Тепловые трубы в системах теплоснабжения

В. П. Фролов, генеральный директор ГУП «Мосгортепло»,

А. Я. Шелгинский, докт. техн. наук, профессор ГОУВПО «МЭИ (ТУ)»

Высокие коэффициенты теплопередачи обуславливаются молярным переносом теплоты фазового перехода промежуточного теплоносителя от источника теплоты к потребителю. Для эффективного функционирования тепловых труб необходимы гидродинамические и термодинамические условия. Гидродинамические – характеризуют равенство движущих сил с силами, определяющими потери давления при течении пара, жидкости и фазовых переходах. Термодинамические – определяются перепадами температур на отдельных участках тепловых труб, сумма которых не должна превышать имеющуюся разность температур между источником теплоты и ее потребителем.

Тепловые трубы могут быть классифицированы на основе сил, обеспечивающих гидродинамический принцип циркуляции промежуточного теплоносителя в замкнутом объеме:

- фитильные (капиллярные);

- инерционные;

- гравитационные;

- электрогидродинамические;

- различные комбинации вышеперечисленных.

Фитильные тепловые трубы, в которых перенос жидкой фазы теплоносителя от зоны конденсации к зоне испарения происходит под действием капиллярных сил, находят широкое применение для охлаждения элементов радиоэлектронной и вычислительной техники, переноса теплоты в условиях пониженной или при отсутствии гравитации и т. д.

Инерционные тепловые трубы используются, например, для охлаждения статоров электродвигателей, где роторами являются тепловые трубы, передающие избыточную теплоту внешним потребителям и т. д.

В промышленности и ЖКХ наиболее перспективными являются гладкостенные гравитационные тепловые трубы, которые чаще называют термосифонами. Объясняется это тем, что фитильная структура поверхности, расположенная внутри трубы, создает дополнительное гидродинамическое сопротивление для движения конденсата промежуточного теплоносителя к зоне испарения, в результате чего предельные тепловые потоки в фитильных тепловых трубах меньше, чем в термосифонах [1]. Кроме того, использование фитильной структуры усложняет изготовление тепловых труб и приводит к существенному повышению их стоимости.

Термосифоны подразделяются на однофазные и двухфазные. В первом случае теплота от зоны подвода к зоне отвода передается за счет свободной конвекции и теплопроводности жидкости. Во втором – с использованием фазовых переходов промежуточного теплоносителя.

Первый патент на теплопередающее устройство, соответствующее однофазному термосифону, получил А. М. Перкинс в 1831 году. В 1892 году Л. П. Перкинс и В. Е. Бак получили патент на теплопередающее устройство, выполненное в виде двухфазного термосифона.

Рисунок 1. Схема двухфазного термосифона

На рис.1 в общем виде представлена схема функционирования замкнутого двухфазного термосифона. При подводе теплоты от источника к зоне испарения промежуточный теплоноситель вскипает и пар перемещается по теплоизолированной зоне (если она необходима) к зоне конденсации, где отдает теплоту фазового перехода при конденсации потребителю. Конденсат под действием сил гравитации перемещается в зону испарения, замыкая процесс передачи теплоты. Высокие коэффициенты теплоотдачи при кипении и конденсации промежуточного теплоносителя обуславливают их хорошие теплопередающие свойства. Тем более, молярный перенос теплоты паром, даже на значительные расстояния, при соответствующем диаметре паропровода транспортной зоны и хорошей теплоизоляции происходит практически при постоянной температуре [2, 3]. Однако следует учитывать, что при определенной величине подведенного удельного теплового потока (отнесенного к площади поверхности испарителя) процесс кипения от развитого пузырькового переходит к пульсирующему, и коэффициенты теплоотдачи резко уменьшаются [4]. Это необходимо принимать во внимание при их проектировании и использовании. В зависимости от температурных уровней передачи теплоты от источника к потребителю и совместимости с конструкционными материалами стенок термосифона используются различные теплоносители [5].

Использование двухфазных термосифонов как в промышленности, так и в ЖКХ может быть весьма эффективным. На многих промышленных предприятиях значительное количество теплоты технологических процессов с достаточно высокой температурой выбрасывается в окружающую среду. Из-за агрессивности и загрязненности многих источников теплоты, при использовании традиционных теплообменных аппаратов, например, для ее непосредственной передачи потребителю, возникает ряд проблем, связанных, в первую очередь, с надежностью и безопасностью. В то же время термосифоны, как показали результаты их применения в таких условиях, являются достаточно эффективными. Например, в производстве экстракционной фосфорной кислоты для терморегулирования экстрактора в пределах от 80 до 110 °C (в зависимости от типа проводимой реакции) и выделением около 20 МВт теплоты, использование термосифонных теплообменников позволяет передавать ее непосредственно в систему теплоснабжения предприятия и оказывает существенное влияние на экономию электроэнергии и экологическую безопасность [6]. Так, в производстве экстракционной фосфорной кислоты для технологической линии производительностью 110 тыс. т 100 %-ой Р₂О₅/год сокращается потребление электроэнергии на 4,18 млн. кВт•ч/год, 270 тыс. ГДж/год возвращается в систему теплоснабжения предприятия, сокращаются выбросы фтора в атмосферу на 10 950 т/год. В действующих производствах серной кислоты при абсорбции водой SO₃ выделяется значительное количество теплоты при температуре около 80 °C, которая через водооборотный цикл выбрасывается в окружающую среду. Использование нового теплотехнологического аппарата на основе термосифонных теплообменников позволяет перейти к более производительной высокотемпературной технологии производства серной кислоты, где теплота абсорбции используется для производства насыщенного пара с давлением 0,6 МПа [7]. Это приводит к дополнительному получению 662 400 ГДж/год насыщенного пара в одной технологической линии производительностью 1 515 т 100%-ой H₂SO₄/сут. для регенеративного и внешнего использования. В [8] предложена конструкция термосифонного теплообменника (рис. 2), которая была успешно использована в производстве слабой азотной кислоты под единым давлением для передачи 4,79 ГДж/ч теплоты сжатого газа, после первой ступени компрессора, питательной воде. Горячий воздух после первой ступени компрессора (1) поступает в межтрубное пространство вертикально расположенных оребренных труб теплообменника (2) и отдает теплоту промежуточному теплоносителю, который вскипает внутри труб. Пар промежуточного теплоносителя по паропроводу поступает в межтрубное пространство кожухотрубчатого теплообменника (3), где конденсируется, отдавая теплоту конденсации питательной воде, текущей внутри труб. Конденсат под действием сил гравитации поступает в нижнюю часть теплообменника (2), замыкая процесс передачи теплоты.

Рисунок 2. Схема термосифонного теплообменника для охлаждения воздуха после первой ступени компрессора

В [9] приводится схема термосифонной системы для шахтных систем вентиляции, которая позволяет сократить расход теплоты на 30–40 %, не выполнять работы по расширению котельной, сократить расход энергии на подогрев приточного воздуха.

Рисунок 3. Схема термосифонного теплообменника для утилизации теплоты термальных вод

В ЖКХ термосифоны как высокоэффективные теплопередающие устройства могут широко использоваться как для непосредственного переноса теплоты от источников с соответствующей температурой в систему теплоснабжения, так и для переноса теплоты от низкопотенциальных источников к установкам, догревающим теплоноситель до необходимой температуры. На рис. 3 представлена схема конструкции термосифонного устройства для теплоснабжения здания, рассчитанного, спроектированного по методикам [4, 10] и реализованного в пригородах Неаполя в Италии в 1981 году. Передаваемая тепловая мощность составила 25 кВт. Источником теплоты являлись термальные воды на глубине около 30 м. Тепловые трубы в комбинации с тепловыми насосами могут эффективно использоваться для утилизации теплоты низкопотенциальных источников [11, 12] в системах теплоснабжения. Теплообменники на тепловых трубах также эффективны для утилизации теплоты вентиляционных выбросов и использования теплоты топочных газов для удовлетворения потребностей в горячей воде и теплом воздухе [13, 14]. Интересным представляется возможность использования термосифона вместо подающего и обратного стояков зданий в системах отопления и горячего водоснабжения. В зоне испарения термосифона располагается трубчатый теплообменник для передачи теплоты от источника к промежуточному теплоносителю, который кипит в межтрубном пространстве. Его пар внутри термосифона перемещается на сотни метров практически при постоянной температуре. Поэтажно или для нескольких этажей в паровом пространстве термосифона устанавливается трубчатый теплообменник, который является частью общего конденсатора термосифона. Внутри труб течет нагреваемый теплоноситель, а между ними происходит конденсация части пара. Остальная его часть перемещается к другим потребителям. Конденсат под действием сил гравитации возвращается в зону испарения, замыкая процесс теплопереноса.

Литература

1. Безродный М. К., Волков С. С., Мокляк В. Ф. Двухфазные термосифоны в промышленной теплотехнике. Киев: Вища школа, 1991.

2. Сасин В. Я., Шелгинский А. Я. Особенности теплопереноса в тепловых трубах малого диаметра в области низких температур // Труды первой международной конференции по тепловым трубам. Штутгарт, 1973. С. 134–138.

3. Корчагина М. В., Шелгинский А. Я. К исследованию течения пара в низкотемпературных тепловых трубах // Инж. физ. журнал. Т. 50. 1986. № 2. С. 222–226.

4. Casarosa C., Latrofa E., Shelginski A. The geyser effect in a two phase thermosyfone // Int. Gournal of Heat and Mass Transfer. Vol. 26. 1983. № 6. P. 933–941.

5. Безродный М. К., Пиоро И. Л., Костюк Т. О. Процессы переноса в двухфазных термосифонных системах: Монография. Киев: Факт, 2003.

6. Темяшова О. Н., Удыма П. Г., Шелгинский А. Я. Совершенствование системы энергообеспечения цеха по производству фосфорной кислоты // Трактат Моск. энергет. ин-та. 1989. Вып. 198. С. 43–47.

7. Филина О. В., Шелгинский А. Я. Анализ эффективности использования теплоты в производстве серной кислоты // Промышленная энергетика. 1999. № 7. С. 40–42.

8. Дудкин В. И., Шелгинский А. Я. Применение тепловых труб в энерготехнологических системах производства слабой азотной кислоты // Ресурсосберегающее оборудование на базе тепловых труб: Тез. докл. Всесоюз. науч. техн. конф. Киев. 1987. С. 56–57.

9. Ферт А. Р., Чеховская Н. И., Гребенюк А. В. Термосифонная система утилизации теплоты удаляемого воздуха // Водоснабжение и санитарная техника. 1987. № 7. С. 17.

10. Shelghinski A. Tubi di calore a media temperatura. // ATTI del XXXVI Congresso Nazionale ATI dell Associazione Termotecnica Italiana. Vol. Viaregio: 1981. P. 739–752.

11. Фролов В. П., Щербаков С. Н., Фролов М. В., Шелгинский А. Я. Анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения // Энергосбережение. 2004. № 2. С. 50–53.

12. Фролов В. П., Щербаков С. Н., Фролов М. В., Шелгинский А. Я. Эффективность использования тепловых насосов в централизованных системах теплоснабжения // Новости теплоснабжения. 2004. № 7. С. 34–39.

13. Дан П. Д., Рей Д. А. Тепловые трубы: Пер. с англ. М.: Энергия, 1979.

14. Васильев Л. Л., Киселев В. Г., Матвеев Ю. Н., Молодкин Ф. Ф. Теплообменники-утилизаторы на тепловых трубах / Под ред. Л. И. Колыхана. Минск: Наука и техника, 1987.