Тепловые трубы

Тепловые трубы: принцип действия

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

Источник: https://www.kakprosto.ru/kak-951029-teplovye-truby-princip-deystviya

Что такое тепловые трубы

В системах отопления для передачи тепла используются особые тепловые трубы. Принцип действия их довольно прост. Они выполняются из материала, способного передавать огромные мощности. Изделия используются не только в теплоэнергетики, но и для обеспечения промышленных нужд. Рассмотрим подробнее, что это такое.

Схема двухфазного термосифона

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.

Требования к жидкости

Расчёт теплоносителя немаловажен. Необходимо, чтобы термоточка преобразования жидкости в газ оставалась в диапазоне оптимальных величин. Только в этом случае тепловая труба проработает безаварийно долгие годы. Важно и то, что рабочая жидкость не должна подвергаться разложениям, кроме того ею смачиваются материал фитиля и поверхность корпуса.

На фото можно посмотреть, что это и как работает. Сегодня в системах используется ацетон, вода, и даже ртуть. Закачиваются и другие составы.

В отдельных случаях в качестве теплоносителей выступают натрий и серебро.

С помощью фитиля, выполненного из материала пористой структуры, производится перемещение жидкого вещества от участка конденсирования к участку испарения. Осуществляется это путём использования капиллярных сил.

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.

Источник: http://TrubyGid.ru/teplovye-truby

Тепловая трубка (heat pipe)

Термический цикл тепловой трубы: 1. Рабочая жидкость испаряется, поглощая тепловую энергию; 2. Пар перемещается вдоль полости к конденсатору с более низкой температурой; 3. Пар конденсируется обратно в жидкость, отдавая перенесённую тепловую энергию; 4.

Рабочая жидкость по фитилю течёт обратно к испарителю с высокой температурой.

Тепловая трубка (heat pipe) является простым устройством, которое может быстро передавать тепло от одной точки к другой по принципу замкнутого испарительно-конденсационного цикла.

 

Идея тепловых трубок с использованием капиллярного эффекта была впервые предложена R.S. Gaugler в 1942 году, который позднее запатентовал идею. Тем не менее преимущества капиллярных систем были также независимо проработаны и продемонстрированы в 1962 году G.M. Grover, его замечательные свойства были по достоинству оценены и началось серьезное развитие.

 

В последние 30 лет в качестве базовых элементов систем температурного регулирования электронных устройств эффективно применяются тепловые трубки — теплопередающие устройства, общим признаком которых является функционирование по принципу замкнутого испарительно-конденсационного цикла.

 

К основным преимуществам тепловых трубок по сравнению с традиционными элементами теплопередающих систем относятся:

 

• — простота конструкции;
• — отсутствие подвижных деталей и бесшумность работы;
• — малые массогабаритные характеристики;
• — отсутствие затрат энергии на перемещение теплоносителя;
• — надежность работы;
• — высокая эквивалентная теплопроводность.

 

Последний параметр является основным достоинством тепловых трубок. Благодаря использованию для передачи теплового потока скрытой теплоты парообразования эффективная теплопроводность тепловых трубок может быть в сотни раз больше, чем теплопроводность меди.

 

Тепловая трубка состоит из трёх основных компонентов:

 

1. Контейнер
2. Пористый капилляр или фитиль
3. Рабочая жидкость (например, вода)

 

Принцип работы тепловой трубки:

 

Состояние рабочей жидкости внутри изменяется благодаря вакууму. На уровне моря вода кипит при 100°С, но если вы подниметесь на вершину горы температура кипения будет меньше, чем 100°С. Это связано с разницей в давлении воздуха.

 

Тепловые трубки, имеют температуру кипения всего 30°C, выше которой рабочая жидкость испаряется. Этот пар быстро поднимается до верхней части тепловой трубки и происходит передача тепла. Отдав тепло в вверху, пар конденсируется с образованием воды и возвращается в нижнюю часть тепловой трубки, чтобы ещё раз повторить процесс.

 

Разновидностью тепловых трубок являются термосифоны, выполненные в виде, простой полой медной трубки, где сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием силы тяжести. Иными словами, трубка будет работать только в вертикальном или близком к тому положении, когда зона конденсации выше зоны испарения.

Тем не менее, максимально отводимая тепловая мощность определяется не только диаметром тепловой трубки, но и её ориентацией в рабочем положении относительно горизонта.

 

Приводим таблицу отводимых мощностей для трубок с любой пространственной ориентацией.

 

Диаметр трубки	Отводимая тепловая мощность, не менее
3 мм	5 Вт
5 мм	12 Вт
6 мм	15 Вт
7 мм	25 Вт
10 мм	35 Вт
13 мм	100 Вт

 

При вертикальной ориентации трубы (испаритель внизу) и при небольших отклонениях от вертикали, отводимая тепловая мощность может быть увеличена в 2-3 раза по сравнению с указанной в таблице. ООО «Системы СТК» принимает заказы на изготовление и поставку любых тепловых труб, а также на проектирование теплоотводов в изделиях Заказчика.

 

Трубки изготавливаются по чертежам Заказчика из стандартного медного проката с максимальной длиной до 900 мм.

В чертеже, помимо габаритных размеров, обязательно должны быть указаны размеры испарителя, то есть части трубки, контактирующей с поверхностью, от которой необходимо отвести тепло, и размеры конденсатора, то есть части трубки, с которой переданная тепловая мощность рассеивается в окружающей среде.

 

Поставляемые тепловые трубки имеют стойкость к механическим воздействиям и выдерживают вибрации до 500 Гц с амплитудой 0,5 мм, а их работоспособность сохраняется после воздействия температуры окружающей среды от минус 60°С до плюс 80°С.

 

Освоено производство теплоотводов на основе тепловых труб, предназначенных для естественно-конвективного и принудительно-конвективного воздушного охлаждения силовых полупроводниковых приборов с токовой нагрузкой от 300 до 2000А.

 

Изготавливаем тепловые трубки , теплоотводы, готовые системы охлаждения по Техническим Заданиям Заказчиков.

 

Полное техническое сопровождение и консультации Заказчиков с момента начала определения потребности и подготовки ТЗ (проектирование ТТ или полной конструкции системы охлаждения — теплопередачи , теплофизические, аэродинамические расчеты) до выпуска готовой продукции.
Высочайший контроль качества каждого изделия.

 

Приводим примеры поставляемых тепловых трубок.

 Прямые тепловые трубки

Тепловые трубки изогнутые, с основаниями  

Термостабилизатор грунта

Загнутая тепловая трубка (heat pipe) диаметром 6 мм, max передаваемой мощностью 18 Вт

Тепловая трубка (heat pipe) диаметром 13 мм, max передаваемой мощностью 100 Вт

Тепловая трубка (heat pipe) диаметром 5 мм, передаваемой мощностью 12 Вт с теплоотводом

Тепловые трубки (heat pipe) диаметром 5 мм, max передаваемой мощностью 15 Вт с…

Прямая тепловая трубка (heat pipe) диаметром 3 мм, max передаваемой мощностью 5 Вт

Тепловая трубка (heat pipe) диаметром 5 мм, max передаваемой мощностью 15 Вт с…

Тепловая трубка (heat pipe) S-образная, Ø 12 мм, Ρ= 70 Вт с теплоотводом

Тепловая трубка (heat pipe) Г-образная, Ø 12 мм, Ρ= 70 Вт с теплоотводом

Медная тепловая трубка (heat pipe) диаметром 6 мм, max передаваемой мощностью 18 Вт,…

Тепловая трубка (heat pipe) Ø 14 мм, Ρ= 70 Вт с теплоотводом

Тепловая трубка (heat pipe) Г-образная Ø 14 мм, Ρ= 70 Вт с теплоотводом

Тепловая трубка (heat pipe) Г-образная Ø 14 мм, Ρ= 70 Вт с теплоотводом

Тепловая трубка (heat pipe) Г-образная Ø 14 мм, Ρ= 70 Вт с теплоотводом

Загнутая тепловая трубка (heat pipe) диаметром 5 мм, передаваемой мощностью 12 Вт

Источник: https://npostk.ru/teplovaya-trubka-heat-pipe.html

Исследование основных характеристик термосифона и тепловой трубы

Цель работы: Изучить физические основы работы термосифонов и тепловых труб. Экспериментально и теоретически определить их основные характеристики. Исследовать температурное поле в сплошном металлическом стержне и определить коэффициент теплообмена.

Тепловые трубы (ТТ) и термосифоны используются в самых разнообразных сферах науки, техники, производства, быта. Интенсификация теплообмена, утилизация вторичных источников тепла – основные области практического применения ТТ и термосифонов.

Термосифоны являются наиболее простыми тепловыми трубами. Схема термосифона изображена на рис.1. В герметично закрытой трубе, из которой откачан воздух, помещено небольшое количество жидкости. В пределах температур 80-150 °С обычно в качестве рабочей жидкости (теплоносителя) используется вода.

При нагревании нижнего конца такой трубы (зона испарения) происходит испарение жидкости и пар поднимается к холодному концу (зона конденсации), где и конденсируется. Конденсат под действием гравитационных сил возвращается по стенкам трубы в зону испарения.

Так как скрытая теплота парообразования велика, то даже при малой разности температур между концами термосифона он может передавать значительное количество теплоты.

Перенос пара в термосифоне из зоны испарения в зону конденсации осуществляется за счет перепада давления в этих зонах. Поскольку работа термосифона сопровождается фазовым переходом первого рода, то возможно использование уравнения Клапейрона-Клаузиуса, которое является основным уравнением фазовых переходов первого рода:

(1)

Где— изменение давления от температуры,

L – скрытая теплота парообразования,

T – температура фазового перехода,

V2—V1 – разность объемов для системы жидкость – пар.

Термосифоны обладают высокой эффективной теплопроводностью.

Однако они имеют ряд существенных недостатков, главным из которых является то, что возврат конденсата в зону испарения происходит за счет гравитационных сил, а это значит, что зона испарения должна всегда находиться ниже зоны конденсации. Этот недостаток устраняется в тепловых трубах.
2. Устройство и принцип работы тепловых труб.

Тепловая труба (ТТ) по конструкции аналогична термосифону, но в тепловой трубе на внутренней стенке укреплен фитиль, сделанный, например, из нескольких слоев тонкой сетки, и конденсат возвращается в испаритель под действием капиллярных сил (рис.2). Как и в термосифоне, в ТТ используется фазовый переход 1-го рода.

В ТТ на расположение испарителя не накладывается никаких ограничений, и она может работать при любой ориентации. Конечно, если испаритель ТТ оказывается в нижней точке, гравитационные силы будут действовать в одном направлении с капиллярными.

Термин «тепловая труба» применяется также к высокоэффективным теплопередающим устройствам, в которых возврат конденсата осуществляется другими способами. Некоторые из них перечислены ниже:

Гравитация – термосифон,

Капиллярные силы – стандартная тепловая труба,

Центробежная сила – вращающаяся тепловая труба,

Электростатические объемные силы – электрогидродинамическая ТТ,

Магнитные объемные силы – магнитогидродинамическая ТТ,

Осмотические силы – осмотическая тепловая труба.

Эффективность тепловой трубы часто определяется понятием «эквивалентная теплопроводность». Например, цилиндрическая тепловая труба (рабочая жидкость — вода) при Т= 150°С будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь. Высокая теплопроводность — не единственное свойство ТТ.

Тепловая труба характеризуется:

1. очень высокой эффективной теплопроводностью;

2. способностью действовать как трансформатор теплового потока (рис.3);

3. изотермичностью поверхности при низком термическом сопротивлении.

Кроме того, специальные тепловые трубы могут также обладать другими важными характеристиками, например:

— переменное термическое сопротивление (ТТ с изменяющейся проводимостью),

— однонаправленная проводимость (тепловые диоды и выключатели).

Для обеспечения работы ТТ необходимо, чтобы максимальный капиллярный напор (DPc)Max превышал полное падение давления в трубе. Это падение давления складывается из трех составляющих:

А) перепада давлений DPl, необходимого возврата жидкости из конденсатора в испаритель;

Б) перепада давлений DPv, требуемого для перетекания пара из испарителя в конденсатор;

В) гравитационной составляющей DPg, которая может быть как положительной или отрицательной, так и равной нулю.

Таким образом:

(2).

Если это условие не соблюдается, то произойдет высыхание фитиля в зоне испарения и труба не будет работать. Если потерями давления в паровой фазе и гравитационным напором можно пренебречь, то величины, определяющие максимальную передающую способность тепловой трубы, можно объединить в некий критерий качества М:

(3),

Где RL – плотность, SL – поверхностное натяжение, ML – вязкость рабочей жидкости.

Течение в ТТ обычно всегда ламинарное, а жидкость выбирают такую, чтобы она смачивала фитиль и корпус трубы, обладала высокой теплопроводностью и поверхностным натяжением, низкой вязкостью, имела высокую скрытую теплоту парообразования и термическую стойкость. Структура фитилей может быть различной.

В зависимости от этого составляющая РL в формуле (2) будет зависеть от характеристики фитиля, а также свойств жидкости. Перепад давления в паровой фазе также будет зависеть от многих характеристик как пара, так и трубы в целом.

Поэтому расчет РV является сложной задачей и в целях упрощения применяют различные приближения и идеализации. Просто вычисляется только третья составляющая формулы (3) – гравитационный напор РG.

(4),

Где RL – плотность жидкости, G – ускорение свободного падения, L – длина тепловой трубы, j — угол между осью тепловой трубы и горизонталью.

Капиллярное давление определяется формулой Лапласа

(5),

Где R1 и R2 – радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных сечений.

Если R1=R2, то.

Исходя из (5), можно найти, что максимальный капиллярный напор в трубе будет определяться по формуле

(6),

Где Rl– эффективный радиус поры фитиля.

Важнейшей характеристикой ТТ является передаваемый ею тепловой поток. Метод проточного калориметра является основным методом определения тепловых потоков, передаваемых тепловыми трубами. Схема его изображена на рис.4.

Экспериментальная установка для измерения теплового потока этим методом включает в себя тепловую трубу, калориметр, датчики температуры и приборы для измерения термоЭДС.

Измеряя температуру воды на входе и на выходе калориметра и определяя ее массовый расход, можно рассчитать величину

(7),

Где Q – количество теплоты, переданное тепловой трубой калориметру, C – удельная теплоемкость воды, M – масса воды, T2—T1 – разность температур на входе и выходе калориметра.

Несмотря на всю свою простоту и надежность, метод проточного калориметра обладает рядом существенных недостатков. К ним прежде всего относится то, что он не позволяет ввиду конструктивных особенностей измерять тепловые потоки на других участках трубы, т. е.

является локальным. Искажения температурного поля трубы в районе расположения калориметра вносит некоторую погрешность в результаты исследования.

Кроме того, калориметр требует для своего обслуживания специальноe дополнительноe оборудованиe (насос для прокачки воды и т. д.).

Тепловые потоки могут быть определены и с помощью тепломера.

Тефлон относится к классу термопластичных смол. Его физическое состояние обратимо изменяется при изменении температуры. При 600 К тефлон скачкообразно переходит из твердого состояния в пластическое. У него обнаружены два фазовых перехода – 1-го и 2-го рода соответственно при 293 и 303 K.

На внутренней и внешней стенках полого цилиндра укреплены термопары. Диаметр внутреннего отверстия полого цилиндра выбирают таким, чтобы он плотно одевался на тепловую трубу. В ходе работы по определению теплового потока измеряется перепад температур между стенками цилиндра.

Используя результаты измерений и решение двумерной задачи для полого цилиндра с известными краевыми условиями, определяют тепловой поток, передаваемый тепловой трубой.

1. Температурное поле и тепловые потоки полого цилиндра (двумерная задача)

Дан полый ограниченный цилиндр с внутренним радиусом R1, внешним R2 и высотой 2H. Начало координат в центре. На внутренней поверхности поддерживается температура Tc=Const, на внешней поверхности и на торцах цилиндра происходит теплообмен AR и AH соответственно.

Коэффициент теплопроводности материала, из которого сделан цилиндр, L и температура среды Tc=Const.

Найти распределение температуры в цилиндре, тепловой поток в радиальном направлении и погрешность измерения теплового потока из-за торцевых потерь теплоты в стационарном режиме.

Математическая формулировка задачи следующая:

(7)

С граничными условиями

(8)

(9)

(10)

(11)

Где

Решение будем искать в виде двух функцийи

Причем

(12)

Функциювыберем так, чтобы она удовлетворяла обыкновенному дифференциальному уравнению

(13)

И граничным условиям

(14)

(15)

А функциюподберем так, чтобы она удовлетворяла дифференциальному уравнению

(16)

И граничным условиям

(17)

(18)

(19)

(20)

Общий интеграл уравнения (13) имеет вид

(21)

Постоянныеинайдем из граничных условий (14) и (15):

(22)

Где

Подставляя С1 И С2 в общий интеграл (21), получим следующее выражение для:

(24)

Функция представляет собой стационарное температурное поле полого бесконечного цилиндра. Решение задачи (16)-(20) ищется с помощью конечного косинус-преобразования Фурье:

(25)

(26)

В ходе преобразования находим

(27)

Где

В целом, после преобразования (16) задача сводится к решению уравнения

(28)

С граничными условиями:

(29)

(30)

Замена вида

(31)

Приводит (28) к уравнению Бесселя

(32)

Общий интеграл которого имеет вид:

(33)

Где N(Pr) и K(Pr) – модифицированные функции Бесселя нулевого порядка первого и второго родов. Коэффициенты C1 и C2Находятся из граничных условий (29), (30).

Таким образом, второе частное решение имеет вид (для изображения):

(34)

Для перехода к оригиналу воспользуемся формулой обращения:

. (35)

Тогда искомое решение запишется так:

(36)

С учетом (36) общее решение:

(37)

Где mn определяется из характеристического уравнения (27).

Тепловой поток в радиальном направлении, определяемый по закону Фурье

(38)

Можно записать так:

(39)

(40)

Покажем, что при H®¥, EQ®, что равносильно стремлению к нулю второго слагаемого равнения (39). Устремление H к бесконечности (H®¥) практически означает, что теплообмен на торцах цилиндра отсутствует, т. е. Bih=0.

Тогда характеристическое уравнение (27) преобразуется к виду

(41)

(Учитывая, что

)

Независимо от значения предела, стоящего в знаменателе (он не равен (-1), т. к. модифицированные функции Бесселя >0), общий предел равен нулю.

Таким образом, EQ® при H®¥. Положим теперь, что Bih=BiR=¥. В этом случае решение нашей задачи запишется в виде:

(42)

(43)

Погрешность в этом случае:

(44)

Где

Выражая из этих соотношений коэффициент теплопроводности, можно получить формулы для вычисления теплопроводности, более полно отражающие реальные условия эксперимента, дающие количественное представление о возможной его погрешности из-за торцевых потерь тепла.

1. Задача о линейном тепловом потоке в стержне

При решении этой задачи стержень предполагается настолько тонким, что температура во всех его точках поперечного сечения можно считать одинаковой.

Задача, таким образом, сводится к задаче линейного теплового потока, в котором температура определяется только временем и расстоянием, измеренным вдоль оси стержня. Предполагается также, что конечный элемент стержня отдает в результате теплообмена тепло.

Эта задача относится к типу задач с источником. Если считать, что теплообмен между стержнем и окружающей средой происходит по закону Ньютона, то

(45)

Где, A — коэффициент теплообмена, P — периметр стержня, с — удельная теплоемкость, R — плотность.

(46)

В случае установившейся температуры формула переходит в следующее выражение:

(47)

Граничные условия:

(48)

Решая уравнение (46) с граничными условиями (47), можно получить выражение для коэффициента теплообмена

(49)

Где L — длина стержня, L — коэффициент теплопроводности.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Главными элементами установки являются тепловая труба 1, термосифон 2 и медный стержень 3. На каждом из них вдоль длины укреплены по три термопары 8. В верхней части этих элементов расположены тепломеры 4, 5, 6. Показания термопар регистрируются цифровым вольтметром.

В корпусе 9 установки размещены нагреватели 7, которые подключаются к источнику тока. Мощность каждого нагревателя 50 Вт. На лицевой панели корпуса расположены тумблер «Сеть» и переключатели термопар. Крайний левый переключатель соответствует левой нижней термопаре (см. рис. 6 ), второй левый – левой средней и т. д.

(снизу-вверх и слева-направо). Показание термопары в 0,04 мВ соответствует перепаду температур в 1°С.

Максимальная мощность, подаваемая на установку, не должна превышать 40 Вт.

Установив необходимую мощность (начальное значение напряжения – 60 В) нагревателей, включить тумблер «Сеть». При этом должна загореться контрольная лампочка на лицевой панели корпуса. Стационарный режим наступает через 5 минут после включения. После этого можно приступать к измерениям, поочерёдно переключая термопары.

Температурные поля определяются термопарами, расположенными вдоль длин исследуемых образцов. Термопары, расположенные на тепломерах, служат для расчёта тепловых потоков. Для расчёта коэффициента теплообмена с окружающей средой в установке используется медный стержень.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дан П. Рей Д. Тепловые трубы. – М.: Энергия, 1979.
2. Юшков П. П. Функции Бесселя и их приложение к задачам об охлаждении цилиндров. АН БССР, Мн. 1962.
3. Лыков А. В. Теория теплопроводности. – М.: Гостехиздат, 1952.
4. Ивановский М. Н и др. Физические основы тепловых труб. – М.: Атомиздат, 1978.

Источник: https://www.webpoliteh.ru/issledovanie-osnovnyx-xarakteristik-termosifona-i-teplovoj-truby/

Тепловые трубы

Двигатели стирлинга

Как уже указывалось, тепловые трубы обеспечивают работу двигателя Стирлинга от различных нетрадиционных источников энергии. Тепловые трубы можно использовать с любым источ­ником тепловой энергии, благодаря чему система с двигателем Стирлинга становится многотопливной.

В будущем в связи с топ­ливной проблемой и необходимостью использования всех источ­ников энергии система тепловая труба — двигатель Стирлинга получит большее признание. Поэтому конструкторам и пользо­вателям двигателя Стирлинга следует ознакомиться с устрой­ством тепловых труб.

В данной книге, которую считаем ввод­ным курсом, мы сочли необходимым привести некоторые крат­кие данные по принципу действия и использованию тепловых труб. Желающим более детально изучить этот вопрос следует обратиться к книгам [29, 30].

Более подробная информация по системе тепловая труба — двигатель Стирлинга, разработанной фирмой «Филипс», содержится в статье [31].

Тепловая труба по своей сути является устройством для пере­дачи тепла между двумя точками, расположенными на значи­тельном расстоянии друг от друга, при очень малых градиентах температуры.

Последний факт делает ее очень полезной для систем с двигателем Стирлинга, в особенности для систем с термоаккумулирующей установкой.

При существующих разновидностях тепловых труб основной принцип их действия во всех случаях одинаков и заключается в переносе тепла находящимся в замкнутом пространстве веще­ством с фазовым переходом.

Рассмотрим тепловые трубы, ра­ботающие только по этому принципу, так как в данном кратком разделе невозможно охватить всю обширную литературу по этому быстро развивающемуся направлению. Число публикаций по тепловым трубам с каждым годом возрастает, и очень труд­но следить за всеми новыми предложениями.

Но тем, кто дей­ствительно интересуется двигателями Стирлинга, не следует упускать из виду успехов в развитии тепловых труб. (О быстром развитии тепловых труб свидетельствует тот факт, что число публикаций и патентов по ним, появившихся после 1964 г., пре­вышает число соответствующих работ по двигателям Стирлинга, опубликованных после 1816 г.

) Элементарная типичная кон­струкция тепловой трубы показана на рис. 5.9. Она состоит из замкнутой металлической трубы, внутренняя поверхность кото­рой покрыта слоем пористого материала типа мелкоячеистой проволочной сетки, который при работе трубы обладает капил­лярным действием. Такой пористый материал обычно называют фитилем.

Находящаяся в трубе жидкость впитывается в фи­тиль, а незанятый внутренний объем заполняется парами этой жидкости. Один конец называют испарителем, а второй — кон­денсатором. Тепло подводится к испарителю, где происходит испарение жидкости.

Пар в трубе под действием разности дав­лений переносится к конденсатору, где он конденсируется, вы­деляя тепло, полученное при парообразовании. Пар превра­щается в жидкость, которая под действием капиллярных сил возвращается по фитилю обратно в испаритель. В некоторых случаях этому обратному течению способствует расположение тепловой трубы, т. е. ему помогает сила тяжести.

КонтейнерИспарения | участокРис. 5.9. Принципиальная схема тепловой трубы [29].Конйенсации

Безопасности. При выборе рабочей жидкости для тепловой тру­бы рекомендуется исходить из того, чтобы давление ее паров находилось в интервале значений 0,01—1 МПа. Соответствую­щие температуры натрия составляют 650—1250 °С [31].

В системах с двигателем Стирлинга трубы нагревателя по­мещают в зону конденсации тепловой трубы, и испарившийся натрий конденсируется на этих трубах. Нагреватель должен быть изготовлен из нержавеющей стали.

В испытаниях, про­веденных фирмами «Филипс» [31] и «Юнайтед Стирлинг» [32] с двигателями мощностью менее 10 кВт, было отмечено замет­ное увеличение удельной мощности, обусловленное увеличением коэффициента теплоотдачи на наружной стенке тепловой трубы, а по существу, повышением эффективности горелки.

Самая большая нз используемых для работы с двигателем Стирлинга тепловых труб мощностью 60 кВт скон­струирована в Великобритании, в Редингском университете и фирмами английского консорциума «Ассошиэйтед энжиниринг дивелопментс» [34], и предназначена для работы с эксперимен­тальным двигателем мощностью 20 кВт в Королевском морском инженерном колледже.

В настоящем приложении определяются и разъясняются термины, применяемые — для характеристики и описания особен­ностей конструкции и протекания рабочих процессов в двига­телях Стирлинга. Определения таких терминов, как «изотерми­ческий», «адиабатный» и т. …

Условия балансировки ромбического механизма привода

Ромбический приводной механизм, бывший некогда одним из основных механизмов привода двигателя Стирлинга, сейчас вышел из употребления и применяется лишь в очень редких случаях. Однако он должен вернуться, если окажутся жизнеспособными …

ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В МЕТОДЕ ШМИДТА

При проведении анализа использовались следующие пред­положения: 1. Все процессы являются обратимыми. 2. Справедливо уравнение состояния идеального газа pV = = MRT. 3. Изменения объемов подчиняются синусоидальному закону. 4. Достигнуты периодические …

Источник: https://msd.com.ua/dvigateli-stirlinga/teplovye-truby/

ПОИСК

Таблица I. Применение тепловых труб в различных отраслях науки и техники, в том числе в отдельных процессах и элементах оборудования

    Тепловые трубы (рис, 1, а) представляют собой замкнутую систему, в которой теплота передается посредством кипения жидкости в одной точке и конденсации в другой. [c.104]

    Мощность, передаваемая тепловыми трубами, может быть ограничена ио следующим соображениям  [c.108]

    В разд. 3.10 описываются тепловые трубы, которые появились сравнительно недавно, и область их применения еще недостаточно определена. Поэтому этот раздел снабжен обширной библиографией. [c.3]

    При условии, что градиент давлеиия в паре мал, градиенты температур вдоль тепловых труб также могут быть невелики, что приводит к высоким значениям теплопроводности. Эффективная теплопроводность таких устройств может превышать в 1000 раз теплопроводность медного стержня такого же размера.

Тепловые трубы, в которых передача теплоты производится в направлении, противоположном силам гравитации, могут иметь максимальную длину около 40 см при использовании существующих пористых наполнителей. [c.105]

    Теплообменники с тепловыми трубами [c.107]

    Раздел 3.10 ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ [c.104]

    Во всех точках вдоль тепловой трубы перепад статического давления фаз на границе раздела паровой и жидкой фаз уравновешен локальной разностью давлений в капиллярах. Условия равновесия имеют вид [c.105]

    С тепловыми трубами тесно связаны двухфазные тер- [c.104]

    Па рис. 1 показано измепепие давления, расхода н уровня раздела фаз вдоль тепловой трубы. Максимальная [c.105]

    Восстановление тепла Тепловые трубы с вспомогательной подкачкой Жидкие ребра [c.107]

    ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ Разд. 3.10 [c.108]

    Рнс. 2. Тепловые трубы с артериями 1-И1  [c.109]

    Существуют три основных формы тепловой трубы (рнс. И). Первая (и самая распространенная) представляет собой закрытый цилиндр.

Такая тепловая труба изготавливается из труб или продольно высверленного стерж-41 с продольным сверлением, в который вставляется цилиндрический фитиль, находящийся в плотном контакте со стенкой грубы. Второй тип — это тепловая труба из плоских пластин, которая может быть как круглого, так и прямоугольного сечения.

Она изготавливается из двух сваренных плоских пластин с фиксированным расстоянием между ними и закрывается боковыми стенками. Третья конструкция выполнена в внде кольца, в котором соеди- [c.313]

С позиций ТРИЗ тут ясно различимо техническое противоречие надо ввести второе вещество (закон есть закон ) и нельзя вводить второе вещество (система усложнится). Выход — использовать вещество из ничего , пустоту, воздух. Кирпич с внутренними полостями вес уменьшился, теплоизоляционные качества повысились.

Что дальше Увеличение степени дисперсности полостей от полостей к порам и капиллярам. Это уже почти, механизм. Пористый кирпич, пропитанный азотистым материалом (по а. с. 283264), вводят в расплав чугуна кирпич медленно нагревается, происходит дозированная подача газообразного азота. Или пористый кирпич пропускает газ, но задерживает открытое пламя (а. с. 737706) и воду (а. с.

657822). И снова переход к бисистеме можно заполнить капилляры частично (т. е. снова ввести пустоту ), тогда появится возможность гонять жидкость внутри кирпича (внутреннее покрытие тепловых труб). [c.115]

    При этом сопротивление газового и воздушного трактов возрастает незначительно и нет необходимости в применении мощных вентиляторов и дымососов. Е.

ажным достоинством такого воздухоподогревателя является то, что температура стенки тепловой трубы (при квалифицированном выборе конструктивных характеристик н заполнении тепловой трубки теплоносителем) во время работы поддерживается значительно выше точки росы, что создает условия для на. ежной эксплуатации аппарата в коррозионной среде.

В отличие от воздухоподогревателей обычных конструкций, где сквозная коррозия труб приводит к перетоку части воздуха в дымовые газы, разрушение стенки тепловой трубы мало отражается на работоспособности аппарата. При этом незначительно уменьшается поверхность теплопередачи. [c.87]

    Во цторичиом коигуре, кроме подогрева воздуха, подаваемого в технологические печи, можно подогревать воду для горячего водо-снабже 1йя, а при необходимости, генерировать пар. Один нз перв.мх воздухоподогревателей на тепловых трубах смоитировап па установке Л-35-11/600 Новополоцкого НПЗ. [c.88]

    Первая статья по тепловым трубам была опубликована н 1964 г. I I]. Когда автор этого раздела работал над книгой по тепловым трубам 2], в его распоряжении было 152 статьи. В настоящее время должно быть опубликовано более 1000 статей и имеются enie две моногра

Смотреть страницы где упоминается термин Тепловые трубы: [c.163]    [c.87]    [c.297]    [c.105]    [c.105]    [c.106]    [c.106]    [c.106]    [c.106]    [c.107]    [c.107]    [c.109]    [c.109]    [c.110]    [c.313]    [c.313]   Смотреть главы в:

Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров Справочник -> Тепловые трубы

Тепло- и массообмен Теплотехнический эксперимент (1982) — [ c.423 ]

© 2018 chem21.info Реклама на сайте

Источник: https://www.chem21.info/info/117245/

Тепловая труба

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в устройствах теплопередачи и теплорегулирования.

В последнее время во многих странах разрабатываются так называемые тепловые трубы (ТТ), которые являются эффективно действующими теплоотводами. Известно, что в тепловых трубах имеет место, главным образом, не обычная теплопроводность, которая относительно мала, а гидравлический перенос тепла при двух противоположных друг другу фазовых превращениях.

Насосом, который обеспечивает циркуляцию как жидкого, так и парообразного теплоносителя, является фитиль, от его геометрических, теплофизических и гидравлических характеристик зависит теплопередающая способность тепловой трубы.

Эта способность не в меньшей степени зависит от характеристик и самого теплоносителя: давления насыщенного пара, теплоты испарения, вязкости, плотности жидкости и пара, теплопроводности, поверхностного натяжения, смачивания им твердых стенок капиллярных каналов фитиля. Все эти параметры зависят от температуры и изменяются вместе с тепловой нагрузкой на тепловую трубу.

Основное (гидравлическое) уравнение тепловой трубы без учета изменения количества движения и гравитационного воздействия на течение пара ввиду его малой плотности, может быть представлено в виде:

Δ PMAX≥ΔPg+Δ Pж+Δ Pп (1),

где Δ Pmax — максимальный капиллярный напор (абсолютная величина разности капиллярных давлений), которую может создавать фитиль данной тепловой трубы на данном теплоносителе при данной температуре, Δ Pg — разность гидростатических давлений жидкости в порах фитиля между концами тепловой трубы, Δ Рж — гидравлическое сопротивление (потери на трение) при движении жидкости по фитилю, Δ Рп — гидравлическое сопротивление при движении пара в паровом канале.

Δ P=Δ Pg+Δ Pж+Δ Pп. (2)

При увеличении тепловой нагрузки на тепловую трубу температура повышается, сила поверхностного натяжения, а следовательно, и Δ Pmax уменьшаются, а потери по пару и жидкости Δ Р при этом возрастают и стремятся к своему максимальному значению Δ Pmax. Когда Δ Р=Δ Рmах, дальнейшее увеличение нагрузки становится невозможным.

Значительное увеличение длины классической тепловой трубы даже при работе в горизонтальном положении наталкивается на определенные трудности, связанные, с одной стороны, с увеличением потерь как по пару, так и по жидкости, что снижает предельную мощность, а с другой — с изготовлением и монтажом длинных фитилей, особенно в том случае, если тепловая труба имеет изгибы корпуса.

Для увеличения длины классической тепловой трубы и снижения гидравлического сопротивления используют тепловые трубы с раздельными каналами пара и жидкости и локализованной пористой структурой, выполняющей роль капиллярного насоса. Конструкция такой трубы описана в авторском свидетельстве №1196665, которая выбрана в качестве прототипа.

Однако и в этой конструкции сохраняются недостатки, присущие тепловым трубам с пористыми капиллярными насосами, а именно:

— тепловая мощность и длина трубы ограничены максимальной величиной капиллярного напора Δ Рmах;

— величина капиллярного напора существенно зависит от смачиваемости поверхности пористой структуры и сил поверхностного натяжения, что создает значительные трудности при изготовлении, при подготовке поверхности и выборе и подготовке теплоносителя;

— отсутствует возможность регулирования тепловой мощности.

Предлагаемая конструкция позволяет избежать указанных недостатков путем введения в конструкцию электрокинетического насоса. Конструкция электрокинетического насоса описана в J.F.Osterley, Electrokinetic Energy Conversion // Journal of Applied Mechanics. — June 1964.

— pp 161-164. Такие насосы позволяют перекачивать жидкость через пористую структуру при приложении электрического поля. Оценки показывают, что при одинаковом размере пор электрокинетический насос позволяет получить в несколько раз больший перепад давления, чем капиллярный.

Поставленная задача решается тем, что тепловая труба содержит связанные паропроводом и конденсатопроводом испаритель, имеющий капиллярно-пористую насадку, и конденсатор, при этом насадка выполнена из электроизоляционного материала, например керамики, а с внутренней стороны насадки установлен сетчатый электрод, связанный со стержневым электродом, установленным в герметичном изоляторе на торцевой части испарителя.

Суть изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид предлагаемого устройства.

Тепловая труба работает следующим образом. При подводе тепловой нагрузки к испарителю 3 возникает разность температур и давлений между паром в пароотводных каналах 5 с одной стороны, и жидкостью в центральной полости насадки 4, с другой стороны.

Под действием разности давлений теплоноситель вытесняется из кольцевой области 7 конденсатора 6 и заполняет свободную часть конденсатопровода 2 и центральный канал насадки 4. Теплоноситель, поступающий к насадке 4, движется в зону испарения преимущественно в радиальном направлении.

Испарение его происходит с поверхности капиллярно-пористых элементов, плотно прилегающих к поверхности испарителя 3. Образующийся пар по кольцевым и продольным проточкам поступает в паровой коллектор 8, а из него по паропроводу 1 в конденсатор 6, где конденсируется и охлаждается до температуры приемника тепла.

Под действием разности давлений образующийся конденсат возвращается в испаритель, замыкая рабочий цикл тепловой трубы.

При отсутствии электрического напряжения между корпусом трубы и электродом 11 работа тепловой трубы не отличается от описанной в прототипе.

При подаче напряжения на электрод 11 электрокинетический насос, образованный корпусом испарителя 3, пористой насадкой 4 и сетчатым электродом 9, создает дополнительный перепад давления жидкости, который увеличивает имеющийся капиллярный напор.

Увеличение суммарного напора жидкости позволяет увеличить длину и тепловую мощность трубы. Т.к. работа электрокинетического насоса не зависит от смачиваемости пористой насадки 4, требования к качеству ее изготовления и подготовки значительно снижаются.

Таким образом, введение в конструкцию электрокинетического насоса позволяет:

— увеличить тепловую мощность и длину тепловой трубы;

— снизить требования к пористой насадке и подготовке теплоносителя;

— осуществить режим регулировки тепловой мощности и, тем самым, добиться достижения поставленной цели.

Из известных заявителю источников информации не обнаружена совокупность признаков, сходная с совокупностью признаков заявляемого объекта.

Тепловая труба, содержащая связанные паропроводом и конденсатопроводом испаритель, имеющий капиллярно-пористую насадку, и конденсатор, отличающаяся тем, что насадка выполнена из электроизоляционного материала, например керамики, а с внутренней стороны насадки установлен сетчатый электрод, связанный со стержневым электродом, установленным в герметичном изоляторе на торцевой части испарителя.

Источник: http://www.FindPatent.ru/patent/225/2256862.html