Разработка теплообменного аппарата на основе высокотемпературных тепловых труб

 

Московский  ордена Ленина, ордена Октябрьской  Революции

и ордена Трудового Красного Знамени

Государственный Технический  Университет им. Н. Э. Баумана

 

 

 

 

 Факультет:    Энергетического машиностроения                                                          

 

 Кафедра:        Э-3 (Газотурбинные и нетрадиционные энергоустановки)

 

 

 
Расчетно-пояснительная  записка к курсовому проекту

«Теплообменные аппараты»

 

НА ТЕМУ:

 

«Разработка теплообменного аппарата на основе высокотемпературных тепловых труб»

 

  A

 

 

                                Студент:   Мордасов М.А.            

                                                    (фамилия, инициалы)

                             Группа:    Э3-72    

                                                                (индекс)

                                                  

      Руководитель проекта:    Протасов Ю.Ю

                                                            (фамилия, инициалы)

 

             Дата защиты:                 .

 

                      Оценка:               .

                                      

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2005 г.

                                                                                                                                           

 

1.1 Устройство и принцип работы тепловых труб

Тепловая труба определяется как испарительно-конденсационное герметичное устройство с использованием капиллярных сил, служащее для передачи теплоты и работающее по замкнутому циклу.

В XIX веке англичанин Дж. Перкинс впервые предложил теплопередающее устройство, характеризующееся функционированием по принципу замкнутого испарительно-конденсационного цикла. В настоящее время такие устройства, в которых возврат конденсата в зону подвода теплоты осуществляется под действием только лишь гравитационных сил, часто называются двухфазными термосифонами. В 1944 г. Р. Гоуглер получил патент на замкнутое испарительно-конденсационное устройство с возвратом конденсата по капиллярно-пористой структуре под действием капиллярных сил.

Изобретение Гоуглера не использовалось в течение 20 лет и лишь в 1963 г. получило своё второе рождение благодаря работам сотрудников Лосс-Аламосской лаборатории (США) Г. Гровера, Т. Коттера и др. Ими же и был впервые введен термин тепловая труба (Heat Pipe).

Первой фирмой, развернувшей серийное производство тепловых труб (с середины 1964), была RCA; в качестве материала корпуса использовались стекло, медь, никель, нержавеющая сталь, молибден; в качестве рабочей жидкости - вода, цезий, натрий, литий и висмут; максимальная рабочая температура достигала 1650°С.

Тепловой поток, подводимый от источника теплоты к зоне испарения  ТТ, вызывает испарение жидкости с  поверхности КС, обращенной в паровой  канал. Поток пара под действия градиента  давления перемещается по паровому каналу транспортной (адиабатной) зоны в зону конденсации. При отводе теплоты пар конденсируется на поверхности КС в этой зоне, и конденсат возвращается в зону испарения по КС под действием капиллярных сил.

         Основные достигнутые характеристики современных тепловых труб:

Рабочий диапазон температур	4 - 2300° К
Скорость теплопередачи	звуковой предел
Мощность теплопередачи	до 20 кВт/см2
Ресурс работы	20 000 ч

Таким образом, тепловая труба, являясь высокоэффективной  и надежной технической системой, перекрывает весь практически значимый для современной техники диапазон температур.

Скорость и  мощность теплопередачи даже в самых  простых тепловых трубах (рабочая  жидкость - вода, температура - 150°C, фитиль - несколько слоев сетки) в сотни раз превышает теплопередачу по медному стержню того же диаметра.

Возможность работы за счет капиллярных сил позволяет  использовать тепловые трубы в невесомости. Сочетание этого свойства с малой  массой дает возможность широкого применения этих теплопроводов для транспортировки и сброса тепла в различных элементах космических устройств. В наземных устройствах ТТ также работают эффективно.

ТТ специальных  конструкций способны обеспечивать автоматическое или принудительное регулирование термического сопротивления, изменять поверхности эффективного теплоотвода.

Возможны самые различные модификации тепловых труб. В простейшем случае тепловая труба имеет герметичный корпус, внутренняя поверхность которого устлана слоем капиллярно-пористого материала - фитилём, который насыщен жидкой фазой теплоносителя. Наиболее распространенный тип тепловой трубы - ТТ Гровера - состоит всего из трех элементов: корпус, рабочая жидкость, КПМ.

Корпус - обеспечивает изоляцию рабочей жидкости от внешней среды, должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами, обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее.

Материал - обычно используют нержавеющую сталь, алюминиевые  сплавы, медь, стекло, бронзу; пластмассы (гибкие ТТ), керамику (высокотемпературные ТТ).

Сечение - круглое или  прямоугольное.

Диаметр: минимальный диаметр  ТТ должен быть таким, чтобы внутренний диаметр зоны транспорта пара исключал действие капиллярных сил, т.е. чтобы  паровой канал не превратился  в капиллярный; максимальный - принципиальных ограничений не имеет.

 

 
              Фитилём могут служить различные пористые материалы (сетки, спечённые пористые структуры), канавки на внутренней поверхности корпуса трубы, экраны с перфорациями или какая-либо другая структура, способная осуществлять перенос жидкости из зоны конденсации в зону нагрева за счёт действия капиллярных сил. В качестве теплоносителя могут быть использованы любые химически чистые материалы или соединения, имеющие жидкую и паровую фазу при рабочей температуре трубы и, как правило, смачивающие материал фитиля.

Рассмотрим работу тепловой трубы простейшего типа в условиях отсутствия массовых сил. Подводимое к  трубе тепло передаётся за счёт теплопроводности через корпус трубы и, зачастую, через элементы фитиля к теплоносителю.

Испарение, смачивающей фитиль жидкости приводит к образованию или увеличению кривизны вогнутых менисков на поверхности жидкости в порах фитиля в зоне нагрева. Под действием сил поверхностного натяжения в вогнутых менисках появляется капиллярное давление Ркап, воздействующее на жидкость и стремящееся уменьшить кривизну менисков. Капиллярное давление в мениске определяется по формуле Лапласа:  , где Ркап - капиллярное давление; R1, R2 – главные радиусы кривизны поверхности мениска.

Конденсация жидкости отвода тепла приводит к затоплению фитиля. Кривизна менисков жидкости внутри фитиля в этой зоне, как правило, ничтожна по сравнению с соответствующей кривизной в зоне нагрева трубы. Различие кривизны менисков и, следовательно, капиллярных давлений в этих двух зонах трубы приводит к появлению перепада этих давлений, который является движущим перепадом давления при перекачке жидкости по фитилю из зоны конденсации в зону испарения. Таким образом, для обеспечения в тепловой трубе замкнутой циркуляции теплоносителя используется "капиллярный насос". Помимо капиллярных сил при работе тепловых труб могут действовать массовые силы - гравитационные, центробежные, электромагнитные и др.

Массовые силы способны как  улучшать циркуляцию теплоносителя  в тепловых трубах, так и затруднять её.

В работающей трубе при  циркуляции теплоносителя имеют  место следующие процессы:

1. Испарение жидкой фазы теплоносителя в зоне нагрева при подводе

тепла от источника;

2. Перенос пара в зону с пониженным давлением - зону теплоотвода и

конденсации;

3. Конденсация пара в зоне теплоотвода;

4. Подача жидкости из зоны конденсации в зону испарения под действием капиллярных или массовых сил.

Каждый из этих процессов  происходит с изменением давления вдоль  линии тока циркулирующего теплоносителя. При течении пара по паровому каналу изменение давления происходит как  за счёт гидравлических потерь, обусловленных  трением, так и за счёт инерционных эффектов - статическое давление в паре изменяется при вдуве массы пара в поток (испарение) или отводе массы пара (конденсация). Для жидкости, движущейся по фитилю под действием капиллярных сил, давление изменяется главным образом вследствие трения. В зоне испарения и конденсации на границе раздела фаз жидкость - пар помимо капиллярного давления имеет место перепад давления при фазовом переходе обусловленный динамическим воздействием испаряющегося или конденсирующегося теплоносителя.

В любом сечении стационарно  работающей трубы перепад давления между фазами уравновешивается капиллярным  давлением: , где Рф - перепад давления между паром и жидкостью вследствие фазового перехода.

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

Схема испарительного термосифона:

1- корпус; 2- пленка конденсата; 3- пар; 4- объем кипящей жидкости.

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

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

Схема цилиндрической тепловой трубы и качественное распределение  давления в паре Рп и жидкости Рж без воздействия массовых сил (а) и в поле сил гравитации, направленных против течения жидкости в фитиле (б);

1- корпус; 2- фитиль; 3- жидкость; 4- пар.

  Типичное распределение давления в паре по длине тепловой трубы показано на рисунке выше. Кривизна менисков и капиллярное давление по длине трубы изменяются.

 

1.2. Классификация

Тепловые трубы обладают рядом уникальных полезных свойств, и классификацию можно провести с учетом этих свойств.

1)высокая эффективная теплопроводность;

2)изотермичность поверхности трубы (перепад температуры может составлять менее 1° С на метр длины);

3)трансформация тепловых потоков;

4)терморегулирование и термостатирование;

5)другие свойства (например, разделение теплового потока, ТТ-изоляторы)

Конструкционное оформление, используемые материалы и теплоноситель существенно зависят от целей, для которых предназначена тепловая труба. Цели, которые могут достигаться применением тепловых труб, базируются на использовании перечисленных выше свойств труб.

Классификация по целям применения

1)перенос тепла - как   правило, необходимо   переносить   тепло   от источника     к     удаленному     теплоприемнику     при     минимальных потерях температурного напора

2)трансформация тепловых потоков - большие тепловые потоки в зоне испарения трубы преобразуются в малые в зоне конденсации и наоборот

3)терморегулирование - путем      воздействия    на    тепловую    трубу меняется переносимое количество тепла или температура источника (приемника)

4)термостатирование - поддерживание    постоянной   температуры во времени или в пространстве

5)диодные свойства трубы - использование   труб   переносящих тепло лишь в одном направлении

6)электрическая изоляция источника тепла от приемника

Классификация по диапазону  рабочих температур

1)криогенные ТТ - предназначены для работы в области температур от    0°    до    200° К. В этом    диапазоне температур    в    качестве теплоносителей можно использовать как химически чистые вещества (гелий, аргон, криптон, азот, кислород) так и химические соединения (этан, фреоны) ТТ характеризуются невысокой плотностью теплового потока в зоне нагрева которая составляет менее 1 Вт\см2

2)низкотемпературные   ТТ  -   предназначены      для      работы      при

температурах 200-550° К. В этом диапазоне температур в качестве теплоносителей можно использовать фреоны, аммиак, спирты, ацетон, вода, некоторые органические   соединения. Распространенным   теплоносителем для этих труб является   вода, обладающая хорошими теплофизическими свойствами