Основы теплопередачи - Крейт Ф.
Скачать (прямая ссылка):
Iw == lfn Ie*
Из приведенного выше выражения следует, что тепловая труба утратит свою способность к передаче тепловой мощности, когда полный гравитационный напор в тепловой трубе превысит располагаемый движущий напор, обусловленный действием поверхностного натяжения.
Основными определяющими параметрами, влияющими на суммарную передаваемую мощность, являются площадь сечения фитиля AW9 эффективная высота капиллярного поднятия жидкости в фитиле lw и длина тепловой трубы. Для любой эффективной высоты капиллярного поднятия жидкости в фитиле Iw можно подобрать площадь сечения фитиля Aw и достичь тре* буемой полной передаваемой мощности, если известны рабочая температура, а также разность температур на испарительной и конденсаторной секциях. Однако, когда существуют ограничения по верхнему пределу рабочей температуры, а также по температуре в конденсаторной секции тепловой трубы, толщину фитиля можно определить из рассмотрения этих температурных условий. В общем случае разности температур и рабочая температура возрастают с увеличением толщины фитиля. Если толщина фитиля выбрана с учетом рабочей температуры и разностей температур, то для заданной передаваемой мощности можно определить максимальную длину тепловой трубы.
Уравнение (7.68) представляет собой соотношение между полной передаваемой мощностью и геометрическими размерами
14 Зак. 487
418 Глава 7
тепловой трубы в предположении постоянной площади сечения фитиля Aw. Для уменьшения разности температур в испарителе и конденсаторе можно отдельно уменьшить толщину фитиля в каждом из этих двух участков тепловой трубы. В этом случае уравнение (7.68) необходимо преобразовать с учетом
неоднородности площади сечения фитиля к следующему уравнению:
J/2
(L L L \
V Лше Rwa Лшс /
где индексы е, а и с относятся к испарительной, адиабатической и конденсаторной секциям тепловой трубы.
Хотя тепловая труба аналогична материалу с очень высокой теплопроводностью, она имеет ограничения по переносу тепла, которые описываются определенными законами механики жидкости. Возможные эффекты проявления этих ограничений на характеристики тепловой трубы с жидким металлом в качестве теплоносителя показаны на рис. 7.26.
Ограничения, указанные на рисунке, обсуждаются ниже. Для более полного рассмотрения теории и практического использования тепловых труб читателю рекомендуется обратиться к работе [17].
Температура
Рис. 7.26. Ограничения переносу тепла в тепловой трубе.
(1-2) — звуковой предел; (2—3) —унос жидкости; (3—4) —капиллярный эффект; (4-5) —кипение.
Звуковой предел
Когда тепло передается от испарительной секции к конденсаторной секции тепловой трубы, тепловой поток между этими двумя секциями определяется из выражения
q = thvhfgt (7.71)
где thv — массовый расход пара на выходе из испарителя й hfg — скрытая теплота испарения жидкости. Поскольку в тепловой трубе используется скрытая энергия теплоносителя вместо его теплоемкости, можно достичь больших тепловых потоков при относительно малых массовых расходах. Кроме того, если тепло передается при высокой плотности и низкой скорости пара, его перенос происходит практически в изотермиче-
Теплообменники 419
ских условиях, поскольку для перетекания пара необходимы очень малые градиенты давления.
Чтобы продемонстрировать влияние плотности и скорости пара на перенос тепла, можно преобразовать уравнение (7.71), используя уравнение неразрывности
thv=pvVA, (7.72)
где pv — средняя по радиусу плотность пара на выходе из испарителя, а Л — площадь поперечного сечения парового канала. Комбинируя уравнения (7.71) и (7.72) и производя соответствующие перестановки, получаем
4 =PvVh1
(7.73)
где q/A — аксиальная плотность теплового потока, отнесенная к»площади поперечного сечения парового канала.
Из уравнения (7.73) следует, что плотность теплового потока в осевом направлении тепловой трубы может поддерживаться постоянной, а регулирование охлаждения конденсатора приводит к понижению давления, температуры и плотности пара до тех пор, пока поток пара на выходе из испарителя не достигнет скорости звука. В этом случае изменения давления потока в зоне конденсации не будут передаваться в зону испарения. Это условие звукового предела на рис. 7.26 описывается сплошной кривой, проходящей между точками 1 и 2. Некоторые значения плотностей тепловых потоков, соответствующих звуковому пределу, в зависимости от температуры на выходе из зоны испарения приведены в табл. 7.5 для Cs, К, Na и Li.
Таблица 7.5
Звуковой предел для теплоносителей тепловых труб
Температура на выходе
Предельные значения плотности теплового потока, кВт/см2
испарителя, °С Cs К Na Li
400 1,0 0,5 _
500 4,6 2,9 0,6 —
600 14,9 12,1 3,5 —
700 37,3 36,6 13,2 —
800 — — 38,9 1,0
900 — — 94,2 3,9
1000 — — — 12,0
1100 — — — 31,1
1200 — — — 71,0
1300 — — 143,8
Хотя тепловые трубы обычно не работают при звуковом течении потока, такие условия могут возникать при запуске
14*
420 Глава 7
тепловых труб с теплоносителями, указанными в табл. 7.5. При запуске тепловой трубы температура в начале зоны испарения всегда выше, чем в конце этой зоны. Разность температур можно рассчитать, используя уравнение количества движения для системы с добавкой массы:
