Реферат: Тепловые трубы. Теплоиспользующие устройства на тепловых трубах (на примере РБ)

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский национальный технический университет

Кафедра ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии»

Реферат

на тему: Тепловые трубы. Теплоиспользующие устройства на тепловых трубах (на примере РБ)

Выполнила: Яроцкая Алина Яновна

Минск - 2021

Введение

Истории науки и техники известны открытия, значение которых в полной мере сначала не было и не могла быть оценено.

Такая участь постигла и изобретение Джекоба Перкинса (1766-1849) в начале позапрошлого века. Его нагревательные трубы были предложены для хлебопекарных печей, долгое время использовались только в них и никто до 1960-70-х годов не предвидел их возможного широкого использования в энергетике.

С развитием техники и, в частности, космических исследований возникло множество специальных теплофизических задач, одна из которых - передача тепла при минимальном температурном перепаде.

Понадобилось устройство, обладающее свойством сверхтеплопроводности, работающее в высоком температурном диапазоне, в любом, относительно поверхности Земли, положении, независимо от наличия гравитационного поля. Вот тогда-то взгляд исследователей обратился к почти забытому изобретению Перкинса.

Но современная техника шагает вперед семимильными шагами. И кто знает, может быть, тепловая труба, как теперь называют нагревательную трубу Перкинса, найдет еще десятки областей применения.

Тепловая машина, преобразующая тепло в механическую или непосредственно в электрическую энергию, обязательно включает в себя три составных звена: источник тепловой энергии, преобразователь и устройство для отвода неиспользованной тепловой энергии. Как правило, эти звенья располагаются в непосредственной близости друг от друга в пределах одной энергоустановки или агрегата, и передача тепла от звена к звену не вызывает серьезных технических трудностей. Однако есть большой круг технических задач, где по тем или иным соображениям возникает необходимость территориального разделения этих звеньев, а следовательно, необходимость эффективной передачи тепловой энергии между ними.

Основные свойства тепловых труб, определяющие их применение в различных областях техники, могут быть кратко сформулированы следующим образом:

Тепловые трубы практически изотермичны по всей длине от входа да выхода. Температурный перепад не превышает нескольких градусов. Это свойство позволяет, например, создавать весьма компактные и легкие теплосбрасывающие излучающие системы.

Тепловая труба может выполнять функции «трансформатора» теплового потока. В этом смысле тепловая труба - идеальный согласующий элемент между отдельными звеньями тепловых машин. В частности, открываются широкие возможности использования прямых преобразователей тепловой энергии в электрическую.

Тепловые трубы позволяют «разветвлять» тепловой поток, поступающий от единого теплового источника, подводя тепло к различным местам его потребления.

Таким образом, речь идет не о частной конструкции узкого специального назначения, а о весьма перспективном классе эффективных теплопередающих устройств, претендующих на равноправное существование среди подобных им систем.

1. Как работает простейшая тепловая труба?

1.1 Зона испарения

Возьмем трубу, закрытую снизу, и заполним ее небольшим количеством воды. Верхнее отверстие, через которое заполнялась труба, закроем и будем подогревать нижний конец трубы, а верхний охлаждать, для чего к верхнему концу трубы прикрепим бачок с проточной водой (рисунок 1.1). По мере разогрева трубы жидкость в нижней части ее будет интенсивно испаряться, забирая тепло от пламени горелки. Пар будет двигаться вверх, в сторону более холодного конца трубы и там конденсироваться, т.е. отдавать тепло проточной воде. Чем интенсивнее испаряется жидкость, чем эффективнее происходит процесс конденсации, чем большие потоки пара передаются по трубе, тем, очевидно, интенсивнее происходит теплопередача.

Рисунок 1.1 - Простейшая модель гладкостенной тепловой трубы: 1 - бочок с проточной водой, 2 - теплоизоляция, 3 - водяной пар, 4 - вода

Рассмотренное нами устройство по существу представляет собой примитивную тепловую трубу.

Уже такая простая труба обладает уникальными свойствами. Чтобы убедиться в этом, необходимо разобраться в физической сущности происходящих явлений. Это позволит оценить теплопередающие возможности тепловой трубы.

Рассмотрим процессы, протекающие в исследуемом устройстве, последовательно: на участке испарения, в зоне конденсации и в канале, где происходит движение пара. Затем попытаемся представить себе общую картину теплопередачи в целом, установив некоторые закономерности и соотношения, определяющие выходные параметры всей тепловой трубы.

Жидкая среда состоит из молекул, находящихся в непрерывном тепловом движении. Энергия некоторой части их оказывается достаточной, чтобы молекулы могли выйти за границу жидкости. Этому вылету препятствуют силы взаимного притяжения между молекулами. Некоторое количество вылетевших или испарившихся молекул образует пар, который всегда существует над поверхностью жидкости. Чем выше температура жидкости, тем интенсивнее идет испарение, тем выше давление образующегося пара.

Чтобы поддерживать испаряющуюся жидкость при одной и той же температуре, т.е. не допускать ее охлаждения, необходимо все время подводить тепло извне. Подчеркиваем, что это тепло расходуется не на нагрев жидкости, а на компенсацию ее охлаждения: оно носит название скрытой теплоты испарения. Удобно ввести понятие удельной теплоты испарения, т.е. отнести это тепло к единице массы жидкости. Очевидно, теплота испарения будет зависеть от температуры жидкости, поэтому следует дать более точное определение удельной теплоты испарения.

Удельная теплота испарения - это тепло, которое необходимо сообщить единице массы жидкости, находящейся при заданной температуре, чтобы перевести ее в пар при той же температуре.

Процесс испарения носит характер динамического равновесия. Над поверхностью жидкости при любой постоянной температуре всегда устанавливается равновесное давление пара, или давление насыщенных паров. Это не означает, однако, что испарение молекул прекратилось. Они по-прежнему поступают в зону пара, однако чем выше давление пара, тем больше молекул возвращается назад в жидкость. Очевидно, что при каждой температуре устанавливается определенное равновесие этих выходящих из жидкости и входящих в нее молекул; этому равновесию и соответствует результирующее давлении насыщающих паров.

До сих пор подразумевалось, что имеет место процесс спокойного испарения жидкости, но из опыта известно, что испарение резко возрастает, если жидкость закипит. Происходит скачок интенсивности испарения. Если наблюдать это явление в прозрачном сосуде, можно видеть, что сначала пузырьки пара срываются с отдельных точек внутри жидкости, преимущественно со дна и стенок, затем они так быстро растут, что захватывают весь объем. При более внимательном наблюдении процесс оказывается еще более сложным. Но важно отметить одно: процесс испарения по существу остался прежним, только произошло значительное увеличение поверхности раздела жидкость - пар. В связи с этим возросло общее количество пара, выделяющегося из того же объема жидкости. Этим и объясняется изменение внешней картины явления. Большие потоки выделяющегося пара вызывают активное бурление жидкости. Остается выяснить, каким образом при кипении увеличивается поверхность раздела жидкость - пар. Оказывается, в жидкости до нагрева всегда присутствуют микропузырьки пара и растворенных газов. Они настолько малы, что невидимы простым глазом. При нагреве давление пара в этих пузырьках возрастает, размеры их увеличиваются и они устремляются к поверхности. Совокупность поверхностей этих пузырьков и представляет собой дополнительную поверхность раздела жидкость - пар, ответственную за столь интенсивное парообразование, наблюдаемое при кипении.

Рисунок 1.2 - Характер испарения в зоне нагрева тепловой трубы в зависимости от величины подводимого теплового потока а - поверхностное испарение, б - пузырьковое кипение, в-пленочное кипение, qа<qб<qв - подводимый тепловой поток

Процесс кипения жидкости начинается при вполне определенной для данного давления температуре, которая называется температурой кипения.

В системе жидкость - пар, находящейся в состоянии кипения, жидкость находится при несколько более высокой температуре, чем насыщенный пар над нею. Таким образом, на поверхности раздела между кипящей жидкостью и паром всегда существует определенная разность температур, величина которой зависит от давления и вида жидкости. Эта разность температур или, как обычно говорят, температурный напор, для воды, например, составляет при атмосферном давлении 0,6 град и плавно убывает до нуля при повышении давления до критического (225 кгс/см2).

Наличие температурного напора обусловливает в продолжение всего процесса кипения движение тепла, или тепловой поток, от поверхности нагрева к поверхности раздела.

В зависимости от интенсивности парообразования различают два режима кипения: пузырьковый и пленочный (рисунок 1.2). При пузырьковом кипении сначала появляются маленькие пузырьки, которые, увеличиваясь в размерах за счет пара, образующегося из жидкости, устремляются к поверхности раздела, где и присоединяются к пару, находящемуся над ней. Каждый отдельный пузырек образуется на поверхности нагрева. На его появление оказывают влияние прежде всего поверхностное натяжение жидкости и смачиваемость поверхности трубы.

Под поверхностным натяжением следует понимать силу, стремящуюся сократить свободную поверхность жидкости и направленную касательно к ней. Эта сила уменьшается с повышением температуры жидкости, что видно из следующей формулы:

где - удельный вес жидкости, - удельный вес насыщенного пара, - коэффициент пропорциональности.

Смачиваемость характеризует степень химического родства материала поверхности и жидкости, которая оценивается так называемым внешним или контактным углом соприкосновения между смоченной поверхностью и свободной поверхностью жидкости. Иногда угол называют краевым углом.

На рисунке 1.3 изображены примерно одинаковые пузырьки, образованные на поверхностях при различных значениях углов .

Рисунок 1.3 - Смачиваемость поверхности и контактный угол соприкосновения

На рисунке 1.3 (а) контактный угол между жидкостью и поверхностью составляет менее 90о (<90°), т.е. жидкость как бы стремится оторвать пузырек от поверхности, поверхность слабо смачивается жидкостью. Такая поверхность иногда называется леофильной по отношению к данной жидкости. На рисунке 1.3 (б) жидкость образует с твердой поверхностью угол 90° (=90°), в этом случае жидкость ведет себя как бы нейтрально по отношению к поверхности, наконец, на рисунке 1.3 (в) угол между поверхностью жидкости и поверхностью твердого тела больше 90° (>90°). Пузырек стремится как бы распластаться на поверхности, которая называется леофобной по отношению к данной жидкости.

Контактный угол связан с поверхностным натяжением соотношением

где - сила трения приложенная к периметру смачивания и препятствующая «распластыванию» пузырька, кгс/м, индексы «Ж», «Г» и «Т» относятся соответственно к жидкой, газообразной и твердой фазам.

Примерные значения для хромированной стали и некоторых жидкостей:

Табл. 1

Размер пузырька в момент отрыва от поверхности нагрева можно оценить по соотношению

т.е. этот размер зависит от результирующей сил гравитации и поверхностного натяжения и от смачивания жидкостью поверхности.

Пузырек недолго сидит на поверхности нагрева. Экспериментально установлено, что для воды это время составляет 0,023 - 0,025 секунд. Скорость подъема пузырька в воде около 0,25 м/с, а пауза между отрывом предыдущего пузырька и появлением следующего продолжается около 1/40 с.

Как уже отмечалось, оторвавшись, пузырек увеличивается в объеме, так как получает тепло от жидкости, причем в гораздо большем количестве, чем при своем возникновении от поверхности нагрева. Это объясняется тем, что жидкости от этой поверхности передается в несколько раз больше тепла, чем газу или пару.

При движении пузырьков вверх они увлекают находящиеся над ними столбики жидкости, поднимая более горячую жидкость.

Таким образом, количество тепла, переданного от поверхности нагрева к поверхности раздела фаз, связано с количеством пузырьков в объеме кипящей жидкости.

При пленочном кипении (рисунок 2 (в)) непосредственно над поверхностью нагрева располагается паровая пленка, образовавшаяся в какой-то момент из «распластавшихся» пузырьков. Тепловой поток через слой пара к жидкости ограничен плохой теплопередачей от поверхности нагрева к пару.

Теплопередача при пленочном кипении осуществляется путем теплопроводности, конвекции и излучения через пленку пара. Кроме того, количество пузырьков, поднимающихся вверх, значительно меньше, чем при пузырьковом кипении. Следовательно, теплообмен в слое жидкости при пленочном кипении хуже.

Как правило, переход к пленочному кипению происходит довольно резко, но так же быстро уменьшается и коэффициент теплоотдачи, а температура нагреваемой поверхности быстро увеличивается. Самым нежелательным с рассматриваемой нами точки зрения является то, что на образовавшейся при пленочном кипении паровой прослойке происходит значительное падение температуры. Прослойка пара, подобно подушке, стремится не допустить контакта жидкости с разогретой поверхностью. Таким образом, если пленочное кипение будет происходить в тепловой трубе, то уже за счет одного этого эффекта не удастся обеспечить на ней малых температурных перепадов. Другими словами, коэффициент теплопередачи оказывается существенно меньшим по величине, чем при пузырьковом кипении.