Глава XIII. Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов (Под общ. ред. академика В.С.Авдуевского и проф. В.К.Кошкина - Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике), страница 4

13.10 показано распределение полных и статических давлений жидкости и пара по длине трубы. Количество тепла, переносимого по оси трубы, зависит от массового расхода пара 6 и теплоты парообразования г: Я = Стог. (13.53) Переносимый поток тепла Я или удельный тепловой поток на единицу площади поперечного сечения д зависит от геометрии теплопередающей трубы и фитиля, длины трубы, наличия силового поля. Опыты с первыми теплопередающими трубами (ТТ), а затем и теоретические исследования их работы показали, что работа трубы, ее теплопередающая способность определяются рядам явлений и процессов: достижение в паропроводе скорости звука; уиос с поверхности жидкости, возвращающейся в зону испарения, частиц пара и капель жидкости; теплообмен между жидкостью и 347 лзром; ограниченные возможности каппллярного насоса; закипанпе жидкости в зоне нагпена н, наконеп, конструкторские и технологические ограничения (температура плавления корпуса и фитиля.

массоперенос и т. и.). Рассмотрим технологические ограничения. Зедкоеай предел Своеобразие ТТ зякпкчается в том, что скорость пара и его расход по длине трубы перемснны. В зоне испарения по вгеп длине трубы количество пара и его скорость унечичнвзютгя. Опасность достижения скорости звука н «запиоание» ТТ имеется именно в этой обпасгн. В зоне транспортирования пара за счет тепломассообмена возможно уве кипение скооостн несколько вылив скорости звука. В зоне конденсапии пара расход уменьшается. поток тормозится. Если достигнута скорость ш выше скорости звука а, при торможении возможно появление скачков уплотнения. а это — дополнительные необратимые потери, в частности, полного давления. !!з сказанного вытекает нежелательность испо|ьзовання ТТ нз режимах со скоростью пара ш —.= а. Зта гран ша применимости ТТ определяется расходом тепла (13.54) (З = ар„г„р, где а = Т' 'е!«Т — скорость звука (растет с увеличением Т); р„—.

плотность пара; г, — скрытая теплота парообразованнч; Š— поперечное сечение ТТ. Унос жидкости в зоне транспаагпираеки. Срыв капель с поверхности определяется числом Вэбера — соотношением спп ннерннн пара н сил поверхностного натяжен ~я жидкости; »»«е . » ~(2 (13 55) где !» — —,пляпа капиллярной волны, зависящая от геометрия фитиля, При достижении числа Вебера %'е -= 1 возможно начало соыва капель. Поэтому ограничение (е =. )г 2яр, о~„',!Х. Капилляр««ое огпаничгние. Если капиллярных сил недостаточно.

чтобы «дотянуть» жидкость ао начала зоны испаоения, фитиль начинает высыхать и (г уменьшается. Значит должно быть г, Лр»„,г„х, Лр, (капнллярное давление Лр„равно разности давлений жидкости и папа). Закилание жидкости приводит к нарушению работы капилляр- ного насоса и определяется предельно возможной скоростью испарения Лр»„„, жидкости с ее поверхности. При этом Я ж г,р„(2л ЙТ„(М) — ы» где М вЂ” молекулярная масса пара. Высокотемпературное ограни«ение. При использовании высококнпяших материалов зона работы ТТ может ограничиваться тугоплавкостью, жаростойкостью материалов фитиля и корпуса трубы (Т,„,„), разложением рабочего тела.

34В На рис. 13.11 даны перечис- О,нлт ленные ограничения, очерчиваюг Я щин рабочую зону конкретной тепловой трубы. На этой диаграмме можно проследить перемещепие границ при изменении параметров а трубы, можно предположить влияние и деградационных пропессов в ТТ (засорение или размывание 5 фитиля, влияние ударов и вибра- 1,К ций и др.). Реальные границы рабочей РН"- !З !' ХаРаи"ЕРНС™" "'ПЛ"' передающей трубы, отражающая зоны ТТ оцениваются расчетом, физические ограничения: но оппеделяются эксперчменталь а — ееукоеоя предел, 7 — уное нендко- нО.

Зависимость Я == ( (Т' пазы- етн а — «нч л рнн» поедел: »в еекнпенне; а - респленленне коивается характеристикой ТТ. На етруккнн а — ра» н ео рис. 13.!2 приведены эксперимеитальпыс характеристики различных ТТ. На реальных характеристиках ТТ можно проследить все описанные винце ограничении (напримеп для (ч(На, СеН„, СНГаС1, Сз). Вопросы выбора рабочего типа и материалов для теплопередаеощих труб следует рассматривать совместно.

В табл. 13.2 поиведены примеры сочетания конструкционных матерчалов и рабочих тел теплопередающих труб. В пропессе пиркулиции огновного рабочего тела в теплопередающей трубе одновременно возможен и перенос всевозможных примесей кяк газовых, так и твердых, имеющихся в материале теплопередающей трубы и рабочем теле.

Тугоплавкие примеси„ как правило. переносятся в зону испарения, а неконденсирующиеся газы — - в зону конденсации. При этом в зоне конденсации возможно образование газовых пробок, которые уменьшают размер зоны конденсации и снижяют эбхфектинность действия всей тепло- передающей трубы. Лепя устранения этого явления необходимо Окал лблхетгн е 10 700 000 1000 1000 1000 2200 Тес" рис. !3. !2. Ха акте истинн р р .

реальных тепл 1переднющнх труб, работающих на различных раб щих телах !о Т а б л н ц а 13.2. Основные характеристики возможнмх рабочих тел и материалов теплопередак)щих труб Поверкностпоа ватяменне !прп Г = 906 .,!606'С). Й)'ма Давленне (прв Тпл), мм ртутного столба Рабочна диапазон температур, 'С )пл: Гкап !прн р =-. о,! МПа) Рабочее тело Матернал Онтнля Материал степка СаНаОН вЂ” 50 ... +100 — 40 ...

0 — 114,4 78,3 Медь, бронза То же — 77,7 1 380 Хромоннкелеван сталь но 2 256,7 1!О То же 35 1О а 86 10 а 2!Оа 28,5 705 1!О т ! 26.10-та !10 и 4 345 97,8 883 180 Ьб 880 ... 1400 19 595 1317 (2!О ... 300). !О ' Молибден Сталь, молиб. ден, тантал 710 1700 Ва То же Тантал 0,400 ! 088 РЬ 0,385 1737 2 320 2212 Вольфрам 15 ... 260 330 ... 730 380 ... 630 500 ... 930 1180 ... 1630 1330 ... 1830 !580 ... 2330 теплота парообра. кованая нрпр= - О,! Мпа, йДм 7,6 !О"' 3,26 10 ' 2,65.10 а применять в теплопередающих гл трубах сверхчистые материалы (для фитиля, корпуса и рабочих ббб тел примеси не должны превышать 10-а — 10 веб).

ббб Материал фитиля должен мак- г г у б уб у у г ! симально смачиваться жидким ебб т-Фй рабочим телом. С точки зрения бй е устойчиВОСтн тЕплоПЕРЕдаЮЩЕй р б и бб 33 гУ тлел габ трубы ко всякого рода нерасчетным отклонениям от рабочего ре- ра р пп длине теплопе дающей Рис. !3.!3. Распределение веете. жима выгодно иметь материал труйй а пропессе запуска: СаМОй трубЫ таижс СМаЧИВаЕМЫМ ! ... б — ревультвты квмерввва в саев- Р абочим телом Тогда перегрев ввв'твтмщвх точках схемы поверхности не приводит к возникновению пленочного кипения и разрушению конструкции, а кратковременная работа на режиме пузырькового кипения ие представляется очень опасной.

При пуске теплопередающей трубы следует иметь в виду, что многие рабочие тела для этих труб в эксплуатационных условиях могут находиться в исходном состоянии в жидком или даже в твердом виде, когда особенно сложна проблема запуска тепло- передающей трубы.

При этом все устройство должно быть прогрето достаточно плавно, чтобы рабочее тело расплавилось по всей длине трубки и чтобы капиллярный насос успел подсосать жидкость, не давая испарительному участку перейти в опасный режим работы, когда вследствие высыхания испарительного участка он перестанет действовать. На рис. 13.13 показано развитие процесса запуска теплопередающей трубы на натрии по времени. Опыт показывает, что тепло- передающую трубу можно вывести на рабочий режим за несколько минут. Проблемы ускоренного запуска в настоящее время изучаются. После снятия тепловой нагрузки также имеет место переходный режим, который в отличие от запуска ие,угрожает опасными последствиями.

Намечаются пути дальнейшего усовершенствования тепло- передающих труб. Так, трубы, с составным фитилем, т. е. фитилем, пористость и капиллярность которого оптимизирована по длине трубы 1например максимальная подсасывающая способность в зоне испарения, минимальные гидравлические потери в адиабатной зоне и др.), имеют теплопередающую способность и максимальную длину значительно выше. Теплопередающие трубы обладают способностью трансформиРовать удельную тепловую нагрузку на единицу поверхности, могут регулироваться по времени путем присоединения управляемого объема с газом. Газ, будучи вытеснен в рабочую полость теплопередающей трубы и скапливаясь на конце кондеисационного 35! Рнс.

!3. !4. Схема сеипнн хозодн.тьпнка — излучателя космической ядерной знергоустановкн с панелнчн чз геплопередающих труб I — трубы с теолоноснтеле, à †. модули зеллолередающнх труб, увеличивающих поверхность излучение тепла в космос участка, будет выключать из работы часть конденсационной зоны,. и тем самым будет изменяться режим работы трубы.

Наконец, большие возможности открываются при варьировании геометрии теплопередающих труб: искривления, разветвления, применение колы!евых труб и т. и. Теплопередающие трубы несмотря на явные их преимущества еще не нашли широкого применения. Известны примеры использования теплопередающих труб в системах терморегулирования космических аппаратов. Здесь перспектива применения теплопередающих труб очень велика в широком диапазоне температур от глубокого холода до сотен градусов тепла. Особые преимущества имеют теплопередающие трубы при использовании в конструкциях ядерных энергетических (реакторных и радиоизотопных) установок космических аппаратов.

На рис. 13.14 для отвода тепла, не использованного в термодинамическом цикле (Яв), показан пример конструкции излучателя с теплопередающими трубами. Отвод тепла от реактора или радио- изотопного источника к преобразователю энергии Яг) может быть осуществлен также теплопередающими трубами, что значительно упрощает систему, так как не требует цнркуляционных устройств. Известны проекты ядерных термоэмиссионных энерго- установок с использованием теплопередающнх труб.

ВОПРОСБ! ДПЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какие схемы теплообменных аппаратов используются в авнанвн н ракетной технике? 2, Как определяется температурный напор в теплообменннке? 3. Что включает гидравлический расчет теплообменннка? 4. Какие исходные данные необходимы для теплового расчета теплообменннков? 5. Чем объясняется очень высокая зквнвалентная теплопроводность тепло- передающей трубы? .