Теплові труби являють собою теплопередавальні пристрої, головною особливістю яких є здатність передавати великі теплові потужності при малих перепадах (градієнтах) температури. Пристрої такого типу широко використовуються в теплоенергетиці, хімічній промисловості, електроніці, а також в інших галузях промисловості. У цьому матеріалі ми постараємося максимально доступно висвітлити принцип дії теплових труб, а також розповісти про сферу їх застосування.
Конструкція і функції теплових труб Термосифон як попередник теплової труби Пристроєм, який було своєрідним «попередником» теплових труб сучасного типу є так званий термосифон. Його конструкція, хоч і має значні відмінності від конструкції теплових труб, все ж базується на тих же принципах. Термосифон являє собою спеціальну трубчасту ємність, всередину якої вводиться невелика кількість рідини, після чого з ємності відкачується повітря і вона герметизується шляхом запаювання.
Принцип роботи термосифона наступний: • Тепло підводиться до зони випаровування • Рідина усередині капсули термосифона перетворюється на пару, яка під тиском рухається в зону конденсації. • У зоні конденсації пар осідає на стінках, віддаючи їм тепло - отже, однією з умов, що забезпечують роботу термосифона, є ефективне відведення тепла від зони конденсації пари.
В іншому випадку можливий так званий «криза кипіння», при якому вся рідина випаровується і теплопередача проходить по стінках термосифона, минаючи зону конденсації. Застосування термосифонів забезпечує значну потужність теплопередачі навіть тому випадку, якщо різниця температур між кінцями термосифона незначна.
Зверніть увагу! Термосифон працює тільки тоді, коли його зона конденсації знаходиться вище зони випаровування - тільки в цьому випадку можливе повернення конденсату в зону випаровування під дією сили тяжіння.
Така ситуація в ряді випадків є досить серйозні обмеженням, тому на зміну термосифонного прийшли більш складні пристрої - теплові труби.
Конструкція теплової труби Найбільш поширеним типом теплової труби є теплова труба Гровера (названа так по імені винахідника). Її конструкція досить проста (наскільки це можливо стосовно до конструкції теплопередающей пристрої) і включає в себе три основні елементи: • Корпус • Робочу рідину • Гніт (капілярно-пористий матеріал або КПМ)
Нижче ми розглянемо особливості конструкції кожного з цих елементів. Корпус теплової труби найчастіше представляє собою камеру круглого або прямокутного перерізу. Для виготовлення корпусу застосовують нержавіючу сталь, сплави алюмінію, бронзу, мідь, скло, полімерні матеріали або кераміку.
Головні функції корпусу - ізоляція робочої рідини, а також - ефективне підведення і відведення тепла від неї. Для цього корпус повинен бути герметичним і витримувати значний внутрішній тиск. Теплові труби виробляють з корпусами різних розмірів, при цьому обмеження в габаритах корпусу є тільки «знижу» - вони повинні бути достатніми, щоб виключити вплив капілярних сил у зоні руху пари.
Щоб подібна ситуація не виникала, розрахунок теплової труби, а також її виготовлення повинні проводитися виключно фахівцями. Робоча рідина в тепловій трубі є головним носієм тепла, який, власне, і забезпечує функціонування всієї системи.
Виходячи з цього до робочої рідини висувається ряд вимог: • Вона повинна мати точку переходу «рідина-пар» в тому діапазоні температур, в якому працює труба теплова. • Робоча рідина не повинна бути схильна температурному розкладанню. • Вона повинна змочувати матеріал гнота і корпусу теплової труби.
В якості робочих рідин в теплових трубах застосовують різні речовини в рідкій фазі: зріджені гелій і аміак, ацетон, воду, ртуть, а також - натрій або срібло. Гніт з пористого матеріалу забезпечує переміщення рідини із зони конденсації в зону випаровування під дією капілярних сил. Матеріал для гніту повинен забезпечувати рівномірний рух рідини по капілярних порам. В якості гнота використовуються металеві войлоки, металеві стеки або тканини саржевого типу плетіння. Оптимальні матеріали для гнота теплових труб - титан, мідь, нікель, нержавіюча сталь.
Окрему категорію теплових труб складають так звані контурні теплові труби. На відміну від класичної схеми конструкції теплової труби у теплової труби контурного типу відсутня гніт, а передача робочої рідини від зони випаровування до зони конденсації проводиться за контурним трубках. Схему контурної теплової труби ви можете бачити на малюнку.
Функції теплових труб Головною корисною функцією, якою володіють практично всі труби теплові, є ефективна теплопередача по осі труби між двома зонами з різною температурою. Оптимальна робота теплової труби передбачає, що режими роботи елементів не досягають критичного порога.
Подача тепла до теплової трубі може здійснюватися будь-яким зручним для вас способом: • Відкритим полум'ям • Електричним струмом • Контактом з нагрітим тілом • Інфрачервоним випромінюванням
При цьому єдиною величиною, якою лімітується теплова потужність труби, є теплова стійкість корпусу. Застосування сучасних теплових труб Область застосування теплових труб сьогодні досить широка. Вони можуть використовуватися в таких напрямках як: • Облаштування каналів ефективної теплопередачі • Поділ в просторі джерела нагрівання і точки, в яку теплота передається (так званий сток теплоти) • Комплектація термостатів і пристроїв, аналогічних за призначенням • Терморегуляція і перенаправлення теплових потоків
Крім того, теплові труби є обов'язковою деталлю теплових діодів і вимикачів. Характеристики теплових труб на сучасному етапі досить вражаючі: • Діапазон температур для роботи теплової труби - від 4 до 2300 К. • Потужність теплопередачі - до 20 кВт на 1 см2 • Ресурс роботи теплової труби складає більше 20 тис. годин.
Труби в теплових мережах Загальні відомості про труби Однак під тепловими трубами найчастіше розуміють не тільки пристрої для теплопередачі, а й труби, які використовуються в теплових системах. Нижче ми розповімо про різновиди цих труб, а також - про особливості їх застосування. Труби для теплових мереж можуть бути виготовлені з найрізноманітніших матеріалів.
До найбільш поширених тепловим трубах відносяться: • Напірні труби з азбестоцементу • Біметалічні труби • Оцинковані труби з вуглецевої сталі • Труби з вуглецевої сталі з емалевим або склокерамічним покриттям.
Зверніть увагу! Від використовуваного матеріалу залежать не тільки втрати тепла трубами при транспортуванні теплоносія, але і довговічність самої опалювальної системи. Ось чому до вибору матеріалу для труб тепломережі потрібно підходити вкрай відповідально. Нижче ми розглянемо всі перераховані вище різновиду труб, і проаналізуємо їх достоїнства і недоліки.
Напірні труби з азбестоцементу Досить популярні сьогодні опалювальні труби з азбестоцементу мають ряд переваг, які дозволяють їм «вигравати» у труб з інших матеріалів.
Серед переваг азбестоцементних теплових труб: • Витримують температуру теплоносія (найчастіше гарячої води) до 120 - 1300 С • Стійкі до корозії під впливом грунтових розчинів або інших факторів • Азбест, що входить до складу таких труб, грає роль внутрішньої армування, тому труби з азбестоцементу суміші добре витримують здавлюють деформації • Теплопровідність труб з азбестоцементу при температурі теплоносія в 120 градусів менше, ніж теплопровідність аналогічної сталевої труби в аналогічних умовах у 62,5 рази.
Тому можна сміливо заявляти, що по відношенню до азбестоцементу таке визначення як теплі труби - аж ніяк не гіпербола. Крім того, асбестоцементовие труби досить прості в монтажі та невибагливі в обслуговуванні. Також вони мало схильні до промерзання навіть у разі, якщо теплоносій у них не циркулює, тому теплий кабель для труб в даному випадку практично ніколи не потрібно.
Теплові біметалеві труби Труби опалювальні біметалеві виробляються з високоякісної листової сталі, а поверхня таких труб покривається захисним спецскладом. Товщина захисного покриття становить від 5 до 20% від товщини стінки труби.
Головною особливістю таких труб є той факт, що вони виробляються гарячекатаних методом - при цьому не виникає необхідності термічного впливу на трубу, що позитивно позначається на її антикорозійних властивостях. Біметалеві труби для опалювальних систем досить ефективні з погляду мінімізації фінансових витрат, так як їх термін служби набагато більше, ніж термін служби сталевих труб. І все ж біметалеві труби для теплотраси використовуються досить рідко через їх високу вартість. Оцинковані сталеві труби
При роботі з теплоносієм, температура якого не вище 60-70 градусів Цельсія хорошу ефективність також демонструють труби з високовуглецевої сталі з цинковими добавками. Однак цинкове покриття не універсально - при роботі з теплоносієм, pH якого знаходиться в межах 6-7, оцинковані труби стрімко руйнуються. Також на стійкість покриття впливає швидкість руху теплоносія і рівень теплоносія в трубі.
Нарівні з цинком для продовження терміну служби теплових труб використовують також легуючі добавки. В якості таких добавок ефективні нікель або алюміній. До інших процедур, здатним істотно підвищити корозійну стійкість труб, відносяться пассивирование, лакування і фосфатовані внутрішніх поверхонь. Що ж стосується економічності використання таких труб, то вона досить невисока. Пояснюється це тим, що значний коефіцієнт теплопередачі труби зі сталі є причиною швидкого охолодження теплоносія.
Сталеві труби з емалевим покриттям Ще один різновид теплових труб - сталеві вуглецеві труби з емалевими покриттями (також є модифікації з стеклоемалевим покриттям). Такі труби відрізняються наступними перевагами: • Гладка, тверда і довговічна внутрішня поверхня труби • Висока корозійна стійкість до впливу теплоносіїв різного складу • Висока термостійкість • Тривалий термін служби покриття, а отже - і самих труб
Ще однією перевагою труб з емалевим покриттям є їх відносно невисока вартість. Як бачите, під терміном теплові труби можуть ховатися кА досить складні теплотехнічні агрегати, так і досить прості трубні конструкції для опалювальних систем. І все ж інформація про ці пристрої повинна бути у всіх, хто планує займатися створенням опалювальних систем.
