Тепловые трубы, дан п.д., рей д.а

Конструкционные особенности

Тепловые трубы – это результат модификации термосифона. К самым популярным типам устройств относится разработка Гровера. Фото можно посмотреть на нашем сайте. Конструктивно труба простая, она состоит из корпуса, теплоносителя и фитиля. Корпус – это камера, сечение которой может быть либо круглым, либо прямоугольным. Он изготавливается из нержавеющего материала или бронзы, алюминия, меди, стекла, керамики и пр.

Расчёт производится исходя из условий эксплуатации. По результату выбирается оптимальный вид материала. Корпус предназначен для того, чтобы изолировать теплоноситель. Для этого он делается сверхгерметичным

Особое внимание уделяется прочности, так как важно, чтобы материал выдерживал большое давление

Тепловые трубы могут быть различных размеров, их сечение выбирается таким, чтобы его было достаточно для сопротивления давлению пара. Расчёт производится подготовленным персоналом, так как малейшие ошибки приводят к колоссальным авариям. Вся система работоспособна лишь в том случае, если тепловые трубы наполняются рабочей жидкостью, состав которой оптимален для транспортировки большего объёма теплоэнергии.

Особенности конструкции тепловой трубы

С теоретической точки зрения тепловая труба представляет собой испарительно-конденсационное устройство, используемое для передачи тепла, где происходит перенос теплоты парообразования посредством испарения жидкости в зоне поступления тепла и конденсации паров в области теплоотвода. Замкнутый цикл работы теплоносителя обычно поддерживается действием капиллярных сил.

Параметрами тепловой трубы можно управлять, меняя в ней давление. Это даст возможность теплоносителю совершать переход из одной фазы в другую в требуемом температурном режиме.

Существуют определенные требования к элементам конструкции тепловой трубы. Например, используемая в трубке жидкость не должна быть подвержена разложению, не должна вступать в химическую реакцию с материалом, из которого выполнены сама трубка и фитиль. Оболочку трубы предпочтительнее делать из материала с высокой теплопроводностью. Фитиль и трубка должны хорошо смачиваться теплоносителем.

Материалом корпуса тепловой трубы обычно становятся медь, алюминий, сталь разного типа.

Фитиль в тепловой трубе насыщен жидкой фазой теплоносителя. Фитилем могут стать не только сетчатые, но и спеченные пористые вещественные структуры, равно как и особые канавки на внутренней поверхности трубки, перфорированные экраны и так далее. Главное, чтобы структура фитиля позволяла переносить жидкость из зоны конденсации в область нагрева за счет капиллярных сил.

В настоящее время фитиль чаще всего выполняется из металла. Этот элемент конструкции имеет вид сетки или делается сплетенным из очень тонкой проволоки; такое техническое решение получило название металлического войлока.

Теплоносителем в этой системе могут выступать вода, ацетон, спирт, ацетон, фреоны. В тех трубках, которым приходится работать в необычных режимах температур, могут использоваться натрий, ртуть, жидкий гелий или серебро. Главное требование к теплоносителю: это должно быть чистое в химическом смысле вещество или соединение, которое способно выступать как в жидкой, так и в паровой фазе, а также обладать смачивающим эффектом.

Тепловые трубы получили широкое распространение не только в системах отопления домов, но также в технологических схемах охлаждения компонентов современных компьютеров (процессоров, видеокарт). Преимущество тепловой трубы в данном случае определяется тем, что появляется возможность снять с кристалла малой площади максимум тепла и рассеять его на радиаторе с большим числом ребер.

Принцип действия тепловой трубы

Непосредственным предшественником ТС-ТТ был термосифон, поэтому полезно рассмотреть вначале принцип действия этого устройства.

ТТ-2.Термосифон. 
 

Внутрь корпуса вводят небольшое количество жидкости, откачивают воздух и герметизируют (запаивают). При подводе тепла к зоне испарения жидкость переходит в пар, давление насыщения паров в этой зоне резко повышается, пар движется вверх в зону с меньшим давлением, конденсируется и стекает по стенкам вниз. Необходимым условием работы является отвод тепла от зоны конденсации. Недопустим также перегрев в зоне испарения — может наступить кризис кипения (вся жидкость испарится) и теплопередача пойдет по стенкам термосифона.

Следует отметить, что термосифон способен обеспечить большую мощность теплопередачи даже при малой разности температур между его концами, т.к. скрытая теплота парообразования у жидкостей велика.

Отличительной особенностью этой системы теплопередачи является способ возврата конденсата — под действием гравитационного поля. Поэтому термосифон может работать только тогда, когда зона испарения находится ниже зоны конденсации.

Для обеспечения возврата конденсата в зону испарения при любой ориентации системы теплопередачи потребовалось заменить гравитационное поле каким-то другим, но, желательно, таким же «бесплатным». Это и было осуществлено при изобретении новой системы — тепловой трубы.ТТ-3 Пат. США 2 350 348 (1942) Тепловая труба Гоглера. Цель изобретения: «… обеспечение поглощения теплоты, или другими словами, испарения жидкости в точке, лежащей выше области конденсации или зоны отвода теплоты, без дополнительных затрат на подъем жидкости от уровня конденсатора». 

 
ТТ использована для отвода тепла из внутреннего отделения холодильника вниз в поддон, заполненный кусками льда. Техническая идея Гоглера не вышла за рамки патента, т.к. фирма General Motors Corp применила другую, более доступную в то время технологию.

Таким образом, в качестве сил поднимающих конденсат против сил гравитации, были использованы капиллярные силы, возникающие при смачивании рабочей жидкостью капиллярно-пористого материала (КПМ) — фитиля.

ТТ-4. Пат. США 3 229 759 (1963) Тепловая труба Гровера. 
 
Корпус из нержавеющей стали, фитиль — проволочная сетка, рабочая жидкость — натрий, литий, серебро.

Это классический тип тепловой трубы с использованием капиллярного эффекта, который обеспечивает независимость положения зоны испарения в гравитационном поле. Однако эта независимость далеко не беспредельна. Поэтому кроме гравитационных (термосифон) и капиллярных (классическая ТТ) сил в современных типах ТТ применяют центробежные, электростатические, магнитные, осмотические и другие виды полей для возврата конденсата.

Достоинства тепловой трубы

Тепловая труба обрела заслуженную популярность в самых разных отраслях техники, включая довольно специфические области. Устройство такого типа обладает очень высокой теплопроводностью, многократно превышающей эту характеристику у меди. Тепловая труба способна передавать тепло на большое расстояние при небольшом поперечном сечении, в то время как у металлического прута способность передавать тепловую энергию снижается пропорционально отношению сечения к длине.

Скорость передачи тепла в трубке очень высока и ограничивается только скоростью испарения теплоносителя и темпами его конденсации.

Тепловая труба способна работать в произвольном температурном режиме. Если правильно подобрать теплоноситель, трубку можно применять при температуре как около +300 градусов Цельсия, так и при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, что делает такую систему пригодной для использования в космической технике.

Устройство, использующее описанный выше принцип работы, будет долговечным. Ничто не ограничивает срок эксплуатации тепловой трубы, поскольку ни металл трубы, ни фитиль, ни теплоноситель не изнашиваются.

Отказоустойчивость тепловой трубки поразительна, ведь в данной простой конструкции просто нечему ломаться. Трубка будет работать до тех пор, пока справедливы законы физики.

Другие особенности исполнения

Тепловые трубы оснащаются фитилём, с помощью которого обеспечивается движение жидкости. Её скорость неизменна. Изготавливается фитиль зачастую из металлического стека или войлока. В отдельных случаях используются особые ткани. Что касается оптимального исполнения, то фитиль чаще всего производят из титана, никеля, меди или стали. Такой подход обуславливает принцип действия устройства. С помощью фото можно понять, из чего состоит система.

Отдельным подвидом выделяются контурные тепловые трубы. В отличии от классического исполнения, такой подход исключает установку фитиля. Рабочая жидкость транспортируется посредством контурных труб.

Функции устройств

Тепловые изделия позволяют транспортировать рабочие жидкости с большей эффективностью. Оптимальная работа возможно лишь тогда, когда исключается доминирование критических величин. Тепло подаётся с помощью пламени, тока, контакта с другими теплоносителями, излучения инфракрасного происхождения и пр.

Единственная величина, которая считается самой приоритетной, – это стойкость материала корпуса трубы. Только этот параметр учитывается практически во всех расчётах, связанных с проектированием систем. Где же используется тепловая труба?

Их монтаж актуален при строительстве каналов эффективного теплообмена, при необходимости разделения источника теплоэнергии и потребителя тепла, при комплектовании термостата, при необходимости регулирования температуры и пр. Тепловые трубы – это неотъемлемая часть термовыключателей и термодиодов, так что спектр применения огромный.

Единственно правильный подход

Без тепловых труб остановилось бы современное производство. Эффективные теплоносители – залог успешного будущего. Это движение, посредством которого развивается вся планета. Конструктивные особенности изделий позволяют сделать транспортировку рабочих жидкостей эффективной, что увеличивает коэффициент полезного действия.

Принцип действия тепловой трубы

Патент на концепцию тепловой трубки капиллярного типа был получен представителем компании General Motors еще в 1942 году. Через два десятилетия идея получила принципиальное дальнейшее развитие. В 1963 году американец Дж. Грувер из лаборатории в Лос-Аламосе наглядно продемонстрировал эффективность такой конструкции.

Принцип действия тепловой трубы сравнительно прост и понятен даже человеку, далекому от физики. Достаточно усвоить, что жидкости при испарении поглощают тепловую энергию, а в момент конденсации активно ее отдают.

Самое простое устройство такого типа представляет запаянную с обеих сторон трубку, внутри которой находится летучая жидкость. Если нагреть одну сторону устройства, жидкость начнет испаряться. При этом пар конденсируется на противоположном конце трубки. Затем жидкость самотеком возвращается к источнику тепла. Цикл может повторяться многократно.

Работа тепловой трубы самого распространенного типа происходит так. К трубе подводится тепло, которое передается через корпус к теплоносителю за счет теплопроводности. Жидкость, смачивающая находящийся внутри особый фитиль, испаряется. В дальнейшем жидкость конденсируется в зоне отвода тепла, что ведет к затоплению фитиля. Различие капиллярных давлений в двух разных зонах тепловой трубы ведет к появлению перепада давлений. Система превращается в своеобразный «капиллярный насос». Кроме капиллярных сил при работе трубы могут действовать так называемые массовые силы: электромагнитные, центробежные, гравитационные. Их действие способно как улучшать циркуляцию в трубе, так и затруднять ее.

Тепловая труба с гладкими стенками может эффективно работать только в одном положении – когда источник тепла располагается возле нижнего конца трубы, находящейся под наклоном.

Изобретатели доработали конструкцию, дав трубке возможность функционировать практически в любом положении. Для этого оказалось достаточным поместить внутрь устройства так называемый фитиль. Им может стать любой материал, имеющий «развитую» поверхность. При этом конденсированная жидкость будет иметь возможность перемещаться по фитилю за счет капиллярного эффекта при самых разных положениях трубки.

Схемы трубчатых печей

Ниже приведены распространенные схемы отечественных трубчатых печей.

Печи типа СС

Печи типа СС – секционные с горизонтально расположенным змеевиком, отдельно стоящей конвекционной камерой, встроенным воздухоподогревателем и свободного вертикально-факельного сжигания топлива. Трубный змеевик каждой секции состоит из двух или трех транспортабельных пакетов заводского изготовления. Змеевик каждой секции самонесущий и устанавливается непосредственно на поду печи.

Печи типа ЦС – цилиндрические с пристенным расположением труб змеевика в одной камере радиации и свободного вертикально-факельного сжигания комбинированного топлива. Печи выполняются в двух вариантах: без камеры конвекции и с камерой конвекции (рис. XXI-12).

Цилиндрическая камера радиации установлена на столбчатом фундаменте для удобства обслуживания газовых горелок, размещенных в поду печи. Радиантный змеевик собран из вертикальных труб на приваренных калачах; в центре пода печи установлена газомазутная горелка. Змеевики упираются на под печи, вход и выход продукта осуществляется сверху.

Печь типа ЦД4

Печь типа ЦД4, продольный разрез которой показан на рис. XXI-13, является радиантно-конвекционной, у которой по оси камеры радиации имеется рассекатель-распределитель в виде пирамиды с вогнутыми гранями, представляющими собой настильные стены для факелов горелок, установленных в поду печи.

Рассекатель-распределитель разбивает камеру радиации на несколько независимых зон теплообмена (см. рис. XXI-13, их четыре) с целью возможной регулировки теплонапряженности по длине радиантного змеевика. Внутренняя полость каркаса рассекателя разбита на отдельные воздуховоды; в кладке грани рассекателя по высоте грани есть каналы прямоугольного сечения для подвода вторичного воздуха к настильному факелу каждой грани. Каждый воздуховод оснащен поворотным шибером, управляемым с площадки обслуживания.

В кладке граней рассекателя на двух ярусах по высоте граней расположены каналы прямоугольного сечения для подвода вторичного воздуха из воздуховодов к настильному факелу каждой грани. Изменяя подачу воздуха через каналы, можно регулировать степень выгорания топлива в настильном факеле, что позволяет выравнивать теплонапряженность по высоте труб в камере радиации.

Радиантный подвесной змеевик состоит из труб, расположенных у стен цилиндрической камеры. Настенные радиантные трубы размещены в один ряд и имеют одностороннее облучение, а радиальные с двусторонним облучением размещены в два ряда.

Печи типа КС

Печи типа КС – цилиндрические с кольцевой камерой конвекции, встроенным воздухоподогревателем, вертикальными трубными змеевиками в камерах радиации и конвекции и свободного вертикально-факельного сжигания топлива (рис. XXI-14). Комбинированные горелки расположены в поду печи. На стенах камеры радиации установлен одно- или двухрядный настенный трубный экран. Конвективный змеевик так же, как и воздухоподогреватель, набирают секциями и располагают в кольцевой камере конвекции, установленной соосно с цилиндрической радиантной камерой.

Печи типа КД4

Печи типа КД4 – цилиндрические четырехсекционные с кольцевой камерой конвекции, встроенным воздухоподогревателем, дифференциальным подводом воздуха по высоте факела, вертикальным расположением змеевика радиантных и конвекционных труб, настильным сжиганием
комбинированного топлива.
Печи выполняются в двух конструктивных исполнениях: с дымовой трубой, установленной на печи или стоящей отдельно.

Ссылка на основную публикацию