Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Основы теории и расчѐта тепловых труб

Покупка
Артикул: 790224.01.99
Доступ онлайн
400 ₽
В корзину
Учебное пособие предназначено для самостоятельной работы обучающихся по направлению подготовки 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (уровень высшего образования - магистратура) по дисциплине «Проектирование тепломассообменных аппаратов систем и установок искусственного климата». Учебное пособие составлено в последовательном виде, позволяющем произвести расчет теплотехнических параметров тепловых труб. В нем приводятся необходимые сведения для осуществления теплотехнических расчетов тепловых труб, а также справочная литература, которая может быть использована обучающимися.
Салова, Т. Ю. Основы теории и расчѐта тепловых труб : учебное пособие для самостоятельной работы обучающихся по направлению подготовки 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (уровень высшего образования - магистратура) по дисциплине «Проектирование тепломассообменных аппаратов систем и установок искусственного климата» / Т. Ю. Салова. - Санкт-Петербург : СПбГАУ, 2018. - 68 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1900693 (дата обращения: 21.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство сельского хозяйства РФ 

Т.Ю. Салова 

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЁТА 

ТЕПЛОВЫХ ТРУБ 

У ч е б н о е   п о с о б и е 
для самостоятельной работы обучающихся 
по направлению подготовки 
13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» 
(уровень высшего образования – магистратура) 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 

 2018 
УДК 629.113.075.8 

Салова Т.Ю. Основы теории и расчѐта тепловых труб. Учебное пособие для 

самостоятельной 
работы 
обучающихся 
по 
направлению 
подготовки 
13.04.01 

«Теплоэнергетика и теплотехника» (уровень высшего образования – магистратура) по 

дисциплине «Проектирование тепломассообменных аппаратов систем  и установок 

искусственного климата». - СПб.: СПбГАУ. - 2018. - 68 с. 

РЕЦЕНЗЕНТЫ: доктор технических наук, профессор О.Г. Огнев 
  доктор технических наук, профессор   А.П. Епифанов 

Учебное пособие  предназначено для самостоятельной работы обучающихся по 
направлению подготовки 13.04.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (уровень высшего 
образования – магистратура) по дисциплине «Проектирование тепломассообменных 
аппаратов систем  и установок искусственного климата». Учебное пособие  составлено в 
последовательном виде, позволяющем произвести расчет теплотехнических параметров 
тепловых труб. В нем приводятся необходимые сведения для осуществления 
теплотехнических расчетов тепловых труб, а также справочная литература, которая может 
быть использована обучающимися. 

Рекомендовано 
к 
изданию и 
публикации 
на 
электронном носителе 
для 
последующего размещения в электронной сети университета Учебно-методическим 
советом ФГБОУ ВО СПбГАУ,    протокол № 5     от   27 апреля  2017 г. 

        ©   Т.Ю. Салова, 2018 

© ФГБОУ ВО   СПбГАУ, 2018 
О Г Л А В Л Е Н И Е  

 

Введение
2

1. Физические основы тепловых труб………………………………………
4

1.1. Принцип  действия и устройств0 тепловых труб…………………..
4

1.2. Параметры и  режимы работы тепловых труб…………………..…..
8

1.3. Классификация тепловых труб……………………………………….
13

1.4. Область применения тепловых труб в современной технике…….
35

2. Процессы тепломассопереноса  в  тепловых трубах…………………….
40

2.1. Теоретические основы расчета гидродинамических
процессов тепловой трубы………………………………………………
40

2.1.1. Падение давления жидкости в структуре фитиля………………
42

2.1.2. Падение давления пара в проходном канале тепловой трубы
44

2.1.3. Капиллярное ограничение непрерывной работы
тепловой трубы………………………………………………………….
46

2.2. Теоретические основы расчета процесса теплопередачи 
тепловой трубы…………………………………………………………….
47

2.2.1. Термическое сопротивление тепловой трубы…………………..
47

2.2.2. Звуковой предел передачи тепловой мощности………………..
51

2.2.3. Предел передачи тепловой мощности, обусловленный
уносом жидкости………………………………………………………
52

2.2.4. Предел передачи тепловой мощности, 
обусловленный кипением жидкости………………………………….
53

3. Характеристики процессов тепломассопереноса в контурных тепловых 
трубах
55

Список использованных источников
64

 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Введение 

Дисциплина «Проектирование тепломассообменных аппаратов систем  и 

установок 
искусственного 
климата» 
относится 
к 
числу 
дисциплин 

обязательной 
вариативной 
части 
направления 
подготовки 
13.04.01 

«Теплоэнергетика и теплотехника». Дисциплина базируется на следующих 
дисциплинах: физика, термодинамика, гидрогазодинамика, тепломассообмен, 
тепломассообменное оборудование предприятий, программирование и 
основы алгоритмизации.  Знания, полученные по освоению дисциплины, 
необходимы обучающимся для принятия грамотных и ответственных 
решений 
при 
проектировании 
систем 
жизнеобеспечения 
и 

терморегулирования, 
выполнения 
программ 
практик 
и 
выпускной 

квалификационной работы. 

Освоение 
данной 
дисциплины 
вносит 
существенный 
вклад 
в 

формирование у студента следующих компетенций: ОК-1, ОПК-1, 2, ПК-1, 
ПК-7. 

По завершению освоения данной дисциплины обучающийся должен 

знать: 

 способы расчета параметров компактных теплообменников; 
 методы расчета температурных полей тепловых труб; 
 основы теории тепло- и массопереноса в замкнутых испарительно
конденсационных системах; 
 

уметь: 

 Рассчитывать выходные параметры теплоносителей и тепловую 

нагрузку тепловых труб при известных входных параметрах; 

 Рассчитывать теплоотдачу при кипении, конденсации и конвективном 

теплообмене; 

 Рассчитывать требуемую поверхность теплообменника для заданной 

тепловой нагрузки и требуемой надѐжности; 

 Рассчитывать рабочую характеристику тепловых труб с различной 

капиллярной структурой для заданных условий функционирования ; 

 

владеть: 

 навыками анализа литературы по рассматриваемой тематике ; 
 терминологией в области теплофизики и теплотехники; 
 приѐмами алгоритмизации и компьютерного моделирования 

 

  
Изучение 
дисциплины 
«Проектирование 
тепломассообменных 

аппаратов систем и установок искусственного климата» предполагает 
формирование у будущих специалистов знаний по методам расчета тепло- и 
массообменных 
процессов 
в 
соответствующей 
аппаратуре, 

аргументированного расчета теплообменных устройств. 

В учебном пособии приведены основные расчетные уравнения, 

используемые при тепловом и конструктивном расчете тепловых труб, 
приведена последовательность расчета, примеры и результаты расчета 
различного типа тепловых труб. 

Самостоятельная работа обучающихся направлена на закрепление 

знаний, полученных при изучении курса «Теплообменное оборудование 
промышленных предприятий», а также освоение методов проведения 
теплотехнических расчетов теплообменного оборудования ТЭС. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ 

 

1.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И  УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВЫХ ТРУБ 

Тепловая труба (ТТ) – испарительно-конденсационное герметичное 

устройство с использованием капиллярных сил, служащее для передачи 
теплоты и работающее по замкнутому циклу [1]. 

Предшественником ТТ является термосифон (рис. 1.1),  имеющий 

герметичный корпус, внутрь которого введено небольшое количество 
жидкости и откачан воздух. При подводе теплоты к зоне испарения 1 
жидкость переходит в пар, давление насыщения паров в этой зоне резко 
повышается, 
пар 
движется 
вверх 
в 
зону 
с 
меньшим 
давлением, 

конденсируется (зона 2, рис. 1) и стекает по стенкам вниз. Необходимым 
условием работы термосифона является отвод теплоты от зоны конденсации. 
2. Недопустим также перегрев в зоне испарения 1 – может наступить кризис 
кипения, и теплопередача пойдет по стенкам термосифона. 

 

Рисунок 1.1 – Схема работы термосифона: 

1 – зона испарения, 2 – зона конденсации, 3 – жидкость, 4 – корпус, 5 – пар, 6 возврат 

жидкости 

Термосифон способен обеспечить большую мощность теплопередачи 

даже при малой разности температур между его концами, так как скрытая 
теплота парообразования у жидкостей велика. Отличительной особенностью 
этой системы теплопередачи является способ возврата конденсата - под 
действием гравитационного поля. Поэтому термосифон может работать 
только тогда, когда зона испарения находится ниже зоны конденсации. 

Для обеспечения возврата конденсата в зону испарения при любой 

ориентации системы теплопередачи в ТТ значение гравитационное поля 
исключили использованием капиллярных сил. В ТТ в качестве сил 
поднимающих конденсат против сил гравитации  использованы капиллярные 
силы, возникающие при смачивании рабочей жидкостью капиллярнопористого материала (КПМ), называемого также  фитиль. 

Принцип действия тепловых труб заключается в том, что передача 

тепловой энергии в них осуществляется за счет испарения и конденсации 
жидкого вещества. Если взять замкнутую емкость из металла, который 
обладает хорошей теплопроводностью,  с определенным количеством воды, 
то при нагревании одной части емкости, вода становиться паром, который 
поступает во вторую часть емкости. На охлажденной поверхности емкости 
пар переходит в жидкость и стекает в первую часть емкости. При этом 
значительная часть теплоты отводится через корпус металлической емкости 
(рис. 1.2). 

 

Рисунок 1.2 – Схема работы тепловой трубы:  

1 - область испарения теплоносителя и отбора тепловой энергии, 2 – область перемещения 

паров теплоносителя, 3 - область охлаждения и конденсации паров теплоносителя,  
передачи тепловой энергии, 4 – область перемещения теплоносителя по капиллярам 

 
Этот замкнутый цикл, происходящей в герметичном объеме, 

обеспечивает транспортирования теплоты от его источника в зону 
теплосъема. 
Главная 
особенность 
ТТ, 
которая 
способствует 
их 

применению — низкое тепловое сопротивление между холодным и 
горячим концами. Это тепловое сопротивление тем меньше, чем больше 
диаметр тепловой трубки. Трубка большого диаметра не только содержит 
больший объем теплоносителя, но и имеет меньшее сопротивление. 

К основным элементам ТТ относятся: корпус, испарительная зона, 

конденсационная зона, транспортная зона, теплоноситель, капиллярная 
структура (рис. 1.2). 

Корпусом тепловой трубы является герметичная оболочка тепловой 

трубы, внутри которой находятся капиллярная структура и теплоноситель. 

К испарительной зоне тепловой трубы относится часть тепловой 

трубы, к которой подводится теплота и в которой происходят процессы 
испарения и кипения теплоносителя. К конденсационной зоне тепловой 
трубы относится часть тепловой трубы, от которой отводится теплота и в 
которой происходит конденсация паров теплоносителя. Транспортная зона 
тепловой 
трубы, 
часть 
тепловой 
трубы, 
которая 
служит 
для 

транспортирования теплоносителя – пара и жидкости, между испарительной 
и конденсационной зонами. 

Теплоносителем тепловой трубы является движущаяся среда внутри 

тепловой трубы, используемая для переноса теплоты. 

Капиллярная структура тепловой трубы – элемент тепловой трубы, 

расположенный 
внутри 
корпуса 
и 
обеспечивающий 
циркуляцию 

теплоносителя под действием капиллярных сил. Элемент капиллярной 
структуры в виде канала, предназначенный для перемещения теплоносителя 
принято называть артерией тепловой трубы. Внутренняя полость тепловой 
трубы (2, рис. 1.2), в которой пар перемещается от испарительной зоны к 
конденсационной зоне, называют паровым каналом тепловой трубы. 
По положению тепловой трубы относительно поля массовых сил ТТ 

может быть положительная или отрицательная. Ориентация тепловой трубы 
считается 
положительной 
при 
перемещении 
теплоносителя 
от 

конденсационной зоны к испарительной с уменьшением его потенциальной 
энергии. Ориентация тепловой трубы считается отрицательной при 
перемещении теплоносителя от конденсационной зоны к испарительной с 
увеличением его потенциальной энергии. 

Впервые термин тепловая труба был предложен Гровером Г.М., 

который, демонстрируя принцип действия тепловой трубы, один конец ТТ 
ввел в электрическую дугу, второй конец опустил в емкость с водой; вода 
мгновенно закипела. Затем, поливая конец трубы жидким азотом, заморозил 
воду. Корпус ТТ Гровера  (рис. 1.3)  имел круглое сечение, был выполнен из 
стали, выдерживал перепад давлений между внутренней и внешней средами, 
обеспечивая подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее. В 
качестве рабочей жидкости использовался натрий, литий, серебро [2]. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 1.3 – Тепловая труба Гровера: 

1 – зона испарения, 2 – зона транспорта пара, 3 – зона конденсации, 4 – корпус, 5 - 

капиллярно-пористый материал, 6 – паровой поток, 7 – возврат конденсата 
 
Это 
классический 
тип 
тепловой 
трубы 
с 
использованием 

капиллярного эффекта, который обеспечивает независимость положения 
зоны испарения в гравитационном поле. 

При работе в стационарном состоянии теплота, подводимая к 

испарительному концу трубы за счет теплопроводности через стенку 
цилиндра, приводит к испарению жидкости в фитиле, и поток пара поступает 
к конденсаторному концу через полую центральную область трубы. При 
отводе теплоты в конденсаторном конце трубы происходит конденсация 
пара. Конденсат возвращается к испарительному концу трубы через фитиль 
под действием капиллярного напора. 

Тепловые трубы обычно изготавливаются с относительно большим 

отверстием, что приводит к очень низким градиентам давления в паровом 
потоке и, таким образом, при нормальной работе — к очень низким осевым 
градиентам температур. Этой особенностью тепловой трубы наряду с 
отсутствием движущихся частей и способностью работать в отсутствие силы 

3
тяжести объясняется повышенный интерес к исследованиям по разработке 
тепловой трубы, проводимым в последнее время. 

Капиллярно-пористый материал (КПМ, фитиль) - обеспечивает 

создание капиллярного напора для перемещения жидкости из конденсатора в 
испаритель и равномерного распределения ее по всей зоне испарения. 

К материалу фитиля предъявляются противоречивые требования:  

 
он должен быть мелкопористым для создания максимального 

напора и он должен быть крупнопористым для увеличения проницаемости 
(по жидкости); в связи с этим в условиях работы против сил гравитации 
практически не используется ТТ длиной более 1 м; 

 
слой КПМ вдоль стенок должен быть толстым для увеличения 

расхода жидкости (увеличение теплопередачи) и должен быть тонким дли 
уменьшения термического сопротивления фитиля в радиальном направлении 
(с целью увеличения плотности теплового потока в испарителе). 

Наиболее часто используют металлические сетки, металлические 

ткани 
саржевого 
плетения, 
спеченные 
металлические 
порошки, 

металлический войлок. Металлы: медь, никель, титан, фосфористая бронза, 
нержавеющая сталь. 

Тепловая труба работает в широком интервале параметров, однако 

тепловой поток может достигнуть такого значения, когда нормальная работа 
трубы прекратится, что приведет к большим осевым температурным 
перепадам. Наиболее вероятными причинами такого нарушения нормальной 
работы тепловой трубы являются следующие: 

- капиллярные силы не могут обеспечить достаточный приток 

жидкости к испарительному участку; в результате фитиль, прилегающий к 
обогреваемой 
поверхности, 
высыхает, 
а 
температура 
обогреваемой 

поверхности испарителя возрастает; 

- изменение механизма теплообмена при испарении жидкости в 

фитиле приводит к образованию в нем паровой подушки, прилегающей к 
поверхности нагрева; последствия те же, что и в первом случае. 

Функции тепловых труб весьма разнообразны, однако главная задача 

– эффективная передача тепловой энергии из одной части устройства в 
другую. Предел практического действия тепловых труб ограничен только 
прочностью и надежностью корпуса. Температура рабочей среды может 
варьироваться от абсолютного нуля до тысяч градусов. 

Передача тепловой энергии может происходить с помощью 

нескольких способов: 

 нагрев трубы при помощи открытого пламени; 

 непосредственный контакт с нагретым веществом; 

 при помощи электрического тока. 

В современных типах ТТ кроме гравитационных и капиллярных сил 

применяют центробежные, электростатические, магнитные, осмотические и 
другие виды полей для возврата конденсата. 

 
 
1.2. ПАРАМЕТРЫ И  РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ 

 
Основным параметром ТТ является передаваемая мощность тепловой 

трубы (Q) – значение теплового потока, передаваемого тепловой трубой в 
заданных условиях без нарушения циркуляции теплоносителя. 

К техническим параметрам ТТ относятся следующие. 
Граница по кипению тепловой трубы qк max – значение плотности 

теплового потока, при котором происходит нарушение работы тепловой 
трубы в результате образования устойчивой паровой пленки в испарительной 
зоне при кипении теплоносителя. 

Гидродинамическая граница тепловой трубы Qг max  – значение 

теплового потока, при котором происходит нарушение работы тепловой 
трубы, связанное с превышением суммарных потерь давления на трение 
максимального движущего потенциала. 

Звуковая граница тепловой трубы Qз max – значение теплового потока, 

при котором происходит нарушение работы тепловой трубы, связанное с 
достижением паром на выходе из испарительной зоны скорости, равной 
местной скорости звука. 

Граница по взаимодействию тепловой трубы Qв max – значение 

теплового потока, при котором происходит нарушение работы тепловой 
трубы, связанное с торможением и уносом жидкости из открытых пор 
капиллярной структуры потоком пара. 

Термическое сопротивление тепловой трубы Rг.г – величина, численно 

равная отношению разности между среднеповерхностными температурами 
стенок испарительной и конденсационной зон к значению передаваемой 
мощности. 

Классическая ТТ имеет одну – главную полезную функцию: 

теплопередача в осевом направлении между двумя разделенными в 
пространстве точками. 

Для нормальной работы ТТ необходимо, чтобы режимы работы всех 

ее элементов не достигали критических величии. 

Подвод теплоты может осуществляться любым известным способом.  

Температурный предел зависит только от термо- и хладо- стойкости 
материала корпуса. 

В зоне испарения плотность теплового потока не должна превышать 

значения, при котором наступает кризис теплоотдачи – осушение фитиля, 
когда КПМ не успевает подавать новые порции жидкости в зону испарения. 

В зоне конденсации пар конденсируется на поверхности в виде 

пленки жидкости. Между поверхностью пленки и наружной поверхностью 
стенки существует небольшой перепад температур, так как температура 
стенки не на много, но отличается от температуры пара. В таких условиях 
поверхность ТТ в зоне конденсации обладает изотермичностью, то есть 
поверхность работает практически при постоянной температуре, близкой к 
температуре фазового перехода пар-жидкость. Если на каком-то участке 
возникает местный тепловой сток, то количество конденсирующегося в этом 
месте пара увеличивается и температура поддерживается на прежнем уровне. 

В зоне транспорта пара, соответствующей зоне испарения создается 

избыточное давление насыщения пара, которое расходуется на разгон пара 
до осевой скорости, на преодоление силы трения парового потока на 
поверхности фитиля и на преодоление сил вязкости пара. Вследствие этого, 
давление по длине ТТ от зоны испарения падает. В среднем участке трубы 
давление стабилизируется – наблюдается адиабатный участок. В зоне 
конденсации давление восстанавливается почти до величины давления в зоне 
испарения. Практически, потери давления в простых ТТ связаны только с 
преодолением вязкостных сил. 

Направление движения пара и жидкости в ТТ противоположны. 

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

Ограничение мощности ТТ по вязкости определяется зависимостью 

вязкости 
жидкости 
от 
температуры. 
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 зоне конденсации, 
т.е. снизить температуру этого конца ТТ. 

Снижение давления (температуры) в зоне конденсации и повышение 

температуры в зоне испарения увеличивают "движущую силу" движения 
теплоносителя в ТТ, повышая скорость движения пара. Однако существует 
физический предел увеличения скорости теплоносителя - скорость звука. 
При условии равенства скорости пара скорости звука 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. 

Капиллярное ограничение, или ограничение по смачиванию фитиля, 

связано с условием, что при возрастании теплового потока в зоне испарения 
необходимо, чтобы возрастал приток жидкости по фитилю. Предельная 
величина притока жидкости зависит от типа конструкции фитиля. 

Для 
неметаллических 
жидкостей 
характерно 
возникновение 

пузырькового кипения в фитиле (зоне испарения) – кризис теплоотдачи. Это 
затрудняет отвод образующегося на греющей поверхности пара через толщу 
фитиля, а, следовательно, ограничивает мощность теплопередачи, например, 
предел мощности для воды - 130 кВт/м2, для калия - 315 кВт/м2. 

Для увеличения скорости и мощности теплопередачи необходимо 

максимально 
усилить 
полезные 
и 
исключить 
вредные 
свойства 
Доступ онлайн
400 ₽
В корзину