Белорусский государственный университет

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ЭНЕРГОФИЗИКИ

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОСИФОНА И ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ

М и н с к – 2009

Цель работы: Изучить физические основы работы термосифонов и тепловых труб. Экспериментально и теоретически определить их основные характеристики. Исследовать температурное поле в сплошном металлическом стержне и определить коэффициент теплообмена.

1. Краткая теория.

Тепловые трубы (ТТ) и термосифоны используются в самых разнообразных сферах науки, техники, производства, быта. Интенсификация теплообмена, утилизация вторичных источников тепла – основные области практического применения ТТ и термосифонов.

Термосифоны являются наиболее простыми тепловыми трубами. Схема термосифона изображена на рис.1. В герметично закрытой трубе, из которой откачан воздух, помещено небольшое количество жидкости. В пределах температур 80-150 С обычно в качестве рабочей жидкости (теплоносителя) используется вода. При нагревании нижнего конца такой трубы (зона испарения) происходит испарение жидкости и пар поднимается к холодному концу (зона конденсации), где и конденсируется. Конденсат под действием гравитационных сил возвращается по стенкам трубы в зону испарения. При определенных условиях этот процесс может происходить сколь угодно долго. Таким образом за счет скрытой теплоты парообразования L [кДж/кг] происходит процесс теплопередачи. Так как скрытая теплота парообразования велика, то даже при малой разности температур между концами термосифона он может передавать значительное количество теплоты.

Перенос пара в термосифоне из зоны испарения в зону конденсации осуществляется за счет перепада давления в этих зонах. Поскольку работа термосифона сопровождается фазовым переходом первого рода, то возможно использование уравнения Клапейрона-Клаузиуса, которое является основным уравнением фазовых переходов первого рода:

(1),

где - изменение давления от температуры,

L – скрытая теплота парообразования,

T – температура фазового перехода,

V₂-V₁ – разность объемов для системы жидкость – пар.

Термосифоны обладают высокой эффективной теплопроводностью. Однако они имеют ряд существенных недостатков, главным из которых является то, что возврат конденсата в зону испарения происходит за счет гравитационных сил, а это значит, что зона испарения должна всегда находиться ниже зоны конденсации. Этот недостаток устраняется в тепловых трубах.

2. Устройство и принцип работы тепловых труб.

Тепловая труба (ТТ) по конструкции аналогична термосифону, но в тепловой трубе на внутренней стенке укреплен фитиль, сделанный, например, из нескольких слоев тонкой сетки, и конденсат возвращается в испаритель под действием капиллярных сил (рис.2). Как и в термосифоне, в ТТ используется фазовый переход 1-го рода. В ТТ на расположение испарителя не накладывается никаких ограничений, и она может работать при любой ориентации. Конечно, если испаритель ТТ оказывается в нижней точке, гравитационные силы будут действовать в одном направлении с капиллярными. Термин «тепловая труба» применяется также к высокоэффективным теплопередающим устройствам, в которых возврат конденсата осуществляется другими способами. Некоторые из них перечислены ниже:

Гравитация – термосифон,

Капиллярные силы – стандартная тепловая труба,

Центробежная сила – вращающаяся тепловая труба,

Электростатические объемные силы – электрогидродинамическая ТТ,

Магнитные объемные силы – магнитогидродинамическая ТТ,

Осмотические силы – осмотическая тепловая труба.

Эффективность тепловой трубы часто определяется понятием «эквивалентная теплопроводность». Например, цилиндрическая тепловая труба (рабочая жидкость - вода) при Т= 150С будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь. Высокая теплопроводность - не единственное свойство ТТ.

Тепловая труба характеризуется:

1. очень высокой эффективной теплопроводностью;

2. способностью действовать как трансформатор теплового потока (рис.3);

3. изотермичностью поверхности при низком термическом сопротивлении.

Если на некотором участке возникает местный тепловой сток, то количество конденсирующегося в этом месте пара увеличивается и за счет этого температура поддерживается на прежнем уровне.

Кроме того, специальные тепловые трубы могут также обладать другими важными характеристиками, например:

• переменное термическое сопротивление (ТТ с изменяющейся проводимостью),

• однонаправленная проводимость (тепловые диоды и выключатели).

Для обеспечения работы ТТ необходимо, чтобы максимальный капиллярный напор (p_c)_max превышал полное падение давления в трубе. Это падение давления складывается из трех составляющих:

а) перепада давлений p_l, необходимого возврата жидкости из конденсатора в испаритель;

б) перепада давлений p_v, требуемого для перетекания пара из испарителя в конденсатор;

в) гравитационной составляющей p_g, которая может быть как положительной или отрицательной, так и равной нулю.

Таким образом:

(2).

Если это условие не соблюдается, то произойдет высыхание фитиля в зоне испарения и труба не будет работать. Если потерями давления в паровой фазе и гравитационным напором можно пренебречь, то величины, определяющие максимальную передающую способность тепловой трубы, можно объединить в некий критерий качества М:

(3),

где _l – плотность, _l – поверхностное натяжение, _l – вязкость рабочей жидкости.

Несмотря на то, что тепловая труба обладает очень высокой теплопроводностью, в ней существуют радиальные перепады температур в испарителе и конденсаторе и аксиальный перепад температур вдоль трубы.

Течение в ТТ обычно всегда ламинарное, а жидкость выбирают такую, чтобы она смачивала фитиль и корпус трубы, обладала высокой теплопроводностью и поверхностным натяжением, низкой вязкостью, имела высокую скрытую теплоту парообразования и термическую стойкость. Структура фитилей может быть различной. В зависимости от этого составляющая Р_l в формуле (2) будет зависеть от характеристики фитиля, а также свойств жидкости. Перепад давления в паровой фазе также будет зависеть от многих характеристик как пара, так и трубы в целом. Поэтому расчет Р_v является сложной задачей и в целях упрощения применяют различные приближения и идеализации. Просто вычисляется только третья составляющая формулы (3) – гравитационный напор Р_g. Это разность давлений, обусловленная гидростатическим напором жидкости, и ее знак будет зависеть от взаимного расположения испарителя и конденсатора в пространстве. Эта разность давлений определяется в формуле

(4),

где _l – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения, l – длина тепловой трубы,  - угол между осью тепловой трубы и горизонталью.

Капиллярное давление определяется формулой Лапласа

(5),

где R₁ и R₂ – радиусы кривизны двух взаимно перпендикулярных сечений.

Если R₁=R₂, то .

Исходя из (5), можно найти, что максимальный капиллярный напор в трубе будет определяться по формуле

(6),

где r_l – эффективный радиус поры фитиля.