Тепловые трубы и термосифоны

К специальным типам теплообменных аппаратов с промежуточным теплоносителем относятся тепловые трубы и термосифоны.

Тепловыми трубами называются устройства, выполняющие функции теплопроводов типа стержней и ребер, но, в отличие от теплопроводов из сплошного твердого материала, внутри тепловых труб осуществляется интенсивный тепломассообмен за счет процессов испарения и конденсации находящейся внутри трубы жидкости (промежуточного теплоносителя). В результате интенсивность теплопередачи (эффективная теплопроводность «стержня») возрастает на много порядков.

Термосифон. В некоторых отношениях тепловая труба аналогична термосифону, поэтому, прежде чем рассматривать работу тепловой трубы, рассмотрим принцип работы термосифона, представленный на рис. 12.8, а.

В трубу помещается небольшое количество воды, затем из трубы откачивается воздух, и она плотно закрывается. Нижний конец трубы нагревается, что вызывает испарение жидкости и движение пара к холодному концу трубы, где он конденсируется. Конденсат под действием гравитационных сил возвращается к горячему концу трубы.

Так как скрытая теплота парообразования велика, то даже при очень малой разности температур между концами термосифона он может передавать значительное количество теплоты. Таким образом, подобная конструкция имеет высокую эффективную теплопроводность.

Рис. 12.8. Тепловая труба и термосифон:

а — термосифон: 1 — подвод теплоты; 2 — отвод теплоты; 3 — пар; 4 — конденсат; 5 — жидкость; 6 — тепловая труба: 1 — конденсат; 2 — фитиль; 3 — подвод теплоты;

4 — пар; 5 — отвод теплоты Одним из принципиальных недостатков термосифона является возврат конденсата в зону испарения за счет гравитационных сил, вследствие чего зона испарения всегда должна находиться ниже зоны конденсации.

Тепловая труба по конструкции в целом аналогична термосифону. Отличие состоит в том, что 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. 12.8, в). В тепловой трубе на расположение испарителя не накладывается никаких ограничений, и она может работать при любой ориентации. Если испаритель тепловой трубы 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, например под действием центробежной силы. Некоторые методы возврата конденсата приведены в табл. 12.1.

Таблица 12.1

Некоторые методы возврата конденсата

Основные элементы тепловой трубы показаны на рис. 12.9. Тепловая труба состоит из участка испарения 5 и участка конденсации 7 (рис. 12.9, а). В случае необходимости, обусловленной внешними требованиями, труба может иметь еще одну зону — адиабатный участок, разделяющий испаритель и конденсатор. На поперечном сечении тепловой трубы (рис. 12.9, 6) показано, что тепловая труба состоит из стенки корпуса У, фитиля 2 и парового канала 3.

Рис. 12.9. Основные элементы тепловой трубы:

а — продольное сечение тепловой трубы; б — поперечное сечение тепловой трубы: 1 — стенка трубы; 2 — фитиль; 3 — возврат жидкости по фитилю; 4 — нар;

• 5 — испарительный участок; 6 — адиабатный участок; 7 — участок конденсации;
• 8 — паровое пространство

Эффективность тепловой трубы часто определяется с помощью понятия «эквивалентная теплопроводность». Например, показанная на рис. 12.9, б цилиндрическая тепловая труба, в которой в качестве рабочей жидкости используется вода при температуре 150 °C, будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь. Теплопередающая способность тепловой трубы может быть очень большой. Так, в тепловых трубах на литии при температуре 1500 °C в осевом направлении может быть передан тепловой поток 10—20 кВт/см². При соответствующем выборе рабочей жидкости и материала корпуса могут быть созданы тепловые трубы для работы в интервале температур от 4 до 2300 К.

Цилиндрические тепловые трубы применимы во многих случаях, но для удовлетворения специальных требований могут быть созданы грубы других конфигураций.

Выше уже говорилось о высокой теплопроводности тепловых труб, но это не единственное их достоинство. Кроме того, тепловая труба характеризуется:

• • способностью действовать как трансформатор теплового потока (рис. 12.10);
• • изотермичностыо поверхности при низком термическом сопротивлении. Поверхность конденсации тепловой трубы в этом случае работает практически при постоянной температуре. Если на некотором участке возникает местный тепловой сток, то количество конденсирующегося в этом месте пара увеличивается, и за счет этого температура поддерживается на прежнем уровне.

Рис. 12.10. Тепловая труба как трансформатор теплового потока:

• 1 — подвод теплоты; 2 — отвод теплоты; 3 — низкий тепловой поток;
• 4 — высокий тепловой поток

Области применения тепловых труб очень разнообразны. Они используются, например, для охлаждения криогенных мишеней в ядерных ускорителях, для охлаждения электронного оборудования, в установках для кондиционирования зданий, в печах, при охлаждении и нагреве двигателей и т. п.