Учебное пособие 1106
.pdf( р р |
|
) |
|
|
2 |
, |
(3.2) |
ж |
конд |
|
|||||
п |
|
|
Rконд |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
где Rконд − радиус кривизны мениска в зоне конденсации,
м.
На поверхности мениска в зоне испарения происходит унос массы, а на поверхности мениска в зоне конденсации − приток массы. Это приводит к тому, что жидкость движется по фитилю из зоны конденсации в зону испарения.
Таким образом, теплоноситель в тепловой трубе движется по замкнутой траектории.
Учитывая потери давления на трение и на преодоление действия массовых сил при движении среды, записывают
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
(р |
р |
м |
) |
р |
2 |
|
|
|
|
|
, |
(3.3) |
|
|
|||||||||||
тр |
|
ж |
п |
|
|
Rисп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rконд |
|
|
где (∆pтр+∆pм)ж − потери давления жидкости на трение и на преодоление действия массовых сил, Па; ∆pп − потери давления пара над мениском, Па.
Следствием несоблюдения последнего условия является высыхание фитиля и нарушение в работе тепловой трубы.
Передаваемая тепловая мощность тепловой трубы дается выражением
Q = mr, |
(3.4) |
где m – массовый расход рабочей жидкости (теплоносителя), кг/с; r – скрытая теплота парообразования, Дж/кг.
Для характеристики эффективности теплопереноса тепловой трубой используют эффективную теплопроводность, которую определяют по формуле
29
эф |
Q |
, Вт/(м∙К), |
(3.5) |
|
|
||||
AgradT |
||||
|
|
|
где А – площадь поперечного сечения тепловой трубы, м2; gradT – продольный градиент температуры, К/м.
3.2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ
Тепловые трубы классифицируют по температурному диапазону:
1)4-110 К; теплоносителями являются кислород, азот и гелий; низкая способность передачи тепла; области применения крайне ограничены;
2)230-500 К; теплоносителями являются вода, спирты, фреоны и аммиак; в основном находят применение в аэрокосмической технике, а также в системах обеспечения жизнедеятельности и системах терморегулирования космических аппаратов;
3)700-1500 К; теплоносителями являются жидкие щелочные металлы (литий, натрий, калий); применяются для охлаждения коллекторов термоэмиссионных преобразователей энергии;
4)свыше 1500 К; теплоносителями являются серебро (до 2600 К), свинец (до 2100 К) и барий (до 1900 К); используются
вядерных реакторах.
3.3.ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ
Факторы, ограничивающие теплопередающую способность трубы:
1. Капиллярное давление, создаваемое пористым фильтром. Повышение подводимой тепловой нагрузки требует уве-
30
личение массового расхода теплоносителя, с которым капиллярный насос может не справиться.
2.Звуковой предел для скорости пара. Рост тепловой нагрузки приводит к возрастанию скорости пара вплоть до скорости звука, при которой в непрофилированном канале возникает эффект звукового запирания.
3.Предельный тепловой поток в зоне испарения. Высокий тепловой поток в зоне испарения может привести к высыханию мениска, в результате чего прекращается поступление жидкости и происходит выход температуры тепловой трубы за пределы заданного температурного диапазона.
3.4.ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ Схема экспериментальной установки показана на рис. 3.2
Рис. 3.2. Экспериментальная установка
Тепловая труба имеет размеры, мм: |
|
Длина ................................................................ |
500 |
Наружный диаметр ............................................ |
20 |
Длина зоны испарения .................................... |
100 |
Длина зоны конденсации ................................ |
100 |
31
Стержень из алюминиевого сплава имеет длину 500 мм и наружный диаметр 20 мм.
Одни концы тепловой трубы и стержня находятся в омическом нагревателе мощностью Q, а другие − в холодильнике, представляющем собой резервуар с охлаждающей водой. Нагреватель имеет две одинаковые электрические спирали, поэтому расходуемая им мощность на нагрев тепловой трубы и стержня равна Q/2. На внешних поверхностях тепловой трубы и стержня вдоль оси располагаются шесть хромель-копелевых термопар.
Номера термопар и соответствующие им координаты, мм, отсчитываемые от границ зон нагрева и адиабатных зон, показаны в табл.
Таблица Номера термопар и соответствующие им координаты
Номер |
1, 7 |
2, 8 |
3, 9 |
4, 10 |
5, 11 |
6, 12 |
термопары |
|
|
|
|
|
|
Координата |
340 |
280 |
180 |
100 |
30 |
-50 |
Показания термопар регистрируются 12-канальным самописцем типа КСП и отмечаются на движущейся диаграммной ленте пронумерованными точками, номера которых совпадают с номерами термопар.
3.5.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
1.Включить КСП. Рекомендуемая скорость движения диаграммной ленты составляет 600 мм/ч.
2.Включить нагреватель на мощность 80 Вт.
3.Через 20 мин залить холодную воду в холодильники.
4.Через 10 мин выключить экспериментальную установ-
ку.
5.Снять с КСП построенную диаграмму температур.
32
3.6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Построить зависимости температуры от координаты термопар и определить значения средних градиентов температуры для тепловой трубы и стрежня.
Температура t является функцией координаты точки на
диаграмме |
|
t = 0,6 xt. |
(3.6) |
Методом наименьших квадратов определить градиенты температур вдоль тепловой трубы и стержня. Температура за-
висит от координаты по длине трубы согласно выражению |
|
t = α + βx, |
(3.7) |
где x – координата горячего спая термопары. Вид этой зависимости показан на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Зависимость t от x: точки − эксперимент, сплошная линия − расчет
Чтобы найти коэффициенты α и β, составляют систему уравнений
33
|
n |
n |
|
ti |
n xi , |
|
1 |
1 |
n |
n |
n |
xiti |
xi xi2 . |
|
1 |
1 |
1 |
Эта система имеет следующие решения:
|
|
n |
|
|
n |
|
|
|
|
n |
|
n |
|
|
||
|
|
xiti |
xi |
|
|
ti |
|
xi2 |
||||||||
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
, |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
n xi2 |
xi |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
n |
|
n |
|
|
||||
|
|
|
n |
xiti |
|
xi |
ti |
|||||||||
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
n xi2 |
|
xi |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
(3.8)
(3.9)
(3.10)
(3.11)
Коэффициент α = t, когда x = 0. Коэффициент ддxt −
градиент температур. Работа ограничивается пятью точками измерения температуры как для тепловой трубы, так и для стержня. Показания термопар 6 и 12 в обработке не учитываются.
Затем рассчитывают коэффициенты α и β
α = − 0,245t1 − 0,0718t2 + 0,217t3 − 0,449t4 + 0,651t1, (3.12)
β = 2,39∙10-3t1 + 1,46∙10-3t2 − 9,32∙10-5t3 − 1,34∙10-3t4 − |
|
2,43∙10-3t5. |
(3.13) |
34
2. Вычислить плотности тепловых потоков, которые передаются тепловой трубой и стержнем
q |
4 |
|
Q |
, |
(3.14) |
|
D2 |
2 |
|||||
|
|
|
где D – наружный диаметр тепловой трубы, м.
3. Найти среднюю температуру стержня
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
__ |
|
1 |
|
|
|
x1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
( x)dx . |
(3.15) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
x |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
5 x5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
4. Определить среднюю теплопроводность стержня при |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
__ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
температуре t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Al |
(t) 4,52 10 4 t2 |
2,6310 1t 1,59 102 . |
(3.16) |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
5. Рассчитать эффективную теплопроводность тепловой |
|||||||||||||||||||||||||
трубы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дt |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дx |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ст |
, |
(3.17) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Al |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эф |
|
|
|
|
дt |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дx |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т.т |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
− градиент температуры вдоль стержня, К/м; |
|||||||||||||||||||
|
|
|
дx |
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
дt |
|
|
|
|
|
|
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
− градиент температуры вдоль тепловой трубы, К/м. |
||||||||||||||||||||||||
дx |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
т.т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
35
6. Сравнить эффективную теплопроводность тепловой трубы со средней теплопроводностью стержня. Проанализировать полученные результаты.
3.7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Дайте определение понятию «тепловая труба».
2.Что обеспечивает движение жидкости в тепловой трубе из зоны конденсации в зону испарения?
3.Какие факторы ограничивают теплопередающую способность тепловой трубы?
4.Может ли тепловая труба работать в условиях невесо-
мости?
36
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Теплофизика двухфазных сред» / МГТУ им. Н.Э. Баумана; сост. Д.Н. Морской, В.В. Школа. – Москва,
2014. 36 с.
37
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Лабораторная работа № 1. Теплоотдача при конденсации |
|
водяного пара ........................................................................ |
1 |
Лабораторная работа № 2. Теплообмен при кипении воды |
|
в большом объеме ............................................................... |
13 |
Лабораторная работа № 3. Эффективная |
|
теплопроводность тепловой трубы ................................... |
27 |
Библиографический список ............................................... |
37 |
38