5.4 Тепловые насосы и трансформаторы тепла. Теплоиспользующие устройства на тепловых трубах

Трансформаторами тепла называются устройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой (теплоотдатчика) к телу с более высокой температурой (теплоприемнику).

Трансформаторы тепла может работать в режиме холодильной установки, в режиме теплонасосной установки либо в комбинированном режиме.

В режиме холодильной установки температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды, тогда как температура теплоприемника равна температуре окружающей среды.

В режиме теплонасосной установки температура теплоотдатчика равна или несколько выше температуры окружающей среды, тогда как температура теплоприемника значительно выше ее.

Основными элементами трансформатора тепла являются компрессор, испаритель, дросселирующий клапан, конденсатор, теплообменник. Компрессор сжимает газ, за счет чего происходит его нагревание. Нагретый газ поступает в конденсатор, в котором полученная теплота отдается через теплообменник воде либо воздуху, а остывший газ конденсируется, превращаясь в жидкость. Сконденсированный газ через дросселирующий клапан поступает в испаритель, в котором происходит отбор тепла от теплоотдатчика . За счет отобранного тепла происходит испарение газа. Испарившийся газ поступает в компрессор и описанный процесс повторяется.

Коэффициент полезного действия теплового трансформатора равен отношению тепловой энергии, полученной рабочим теплом в испарителе, к затраченной электрической либо другой энергии на привод компрессора. Рассчитанный таким образом КПД превышает 100% и может достигать значения в 330%. Такой КПД получается за счет того, что электрическая энергия затрачивается только на процесс циркуляции рабочего тела, в то время как энергия на нагревание забирается от окружающей среды. Таким образом, замена обычных электрокалориферов либо ТЭНов на теплонасосную установку позволяет добиться значительной экономии электроэнергии.

Прототипом тепловой трубы (см. рис. 5.8, д) является термосифон, представляющий собой вертикальный или наклонный цилиндр с рабочей жидкостью, которая сосредоточена в нижней части (рис. 5.8, г). Термосифон работоспособен в гравитационном поле. С его помощью можно передавать теплоту от одной среды к другой. В нашем случае от нагретого вытяжного воздуха теплота подводится к нижней части термосифона, где жидкость в процессе кипения испаряется, а пар, аккумулировав теплоту, поднимается вверх. Верхняя часть термосифона омывается приточным воздухом. Пар конденсируется, выделяя теплоту, которая передается холодному воздуху. Конденсат под действием силы тяжести стекает по стенке цилиндра в виде жидкой пленки.

Плотность передаваемых потоков с помощью термосифона в несколько раз выше, чем через обычную стенку рекуперативного теплообменника, из-за роста эффективной теплопроводности. Недостатком термосифона является то, что его ориентация должна быть близкой к вертикали и тепловой поток имеет одно направление – снизу вверх. Этот недостаток преодолен в тепловых трубах.

Тепловые трубы дополнительно содержат смачиваемые капилляры (см. рис. 5.8, д), в которых жидкость независимо от их ориентации перемещается за счет силы поверхностного натяжения. В тепловой трубе различают три зоны: зону подвода теплоты (участок испарения), зону переноса теплоты (адиабатный участок), зону отвода теплоты (участок конденсации). Теплоносителями в тепловой трубе могут выступать различные вещества: аммиак, ацетон, фреоны, вода, ртуть, индий, цезий, калий, натрий, литий, свинец, серебро и неорганические соли. Для изготовления корпусов и капиллярных структур используются стеклокерамика, различные металлы и сплавы. В отличие от термосифона, тепловая труба может иметь произвольную ориентацию.

Достоинствами тепловых труб являются: высокая эффективность теплопередачи, автономность работы, малая масса и габариты, высокая надежность, возможность реализации сложных теплопередающих функций, высокая изотермичность поверхности трубы. Потоки теплоты, передаваемые тепловой трубой, выше на два-три порядка по сравнению с таким теплопроводным материалом, как медь. Практическая реализация больших потоков зависит от интенсивности внешнего теплообмена в средах с подводом и отводом теплоты.

Поэтому сфера использования тепловых труб весьма широка как в земных условиях (в энергетике, машиностроении, электронике, химической промышленности, сельском хозяйстве), так и в невесомости.