МАШИНОСТРОЕНИЕ

ПРИНЦИП РАБОТЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

Тепловая труба - испарительно-конден - сационная система с двухфазным теплоносите­лем, в которой для возврата конденсата ис­пользуются силы поверхностного натяжения.

Термин «тепловая труба» применяется также к высокоэффективным теплопередающим уст­ройствам, в которых возврат конденсата осу­ществляется центробежными, электростатиче­скими объемными, магнитными объемными и осмотическими силами.

Тепловая труба состоит из герметичного корпуса, внутренние стенки которого выложе­ны фитилем, имеющим капиллярную структу­ру. Фитиль заполнен жидким теплоносителем, в свободном объеме внутренней полости нахо­дится паровая фаза теплоносителя. Тепловой поток передается путем непрерывной циркуля­ции испаряющегося и конденсирующегося теплоносителя. В результате испарения жидко­сти в зоне подвода теплоты и конденсации пара в зоне конденсации (отвод теплоты) возникает перепад давлений между концами трубы, пар перемещается вдоль трубы, переносит погло­щенную им теплоту. Возврат конденсата про­исходит по капиллярам фитиля под действием сил поверхностного натяжения.

Таким образом, тепловая труба есть теп­ловая машина, работающая по парожидкост - ному циклу и преобразующая теплоту в меха­ническую работу, затрачиваемую на прокачку теплоносителя. Тепловая труба может работать независимо от положения относительно на­правления силы тяжести, не нуждается во внешнем устройстве (насосе) для возврата жидкости. Наложение поля тяжести в зависи­мости от ориентации тепловой трубы и на­правления циркуляции теплоносителя может как облегчать, так и затруднять движение теп­лоносителя, а следовательно, передачу теплоты.

Разновидностью тепловых труб является термосифон (рис. 4.5.1), в котором фитиль от­сутствует, возврат конденсата происходит под действием гравитационных сил земного тяго­тения.

В процессе совершенствования конструк­ции и освоения широкого спектра теплоноси­телей от жидких металлов до жидкого гелия и разнообразных конструкционных материалов тепловыми трубами охвачен широкий диапазон рабочих температур (4...2000 К и выше). Реа­лизация процессов испарения и конденсации, характеризующихся высокой интенсивностью теплообмена, обусловливает высокую эффек­тивность теплопередачи тепловой трубы.

Водяная тепловая труба длиной 1 м и диаметром 20 мм способна передавать тепло­вую мощность 1 кВт при перепаде температур между внешними поверхностями зон испаре­ния и конденсации порядка 10 К. Основная часть перепада температур в тепловой трубе,

///-зона конденсации; qK - плотность

Теплового потока соответственно в зонах испарения и конденсации

Как правило, приходится на участки испарения и конденсации, в которых поток теплоты идет в поперечном направлении. Осевой перепад температур (изменение температуры насыще­ния пара вдоль оси трубы) относительно мал, а для водяной тепловой трубы составляет поряд­ка десятых долей градуса.

Рост плотности теплового потока в испа­рителе ограничивается кинетическим пределом (реактивная сила образующего пара может осушить фитиль) и кинетическими условиями (в фитиле достигается критическая плотность теплового потока - кризис теплообмена при кипении), что характерно для высоких давле­ний пара.

Выбор рабочей жидкости осуществляет­ся исходя из диапазона рабочих температур парового пространства (табл. 4.5.1). Заданному интервалу температур может соответствовать несколько рабочих жидкостей. Окончательный выбор производится на основе анализа ком­плекса их физических свойств. Рабочая жид­кость должна смачивать материалы корпуса и фитиля, быть совместимой (отсутствие хими­ческого и других взаимодействий) с материа­лом корпуса и фитиля, а также быть термиче­ски стойкой.

Фитиль является капиллярным насосом. Основное его назначение - создание капилляр­ного напора для перемещения жидкости из конденсатора в испаритель. Фитиль должен также обеспечивать необходимое распределение

4.5.1. Некоторые рабочие жидкости для тепловых труб

О

Жидкости по всей зоне испарения, т. е. ко всем ее точкам, где может быть осуществлен подвод теплоты. Часто решение этих двух задач требу­ет использования фитилей различной формы (рис. 4.5.2).

Гомогенные фитили - сетки, пенистые структуры, войлок, волокна и порошковые материалы. Часто используются фитили, вы­полненные из сетки и ткани саржевого плете­ния. Их изготовляют с порами различного раз­мера и из разных материалов, включая корро­зионно-стойкую сталь, никель, медь и алюми­ний. Применяются гомогенные фитили, изго­товленные из металлической ваты, в частности войлочные. Изменяя степень сжатия войлока в процессе сборки трубы, можно варьировать размер полученных пор. Используя удаляемые металлические стержни, можно образовать в теле войлока систему артерий. Керамические волокнистые материалы обычно имеют поры малого размера. Основной их недостаток за­ключается в малой жесткости, вследствие чего они обычно требуют применения несущего каркаса (например, металлической сетки).

Большой расход жидкости обеспечивает­ся применением спеченных из разных материа­лов в виде шариков порошков мелкопористой структуры, при необходимости дополняемой артериями с повышенными проходными сече­ниями.

Другой тип фитиля образуют канавки и артериальные фитили. Они могут сочетаться с гомогенными для обеспечения распределения жидкости по периметру. Артериальные фитили следует применять в высокоэффективных теп­лообменных трубах, когда градиенты темпера­тур должны быть сведены к минимуму. При проектировании тепловых труб с артериаль­ными фитилями следует обращать внимание на возможность закупорки артерий паровым либо газовым пузырем, существенно снижающей теплопередающую способность трубы.