5.2. Передача теплоты тепловым насосом и тепловой трубой

Принцип действия теплового насоса. Термодинамическое сравнение эффективности теплового насоса и теплофикации.

Основы теории тепловых труб. Поверхностное натяжение. Переход давления в жидкой и паровой фазах. Теплопередача и пределы теплопередающей способности тепловых труб.

Виды и применение тепловых труб.

По теме не предусмотрены практические занятия, лабораторные и контрольные работы.

После изучения теоретического материалы следует ответить на вопросы для самопроверки по этой теме. Ответы можно найти в учебниках [1,3].

5.2.1. Тепловой насос

Такой насос предназначен для нагревания объекта за счет затраты теплоты другого потенциала, например, теплоты окружающей среды – (воздух, вода). Схема насоса приведена на рис. 5.5.

Рис. 5.5

В испарителе (1) происходит парообразование низкокипящего теплоносителя (например, фреона) от теплоты, воспринимаемой от окружающей среды.

Образовавшийся пар сжимается в компрессоре 2 с повышением температуры от Т₀ до Т₁, зависящей от степени сжатия в компрессоре. Затем пар поступает в конденсатор (3), в котором отдает теплоту в отопительную или др. системы. Образовавшийся конденсат проходит дроссельный вентиль (4), где происходит понижение давления до р₀ и далее конденсат снова поступает в испаритель (1). Цикл повторяется.

В основе действия теплового насоса также лежит обратный цикл Карно. В отличие от холодильной машины, тепловой насос должен отдавать как можно больше теплоты горячему телу (например, системе отопления).

Эффективность теплового насоса оценивается так называемым отопительным коэффициентом, который определяется по формулам 1.81 и 1.82.

5.2.2. Передача теплоты тепловыми трубами

Общепризнано, что тепловые трубы существенно увеличивают возможности форсирования мощности и повышения экономности теплоэнергетических установок.

Принцип работы тепловой трубы (ТТ) основан на испарении теплоносителя в зоне нагрева и его конденсации в зоне охлаждения. При этом теплота передается за счет скрытой теплоты парообразования, а циркуляция теплоносителя осуществляется под действием капиллярных или массовых сил, без использования механических насосов и отсутствием затраты внешней энергии на перекачку теплоносителя.

Прообразом ТТ является термосифон (рис. 5.6, а), в плотнозакрытой трубке которого помещается небольшое количество жидкости. При нагреве нижнего конца трубки жидкость испаряется и пар движется к холодильному концу трубы, где он конденсируется. Если учесть, что скрытая теплота парообразования велика, то даже при небольшой разности температур между концами термосифона передается значительное количество теплоты. Основным недостатком термосифона является необходимость расположения зоны испарения ниже зоны конденсации. Тепловая трубка (рис. 5.6, б) отличается от термосифона наличием фитиля 2, по которому конденсат 1 возвращается в испарительную зону под действием капиллярных сил, что позволяет ТТ работать при любой ориентации испарителя. Движение теплоносителя в паровой фазе от испарителя в зону конденсации происходит вследствие существования в паровом канале трубы градиента давления Δр_п. Движение конденсата происходит под действием градиента давления в жидкости Δр_ж. В результате образуется граница раздела фаз пар–жидкость, которая характеризуется образованием менисков на поверхности жидкости в порах фитиля и разности давлений, которая называется капиллярным давлением .

Рис. 5.6. Тепловая труба и термосифон

а – термосифон: 1 – подвод теплоты;2 – отвод теплоты; 3 – пар; 4 - конденсат; 5 – жидкость;б – тепловая труба: 1 – конденсат; 2 – фитиль; 3 – подвод теплоты; 4 – пар; 5 – отвод теплоты

Появление перепада давления по длине ТТ обеспечивает замкнутую естественную циркуляцию теплоносителя, т.е. «капиллярный насос».

В качестве материала корпуса трубы применяются медь, алюминиевый сплав, нержавеющая и углеродистая стали, сталь на основе никеля, вольфрама и др.

Фитиль изготавливается из металлической сетки одно- и многослойной, спеченного металлического порошка, в виде различных канавок и т.п.

Выбор теплоносителя основан на совместимости его с материалами ТТ, данные о совместимости приведены в работе [10]. Теплоносителем могут быть любые химические вещества и соединения, имеющие при рабочих температурах жидкую и паровые фазы. Основные теплоносители для среднетемпературных ТТ – фреоны, ацетон, аммиак, вода, ртуть, сера, калий, натрий и др.

Установка, оснащенная системой теплоотвода на базе тепловых труб, приобретает ряд новых принципиальных свойств:

- переносить большие удельные тепловые потоки с минимальным термическим сопротивлением и небольшим перепадом температуры между зонами подвода и отвода теплоты, например, ТТ с водяным теплоносителем при температуре 220ºС передает тепловую мощность более 3 кВт/см²;

- обеспечивать изотермичность рабочих поверхностей охлаждаемых деталей и, как следствие, уменьшение термических деформаций и искажение формы рабочих поверхностей;

- транспортировать и перераспределять теплоту в зонах теплообмена без традиционных механических насосов, а поскольку ТТ представляет собой замкнутый контур циркуляции теплоносителя и является полностью автономным устройством, то работа системы теплопередачи не зависит от условий окружающей среды.

Эти возможности ТТ могут быть расширены путем применения газорегулируемых тепловых труб (ГРТТ) с пассивным и активным регулированием температуры рабочих поверхностей деталей теплового двигателя.

Следует отметить, что применение тепловых труб или термосифонов позволяет без особых затрат утилизировать тепло выхлопных газов. Это тепло можно использовать, например, для отопления, кондиционирования и подготовки топлива с целью повышения полноты его сгорания

Для обеспечения работы ТТ необходимо выполнить следующее соотношение

, (5.6)

где -гравитационный перепад давления, -перепад давления в жидкости, -перепад давления пара.

В связи с ростом стоимости энергии в настоящее время разрабатываются способы и дешевые конструкции устройств утилизации отработанной теплоты, которая сбрасывается в окружающую среду. На рис. 5.7 изображен регенератор воздух-воздух, состоящий из пучка оребренных ТТ, испарители размещены в канале 4, в который сбрасывается отработавший газ, 2, а конденсаторы расположены в канале 1, по которому движется холодный воздух. Подогретый в регенераторе 3 воздух передается потребителю.

Рис. 5.7. Регенеративный теплообменник «воздух-воздух»

На рис. 5.8 приведена конструкция регенератора теплоты 3 (см. рис. 5.7.) из которого видно, что потоки холодного и горячего газа могут двигаться в противоположных и в одном направлениях. Такой пакет ТТ может быть использован для подогрева воды, вместо обычных бойлеров, в системах кондиционирования и т.д. Коэффициент полезного действия достигает 70 % и более, обеспечивая при этом экономию энергии.

Рис. 5.8. Общий вид регенератора теплоты из ТТ.