Тепловые трубы: устройство и принцип действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Тепловые трубы: устройство и принцип действия

Введение

Истории науки и техники известны открытия, значение которых в полной мере сначала не было и не могла быть оценено.

Такая участь постигла и изобретение Джекоба Перкинса (1766-1849) в начале позапрошлого века. Его нагревательные трубы были предложены для хлебопекарных печей, долгое время использовались только в них и никто до 1960-70-х годов не предвидел их возможного широкого использования в энергетике.

С развитием техники и, в частности, космических исследований возникло множество специальных теплофизических задач, одна из которых - передача тепла при минимальном температурном перепаде.

Понадобилось устройство, обладающее свойством сверхтеплопроводности, работающее в высоком температурном диапазоне, в любом, относительно поверхности Земли, положении, независимо от наличия гравитационного поля. Вот тогда-то взгляд исследователей обратился к почти забытому изобретению Перкинса.

Но современная техника шагает вперед семимильными шагами. И кто знает, может быть, тепловая труба, как теперь называют нагревательную трубу Перкинса, найдет еще десятки областей применения.

Тепловая машина, преобразующая тепло в механическую или непосредственно в электрическую энергию, обязательно включает в себя три составных звена: источник тепловой энергии, преобразователь и устройство для отвода неиспользованной тепловой энергии. Как правило, эти звенья располагаются в непосредственной близости друг от друга в пределах одной энергоустановки или агрегата, и передача тепла от звена к звену не вызывает серьезных технических трудностей. Однако есть большой круг технических задач, где по тем или иным соображениям возникает необходимость территориального разделения этих звеньев, а следовательно, необходимость эффективной передачи тепловой энергии между ними.

Какие же основные требования предъявляются в технике к теплопередающим устройствам? Прежде всего любое теплопередающее устройство по своему прямому назначению должно обеспечить прохождение больших тепловых потоков при минимальных перепадах температур.

Второе важное свойство теплопередающих устройств - минимум тепловых потерь при передаче тепла.

Для характеристики эффективности передачи тепла обычно вводят понятие соответствующего КПД теплопередающего устройства, причем под ним подразумевается выраженное в процентах отношение выходного и входного тепловых потоков.

Задачи передачи тепла на значительные расстояния в настоящее время, как правило, решаются за счет использования контуров с движущимся теплоносителем. Но у таких систем есть существенные недостатки: требуется расход энергии на прокачку теплоносителя; имеют место большие потери при передаче; наблюдаются значительные перепады температур; ограниченные рабочие температуры используемых теплоносителей не позволяют применять наиболее эффективные высокотемпературные циклы преобразования; при больших передаваемых тепловых потоках системы громоздки и тяжелы по весу; насосы, содержащие вращающиеся элементы, являются источниками шума и вибрации, требуют систематической профилактики и надзора.

Использование теплопроводов, изготовленных из материалов с высокой теплопроводностью, весьма дорого. Подобные системы весьма тяжелы и требуют значительных температурных перепадов. Еще большие перепады имеют место при попытке передавать тепло, использую конвекцию, излучение или теплопроводность какого-либо газа.

Задачи эффективной передачи тепловой энергии и трансформации теплового потока весьма просто и дешево решаются с помощью устройств, получивших в зарубежной литературе название тепловых труб.

Тепловые трубы лишены рассмотренных выше недостатков. Они представляют собой сравнительно простое в техническом отношении устройство, позволяющее передавать тепловую энергию с эффективностью более 90%, не содержащее движущихся деталей, бесшумное в работе, характеризующееся большой надежностью и продолжительным ресурсом работы без обслуживания. Эффективная теплопроводность тепловых труб в десятки тысяч раз больше, чем теплопроводность таких металлов, как медь, серебро, алюминий. С помощью тепловой трубы можно передавать почти в 500 раз больше тепла на единицу веса, чем это позволяют твердые теплопроводники при том же поперечном сечении. Тепловые трубы могут работать в широком диапазоне температур (от криогенных температур до 2000-2500 ⁰С). Эти границы рабочих температур определяются только технологическими свойствами существующих на сегодняшний день материалов, а не принципом действия. Кроме того, тепловые трубы не предъявляют специфических требований к типу теплового источника.

Основные свойства тепловых труб, определяющие их применение в различных областях техники, могут быть кратко сформулированы следующим образом:

1. Тепловые трубы практически изотермичны по всей длине от входа да выхода. Температурный перепад не превышает нескольких градусов. Это свойство позволяет, например, создавать весьма компактные и легкие теплосбрасывающие излучающие системы.

2. Тепловая труба может выполнять функции «трансформатора» теплового потока. В этом смысле тепловая труба - идеальный согласующий элемент между отдельными звеньями тепловых машин. В частности, открываются широкие возможности использования прямых преобразователей тепловой энергии в электрическую.

3. Тепловые трубы позволяют «разветвлять» тепловой поток, поступающий от единого теплового источника, подводя тепло к различным местам его потребления.

Таким образом, речь идет не о частной конструкции узкого специального назначения, а о весьма перспективном классе эффективных теплопередающих устройств, претендующих на равноправное существование среди подобных им систем.

1. Как работает простейшая тепловая труба?

1.1 Зона испарения

Возьмем трубу, закрытую снизу, и заполним ее небольшим количеством воды. Верхнее отверстие, через которое заполнялась труба, закроем и будем подогревать нижний конец трубы, а верхний охлаждать, для чего к верхнему концу трубы прикрепим бачок с проточной водой (рисунок 1.1). По мере разогрева трубы жидкость в нижней части ее будет интенсивно испаряться, забирая тепло от пламени горелки. Пар будет двигаться вверх, в сторону более холодного конца трубы и там конденсироваться, т.е. отдавать тепло проточной воде. Чем интенсивнее испаряется жидкость, чем эффективнее происходит процесс конденсации, чем большие потоки пара передаются по трубе, тем, очевидно, интенсивнее происходит теплопередача.

Рисунок 1.1 - Простейшая модель гладкостенной тепловой трубы

1 - бочок с проточной водой, 2 - теплоизоляция, 3 - водяной пар, 4 - вода

Рассмотренное нами устройство по существу представляет собой примитивную тепловую трубу.

Уже такая простая труба обладает уникальными свойствами. Чтобы убедиться в этом, необходимо разобраться в физической сущности происходящих явлений. Это позволит оценить теплопередающие возможности тепловой трубы.

Рассмотрим процессы, протекающие в исследуемом устройстве, последовательно: на участке испарения, в зоне конденсации и в канале, где происходит движение пара. Затем попытаемся представить себе общую картину теплопередачи в целом, установив некоторые закономерности и соотношения, определяющие выходные параметры всей тепловой трубы.

Жидкая среда состоит из молекул, находящихся в непрерывном тепловом движении. Энергия некоторой части их оказывается достаточной, чтобы молекулы могли выйти за границу жидкости. Этому вылету препятствуют силы взаимного притяжения между молекулами. Некоторое количество вылетевших или испарившихся молекул образует пар, который всегда существует над поверхностью жидкости. Чем выше температура жидкости, тем интенсивнее идет испарение, тем выше давление образующегося пара.

Чтобы поддерживать испаряющуюся жидкость при одной и той же температуре, т.е. не допускать ее охлаждения, необходимо все время подводить тепло извне. Подчеркиваем, что это тепло расходуется не на нагрев жидкости, а на компенсацию ее охлаждения: оно носит название скрытой теплоты испарения. Удобно ввести понятие удельной теплоты испарения, т.е. отнести это тепло к единице массы жидкости. Очевидно, теплота испарения будет зависеть от температуры жидкости, поэтому следует дать более точное определение удельной теплоты испарения.

Удельная теплота испарения - это тепло, которое необходимо сообщить единице массы жидкости, находящейся при заданной температуре, чтобы перевести ее в пар при той же температуре.

Процесс испарения носит характер динамического равновесия. Над поверхностью жидкости при любой постоянной температуре всегда устанавливается равновесное давление пара, или давление насыщенных паров. Это не означает, однако, что испарение молекул прекратилось. Они по-прежнему поступают в зону пара, однако чем выше давление пара, тем больше молекул возвращается назад в жидкость. Очевидно, что при каждой температуре устанавливается определенное равновесие этих выходящих из жидкости и входящих в нее молекул; этому равновесию и соответствует результирующее давлении насыщающих паров.

До сих пор подразумевалось, что имеет место процесс спокойного испарения жидкости, но из опыта известно, что испарение резко возрастает, если жидкость закипит. Происходит скачок интенсивности испарения. Если наблюдать это явление в прозрачном сосуде, можно видеть, что сначала пузырьки пара срываются с отдельных точек внутри жидкости, преимущественно со дна и стенок, затем они так быстро растут, что захватывают весь объем. При более внимательном наблюдении процесс оказывается еще более сложным. Но важно отметить одно: процесс испарения по существу остался прежним, только произошло значительное увеличение поверхности раздела жидкость - пар. В связи с этим возросло общее количество пара, выделяющегося из того же объема жидкости. Этим и объясняется изменение внешней картины явления. Большие потоки выделяющегося пара вызывают активное бурление жидкости. Остается выяснить, каким образом при кипении увеличивается поверхность раздела жидкость - пар. Оказывается, в жидкости до нагрева всегда присутствуют микропузырьки пара и растворенных газов. Они настолько малы, что невидимы простым глазом. При нагреве давление пара в этих пузырьках возрастает, размеры их увеличиваются и они устремляются к поверхности. Совокупность поверхностей этих пузырьков и представляет собой дополнительную поверхность раздела жидкость - пар, ответственную за столь интенсивное парообразование, наблюдаемое при кипении.



Рисунок 1.2 - Характер испарения в зоне нагрева тепловой трубы в зависимости от величины подводимого теплового потока а - поверхностное испарение, б - пузырьковое кипение, в-пленочное кипение, q_а<q_б<q_в - подводимый тепловой поток

Процесс кипения жидкости начинается при вполне определенной для данного давления температуре, которая называется температурой кипения.

В системе жидкость - пар, находящейся в состоянии кипения, жидкость находится при несколько более высокой температуре, чем насыщенный пар над нею. Таким образом, на поверхности раздела между кипящей жидкостью и паром всегда существует определенная разность температур, величина которой зависит от давления и вида жидкости. Эта разность температур или, как обычно говорят, температурный напор, для воды, например, составляет при атмосферном давлении 0,6 град и плавно убывает до нуля при повышении давления до критического (225 кгс/см²).

Наличие температурного напора обусловливает в продолжение всего процесса кипения движение тепла, или тепловой поток, от поверхности нагрева к поверхности раздела.

В зависимости от интенсивности парообразования различают два режима кипения: пузырьковый и пленочный (рисунок 1.2). При пузырьковом кипении сначала появляются маленькие пузырьки, которые, увеличиваясь в размерах за счет пара, образующегося из жидкости, устремляются к поверхности раздела, где и присоединяются к пару, находящемуся над ней. Каждый отдельный пузырек образуется на поверхности нагрева. На его появление оказывают влияние прежде всего поверхностное натяжение жидкости и смачиваемость поверхности трубы.

Под поверхностным натяжением следует понимать силу, стремящуюся сократить свободную поверхность жидкости и направленную касательно к ней. Эта сила уменьшается с повышением температуры жидкости, что видно из следующей формулы:

где - удельный вес жидкости, - удельный вес насыщенного пара, - коэффициент пропорциональности.

Смачиваемость характеризует степень химического родства материала поверхности и жидкости, которая оценивается так называемым внешним или контактным углом соприкосновения между смоченной поверхностью и свободной поверхностью жидкости. Иногда угол называют краевым углом.

На рисунке 1.3 изображены примерно одинаковые пузырьки, образованные на поверхностях при различных значениях углов .

Рисунок 1.3 - Смачиваемость поверхности и контактный угол соприкосновения

На рисунке 1.3 (а) контактный угол между жидкостью и поверхностью составляет менее 90^о (<90°), т.е. жидкость как бы стремится оторвать пузырек от поверхности, поверхность слабо смачивается жидкостью. Такая поверхность иногда называется леофильной по отношению к данной жидкости.

На рисунке 1.3 (б) жидкость образует с твердой поверхностью угол 90° (=90°), в этом случае жидкость ведет себя как бы нейтрально по отношению к поверхности, наконец, на рисунке 1.3 (в) угол между поверхностью жидкости и поверхностью твердого тела больше 90° (>90°). Пузырек стремится как бы распластаться на поверхности, которая называется леофобной по отношению к данной жидкости.

Контактный угол связан с поверхностным натяжением соотношением

где - сила трения приложенная к периметру смачивания и препятствующая «распластыванию» пузырька, кгс/м, индексы «Ж», «Г» и «Т» относятся соответственно к жидкой, газообразной и твердой фазам.

Примерные значения для хромированной стали и некоторых жидкостей:

Жидкость	, град
Вода	50
Нефть	26
Ртуть	137

Размер пузырька в момент отрыва от поверхности нагрева можно оценить по соотношению

т.е. этот размер зависит от результирующей сил гравитации и поверхностного натяжения и от смачивания жидкостью поверхности.

Пузырек недолго сидит на поверхности нагрева. Экспериментально установлено, что для воды это время составляет 0,023 - 0,025 секунд. Скорость подъема пузырька в воде около 0,25 м/с, а пауза между отрывом предыдущего пузырька и появлением следующего продолжается около 1/40 с.

Как уже отмечалось, оторвавшись, пузырек увеличивается в объеме, так как получает тепло от жидкости, причем в гораздо большем количестве, чем при своем возникновении от поверхности нагрева. Это объясняется тем, что жидкости от этой поверхности передается в несколько раз больше тепла, чем газу или пару.

При движении пузырьков вверх они увлекают находящиеся над ними столбики жидкости, поднимая более горячую жидкость.

Таким образом, количество тепла, переданного от поверхности нагрева к поверхности раздела фаз, связано с количеством пузырьков в объеме кипящей жидкости.

При пленочном кипении (рисунок 2 (в)) непосредственно над поверхностью нагрева располагается паровая пленка, образовавшаяся в какой-то момент из «распластавшихся» пузырьков. Тепловой поток через слой пара к жидкости ограничен плохой теплопередачей от поверхности нагрева к пару.

Теплопередача при пленочном кипении осуществляется путем теплопроводности, конвекции и излучения через пленку пара. Кроме того, количество пузырьков, поднимающихся вверх, значительно меньше, чем при пузырьковом кипении. Следовательно, теплообмен в слое жидкости при пленочном кипении хуже.

Как правило, переход к пленочному кипению происходит довольно резко, но так же быстро уменьшается и коэффициент теплоотдачи, а температура нагреваемой поверхности быстро увеличивается. Самым нежелательным с рассматриваемой нами точки зрения является то, что на образовавшейся при пленочном кипении паровой прослойке происходит значительное падение температуры. Прослойка пара, подобно подушке, стремится не допустить контакта жидкости с разогретой поверхностью. Таким образом, если пленочное кипение будет происходить в тепловой трубе, то уже за счет одного этого эффекта не удастся обеспечить на ней малых температурных перепадов. Другими словами, коэффициент теплопередачи оказывается существенно меньшим по величине, чем при пузырьковом кипении.

От чего же зависит режим кипения?

Прежде всего - от разности температур между нагретой поверхностью и жидкостью.

На рисунке 1.4 приведена примерная зависимость коэффициента теплоотдачи от перепада температур для воды.

Рисунок 1.4 - Зависимость коэффициента теплоотдачи от перепада температур для воды

В области а перепад температуры и плотность теплового потока малы. Происходит обычное поверхностное испарение жидкости. Пузырьков практически не образуется. Значение коэффициента определяется в основном законами свободной конвекции (перемешивания) некипящей жидкости.

В области б коэффициент зависит от интенсивности перемешивания жидкости, которое происходит за счет движения пузырьков и резко растет при увеличении . Это пузырьковое кипение, критические значения при котором достигают максимальных значений и составляют для органических жидкостей от 5 до 50°С.

В области в происходит пленочное кипение. По мере образования сплошной пленки на поверхности нагрева значения коэффициента падают. Количество пузырьков, участвующих в перемешивании жидкости, с увеличением сокращается.

Таким образом, повышение сверх критических значений приводит к резкому сокращению интенсивности теплообмена. Значение определяется подводимым количеством тепла, которое также имеет какую-то предельную критическую величину.

Например, для воды критическая плотность теплового потока составляет 102 Вт/см² при 100°С, в то время как для жидкого лития эта величина достигает уже 505 Вт/см² при температуре 1482°С.

Следует заметить, что критические значения и при возврате от пленочного кипения к пузырьковому существенно меньше тех, которые соответствуют переходу от пузырькового к пленочному. Оказывается, что необходимо гораздо большее снижение величины , чтобы вновь восстановить пузырьковый режим кипения, т.е. между этими двумя значениями критических потоков возможно существование обоих режимов кипения на одной и той же поверхности.

Раннему возникновению пленочного кипения способствует плохая смачиваемость поверхности нагрева жидкостью. Если жидкость вообще не смачивает поверхность, наблюдается устойчивое пленочное кипение практически при любых количествах подводимого тепла. Все сказанное, выше о кипении, очевидно, относится не только к воде, на которую легче ссылаться в примерах из-за наглядности, но также и к любым жидкостям. В частности, в тепловых трубах, предназначенных для работы в области высоких температур, в качестве рабочей жидкости часто используют расплавленные металлы.

Однако существенным недостатком жидких металлов является плохая смачиваемость обтекаемой твердой поверхности. Поэтому в тепловых трубах предпринимаются специальные меры, отодвигающие момент начала пленочного кипения в область более высоких тепловых потоков.

Одна из таких мер - создание системы узких каналов или шероховатостей на внутренней поверхности тепловой трубы, покрытой жидкостью (рисунок 1.5). Это приводит к более равномерному росту пузырьков и, таким образом, сдерживает скачкообразный переход к пленочному кипению. В частности, для воды эти меры позволяют довести величину критического теплового потока до 500 Вт/см².

Рисунок 1.5 - Выступы и узкие каналы на внутренней поверхности трубы в зоне нагрева, позволяющие задержать момент перехода к пленочному кипению

Следует заметить, что величина контактного угла, влияние которого на характер кипения рассматривалось выше, очень чувствительна к состоянию поверхности. Поверхности, адсорбировавшие воздух, т.е. насыщенные им, отличаются по своим свойствам от поверхностей, подвергавшихся некоторое время вакуумной обработке (дегазации). На поверхностях, насыщенных воздухом, некоторое время имеет место пузырьковое кипение, однако только до тех пор, пока из них не будет удален адсорбированный воздух, после чего при определенных значениях и неизбежно наступает пленочное кипение.

Как показывают эксперименты, критические значения резко возрастают с повышением давления. При дальнейшем повышении давления достигает максимума, а затем начинается спад я при некотором критическом давлении р_кр плотность теплового потока становится равной нулю.

Говоря о давлении пара, развиваемом в тепловой трубе при нагреве и испарении рабочей жидкости, нельзя не учитывать механической прочности корпуса всей трубы, особенно если такая труба работает в области температур выше 1000-1500°С, где механическая прочность материалов начинает снижаться. Поэтому типичным рабочим диапазоном давлений в тепловых трубах с различным наполнением обычно считается диапазон от 0,03 до 10 бар.

Некоторые количественные соотношения, описывающие Процесс теплопередачи при кипении, могут быть получены с применением теории подобия.

Допустим, что в какой-либо научной лаборатории произведено тщательное исследование теплопередачи в каком-то устройстве с той или иной рабочей жидкостью. Получена обширная информация о происходящих явлениях. Установлены, например, границы перехода от одного режима кипения к другому. Как, однако, воспользоваться этими ценными данными, если встречающиеся на практике устройства и заполняющие их жидкости столь разнообразны? Здесь нам и понадобятся критерии подобия. Если эти критерии в различных устройствах совпадают, то и соответствующие им процессы будут носить сходный характер.

Возьмем, например, явление отрыва пузырьков при кипении. Установлено, что частота отрыва пузырьков в различных испарительных системах будет одинакова, если оказываются равными безразмерные критерии, определяемые соотношением

где - критическая температура жидкости, - удельная теплоемкость, - поверхностное натяжение, и - удельный вес пара и жидкости, - теплота парообразования, - некоторый характерный размер, определяющий процесс, в данном случае и пропорционально величине диаметра пузырька пара в момент отрыва, А - некоторая постоянная.

Аналогично число действующих центров парообразования при предельной тепловой нагрузке в любой испарительной системе однозначно определяется критерием подобия:

где - величина предельной тепловой нагрузки, - коэффициент теплопроводности жидкости при температуре насыщения.

Легко видеть, что если для какого-либо испарительного устройства с известными свойствами заполняющей его жидкости определить величину , то легко можно вычислить величину предельного теплового потока, передаваемого этим устройством.

На основе многочисленных экспериментов установлено следующее эмпирическое соотношение для :



где - безразмерный критерий Прандтля.

Критерий Прандтля определяется полностью термодинамическим состоянием системы, так как включает в себя только физические константы, характеризующие свойства жидкости.

В качестве примера можно отметить, что для жидких металлов критерий Прандтля, как правило, значительно меньше единицы (для натрия и калия при температуре около 700°С Pr=0,0038, для лития при той же температуре Pr=0,027, для ртути при 20°С Pr=0,044, в то же время для воды при этой же температуре Pr=6,75 и для спирта 16,6).

Критерий подобия носит имя Архимеда:

Физически ясно появление критерия подобия и зависимости от его величины теплопередачи при кипении. Пузырьки газа увеличиваются при движении их к поверхности под действием выталкивающей силы в соответствии с законом Архимеда. Эта сила зависит от разности плотностей жидкости и пара, от величины пузырька с газом и от величины ускорения силы тяжести. Очевидно, на движение пузырька в реальной жидкости окажет влияние ее вязкость, характеризуемая коэффициентом кинематической вязкости . Можно, следовательно, утверждать, что если в двух различных испарительных системах с разными жидкостями критерии Архимеда совпадают, то это означает, что характер движения пузырьков пара к поверхности также одинаков.

Можно, конечно, отказаться от записи параметров, определяющих теплопередачу через критерии подобия, и выразить их в явном виде. Однако эта запись будет более громоздкой и менее удобной для сравнения систем между собой.

При вычислении коэффициента теплоотдачи при кипении удобно пользоваться критерием подобия Нуссельта

,

где - коэффициент теплоотдачи, - Характерный размер, определенный выше.

Экспериментально установлено следующее соотношение, позволяющее вычислить при предельном тепловом потоке:

1.2 Зона конденсации

Пар жидкости, контактируя с охлаждаемой поверхностью, конденсируется. Этот процесс, как уже отмечалось, сопровождается выделением тепла, количество которого равно теплу, поглощенному при парообразовании. Конденсация происходит при строго определенном давлении насыщающих паров р_в.

Рисунок 1.6 - Капельная конденсация в зане охлаждения тепловой трубы

Исследования показали, что характер конденсаций (как и характер процесса кипения) в значительной степени зависит от степени смачиваемости поверхности конденсатом. Если поверхность не смачивается, на ней образуются отдельные капельки. Эти капельки растут, а затем падают под действием силы тяжести. Такой процесс носит название капельной конденсации (рисунок 1.6). Если же поверхность хорошо смачивается конденсатом, вместо капель образуется сплошная пленка, стекающая по стенке. Важно отметить, что при непрерывно поступающем паре все время существует равновесная пленка конденсата. В этом случае пар контактирует практически не с твердой поверхностью стенки, а с поверхностью пленки (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 - Пленочная конденсация в зане охлаждения тепловой трубы

Как различаются условия теплопередачи при этих двух режимах конденсации?

При капельной конденсации теплообмен, очевидно, выше, так как разогретый пар непосредственно контактирует с поверхностью стенки. Температурный перепад между паром и стенкой практически отсутствует.

При пленочной конденсации такого прямого контакта нет. Пленка конденсата обусловливает термическое сопротивление и соответствующий перепад температуры. Очевидно, чем толще равновесная пленка, тем больше величина перепада. Термическое сопротивление пленки конденсата - не единственный фактор, определяющий теплопередачу при конденсации. Важное значение имеет процесс диффузии из объема. Эти два процесса в зависимости от конкретных условий играют различную роль.

Если конденсируемая жидкость характеризуется низкой теплопроводностью, т.е. критерий Прандтля такой жидкости много больше единицы, то основную роль при теплопередаче играет пленка конденсата (точнее, ее термическое сопротивление).

Если мы имеем дело с жидкими металлами, характеризующимися высокой теплопроводностью (Pr<<1), то, очевидно, главную роль играет интенсивность подвода пара к поверхности, т.е. его диффузия. Процессы на поверхности жидкости не сильно влияют на перенос тепла. В частности, этим объясняется незначительная чувствительность теплоотдачи в зоне конденсации тепловых труб, наполненных жидкими маслами, к режиму конденсации (пленочному или капельному).

Если рассмотреть поперечное сечение вертикальной тепловой трубы в зоне конденсации, то при хорошем смачивании можно видеть непрерывно стекающую вниз пленку конденсата, толщина которой из-за постепенного накопления конденсата все более увеличивается. Однако коэффициент теплоотдачи при прочих равных уcловиях выше там, где пленка тоньше.

Рисунок 1.8 - Разный характер течения пленки в зоне конденсации тепловой трубы а - ламинарный (Re?30), б - волнообразный (Re>50), в-турбулентный (Re?1500)

Интересно проследить за характером течения жидкости в пленке. При малых тепловых потоках, т.е. при малых количествах конденсата, толщина пленки незначительна и течение в ней носит ламинарный, упорядоченный характер (рисунок 1.8 (а)). Но вот тепловой поток по тем или иным причинам возрос, пленка стала «полноводнее», толщина ее возросла, а течение приобрело волнообразный характер (рисунок 1.8 (б)). Наконец, при еще больших потоках течение теряет признаки упорядоченности - наступает турбулентный режим течения с интенсивным перемешиванием (рисунок 1.8 (в)). Последнее обстоятельство существенно улучшает эффективность теплоотдачи по сравнению с ламинарным режимом.

Уже эти качественные рассуждения показывают, насколько труден теоретический анализ рассматриваемых явлений. Однако на основании многочисленных экспериментов удалось установить границы существования разных режимов течения. Определяющим в этом случае оказалось значение безразмерного критерия, установленного английским физиком-инженером Осборном Рейнольдсом (1842-1912):

где - кинематическая вязкость, - характерный для данной задачи размер, - скорость течения жидкости.

Если число Рейнольдса менее или равно 20-30, имеет место ламинарное течение жидкости в пленке. При Re>30-50 течение волновое, и, наконец, при Re>1500 наступает турбулентный режим течения.

Для некоторых режимов течения удалось найти расчетные формулы для коэффициентов теплоотдачи. В частности, для ламинарного течения пленки при скоростях движения пара менее 10 м/с средний коэффициент теплоотдачи на участке конденсации высотой h в вертикальной трубе составит:

.

Такая форма записи уже не должна казаться усложненной, так как выше было показано, что критерии подобия вычисляются довольно просто.

Новым критерием является здесь критерий конденсации , равный

.

Принятые обозначения - те же, что и при рассмотрении процесса кипения. и - критерии Прандтля при температуре насыщения соответственно для жидкости и пара.

Рисунок 1.9 - Эпюра скоростей молекул жидкости и пара в произвольном сечении тепловой трубы

Заканчивая рассмотрение процесса конденсации, необходимо еще упомянуть об одном явлении, значительно усложняющем теоретические оценки. При больших скоростях потока пара существенным оказывается его взаимодействие со встречным потоком стекающего конденсата. В результате, в любом поперечном сечении тепловой трубы имеет место сложная эпюра скоростей молекул жидкости и пара (рисунок 1.9). Течение пленки тормозится, толщина ее несколько увеличивается, а следовательно, хуже осуществляется теплоотдача. Возможно также местное осушение стенки, приводящее к локальным перегревам. Теоретический анализ этих явлений выходит за рамки данной работы.

1.3 Зона переноса тепла и общая схема работы тепловой трубы

Под зоной переноса тепла в тепловой трубе обычно подразумевается средний участок, на котором практически не происходит теплообмена с окружающей трубу внешней средой. Это достигается применением надежной и эффективной теплоизоляции на этом участке. Таким образом, в тепловой трубе различают три участка: зона подвода тепла, зона переноса тепла, зона отвода тепла. Иногда зону подвода тепла называют зоной испарения, а зону отвода - зоной конденсации. Схематично расположение зон иллюстрирует рисунок 1.10. Зона переноса может быть различной протяженности. В довольно широком классе технических устройств она вообще отсутствует. Что касается зон подвода и отвода тепла, то их длины могут быть равны между собой. Тогда плотность теплового потока на их поверхности будет одинакова.

Конечно, эти зоны могут быть и различными по протяженности. В этом случае в соответствии с выбранным соотношением их поверхностей будет осуществляться трансформация плотности теплового потока. Например, если зона теплоприема в 2 раза больше зоны теплоотвода, то наряду с передачей полного подводимого теплового потока имеет место его двукратная концентрация.

Рисунок 1.10 - Схема расположения зон в тепловой трубе

Полное описание явлений, происходящих в тепловой трубе, включая уже рассмотренные выше процессы в зоне испарения и конденсации, и разработка теоретической модели тепловой трубы в целом, очевидно, задача весьма сложная. При установлении общих закономерностей необходимо исходить из замкнутости цикла всей системы и взаимозависимости всех процессов. Так, например, остается постоянной полная масса жидкости. Действительно, весь пар, образованный в зоне испарения, передается в зону теплоотвода, там конденсируется и вновь возвращается в испаритель.

Прежде чем перейти к установлению расчетных зависимостей, целесообразно еще раз отметить характерные особенности и достоинства тепловой трубы, сравнив ее с другими, близкими по конструкции теплопередающими устройствами. Попробуем создать теплопередающее устройство, конструктивно ничем не отличающееся от тепловой трубы, но полностью заполненное жидкостью (теплоносителем). В таком устройстве в процессе работы жидкость не будет менять своего фазового состояния и переходить в пар. Следует заметить, что такое устройство не является надуманным. Оно используется в технике для охлаждения различных механизмов и их частей (например, лопаток турбин) и носит название термосифона.

Следует подчеркнуть, что работа термосифона возможна лишь в поле сил гравитации, направленных от зоны теплосъема к зоне нагрева (рисунок 1.11). Такие силы могут возникать либо за счет земного притяжения, либо за счет центробежных сил. Очевидно, основным явлением, определяющим теплопередающие свойства термосифона, будет конвективное течение жидкости. Тщательные исследования показали, что на границах зон теплоприема и теплоотвода всегда возникает некоторая промежуточная зона с весьма сложным и разнообразным характером процессов, происходящих в ней.



Рисунок 1.11 - Термосифон (конвективные токи теплоносителя и расположение зон)

Наличие промежуточной зоны является одной из причин значительного термического сопротивления термосифонов. Типичный характер температурного поля вдоль термосифона представлен на рисунке 1.12.

Именно поиск путей ликвидации этой зоны привел к идее создания тепловой трубы, заполненной теплоносителем, изменяющим в процессе работы свое фазовое состояние, т.е. переходящим из жидкого состояния в пар и обратно. Это оказалось возможным осуществить, если заполнить тепловую трубу теплоносителем не полностью, а лишь частично. О том, какое количество теплоносителя следует ввести, будет сказано несколько ниже.

Как уже отмечалось, теплопередача в данном случае будет происходить за счет поглощения тепла при испарении я высвобождения его при конденсации. Полный переносимый тепловой поток, очевидно, будет тем больше, чем больше количество пара (и жидкости, циркулирующей в трубе) и чем интенсивнее происходит циркуляция.



Рисунок 1.12 - Температурное поле термосифона

Поэтому скорость пара в центральной части должна быть по возможности выше и должно осуществляться беспрепятственное встречное течение жидкости по стенкам в зону испарения. Не менее важное значение имеет и «энергоемкость» используемой жидкости, т.е. способность переносить тепло единицей веса пара при его движении из зоны нагрева в зону конденсации. Энергоемкость, как уже было показано, характеризуется величиной скрытой теплоты испарения. Отсюда становится понятным, почему для заполнения тепловых труб целесообразно использовать жидкости с большой величиной скрытой теплоты испарения.

Таким образом, физический смысл более эффективной теплопередачи тепловой трубы по сравнению с термосифоном состоит не только в отсутствии промежуточной области, но и в том, что при идентичных условиях эффективность теплоотдачи при испарении значительно выше, чем при конвекции.

Попробуем качественно убедиться в этом на простом примере, в котором в качестве теплоносителя рассмотрим обыкновенную воду. Каждый грамм воды, участвуя в конвективном движении жидкости в термосифоне, при совершении одного кругооборота по замкнутому контуру из зоны теплоприема в зону теплоотдачи и назад, перенесет количество тепла, равное , где - перепад температуры по контуру, а с - удельная теплоемкость воды.

За величину в данном случае можно принять перепад температуры по всей длине термосифона. Выше было показано, что в лучшем случае, когда влияние промежуточной области удается каким-либо образом свести к минимуму, перепад. по термосифону может быть уменьшен вплоть до 5-20^оС. Отсюда максимальная величина Q составит 20 кал.

В тепловой трубе испарившийся в зоне теплоприема 1 г воды, двигаясь в виде пара в зону теплоотдачи, несет количество тепла, равное скрытой теплоте испарения, т.е. 540 кал (при нормальном атмосферном давлении). Следовательно, для обеспечения той же самой величины теплопередачи жидкость в термосифоне должна циркулировать почти в 30 раз интенсивнее, чем в тепловой трубе. Организовать такую циркуляцию жидкости даже с малой вязкостью, весьма трудно.

Увеличить переносимое каждым граммом жидкости количество тепла в термосифоне можно, допустив больший температурный перепад . Но это означает отказ от тех основных требований, которые предъявлялись выше к рассматриваемым теплопередающим устройствам. Действительно, была поставлена цель создания теплопередающего устройства, способного передавать большие потоки тепла при малых температурных перепадах, т.е. устройства с высоким коэффициентом теплопередачи. В тепловой трубе перенос тепла Q в первом приближении не зависит от перепада температуры, а определяется только скрытой теплотой испарения. Так как конденсация и испарение жидкости в тепловой трубе происходят практически при одной и той же температуре, то из самого принципа работы тепловой трубы следует высокая изотермичность по всей ее длине. Ничтожный температурный перепад при больших тепловых потоках обусловливает высокий коэффициент теплопередачи тепловой трубы.

В ряде случаев удобно пользоваться понятием эффективной теплопроводности тепловой трубы , определяемой как отношение количества тепла, передаваемого через единицу поверхности поперечного сечения в единицу времени, к температурному перепаду между концами тепловой трубы.

Уже было показано, что для достижения максимального коэффициента теплопередачи тепловой трубы необходимо взять жидкость с наивысшей величиной скрытой теплоты испарения. Попробуем выяснить, изменением каких еще параметров можно добиться увеличения теплопередачи. Продолжим рассмотрение круговорота единицы массы жидкости на пути из зоны нагрева (в виде пара) в зону конденсации и назад по стенке в зону нагрева. Как ускорить этот круговорот? Одним из факторов, сдерживающих его, является вязкость жидкости и сила трения при ее течении по внутренней стенке трубы. Следовательно, для увеличения теплопередачи необходимо использовать жидкость с малой вязкостью. Скорость движения пленки по стенке зависти от силы, под действием которой происходит это движение. Обычно это сила земного притяжения. Но можно использовать и центробежные силы. В частности, в тепловых трубах, применяемых для охлаждения вращающихся лопаток турбин, центробежные силы превосходят силу земного притяжения в тысячи раз.

Несколько слов о движении пара в тепловой трубе. Известно, что пар, как и любой другой газ, перетекает из одной области в другую, если имеется какой-либо перепад давления между этими областями. В тепловой трубе пар движется из зоны нагрева в зону конденсации, так как между этими зонами имеется некоторый перепад давления. Повышенное давление в зоне нагрева - результат интенсивного образования пара при кипении. Попадая в зону конденсации, где температура ниже, пар конденсируется, т.е. превращается в более плотную субстанцию - жидкость, и поэтому в этой зоне давление падает. Наличие такого постоянно действующего перепада давления и обеспечивает непрерывное перетекание пара вдоль тепловой трубы. Очевидно, движение пара будет тем интенсивнее, чем больше перепад давления. Этот перепад будет тем выше, чем сильнее различаются между собой плотность насыщающих паров жидкости при данной температуре и плотность самой жидкости , т.е. теплопередача будет эффективнее, если выражение будет приближаться к единице.

Рассмотренная выше качественная взаимосвязь величины коэффициента теплопередачи тепловой трубы с основными параметрами, определяющими этот коэффициент, находит отражение в более строгой аналитической формуле:

при для тепловой трубы круглого сечения.

Аналогичное соотношение получено также для тепловой трубы с плоским паровым каналом.

В приведенном соотношении использован новый безразмерный критерий, носящий имя известного русского теплофизика М.В. Кирличева:

,

где - скрытая теплота испарения, - удельная теплоемкость, - перепад температур вдоль тепловой трубы.

Величина коэффициента является функцией отношения длины трубы к предельной ее величине и отношения температур:

.

Предельная длина представляет собой такую длину трубы, при которой осуществляется максимальная передача теплового потока:



где - диаметр парового канала, - некоторый коэффициент, значение которого лежат в пределах 0-0,5 и зависят от отношения .

Следует отметить, что вышеприведенные соотношения получены при некоторых предположениях. В частности, считается, что течение пара и жидкости носит ламинарный характер, а силы инерции по сравнению с силами вязкости и центробежными силами малы. Тем не менее, экспериментальные результаты довольно хорошо согласуются с рассчитанными этим путем параметрами.

Экспериментальные исследования показали, что могут наступить условия, при которых температурное поле вдоль тепловой трубы оказывается все-таки неравномерным. На рисунке 1.13 изображен типичный профиль температуры вдоль центральной части парового канала, полученный в стеклянной тепловой трубе диаметром 12 мм и длиной 230 мм, заполненной водой. Легко видеть, что в зоне теплоотвода температура во всех точках одинакова. Но в зоне нагрева картина сильно зависит от степени заполнения внутреннего объема трубы жидкостью. При этом можно различить три характерных режима работы:

1. Режим нормальной изотермичной работы (рисунок 1.13 (а) заполнение 2,0 см³ воды). Количество теплоносителя находится в полном соответствии с величиной передаваемого теплового потока, т.е. пленка жидкости повсюду покрывает внутреннюю поверхность трубы, доходя до самой нижней точки зоны нагрева.

2. Режим недостаточного заполнения (рисунок 1.13 (б)). Температурное поле в зоне нагрева крайне неоднородно. Жидкости явно не хватает для покрытия пленкой всей внутренней поверхности трубы. Эти оголенные от пленки места будут, очевидно, находиться в самой горячей нижней части трубы в зоне нагрева. По пути к этим участкам жидкость полностью испаряется. Отсутствие охлаждающей стенку жидкости мгновенно сказывается на температурном поле. В местах, где нет пленки, наблюдается резкий перегрев, приводящий в высокотемпературных трубах к прогоранию стенки и выходу трубы из строя.

3. Режим избыточного заполнения (рисунок 1.13 (в)). На дне тепловой трубы все время имеется «лужа», глубина которой увеличивается по мере увеличения избытка жидкости. Вода в этой «луже» интенсивно кипит, разбрызгивая капли по ближайшим стенкам трубы. Вся внутренняя поверхность трубы, очевидно, полностью покрыта пленкой. Температурное поле и условия теплопередачи с первого взгляда очень близки к режиму нормальной работы. Действительно, излишнее заполнение не столь опасно, как недостаточное. Тем не менее слишком большое количество теплоносителя нежелательно, так как возможен перепад температуры по глубине «лужи». Хотя величина этого перепада, по-видимому, не превышает нескольких градусов, на фоне «идеальной» изотермичности всей тепловой трубы он все-таки значителен и должен быть по возможности исключен.

Рисунок 1.13 - Зависимость температурного поля вдоль тепловой трубы от степени заполнения теплоносителем

а - оптимальное заполнение, режим изотермичной работы,

б - недостаточное заполнение, перегрев в зоне подвода тепла,

в-избыточное заполнение, режим, близкий к изотермическому.

Очевидно, для каждой конструкции тепловых труб с конкретным теплоносителем и определенных условий работы всегда может быть найдена оптимальная величина заполнения.

При рассмотрении работы тепловой трубы в поле земного тяготения предполагалось, что она располагается вертикально, причем внизу находится источник нагрева, а вверху - теплоприемное устройство, Естественно, что в реальных условиях эксплуатации, особенно в передвижных устройствах, могут иметь место те или иные отклонения трубы от вертикального положения. Весьма важно знать поэтому, какое влияние окажет наклон трубы на ее теплопередающие свойства. В предельном случае, когда участок нагрева окажется выше зоны охлаждения, труба функционировать не будет. Остается выяснить, какой эффект даст меньший наклон трубы.

Рассмотрим трубу с оптимальным наполнением, при котором, как было показано выше, имеет место наибольшая равномерность температурного поля.

Начиная с некоторого угла наклона (рисунок 1.14), возникает опасность появления «сухих», не покрытых пленкой жидкости участков в области зоны нагрева. Пленка жидкости под действием сил тяжести стекает в низшую часть трубы, минуя участок, обозначенный на рисунке 1.14 фигурной скобкой. Очевидно, чем больше наклон, тем больше площадь такой «сухой» области, в которой из-за отсутствия теплосъема (точнее, из-за очень плохого теплосъема, так как теплоотдача к пару значительно хуже, чем теплоотдача к жидкости), температура резко возрастает. Условия оказываются в какой-то степени близкими к режиму недостаточного заполнения. Как следствие, при высоких температурах наблюдается прогорание сухой стенки и выход трубы из строя. Таким образом, тепловая труба с оптимальным наполнением допускает лишь незначительный наклон, при котором еще не образуется осушенных участков в зоне нагрева. Такие параметры, как вязкость жидкости и степень смачиваемости ею внутренней поверхности труб играют здесь существенную роль.



Рисунок 1.14 - Процессы, происходящие в гладкостенной тепловой трубе при наклонном ее положении

Как же быть, если по условиям эксплуатации необходимо тепло передавать в направлении, скажем, близком к горизонтальному? Наиболее простое решение вопроса - покрыть жидкостью осушаемые участки трубы за счет увеличения заполнения, т.е. умышленно пойти на все те «неприятности», которые проявляются в режиме избыточного заполнения.

Однако заполнение в этом случае оказывается настолько большим, что составляет около 1/3-1/2 и более полного внутреннего объема трубы. Условимся в дальнейшем называть такие трубы гладкостенными трубами с большим заполнением. На рисунке 1.15 показана труба, предназначенная для работы при некотором угле наклона. Если теперь незначительно увеличить угол наклона, то при заданном заполнении опять возникает опасность обнажения внутренней поверхности трубы в зоне нагрева. Уже качественное рассмотрение показывает, что гладкостенные трубы с большим заполнением будут обладать значительно худшими теплопередагощими свойствами и большей неоднородностью температурного поля по наружной поверхности, чем вертикальная труба при соответствующем оптимальном заполнении. Прежде всего, высоким тепловым сопротивлением обладает толстый слой воды в нижней части трубы (за счет появления участка, отмеченного на рисунке 1.15 фигурной скобкой). Сокращается также поверхность конденсации, т.е. при тех же потоках пара толщина пленки становится больше, а это, как было показано выше, неизбежно ведет к ухудшению условий теплоотдачи. Несмотря на менее перспективные качества подобных труб, по сравнению с вертикальными трубами оптимального заполнения, они давно находят широкое использование в технике и в случае применения пароводяного наполнения обычно называются по имени их изобретателя трубами Перкинса.

Рисунок 1.15 - Тепловая труба с большим заполнением, предназначенная для эксплуатации при угле наклона Ф

Исследование работы тепловых труб с большим заполнением жидкостью показало, что их теплопередающая способность достигает максимального значения при некотором определенном угле наклона. В частности, для большинства промышленных труб Перкинса длиной до нескольких метров этот угол составляет 2-3°. При еще меньших углах наклона, прежде чем теплоотдающая поверхность начинает обнажаться от пленки, наблюдается режим неустойчивой работы трубы.

Явление неустойчивости еще более усугубляется в условиях неравномерного и быстро меняющегося подвода и отвода тепла. В этих случаях рекомендуется проводить эксплуатацию трубы при углах 3-5°.

Следует еще раз подчеркнуть, однако, что даже при оптимальном угле наклона тепловые трубы с большим наполнением характеризуются меньшей температурной однородностью, большим перепадом температуры на полной длине, меньшим коэффициентом теплопередачи, чем соответствующие вертикальные трубы с оптимальным наполнением.

Наблюдаемое рядом исследователей изменение теплопередающих свойств тепловой трубы при изменении ее наклона вызвано изменениями характера процессов, происходящих в тепловой трубе. Таких процессов по существу всего два: кипение и конденсация. Процесс кипения, а также коэффициент теплопередачи при кипении в условиях хорошо организованного отвода пузырьков пара практически не зависят от положения тепловой трубы относительно горизонтали. На процесс кипения, видимо, может оказать влияние только изменение толщины слоя жидкости при наклоне. В первом приближении предполагается, что этот эффект незначителен, если толщина слоя жидкости остается по величине большей пятикратного размера диаметра пузырька в момент отрыва. Что касается процесса конденсации и величины соответствующего коэффициента теплоотдачи, то здесь ориентация поверхности, на которой конденсируется пар, относительно направления силы тяжести, оказывает весьма существенное влияние. Если труба эксплуатируется в вертикальном положении, то поверхность конденсации располагается горизонтально. Наоборот, если труба лежит горизонтально, конденсация идет на вертикальной стенке. В частности, в этих двух крайних случаях совершенно различные условия определяют равновесную толщину и скорость стекания пленки с поверхности конденсации.

Итак, главная причина изменения параметров гладкостенной тепловой трубы с большим наполнением при различном наклоне ее к горизонту заключается в изменении условий конденсации.

В общем виде коэффициент теплоотдачи в области конденсации рассматриваемой тепловой трубы при эксплуатации ее под некоторым углом Ф к горизонту может быть представлен так:

,

где - коэффициент теплоотдачи конденсации при вертикальном положении элемента, n, а - постоянные, характерные для данной системы.

В частности, для тепловой трубы из нержавеющей стали диаметром 30 и длиной 224 мм с наполнением аммиаком (по объему около 26%) постоянная а равна примерно 0,26.