Тепловые трубы – особенности и область применения

Тепловые трубы — конструкция и принцип действия

Для наиболее эффективной передачи тепловой энергии от одного источника к другому потребителю применяются тепловые трубы. Они способны транспортировать на большие расстояния разный тип теплоносителя при небольших потерях мощности и незначительном перепаде температуры. Однако это не значит, что тепловые трубы можно использовать только в системах отопления зданий.

Принцип действия тепловых труб

Принцип действия тепловых труб заключается в том, что передача тепловой энергии в них осуществляется за счет испарения и конденсации жидкого вещества. Если представить замкнутую емкость из металла, который обладает хорошей теплопроводность, например, медь с определенным количеством воды, то при нагревании одной части резервуара вода становиться паром, то есть из жидкого состояния она переходит в газообразный вид. Далее водяные пары поступают на охлажденную поверхность, где вода становится снова жидкой и стекает на старое место. При этом значительная часть тепла отводится через корпус металлической емкости.

Принцип устройства тепловой трубки

Простейшая конструкция тепловых труб состоит из следующих частей:

  • корпус из металла, который хорошо проводит тепло;
  • рабочая среда из жидкого вещества;
  • фитиль, который представляет твердое вещество с порами для движения жидкости.

Корпус тепловой трубы должен быть сделан из прочного материала, который должен создать надежную степень герметичности. В качестве материала могут быть использованы сплавы различных металлов, стекло или керамика.

Корпус трубы должен быть заполнен жидким веществом, которое способно переходить из естественного состояния в газовую среду при рабочей температуре эксплуатации трубы. Это вещество является главным средством переноса тепловой энергии.

Так называемый фитиль предназначен для того, чтобы жидкость могла перемещаться по капиллярам из одной части устройства в другую. Материалом для данного фитиля может быть любое вещество с пористой структурой, иными словами с каналами для продвижения жидкости.

Вышеописанное устройство называют тепловая трубка Гровера.

Это американский ученый, который в 1963 году усовершенствовал конструкцию тепловой трубы и представил ее научной общественности. Если раньше в тепловой трубе жидкость стекала под действием силы притяжения самотеком, то в устройстве ученого из США впервые был использован капиллярный способ ее перемещения.

Как видно, данное устройство является не очень сложным, однако технический расчет тепловой трубы могут сделать только специалисты, которые способны правильно выбрать материал устройства, его размеры и рабочие характеристики.

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.

Контурные тепловые трубы

С развитием науки и технологий затем была изобретена тепловая труба, в которой отсутствует фитиль. Его роль выполняют специальные контурные трубки, по которым происходит перемещение рабочей среды. Так появились контурные тепловые трубы.

Они имеют несомненные достоинства:

  • высокий уровень теплопередачи;
  • простая конструкция, которая не требует большого количества материала;
  • надежность в работе;
  • хорошая степень адаптации к различным условиям;
  • в их составе отсутствуют подвижные механические элементы;
  • очень большой срок эксплуатации;
  • сохранение рабочих характеристик в любом пространственном положении.

В принципе, они представляют собой такие же капилляры, но немного большего размера и предназначены для других условий эксплуатации. Контурные трубы обладают прекрасными качествами по передаче тепла. По сути, их можно назвать сверхпроводниками тепловой энергии.

Область применения тепловых труб

Сфера использования тепловых труб весьма разнообразна:

  • Передача тепловой энергии с минимальными затратами для различных объектов и зданий.
  • Отвод тепла в устройствах микроэлектроники, даже в ПК существуют данные устройства.
  • Оборудование современных систем отопления производственных и жилых помещений.
  • Холодильники и устройства охлаждения.
  • Космическая промышленность.
  • Медицина.
  • Строительство дорог и домов в условиях вечной мерзлоты.
  • Обеспечение теплом теплиц и т.п.

Трудно перечислить все отрасли промышленности, где используются тепловые трубы. В настоящее время готовятся разработки с использованием нанотехнологий, ученые уже подошли к тому, что работа человеческого тела с многочисленными капиллярами основана на том же принципе, что и обычные тепловые трубы.

Трубы для систем отопления

Далее рассмотрим, как используются трубы для тепловых сетей для обогрева домов и зданий любого назначения. Ведь для обычных обывателей отопительные и тепловые трубы являются равноценным понятием.

Отопительные трубы могут быть из асбестоцемента, стали со слоем цинка, стали с покрытием из керамики или эмали, а также это может быть сочетание двух различных металлов – биметалл.

Асбестоцементные тепловые трубы производят из смеси асбеста, который играет роль арматуры и цемента, придающего форму и прочность изделия.

Достоинства данных изделий:

  • полное отсутствие коррозии;
  • сохранение рабочих характеристик при температуре воды до 130 градусов;
  • дешевизна;
  • минимальные потери тепловой энергии при транспортировке горячей воды.

Теплопроводность труб из асбестоцемента значительно ниже, чем у аналогичных изделий из металла. Помимо этого монтаж асбестоцементных труб осуществляется проще и удобнее, чем стальных изделий.

Однако есть и недостатки, главный из которых – недостаточный уровень прочности при воздействии механической нагрузки. Для оборудования отводов и изгибов производители не выпускают дополнительные элементы.

Тепловые биметаллические трубы производятся из стали, которая сверху покрывается другим металлом. Это необходимо для предотвращения коррозии стали. Толщина наружного защитного слоя может быть до 20% толщины изделия. Помимо этого, теплоотдача такой трубы ниже, чем у обычных стальных изделий.

Преимуществами данных труб являются:

  • высокие антикоррозийные характеристики;
  • большой срок эксплуатации;
  • потери тепловой энергии ниже, чем у стальных труб.

Однако их использование в больших тепловых коммуникациях ограничено из-за высокой стоимости.

В современных системах отопления магистральные коммуникации оборудуются теплоизолирующими материалами. Труба с тепловой изоляцией значительно снижает потери тепловой энергии, а в районах вечной мерзлоты и в условиях расположения магистрали на улице это обосновано экономически.

Если раньше утепление производилось с помощью обычной минеральной ваты, которая была обернута в рубероид, то сейчас используются самые современные технологии.

Существуют два варианта современного утепления отопительных труб. Первый вид — готовые формы из стекловолокна и минеральной ваты, которые запрессованы в полимерный короб. Этот вид утеплителя используется, в основном, для теплосетей, находящихся на открытом воздухе.

Второй вариант — это когда слой полимера наносится на трубу еще на стадии ее производства. При сварке труб используются специальные утеплители для шва.

Тепловая изоляция для труб может производиться из следующих материалов:

  • армированный пенобетон;
  • смесь минерального волокна и пенополимера;
  • пенополиуретан.

Фактически труба отопления поставляется специалистам по монтажу как бы одетой в защитный короб из толстого слоя утеплителя. Слой теплоизоляционного материала прочно расположен на поверхности изделия. Утепленные таким способом трубы впоследствии не нуждаются в дополнительной гидроизоляции, так как вышеперечисленные материалы не впитывают влагу.

Все эти новшества полезны не только для сохранения тепла, но и в значительной мере упрощают монтажные работы и сокращают их сроки.

Стальные трубы с цинковым покрытием, как правило, используются в системах отопления с температурой воды не больше семидесяти градусов. Однако для цинка важен состав теплоносителя. Если в нем присутствуют кислотные или щелочные составы, то они постепенно разрушают данные изделия.

В последнее время стали популярными чугунные трубы шаровидной структуры. Их отличает по сравнению с обычным чугуном высокая прочность и надежность. Они обладают высокой устойчивостью к коррозии и очень большим сроком службы, не менее 50 лет. Стоимость чугунных труб с шаровидной структурой намного ниже, чем стальных аналогов.

Трубы чугунные с шаровидным графитом

Но стальные трубы с тепловой изоляцией наиболее предпочтительны в условиях сурового климата нашей страны. А для продления срока эксплуатации при производстве стальных труб используются достаточно эффективные добавки из алюминия и никеля. К тому же, внутренние стенки труб также дополнительно обрабатываются в целях защиты от коррозии.

Серьезный недостаток стальных труб – высокий коэффициент теплопроводности, из-за которого тепловая энергия уходит в землю или окружающий воздух. Но технологии и научные разработки не стоят на месте и постепенно разрабатываются новые материалы для устранения всех недостатков отопительных труб.

Яркий пример использования новых методов борьбы с коррозией и уменьшением теплоотдачи – стальные трубы с эмалевым покрытием. Снаружи трубы при ее производстве наносится тонкий слой эмали, который состоит из кремния, обработанного в условиях высоких температур.

Защитный слой может наноситься как снаружи, так и на внутренних стенках трубы. При этом значительно улучшаются гидродинамические характеристики и долговечность изделий. Дело в том, что внутри трубы с течением времени образуются смолистые и солевые отложения, уменьшая пропускную способность трубопровода. А использование силикатно-эмалевого слоя препятствует этому, антикоррозийные характеристики повышаются.

Область применения – и тепловые трубы особенности

Для наиболее действенной энергопередачи от теплоносителя к потребителю используют тепловые трубы. Они разрешают транспортировать различные виды теплоносителя с мельчайшими утратами температуры. В данной статье мы подробней рассмотрим изюминке этих устройств и область их применения.

Особенности тепловой трубы

Принцип действия

Принцип действия тепловых труб пребывает в том, что энергопередача является следствием дальнейшей конденсации и испарения жидкости. Чтобы выяснить, как это происходит на практике, нужно представить замкнутую емкость, выполненную из металла с хорошей теплопроводностью и заполненную некоторым числом воды.

Процессы теплопередачи выглядят в ней следующим образом:

  • При нагреве одной части емкости, вода в ней превратится в пар.
  • Покидая жидкость, водяные пары попадают на охлажденную поверхность, в следствии чего пар снова переходит в жидкое состояние и стекает на прошлое место. Наряду с этим много тепловой энергии отводится через стены железного резервуара.
  • Остывшая вода снова нагревается и процесс повторяется.

Такая конструкция именуется термосифоном. Она хоть и не есть тепловой трубкой, но, принцип работы тот же.

Обратите внимание! Термосифон может работать как положено лишь в том случае, если его территория конденсации расположена выше территории испарения. Это снабжает возвращение конденсата на место нагрева.

Тепловая труба Гровера

Несложная конструкция тепловой трубы выглядит следующим образом:

КорпусВ обязательном порядке должен быть выполнен из материала, который прекрасно проводит тепло. Помимо этого, серьёзным требованием к корпусу есть его прочность, дабы он имел возможность обеспечить надежную герметичность.В качестве материала для него в большинстве случаев применяют всевозможные сплавы разных металлов, и керамику либо стекло для труб. От типа корпуса может зависеть цена изделия.
Рабочая средаПредставляет собой жидкое вещество (теплоноситель), талантливое при рабочей температуре переходить в газообразное состояние.
ФитильЖёсткий материал с порами, через каковые жидкость по капиллярам перемещается из одной части трубы в другую.
Читайте также:  Дачный водопровод из полиэтиленовых труб – какова альтернатива

Вышеописанное устройство именуют тепловой трубой Гровера. Данный ученый в 1963 году усовершенствовал конструкцию термосифона, в которой жидкость стекала самотеком. В тепловой трубе Гровера жидкость перемещается капиллярным методом.

Дабы эта система функционировала, к рабочей жидкости выдвигаются следующие требования:

  • Точка перехода «жидкость-пар» обязана пребывать в диапазоне температур, в котором работает устройство.
  • Жидкость не должна подвергаться температурному разложению.
  • корпус трубы и Материал фитиля должны смачиваться жидкостью.

В качестве рабочих жидкостей смогут использоваться разные вещества в жидкой фазе:

Что касается фитиля, то, как уже было сообщено выше, этот элемент снабжает перемещение жидкости под действием капиллярных сил. Главное требование к этому материалу – обеспечение равномерного перемещения рабочей жидкости по капиллярам.

Значительно чаще в качестве фитиля используют:

  • Железные сетки;
  • Железные войлоки;
  • Железные стеки;
  • Ткани саржевого плетения и пр.

На первый взгляд может показаться, что данное устройство достаточно простое, но, его технический расчет смогут выполнить лишь эксперты. Дело в том, что для действенной его работы нужно верно подобрать материал, его размеры и рабочие характеристики. Исходя из этого выполнить тепловые трубки своими руками вряд ли окажется, а вот тепловой сифон возможно сделать и самостоятельно.

Теплопередача в таких устройствах может осуществляться несколькими методами:

  • При помощи открытого огня;
  • При ярком контакте с нагретым веществом;
  • Электрическим током;
  • Инфракрасным излучением.

Обратите внимание! Единственной величиной, лимитирующей тепловую мощность устройства, есть тепловая стойкость его корпуса.

Нужно заявить, что функции тепловых трубок Гровера достаточно разнообразны, но основной их задачей есть теплопередача из одной части трубы в другую. Что касается температуры рабочей среды, то инструкция по их применению допускает диапазон от нуля градусов по шкале Цельсия до тысяч градусов.

Контурные тепловые трубки

С развитием разработок, тепловые трубы Гровера были усовершенствованы – на смену фитилю пришли особые контурные трубки.

Преимуществом таковой конструкции есть:

  • Надежность в работе;
  • Простота;
  • Более большой уровень передачи тепла;
  • Хорошая адаптация к различным условиям эксплуатации;
  • Долговечность;
  • Рабочие чёрта сохраняются при любом пространственном положении, благодаря чему устанавливается такая тепловая труба своими руками без каких-либо сложностей.

По сути, контуры являются такими же капиллярами, но владеют громадными размерами. В следствии их качеств относительно передачи тепла, трубки являются сверхпроводниками тепловой энергии.

Область применения современных тепловых труб

Сфера применения тепловых труб достаточно широка:

  • Теплопередача с минимальными затратами зданиям и различным объектам.
  • На базе тепловых трубок выполнены многие системы охлаждения, а также и холодильники.
  • Отвод тепла в разных устройствах микроэлектроники, например, тепловые трубы обычно используются в ПК.
  • Медицина.
  • Космическая индустрия.
  • Комплектация термостатов и других подобных по назначению устройств.
  • Строительство в условиях вечной мерзлоты.
  • В сельском хозяйстве, при обеспечении теплом парников и т.д.
  • Данное устройство есть необходимой подробностью тепловых диодов и выключателей.
  • Кроме этого может употребляться тепловая труба для отопления жилых и производственных помещений.

Нужно заявить, что характеристики современных тепловых труб достаточно впечатляющие:

Диапазон температур работыОт 4 до 2300 К
Мощность передачи теплаДо 20 кВт на квадратный сантиметр
Ресурс работыБолее 20 тысяч часов.

Вот, пожалуй, все главные моменты, каковые возможно кратко поведать о тепловых трубах. (См. кроме этого статью Разводка труб отопления: изюминки.)

Вывод

Из видео в данной статье возможно взять дополнительную данные по данной теме. Кроме этого напомним, что тепловые трубы стали широко распространены в современном производстве, системах отопления и многих других отраслях. Это связано с конструктивными изюминками изделий, каковые снабжают действенную транспортировку рабочих жидкостей, с высоким коэффициентом нужного действия.

Тепловые трубы: особенности устройства

Тепловые трубы представляют собой теплопередающие устройства, главной особенностью которых является способность передавать большие тепловые мощности при малых перепадах (градиентах) температуры. Устройства такого типа широко используются в теплоэнергетике, химической промышленности, электронике, а также в других областях промышленности.

В данном материале мы постараемся максимально доступно осветить принцип действия тепловых труб, а также рассказать о сфере их применения.

Стеклянный корпус тепловой трубы

Конструкция и функции тепловых труб

Термосифон как предшественник тепловой трубы

Устройством, которое являлось своеобразным «предшественником» тепловых труб современного типа является так называемый термосифон. Его конструкция, хоть и имеет значительные отличия от конструкции тепловых труб, все же базируется на тех же принципах.

Термосифон представляет собой специальную трубчатую емкость, внутрь которой вводится небольшое количество жидкости, после чего из емкости откачивается воздух и она герметизируется путем запайки.

Принцип работы термосифона следующий:

  • Тепло подводится к зоне испарения
  • Жидкость внутри капсулы термосифона превращается в пар, который под давлением движется в зону конденсации.
  • В зоне конденсации пар оседает на стенках, отдавая им тепло – следовательно, одним из условий, обеспечивающих работу термосифона, является эффективное отведение тепла от зоны конденсации пара.
    В противном случае возможен так называемый «кризис кипения», при котором вся жидкость испаряется и теплопередача проходит по стенкам термосифона, минуя зону конденсации.

Применение термосифонов обеспечивает значительную мощность теплопередачи даже том случае, если разница температур между концами термосифона незначительна.

Термосифон работает только тогда, когда его зона конденсации находится выше зоны испарения – только в этом случае возможно возвращение конденсата в зону испарения под действием силы тяжести.

Такая ситуация в ряде случаев является достаточно серьезны ограничением, поэтому на смену термосифонам пришли более сложные устройства — тепловые трубы.

Конструкция тепловой трубы

Наиболее распространенным типом тепловой трубы является тепловая труба Гровера (названная так по имени изобретателя).

Ее конструкция достаточно проста (насколько это возможно применительно к конструкции теплопередающего устройства) и включает в себя три основных элемента:

  • Корпус
  • Рабочую жидкость
  • Фитиль (капиллярно-пористый материал или КПМ)

Конструкция тепловой трубы

Ниже мы рассмотрим особенности конструкции каждого из этих элементов.

Корпус тепловой трубы чаще всего представляет собой камеру круглого или прямоугольного сечения. Для изготовления корпуса применяют нержавеющую сталь, сплавы алюминия, бронзу, медь, стекло, полимерные материалы либо керамику.

Главные функции корпуса – изоляция рабочей жидкости, а также — эффективное подведение и отведение тепла от нее. Для этого корпус должен быть герметичным и выдерживать значительное внутреннее давление.

Тепловые трубы производят с корпусами разных размеров, при этом ограничение в габаритах корпуса есть только «снижу» — они должны быть достаточными, чтобы исключить воздействие капиллярных сил в зоне движения пара.

Чтобы подобная ситуация не возникала, расчёт тепловой трубы, а также ее изготовление должны проводиться исключительно специалистами.

Рабочая жидкость в тепловой трубе является главным носителем тепла, который, собственно, и обеспечивает функционирование всей системы.

Исходя из этого к рабочей жидкости выдвигается ряд требований:

  • Она должна иметь точку перехода «жидкость-пар» в том диапазоне температур, в котором работает труба тепловая.
  • Рабочая жидкость не должна быть подвержена температурному разложению.
  • Она должна смачивать материал фитиля и корпуса тепловой трубы.

В качестве рабочих жидкостей в тепловых трубах применяют различные вещества в жидкой фазе: сжиженные гелий и аммиак, ацетон, воду, ртуть, а также – натрий или серебро.

Фитиль из пористого материала обеспечивает перемещение жидкости из зоны конденсации в зону испарения под действием капиллярных сил. Материал для фитиля должен обеспечивать равномерное движение жидкости по капиллярным порам.

В качестве фитиля используются металлические войлоки, металлические стеки или ткани саржевого типа плетения. Оптимальные материалы для фитиля тепловых труб – титан, медь, никель, нержавеющая сталь.

Отдельную категорию тепловых труб составляют так называемые контурные тепловые трубы. В отличие от классической схемы конструкции тепловой трубы у тепловой трубы контурного типа отсутствует фитиль, а передача рабочей жидкости от зоны испарения к зоне конденсации производится по контурным трубкам.

Схему контурной тепловой трубы вы можете видеть на рисунке.

Контурная схема тепловой трубы

Функции тепловых труб

Главной полезной функцией, которой обладают практически все трубы тепловые, является эффективная теплопередача по оси трубы между двумя зонами с разной температурой. Оптимальная работа тепловой трубы предусматривает, что режимы работы элементов не достигают критического порога.

Подача тепла к тепловой трубе может осуществляться любым удобным для вас способом:

  • Открытым пламенем
  • Электрическим током
  • Контактом с нагретым телом
  • Инфракрасным излучением

При этом единственной величиной, которой лимитируется тепловая мощность трубы, является тепловая стойкость корпуса.

Применение современных тепловых труб

Область применения тепловых труб сегодня достаточно широка.

Они могут использоваться в таких направлениях как:

  • Обустройство каналов эффективной теплопередачи
  • Разделение в пространстве источника нагрева и точки, в которую теплота передается (так называемый сток теплоты)
  • Комплектация термостатов и устройств, аналогичных по назначению
  • Терморегуляция и перенаправление тепловых потоков

Применение тепловых труб в энергетике

Кроме того, тепловые трубы являются обязательной деталью тепловых диодов и выключателей.

Характеристики тепловых труб на современном этапе достаточно впечатляющи:

  • Диапазон температур для работы тепловой трубы – от 4 до 2300 К.
  • Мощность теплопередачи – до 20 кВт на 1 см 2
  • Ресурс работы тепловой трубы составляет более 20 тыс. часов.

Трубы в тепловых сетях

Общие сведения о трубах

Однако под тепловыми трубами зачастую понимают не только устройства для теплопередачи, но и трубы, которые используются в тепловых системах. Ниже мы расскажем о разновидностях этих труб, а также – об особенностях их применения.

Трубы для тепловых сетей могут быть изготовлены из самых разных материалов.

К наиболее распространенным тепловым трубам относятся:

  • Напорные трубы из асбестоцемента
  • Биметаллические трубы
  • Оцинкованные трубы из углеродистой стали
  • Трубы из углеродистой стали с эмалевым или стеклокерамическим покрытием.

От используемого материала зависят не только потери тепла трубами при транспортировке теплоносителя, но и долговечность самой отопительной системы.

Вот почему к выбору материала для труб теплосети нужно подходить крайне ответственно.

Ниже мы рассмотрим все вышеперечисленные разновидности труб, и проанализируем их достоинства и недостатки.

Напорные трубы из асбестоцемента

Достаточно популярные сегодня отопительные трубы из асбестоцемента обладают рядом преимуществ, которые позволяют им «выигрывать» у труб из других материалов.

Напорная труба из асбестоцемента

Среди преимуществ асбестоцементных тепловых труб:

  • Выдерживают температуру теплоносителя (чаще всего горячей воды) до 120 – 130 0 С
  • Устойчивы к коррозии под воздействием почвенных растворов или других факторов
  • Асбест, входящий в состав таких труб, играет роль внутренней армировки, потому трубы из асбестоцементой смеси хорошо выдерживают сдавливающие деформации
  • Теплопроводность труб из асбестоцемента при температуре теплоносителя в 120 градусов меньше, чем теплопроводность аналогичной стальной трубы в аналогичных условиях в 62,5 раза.
    Потому можно смело заявлять, что по отношению к асбестоцементу такое определение как теплые трубы – отнюдь не гипербола.

Кроме того, асбестоцементовые трубы достаточно просты в монтаже и неприхотливы в обслуживании. Также они мало склонны к промерзанию даже в случае, если теплоноситель в них не циркулирует, потому теплый кабель для труб в данном случае практически никогда не требуется.

Читайте также:  Утепленные трубы: назначение, особенности, сфера применения

Тепловые биметаллические трубы

Трубы отопительные биметаллические производятся из высококачественной листовой стали, а поверхность таких труб покрывается защитным спецсоставом. Толщина защитного покрытия составляет от 5 до 20% от толщины стенки трубы.

Главной особенностью таких труб является тот факт, что они производятся горячекатаным методом – при этом не возникает необходимости термического воздействия на трубу, что положительно сказывается на ее антикоррозионных свойствах.

Оребренные биметаллические трубы

Биметаллические трубы для отопительных систем достаточно эффективны с точки зрения минимизации финансовых затрат, так как их срок службы гораздо больше, чем срок службы стальных труб.

И все же биметаллические трубы для теплотрассы используются достаточно редко ввиду их высокой стоимости.

Оцинкованные стальные трубы

При работе с теплоносителем, температура которого не выше 60-70 градусов Цельсия хорошую эффективность также демонстрируют трубы из высокоуглеродистой стали с цинковыми добавками.

Однако цинковое покрытие не универсально – при работе с теплоносителем, pH которого находится в пределах 6-7, оцинкованные трубы стремительно разрушаются. Также на устойчивость покрытия влияет скорость движения теплоносителя и уровень теплоносителя в трубе.

Труба в оцинкованной оболочке

Наравне с цинком для продления срока службы тепловых труб используют также легирующие добавки. В качестве таких добавок эффективны никель или алюминий. К другим процедурам, способным существенно повысить коррозионную устойчивость труб, относятся пассивирование, лакировка и фосфатирование внутренних поверхностей.

Что же касается экономичности использования таких труб, то она достаточно невысока. Объясняется это тем, что значительный коэффициент теплопередачи трубы из стали является причиной быстрого остывания теплоносителя.

Стальные трубы с эмалевым покрытием

Еще одна разновидность тепловых труб — стальные углеродистые трубы с эмалевыми покрытиями (также есть модификации со стеклоэмалевым покрытием).

Такие трубы отличаются следующими преимуществами:

  • Гладкая, твердая и долговечная внутренняя поверхность трубы
  • Высокая коррозионная устойчивость к воздействию теплоносителей различного состава
  • Высокая термостойкость
  • Длительный срок службы покрытия, а следовательно – и самих труб

Еще одним преимуществом труб с эмалевым покрытием является их относительно невысокая стоимость.

Как видите, под термином тепловые трубы могут скрываться кА достаточно сложные теплотехнические агрегаты, так и достаточно простые трубные конструкции для отопительных систем. И все же информация об этих устройствах должна быть у всех, кто планирует заниматься созданием отопительных систем.

Тепловые трубы: принцип действия

Содержание статьи

  • Тепловые трубы: принцип действия
  • Как обогреть трубу
  • Теплообменник труба в трубе: 4 варианта конструкции

Принцип действия тепловой трубы

Патент на концепцию тепловой трубки капиллярного типа был получен представителем компании General Motors еще в 1942 году. Через два десятилетия идея получила принципиальное дальнейшее развитие. В 1963 году американец Дж. Грувер из лаборатории в Лос-Аламосе наглядно продемонстрировал эффективность такой конструкции.

Принцип действия тепловой трубы сравнительно прост и понятен даже человеку, далекому от физики. Достаточно усвоить, что жидкости при испарении поглощают тепловую энергию, а в момент конденсации активно ее отдают.

Самое простое устройство такого типа представляет запаянную с обеих сторон трубку, внутри которой находится летучая жидкость. Если нагреть одну сторону устройства, жидкость начнет испаряться. При этом пар конденсируется на противоположном конце трубки. Затем жидкость самотеком возвращается к источнику тепла. Цикл может повторяться многократно.

Работа тепловой трубы самого распространенного типа происходит так. К трубе подводится тепло, которое передается через корпус к теплоносителю за счет теплопроводности. Жидкость, смачивающая находящийся внутри особый фитиль, испаряется. В дальнейшем жидкость конденсируется в зоне отвода тепла, что ведет к затоплению фитиля. Различие капиллярных давлений в двух разных зонах тепловой трубы ведет к появлению перепада давлений. Система превращается в своеобразный «капиллярный насос». Кроме капиллярных сил при работе трубы могут действовать так называемые массовые силы: электромагнитные, центробежные, гравитационные. Их действие способно как улучшать циркуляцию в трубе, так и затруднять ее.

Тепловая труба с гладкими стенками может эффективно работать только в одном положении – когда источник тепла располагается возле нижнего конца трубы, находящейся под наклоном.

Изобретатели доработали конструкцию, дав трубке возможность функционировать практически в любом положении. Для этого оказалось достаточным поместить внутрь устройства так называемый фитиль. Им может стать любой материал, имеющий «развитую» поверхность. При этом конденсированная жидкость будет иметь возможность перемещаться по фитилю за счет капиллярного эффекта при самых разных положениях трубки.

Достоинства тепловой трубы

Тепловая труба обрела заслуженную популярность в самых разных отраслях техники, включая довольно специфические области. Устройство такого типа обладает очень высокой теплопроводностью, многократно превышающей эту характеристику у меди. Тепловая труба способна передавать тепло на большое расстояние при небольшом поперечном сечении, в то время как у металлического прута способность передавать тепловую энергию снижается пропорционально отношению сечения к длине.

Скорость передачи тепла в трубке очень высока и ограничивается только скоростью испарения теплоносителя и темпами его конденсации.

Тепловая труба способна работать в произвольном температурном режиме. Если правильно подобрать теплоноситель, трубку можно применять при температуре как около +300 градусов Цельсия, так и при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, что делает такую систему пригодной для использования в космической технике.

Устройство, использующее описанный выше принцип работы, будет долговечным. Ничто не ограничивает срок эксплуатации тепловой трубы, поскольку ни металл трубы, ни фитиль, ни теплоноситель не изнашиваются.

Отказоустойчивость тепловой трубки поразительна, ведь в данной простой конструкции просто нечему ломаться. Трубка будет работать до тех пор, пока справедливы законы физики.

Особенности конструкции тепловой трубы

С теоретической точки зрения тепловая труба представляет собой испарительно-конденсационное устройство, используемое для передачи тепла, где происходит перенос теплоты парообразования посредством испарения жидкости в зоне поступления тепла и конденсации паров в области теплоотвода. Замкнутый цикл работы теплоносителя обычно поддерживается действием капиллярных сил.

Параметрами тепловой трубы можно управлять, меняя в ней давление. Это даст возможность теплоносителю совершать переход из одной фазы в другую в требуемом температурном режиме.

Существуют определенные требования к элементам конструкции тепловой трубы. Например, используемая в трубке жидкость не должна быть подвержена разложению, не должна вступать в химическую реакцию с материалом, из которого выполнены сама трубка и фитиль. Оболочку трубы предпочтительнее делать из материала с высокой теплопроводностью. Фитиль и трубка должны хорошо смачиваться теплоносителем.

Материалом корпуса тепловой трубы обычно становятся медь, алюминий, сталь разного типа.

Фитиль в тепловой трубе насыщен жидкой фазой теплоносителя. Фитилем могут стать не только сетчатые, но и спеченные пористые вещественные структуры, равно как и особые канавки на внутренней поверхности трубки, перфорированные экраны и так далее. Главное, чтобы структура фитиля позволяла переносить жидкость из зоны конденсации в область нагрева за счет капиллярных сил.

В настоящее время фитиль чаще всего выполняется из металла. Этот элемент конструкции имеет вид сетки или делается сплетенным из очень тонкой проволоки; такое техническое решение получило название металлического войлока.

Теплоносителем в этой системе могут выступать вода, ацетон, спирт, ацетон, фреоны. В тех трубках, которым приходится работать в необычных режимах температур, могут использоваться натрий, ртуть, жидкий гелий или серебро. Главное требование к теплоносителю: это должно быть чистое в химическом смысле вещество или соединение, которое способно выступать как в жидкой, так и в паровой фазе, а также обладать смачивающим эффектом.

Тепловые трубы получили широкое распространение не только в системах отопления домов, но также в технологических схемах охлаждения компонентов современных компьютеров (процессоров, видеокарт). Преимущество тепловой трубы в данном случае определяется тем, что появляется возможность снять с кристалла малой площади максимум тепла и рассеять его на радиаторе с большим числом ребер.

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ И ИХ КОНСТРУКЦИИ

Разработаны различные варианты тепло­вых труб. По форме они могут быть прямыми, изогнутыми, гибкими, спиральными, прямо­угольными и т. д. Тепловые трубы позволяют решать следующие задачи: обеспечивать про­странственное разделение источников и стоков теплоты (известны разработки тепловых труб длиной несколько километров); выравнивать и стабилизировать температуру поверхности;

Трансформировать плотность теплового потока (подвод теплоты по малой площади поверхно­сти, отвод по большой, и наоборот); осуществ­лять регулирование температуры; выполнять функции тепловых диодов и выключателей.

Тепловые трубы – относительно молодые современные технические устройства. Область их применения постоянно расширяется.

Высокотемпературные тепловые трубы, работающие при температуре до 1800 К, ис­пользуются в химической промышленности, металлургии и ядерной энергетике. В области ядерной энергетики тепловые трубы могут применяться в системах отвода теплоты из активной зоны небольших реакторов (напри­мер, космического назначения). Для стацио­нарной ядерной энергетики тепловые трубы могут быть применены в системах отвода теп­лоты при авариях различного рода.

Применение тепловой трубы дает суще­ственный экономический эффект. В США только при утилизации теплоты термических печей экономия топлива составляет 12%. В США и Японии разрабатываются керамиче­ские теплообменники на тепловых трубах, в которых теплоносителями являются Na, К, Li. Керамика ( SiC, Si3N4, MgO, А1203) использу­ется или как материал корпуса, или как внеш­нее покрытие, нанесенное на металл и предо­храняющее его от коррозии. Для предотвраще­ния взаимодействия керамики со щелочными металлами на внутренние поверхности труб напыляется ниобий.

Высоко – и среднетемпературные тепло­вые трубы применяют в котлах-утилизаторах и экономайзерах. Фирма Хитачи (Япония) разра­ботала радиационный паровой котел на тепло­вых трубах (рис. 4.5.3). Барабан котла подобен

Рис. 4.5.3. Схема радиационного парового котла:

/ – тепловая труба; 2 – болванка; 3 – подача воды; 4 – выход пара

Рис. 4.5.4. Схема отопительно-вентиляционной установки с утилизацией теплоты дымовых газов:

1 – вентилятор;2 4 – заслонка; 5

Кожух; 3 – газоход; тепловая труба

Барабану котла-утилизатора, а испарительная часть тепловых труб размещена в теплоизоли­рованном кожухе и воспринимает лучистые потоки тепла от раскаленных болванок. Котел устанавливается на промышленных прокатных станах.

Технические характеристики котла: рас­ход пара 600 кг/ч, отливок 200 ООО кг/ч; темпе­ратура на входе воды 20 °С, отливок 750 °С; температура на выходе пара 147,5 °С, отливок 730 °С ; давление пара 0,147 МПа; количество утилизированной теплоты 419 кВт.

Теплообменники на тепловых трубах перспективны для утилизации потоков тепло­ты, технической воды и отработанного пара в установках малой и средней мощности. Темпе­ратура уходящих газов технологических топок, районных котелен, дымовые газы которых со­держат до 12 % энергии, получаемой при сжи­гании топлива, равна 450. 600 °С. Отопитель- но-вентиляционная установка на тепловых трубах с утилизацией теплоты дымовых газов размещается в дымовой трубе над топкой (рис. 4.5.4). Медные оребренные тепловые трубы 5 заправлены водой, в качестве фитиля применен спеченный медный порошок. Испа­рительная часть тепловой трубы размещена в газоходе, конденсационная – внутри кожуха 2, через который вентилятором 1 продувается нагреваемый воздух. Его расход регулируется заслонкой 4. Испарительная часть труб отделе­на от конденсационной перегородкой из сталь­ного листа. Теплообменник на тепловых тру­бах предназначен для обогрева и вентиляции жилых помещений площадью до 100 м2 в ком­плекте с бытовыми котлами КУМ-2. Тепловая мощность установки не менее 15 кВт; расход нагретого воздуха 100.. .200 м7ч; удельный расход электроэнергии 0,4 Вт/м2; масса уста­новки 20 кг; габаритные размеры 0,425×0,46х х0,26м.

Читайте также:  Трубы для водопровода в квартире: критерии выбора

Центробежные теплообменники на теп­ловых трубах – это двухфазные термосифоны, в которых конденсат возвращается в испаритель под действием центробежных сил (рис. 4.5.5). Вращающиеся теплообменные грубы также

Рис. 4.5.5. Схема вращающейся тепловой трубы:

1 – отвод теплоты; 2 – подвод теплоты; 3 – паровой поток; 4 – возврат конденсата

Имеют испарительный (подвод теплоты), транспортный и конденсационный (отвод теп­лоты) участки. Вращение вокруг оси обуслов­ливает появление центробежного ускорения, составляющая которого вдоль стенки трубы перемещает сконденсировавшуюся рабочую жидкость по стенке к испарителю. Термиче­ская проводимость этих труб сравнима или выше, чем тепловых труб с капиллярной струк­турой.

Центробежные тепловые трубы приме­няют для утилизации теплоты уходящих газов печей в химической, нефтехимической, метал­лургической отраслях промышленности, в ко­торых сжигается низкосортное топливо. Про­дукты сгорания содержат пыль, коррозионно – опасные и смолистые вещества, которые, осе­дая, загрязняют поверхность теплообмена и существенно снижают перенос теплоты В та­ких теплообменниках исключается отложение твердых веществ на теплопередающих поверх­ностях. Применение вращающихся ТТ для ох­лаждения двигателей переменного тока позво­ляет повышать нагрузку двигателя на 15 % при сохранении прежней температуры обмотки ротора.

Отдельный тип ТТ представляют регули­руемые тепловые трубы, тепловые диоды и тепловые выключатели. Разработаны газорегу- лируемые тепловые трубы и с регулированием циркуляции теплоносителя. В первом случае регулирование производится за счет неконден­сирующегося газа, блокированная им зона вы­ключается из процесса теплообмена.

В газорегулируемой тепловой трубе с го­рячим резервуаром У неконденсирующегося газа (рис. 4.5.6) любое изменение температуры зоны испарения приводит к изменению давле­ния пара и соответствующему перемещению границы переходной зоны. При этом изменяет­ся площадь поверхности конденсации пара и происходит термостабилизация источника теп­лоты при изменении мощности тепловыделе­ния в нем. Газорегулируемые тепловые трубы

Могут быть сконструированы для термо­стабилизации обогреваемого объекта (прием­ника теплоты) и выполнять функцию теплово­го диода (передачи теплоты только в одном направлении). Они обеспечивают термостаби­лизацию источников и приемников теплоты без применения движущихся деталей, специаль­ных датчиков и исполнительных механизмов, без применения внешних источников энергии.

В тепловых трубах с регулированием цир­куляции теплоносителя прерываются потоки жидкой и паровой фаз (рис. 4.5.7). Паровой клапан управляется термочувствительным эле­ментом, изменение объема которого в зависи­мости от температуры в зоне испарения меняет степень его открытия (рис. 4.5.7, а). Термочув­ствительный элемент может быть выполнен в виде биметаллической детали (рис. 4.5.7, б), разрывающей или восстанавливающей капил­лярную связь между частями фитиля в зависи­мости от температуры зоны испарения.

Парлифтная тепловая труба является объ­ектом активного регулирования (рис. 4.5.8). Жидкость в парлифтном узле перемещается против направления силы тяжести благодаря подогреву. Мощность, подводимая к нагрева­телю. определяет мощность этой тепловой трубы.

Рис. 4.5.8. Схема парлифтной тепловой трубы: 1 – нагреватель; 2 – парлифтный узел; 3 – зона испарения; 4 – зона конденсации

В тепловом диоде, приведенном на рис. 4.5.9, а, часть фитиля делается с весьма малым капиллярным напором. Если эта часть тепловой трубы служит зоной конденсации, то развивается значительная мощность. При из­менении направления теплового потока, когда эта часть оказывается в зоне испарения, пере­даваемая мощность резко падает.

В тепловой трубе с капиллярным сборни­ком жидкости в зоне испарения она работает в обычном режиме (рис. 4.5.9, б). При обратном направлении теплового потока капиллярный сборник отсасывает из рабочей зоны практиче­ски всю жидкость от части фитиля, находя­щейся в зоне конденсации. Зона испарения высыхает, испарительно-конденсационный ме­ханизм отключается.

Термический диод с жидкостной ловуш­кой представляет собой двухфазный термоси­фон с раздельными каналами для подъема пара и слива жидкости (рис. 4.5.9, в). Закрытием клапана на сливном канале тепловая труба отключается.

В качестве термодиода могут работать тепловые трубы с парлифтным подъемником (рис. 4.5.10). Двухфазная смесь из вертикаль­ной зоны испарения при помощи вспомога­тельной опускной линии (канала) 2 создает мощный циркуляционный контур теплоноси­теля, расход жидкости через который много­кратно превышает испаряющую часть этого потока. Отсепарированный пар попадает в зону конденсации 3, конденсат отсасывается эжек­тором 4, работа которого обеспечивается тем же парлифтным циркуляционным контуром. При переключении направления теплового потока тепловая труба не работает.

Вариант отключения тепловой трубы 4 методом вытеснения рабочей жидкости У из бесфитильного резервуара 2 твердым телом – вытеснителем 3 показан на рис. 4.5.11. Тепло­вая труба может быть выключена перекрыти­ем парового клапана заслонкой с магнитным приводом. Рабочая жидкость может быть замо­рожена с помощью термоэлектрического охла­дителя.

Плоская тепловая труба (рис. 4.5.12) ра­ботает так же. как и обычная трубчатого типа. На ней создается почти изотермическая по­верхность, которая может быть использована как эффективный радиатор для охлаждения и термостатирования размещенных на ней устройств.

Гибкие тепловые трубы применяют в тех случаях, когда имеется вибрация источника (стока) теплоты или возникают трудности при соединении источника (стока) теплоты с жест­кой тепловой трубой. Гибкость обеспечивается вставкой в корпус между испарителем и конденсатором гибкого элемента-сильфона.

Рис. 4.5.13. Гибкая тепловая труба:

1 – подвод охлаждающей жидкости;

Рис. 4.5.12. Плоская тепловая труба:

1 – спеченные металлические фитили; 2 – охлаждаемая пластина, 3 – сетчатый фитиль; 4 – испаритель

Рис. 4.5.11. Схема теплового выключателя, работающего на принципе вытеснения

2 – зона конденсации; 3 – внутренние ребра жесткости; 4 – фитиль; 5 – гиб­кий сильфон; 6 – изоляция; 7 – при­жимное устройство фитиля; 8 – зона испарения; 9 – отвод охлаждающей жидкости

Пластмассовой трубы (рис. 4.5.13). Характери­стики тепловой трубы изменяются из-за изгиба и вибраций.

В тепловой трубе с осмотической пере­качкой жидкости канал, по которому происхо­дит возврат жидкости, отделен от центрального парового потока полупроницаемой мембраной 1 (например, из целлюлозы) (рис. 4.5.14). Рабо­чей жидкостью могут быть водные растворы хлоридов, хлоратов и боратов. В испарителе при нагревании раствора испаряется чистый растворитель, пар конденсируется в холодной зоне на полупроницаемой мембране. Конден­сат чистого растворителя проходит через мем­брану в раствор, создавая осмотическое давле­ние значительно более высокое, чем капилляр­ный напор, создаваемый поверхностным натя­жением.

Рис. 4.5.14. Схема тепловой трубы с осмотической перекачкой рабочей жидкости

Рис. 4.5.15. Схема электроосмотической тепловой трубы:

1 – охлаждающая рубашка конденсатора; 2 – источ­ник постоянного тока; 3 – пористый электрод; 4 – нагреватель; 5 – поток жидкости, несущий электри­ческие заряды; 6 – поток пара; 7 – фитиль

Электроосмос – движение электропро­водной жидкости под воздействием приложен­ного электрического поля через пористое тело используется для повышения интенсивности движения рабочей жидкости в электроосмоти­ческой тепловой трубе (рис. 4.5.15). Электро­осмотический эффект получается введением двух пористых электродов 3, к которым при­ложена разность потенциалов от источника

Постоянного тока 2. Испытаны тепловые трубы с водными растворами НС1, КС1, КОН (кон­центрация КГ5 моль/л).

Описание многих промышленных тепло­обменников, в которых используются тепловые трубы, а также специальных их типов дано в монографиях, приведенных в списке литерату­ры. Там же изложены методы расчета, выбор конструкции элементов тепловых труб, подго­товка их к заполнению и приведены схемы их заполнения рабочей жидкостью.

Что такое тепловые трубы

В системах отопления для передачи тепла используются особые тепловые трубы. Принцип действия их довольно прост. Они выполняются из материала, способного передавать огромные мощности. Изделия используются не только в теплоэнергетики, но и для обеспечения промышленных нужд. Рассмотрим подробнее, что это такое.

Схема двухфазного термосифона

Конструкционные особенности

Тепловые трубы – это результат модификации термосифона. К самым популярным типам устройств относится разработка Гровера. Фото можно посмотреть на нашем сайте. Конструктивно труба простая, она состоит из корпуса, теплоносителя и фитиля. Корпус – это камера, сечение которой может быть либо круглым, либо прямоугольным. Он изготавливается из нержавеющего материала или бронзы, алюминия, меди, стекла, керамики и пр.

Расчёт производится исходя из условий эксплуатации. По результату выбирается оптимальный вид материала. Корпус предназначен для того, чтобы изолировать теплоноситель. Для этого он делается сверхгерметичным. Особое внимание уделяется прочности, так как важно, чтобы материал выдерживал большое давление.

Тепловые трубы могут быть различных размеров, их сечение выбирается таким, чтобы его было достаточно для сопротивления давлению пара. Расчёт производится подготовленным персоналом, так как малейшие ошибки приводят к колоссальным авариям. Вся система работоспособна лишь в том случае, если тепловые трубы наполняются рабочей жидкостью, состав которой оптимален для транспортировки большего объёма теплоэнергии.

Требования к жидкости

Расчёт теплоносителя немаловажен. Необходимо, чтобы термоточка преобразования жидкости в газ оставалась в диапазоне оптимальных величин. Только в этом случае тепловая труба проработает безаварийно долгие годы. Важно и то, что рабочая жидкость не должна подвергаться разложениям, кроме того ею смачиваются материал фитиля и поверхность корпуса.

На фото можно посмотреть, что это и как работает. Сегодня в системах используется ацетон, вода, и даже ртуть. Закачиваются и другие составы. В отдельных случаях в качестве теплоносителей выступают натрий и серебро. С помощью фитиля, выполненного из материала пористой структуры, производится перемещение жидкого вещества от участка конденсирования к участку испарения. Осуществляется это путём использования капиллярных сил.

Другие особенности исполнения

Тепловые трубы оснащаются фитилём, с помощью которого обеспечивается движение жидкости. Её скорость неизменна. Изготавливается фитиль зачастую из металлического стека или войлока. В отдельных случаях используются особые ткани. Что касается оптимального исполнения, то фитиль чаще всего производят из титана, никеля, меди или стали. Такой подход обуславливает принцип действия устройства. С помощью фото можно понять, из чего состоит система.

Отдельным подвидом выделяются контурные тепловые трубы. В отличии от классического исполнения, такой подход исключает установку фитиля. Рабочая жидкость транспортируется посредством контурных труб.

Функции устройств

Тепловые изделия позволяют транспортировать рабочие жидкости с большей эффективностью. Оптимальная работа возможно лишь тогда, когда исключается доминирование критических величин. Тепло подаётся с помощью пламени, тока, контакта с другими теплоносителями, излучения инфракрасного происхождения и пр.

Единственная величина, которая считается самой приоритетной, – это стойкость материала корпуса трубы. Только этот параметр учитывается практически во всех расчётах, связанных с проектированием систем. Где же используется тепловая труба?

Их монтаж актуален при строительстве каналов эффективного теплообмена, при необходимости разделения источника теплоэнергии и потребителя тепла, при комплектовании термостата, при необходимости регулирования температуры и пр. Тепловые трубы – это неотъемлемая часть термовыключателей и термодиодов, так что спектр применения огромный.

Единственно правильный подход

Без тепловых труб остановилось бы современное производство. Эффективные теплоносители – залог успешного будущего. Это движение, посредством которого развивается вся планета. Конструктивные особенности изделий позволяют сделать транспортировку рабочих жидкостей эффективной, что увеличивает коэффициент полезного действия.

Ссылка на основную публикацию