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.

Рис. 13.19. 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 - участок испарения); б - поперечное сечение (1 - стенка; 2 - фитиль; 3 - паровое пространство)

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

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

-

-

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.);

a

б

Рис. 13.20. Рекуперативный теплообменник на тепловых трубах:

а - общий вид (1 - рама с тепловыми трубами; 2 - воздуховод; 3 - газоход);

б - направление потоков (1 - горячий газ; 2 - холодный воздух)

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.

Рис. 13.21. Теплообменник на тепловых тубах (парогенератор)

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

ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

220 Volt предлагает генератор Matari MDN80 со скидкой 132000 гривен

Интернет-магазин 220 Volt установил суперскидку на японские дизель-генераторы Matari MDN80 — 132 тысячи гривен. Предложение магазина действительно, пока товар есть в наличии. Полная стоимость оборудования — 579232 гривен, акционная цена …

Виды теплогенерации в Украине на 2016 год и стоимость

В 2016 году частные потребители тепла в Украине получают тепло из следующих источников: 1. Наиболее распространенный - от электричества, электрокотлы, электрокамины, электрообогреватели... Источником без подробностей в большинстве случаев является "энергия …

Тепловая трубка своими руками и её применение

Для создания тепловой трубки диаметром 16мм и длиной 80см я взял на сантехническом рынке гофронержавеющий шланг для воды, купил заглушки на него и вместо резиновых шайб - паронитовые. Затем я …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.