ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Теплопередающие трубки из "Теплообменные процессы химической технологии" Оригинальной современной конструкцией теплообменного устройства, которая может найти применение в химической технологии, является так называемая теплопередающая (тепловая) трубка (ТТ), которая способна передавать необычайно большие количества теплоты при весьма малых перепадах температур. Так, тепловая мощность вдоль оси трубы может достигать 1,5-10 Вт/см при значении продольной разности температур порядка одного градуса на один метр длины. Это соответствует значению эффективного коэффициента теплопроводности ТТ порядка 10 Вт/(м-К), что на несколько порядков превышает теплопроводность лучших металлов. Необычные свойства являются следствием принципа действия ТТ, в которой осевой перенос теплоты осуществляется за счет конвективного перемещения паров со значительной скоростью. На одном конце герметичной ТТ, к которому подводится теплота от какого-либо внешнего источника, рабочее вещество переходит из жидкого состояния в паровое при температуре кипения (рис. 8.12). Образующиеся в зоне / пары под действием возникающей разности давлений с большой линейной скоростью перемещаются вдоль оси трубы к ее второму концу (зона III), где происходит конденсация паров с выделением теплоты фазового перехода. Эта теплота отдается через наружную поверхность конденсационного участка ТТ тепловоспринимающей среде (или какому-либо нагреваемому телу). [c.250] В зоне III конденсирующееся рабочее вещество заполняет весь внутренний объем пор фитиля, и капиллярное давление здесь ввиду практического отсутствия менисков близко к нулю. Таким образом, наличие капиллярного всасывания в зону испарения обеспечивает замкнутую циркуляцию рабочего вещества в ТТ. [c.251] Рабочими телами для ТТ могут служить любые чистые вещества или соединения, которые имеют жидкую и паровую фазы при рабочих температурах ТТ и смачивают материал фитиля. Используются гелий, азот, хладоны, спирты, вода, щелочные металлы и т. д. Выбор рабочего вещества определяется температурой его фазового перехода. Так, газонаполненные криогенные ТТ используются для передачи теплоты в диапазоне температур до 200 К-Интенсивность теплопереноса здесь относительно невелика из-за небольших теплот фазового перехода, значительной вязкости жидкостей при низких температурах и малого коэффициента поверхностного натяжения криогенных жидкостей. Для диапазона температур 200—550 К используется широкий спектр обычных капельных жидкостей, среди которых наибольшей теплотой фазового перехода обладает вода. Теплопередача в этом интервале температур значительно выше, чем для криогенной зоны. Интервал температур 550—750 К обеспечивают щелочные металлы (цезий, рубидий), даутерм, а для более высоких температур используются калий, натрий, свинец, литий, серебро и некоторые расплавы металлов. Для каждого из используемых веществ можно регулировать рабочую температуру теплопереноса величиной давления внутри ТТ. Однако по мере уменьшения давления понижается плотность паров, что снижает величину теплового потока вдоль ТТ. При повышении рабочей температуры плотность потока тепла увеличивается. [c.251] Выбор рабочего вещества осуществляется на основе следующих основных требований 1) рабочий температурный диапазон должен находиться между тройной и критической точками на фазовой диаграмме рабочего вещества, чтобы обеспечить наличие жидкой и паровой фаз в ТТ 2) значительная величина поверхностного натяжения и хорошая смачиваемость материала стенки трубы и фитиля для создания нужного капиллярного давления 3) малая вязкость жидкой фазы для уменьшения потерь на трение при перемещении по фитилю 4) высокое значение удельной теплоты фазового перехода и плотности паровой фазы для большего теплопереноса единицей объема пара 5) высокие значения теплопроводности жидкой фазы для уменьшения термического сопротивления заполненного жидкостью фитиля. [c.251] При обычно незначительных термических сопротивлениях тонких металлических стенок, корпуса ТТ и фитиля наружная поверхность ТТ практически изотермична. Свойство изотермичности существенно для многих технологических процессов в электрохимии [129], биотехнологии [130] и др. [c.252] Высокая эффективная теплопроводность, изотермичность, малая масса ТТ, надежность в работе, отсутствие движущихся частей и вспомогательных устройств для циркуляции рабочего вещества — все это создает благоприятные предпосылки для эффективного использования ТТ при рещении многих задач теплопереноса в технологических системах. [c.252] ТТ могут быть выполнены в виде самых разнообразных геометрических форм — от прямых цилиндров до дисков, спиралей и прочих сложных пространственных конфигураций. [c.252] Наиболее ответственным конструктивным элементом ТТ является капиллярная система (фитиль), которая должна обеспечить непрерывный возврат жидкой фазы из зоны конденсации в зону испарения в количестве, соответствующем интенсивности испарения рабочего вещества. [c.252] Капиллярные системы, применяемые в ТТ, весьма разнообразны. Простые фитили — это мелкие продольные канавки различной формы на внутренней стенке трубы (рис. 8.13, а), гофрированные сетки (рис. 8.13, б), капиллярные структуры в виде пористых спеченных материалов (например, пористые керамические пластины (рис. 8.13, в) или плотно прижатые к внутренней поверхности трубы и друг к другу слои сеток (рис. 8.13, г). [c.252] Создание большого капиллярного давления всасывания требует уменьшения размеров капиллярных каналов фитиля. Однако уменьшение размера канавок одновременно значительно увеличивает гидравлическое сопротивление при движении жидкой фазы вдоль фитиля. В результате фитили с одинаковым размером капилляров по длине ТТ не всегда могут обеспечить достаточный подсос жидкой фазы в зону испарения. Поэтому в практике конструирования ТТ широкое применение находят составные фитили, в которых значительное капиллярное давление создается мелкопористой структурой фитилей, расположенных у поверхности раздела жидкость—пар, а транспортные каналы большого поперечного сечения обеспечивают малое гидравлическое сопротивление при движении жидкой фазы из зоны конденсации в зону испарения. Одним из примеров составного фитиля может служить комбинация из продольных канавок большого сечения, выполняющих функцию транспортных пор и мелкопористой сетки (или тонкостенной пористой керамической трубки), плотно прилегающей к внутренней стенке трубы, которая создает необходимое капиллярное давление (рис. 8.14, а). [c.252] В некоторых случаях транспортные каналы выносятся в паро вое пространство в виде пористых (рис. 8.14, б) пли более сложных (рис. 8.14, в) артерий, обеспечивающих также возможность создания различной геометрической конфигурации ТТ, например в виде системы тепловоспринимающих дисков [130] или ребер. [c.253] Несмотря на весьма значительные передаваемые тепловые потоки, ТТ имеет ограничения рабочих параметров, в том числе и по величине максимальной переносимой тепловой мощности. Перенос теплоты лимитируется несколькими факторами. Так, при низких значениях давления и температуры продольный перенос паров рабочего вещества в зону конденсации может быть ограничен сопротивлением вязкого трения пара, для преодоления которого раз-ност давления между зонами испарения и конденсации оказывается недостаточной. При низких давлениях, соответствующих большим удельным объемам паров, скорость парового потока в ТТ может достигать скорости звука (в конце зоны испарения, где массовый расход пара достигает своего максимального значения). [c.253] Капиллярное ограничение связано с тем, что при слишком значительном подводе теплеаы капиллярное давление не в состоянии обеспечить подачу необходимого количества жидкой фазы в испарительный участок. Еще одной причиной, ограничивающей тепловую мощность ТТ, является достижение кинетического предела парообразования на испарительном участке, когда скорость процесса парообразования не может обеспечить реализацию всей подводимой теплоты на испарение жидкой фазы. Это приводит к частичному осушению фитиля в испарительном участке ТТ, что в еще большей степени уменьшает скорость процесса парообразования. [c.253] Теория тепловых труб в значительной своей части исследует зависимость всех отмеченных кинетических факторов от многочисленных рабочих и конструктивных параметров с целью определения влияния этих факторов на теплопереносные характеристики ТТ [131 — 134]. На рис. 8.15 приведены результаты сравнительного исследования ограничивающих факторов в зависимости от рабочих температур в ТТ [131]. Относительное расположение отдельных кривых для различных условий работы и разных конструкций ТТ может быть неодинаковым, но общим является то, что при конкретной рабочей температуре ограничение по передаваемой тепловой мощности определится фактором с наименьшим значением Смаке-Помимо использования ТТ в радиоэлектронике, электротехнике, при выполнении земляных работ, в последние годы появилась информация о применении ТТ в качестве теплообменной аппаратуры для технологических процессов. [c.254] Многоцелевая конструкция теплообменника на принципе ТТ представляет собой короб, разделенный перегородкой на два пространства для каждого теплоносителя [135]. Через перегородку пропущены несколько оребренных на концах тепловых трубок, которые и осуществляют интенсивный перенос теплоты. Теплообменники выпускаются на разные рабочие температуры от 90 до 370 °С с соответственными рабочими телами (хладоны, вода и органические жидкости). Для работы с агрессивными теплоносителями теплообменные поверхности ТТ покрываются тонким слоем тефлона. [c.254] Вернуться к основной статье