CC BY
150
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 536.422
ТЕРМОСИФОНЫ И ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ В СИСТЕМАХ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА
Л. Л. ВАСИЛЬЕВ1, А. С. ЖУРАВЛЕВ1, А. В. ШАПОВАЛОВ2, А. В. РОДИН2, В. А. ОЛЕХНОВИЧ1, Л. А. ДРАГУН1, А. А. АРТЮХ1, В. С. ЛАПКО1, Н. М. КИДУН2
1 Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси, г. Минск
2Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого, Республика Беларусь
Ключевые слова: термосифон, тепловая труба, низкопотенциальные источники тепла, энергосберегающая технология.
Введение
Одним из путей снижения потребления ископаемых топливных ресурсов является активизация усилий в области освоения возобновляемых источников энергии и вторичных энергоресурсов. Важно отметить, что технологии использования низкопотенциальных источников тепла являются не только энергоэффективными, но и экологически безопасными. Их развитие позволяет снижать негативные воздействия на экологию: выделение парниковых газов, выбросы золы, оксидов серы и других вредных веществ, образование отходов, нарушение пластов земной коры, изменение климата.
В системах утилизации тепла возобновляемых источников и вторичных энергоресурсов (водные бассейны, грунт, грунтовые воды, отработавшие вода и пар промышленных производств и т. д.) могут успешно применяться тепловые трубы (ТТ) и термосифоны (ТС) - автономные устройства с испарительно-конденсационным циклом, проводники тепла с более высокой теплопередающей способностью, чем у самых теплопроводных металлов. Достоинства ТТ заключаются в том, что они эффективны, просты в эксплуатации, для их работы не требуется затрат энергии, технического обслуживания. Создание систем на основе таких устройств для энергосберегающих технологий является актуальной задачей, проводятся исследовательские и инженерные работы в этом направлении в Республике Беларусь [1]-[4] и других государствах [5]-[8]. Целью данной работы является краткое описание возможности использования ТТ и ТС для утилизации возобновляемых источников энергии и вторичных энергоресурсов.
Тепловые трубы и термосифоны - эффективные проводники тепла
Тепловая труба представляет собой герметичный корпус, на внутренней поверхности которого располагается фитиль, насыщенный жидкостью, а центральная часть ТТ - канал для транспортировки пара. Функционально ТТ разделена на три зоны: испаритель, транспортная (адиабатическая) зона и конденсатор. К испарителю подводится тепло, рабочая жидкость испаряется, передача тепла из испарителя в конденсатор осуществляется путем переноса скрытой теплоты парообразования с массой пара. В конденсаторе происходит обратный фазовый переход с выделением
тепла. Жидкость возвращается в зону испарения по микроканалам фитиля под действием капиллярных сил.
Тепловые трубы обладают эффективной теплопроводностью 5000-10000 Вт/(К • м), они способны обеспечить интенсивный отвод тепла от охлаждаемого объекта и передачу его к радиатору, при этом перепад температур между зонами подвода и сброса тепла будет минимальным. Разновидностью ТТ является ТС. В ТС отсутствует пористый фитиль, конденсат возвращается в испаритель под действием сил гравитации, поэтому испаритель должен располагаться ниже конденсатора.
Особым видом термосифона является пародинамический термосифон (ПДТ), созданный в Институте тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси. Особенностью ПДТ является наличие конденсатора с двухфазным потоком рабочего вещества внутри него (рис. 1). Движущийся пар и двухфазное течение рабочей жидкости пространственно разделены (теплообменник «труба в трубе»), что позволяет избежать типичного для конвективных термосифонов негативного взаимодействия между противоположно направленными потоками пара и жидкости. Конденсирующаяся жидкость проталкивается из конденсатора в испаритель паром, в этом заключается принципиальное отличие ПДТ от других ТС и ТТ. Пародинамические термосифоны предназначены для передачи теплового потока в горизонтальном направлении на большие (десятки метров) расстояния, в то время как обычный ТС не способен функционировать в горизонтальном положении. Подробно устройство и принцип работы ПДТ описаны в [9], [10].
Рис. 1. Пародинамический термосифон: О - тепловой поток;---- пар; -а— - жидкость
Пародинамические термосифоны обладают высокой теплопередающей способностью (десятки киловатт), обеспечивают возможность разнообразного конструктивного исполнения с большой длиной (несколько десятков метров) зоны теплоотдачи, в том числе в виде изогнутых, гибких либо сборных элементов. Используя принцип передачи тепла, реализуемый в ПДТ, можно создавать оборудование для нагрева и охлаждения воздуха, грунта и дорожного покрытия (асфальта, бетонных плит), для предотвращения обледенения либо осуществления таяния снега и образовавшегося льда на крышах зданий, стоянках автомобилей и т. д. Такие устройства могут найти применение для обогрева железнодорожных стрелочных переводов с целью оттаивания снега и борьбы с обледенением стрелок.
В условиях мороза в зимний период снег и лед могут препятствовать переводу стрелки в нужное положение. Управление подавляющим большинством стрелочных
переводов дистанционное, с помощью электропривода, и при неприлегании остряка стрелки к рамному рельсу произойдет повышение величины тока через обмотки электродвигателя стрелочного электропривода, что может привести к перегоранию предохранителя или сгоранию двигателя и в итоге к невозможности перевода стрелки с пульта управления. В качестве источника энергии системы борьбы со льдом могут быть использованы электрические нагреватели либо миниатюрные газовые горелки закрытого типа, а при комбинации с тепловыми насосами - тепло подпочвенного грунта, водоемов, грунтовых, сточных и технологических вод, воздуха. Специалистами фирмы Тпр1е8-ОшЬИ (Германия) созданы системы геотермального обогрева стрелочных переводов рельсовых систем, пассажирских платформ, пешеходных переходов и т. д. Данное оборудование эксплуатируется в Германии, Чехии, Венгрии, системой Тпр1еБ оснащены два стрелочных перевода на станции Октябрьской железной дороги в России [11], [12]. Одним из главных компонентов системы является теплообменник, прикрепляемый к рельсу и передающий ему тепло от теплового насоса. В качестве такого теплообменника может использоваться ПДТ, обладающий высокой эффективной теплопроводностью и, следовательно, способный передавать тепло с минимальными потерями.
Устройство для обогрева стрелок железнодорожных путей с ПДТ в качестве базового элемента (рис. 2) было разработано и испытано в реальных условиях. Результаты показали, что ПДТ могут успешно использоваться в качестве системы терморегулирования для таяния снега. При температуре окружающей среды минус 7-10 °С, интенсивности снегопада 100-150 мм и скорости ветра 5-10 м/с пародинамический обогреватель обеспечивает полное оттаивание снега между элементами механизма стрелки в течение одного часа.
1 2
Рис. 2. Пародинамический термосифон для обогрева железнодорожных стрелочных переводов: 1 - остряк стрелки; 2 - конденсатор пародинамического термосифона;
3 - механизм перевода стрелки
Извлечение тепла из глубинных земных слоев на поверхность к трансформирующим тепло аппаратам может осуществляться с помощью длинномерных ТТ и ТС, способных передавать тепло с минимальными потерями из глубины в несколько десятков метров. Корпус таких проводников тепла изготавливается из нержавеющей стали, в качестве рабочей жидкости применяются пропан и пропилен.
Тепловые трубы и термосифоны в системах утилизации солнечной энергии
Одним из основных возобновляемых источников энергии является солнечное излучение, которое может быть использовано для получения тепла и холода либо пря-
мого преобразования в электрическую энергию. Учитывая невысокую плотность солнечного излучения, для повышения эффективности его использования элементы, воспринимающие падающую радиацию, должны иметь большую площадь поверхности либо необходимо применять специальные фокусирующие устройства - концентраторы излучения. В электрическую энергию преобразуется лишь небольшая часть падающей солнечной энергии (обычно менее 20 %), остальная ее часть увеличивает температуру фотоэлемента и снижает его эксплуатационные характеристики, поэтому фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) нуждаются в охлаждении. Эффективным средством для охлаждения кремниевых РУ панелей являются ПДТ в сои и и ТТ Л
четании с алюминиевой паровой камерой в качестве подложки. На рис. 3 показана схема ПДТ, разработанного и исследованного в Гомельском государственном техническом университете имени П. О. Сухого. Пародинамические термосифоны в сочетании с алюминиевой паровой камерой в качестве подложки к РУ и РУТ панелям являются перспективным устройством для охлаждения фотоэлектрических панелей. Такие теплообменники существенно повышают эффективность использования солнечных РУ панелей, поскольку дают возможность интенсивно охлаждать покрытия из кристаллического кремния, обеспечивать их изотермичность и поддерживать температуру, близкую к температуре окружающей среды, при их интенсивном солнечном облучении, сбрасывая тепло в воздух с тыльной стороны коллекторов (конденсаторы ПДТ).
Рис. 3. РУТ солнечные коллекторы и пародинамические термосифоны для обеспечения оптимальных тепловых режимов их работы
В случае применения концентраторов солнечного излучения плотность тепловой нагрузки на ФЭП значительно возрастает, в результате не только падает эффективность фотопреобразования, но и возникает угроза выхода ФЭП из строя. В данных установках интенсивный отвод тепла может быть обеспечен обычным гравитационным ТС с развитой оребренной поверхностью конденсатора (рис. 4). Такие теплоотводы были разработаны в Институте тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси и успешно прошли испытания в составе следящей гелиоустановки на полигоне в Армении. Термосифоны изготавливались из алюминиевого сплава. Испаритель ТС являлся теплоприемным блоком в форме усеченного конуса, сужающегося от торца к паровому каналу. К торцевой площадке с применением теплопроводной пасты крепился ФЭП с обеспечением минимального контактного термического сопротивле-
ния. Воспринимаемое от солнца тепло отводилось в конденсатор и сбрасывалось в окружающий воздух через ребра радиатора.
Рис. 4. Охлаждения фотоэлектрического преобразователя с помощью термосифона при использовании концентратора солнечного излучения: 1 - отражающий параболоидный концентратор; 2 - теплоприемный блок (испаритель) с закрепленным на нем фотоэлектрическим преобразователем; 3 - радиатор конденсатора
Пародинамические термосифоны могут быть выполнены с объемным либо удлиненным испарителем. Устройства с протяженным испарителем целесообразно применять в случаях с рассредоточенным источником тепла. Такие ПДТ удобно монтировать, например, для организации теплообмена в адсорберах теплового насоса или холодильника на твердых сорбентах с приводом от альтернативных источников энергии. Пародинамиче-ские термосифоны с двумя конденсаторами обеспечивают трансформацию постоянного теплового потока, подводимого к испарителю, в циклически изменяющиеся тепловые потоки, которые отводятся от конденсаторов. На рис. 5 показана схема расположения ПДТ внутри адсорберов солнечного холодильника. Периодическое включение и выключение конденсаторов осуществляется путем передачи электрических сигналов на клапаны по заданной программе. Конденсаторы ТС размещены вдоль оси цилиндрических адсорберов и нагревают сорбент от солнечного излучения. Длина конденсаторов - 1 м, термическое сопротивление термосифона Я = 0,05 К/Вт. Подобный ТС был использован в прошедшем эксплуатационные испытания в Индии адсорбционном солнечном холодильнике для организации поочередной десорбции хладагента в двух адсорберах.
6
2
^ 1 / 3 Адсорбер 2
1
Рис. 5. Система терморегулирования солнечного холодильника на твердых сорбентах с использованием пародинамических термосифонов: 1 - конденсаторы пародинамических термосифонов; 2 - паровая трубка; 3 - вентили; 4, 5 - жидкость и пар в испарителе пародинамических термосифонов; 6 - жидкостная трубка
Потребителями адсорбционных солнечных холодильников могут быть сельское хозяйство (охлаждение молока в молочных фермах) и жилищно-коммунальный сектор (системы кондиционирования в летнее время, особенно в регионах с большим количеством солнечных дней в году).
Использование тепла из других источников
С помощью ТТ можно также утилизировать низкопотенциальную энергию грунта, биомассы, водных бассейнов и использовать ее для обогрева жилых и хозяйственных помещений. Дополнительные возможности появляются при создании комбинированного оборудования, в котором в единую систему объединены тепловые насосы и ТТ. Так, может быть организован обогрев теплицы: вертикально погруженные в грунт на глубину 10-20 м ТТ передают его тепло испарителям тепловых насосов, а горизонтально расположенные ТТ принимают тепло от конденсаторов тепловых насосов и обогревают воздух и грунт внутри теплицы. Согласно расчетам при температуре окружающей среды от 0 °С и выше использование такой комбинированной системы экономически более целесообразно, чем обогрев с помощью бойлерной установки. Аналогичным образом может быть организовано теплоснабжение индивидуального жилого дома, коттеджа: тепло, извлеченное из грунта с помощью ТТ, служит для обогрева помещения и удовлетворения потребности в горячей воде для бытовых нужд.
Заключение
Активизация усилий в области освоения возобновляемых источников энергии и вторичных энергоресурсов является актуальной задачей. Теплообменники на ТТ и ТС позволяют эффективно утилизировать тепло возобновляемых источников энергии (солнце, грунт), а также безвозвратно теряемое при использовании различных технологических процессов (включая вентиляцию и кондиционирование энергоэффективных зданий и жилых помещений). При этом улучшается экологическая обстановка.
Горизонтальные ПДТ, благодаря оригинальной конструкции кольцевого испарителя, обладают уникальной возможностью передавать тепловой поток на большие расстояния (десятки метров) с очень высокой однородностью распределения температуры вдоль конденсатора. Эта способность может быть использована для борьбы с образованием льда и снежного покрова на железнодорожных стрелочных переводах, тротуарах, автомобильных стоянках, найти применение в адсорбционных тепловых насосах, холодильных установках и т. д. Устройства способны приводиться в действие с помощью как электрических нагревателей, так и низкопотенциального тепла из возобновляемых источников.
Литература
1. Использование теплообменников на тепловых трубах для кондиционирования, в области пищевой промышленности и холодильной техники / Л. Л. Васильев [и др.] // Весщ НАН Беларусь Сер. ф1з1ка-тэхн. навук. - 2014. - № 3. - С. 85-90.
2. Использование возобновляемых источников энергии и вторичных энергоресурсов с помощью тепловых труб / Л. Л. Васильев [и др.] // Энергоэффективность. -2016. - № 11 (228). - С. 28-31.
3. Васильев, Л. Л. Утилизация возобновляемых и вторичных энергоресурсов с помощью тепловых труб и термосифонов / Л. Л. Васильев, А. С. Журавлев // Энергетика и ТЭК. - 2017. - Т. 167, № 2. - С. 20-22.
4. Vapordynamic thermosyphon - heat transfer two-phase device for wide application / L. L. Vasiliev [et al.] // Archives of Thermodynamics. - 2015. - Vol. 36, No. 4. -P. 65-76.
5. Heat pipe based systems - Advances and applications / H. Jouhara [et al.] // Energy. -2017. - Vol. 128. - P. 729-754.
6. Energy saving into an absorption heat transformer by using heat pipes between evaporator and condenser / M. I. Heredia [et al.] // Applied Thermal Engineering. - 2018. -Vol. 128. - P. 737-746.
7. Ochsner, K. Carbon dioxide heat pipe in conjunction with a ground source heat pump (GSHP) / K. Ochsner // Applied Thermal Engineering. - 2008. - Vol. 28, No. 16. -P. 2077-2082.
8. Franco, A. On the use of heat pipe principle for the exploitation of medium-low temperature geothermal resources / A. Franco, M. Vaccaro // Applied Thermal Engineering. -2013. - Vol. 59, No. 1. - P. 189-199.
9. Zhuravlyov, A. S. Horizontal vapordynamic thermosyphons, fundamentals and practical applications / A. S. Zhuravlyov, L. L. Vasiliev, L. L. Vasiliev Jr. // Heat Pipe Science and Technology An International Journal. - 2013. - Vol. 4, No. 1-2. -P. 39-52.
10. Исследование работы пародинамического термосифона / Л. Л. Васильев [и др.] // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2013. - № 3. - С. 93-100.
11. Функе, М. Геотермальный обогрев стрелочных переводов / М. Функе, Н. Плишке // Путь и путевое хоз-во. - 2012. - № 12. - С. 29-30.
12. Функе, М. Геотермальный обогрев посадочных платформ / М. Функе, Н. Плишке // Путь и путевое хоз-во. - 2013. - № 1. - С. 36-37.
Получено 27.11.2018 г.
