ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ
(сравнительное исследование тепловой трубы)
Цель работы: определение и сравнение коэффициентов эффективной теплопроводности тепловой трубы и медного стержня.
Общие сведения
Теплопередача или теплообмен – учение о самопроизвольных, необратимых процессах распространения теплоты в пространстве. Под процессом распространения теплоты понимается обмен внутренней энергией между отдельными элементами и между областями рассматриваемой среды. Перенос теплоты осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах (или между ними), обусловленный переменностью температуры в рассматриваемом пространстве.
Явление теплопроводности представляет собой процесс распространения энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества. В газах перенос энергии осуществляется путем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах-диэлектриках – путем упругих волн. В металлах перенос энергии в основном осуществляется путем диффузии свободных электронов, а роль упругих колебаний кристаллической решетки здесь второстепенна.
Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа (текучей среды) в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды.
Тепловое излучение – процесс распространения теплоты с помощью электромагнитных волн, обусловленный только температурой и оптическими свойствами излучающего тела, при этом внутренняя энергия тела (среды) переходит в энергию излучения. Процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения веществом называется теплообменом излучения. В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты (теплопроводность, конвекция и тепловое излучение) часто происходят совместно.
Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.
Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.
Коэффициент теплопроводности lчисленно равен количеству теплоты (Q), передаваемой механизмом теплопроводности через единицу площади (F) в единицу времени (Dt) при градиенте температуры, равном единице:
 .
| (6.1) |
В соответствии со своим определением коэффициент теплопроводности имеет размерность Дж·м/м2·с·К=Вт/м·К
Градиент температуры (К/м) – вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности (поверхности с одинаковыми температурами) в сторону возрастания температуры и численно равный производной от температуры по этому направлению:
 .
| (6.2) |
Градиент температуры характеризует изменение температуры в определенном направлении.
Рис. 6.1. Направление вектора градиента температур
Коэффициент теплопроводности является одной из важнейших теплофизических характеристик вещества и наибольшие значения имеет у металлов, а среди них у серебра, меди, золота, алюминия. В связи с этим одним из самых распространенных конструкционных материалов в теплоэнергетических устройствах является медь (lмеди » 390 Вт/(м×К)).
Из формулы (6.1) видно, что чем больше коэффициенты теплопроводности, тем меньшие перепады температуры требуются для передачи одного и того же количества теплоты. Или, другими словами, чем больше эти коэффициенты, тем большее количество теплоты передается при всех прочих равных условиях, то есть теплопередающее устройство работает более эффективно.
Эффективное решение проблем теплообмена в значительной мере обеспечивает и общую эффективность теплоэнергетических систем и установок. Одним из таких решений часто является использование оригинальных теплопередающих устройств, называемых тепловыми трубами.
Впервые идея тепловой трубы была предложена американским инженером Гоглером в 1942 г. Но только в начале 1960-х годов, после того как другой американский ученый Гровер независимо от Гоглера вновь изобрел и в 1963 году запатентовал ее, тепловые трубы получили интенсивное развитие. К настоящему времени созданы тысячи модификаций тепловых труб с различными функциями и широко применяемых.
Тепловая труба представляет собой устройство, обладающее очень высокой теплопередающей способностью. Если характеризовать ее эквивалентным коэффициентом теплопроводности, то он оказывается в сотни раз больше, чем у меди. Конструктивно тепловая труба представляет собой герметичный сосуд (чаще всего цилиндрическую трубу), заполненный жидкостью-теплоносителем. Высокая теплопередающая способность ее достигается за счет того, что в тепловой трубе осуществляется конвективный перенос тепла, сопровождаемый фазовыми переходами (испарением и конденсацией) жидкости-теплоносителя. При подводе теплоты к одному концу тепловой трубы жидкость нагревается, закипает и превращается в пар (испаряется). При этом она поглощает большое количество теплоты (теплота парообразования), которое переносится паром к другому более холодному концу трубы, где пар конденсируется и отдает поглощенную теплоту. Например, при нагреве воды от 0 °С до 100 °С (температуры кипения) к ней требуется подвести количество теплоты равное 
кДж/кг. Для того, чтобы превратить кипящую жидкость в пар той же температуры, надо подвести еще теплоту парообразования, равную 
кДж/кг, т.е. в 5,4 раза больше.
Далее сконденсированная жидкость опять возвращается в зону испарения. Этот возврат может осуществляться разными способами. Самый простой из них заключается в использовании силы тяжести. При вертикальном расположении тепловой трубы, когда зона конденсации находится выше зоны испарения, жидкость стекает вниз непосредственно под действием силы тяжести. Такой вариант тепловой трубы называется термосифоном. Естественно, эффективность работы термосифона зависит от его ориентации относительно направления силы тяжести.
Для исключения этого недостатка в наиболее распространенных типах тепловых труб для возврата жидкости в зону испарения используются капиллярные эффекты. Для этого на внутренней поверхности тепловой трубы располагают слой капиллярно-пористой структуры (фитиль), основное назначение которого – распределение жидкости на поверхности теплообмена в виде тонкой пленки и поддержание этой пленки с помощью капиллярных сил в широком диапазоне тепловых нагрузок, по которому под действием капиллярных сил и термодиффузии происходит обратное движение жидкости. Такая тепловая труба называется тепловой трубой с фитилем.
Принципиальная схема тепловой трубы с фитилем изображена на рис. 6.2.
Основными преимуществами таких тепловых труб являются: высокая эффективность теплообмена, автономность работы, малый вес и габариты, высокая надежность, возможность реализации сложных теплопередающих функций, высокая изотермичность поверхности трубы.
Тепловая труба может иметь различные формы и габариты. Внутренний диаметр труб составляет от нескольких миллиметров до десятка сантиметров, длина – до нескольких метров. Для изготовления корпусов и капиллярных структур (фитилей) используются стекло, керамика, различные металлы и сплавы.
Рис. 6.2. Принципиальная схема тепловой трубы c фитилем:
1 - корпус, 2 - капиллярно-пористый слой (фитиль); Þ - направление движения пара (направление переноса теплоты); - направление движения жидкости (конденсата)
Тепловая труба может иметь различные формы и габариты. Внутренний диаметр труб имеет значение от нескольких миллиметров до десятка сантиметров, длина – до нескольких метров. Для изготовления корпусов и капиллярных структур (фитилей) используется стекло, керамика, различные металлы и сплавы.
В настоящее время существует несколько десятков различных конструкций тепловых труб, которые классифицируются по следующим параметрам:
а) по температурному диапазону:
§ криогенные тепловые трубы Т < 200 К,
§ низкотемпературные тепловые трубы Т = 200 ¸ 550 К;
§ тепловые трубы умеренного диапазона Т = 550 ¸ 750 К;
§ высокотемпературные тепловые трубы Т > 750 К;
б) по виду теплоносителей различают металлические (натрий, калий, цезий, серебро, ртуть и т.д. и неметаллические теплоносители (вода, аммиак, ацетон, фреоны, спирты, четыреххлористый углерод, бензины, а также криогенные жидкости, высокотемпературные органические теплоносители – дефинил, даутерм, сера с добавками галогенов, расплавы солей, азотный тетраксид, смеси жидкостей и твердых частиц;
в) по параметрам, характеризующим работу тепловых труб: термическому сопротивлению, плотностью теплового потока через поперечное сечение трубы, плотность радиального теплового потока, диапазона рабочих температур.
Наиболее характерными областями применения тепловых труб являются энергетика, электроника, машиностроение, химическая промышленность, сельское хозяйство. Широкое применение находят тепловые трубы при обеспечении тепловых режимов космических аппаратов, для охлаждения электронных приборов и систем, создания регенеративных теплообменников.
Экспериментальная установка
Основными элементами лабораторной установки (рис. 6.3) являются укрепленные на штативах тепловая труба (1) и медный стержень (2) одинаковой длины l и диаметра d. На нижних концах трубы и стержня установлены электрические нагреватели (3) (для подвода теплоты в зоне испарения) одинаковой мощности, на которые подается электрическое напряжение от блока питания (4). Подаваемая на нагреватели тепловая мощность N измеряется вольтметром (U) и амперметром (I) и определяется N = I × U. Верхние концы тепловой трубы и стержня находятся в холодильнике (5) и охлаждаются проточной водопроводной водой (для отвода теплоты в зоне конденсации). По длине трубы и стержня установлены по три термопары (6) (две по концам и одна в центре), определяющие температуры в соответствующих точках. Показания термопар через коммутационные устройства (7) регистрируются измерителем малых ЭДС – самопишущим потенциометром КСП-4 (8).
Рис. 6.3. Схема лабораторной установки:
1 – тепловая труба; 2 – медный стержень; 3 – электрический нагреватель; 4 – блок питания; 5 – холодильник; 6 – датчики температуры (термопары); 7 – коммутатор; 8 – самопишущий потенциометр КСП – 4;