Разработка теплообменного аппарата на основе высокотемпературных тепловых труб

3)среднетемпературные ТТ - трубы     для     работы     в    диапазоне температур 550-750° К. Теплоносителями для этих труб  могут быть  сера, ртуть, цезий, рубидий, а   так   же   некоторые   химические   соединения, например, даутерм

4)высокотемпературные ТТ - трубы для работы при температурах выше   750° К. В  качестве  теплоносителей  могут  использоваться калий, натрий, литий, кальций,      свинец,  серебро, индий и другие высококипящие металлы. Эти теплоносители, в особенности литий, позволяют достичь весьма высоких осевых тепловых потоков (15 кВт\см2 и выше)

5)высокотемпературные ТТ из тугоплавких   материалов - Обычно используются   при   температурах   выше   1300° К.   Как   правило   они работают   в   контролируемых   средах ( вакууме   или   в   атмосфере инертных газов)

Классификация по составу  теплоносителя

1)однокомпонентные   -   теплоноситель  однороден   по своему химическому составу

2)многокомпонентные - теплоноситель представляет собой смесь двух и более веществ

3) газонаполненные – наряду с теплоносителем имеется некоторое количество неконденсирующихся газов

Классификация по конструкционному исполнению

1) паровые камеры - размеры трубы соизмеримы с длиной трубы

2) термосифоны - безфитильные тепловые трубы

3) ТТ с простыми фитилями;

4) ТТ с составными фитилями;

5) ТТ с артериальными фитилями;

6) ТТ с комбинированными фитилями.

           а)ТТ с простым фитилем                       б)паровая камера

 

1.3. Применение тепловых труб

Области использования  ТТ можно условно разделить на шесть классов:

1)Теплопередача  (нагрев или охлаждение).

2)Пространственное  разделение источника и стока  теплоты при теплопередаче. 

3)Термостатирование. 

4)Трансформация  теплового потока.

5)Регулирование температуры.

6)Тепловые диоды и выключатели.

  Тепловые трубы находят широкое применение в радиотехнике, электронике, оптико-механической промышленности и точном приборостроении для охлаждения, термостатирования и терморегулирования; в электротехнике и энергетике для охлаждения роторов и статеров электрических машин, обмоток трансформаторов, мощных осветительных и выпрямительных устройств, двигателей внутреннего сгорания и дизелей, утилизации сбросной теплоты, эффективной передачи теплоты в возобновляемых источниках энергии; в металлургии и металлообрабатывающей промышленности для охлаждения фурм, подов печей, создание изотермических печей, охлаждение режущего инструмента, литейных форм, сварочного оборудования; в химической, легкой и пищевой промышленности для создания оптимальных тепловых режимов соответствующих технологических процессов; в промышленности стройматериалов для отопительных систем и систем кондиционирования воздуха, в производстве бетона, битума и других материалов; в медицинской технике для нагрева и охлаждения крови, участков ткани.

 

 

 

1.4. Тенденции в развитии тепловых труб

Анализ выполненных работ  показывает, что далеко не в полной мере решена главная проблема: создание ТТ, способных передавать большие тепловые потоки высокой плотности теплопровода с малым термическим сопротивлением, технологичных     с     точки     зрения     их     серийного выпуска, обладающих воспроизводительными, заранее заданными оптимальными характеристиками. Поэтому существующие конструкции ТТ по своим параметрам часто не соответствуют требованиям эксплуатации и не могут обеспечить реализацию многих важных задач, возникающих в процессе развития современной техники.

Решение указанной проблемы может осуществляться по следующим  направлениям:

1) разработка новых и усовершенствование существующих конструкций капиллярных систем (КС) ТТ.

2)Улучшение теплофизических  свойств теплоносителей ТТ.

3)Рациональное использование  дополнительных воздействий на  процессы в ТТ.

Из всех направлений наиболее важным и плодотворным является первое, так как КС служит основным конструкционным элементом ТТ, в котором протекают все определяющие процессы, и поэтому обойти этот вопрос о совершенствовании КС ТТ даже при достижении положительных результатов по другим направлениям.

Капиллярная структура определяет основные теплотехнические характеристики ТТ - максимальную теплопередающую способность и термическое сопротивление, обуславливает степень воспроизводимости этих характеристик, возможность их прогнозирования и оптимального управления.

Для достижения наилучших  теплотехнических характеристик ТТ необходимо создать такие конструкции  КС , которые одновременно обеспечили бы высокую массовую скорость теплоносителя  и высокий уровень интенсивности  теплообмена в зонах подвода и отвода теплоты. При этом к КС предъявляются противоречивые требования: большой капиллярный потенциал, низкое гидравлическое сопротивление, высокая эффективная теплопроводность. Указанные характеристики КС не должны ухудшаться в условиях длительного функционирования ТТ и влияния внешних воздействий.

Конструкция и технология изготовления КС должны обеспечивать воспроизводимость их свойств, без чего невозможны серийный выпуск и широкое внедрение ТТ. Рациональное проектирование же ТТ на базе прогнозирования и оптимизации их характеристик, в свою очередь, требует четких однозначных функциональных зависимостей между параметрами КС.

Сравнительный анализ различных  типов КС ТТ следует проводить, учитывая выше изложенные требования.

Существующие конструкции  КС делятся на три группы:

1)вставные;

2)конструкционные;

3)комбинированные.

В связи с требованиями представленными выше, более предпочтительно

использование    конструкционных    КС, а    из    вставных    -    спеченных металлических  КС.  Так технология  изготовления  металловолокнистых материалов   обеспечивает   возможность   получения    КС   с   наперед заданными, многократно повторяемыми структурными параметрами, а также позволяет осуществить надежное крепление и хороший контакт МВКС с корпусом ТТ.

Высокая степень воспроизводимости свойств КС является необходимым условием надежности получаемых функциональных зависимостей между структурными параметрами КС и тепломассообменными характеристиками ТТ, не изменяющихся процессе работы ТТ и позволяющих проводить их расчет и оптимизацию. Прогнозирование и оптимальное управление характеристиками ТТ обеспечиваются однозначностью, монотонностью и достаточной точностью этих зависимостей в широком диапазоне изменения определяющих параметров. В этом плане можно выделить конструкционные КС и МВКС. Однако для конструкционных КС ТТ диапазон реализуемых исходных параметров КС довольно узок, что объясняется существующим уровнем технологии изготовления. Для МВКС же такие важнейшие свойства, как капиллярное давление, проницаемость, эффективная теплопроводность и другие являются четкими монотонными функциями в широком диапазоне изменения структурных параметров.

Таким образом, на данном этапе  развития ТТ создание ТТ с металловолокнистыми  капиллярными структурами позволяет  наиболее полно реализовать возможности ТТ и значительно расширить круг задач, решаемых с помощью этих устройств. Это вызывает необходимость проведения комплексных исследований, которые позволили бы создать технологическую базу рационального конструирования и производства ТТ и включали в себя исследования структурных, капиллярно-транспортных и теплофизических характеристик МВКС, определение предельных возможностей ТТ, исследования процессов теплообмена в них, оптимизацию параметров МВКС, разработку новейшей технологии изготовления ТТ с МВКС, исследования работоспособности ТТ при длительном функционировании и внешних воздействиях. Конечной целью таких исследований и разработок является внедрение различных конструкций ТТ с металловолокнистыми капиллярными структурами, технологии их изготовления и методик проектирования в производство.

1.5 Достижимые параметры

Несомненным удобством является автономность ТТ. Каждая отдельная  труба - независимый элемент системы, не требующий насосов и других вспомогательных устройств.

Использование этих тепловодов принципиально возможно в очень широком диапазоне температур - от низких, криогенных, температур (начиная с 1° К) до весьма высоких (2500-3000° К). В зависимости от уровня рабочих температур подбирают оптимальные теплоносители:

1) сжиженные газы;

2) органические жидкости;

3) легкокипящие металлы.

Обычно   каждый   теплоноситель   оказывается   оптимальным   лишь   в ограниченном температурном диапазоне (100-300° К). Особенно хорошими теплопередающими        характеристиками        обладают       трубы       с жидкометаллическими   теплоносителями. Они   могут   переносить   очень большие количества тепла - до 10 КВт и более на 1 см*2 сечения трубы. По мере   понижения   уровня   рабочих   температур физические   свойства применяемых      теплоносителей  ухудшаются,   ухудшается и теплопередающая    способность    труб. Однако    многое    зависит    от конструкционного оформления ТТ, от конкретных условий их работы.

Рабочая жидкость выполняет следующие функции:

-обеспечивает главную полезную функцию системы,

-должна иметь точку фазового перехода жидкость-пар в требуемом диапазоне рабочих температур,

-не должна разлагаться при этих температурах,

-должна обладать достаточно большой скрытой теплотой парообразования,

-должна хорошо смачивать материал фитиля и корпуса,

-должна иметь низкое значение вязкости жидкой и паровой фаз,

-должна иметь высокую теплопроводность и высокое поверхностное натяжение.

1.6 Совместимость материалов с теплоносителями

Тепловая труба, как и  любое устройство должна обладать высокой надежностью работы, которая во многом определяется совместимостью конструкционных материалов с теплоносителем. В данном случае под совместимостью подразумевается практическое отсутствие химических или электрохимических взаимодействий между теплоносителями и материалами; разложение теплоносителя из-за присутствия материала как катализатора; растворимости конструкционных материалов в теплоносителе.

Несовместимость материалов с теплоносителями проявляется  следующим образом:

1) Происходит образование неконденсирующихся газов с формированием при работе тепловой трубы газового буфера, уменьшающего поверхность зоны конденсации

2) Образуются твердые осадки реакций, которые загромождая поровое пространство капиллярных структур вызывают изменение их свойств

3) Изменяются физические свойства теплоносителей

4) Разрушаются капиллярные структуры и корпус тепловой трубы

В результате исследований появились рекомендации по наиболее приемлемым сочетаниям материалов и теплоносителей. Например воду рекомендуется использовать в сочетании с медью, титаном; метанол - с медью, нержавеющей сталью, титаном; ацетон   - с медью, нержавеющей сталью, никелем; аммиак - с нержавеющей сталью, никелем, алюминием, титаном; фреоны  - с медью, нержавеющей сталью, алюминием.

1.7 Особенности проектирования ТА на основе ТТ

В целом, технология изготовления ТТ и разработанное технологическое  оборудование обеспечивают, во-первых получение капиллярно-пористых материалов высокого качества с заранее заданными  оптимальными параметрами в широком диапазоне их изменения, многократное воспроизведение КС с идентичными структурными и геометрическими параметрами, надежное крепление КС к корпусу. Во-вторых, достигаются хорошее смачивание материала КС, высокая точность заправки теплоносителем, герметичность ТТ, практически полное отсутствие неконденсирующихся примесей.

Всё это обеспечивает надежность зависимостей между параметрами  КС и характеристиками процессов, протекающих  в ТТ,  и высокую степень  воспроизводимости теплотехнических характеристик тепловых труб.

При проектировании ТА важно  учесть ограничения рабочих параметров ТТ.

Рассмотрим  в первую очередь те ограничения, которые определяют максимальную переносимую  мощность и задают облласть параметров, где обеспечивается нормальная работа трубы.

Некоторые явления, ограничивающие область работы ТТ.

1) Срыв  жидкости. Направление движения пара и жидкости в ТТ противоположны. Поэтому на поверхности раздела фитиль - паровой поток на жидкость действуют касательные напряжения - возможен срыв капель. Унос капель жидкости наступит тогда, когда скоростной напор пара превысит силы поверхностного натяжения жидкости. Установлено, что чем тоньше сетка (чем меньше шаг проволочек), тем менее вероятен унос капель;

2) Ограничение  мощности ТТ по вязкости. При низких температурах преобладающими являются силы вязкости в паровом потоке: чем они выше, тем меньше скорость пара и мощность теплопередачи. Установлено, что для увеличения скорости пара достаточно снизить давление (в идеале до нуля) в зоне конденсации, т.е. снизить температуру этого конца ТТ.

3) Звуковой  предел. Снижение давления (температуры) в зоне конденсации и повышение температуры в зоне испарения как бы повышает "разность потенциалов" между концами ТТ, тем самым повышая скорость движения пара. Однако существует физический предел - скорость звука - при достижении которого уже никакое увеличение "разности потенциалов" не приводит к увеличению скорости пара. Достигается состояние, которое носит название "запирание" канала ТТ. При этом, если продолжать и далее уменьшать температуру в зоне конденсации, то ТТ потеряет свойство изотермичности - по ее длине будет наблюдаться значительный градиент температур.