ISO БПИ – БГПА - БНТУ

Университет

Одно окно

Услуги

Обучение иностранных граждан

Работодателям

Вакансии





ПАРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТЕРМОСИФОНЫ – ЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОТЫ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ

Л. Л. Васильев, Л. Л. Васильев мл., А.С. Журавлев

Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси

e-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

В лаборатории пористых сред Института тепло и массообмена им. А.В. Лыкова изобретены и запатентованы в ряде стран мира, таких, как США, Франция, Швеция, Бельгия пародинамические термосифоны (ПДТ) – теплопередающие уcтройства, в которых реализуется замкнутый пародинамический испарительно-конденсационный цикл переноса тепла [1]. В роли движущей силы, проталкивающей конденсирующуюся жидкость из зоны конденсации в зону испарения, выступает пар. ПДТ имеют принципиальное отличие от других известных в мире термосифонов и тепловых труб такого же диаметра. ПДТ предназначены для передачи теплового потока в горизонтальном направлении на большие расстояния (десятки и сотни метров). Коэффициент полезного действия их более 90%. Последние инновации в конструкции ПДТ, связанные с использованием нанотехнологий, дают возможность их использовать в качестве теплообменников тепловых насосов, аккумуляторов теплоты и холода, а также других теплопередающих устройств.

Главной особенностью ПДТ по сравнению с известными термосифонами является оригинальная конструкция конденсатора (труба в трубе) с длинным кольцевым зазором, представляющим собой мини-канал, в котором происходит конденсация пара. Теплопередача от пара к жидкости осуществляется через стенку мини-канала, разделяющую поток пара и конденсата. Внешняя стенка конденсатора ПДТ охлаждается за счет интенсивного теплообмена с окружающей средой, который сопровождается образованием двухфазного потока пар-жидкость в кольцевом зазоре. При движении двухфазного потока вдоль кольцевого зазора концентрация пара в потоке насыщенной жидкости постепенно уменьшается. Интенсивный теплообмен в радиальном направлении мини-канала позволяет поддерживать температуру поверхности конденсатора, близкой к ее изотермическому значению.

Пар, образующийся в испарителе ПДТ при подведении к нему теплового потока, движется по внутренней пароотводящей трубке. В концевой части ПДТ пар разворачивается и поступает в кольцевой зазор между внутренней и внешней трубками конденсатора, где происходит его дальнейшая конденсация. Гидравлический диаметр кольцевого зазора обычно меньше капиллярной постоянной рабочей жидкости ПДТ, поэтому в зазоре происходит чередование пробок пара и жидкости. Наличие разделительной стенки (внутренней трубки) между паром и жидкостью исключает их гидродинамическое взаимодействие. Поэтому отсутствуют трение и предел передачи теплового потока из-за взаимодействия встречных потоков пара и жидкости, характерный для традиционных термосифонов. Если внутренняя трубка ПДТ имеет высокую теплопроводность (металл), то происходит теплообмен между потоком пара и двухфазным потоком (жидкость/пар) в кольцевом зазоре, при этом возможно образование пузырьков пара (рис.1). В случае, когда кольцевой зазор имеет гидравлический диаметр больше капиллярной постоянной, в нем происходит стратификация пара и жидкости (рис. 1, б и в).

Рис. 1. Прозрачный кольцевой конденсатор ПДТ с медной внутренней трубкой и стеклянной внешней трубкой. а – конец конденсатора; б – середина конденсатора; в – вход пара в конденсатор

Для интенсификации двухфазного теплообмена между стенкой конденсатора и пароотводящей трубкой на внешнюю поверхность трубки наносится пористое нанопокрытие. Наноструктура пористого покрытия пароотводящей трубки инициирует зарождения мини-пузырьков пара в кольцевом зазоре. Конденсатор ПДТ можно выполнить гибким при использовании теплообменника труба в трубе, сделанного из полиамидных трубок малого диаметра.

Экспериментальные ПДТ в зимнее время были успешно применены для обогрева железнодорожных стрелочных переводов, что позволило предотвращать их обледенение, и обеспечило интенсивное таяние снега (рис. 2, б). В качестве источника энергии использовалось электричество, либо миниатюрные газовые горелки закрытого типа.

ПДТ длиной 10 и более метров (рис. 2, а) прошли испытания в качестве нагревателей пола в помещениях и компонентов сушильных панелей для сушки древесины, семян трав и зерна. Наличие изотермической сушильной панели обеспечивает качественную сушку термолабильных материалов и гарантирует отсутствие локальных перегревов. Пародинамические термосифоны (Рис.2) длиной 6 м, предназначенные для обогрева железнодорожных стрелочных переводов с целью борьбы с обледенением стрелок и таяния снега, были испытаны на железнодорожных путях и показали хорошую работоспособность. Эти теплопередающие устройства также можно рекомендовать в качестве системы терморегулирования топливных элементов, каталитических реакторов в химической промышленности, сорбционных тепловых насосов и охладителей.

ПДТ с двумя и более конденсаторами и вентилями обеспечивают трансформацию постоянного теплового потока, подводимого к испарителю, в циклически изменяющиеся тепловые потоки, отводимые от конденсаторов. Периодическое включение и выключение конденсаторов осуществляется по заданной программе. Подобный термосифон (рис. 3) был использован в адсорбционном солнечном холодильнике для организации поочередной десорбции хладагента в двух адсорберах. Конденсаторы термосифона размещены вдоль оси цилиндрических адсорберов и нагревают сорбент от солнечного излучения. Длина конденсаторов 1 м, термическое сопротивление термосифона R = 0.05 K/Вт.

Пористое покрытие теплонагруженной стенки испарителя делает работу термосифона бесшумной и устраняет его вибрацию.

Литература:

L.L. Vasiliev, L.L. Vasiliev Jr. Heat pipes and thermosyphons for thermal management of solid sorption machines and fuel cells // In: Heat Pipes and Solid Sorption Transformation:Fundamentals and Practical Applications / Ed. by L.L. Vasiliev, S. Kakaç / CRC Press, Taylor Francis Group, Boca Raton – London – New York, 2013. P. 213–258.

Скачать статью