2.9. Некоторые методы интенсификации теплообмена

Для интенсификации конвективного ^теплообмена в ламинарной и переходной областях в трубах большой протяженности применяют шнековые и другие завихрители, обеспечивающие тангенциальную закрутку потока [3,67]. В переходной области перед входом в каналы протяженностью около длины начального гидродинамического участка и менее устанавливают решетки, шайбы и другие устройства, повы­шающие турбулентность потока [86]. Искусственно прерывают разви­вающийся ламинарный или турбулентный пограничный слой во вход­ных участках каналов или ламинарный подслой в переходной и турбу­лентной областях, применяя короткие трубы и каналы, плоское прерывистое и жалюзийное (рис. 2.27,а), проволочное или стерженьковое (рис. 2.8,2,(3,2.10, е) оребрение [15, 18, 30, 36, 50], диффузррно-конфузорные трубы и каналы, трубы с шайбовым и поперечно-спиральным внутренним оребрением и другие.поверхности с искусственной дискрет­ной шероховатостью (рис. 2.27, б—д). В ламинарной и турбулентной областях уменьшают поперечные размеры каналов, в том числе с по-

мощью продольного внутреннего оребрения. В переходной области этот метод неприемлем, так как вызывает снижение коэффициентов теплоотдачи. Оребрение поверхности не ведет к интенсификации Teплообмена, если протяженность ребер в направлении потока больше, чем протяженность оребряемой стенки. Например, в поперечном пото­ке коэффициенты теплоотдачи труб с поперечными круглыми, спираль­ными или пластинчатыми гладкими ребрами ниже, чем гладких.

Теплообмен интенсифицируют, повышая скорость теплоносителей, увеличивая радиационную составляющую, запыляя потоки прозрачных для инфракрасного излучения воздуха и других Двухатомных газов Твердыми частицами и подмешивая в них трехатомные и многоатом­ные газы. При кипении жидкостей добиваются увеличения числа центров парообразования, большего перегрева жидкости у поверхности кипения, улучшения условий отвода пара, уменьшения доли поверх­ности пузырей, контактирующей с более холодными слоями жидкости. Для этого применяют ребристые трубы и каналы, поверхности с по­ристым покрытием, организуют кипение в тонких пленках жидкости, во взвешенных слоях твердых частиц и т. п. [28, 36, 48]. При конден­сации пара стремятся уменьшить термическое сопротивление пленки конденсата, для чего организуют процесс в каналах с малыми попе­речными размерами, повышают скорость движения пара, осуществляют отсос конденсата через пористые покрытия поверхности, улучшают условия его отвода с помощью сил поверхностного натяжения, выпол­няя на поверхности канавки, покрывают поверхность гидрофобными веществами, ухудшающими смачиваемость поверхности, для перехода от пленочной к капельной конденсации [28, 36, 58].

2.11. Тепловые трубы

2.11.1. Принцип действия. Принцип действия тепловой трубы (ТТ) был описан в 1944 г. Гоуглером. Однако широкое практическое приме­нение тепловых труб началось только после работ Гровера в 1964 г. В настоящее время ТТ находят широкое применение в энергетике, ме­таллургии, химической промышленности и других отраслях. Примене­ние ТТ, например, позволяет утилизировать низкопотенциальную теп­ лоту на температурном уровне и ниже, что сложно осуществить с помощью других теплопередающих устройств. Обычно тепловая тру­ ба представляет собой герметичную полость различной геометрии, при теоретических анализах обычно рассматривают трубу цилиндрической формы.

В тепловой трубе теплота от охлаждаемой среды отбирается в зоне испарения испаряющейся здесь жидкостью и с потоком образующегося пара переносится на значительное расстояние в зону охлаждения, где передается стенке трубы при конденсации. Образовавшийся конден­сат возвращается снова в зону испарения.

Основными преимуществами тепловых труб; по сравнению с обыч­ными теплопередающими устройствами являются простота конструк­ции, отсутствие нагнетателей и следовательно, затрат энергия на пе­ремещение теплоносителей внутри ТТ; герметичность, позволяющая использовать в качестве теплоносителей любые, в том числе и агрес сивные, жидкости; легкость регулирования; высокая теплопроводность, которая превосходит в сотни ра^ самые теплопроводные металлы.

В зависимости от способа транспорта жидкости из, зоны конденсации в зону нагрева можно выделить три типа тепловых труб (рис. 2.29).

В фитильных или капиллярных тепловых трубах (рис. 2.29,а) по их внутренней поверхности уложен капиллярно-пористый, материал — фитиль, пропитанный жидким теплоносителем. При внешнем подводе теплоты в зоне испарения (испарителя) жидкость из фитиля испаряет­ся по всей длине зоны . Капиллярная структура фитиля освобожда­ется от жидкости, что создает..в этой зоне капиллярное разрежение.

З а счет этого разрежения жидкость под­сасывается из охлаждаемой зоны ТТ — конденсатора (длина которой L_K) в испа­ритель для' повторного испарения. Таким образом, в ТТ имеет место процесс не­прерывного переноса теплоты парообра­зования от испарителя к конденсатору. Между зонами испарения и конденсации располагается транспортная зона (дли­на 1_Т).

В гравитационных тепловых трубах (термосифонах) (рис. 2.29,6) возврат конденсата из конденсатора в зону испарения происходит за счет сил тяжести,

т. е. для нормальной работы термосифонов обязательно расположе­ние конденсатора выше зоны испарения. В центробежных тепло­вых трубах (рис. .2.29,6) корпус трубы вращается вокруг своей продольной оси. В таких трубах толщина слоя жидкости внутри ТТ в зоне конденсации больше, чем в зоне испарения, и возврат кон­денсата из зоны охлаждения в зону нагрева осуществляется за счет центробежных сил. Такие ТТ применяют, например, для охлаждения электродвигателей, где вал электродвигателя одновременно является центробежной тепловой трубой.

2.11.2. Тепловые трубы с капиллярно-пористыми материалами. Ус­ловия циркуляции теплоносителя- в ТТ определяются уравнением дви­жения для жидкости и пара. Перенос теплоты от испарителя к кон­денсатору возможен только тогда, когда суммарные потери давления на отдельных участках трубы (силы сопротивления) будут меньше движущей силы.(имеющей капиллярный или массовый характер), т. е.

где —потери давления на трение при движении пара и

жидкости; Дрм — массовые силы, обусловленные ориентацией ТТ в пространстве; при расположении испарителя выше конденсатора последний член входит в уравнение (2.176) с плюсом, ниже—0 минусом; — минимальный радиус кривизны менисков жидкости в зоне испарения; — поверхностное натяжение. ,

Рассмотрим каждую составляющую гидравлического сопротивле­ния в отдельности. При наличии на стенках тепловой трубы пористого материала (фитиля) удельный расход жидкости, движущейся вдоль оси трубы z, определяется уравнением Дарси:

Здесь К — коэффициент проницаемости пористого материала; и — плотность и вязкость жидкости; —давление. Тогда поток жидкости через поперечное сечение фитиля площадью равен

И з (2.178) следует, что перепад давления на участке порис­того материала равен:

Поток жидкости G меняется в зонах испарения от нуля до G и от G до нуля в зоне конденсации, а в транспортной зоне длиной L_T он по­стоянен (рис. 2.30). Среднее гидравлическое сопротивление для каж­дой из зон можно, записать так:

Тогда суммарное гидравлическое сопротивление по жидкостному трак­ту равно ,

где — длина тепловой трубы.

Если предположить, что в паровом пространстве ТТ имеет место течение Пуазейля [19], то перепад давления пара для всей ТТ можно записать в виде

где> —диаметр парового канала; —площадь поперечного сечения этого канала.

Учитывая, что теплопередающая способность тепловой трубы Q= Gr, суммарное гидравлическое сопротивление по пару и жидкости запишем в виде

здесь . —теплотаф аового перехода.

При работе в поле, сил тяжести (где угол наклона ТТ к горизонту), тогда с учетом (2.176) из уравнения (2.180) по­лучим выражение для тепловой мощности

Это выражение характеризует максимальный тепловой поток, ограниченный капиллярными и гравитационными силами. В [19] получено более общее уравнение, в котором учтены переменность физических свойств по длине ТТ и потери давления в зонах испарения и конден­сации при фазовых переходах.

Предположим, что ТТ расположена горизонтально . Для

простоты рассуждений будем считать , что имеет место в

большинстве задач. Тогда из выражения (2.181)

В данное соотношение входят два комплекса:

и Первый характеризует геометрические параметры

ТТ, а второй — физические свойства теплоносителя. На рис. 2.31 по­казана зависимость Ф_с от температуры для наиболее часто применя­емых теплоносителей. Эта зависимость позволяет оценить целесооб­разность применения различных жидкостей как теплоносителей в ТТ в выбираемом температурном диапазоне. В фактор входят коэф­фициент проницаемости К и минимальный радиус капиллярных пор R'. Коэффициент К характеризует фильтрационные свойства пористо­го материала и определяется скоростью, с которой жидкость протекает через по­ристый материал. Его чаще всего нахо­дят из эксперимента. Значения К для различных капиллярно-пористых мате­риалов можно найти в [19]. Радиус влияет на максимальную теплопередающую способность ТТ и определяется структурой капиллярно-пористого тела. Для сетчатых многослойных фитилей наи­меньший радиус капиллярных пор равен половине размера ячейки на просвет. Для фитилей из частиц, форма которых близка к сферической (спеченный поро­шок), можно пользоваться равенством,

предложенным А. В. Лыковым, .( —диаметр частиц).

Для" канавок прямоугольного сечения (S — половина ширины

канавки). Часто минимальный размер капиллярных пор определяется экспериментально по максимальной высоте поднятия жидкости в ка­пиллярно-пористом теле.

В общем случае процесс передачи теплоты от наружной поверхно­сти испарителя к наружной поверхности конденсатора можно разде­лить на ряд составляющих (рис. 2.32), В зоне испарения теплота передается от наружной поверхности стенки ТТ, с температурой че­рез стенку корпуса и фитиль теплопроводностью. Тогда

где —толщины стенки и фитиля; —теплопроводность

стенки и эффективная теплопроводность фитиля, пропитанного тепло­носителем; — температура пара внутри ТТ; —площадь поверхности зоны испарения.

Аналогично для зоны конденсации получим

Здесь —площадь поверхности зоны' конденсации; —толщина фитиля в зоне конденсации; —температура наружной поверхности стенки в зоне конденсации.

В первом приближении можно принять Тогда, ре-

шив совместно (2.1183) и (2.1184), получим

где

По уравнению (2.185) можно найти тепловую нагрузку ТТ при из­вестном перепаде температур , размерах и форме тепловой трубы. Однако в выражении (2.185) не учитываются гидравлические сопротивления жидкости при движении по фитилю ТТ и потока пара внутри трубы, а также капиллярные силы, определяемые соотношени­ем (2.181). Поэтому после определения передаваемой ТТ теплоты по соотношению (2.185) необходимо найти значения максимальной теплоперёдающей способности ТТ по уравнению (2.181) и эти значения сравнить. Тепловая труба будет передавать требуемое количество теп­лоты если

Верхний предел теплопередающей способности ТТ может ограни­чиваться одним или несколькими факторами, влияющими на ее рабо­ту. В качестве таких ограничений могут быть: предельная скорость движения пара, когда на выходе из зоны испарения скорость пара становится равной скорости" звука; капиллярная структура, так как суммарные гидравлические потери при движении жидкости и пара внутри ТТ не должны превышать капиллярного напора, создаваемого пористым телом; ограничения, связанные с кризисом кипения жидко­сти в пористом материале. Существенное значение может иметь огра­ничение, связанное с замерзанием теплоносителя внутри ТТ. Необхо­димо иметь в виду, что все перечисленные ограничения имеют незави­симый характер, поэтому при проектировании ТТ необходимо их выя­вить и сопоставить для конкретных условий работы.

2.11.3. Капиллярные структуры тепловых труб. Основным фактором при выборе материалов для корпуса и фитиля ТТ является их совместимость с теплоносителем (табл. 2.10). Это связано с тем, что в результате химических реакций или разложения

теплоносителя, коррозии и эрозии корпуса и фитиля

могут ухудшаться теплопередающие свойства ТТ.

В качестве примера можно привести гидролиз воды в водно-алюминиевой ТТ при выделении газообраз­ного водорода. Накопленный опыт позволяет сделать ряд рекомендаций для выбора теплоносителя, мате­риалов фитиля и корпуса ТТ.

Свойства фитилей существенно влияют на теплопередающую способность ТТ. Фитили должны иметь высокую проницаемость К, малый радиус пор , достаточную теплопроводность скелета и должны смачиваться жидким теплоносителем.. В связи с-тем что на выбор _t фитиля оказывает влияние большое число факторов, невозможно дать общие рекомен­дации для выбора его конструкции, тем более что ряд требований, например требования высоких зна­чений К и малых \R', противоречат друг другу.

Наиболее распространенные конструкции фити­лей показаны на рис. 2.33.

Перед заправкой трубы теплоносителем материал -трубы, а также сам теплоноситель должны быть дегазованы. Дегазация особенно важна ^ для высокотемпературных ТТ ,.

так как при увеличении температуры интенсивность .выделения газов увеличивается: Поэтому для длительной работы _vT,T особо жесткое требование предъявляется к пред­варительному вакуумированию и -качеству сварных соединений.

2.11.4. Термосифоны. Термосифоны часто называют в технике трубами Перкинсй. Основное достоинство термосифонов заключается в простоте конструкции и возможности охлаждать тепловыделяющие по­ верхности сложной конфигурации, когда установка пористой структуры ТТ на тепловыделяющей поверхности затруднена. В настоящее время область применения термосифонов значительно расширилась: энергетика, холодильная техника, нефтехимическая промышленность, системы охлаждения и термостабилизации различной радиоэлектронной аппа­ратуры.

Термосифоны представляют собой герметически - замкнутый объем, участь которого заполнена жидким теплоносителем. Тепловой поток плотностью подводится к нижней части термосифона, а отводится от верх­ ней. При подводе теплоты к жидкому теплоносителю в зоне нагревания происходит процесс испарения или кипения жидкости; образующиеся пары поднимаются вверх и конденсируются на внутренней стенке тепло- вода. Образовавшийся конденсат стекает в зону нагревания за счет сил гравитации.

В зависимости от геометрии термосифонной трубы различают термо­сифоны цилиндрические и плоские, а в зависимости от места подвода теплоты к испарителю — термосифоны с торцевым (рис. 2.34,а) и бо­ковым (рис. 2.34,6) подводом. В зависимости от конструкции и условий подвода теплоты меняется механизм физических процессов, происходя­щих во внутренней полости термосифонного элемента: испарения и ки­пения на стороне подвода теплоты испарительного термосифона, кон­денсации на стороне отвода теплоты, возврата. рабочей жидкости из конденсатора в испаритель за счет сил гравитации и, наконец, переноса пара из зоны испарения в зону конденсации. Последний процесс для всех термосифонов почти одинаков, вместе с тем в отдельных случаях, особенно при больших длинах теплопровода, он сильно влияет на тепло лередающую способность термосифона. Остальные процессы в термоси­фонах различной конструкции могут иметь существенные различия. Ка­ление и конденсация различны в зависимости от ориентации поверхно­сти, на которой они протекают. Но не это в основном определяет ин­тенсивность теплообмена. Для области кипения характерно увеличение числа центров кипения, которое и определяет высокое значение коэф­фициента теплоотдачи а в зоне нагрева. На теплопёредающую способ­ность термосифона большое влияние оказывает присутствие нейтраль­ных тазов [15]. Термосифоны чаще работают в режиме двухфазной сре­ды, когда возможно образование в зоне нагрева так называемых паро-

вых снарядов и имеют место выброс жидкости в зону конденсации и колебание давления. В таких случаях происходит перемешивание "пара и нейтрального газа, вследствие чего снижается интенсивность конден­сации.

Накопленный к настоящему-времени экспериментальный материал показывает, что коэффициент теплоотдачи в зоне конденсации с доста­точной для инженерных расчетов точностью может быть определен по критериальным уравнениям для конденсации паров при стекании кон­денсата по плоской стенке.

Наиболее распространены термосифоны с боковым подводом тепло­ ты (рис. 2.34,6). Работа такого термосифона характеризуется во внут­ренней полости различными, процессами тепло- и маосопереноса. В за­висимости от количества залитого теплоносителя в зоне подвода тепло­ ты, теплового потока на стенке и диаметра термосифона могут осуществляться два режима работы, качественно отличающиеся друг от друга:

1. р ежим стекающей пленки. Количество залитого теплоносителя находится в полном соответствии с передаваемым тепловым потоком, т. е. пленка жидкости покрывает при работе только внутреннюю поверхность термосифона. Избыток жидкости в нижней части тепловода, как правило, отсутствует;

2. режим двухфазной среды (рис. 2.34,0). Уровень заливки мо-

жет колебаться в довольно широком диапазоне в зависимости от степени заполнения, изменяющей­ся в пределах 0,3—0,8. Режим имеет качественное "различие в термосифонах различной геометрии. В термосифонах относительно малого диаметра пе­ремещение шаровой фазы из зоны нагревания в зону конденсации осуществляется в виде пробок, «сна­рядов». В термосифонах с большим диаметром про­исходит всплывание отдельных пузырьков пара без о бъединения их в паровые пробки. Поэтому такой режим работы термосифона часто называют барботажным.

Режим двухфазной среды наиболее распростра­нен. На рис. 2.35 показана типичная зависимость Интенсивности теплообмена от теплового потока для ряда теплоносителей. Как видно из приведен­ной графической зависимости, имеются две области кипения. Первая область (область меньших тепло­вых потоков) характеризуется некоторой неста­бильностью процесса кипения. Нестабильность за­ключается в том, что кипение сопровождается воплыванием отдельных паровых пузырьков с последующим их объединением в снаряды. При увеличении теплового потока процесс переходит в область развитого кипения аналогично кипению в большом объеме. Определим тепловой поток, передаваемый термосифоном от наруж­ной, стенки термосифона с температурой к наружной стенке конден­сатора с температурой При заданных температурах жидкости и па­ра, известных толщине стенки термосифона б и ее теплопроводности для установившегося режима (рис. 2.36) можно записать систему урав­нений

Здесь — площади поверхностей теплообмена в зоне испарения и конденсации; — коэффициенты теплоотдачи в этих зонах-

— температура насыщения. Определим температурные напоры в каждом слое:

Поскольку то сложив левые и правые части уравнений, получим :

В еличину

называют полным термическим сопротивлением термосифона. Для расчета теплового потока по уравне­нию (2.187) необходимо знать Они могут быть определены экс­периментально для конкретного теплоносителя. При развитом процес­се кипения а_и в среднем на 30% выше, чем для аналогичных условий при кипении в большом объеме