Тепловые трубы. УДК 536.24 В пособии изложены основы

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 Житной Т.П. и Мартыновой Е.Л., 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: Шпильрайн Э.Э. «Тепловые трубы».