IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

История интенсивного развития высокоэффективных теплопередающих устройств, которые получили название «тепловая труба», насчитывает уже более 40 лет, начиная со 2 декабря 1963 года, когда на имя американского физика Джорджа Гровера из Лос-Аламосской национальной лаборатории был зарегистрирован патент № 3229759 под названием «конденсационно-испарительное теплопередающее устройство». В настоящее время использование тепловых труб является актуальным во многих отраслях, так как выделение теплоты является одним из наиболее распространенных процессов, которые сопровождают работу различных технических объектов [4,5].

Тепловые трубы незаменимы для систем терморегулирования космических аппаратов, они получили широкое применение для охлаждения теплонапряженных компонентов различных электронных устройств и компьютерной техники, в атомной энергетике, в промышленных теплообменниках и системах кондиционирования, в медицинской технике, пищевой промышленности и многих других.

Принцип работы тепловой трубы основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла находится легкокипящая жидкость, которая испаряется на горячем конце трубки, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.

Тепловые трубы бывают двух видов: гладкостенные и с пористым покрытием изнутри. В гладкостенных трубках сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения под действием исключительно силы тяжести, поэтому она работает только в положении, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, а жидкость имеет возможность стекать в зону испарения. Тепловые трубы с наполнителем могут работать практически в любом положении, поскольку жидкость возвращается в зону испарения по порам наполнителя под действием капиллярных сил, а сила тяжести в этом процессе играет незначительную роль [1].

Материалы и хладагенты для тепловых труб выбираются в зависимости от условий применения: от жидкогогелия для сверхнизких температур до ртути и даже индия для высокотемпературных применений. Однако большинство современных трубок в качестве рабочей жидкости используют аммиак, воду, метанол и этанол.

Ограничением применения гладкостенных тепловых труб является их довольно высокая чувствительность к изменению положения в поле силы тяжести. Небольшой наклон, в результате которого зона испарения оказывается выше зоны конденсации, приводит к снижению эффективности тепловых труб. Контурная тепловая труба (КТТ), рабочий цикл которой представлен на рисунке 1, лишена этого недостатка [2].

Точка 1, находящаяся на линии насыщения, соответствует параметрам пара над испаряющей поверхностью мениска. Участок 1–2 соответствует движению пара с этой поверхности в паропровод. Потери давления здесь обусловлены, в первую очередь, гидравлическим сопротивлением пароотводных каналов. Кроме того, на этом участке в общем случае повышается температура пара вследствие его теплового контакта с корпусом испарителя. Паропровод в большинстве случаев можно считать адиабатическим, а движение пара в нем – изотермическим (прямая 2–3). Потери давления в конденсаторе (прямая 3–5), как правило, пренебрежимо малы по сравнению с капиллярным давлением. Теплоноситель здесь переходит из паровой фазы в жидкую, и на теплообменном участке 4–5 переохлаждается. Дальнейший транспорт теплоносителя по конденсатопроводу также можно полагать изотермическим и сопровождающимся только потерей давления (участок 5–6). В результате в компенсационную полость поступает переохлажденная жидкость с давлением P₆. В то же время, в компенсационную полость проникает часть подводимого к испарителю теплового потока, в результате чего переохлажденный конденсат прогревается до температуры, соответствующей по линии насыщения давления P₆(прямая 6–7). Это соответствует тому, что над границей раздела фаз в компенсационной полости находится насыщенный пар. Участок 7–8 соответствует фильтрации теплоносителя из компенсационной полости к поверхности парообразования через капиллярную структуру. На этом участке, с одной стороны, имеет место падение давления жидкости, а с другой – повышение ее температуры. Таким образом, точка 8 (рисунок 1) соответствует состоянию теплоносителя в жидкой фазе вблизи испаряющего мениска.

Рисунок 1 - Диаграмма рабочего цикла контурной тепловой трубы

По результатам исследований [3] получены зависимости максимальной теплопередающей способности КТТ от температуры пара (рисунок 2).

Определены условия существования наибольших потерь давления при значениях температуры минус 40, плюс 35 и 60°С [3]. Так как потери давления в тепловой трубе компенсируются капиллярным давлением, то именно оно и принимает наибольшие значения. Также большие значения принимают величины потерь давления в капиллярной структуре, паропроводе и пароотводных каналах. Потери давления в конденсатопроводе обычно пренебрежимо малы по сравнению с максимальным капиллярным давлением, поэтому их часто не учитывают.

Рисунок 2 - Зависимость теплопередающей способности КТТ от температуры пара

Теплопередающая способность данной контурной тепловой трубы принимает наибольшие значения в диапазоне температур от 30°С до 50°С.

Существенное влияние на величину теплопередающей способности оказывают геометрические параметры теплотранспортных участков КТТ, особенно диаметр (рисунок 3). Максимальная теплопередающая способность увеличивается с увеличением диаметра транспортных участков КТТ, так как уменьшается величина потерь давления.

Радиус пор капиллярной структуры определяет величину капиллярного давления, что обеспечивает эффективную работу контурной тепловой трубы. Контурная тепловая труба с меньшим размером пор капиллярной структуры может работать при больших мощностях теплового потока, чем контурная труба с большим размером пор КС (рисунок 4).

Рисунок 3 - Зависимость давления от температуры при разных диаметрах теплотранспортных участков: 1-для d=0,004м, 2-для d=0,003м , 3-для d=0,002м , 4 – d=0,001 м.

Рисунок 4 - Вид зависимости давления от температурыпри разных размерах пор капиллярной структуры:

1 – , 3 – 3 мм

Таким образом, в современной технике контурные тепловые трубы являются альтернативными системами терморегулирования, работающими без дополнительных источников энергии, обладают основными достоинствами обычных тепловых труб, хорошо адаптируются к различным условиям эксплуатации.

Список использованных источников

1. Контурные тепловые трубы – высокоэффективные теплопередающие устройства// http: // www.uni.itbu.ru

2. Майданик Ю.Ф., Ферштатер Ю.Г., Пастухов В.Г. Контурные тепловые трубы: разработка, исследование, элементы инженерного расчета //Препр. УрО АН СССР. Ин-т теплофизики; № 86. Свердловск, 1989. С. 52.

3. Ферштатер Ю.Г. Теплообмен в тепловых трубах с разделенными каналами: Дис. к-та физ-мат. наук. Свердловск, 1988. С. 194.

4. Кисеев В.М. Физика теплопередающих систем / В. М Кисеев. Екатеринбург.: Урал, ун-та, 2006. С. 188.

5. Чи С. Тепловые трубы: Теория и практика /С. Чи. Пер. с англ. В.Я. Сидорова. М.: Машиностроение, 1981. С.207.

Код для цитирования: Скопировать