Тепловикористовуючі апарати на теплових трубах

Принцип дії, призначення і типи теплових труб. Термін "теплова труба" вперше був використаний у патенті Гровера, представленому від імені Комісії з атомної енергії США в 1963 р. Патент Гровера включав опис пристрою і результати експериментів, проведених з трубами з нержавіючої сталі, в яких гніти були виконані з дротяної сітки, а в якості робочої рідини використовувався натрій.

Рис.20.10 - Основні елементи теплової труби:

а – поздовжній переріз: 1 – гніт; 2 – стінка труби; 3 – повернення рідини по гніту; 4 – пара; 5 – ділянка конденсації; 6 – адіабатна ділянка; 7 – ділянка випару;

б – поперечний переріз: 1 – стінка; 2 – гніт; 3 – паровий простір.

Теплова труба (ТТ) (рис.20.10) являє собою пристрій з високою ефективністю передачі теплоти. На внутрішній стінці укріплений гніт, зроблений, наприклад, з декількох шарів тонкої сітки. Труба заповнюється невеликою кількістю теплоносія (робочого тіла), після чого з неї відкачується повітря і вона щільно закривається. Один кінець труби нагрівається, чим викликає випар рідини і рух пари до холодного кінця труби. Тут у результаті охолодження пара конденсується і під впливом капілярних сил повертається до гарячого кінця труби. Оскільки теплота паротворення теплоносія велика, то ТТ при малій різниці температур на кінцях може передавати великий тепловий потік.

У ТТ розрізняють три ділянки: зона підведення теплоти або ділянка випару 7; зона переносу теплоти або адіабатна ділянка 6; зона відводу теплоти або ділянка конденсації 5.

Випарник у розглянутій трубі може розташовуватися по-різному, тому вона працюватиме в будь-якому положенні. ТТ дозволяє транспортувати теплоту в різних напрямках, по будь-якому прямолінійному і криволінійному каналах, оскільки гніт, який змочується в зоні конденсації, завжди подаватиме теплоносій у зону випару. Круговорот теплоносія в ТТ відбувається незалежно від наявності сил ваги. Завдяки цьому ТТ є універсальним теплопроводом, подібно електричному проводу, що призначений для передачі електроенергії чи світловода, що здійснює передачу світла.

Ефективність роботи ТТ часто визначають за допомогою показника "еквівалентна теплопровідність". Наприклад, циліндрична ТТ, де в якості робочого тіла використовується вода при температурі 150°С, матиме теплопровідність у сотні разів більшу, ніж мідь. Теплопередаюча здатність ТТ може бути дуже великою. Так, у ТТ, де в якості робочого тіла використовується літій, при температурі 1500°С в осьовому напрямку можна передати тепловий потік 10-20 кВт/см².

Досить різноманітні теплоносії: ацетон, аміак, фреони, дифенілові суміші, вода, ртуть, індій, цезій, калій, натрій, літій, свинець, срібло, вісмут і неорганічні солі.

При виборі матеріалів і теплоносіїв для ТТ необхідно враховувати їх сумісність. У противному разі внаслідок хімічної взаємодії теплоносія з матеріалом стінки корпуса утворюються продукти реакції у вигляді газу, які не конденсуються, і твердий осад. Відомі десятки різновидів конструкцій ТТ: гладкостінні, гнітові, відцентрові (обертові), електрогідродинамічні труби, труби з ефектом магнітного поля, осмотичні та ін. Найбільш характерні галузі застосування є енергетика, машинобудування, електроніка, хімічна промисловість, сільське господарство (для утилізації низькопотенційних вторинних енергоресурсів). Найбільше застосування вони знаходять при температурі ВЕР 50 - 250°С, оскільки в даному температурному діапазоні не потрібно застосування дорогих матеріалів та теплоносіїв.

Для передачі теплоти по криволінійних каналах можуть бути використані гнучкі теплові елементи. Гнучкість ТТ досягається установкою в корпус трубки (між випарником і конденсатором) гнучкого елемента типу сильфона чи виготовленням трубки з якого-небудь пластичного матеріалу з використанням звичайних металевих секцій для підведення чи відводу теплоти.

Основи теорії теплових труб можна розглянути на прикладі гнотових ТТ. Для забезпечення їх роботи необхідне дотримування співвідношення: , де - максимальний капілярний напір, - перепад тиску, необхідний для повернення рідини з зони конденсації у випарник, - перепад тиску, необхідний для повернення пари з випарної зони в конденсаційну; - гравітаційний перепад тиску. При недодержанні цього рівняння гніт у зоні випарювання висохне і не буде працювати

Таблиця 20.1 - Сумісництво матеріалів ТТ та використованого теплоносія

Конструкції тепловикористовуючих апаратів з тепловими трубами. Теплообмінники Рис 20.4 - Принципова схема роботи трансформаторів теплоти (а - холодильна установка; б – теплонасосна установка; в – комбінована установка).