CC BY
54
НОВЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ В
НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
А.Н. ШУЛЬЦ, доцент кафедры физики МГУЛа, к.т.н.
Стремительно развивающаяся ноосфера сопровождается ростом энергопотребления и, как следствие этого, загрязнением окружающей среды. Анализ нетрадиционных низкопотенциальных источников энергии , таких как солнце, тепло грунта, грунтовых вод, рассеянное тепло коллекторов сточных вод, биомассы, охлаждающий импульс атмосферного воздуха, показывает, что энергии этих источников оказывается достаточно для решения большинства народнохозяйственных задач. Например: обогрев почвы и воздуха в животноводческих комплексах в холодное время года, размораживание грунта при строительстве, погрузке и разгрузке на железнодорожном транспорте и судах. Обогрев почвы в теплицах позволяет получать урожаи клубники до 50 т/га (на 400 % больше, чем в необогре-ваемом грунте), картофеля - до 30 т/га и на месяц раньше контрольного срока, при высоком качестве клубней [1].
Известна проблема потери прочности оснований дорог, фундаментных устоев мостов и зданий в районах вечной мерзлоты. Она может быть успешно решена замораживанием грунта за счет естественного охлаждающего импульса атмосферного воздуха [2].
Многие из вышеперечисленных проблем могут быть решены с помощью тепловых труб (ТТ). ТТ являются эффективными теплопередающими устройствами, внутреннее термическое сопротивление которых составляет 0,005-0,01 К/Вт. Они могут быть использованы для утилизации энергии солнечного излучения, тепла грунта, биомассы и вторичных энергоресурсов (ВЭР) промышленных предприятий. Целесообразно использовать их также и для охлаждения или замораживания грунта при утилизации холода атмосферы [1]. Замораживание и ох-
лаждение грунта также целесообразно для создания подземных аккумуляторов холода, используемых в летнее время для продуктовых складов-холодильников или в системах кондиционирования помещений, промышленных зон, горнорудных шахт и так далее.
Создание экологически чистого теплофизического оборудования является одним из перспективнейших направлений деятельности кафедры физики МГУЛа. Использование тепловых труб (ТТ) в народном хозяйстве позволяют решить часть проблемы экономии энергоресурсов. ТТ обладают уникальными теплофизическими свойствами:
1) высокой эффективной теплопроводностью;
2) способностью трансформировать удельные тепловые потоки, от высоких -в испарителе, к низким - в конденсаторе;
3) способностью собирать тепловые потоки от рассеянных источников;
4) транспортировать тепловой поток на значительное расстояние, при высокой удельной плотности его в поперечном сечении (до 15 кВт/см2);
5) диодными свойствами (отключаются при изменении направления тепловой нагрузки, например, гравитационные термосифоны);
6) передают тепловой поток против направления действия гравитационных сил (разработка КБ «Лавочкина»);
7) способностью воспринимать высокую удельную тепловую нагрузку в испарительной части ТТ до ц ~ 2 106 Вт/м2 (ТТ с жидкометаллическим теплоносителем; фитиль испарителя с обратным мениском).
Новое свойство приобретает тепловая труба с холодильным эффектом (ТТХЭ), [3]. Суть данного решения заключается в том, что на основе испарительно-конденсаци-
онного цикла, совершающегося в ТТ, осуществляется термодинамический цикл холодильной машины.
Принцип работы ТТХЭ. Принципиальная схема ТТХЭ (рис.1.) защищена патентом РФ. В данном устройстве отсутствует компрессор. Заправляется устройство бинарной смесью, состоящей из хладоагента и абсорбента. Непрерывная замкнутая циркуляция жидкого теплоносителя и паров хладоагента осуществляется капиллярными силами фитиля. Однако капиллярные силы не всегда способны создать перепад давления на эжекторе, достаточный для эффективной работы ТТХЭ в качестве холодильной машины. В этих случаях дополнительный движущий перепад давлений можно создать профилированием парового канала и вращением устройства вокруг оси симметрии. При этом становится возможным значительно интенсифицировать внешний и внутренний тепломассообмен. При вертикальном расположении ТТХЭ следует учесть гравитационные силы. Предпочтительно нижнее расположение испарителя, так как в этом случае к работе капиллярных сил добавляется работа гравитационных сил, в противном случае -наоборот.
При подводе тепла к испарителю из бинарной смеси испаряется преимущественно хладоагент, давление в испарителе повышается, и пар устремляется через сопло эжектора в камеру смешения. Эжектируемый пар покидает холодильную камеру, давление в ней снижается. Степень понижения давления в холодильной камере зависит от работы эжектора и определяет, в конечном счете, как температуру испаряемого в ней хладоагента, так и холодопроизводи-тельность устройства в целом. После камеры смешения пар конденсируется в конденсаторе, охлаждается и через пористую вставку проникает в холодильную камеру. Избыток жидкого хладоагента попадает в испаритель через обводные каналы 10 (мимо холодильной камеры) и пористую вставку 4 за счет действия капиллярно-осмотических и массовых сил, поддержи-
вающих постоянный перепад давления на эжекторе. Тепловой баланс в ТТХЭ соответствует QK= Qx + Qu - Таким образом, в данном устройстве всегда Qu < Qk, и его можно использовать как холодильную машину или как тепловой насос (ТН).
Постановка задачи. Замкнутая циркуляция теплоносителя в ТТХЭ обеспечивается капиллярными силами фитиля испарителя, осмотическим перепадом давлений на пористой вставке 4, действием массовых сил. Сумма этих перепадов должна в любой рабочий момент времени превышать потери давления в паре и жидкости. Максимально достижимый теплоперенос достигается при равенстве этих перепадов. Для определения предельного теплопереноса в ТТХЭ рассмотрим баланс давлений по парожидкостному тракту в общем виде:
(АРкап АРмасс АРОСм) WKC “
= АРП + АРЖ + АРФ (1).
Записывая каждое слагаемое потерь давления в паре и жидкости с использованием величины теплопереноса Q в ТТХЭ и подставляя их в уравнение (1), решаем его относительно Q. При Q, ниже звукового предела для данной температуры, можно использовать расчетные зависимости для определения перепада давления в паре, полученные для несжимаемого потока. Если Q > 0,9 Q зв , то расчет перепада давления в паре следует вести с учетом сжимаемости потока [3].
Течение жидкости в фитиле ламинарное, поэтому используем закон Дарси. В паре следует учитывать потери давления на трение и разгон в соплах эжектора, камере смешения, сопле инжектора. Потерями давления на фазовый переход АРф ,в низкотемпературных ТТ, можно пренебречь, [3]. Тогда можно записать:
{(2(7 cos 0)1К3ф + ржсо ги RnK sin (3± ± ржgL sin ср + АРосм) =
— !^ж GL/эф!(рж kFф) + Spfl Ыэф/ (jiRn ) +
+ G2/(%pn Rn) + АРэж + АРинж + АРСЛ1 (2),
Ljф — Lad (Lual + LKOh)• (3)
1234567 8 9
і] її /1 і-\ \-іДЛ.і. тпт/тт/т
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ испаритель холодильник
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
А
А-А
'! £іл І
10
Рис. 1. Принципиальная схема модифицированной тепловой трубы с холодильным эффектом (ТТХЭ):
1 -корпус; 2 - фитиль; 3 - испаритель; 4 - осесимметричная пористая вставка с закрытой пористостью на поверхности, обращенной к испарителю, внешняя поверхность выполнена с открытой пористостью и образует профиль канала сопла эжектора; 5 - осесимметричная теплоизолирующая вставка; 6 - камера смешения; 7 - конденсатор; 8 - сопловой аппарат-инжектора; 9 - диффузор; 10 - капиллярные канавки специальной формы, там же обводные каналы жидкого хладоагента; 11 - холодильная камера; 12 - осесимметричная пористая вставка, стрелка —► показывает направление движения пара; (1, - диаметр сопла эжектора; А - диаметр камеры смешения
Диаграмма равновесных растворов хладоагента в сорбенте (3, 2 и одна связанные молекулы)
Рис.2. Определение перепадов давления в ТТХЭ в зависимости от теплофизических характеристик бинарной смеси
Конструктивные элементы ТТХЭ определяются в зависимости от теплофизических характеристик бинарной смеси и на основании решения уравнения (2). Оптимизация параметров ТТХЭ может быть проведена с учетом рекомендаций в [3,4].
Предлагаемое решение может быть использовано в качестве теплового насоса и холодильной машины в различных областях народного хозяйства: строительстве, транспорте, в технологическом цикле химической промышленности, сельском хозяйстве, в технологических циклах пищевой промышленности и т. д.
Возможны разнообразные конструктивные исполнения предлагаемого решения.
Энергетическая эффективность предлагаемой схемы ТТХЭ должна быть выявлена в результате НИР и ОКР.
Литература
1.
2.
С.
4.
Васильев Л.Л.// ИФЖ. 1987. - Т. 52, № 4. 676-685.
Шульц А.Н., Рябинина И.Г. Материалы межд. конф. «Передовые технологии XXI века», 1САТЛ98. - М: НИЦ «Инженер», 1998. 4.1. - С 351-354.
Шульц А.Н. и др. Патент РФ на изобретение №2031347, кл. Б28 О 15/02. Приоритет от 25 июня 1991.
Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб. - М., 1978.
