Теплообменные аппараты на судне являются важными компонентами системы охлаждения и теплопередачи. Они предназначены для эффективного перемещения тепла между различными средами, обеспечивая нормальную работу двигателей, систем кондиционирования воздуха, оборудования для поддержания теплового баланса и других систем на судне.
Наиболее распространенными типами теплообменных аппаратов, используемых на судах, являются пластинчатые теплообменники, теплообменники трубчатого типа и радиаторы. Эти аппараты обеспечивают эффективное охлаждение или нагрев жидкостей и газов, что особенно важно на судах, где управление температурными режимами играет ключевую роль в обеспечении безопасности и эффективности судовых операций. Такие системы также подвергаются строгим проверкам и обслуживанию, чтобы гарантировать их надежную работу в морских условиях.
Термосифоны и тепловые трубы относятся к специальным типам теплообменных аппаратов с промежуточным теплоносителем. Тепловые трубы относятся к классу теплопередающих устройств, общим признаком которых является функционирование по принципу испарительно-конденсатного цикла. Такие устройства, в которых возврат конденсата в зону подвода теплоты осуществляется под действием гравитационных сил, называются двухфазными термосифонами.
Впервые тепловая труба (ТТ) была изобретена в 1897 г. англичанином Дж. Перкинсом. ТТ называются устройства, выполняющие функции теплопроводов типа стержней и ребер. В отличие от теплопроводов из сплошного твердого материала, внутри ТТ осуществляется интенсивный тепломассообмен за счет процессов испарения и конденсации жидкости, находящейся внутри трубы (промежуточного теплоносителя). В результате эффективность теплопередачи (теплопроводность стержня) возрастает в несколько раз.
ТТ в простейшем виде представляет собой полый герметичный предварительно отвакуумированный корпус (рис. 1), внутренняя поверхность которого имеет капиллярную структуру, насыщенную жидким теплоносителем.
Тепловой поток, подводимый от источника теплоты к зоне испарения ТТ, вызывает испарение жидкости с поверхности капиллярной структуры, обращённой в паровой котёл. Полученный пар под действием градиента давления движется по паровому каналу адиабатной зоны в зону конденсации.
ТТ позволяют эффективно решать, как правило, одновременно следующие технические задачи:
- разделение источника подвода и источника отвода теплоты на участках, значительно удалённых и произвольно ориентированных в пространстве по отношению друг к другу;
- обеспечение высокой тепловой проводимости теплопередающих систем;
- трансформация плотности теплового потока, т. е. изменение (концентрация или деконцентрация) в широких пределах теплового потока на участке теплоотдачи (теплосброса) по сравнению с участком теплоподвода;
- создание изотермичности поверхности при низком термическом сопротивлении, позволяющее выполнять выравнивание температурного ноля и сглаживание пиков температуры;
- регулирование и стабилизация температуры объектов.
Основные Показатели и характеристики систем на суднепреимущества тепловых труб:
- простота конструкции, отсутствие подвижных деталей, бесшумность, малые массогабаритные характеристики, отсутствие затрат энергии на перемещение теплоносителя, надёжность работы;
- высокая эквивалентная теплопроводность, под которой понимается отношение передаваемого теплового потока к площади поперечного сечения ТТ и перепаду температуры на единице её длины эта величина на несколько порядков выше теплопроводности лучших теплопроводящих материалов (таких как серебро, алюминий, медь, алмаз и др.).
ТТ по конструкции аналогична термосифону, но в тепловой трубе на внутренней стенке прикреплен фитиль, выполненный, например, из нескольких слоев тонкой сетки. Конденсат возвращается в испаритель под действием капиллярных сил. Бесфитилъные ТТ (гравитационные или гладкостенные ТТ) называют двухфазными термосифонами. Труба может быть любой конструкции (рис. 2).
а – бесфитильная тепловая труба; б – тепловая труба с фитилем; в – с горизонтальным испарителем; г – с горизонтальным конденсатором; д – с горизонтальным конденсатором и перегородкой или вставкой в испарителе; е – с внутренней вставкой и перепускными каналами; ж , з – открытые термосифоны
Возврат конденсата может быть осуществлен другими способами:
- центробежными силами (вращающаяся тепловая труба);
- силами гравитации (термосифон);
- капиллярными силами (стандартная тепловая труба);
- электростатическими объемными силами (электродинамическая тепловая труба);
- магнитными объемными силами (магнитогидродинамическая тепловая труба);
- осмотическими силами (осмотическая тепловая труба).
Конструкция бесфитильных тепловых труб – простая, она включает гладкостенный цилиндр или камеру, заполненную теплоносителем. Из трубы удаляется воздух, после чего она герметично закрывается. В фитильных конструкциях внутренние стенки трубы выложены фитилём, что является отличительной особенностью фитильных тепловых труб. С увеличением радиуса термосифона тепловой поток уменьшается. Уменьшение теплового потока наблюдается и при увеличении отношения длины охлаждаемой части Lо термосифона к нагреваемой Lн, т. е. Lо/Lн. Это подтверждается экспериментальными данными, полученными на теплоносителях в воде, этиленгликоле и глицерине.
При конструировании термосифонов следует выбирать:
где:
- r – радиус трубы.
Наличие вставки между Накипеобразование в испарителях морской воды и методы его предотвращения на суднеиспарителем и конденсатором интенсифицирует теплообмен. Как показали специальные исследования, лучшие результаты были получены при применении теплоизолированной вставки с переходным каналом.
Читайте также: Судовые вспомогательные механизмы и теплообменные аппараты
Бесфитильные тепловые трубы работают под давлением, что осложняет их обслуживание и снижает надежность. Работа бесфитильных тепловых труб осуществляется следующим образом. При подводе тепла теплоноситель в двухфазных термосифонах вскипает, в конвективных – нагревается. Двухфазная смесь (жидкий теплоноситель) транспортируется за счет разности плотностей в зону теплоотвода. Сконденсированный, или «охлаждённый», жидкий теплоноситель поступает за счет сил гравитации в зону теплоотвода, и процесс повторяется.
Зона теплоотвода (нижняя часть) бесфитильных тепловых труб называется испарителем, а зона теплоотвода (верхняя часть) – конденсатором. Средняя часть труб включает адиабатическую зону. Процессы, протекающие в бесфитильных тепловых трубах, сложнее процессов протекания в конвективных термосифонах. Вода, являясь наиболее доступным и дешевым теплоносителем, имеющим значительную скрытую теплоту парообразования, употребляется наиболее часто. Температурный интервал применения также достаточно широк: 57 … 200 °С. Однако при температуре более 1 000 °С имеется недостаточно информации по исследованию бесфитильных тепловых труб для того, чтобы можно было разработать единую методику их расчета. Наиболее полно изучены бесфитильные тепловые трубы, в которых в качестве теплоносителя используется вода.
В фитильных тепловых трубах возврат конденсата происходит по капиллярам фитиля. Испарительные термосифоны могут передавать большие тепловые потоки за счет использования скрытой теплоты парообразования. Например, тепловая труба будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь, если используется вода при температуре t = 150 °С. Если применять литий при температуре t = 150 °С, то в осевом направлении может быть передан тепловой поток 10… 20 кВт/см2. При соответствующем выборе рабочей жидкости и материала корпуса могут быть созданы тепловые трубы для работы в интервале от 4 до 2 300 К.
Тепловая труба может использоваться и как трансформатор теплового потока, т. е. подвод и отвод теплоты происходят при различных температурных уровнях (рис. 3).
Основное преимущество тепловых труб заключается в чрезвычайно высокой теплопроводности и изотермичности поверхности при низком термическом сопротивлении.
Возможное применение тепловых труб:
- в криогенных установках ядерных ускорителей;
- для охлаждения электронного оборудования;
- в установках вентиляции и кондиционирования воздуха;
- в печках;
- для охлаждения и нагрева двигателей и т. п.
Такие аппараты позволяют исключить низкотемпературную коррозию при предварительном нагреве воздуха или воды уходящими газами котлов и печей. Тепловые трубы особенно перспективны для работы в агрессивных условиях. Так как коэффициенты теплоотдачи при кипении и конденсации в тепловых трубах достаточно велики, необходимо интенсифицировать внешний теплообмен от конденсаторов тепловых труб.
