Тепловая труба как система отопления

Тепловая труба, теплопередающее устройство, способное передавать большие тепловые мощности при малых градиентах температуры. Тепловая труба представляет собой герметизированную конструкцию (трубу), частично заполненную жидким теплоносителем. В нагреваемой части тепловой трубы (в зоне нагрева, или испарения) жидкий теплоноситель испаряется с поглощением теплоты, а в охлаждаемой части тепловой трубы (в зоне охлаждения, или конденсации) пар, перетекающий из зоны испарения, конденсируется с выделением теплоты. Движение пара от зоны испарения к зоне конденсации происходит за счёт разности давлений насыщенного пара, определяемой разностью температур в зонах испарения и конденсации. Возвращение жидкости в зону испарения осуществляется либо за счёт внешних воздействий (например, силы тяжести), либо под действием капиллярной разности давлений по капиллярной структуре (фитилю), расположенной внутри тепловой трубы (чаще всего на её стенках).

В связи с тем, что тепловые трубы с капиллярной структурой для возврата жидкости могут работать независимо от ориентации в поле тяжести и в невесомости, наиболее распространён именно этот тип тепловых труб. Эффективная теплопроводность тепловой трубы (отношение плотности теплового потока через тепловую трубу к падению температуры на единицу длины трубы) в десятки тысяч раз больше, чем теплопроводность Cu, Ag или Al, и достигает

107 вт/м*К. Малый вес, высокая надёжность и автономность работы тепловых труб, большая эффективная теплопроводность, возможность использования в качестве термостатирующего устройства обусловили применение тепловых труб в энергетике, химической технологии, космической технике, электронике и ряде других областей техники.

Система отопления благодаря специфическим характеристикам тепловых труб позволяет за короткий промежуток времени достичь необходимой температуры.

Основным элементом системы является тепловая труба (термо-труба). Она представляет собой трубу из нержавеющей стали длиной от 1.0 м до 2.5 м, в которую установлен специальный наполнитель (фитиль), заполненную небольшим количеством жидкости и герметично заваренную с обеих сторон. Один конец трубы омывается горячим теплоносителем. Тепло моментально (скорость близка к скорости звука) распространяется по всей длине трубы. При низком давлении внутри тепловой трубы температуру кипения теплоносителя можно снизить значительно ниже привычной при атмосферном давлении.

Таким образом, в течении короткого промежутка времени температура всех тепловых труб, объединенных в систему, будет одинаковой. Такой скорости нагрева (передачи тепла) не может обеспечить ни одна из существующих обычных систем отопления.

Принцип работы

Основными элементами тепловых труб, как и говорилось выше, являются герметичная внешняя оболочка, пористый капилярный наполнитель (фитиль) и рабочая жидкость. Одна область тепловых труб испаряет рабочую жидкость и переносит пар на другие области, где он конденсируется в жидкость и возвращается в область нагрева силой тяжести и фитилем. Фитиль служит именно помошником возврата конденсата в зону испарения. Идеальный случай расположения тепловой трубы — вертикальный, когда конденсат идеально возвращается силой тяжести в зону испарения. Но в случаях наклонного расположения тепловой трубы только фитиль (наполнитель) специальной конструкции даст возможность постоянно пополнять зону нагрева конденсатом, а значит обеспечит работоспособность тепловой трубы.
Таким образом, тепло испарением переносится с одного конца трубы в другой с небольшим понижением температуры. Процесс происходит внутри трубы при низком давлении и, можно сказать, не зависит от внешних факторов.

Изготовление и сборка трубы

Материал корпуса. Материал корпуса тепловой трубы, включая материал торцовых крышек и материал трубы для заполнения, выбирается с учетам ряда свойств используемых материалов, практические последствия выбора материала весьма многообразны.

Из многих материалов, пригодных для изготовления корпуса, наиболее часто используют три, а именно медь,алюминий и нержавеющая сталь. Медь является исключительно подходящим материалом для тепловых труб, работающих в диапазоне 0—200°С и используемых в таких областях, как системы охлаждения электронного оборудования. Хотя в принципе трубы из технически чистой меди являются подходящими, предпочтительнее использовать бескислородную медь с высокой теплопроводностью. Как и в случае применения алюминия или нержавеющей стали, имеется широкий выбор типоразмеров труб из Меди как по диаметру, так и по толщине стенки.

Алюминий реже используется в тепловых трубах, изготовляемых промышленным способом. Однако он благодаря своей малой плотности привлек пристальное внимание специалистов по космическим исследованиям. Обычно алюминий используется в виде сплавов.

К сожалению, в общем случае, если рабочей, жидкостью является вода, нержавеющая сталь не может быть длительно использована в качестве материала корпуса из-за возникающего газовыделения. В то же время нержавеющая сталь вполне совместима со многими другими рабочими жидкостями.

При сборке тепловой трубы необходимо предусмотреть оборудование для ее заполнения. Наиболее часто заполнение производится через торцевой колпак (крышку), снабженную трубой малого диаметра. Другой конец тепловой трубы имеет глухой колпак. Материал колпаков и заполняющей трубы в общем случае тот же, что и корпуса тепловой трубы, хотя для удобства заполняющую нержавеющую трубу можно нарастить при помощи медной трубки, чтобы обеспечить возможность холодной сварки. Может возникнуть потребность в установке вентиля на заполняющей трубе, например, для проведения газового анализа после ресурсных испытаний . Материал вентиля, безусловно, должен быть совместим с рабочей жидкостью.

Если тепловая труба должна работать при высоком давлении паров, то для проверки корпуса на прочность следует проводить соответствующие гидравлические испытания.

Материалы и типы фитилей.

Количество материалов, испытанных в качестве фитилей тепловых труб, и число видов фитилей очень велико.

Проволочная сетка. Наиболее часто встречающимся типом фитиля является плетеная проволочная сетка или саржевая ткань, которая может быть изготовлена из многих металлов. Нержавеющая, монелевая и медная проволоки могут быть сплетены в сетку с очень малыми размерами пор. Нержавеющая сетка 400 меш может быть получена от ряда фирм изготовителей. Имеются также алюминиевые сетки, однако из-за трудностей производства и плетения тонкой алюминиевой проволоки изготовление мелкопористой структуры фитиля оказывается невозможным.

Нержавеющая сталь является наилучшим материалом для изготовления сеток. Она может быть прокатана и хорошо сохраняет свою форму. Присущая крупной сетке упругость способствует хорошему прилеганию фитиля к стенке корпуса тепловой трубы, исключая в ряде случаев необходимость применения любого другого варианта фиксации расположения фитиля. В тепловых трубах с фитилем в 400 меш слой более крупной сетки в 100. меш, расположенный по внутреннему радиусу фитиля, может обеспечить сохранение формы более тонкой сетчатой структуры. Нержавеющая сталь представляет собой материал, который хорошо соединяется методом диффузионной сварки, что позволяет получать прочный сплошной фитиль, связанный со стенкой корпуса тепловой трубы. Диффузионная сварка лучше всего осуществляется в вакуумной печи при температуре 1150°С.

Точечная сварка фитиля является удобным способом сохранения его формы или присоединения фитиля к стенке корпуса тепловой трубы в тех случаях, когда ее диаметр достаточно большой для ввода во внутреннюю полость трубы электрода. При невозможности реализации этого метода для прижатия фитиля может быть использована спиральная пружина.
Важно обеспечить, чтобы независимо от типа фитиля он находился в тесном контакте со стенкой тепловой трубы, особенно в зоне испарения, иначе могут появиться горячие пятна. При наличии сетки наилучшей гарантией плотного прилегания фитиля является применение диффузионной сварки.

Войлоки и пенообразные материалы. В настоящее время ряд компаний выпускает металлические и керамические войлоки и металлические пенообразные материалы, которые с успехом могут быть использованы в качестве материала фитилей тепловых труб, в частности в тех случаях, когда изделие должно иметь некруглое поперечное сечение. Пенообразные материалы изготовляются из никеля и меди, а войлок — из нержавеющей стали и плетеных керамических волокон (рефрасил).

Чаще всего с этой страницы посетители сайта переходят на следующие страницы:

Особенности устройства тепловых труб: раскрываем 4 секрета

Тепловая труба для отопления используется для качественной передачи энергии от одного источника к другому. Она транспортирует теплоноситель на значительные расстояния. При этом происходят маленькие потери мощности. Данные магистрали применяются в отопительных схемах. Труба создается из материала, который передает огромную мощность. Изделия применяются не только в системах отопления, но и для обеспечения промышленных потребностей.

Конструкция и функции: устройство

Конструкция теплового агрегата характеризуется простотой. Она состоит из теплоносителя, корпусной части и фитиля. Корпус – это камера, диаметр которой бывает в виде прямоугольника или круга. Приборы изготавливается из нержавеющей стали, меди или алюминия. Производятся титановые трубы. Устройство первоначально называлось термосифон, который являлся предшественником данных изделий. Агрегат представляет собой ячеистую емкость, в которую помещается жидкость и откачивается воздух. При этом агрегат герметизируется.

Расчет и подбор материала выбирается с учетом условий эксплуатации. Корпус выполняется герметичным для изоляции энергоносителя. Материал прочный, так как призван выдерживать давление. Тепловая труба оборудуется фитилем, который обеспечивает перемещение жидкости по магистрали. Данный элемент выполняется из войлока, титана, стали или специального стекла.

• теплоноситель устойчив к температурным перепадам;
• жидкость обеспечивает смачивание фитиля и конструкции;
• энергоноситель характеризуется состояниями перехода из жидкого состояния в паровое при температурной градации, которая совпадает с параметрами тепловой магистрали.

Рабочая жидкость для агрегатов выполняется из следующих веществ: ртуть, серебро, натрий, ацетон, аммиак и гелий в сжиженных состояниях. Устройство тепловой трубы подразумевает применение специального фитиля из пористой материи, которая помогает передвигать жидкость из области конденсации в зону испарений. Функцией оборудования считается передача тепла по центру магистрали при разности температуры в разных зонах. Передача энергии к магистрали осуществляется несколькими способами:

1. С помощью электрического тока.
2. С применением открытого огня.
3. При соприкосновении с прогретым веществом.
4. При помощи инфракрасного излучения.

К современным изделиям относятся теплопроводные трубы без фитиля. Вместо него функционируют контурные магистрали, по которым проходит рабочая жидкость. Контурные агрегаты обладают следующими преимуществами:

1. Повышенная теплоотдача.
2. Агрегат характеризуется простотой.
3. Отличается надежностью при работе.
4. Значительный срок эксплуатации.
5. Не имеет подвижных механических деталей.
6. Рабочие характеристики сохраняются в разных условиях.

Тепловая трубка с фитилем

Применение современных тепловых труб с изоляцией, предизолированные варианты

Тепловой трубопровод применяется во многих отраслях промышленности. Конструкции используются для отопления здания, которые могут быть любого назначения. В отопительных изделиях применяется такой материал как асбестоцемент или биметаллические изделия. Используется покрытие из эмали или керамики. Тепловая схема и магистрали используются следующих областях:

1. Обустройство термостатов и альтернативных агрегатов.
2. Оборудование линий качественной теплопередачи.
3. Для разделения зоны прогревания и области, потребляющей тепло.
4. Регулирование и контроль потоков тепловой энергии.
5. Для обеспечения прогрева тепличных устройств.
6. Комплектование систем отопления жилых и производственных строений.
7. Используются в агрегатах охлаждения и в холодильниках.
8. В космической и медицинской отраслях.
9. При возведении зданий и дорог в условиях вечной мерзлоты.

Магистральные линии защищаются теплоизоляционными материалами. В некоторых случаях используются тепловые насосы. При этом снижается потеря энергии.

От типа применяемого материала зависит долговечность агрегатов, количество теплопотерь изделий при перемещении теплоносителя и работа системы.

Выделяются следующие разновидности туб:

1. Биметаллические изделия.
2. Модели из углеродистой стали со стеклокерамическим и эмалевым покрытием.
3. Оцинкованные магистрали.
4. Напорные конструкции из асбестоцемента.

Из асбестоцемента: диаметр имеет значение

К отличительным особенностям асбестоцементных магистралей относится простота при монтажных работах и отсутствие склонности к промерзанию даже если теплоноситель не циркулирует.

Тепловая схема работает без применения обогревающего кабеля.

Асбестоцементные модели обладают следующими достоинствами:

1. Устойчивы к воздействию коррозии.
2. Выдерживают высокие температуры рабочих жидкостей.
3. Материал используется в качестве армирования конструкции, что предотвращает деформации.
4. Имеют низкую теплопроводность.

Биметаллические магистрали для бесканальной прокладки

Данные изделия производятся из качественной стали, при этом конструкция защищена защитным составом. Агрегаты создаются горячекатаным способом, при этом не требуется термически воздействовать на элемент. Это повышает антикоррозийные характеристики изделий.

Биметаллические магистрали имеют большой срок службы.

Оцинкованные трубы из стали

Оцинкованные изделия применяются при температурах рабочей жидкости не более 70 градусов. На стойкость покрытия влияет скорость перемещения теплоносителя. На эксплуатационные характеристики влияют специальные добавки, которые повышают стойкость к коррозии.

Для повышения качества труб применяется лакировка и пассивирование.

Стальные конструкции с эмалевым покрытием: монтаж

К доступным магистралям относятся углеродистые изделия из стали с эмалевым покрытием.

Существует вариант с покрытием из стеклоэмали.

Данные конструкции имеют следующие достоинства:

1. Внутренняя поверхность характеризуется твердостью, гладкостью и долговечностью.
2. Стойкость к коррозии при воздействии любых теплоносителей.
3. Отличаются повышенной термостойкостью.
4. Высокие эксплуатационные возможности.

Тепловые трубы представлены простыми конструкциями и сложным оборудованием. Тепловая труба широко используется в быту, на производстве и промышленности.