ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Общие принципы развития тепловых труб из "Интенсификация теплообмена в тепловых трубах " Рассмотрим тепловую трубу (ТТ) как термодинамическую систему, обменивающуюся энергией с окружающей средой (рис. 1), контрольная поверхность которой — корпус [1]. Рабочим телом в такой системе является теплоноситель, участвующий в термодинамическом цикле. В общем случае на основе 1-го закона термодинамики можно считать, что разность между подведенным и отведенным тепловыми потоками превращается в другой вид энергии qn—Qk=L. Эффективность термодинамического цикла ТТ — преобразователя тепловой энергии можно оценить с помощью термического КПД г]т = ( 7и—Понятие термического КПД тепловых труб позволяет разделить их на три группы 1) преобразователи тепловой энергии в другие ее виды (генераторы) (т)т= 0) 2) классические ТТ, предназначенные в основном для передачи тепловой энергии (т)т = 0) 3) активного регулирования с использованием дополнительных внешних источников энергии нар, включая системы, обладающие холодильным эффектом (г]т= 0) . [c.7] Для указанных систем 2-й закон термодинамики применим в виде TdS O. С учетом принятого выше допущения термодинамическое состояние ТТ необходимо принимать неравновесным и стационарным, т. е. в дальнейшем анализе мы будем в минимальной степени затрагивать динамику тепловых труб. [c.8] В полученном выражении второе слагаемое является критерием Кутателадзе. [c.10] Следует отметить, что жидкая фаза может быть охлаждена до тройной точки на величину Тц—Т р. Коэффициент преимущества (1.16) для такого режима работы будет иметь вид Кпр= 1 + Ср(Тц—Туц)/г. Он является в этом случае характеристикой ТТ. При максимальном переохлаждении жидкой фазы /Спр. тах=1 + + Ср (Тц—T.tp)/r. Эффект увеличения Q существенно проявляется на ТТ, работающих при давлениях (температурах) пара, близких к критическим, что объясняется уменьшением г и ростом Ср. Расчет, проводимый для ТТ на воде, показал, что при температуре насыщения 7 н=300 К коэффициент преимущества пр. гаах = 2, т. е. скрытая теплота парообразования равна теплоте жидкости. [c.11] Для осуществления работы ТТ в режиме перегретого пара или переохлаждения жидкой фазы с помощью теплоизоляции или пространственного разделения парового и жидкостного каналов должны быть созданы адиабатические условия для тепловых потоков I и II. [c.11] Наличие двухфазного парокапельного потока массы в паровом канале приводит к снижению максимальной теплопередающей способности ТТ вследствие того, что не вся жидкость, транспортируемая по капиллярной структуре, превращается в пар. Присутствие капель в потоке увеличивает потери давления на трение в паровом канале возникающая в ряде случаев объемная конденсация может существенно изменить картину тепло- и массообмена в тепловой трубе. [c.13] При сравнении ТТ с малой степенью необратимости при одинаковой температуре пара определяющим фактором является перепад температур между испарителем и конденсатором. Следовательно, при создании тепловых труб необходимо стремиться к условию ДГтт- О. [c.14] Анализ тепловых труб классического типа проведем на примере криогенных ТТ [5]. [c.15] Температурный диапазон. Для каждой конкретной ТТ существует температурный диапазон работы, который определяется температурой тройной точки теплоносителя по нижнему пределу и критической (в термодинамическом смысле) по верхнему, кроме высокотемпературных органических теплоносителей (ВОТ). [c.15] Ограничение по теплопередаче. Как известно, тепловые трубы имеют ограничения (рис. 4) по теплопередаче вследствие кинетики испарения, гидродинамики течения жидкой фазы теплоносителя, достижения кризиса теплового потока в испарителе, газодинамического запирания по паровому потоку, ограниченного диапазона рабочих температур. Кроме рассмотренного выше — температурного, наиболее существенными ограничениями для криогенных ТТ являются кризис кипения и осушение фитиля. [c.16] Из выражения (1.34) видно, что теплофизические свойства теплоносителя (N ) существенно влияют на величину максимального передаваемого теплового потока. В результате расчета этого параметра для ряда теплоносителей (рис. 5) сделан вывод о том, что для криогенных жидкостей фактор Л/ может быть на порядок меньше, чем для низкотемпературных теплоносителей. Экспериментальные исследования подтверждают вывод о том, что для криогенных ТТ Qmax не превышает нескольких ватт. [c.17] В криогенных ТТ первое ограничение (капиллярное) наступает при больших поверхностях подвода тепла, а второе — при больших плотностях теплового потока. [c.18] Следует отметить, что уравнение (1.35) получено для кипения теплоносителя на гладкой поверхности. В криогенных же тепловых трубах, имеющих капиллярную структуру, этот процесс существенно интенсифицируется. [c.18] Анализ и оптимизация капиллярной структуры. Криогенные ТТ при хранении или эксплуатации могут находиться при температурах выше критической (в термодинамическом смысле), что приводит к сверхвысокому давлению пара. Такие условия в криогенных ТТ резко снижают надежность их конструкций, а в ряде случаев могут приводить к гидравлическому взрыву. Мерами по обеспечению надежности являются повышение толщины стенки и введение дополнительного резервуара для увеличения удельного объема паров в тепловой трубе при сверхкритических температурах. Первая характеризуется ростом термического сопротивления и снижением эффективности теплопередачи. Вторая будет сопровождаться интенсификацией теплопритоков к ТТ вследствие того, что для предотвращения перекачки теплоносителя в резервуар его необходимо поместить в среду с более высокой температурой, чем температура конденсатора. Кроме того, в ряде практических систем, где эксплуатируется криогенная тепловая труба, не имеется среды с такой температурой. [c.18] Наиболее приемлемой для криогенных тепловых труб является структура в виде прямоугольных аксиальных канавок. Объем теплоносителя в такой конструкции минимальный вследствие нулевой извилистости и малых гидравлических потерь. Кроме того, указанная структура обладает высокими коэффициентами теплопередачи в испарителе, а также в этом фитиле затруднены условия накапливания паровых пузырей. [c.19] С целью определения параметров капиллярной структуры, отличающейся минимальным объемом теплоносителя, проведем ее оптимизацию при заданных значениях величины передаваемого теплового потока и геометрических параметров ТТ (длины и диаметра). [c.19] Результаты испытаний разработанных четырех типов конструкций криогенных ТТ сложной формы [б] (рис. 6) удовлетворительно согласуются с проведенными теоретическими исследованиями. [c.20] В технике находят применение гетерогенные теплопередающие системы с изохорическим изменением состояния — газорегулируемые ТТ, обладающие свойствами термостабилизации [7]. [c.20] Рассмотрим работу газорегулируемой тепловой трубы, особое внимание уделяя коэффициенту температурной чувствительности а. Анализируя процесс стабилизации температуры с помощью таких ТТ, воспользуемся моделью, описанной в работе [8]. Сделаем следующие допущения ТТ представляет собой закрытую термодинамическую систему парогазовая смесь в блокированной зоне подчиняется всем законам идеальных газов пар и газ несжимаемы движение пара ламинарное положение ТТ горизонтальное в ТТ теплопередача происходит при наличии испарения и конденсации теплоносителя. [c.20] Вернуться к основной статье