Тепловые трубы

Тепловые трубы — конструкция и принцип действия

Для наиболее эффективной передачи тепловой энергии от одного источника к другому потребителю применяются тепловые трубы. Они способны транспортировать на большие расстояния разный тип теплоносителя при небольших потерях мощности и незначительном перепаде температуры. Однако это не значит, что тепловые трубы можно использовать только в системах отопления зданий.

Принцип действия тепловых труб

Принцип действия тепловых труб заключается в том, что передача тепловой энергии в них осуществляется за счет испарения и конденсации жидкого вещества. Если представить замкнутую емкость из металла, который обладает хорошей теплопроводность, например, медь с определенным количеством воды, то при нагревании одной части резервуара вода становиться паром, то есть из жидкого состояния она переходит в газообразный вид. Далее водяные пары поступают на охлажденную поверхность, где вода становится снова жидкой и стекает на старое место. При этом значительная часть тепла отводится через корпус металлической емкости.

Принцип устройства тепловой трубки

Простейшая конструкция тепловых труб состоит из следующих частей:

  • корпус из металла, который хорошо проводит тепло;
  • рабочая среда из жидкого вещества;
  • фитиль, который представляет твердое вещество с порами для движения жидкости.

Корпус тепловой трубы должен быть сделан из прочного материала, который должен создать надежную степень герметичности. В качестве материала могут быть использованы сплавы различных металлов, стекло или керамика.

Корпус трубы должен быть заполнен жидким веществом, которое способно переходить из естественного состояния в газовую среду при рабочей температуре эксплуатации трубы. Это вещество является главным средством переноса тепловой энергии.

Так называемый фитиль предназначен для того, чтобы жидкость могла перемещаться по капиллярам из одной части устройства в другую. Материалом для данного фитиля может быть любое вещество с пористой структурой, иными словами с каналами для продвижения жидкости.

Вышеописанное устройство называют тепловая трубка Гровера.

Это американский ученый, который в 1963 году усовершенствовал конструкцию тепловой трубы и представил ее научной общественности. Если раньше в тепловой трубе жидкость стекала под действием силы притяжения самотеком, то в устройстве ученого из США впервые был использован капиллярный способ ее перемещения.

Как видно, данное устройство является не очень сложным, однако технический расчет тепловой трубы могут сделать только специалисты, которые способны правильно выбрать материал устройства, его размеры и рабочие характеристики.

Функции тепловых труб весьма разнообразны, однако главная задача – эффективная передача тепловой энергии из одной части устройства в другую. Предел практического действия тепловых труб ограничен только прочностью и надежностью корпуса. Температура рабочей среды может варьироваться от абсолютного нуля до тысяч градусов.

Передача тепловой энергии может происходить с помощью нескольких способов:

  • нагрев трубы при помощи открытого пламени;
  • непосредственный контакт с нагретым веществом;
  • при помощи электрического тока.

Контурные тепловые трубы

С развитием науки и технологий затем была изобретена тепловая труба, в которой отсутствует фитиль. Его роль выполняют специальные контурные трубки, по которым происходит перемещение рабочей среды. Так появились контурные тепловые трубы.

Они имеют несомненные достоинства:

  • высокий уровень теплопередачи;
  • простая конструкция, которая не требует большого количества материала;
  • надежность в работе;
  • хорошая степень адаптации к различным условиям;
  • в их составе отсутствуют подвижные механические элементы;
  • очень большой срок эксплуатации;
  • сохранение рабочих характеристик в любом пространственном положении.

В принципе, они представляют собой такие же капилляры, но немного большего размера и предназначены для других условий эксплуатации. Контурные трубы обладают прекрасными качествами по передаче тепла. По сути, их можно назвать сверхпроводниками тепловой энергии.

Область применения тепловых труб

Сфера использования тепловых труб весьма разнообразна:

  • Передача тепловой энергии с минимальными затратами для различных объектов и зданий.
  • Отвод тепла в устройствах микроэлектроники, даже в ПК существуют данные устройства.
  • Оборудование современных систем отопления производственных и жилых помещений.
  • Холодильники и устройства охлаждения.
  • Космическая промышленность.
  • Медицина.
  • Строительство дорог и домов в условиях вечной мерзлоты.
  • Обеспечение теплом теплиц и т.п.

Трудно перечислить все отрасли промышленности, где используются тепловые трубы. В настоящее время готовятся разработки с использованием нанотехнологий, ученые уже подошли к тому, что работа человеческого тела с многочисленными капиллярами основана на том же принципе, что и обычные тепловые трубы.

Трубы для систем отопления

Далее рассмотрим, как используются трубы для тепловых сетей для обогрева домов и зданий любого назначения. Ведь для обычных обывателей отопительные и тепловые трубы являются равноценным понятием.

Отопительные трубы могут быть из асбестоцемента, стали со слоем цинка, стали с покрытием из керамики или эмали, а также это может быть сочетание двух различных металлов – биметалл.

Асбестоцементные тепловые трубы производят из смеси асбеста, который играет роль арматуры и цемента, придающего форму и прочность изделия.

Достоинства данных изделий:

  • полное отсутствие коррозии;
  • сохранение рабочих характеристик при температуре воды до 130 градусов;
  • дешевизна;
  • минимальные потери тепловой энергии при транспортировке горячей воды.

Теплопроводность труб из асбестоцемента значительно ниже, чем у аналогичных изделий из металла. Помимо этого монтаж асбестоцементных труб осуществляется проще и удобнее, чем стальных изделий.

Однако есть и недостатки, главный из которых – недостаточный уровень прочности при воздействии механической нагрузки. Для оборудования отводов и изгибов производители не выпускают дополнительные элементы.

Тепловые биметаллические трубы производятся из стали, которая сверху покрывается другим металлом. Это необходимо для предотвращения коррозии стали. Толщина наружного защитного слоя может быть до 20% толщины изделия. Помимо этого, теплоотдача такой трубы ниже, чем у обычных стальных изделий.

Преимуществами данных труб являются:

  • высокие антикоррозийные характеристики;
  • большой срок эксплуатации;
  • потери тепловой энергии ниже, чем у стальных труб.

Однако их использование в больших тепловых коммуникациях ограничено из-за высокой стоимости.

В современных системах отопления магистральные коммуникации оборудуются теплоизолирующими материалами. Труба с тепловой изоляцией значительно снижает потери тепловой энергии, а в районах вечной мерзлоты и в условиях расположения магистрали на улице это обосновано экономически.

Если раньше утепление производилось с помощью обычной минеральной ваты, которая была обернута в рубероид, то сейчас используются самые современные технологии.

Существуют два варианта современного утепления отопительных труб. Первый вид — готовые формы из стекловолокна и минеральной ваты, которые запрессованы в полимерный короб. Этот вид утеплителя используется, в основном, для теплосетей, находящихся на открытом воздухе.

Второй вариант — это когда слой полимера наносится на трубу еще на стадии ее производства. При сварке труб используются специальные утеплители для шва.

Тепловая изоляция для труб может производиться из следующих материалов:

  • армированный пенобетон;
  • смесь минерального волокна и пенополимера;
  • пенополиуретан.

Фактически труба отопления поставляется специалистам по монтажу как бы одетой в защитный короб из толстого слоя утеплителя. Слой теплоизоляционного материала прочно расположен на поверхности изделия. Утепленные таким способом трубы впоследствии не нуждаются в дополнительной гидроизоляции, так как вышеперечисленные материалы не впитывают влагу.

Все эти новшества полезны не только для сохранения тепла, но и в значительной мере упрощают монтажные работы и сокращают их сроки.

Стальные трубы с цинковым покрытием, как правило, используются в системах отопления с температурой воды не больше семидесяти градусов. Однако для цинка важен состав теплоносителя. Если в нем присутствуют кислотные или щелочные составы, то они постепенно разрушают данные изделия.

В последнее время стали популярными чугунные трубы шаровидной структуры. Их отличает по сравнению с обычным чугуном высокая прочность и надежность. Они обладают высокой устойчивостью к коррозии и очень большим сроком службы, не менее 50 лет. Стоимость чугунных труб с шаровидной структурой намного ниже, чем стальных аналогов.

Трубы чугунные с шаровидным графитом

Но стальные трубы с тепловой изоляцией наиболее предпочтительны в условиях сурового климата нашей страны. А для продления срока эксплуатации при производстве стальных труб используются достаточно эффективные добавки из алюминия и никеля. К тому же, внутренние стенки труб также дополнительно обрабатываются в целях защиты от коррозии.

Серьезный недостаток стальных труб – высокий коэффициент теплопроводности, из-за которого тепловая энергия уходит в землю или окружающий воздух. Но технологии и научные разработки не стоят на месте и постепенно разрабатываются новые материалы для устранения всех недостатков отопительных труб.

Яркий пример использования новых методов борьбы с коррозией и уменьшением теплоотдачи – стальные трубы с эмалевым покрытием. Снаружи трубы при ее производстве наносится тонкий слой эмали, который состоит из кремния, обработанного в условиях высоких температур.

Защитный слой может наноситься как снаружи, так и на внутренних стенках трубы. При этом значительно улучшаются гидродинамические характеристики и долговечность изделий. Дело в том, что внутри трубы с течением времени образуются смолистые и солевые отложения, уменьшая пропускную способность трубопровода. А использование силикатно-эмалевого слоя препятствует этому, антикоррозийные характеристики повышаются.

Тепловые трубы: принцип действия

Содержание статьи

  • Тепловые трубы: принцип действия
  • Как обогреть трубу
  • Теплообменник труба в трубе: 4 варианта конструкции

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.

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.

Будет полезно:  Как правильно согнуть полипропиленовую трубу в домашних условиях и избежать деформации

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.

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.

Тепловые трубы в системах теплоснабжения

В. П. Фролов, генеральный директор ГУП «Мосгортепло»,

А. Я. Шелгинский, докт. техн. наук, профессор ГОУВПО «МЭИ (ТУ)»

Тепловые трубы как высокоэффективные теплопередающие устройства, работающие по замкнутому испарительно-конденсационному циклу, находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности.

Высокие коэффициенты теплопередачи обуславливаются молярным переносом теплоты фазового перехода промежуточного теплоносителя от источника теплоты к потребителю. Для эффективного функционирования тепловых труб необходимы гидродинамические и термодинамические условия. Гидродинамические – характеризуют равенство движущих сил с силами, определяющими потери давления при течении пара, жидкости и фазовых переходах. Термодинамические – определяются перепадами температур на отдельных участках тепловых труб, сумма которых не должна превышать имеющуюся разность температур между источником теплоты и ее потребителем.

Тепловые трубы могут быть классифицированы на основе сил, обеспечивающих гидродинамический принцип циркуляции промежуточного теплоносителя в замкнутом объеме:

– различные комбинации вышеперечисленных.

Фитильные тепловые трубы, в которых перенос жидкой фазы теплоносителя от зоны конденсации к зоне испарения происходит под действием капиллярных сил, находят широкое применение для охлаждения элементов радиоэлектронной и вычислительной техники, переноса теплоты в условиях пониженной или при отсутствии гравитации и т. д.

Инерционные тепловые трубы используются, например, для охлаждения статоров электродвигателей, где роторами являются тепловые трубы, передающие избыточную теплоту внешним потребителям и т. д.

В промышленности и ЖКХ наиболее перспективными являются гладкостенные гравитационные тепловые трубы, которые чаще называют термосифонами. Объясняется это тем, что фитильная структура поверхности, расположенная внутри трубы, создает дополнительное гидродинамическое сопротивление для движения конденсата промежуточного теплоносителя к зоне испарения, в результате чего предельные тепловые потоки в фитильных тепловых трубах меньше, чем в термосифонах [1]. Кроме того, использование фитильной структуры усложняет изготовление тепловых труб и приводит к существенному повышению их стоимости.

Термосифоны подразделяются на однофазные и двухфазные. В первом случае теплота от зоны подвода к зоне отвода передается за счет свободной конвекции и теплопроводности жидкости. Во втором – с использованием фазовых переходов промежуточного теплоносителя.

Первый патент на теплопередающее устройство, соответствующее однофазному термосифону, получил А. М. Перкинс в 1831 году. В 1892 году Л. П. Перкинс и В. Е. Бак получили патент на теплопередающее устройство, выполненное в виде двухфазного термосифона.

Схема двухфазного термосифона

На рис.1 в общем виде представлена схема функционирования замкнутого двухфазного термосифона. При подводе теплоты от источника к зоне испарения промежуточный теплоноситель вскипает и пар перемещается по теплоизолированной зоне (если она необходима) к зоне конденсации, где отдает теплоту фазового перехода при конденсации потребителю. Конденсат под действием сил гравитации перемещается в зону испарения, замыкая процесс передачи теплоты. Высокие коэффициенты теплоотдачи при кипении и конденсации промежуточного теплоносителя обуславливают их хорошие теплопередающие свойства. Тем более, молярный перенос теплоты паром, даже на значительные расстояния, при соответствующем диаметре паропровода транспортной зоны и хорошей теплоизоляции происходит практически при постоянной температуре [2, 3]. Однако следует учитывать, что при определенной величине подведенного удельного теплового потока (отнесенного к площади поверхности испарителя) процесс кипения от развитого пузырькового переходит к пульсирующему, и коэффициенты теплоотдачи резко уменьшаются [4]. Это необходимо принимать во внимание при их проектировании и использовании. В зависимости от температурных уровней передачи теплоты от источника к потребителю и совместимости с конструкционными материалами стенок термосифона используются различные теплоносители [5].

Использование двухфазных термосифонов как в промышленности, так и в ЖКХ может быть весьма эффективным. На многих промышленных предприятиях значительное количество теплоты технологических процессов с достаточно высокой температурой выбрасывается в окружающую среду. Из-за агрессивности и загрязненности многих источников теплоты, при использовании традиционных теплообменных аппаратов, например, для ее непосредственной передачи потребителю, возникает ряд проблем, связанных, в первую очередь, с надежностью и безопасностью. В то же время термосифоны, как показали результаты их применения в таких условиях, являются достаточно эффективными. Например, в производстве экстракционной фосфорной кислоты для терморегулирования экстрактора в пределах от 80 до 110 °C (в зависимости от типа проводимой реакции) и выделением около 20 МВт теплоты, использование термосифонных теплообменников позволяет передавать ее непосредственно в систему теплоснабжения предприятия и оказывает существенное влияние на экономию электроэнергии и экологическую безопасность [6]. Так, в производстве экстракционной фосфорной кислоты для технологической линии производительностью 110 тыс. т 100 %-ой Р2О5/год сокращается потребление электроэнергии на 4,18 млн. кВт•ч/год, 270 тыс. ГДж/год возвращается в систему теплоснабжения предприятия, сокращаются выбросы фтора в атмосферу на 10 950 т/год. В действующих производствах серной кислоты при абсорбции водой SO3 выделяется значительное количество теплоты при температуре около 80 °C, которая через водооборотный цикл выбрасывается в окружающую среду. Использование нового теплотехнологического аппарата на основе термосифонных теплообменников позволяет перейти к более производительной высокотемпературной технологии производства серной кислоты, где теплота абсорбции используется для производства насыщенного пара с давлением 0,6 МПа [7]. Это приводит к дополнительному получению 662 400 ГДж/год насыщенного пара в одной технологической линии производительностью 1 515 т 100%-ой H2SO4/сут. для регенеративного и внешнего использования. В [8] предложена конструкция термосифонного теплообменника (рис. 2), которая была успешно использована в производстве слабой азотной кислоты под единым давлением для передачи 4,79 ГДж/ч теплоты сжатого газа, после первой ступени компрессора, питательной воде. Горячий воздух после первой ступени компрессора (1) поступает в межтрубное пространство вертикально расположенных оребренных труб теплообменника (2) и отдает теплоту промежуточному теплоносителю, который вскипает внутри труб. Пар промежуточного теплоносителя по паропроводу поступает в межтрубное пространство кожухотрубчатого теплообменника (3), где конденсируется, отдавая теплоту конденсации питательной воде, текущей внутри труб. Конденсат под действием сил гравитации поступает в нижнюю часть теплообменника (2), замыкая процесс передачи теплоты.

Схема термосифонного теплообменника для охлаждения воздуха после первой ступени компрессора

В [9] приводится схема термосифонной системы для шахтных систем вентиляции, которая позволяет сократить расход теплоты на 30–40 %, не выполнять работы по расширению котельной, сократить расход энергии на подогрев приточного воздуха.

Схема термосифонного теплообменника для утилизации теплоты термальных вод

В ЖКХ термосифоны как высокоэффективные теплопередающие устройства могут широко использоваться как для непосредственного переноса теплоты от источников с соответствующей температурой в систему теплоснабжения, так и для переноса теплоты от низкопотенциальных источников к установкам, догревающим теплоноситель до необходимой температуры. На рис. 3 представлена схема конструкции термосифонного устройства для теплоснабжения здания, рассчитанного, спроектированного по методикам [4, 10] и реализованного в пригородах Неаполя в Италии в 1981 году. Передаваемая тепловая мощность составила 25 кВт. Источником теплоты являлись термальные воды на глубине около 30 м. Тепловые трубы в комбинации с тепловыми насосами могут эффективно использоваться для утилизации теплоты низкопотенциальных источников [11, 12] в системах теплоснабжения. Теплообменники на тепловых трубах также эффективны для утилизации теплоты вентиляционных выбросов и использования теплоты топочных газов для удовлетворения потребностей в горячей воде и теплом воздухе [13, 14]. Интересным представляется возможность использования термосифона вместо подающего и обратного стояков зданий в системах отопления и горячего водоснабжения. В зоне испарения термосифона располагается трубчатый теплообменник для передачи теплоты от источника к промежуточному теплоносителю, который кипит в межтрубном пространстве. Его пар внутри термосифона перемещается на сотни метров практически при постоянной температуре. Поэтажно или для нескольких этажей в паровом пространстве термосифона устанавливается трубчатый теплообменник, который является частью общего конденсатора термосифона. Внутри труб течет нагреваемый теплоноситель, а между ними происходит конденсация части пара. Остальная его часть перемещается к другим потребителям. Конденсат под действием сил гравитации возвращается в зону испарения, замыкая процесс теплопереноса.

Литература

1. Безродный М. К., Волков С. С., Мокляк В. Ф. Двухфазные термосифоны в промышленной теплотехнике. Киев: Вища школа, 1991.

2. Сасин В. Я., Шелгинский А. Я. Особенности теплопереноса в тепловых трубах малого диаметра в области низких температур // Труды первой международной конференции по тепловым трубам. Штутгарт, 1973. С. 134–138.

3. Корчагина М. В., Шелгинский А. Я. К исследованию течения пара в низкотемпературных тепловых трубах // Инж. физ. журнал. Т. 50. 1986. № 2. С. 222–226.

4. Casarosa C., Latrofa E., Shelginski A. The geyser effect in a two phase thermosyfone // Int. Gournal of Heat and Mass Transfer. Vol. 26. 1983. № 6. P. 933–941.

5. Безродный М. К., Пиоро И. Л., Костюк Т. О. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах: Монография. Киев: Факт, 2003.

6. Темяшова О. Н., Удыма П. Г., Шелгинский А. Я. Совершенствование системы энергообеспечения цеха по производству фосфорной кислоты // Трактат Моск. энергет. ин-та. 1989. Вып. 198. С. 43–47.

7. Филина О. В., Шелгинский А. Я. Анализ эффективности использования теплоты в производстве серной кислоты // Промышленная энергетика. 1999. № 7. С. 40–42.

8. Дудкин В. И., Шелгинский А. Я. Применение тепловых труб в энерготехнологических системах производства слабой азотной кислоты // Ресурсосберегающее оборудование на базе тепловых труб: Тез. докл. Всесоюз. науч. техн. конф. Киев. 1987. С. 56–57.

9. Ферт А. Р., Чеховская Н. И., Гребенюк А. В. Термосифонная система утилизации теплоты удаляемого воздуха // Водоснабжение и санитарная техника. 1987. № 7. С. 17.

10. Shelghinski A. Tubi di calore a media temperatura. // ATTI del XXXVI Congresso Nazionale ATI dell Associazione Termotecnica Italiana. Vol. Viaregio: 1981. P. 739–752.

11. Фролов В. П., Щербаков С. Н., Фролов М. В., Шелгинский А. Я. Анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения // Энергосбережение. 2004. № 2. С. 50–53.

12. Фролов В. П., Щербаков С. Н., Фролов М. В., Шелгинский А. Я. Эффективность использования тепловых насосов в централизованных системах теплоснабжения // Новости теплоснабжения. 2004. № 7. С. 34–39.

13. Дан П. Д., Рей Д. А. Тепловые трубы: Пер. с англ. М.: Энергия, 1979.

14. Васильев Л. Л., Киселев В. Г., Матвеев Ю. Н., Молодкин Ф. Ф. Теплообменники-утилизаторы на тепловых трубах / Под ред. Л. И. Колыхана. Минск: Наука и техника, 1987.

Тепловые трубы: особенности устройства

Тепловые трубы представляют собой теплопередающие устройства, главной особенностью которых является способность передавать большие тепловые мощности при малых перепадах (градиентах) температуры. Устройства такого типа широко используются в теплоэнергетике, химической промышленности, электронике, а также в других областях промышленности.

В данном материале мы постараемся максимально доступно осветить принцип действия тепловых труб, а также рассказать о сфере их применения.

Стеклянный корпус тепловой трубы

Конструкция и функции тепловых труб

Термосифон как предшественник тепловой трубы

Устройством, которое являлось своеобразным «предшественником» тепловых труб современного типа является так называемый термосифон. Его конструкция, хоть и имеет значительные отличия от конструкции тепловых труб, все же базируется на тех же принципах.

Термосифон представляет собой специальную трубчатую емкость, внутрь которой вводится небольшое количество жидкости, после чего из емкости откачивается воздух и она герметизируется путем запайки.

Принцип работы термосифона следующий:

  • Тепло подводится к зоне испарения
  • Жидкость внутри капсулы термосифона превращается в пар, который под давлением движется в зону конденсации.
  • В зоне конденсации пар оседает на стенках, отдавая им тепло – следовательно, одним из условий, обеспечивающих работу термосифона, является эффективное отведение тепла от зоны конденсации пара.
    В противном случае возможен так называемый «кризис кипения», при котором вся жидкость испаряется и теплопередача проходит по стенкам термосифона, минуя зону конденсации.

Применение термосифонов обеспечивает значительную мощность теплопередачи даже том случае, если разница температур между концами термосифона незначительна.

Термосифон работает только тогда, когда его зона конденсации находится выше зоны испарения – только в этом случае возможно возвращение конденсата в зону испарения под действием силы тяжести.

Такая ситуация в ряде случаев является достаточно серьезны ограничением, поэтому на смену термосифонам пришли более сложные устройства — тепловые трубы.

Конструкция тепловой трубы

Наиболее распространенным типом тепловой трубы является тепловая труба Гровера (названная так по имени изобретателя).

Ее конструкция достаточно проста (насколько это возможно применительно к конструкции теплопередающего устройства) и включает в себя три основных элемента:

  • Корпус
  • Рабочую жидкость
  • Фитиль (капиллярно-пористый материал или КПМ)

Конструкция тепловой трубы

Ниже мы рассмотрим особенности конструкции каждого из этих элементов.

Корпус тепловой трубы чаще всего представляет собой камеру круглого или прямоугольного сечения. Для изготовления корпуса применяют нержавеющую сталь, сплавы алюминия, бронзу, медь, стекло, полимерные материалы либо керамику.

Главные функции корпуса – изоляция рабочей жидкости, а также — эффективное подведение и отведение тепла от нее. Для этого корпус должен быть герметичным и выдерживать значительное внутреннее давление.

Тепловые трубы производят с корпусами разных размеров, при этом ограничение в габаритах корпуса есть только «снижу» — они должны быть достаточными, чтобы исключить воздействие капиллярных сил в зоне движения пара.

Чтобы подобная ситуация не возникала, расчёт тепловой трубы, а также ее изготовление должны проводиться исключительно специалистами.

Рабочая жидкость в тепловой трубе является главным носителем тепла, который, собственно, и обеспечивает функционирование всей системы.

Исходя из этого к рабочей жидкости выдвигается ряд требований:

  • Она должна иметь точку перехода «жидкость-пар» в том диапазоне температур, в котором работает труба тепловая.
  • Рабочая жидкость не должна быть подвержена температурному разложению.
  • Она должна смачивать материал фитиля и корпуса тепловой трубы.

В качестве рабочих жидкостей в тепловых трубах применяют различные вещества в жидкой фазе: сжиженные гелий и аммиак, ацетон, воду, ртуть, а также – натрий или серебро.

Фитиль из пористого материала обеспечивает перемещение жидкости из зоны конденсации в зону испарения под действием капиллярных сил. Материал для фитиля должен обеспечивать равномерное движение жидкости по капиллярным порам.

В качестве фитиля используются металлические войлоки, металлические стеки или ткани саржевого типа плетения. Оптимальные материалы для фитиля тепловых труб – титан, медь, никель, нержавеющая сталь.

Отдельную категорию тепловых труб составляют так называемые контурные тепловые трубы. В отличие от классической схемы конструкции тепловой трубы у тепловой трубы контурного типа отсутствует фитиль, а передача рабочей жидкости от зоны испарения к зоне конденсации производится по контурным трубкам.

Схему контурной тепловой трубы вы можете видеть на рисунке.

Контурная схема тепловой трубы

Функции тепловых труб

Главной полезной функцией, которой обладают практически все трубы тепловые, является эффективная теплопередача по оси трубы между двумя зонами с разной температурой. Оптимальная работа тепловой трубы предусматривает, что режимы работы элементов не достигают критического порога.

Подача тепла к тепловой трубе может осуществляться любым удобным для вас способом:

  • Открытым пламенем
  • Электрическим током
  • Контактом с нагретым телом
  • Инфракрасным излучением

При этом единственной величиной, которой лимитируется тепловая мощность трубы, является тепловая стойкость корпуса.

Применение современных тепловых труб

Область применения тепловых труб сегодня достаточно широка.

Они могут использоваться в таких направлениях как:

  • Обустройство каналов эффективной теплопередачи
  • Разделение в пространстве источника нагрева и точки, в которую теплота передается (так называемый сток теплоты)
  • Комплектация термостатов и устройств, аналогичных по назначению
  • Терморегуляция и перенаправление тепловых потоков

Применение тепловых труб в энергетике

Кроме того, тепловые трубы являются обязательной деталью тепловых диодов и выключателей.

Характеристики тепловых труб на современном этапе достаточно впечатляющи:

  • Диапазон температур для работы тепловой трубы – от 4 до 2300 К.
  • Мощность теплопередачи – до 20 кВт на 1 см 2
  • Ресурс работы тепловой трубы составляет более 20 тыс. часов.

Трубы в тепловых сетях

Общие сведения о трубах

Однако под тепловыми трубами зачастую понимают не только устройства для теплопередачи, но и трубы, которые используются в тепловых системах. Ниже мы расскажем о разновидностях этих труб, а также – об особенностях их применения.

Трубы для тепловых сетей могут быть изготовлены из самых разных материалов.

К наиболее распространенным тепловым трубам относятся:

  • Напорные трубы из асбестоцемента
  • Биметаллические трубы
  • Оцинкованные трубы из углеродистой стали
  • Трубы из углеродистой стали с эмалевым или стеклокерамическим покрытием.

От используемого материала зависят не только потери тепла трубами при транспортировке теплоносителя, но и долговечность самой отопительной системы.

Вот почему к выбору материала для труб теплосети нужно подходить крайне ответственно.

Ниже мы рассмотрим все вышеперечисленные разновидности труб, и проанализируем их достоинства и недостатки.

Напорные трубы из асбестоцемента

Достаточно популярные сегодня отопительные трубы из асбестоцемента обладают рядом преимуществ, которые позволяют им «выигрывать» у труб из других материалов.

Напорная труба из асбестоцемента

Среди преимуществ асбестоцементных тепловых труб:

  • Выдерживают температуру теплоносителя (чаще всего горячей воды) до 120 – 130 0 С
  • Устойчивы к коррозии под воздействием почвенных растворов или других факторов
  • Асбест, входящий в состав таких труб, играет роль внутренней армировки, потому трубы из асбестоцементой смеси хорошо выдерживают сдавливающие деформации
  • Теплопроводность труб из асбестоцемента при температуре теплоносителя в 120 градусов меньше, чем теплопроводность аналогичной стальной трубы в аналогичных условиях в 62,5 раза.
    Потому можно смело заявлять, что по отношению к асбестоцементу такое определение как теплые трубы – отнюдь не гипербола.

Кроме того, асбестоцементовые трубы достаточно просты в монтаже и неприхотливы в обслуживании. Также они мало склонны к промерзанию даже в случае, если теплоноситель в них не циркулирует, потому теплый кабель для труб в данном случае практически никогда не требуется.

Тепловые биметаллические трубы

Трубы отопительные биметаллические производятся из высококачественной листовой стали, а поверхность таких труб покрывается защитным спецсоставом. Толщина защитного покрытия составляет от 5 до 20% от толщины стенки трубы.

Главной особенностью таких труб является тот факт, что они производятся горячекатаным методом – при этом не возникает необходимости термического воздействия на трубу, что положительно сказывается на ее антикоррозионных свойствах.

Оребренные биметаллические трубы

Биметаллические трубы для отопительных систем достаточно эффективны с точки зрения минимизации финансовых затрат, так как их срок службы гораздо больше, чем срок службы стальных труб.

И все же биметаллические трубы для теплотрассы используются достаточно редко ввиду их высокой стоимости.

Оцинкованные стальные трубы

При работе с теплоносителем, температура которого не выше 60-70 градусов Цельсия хорошую эффективность также демонстрируют трубы из высокоуглеродистой стали с цинковыми добавками.

Однако цинковое покрытие не универсально – при работе с теплоносителем, pH которого находится в пределах 6-7, оцинкованные трубы стремительно разрушаются. Также на устойчивость покрытия влияет скорость движения теплоносителя и уровень теплоносителя в трубе.

Труба в оцинкованной оболочке

Наравне с цинком для продления срока службы тепловых труб используют также легирующие добавки. В качестве таких добавок эффективны никель или алюминий. К другим процедурам, способным существенно повысить коррозионную устойчивость труб, относятся пассивирование, лакировка и фосфатирование внутренних поверхностей.

Что же касается экономичности использования таких труб, то она достаточно невысока. Объясняется это тем, что значительный коэффициент теплопередачи трубы из стали является причиной быстрого остывания теплоносителя.

Стальные трубы с эмалевым покрытием

Еще одна разновидность тепловых труб — стальные углеродистые трубы с эмалевыми покрытиями (также есть модификации со стеклоэмалевым покрытием).

Такие трубы отличаются следующими преимуществами:

  • Гладкая, твердая и долговечная внутренняя поверхность трубы
  • Высокая коррозионная устойчивость к воздействию теплоносителей различного состава
  • Высокая термостойкость
  • Длительный срок службы покрытия, а следовательно – и самих труб

Еще одним преимуществом труб с эмалевым покрытием является их относительно невысокая стоимость.

Как видите, под термином тепловые трубы могут скрываться кА достаточно сложные теплотехнические агрегаты, так и достаточно простые трубные конструкции для отопительных систем. И все же информация об этих устройствах должна быть у всех, кто планирует заниматься созданием отопительных систем.

Тепловые трубы в системах теплоснабжения

В. П. Фролов, генеральный директор ГУП «Мосгортепло»,

А. Я. Шелгинский, докт. техн. наук, профессор ГОУВПО «МЭИ (ТУ)»

Тепловые трубы как высокоэффективные теплопередающие устройства, работающие по замкнутому испарительно-конденсационному циклу, находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности.

Высокие коэффициенты теплопередачи обуславливаются молярным переносом теплоты фазового перехода промежуточного теплоносителя от источника теплоты к потребителю. Для эффективного функционирования тепловых труб необходимы гидродинамические и термодинамические условия. Гидродинамические – характеризуют равенство движущих сил с силами, определяющими потери давления при течении пара, жидкости и фазовых переходах. Термодинамические – определяются перепадами температур на отдельных участках тепловых труб, сумма которых не должна превышать имеющуюся разность температур между источником теплоты и ее потребителем.

Тепловые трубы могут быть классифицированы на основе сил, обеспечивающих гидродинамический принцип циркуляции промежуточного теплоносителя в замкнутом объеме:

– различные комбинации вышеперечисленных.

Фитильные тепловые трубы, в которых перенос жидкой фазы теплоносителя от зоны конденсации к зоне испарения происходит под действием капиллярных сил, находят широкое применение для охлаждения элементов радиоэлектронной и вычислительной техники, переноса теплоты в условиях пониженной или при отсутствии гравитации и т. д.

Инерционные тепловые трубы используются, например, для охлаждения статоров электродвигателей, где роторами являются тепловые трубы, передающие избыточную теплоту внешним потребителям и т. д.

В промышленности и ЖКХ наиболее перспективными являются гладкостенные гравитационные тепловые трубы, которые чаще называют термосифонами. Объясняется это тем, что фитильная структура поверхности, расположенная внутри трубы, создает дополнительное гидродинамическое сопротивление для движения конденсата промежуточного теплоносителя к зоне испарения, в результате чего предельные тепловые потоки в фитильных тепловых трубах меньше, чем в термосифонах [1]. Кроме того, использование фитильной структуры усложняет изготовление тепловых труб и приводит к существенному повышению их стоимости.

Термосифоны подразделяются на однофазные и двухфазные. В первом случае теплота от зоны подвода к зоне отвода передается за счет свободной конвекции и теплопроводности жидкости. Во втором – с использованием фазовых переходов промежуточного теплоносителя.

Первый патент на теплопередающее устройство, соответствующее однофазному термосифону, получил А. М. Перкинс в 1831 году. В 1892 году Л. П. Перкинс и В. Е. Бак получили патент на теплопередающее устройство, выполненное в виде двухфазного термосифона.

Схема двухфазного термосифона

На рис.1 в общем виде представлена схема функционирования замкнутого двухфазного термосифона. При подводе теплоты от источника к зоне испарения промежуточный теплоноситель вскипает и пар перемещается по теплоизолированной зоне (если она необходима) к зоне конденсации, где отдает теплоту фазового перехода при конденсации потребителю. Конденсат под действием сил гравитации перемещается в зону испарения, замыкая процесс передачи теплоты. Высокие коэффициенты теплоотдачи при кипении и конденсации промежуточного теплоносителя обуславливают их хорошие теплопередающие свойства. Тем более, молярный перенос теплоты паром, даже на значительные расстояния, при соответствующем диаметре паропровода транспортной зоны и хорошей теплоизоляции происходит практически при постоянной температуре [2, 3]. Однако следует учитывать, что при определенной величине подведенного удельного теплового потока (отнесенного к площади поверхности испарителя) процесс кипения от развитого пузырькового переходит к пульсирующему, и коэффициенты теплоотдачи резко уменьшаются [4]. Это необходимо принимать во внимание при их проектировании и использовании. В зависимости от температурных уровней передачи теплоты от источника к потребителю и совместимости с конструкционными материалами стенок термосифона используются различные теплоносители [5].

Использование двухфазных термосифонов как в промышленности, так и в ЖКХ может быть весьма эффективным. На многих промышленных предприятиях значительное количество теплоты технологических процессов с достаточно высокой температурой выбрасывается в окружающую среду. Из-за агрессивности и загрязненности многих источников теплоты, при использовании традиционных теплообменных аппаратов, например, для ее непосредственной передачи потребителю, возникает ряд проблем, связанных, в первую очередь, с надежностью и безопасностью. В то же время термосифоны, как показали результаты их применения в таких условиях, являются достаточно эффективными. Например, в производстве экстракционной фосфорной кислоты для терморегулирования экстрактора в пределах от 80 до 110 °C (в зависимости от типа проводимой реакции) и выделением около 20 МВт теплоты, использование термосифонных теплообменников позволяет передавать ее непосредственно в систему теплоснабжения предприятия и оказывает существенное влияние на экономию электроэнергии и экологическую безопасность [6]. Так, в производстве экстракционной фосфорной кислоты для технологической линии производительностью 110 тыс. т 100 %-ой Р2О5/год сокращается потребление электроэнергии на 4,18 млн. кВт•ч/год, 270 тыс. ГДж/год возвращается в систему теплоснабжения предприятия, сокращаются выбросы фтора в атмосферу на 10 950 т/год. В действующих производствах серной кислоты при абсорбции водой SO3 выделяется значительное количество теплоты при температуре около 80 °C, которая через водооборотный цикл выбрасывается в окружающую среду. Использование нового теплотехнологического аппарата на основе термосифонных теплообменников позволяет перейти к более производительной высокотемпературной технологии производства серной кислоты, где теплота абсорбции используется для производства насыщенного пара с давлением 0,6 МПа [7]. Это приводит к дополнительному получению 662 400 ГДж/год насыщенного пара в одной технологической линии производительностью 1 515 т 100%-ой H2SO4/сут. для регенеративного и внешнего использования. В [8] предложена конструкция термосифонного теплообменника (рис. 2), которая была успешно использована в производстве слабой азотной кислоты под единым давлением для передачи 4,79 ГДж/ч теплоты сжатого газа, после первой ступени компрессора, питательной воде. Горячий воздух после первой ступени компрессора (1) поступает в межтрубное пространство вертикально расположенных оребренных труб теплообменника (2) и отдает теплоту промежуточному теплоносителю, который вскипает внутри труб. Пар промежуточного теплоносителя по паропроводу поступает в межтрубное пространство кожухотрубчатого теплообменника (3), где конденсируется, отдавая теплоту конденсации питательной воде, текущей внутри труб. Конденсат под действием сил гравитации поступает в нижнюю часть теплообменника (2), замыкая процесс передачи теплоты.

Схема термосифонного теплообменника для охлаждения воздуха после первой ступени компрессора

В [9] приводится схема термосифонной системы для шахтных систем вентиляции, которая позволяет сократить расход теплоты на 30–40 %, не выполнять работы по расширению котельной, сократить расход энергии на подогрев приточного воздуха.

Схема термосифонного теплообменника для утилизации теплоты термальных вод

В ЖКХ термосифоны как высокоэффективные теплопередающие устройства могут широко использоваться как для непосредственного переноса теплоты от источников с соответствующей температурой в систему теплоснабжения, так и для переноса теплоты от низкопотенциальных источников к установкам, догревающим теплоноситель до необходимой температуры. На рис. 3 представлена схема конструкции термосифонного устройства для теплоснабжения здания, рассчитанного, спроектированного по методикам [4, 10] и реализованного в пригородах Неаполя в Италии в 1981 году. Передаваемая тепловая мощность составила 25 кВт. Источником теплоты являлись термальные воды на глубине около 30 м. Тепловые трубы в комбинации с тепловыми насосами могут эффективно использоваться для утилизации теплоты низкопотенциальных источников [11, 12] в системах теплоснабжения. Теплообменники на тепловых трубах также эффективны для утилизации теплоты вентиляционных выбросов и использования теплоты топочных газов для удовлетворения потребностей в горячей воде и теплом воздухе [13, 14]. Интересным представляется возможность использования термосифона вместо подающего и обратного стояков зданий в системах отопления и горячего водоснабжения. В зоне испарения термосифона располагается трубчатый теплообменник для передачи теплоты от источника к промежуточному теплоносителю, который кипит в межтрубном пространстве. Его пар внутри термосифона перемещается на сотни метров практически при постоянной температуре. Поэтажно или для нескольких этажей в паровом пространстве термосифона устанавливается трубчатый теплообменник, который является частью общего конденсатора термосифона. Внутри труб течет нагреваемый теплоноситель, а между ними происходит конденсация части пара. Остальная его часть перемещается к другим потребителям. Конденсат под действием сил гравитации возвращается в зону испарения, замыкая процесс теплопереноса.

Литература

1. Безродный М. К., Волков С. С., Мокляк В. Ф. Двухфазные термосифоны в промышленной теплотехнике. Киев: Вища школа, 1991.

2. Сасин В. Я., Шелгинский А. Я. Особенности теплопереноса в тепловых трубах малого диаметра в области низких температур // Труды первой международной конференции по тепловым трубам. Штутгарт, 1973. С. 134–138.

3. Корчагина М. В., Шелгинский А. Я. К исследованию течения пара в низкотемпературных тепловых трубах // Инж. физ. журнал. Т. 50. 1986. № 2. С. 222–226.

4. Casarosa C., Latrofa E., Shelginski A. The geyser effect in a two phase thermosyfone // Int. Gournal of Heat and Mass Transfer. Vol. 26. 1983. № 6. P. 933–941.

5. Безродный М. К., Пиоро И. Л., Костюк Т. О. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах: Монография. Киев: Факт, 2003.

6. Темяшова О. Н., Удыма П. Г., Шелгинский А. Я. Совершенствование системы энергообеспечения цеха по производству фосфорной кислоты // Трактат Моск. энергет. ин-та. 1989. Вып. 198. С. 43–47.

7. Филина О. В., Шелгинский А. Я. Анализ эффективности использования теплоты в производстве серной кислоты // Промышленная энергетика. 1999. № 7. С. 40–42.

8. Дудкин В. И., Шелгинский А. Я. Применение тепловых труб в энерготехнологических системах производства слабой азотной кислоты // Ресурсосберегающее оборудование на базе тепловых труб: Тез. докл. Всесоюз. науч. техн. конф. Киев. 1987. С. 56–57.

9. Ферт А. Р., Чеховская Н. И., Гребенюк А. В. Термосифонная система утилизации теплоты удаляемого воздуха // Водоснабжение и санитарная техника. 1987. № 7. С. 17.

10. Shelghinski A. Tubi di calore a media temperatura. // ATTI del XXXVI Congresso Nazionale ATI dell Associazione Termotecnica Italiana. Vol. Viaregio: 1981. P. 739–752.

11. Фролов В. П., Щербаков С. Н., Фролов М. В., Шелгинский А. Я. Анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения // Энергосбережение. 2004. № 2. С. 50–53.

12. Фролов В. П., Щербаков С. Н., Фролов М. В., Шелгинский А. Я. Эффективность использования тепловых насосов в централизованных системах теплоснабжения // Новости теплоснабжения. 2004. № 7. С. 34–39.

13. Дан П. Д., Рей Д. А. Тепловые трубы: Пер. с англ. М.: Энергия, 1979.

14. Васильев Л. Л., Киселев В. Г., Матвеев Ю. Н., Молодкин Ф. Ф. Теплообменники-утилизаторы на тепловых трубах / Под ред. Л. И. Колыхана. Минск: Наука и техника, 1987.

Ссылка на основную публикацию