТ находят при температуре ВЭР от 50 до 250 °С, поскольку в данном температурном диапазоне нет необходимости использовать доро­гостоящие материалы и теплоносители.

Для передачи теплоты по криволинейным каналам могут быть ис­пользованы гибкие тепловые элементы. Гибкость 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.

Таблица 13.8

Совместимость материалов ТТ и используемого теплоносителя

Основы теории тепловых труб можно рассматривать на примере фи­тильных ТТ. Для обеспечения их работы необходимо соблюдать следую­щее соотношение:

рк max > Дрх + Дрп + Дрд,

где рк max - максимальный капиллярный напор; Дрх - перепад давления, не­обходимый для возврата жидкости из зоны конденсации в испарительную зону; Дрп - перепад давления, который необходим для перехода пара из ис­парительной зоны в конденсационную; Дрд - гравитационный перепад дав­ления.

Следует заметить, что при несоблюдении этого соотношения фитиль в зоне испарения высохнет и работать не будет.

Конструкции теплоиспользующих аппаратов с тепловыми трубами

Теплообменники на тепловых трубах (ТТТ) - разновидность рекупе­ративных теплообменников с промежуточным теплоносителем. Появились они в начале 70-х гг. XX в., 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

Єт = (Тг1 - Тг2) / (Тг1 - Tx2).

Здесь Тг1 и Тг2 - температуры горячего теплоносителя на входе в те­плообменник и выходе из него; Tx2 - температура холодного теплоносите­ля на входе.

Конструктивно ТТТ выполняются из набора ТТ (рис. 13.20, 13.21). 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.

В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей, омываю­щих испарительную и конденсационную зоны ТТТ, они 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 с 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 охлаждения летом поступающего в помещение теплого воздуха.

На рис. 13.20 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, 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 парогенератор (рис. 13.21), который включает в се­бя 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 чередующиеся и взаимоперекрывающиеся 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 остальная 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.

Использование тепловых труб для утилизации

Тепловые трубы в настоящее время находят широкое 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 служить применение ТТ в двигателях Стирлинга или в карбюраторных двигателях в качестве испарителя топлива.

Рассмотрим схему установки ТТ в газоходах двигателя. Испаритель­ная зона ТТ размещается в выпускном патрубке, а конденсационная - во впускном (после карбюратора). В результате теплота отработанных газов передается посредством ТТ топливно-воздушной смеси, обеспечивая пол­ное испарение топлива и увеличение конденсации его паров в смеси с воз­духом. Было установлено, что в этих условиях даже бедная смесь с соот­ношением воздух - топливо 22 : 1 воспламеняется без затруднений. В ре­зультате содержание N0x и СО в отработанных газах (ОГ) двигателя сни­жается до минимума.

Теплота ОГ двигателей внутреннего сгорания (ДВС) может быть ис­пользована для отопления транспортных средств. Эта задача эффективно решается с помощью ТТТ. В [48] предложены отопительные кабины авто­мобиля. Отопитель состоит из патрубков для ОГ и воздуха, разделенных перегородкой, через которую проходят ТТ. В теплообменнике применены ТТ, снабженные пористой кольцевой пластиной, которая разделяет соеди­ненные клапаном зоны испарения и конденсации. Особенность конструк­ции отопителя состоит в том, что начиная с определенного уровня АТ 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.

Н. И. Данилов, Я. М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы