Przedmiot: CHŁODNICTWO. Temat: RURKA CIEPŁA budowa, działanie, uzasadnione obszary jej praktycznego wykorzystania.

Transkrypt

1 Przedmiot: CHŁODNICTWO Temat: RURKA CIEPŁA budowa, działanie, uzasadnione obszary jej praktycznego wykorzystania. Opracował: Mateusz Radka SiUChiKl Semestr VIII Rok: 2009/2010

2 SPIS TREŚCI: 1. Wstęp 2. Charakterystyka 3. Sposoby regulacji wydajności 4. Zastosowanie 5. Podsumowanie 6. Bibliografia

3 1. Wstęp. Rurka ciepła została ona wynaleziona w 1944 roku przez Gaugler a jednak nie była powszechnie stosowana. W przemyśle na większą skalę zaczęto stosowad rurki ciepła dopiero w latach sześddziesiątych, a dokładnie w 1964 r. gdy George Grover wraz ze współpracownikami z laboratorium Los Alamos Scientific Laboratories opublikowali opracowanie dotyczące tych elementów. Grover pracował nad wykorzystaniem energii jądrowej do zasilania statków kosmicznych oraz nad efektywnymi systemami chłodzenia w technologii kosmicznej, gdzie istniała koniecznośd równomiernego i szybkiego transportu ciepła. Od tego czasu rurki ciepła stosowane są powszechnie w przemyśle, zaczynając od technologii kosmicznej poprzez elektronikę, przemysł spożywczy i chemiczny oraz szeroko w klimatyzacji i chłodnictwie, w inżynierii budowlanej i wszędzie tam gdzie jest potrzebny efektywny i szybki transport ciepła za pomocą trwałych i niezawodnych urządzeo jakimi niewątpliwie są rurki ciepła 2. Charakterystyka Proste technicznie urządzenie Wysoka efektywnośd Odbiór strumienia ciepła o dużej gęstości z ośrodka chłodzonego i przekazanie go do górnego źródła ciepła Praca w dużym zakresie temperaturowym: Od temp. kriogenicznych (-243 C) Do temp. wysokich rzędu 2000 C wymiary geometryczne: D=0,0001-0,5m ; L=0,1-10m. Podział rurek ciepła. W zależności od budowy wewnętrznej, rurki ciepła można podzielid na: Rurki grawitacyjne (konwencjonalne) ruch cieczy transportującej ciepło odbywa się pod wpływem sił grawitacyjnych. Usytuowanie takiej rurki jest w pozycji pionowej bądź uchylonej pod kątem minimalnie do 8 stopni.

4 Inaczej - termosyfon dwufazowy zasadniczy element wymiennika ciepła stanowi najczęściej zamknięty hermetycznie i zaślepiony na dwóch koocach odcinek rury miedzianej lub aluminiowej. We wnętrzu takiej rury wytwarza się wstępnie próżnię, a następnie wypełnia częściowo pewną ilością pośredniego nośnika ciepła (zazwyczaj amoniak, alkohol etylowy lub rtęd). Usunięcie z wewnętrznej przestrzeni zamkniętego termosyfonu w etapie wstępnym gazów inertnych (nieskraplających się) pozwala na ciągłe utrzymywanie pośredniego nośnika ciepła w stanie dwufazowym i w warunkach odpowiadających warunkom nasycenia. Dzięki temu również obecnośd lokalnych stref wymiany ciepła doprowadzenia od dołu oraz odprowadzenia od góry powoduje, że pośredni nośnik ciepła zmienia swój stan przenosząc efekt cieplny przemian fazowych para ciecz od parownika do skraplacza i odwrotnie. Alternatywą dla rurki konwencjonalnej jest rurka z knotem, która może byd montowana w każdej pozycji, w której nie ma zakłóceo w przepływie ciepła. Ruch cieczy transportującej ciepło odbywa się pod wpływem sił kapilarnych, osmotycznych lub elektrostatycznych. Wewnątrz rurki znajduje się materiał porowaty tzw. knot, który jest nasycony fazą ciekłą czynnika niskowrzącego. Pozostałą objętośd rurki wypełnia jego faza parowa. Ciepło jest absorbowane z dolnego źródła w części zwanej sekcją parownikową, w której następuje odparowanie ciekłego czynnika. Wywołana w ten sposób różnica ciśnieo prowadzi do tego, że czynnik w fazie parowej przemieszcza się do sekcji skraplającej, gdzie ulega skropleniu i oddaje ciepło do górnego źródła ciepła. Jeżeli rurka wyposażona jest w knot, to jego

5 kapilarna struktura powoduje powrót czynnika do sekcji parownikowej i ponowne jego odparowanie. Procesy parowania i skraplania odbywają się tak długo, jak długo istnieje różnica temperatur między obydwoma koocami rurki. Rurki Ciepła produkowane są również w różnych kształtach w zależności od potrzeb i zastosowania. Interesujące są tzw. płaskie mini rurki ciepła, wykorzystywane między innymi do schładzania podzespołów elektronicznych w komputerach. Płyny robocze w rurkach ciepła. Zdolnośd rurki ciepła do transportu ciepła zależy przede wszystkim od termodynamicznych i termofizycznych własności płynu wypełniającego rurkę. Praca rurki jest możliwa w przedziale temperatur wyznaczonym z jednej strony punktem potrójnym, z drugiej punktem krytycznym zastosowanego czynnika. W zależności od rodzaju i zastosowania, do rurki ciepła dobiera się odpowiedni czynnik. Rurki projektowane są również do pracy z substancjami kriogenicznymi, w których temperatury dochodzą do C aż po ciekłe metale. Z tego względu urządzenia te można podzielid w zależności od czynnika z jakim pracują na: Rurki z czynnikiem kriogenicznym (tlen, azot, wodór) Rurki pracujące w warunkach umiarkowanych (woda, freony, amoniak) Rurki napełnione ciekłymi metalami (srebro, lit, sód, potas)

6 Knot budowa i struktura. Przeznaczeniem knota jest: Zapewnienie możliwości powrotu skroplonego czynnika Wytworzenie na powierzchni rozdziału pomiędzy powierzchnią porów knota i skroplonego czynnika wymaganej wartości ciśnienia kapilarnego, potrzebnego do przepompowania go do sekcji parownikowej rurki ciepła Knoty stosowane w rurkach ciepła można podzielid na dwie klasy: o strukturze jednorodnej i strukturze kompozytowej, czyli zbudowanej z dwóch lub więcej materiałów. Przykładowa rurka ciepła z knotem wykonanym w formie osiowo żłobionych rowków - prefabrykatem jest prostokątny arkusz płyty miedzianej wzdłuż której wyfrezowane są odpowiednie rowki. Następnie arkusz ten jest zwijany w kształcie walca, a miejsce połączenia krawędzi zostaje odpowiednio zespolone.

7 3. Sposoby regulacji wydajności rurki ciepła. Jeżeli w rurce ciepła zapas płynu roboczego jest wystarczający, ale nie nadmierny, wówczas ciepło może byd transportowane już przy niewielkiej różnicy temperatur. Rurka nie ma wtedy szczególnego zakresu temperatur pracy, a jej regulacja odbywa się przez warunki jakie panują w obrębie dolnego i górnego źródła ciepła. Jednak w niektórych przypadkach pożądane jest utrzymywanie stałych wartości strumienia oddawanego ciepła, nawet podczas wahao zewnętrznych warunków termicznych. Generalnie kontrola wydajności rurki ciepła może odbywad się na trzy sposoby: 1. Blokowanie skraplania przez zastosowanie gazu nie skraplającego się Rurka ciepła z zasobnikiem gazu nie skraplającego się - Gaz ten zmieniając swą objętośd może zmniejszad lub zwiększad czynną powierzchnię sekcji skraplającej rurki. Objętośd gazu nie skraplającego się może byd kontrolowana przez samą rurkę (kontrola przez ciśnienie pary czynnika) lub przez zastosowanie systemu sprzężenia zwrotnego z płynem kontrolnym 2. Zalewanie sekcji skraplacza przez nadmiar ciekłego czynnika Podczas pracy rurki ciepła, nadmiar fazy ciekłej płynu niskowrzącego jest omiatany przez parę w sekcji skraplacza, co przyczynia się do zmniejszenia jej czynnej długości. System taki pokazano na rysunku. Zwiększenie strumienia ciepła dopływającego do rurki ponad wartośd zadaną, powoduje rozszerzanie płynu kontrolującego, a tym samym zalanie sekcji skraplania przez nadmiar czynnika.

8 3. Kontrolowanie przepływu pary przez jej dławienie Zasada działania rurki ciepła z dławieniem pary opiera się na zjawisku dławienia przepływu pary pomiędzy sekcją parowania i sekcją skraplania. Przyczynia się to do powstania różnicy ciśnieo między tymi dwiema sekcjami, co automatycznie przekłada się na różnicę temperatur. Na rysunku przedstawiono schemat ideowy rurki ciepła, w której zastosowano zawór dławiący. Ciepło zaabsorbowane z dolnego źródła ciepła powoduje podwyższenie temperatury sekcji parownika, co przekłada się na podgrzanie płynu kontrolującego, a tym samym na zamknięcie się zaworu dławiącego. Jeżeli temperatura się obniży, to zawór ten zostanie otwarty. Zaletą tego rozwiązania jest to, że nie wyłącza z pracy żadnej części sekcji skraplającej rurki ciepła.

9 Rysunek drugi pokazuje schemat ideowy rozwiązania, w którym zawór dławiący jest sterowany warunkami panującymi w części skraplającej. Przepływ pary z sekcji parownikowej do sekcji skraplającej jest nieograniczony, natomiast przepływ w drugą stronę powoduje zamykanie zaworu dławiącego. 4. Zastosowanie. 1. Wymiennik ciepła Rurki ciepła są powszechnie stosowane w budowie wymienników przeznaczonych do odzysku ciepła. Rozwiązanie popularne stosowane przez wielu producentów central wentylacyjnych i klimatyzacyjnych. Wymiennik taki składa się z kilkunastu rurek zabudowanych w np. prostokątnej ramie. Rurki ułożone są poziomo wzdłuż szerokości wymiennika. Zwykle w celu podwyższenia osiąganego współczynnika przejmowania ciepła powierzchnia zewnętrzna rurki jest ożebrowana. Wymiennik zainstalowany w centrali wentylacyjnej, jako element do odzysku ciepła działa w następujący sposób: Sekcja parownika wymiennika jest omywana przez powietrze usuwane z pomieszczenia wentylowanego. Przekazywane ciepło jest odbierane i transportowane do sekcji skraplającej, która umieszczona jest w poprzek napływającego strumienia powietrza zewnętrznego świeżego. Teoretyczna sprawnośd takiego wymiennika osiąga ok. 85%. W rzeczywistości od 55 do 70 %. W Polsce producentem wymienników ciepła opartych na rurce ciepła jak i całych central wyposażonych w taki wymiennika jest firma Klimor z Gdyni. Zaleta wymienników: charakteryzują się niską temperaturą szronienia co eliminuje stosowanie dodatkowych urządzeo oszraniających Wada: konieczne zamontowanie zespołu wentylacyjnego powietrza usuwanego poniżej zespołu nawiewanego lub obu zespołów obok siebie. 2. Osuszanie i chłodzenie powietrza RC znajdują zastosowanie podczas procesu osuszania powietrza. Wykorzystanie tych urządzeo poprawia efektywnośd energetyczną procesu. Aby osuszyd powietrze należy je przepuścid przez chłodnicę o temperaturze punktu rosy powietrza nawiewanego. Po wykropleniu się wilgoci, powietrze często jest za zimne aby nawiewad je do pomieszczenia, dlatego musi byd podgrzane. W celu poprawy efektywności energetycznej przed chłodnicą montuje się sekcję parownikową rurki ciepła. Powietrze zostaje wstępnie schłodzone Następnie po przejściu przez chłodnicę i osuszeniu (wilgod wykrapla się na powierzchni chłodnicy) jest ono nawiewane na sekcje skraplającą rurki ciepła. Pobrane wcześniej ciepło z powietrza przed chłodnicą zostaje przetransportowane za pomocą rurki ciepła do powietrza po osuszeniu, co powoduje jego ogrzanie.

10 3. RC zastosowane do regulacji temperatury gruntu. Zastosowane na linii kolejowej z Chin do Tybetu. Ok. 632 km odcinek drogi żelaznej położony jest na wiecznej zmarzlinie. Podczas odwilży grunt pod podkładami kolejowymi ulega rozmrożeniu, co jest powodem zapadania się konstrukcji torów, a nawet łamania szyn. Z tego względu inżynierowie zaprojektowali specjalne rurki ciepła które mają za zadanie stabilizowad temperaturę wiecznej zmarzliny przez cały rok. Rurki zaprojektowane tak aby przenosid ciepło tylko w jednym kierunku tzn. z gruntu do otoczenia (rurki bez knota). Sekcja skraplająca rurek jest ożebrowana i wystaje ponad powierzchnię gruntu gdzie oddaje pobrane z ziemi ciepło do powietrza.

11 4. Podgrzewanie powierzchni wiaduktów i mostów. Ciekawe zastosowanie wielkogabarytowych rurek ciepła. Na konstrukcjach tego typu często mamy do czynienia z oblodzeniem się ich powierzchni na skutek niesprzyjających warunków klimatycznych. System ten jest rozpowszechniony najbardziej w Stanach. Dwa systemy: pasywne i aktywne. Pasywny to system, w którym sekcja parownikowa rurki ciepła jest osadzona w gruncie jak najbliżej mostu, natomiast sekcja skraplająca umieszczona jest w niewielkiej odległości od powierzchni mostu. Ciepło pobierane jest z gruntu i transferowane w górę rurki ciepła do sekcji skraplającej. Bardzo ważne aby rurki sekcji skraplającej były zabudowane z niewielkim spadkiem w celu umożliwienia łatwego powrotu skroplonego czynnika do sekcji parownikowej. Średnice rur oraz głębokośd na jakich się znajdują są odpowiednio dobierane.

12 System aktywny instalacja z rurka ciepła oraz z pośrednim układem glikolowym. Zastosowany po raz pierwszy do podgrzewania mostu w Stanach nad rzeką Buffalo River. Moc grzewcza to 630 W/m2, 241 rurek ciepła o średnicy półtora cala ułożonych 20 cm każda obok siebie. Pompa pompuje podgrzany wcześniej roztwór wodny glikolu rurami o średnicy 89 mm. Rurociąg ten przechodzi centralnie przez rurę o średnicy 152 mm, która służy jako zbiornik płynu roboczego oraz sekcję parownikową dla rurek ciepła. Podgrzewania roztworu woda glikol odbywa się za pomocą kotła gazowego o regulowanej mocy i sterowanego sygnałem z czujnika temperatury umieszczonego na podgrzewanej powierzchni. Płynem roboczym jest czynnik R 123 jednak w 1999 ze względu na zbyt małą wydajnośd tego płynu zmieniono go na amoniak i teraz system działa bez zarzutów. 5. System chłodzeni podzespołów elektronicznych. ORAZ. Chłodzenie łopatek turbin gazowych (Czechy) Chłodzenie w procesach półautomatycznego spawania (Rosja) Chłodzenie oleju w silnikach motocyklowych (Japonia) Podgrzewanie podłóg w łazienkach (Japonia) Chłodzenie łożysk w pompach wody (Wielka Brytania) Usuwanie oblodzenia na powierzchni stawów rybnych i ozdobnych zbiorników wodnych w ogrodach (Rumunia)

13 5. Podsumowanie. brak w nich podzespołów ruchomych (np. pomp) potrzebnych do pracy rurki, które mogłyby ulec awarii BEZAWARYJNOŚD niski koszt użytkowania rurek ciepła - do ich pracy nie musi byd dostarczona energia elektryczna Nie wymagają obsługi bieżącej, ani skomplikowanego serwisu w trakcie użytkowania 6. Bibliografia. TChiK nr 3/2004 TChiK nr 3/2009 TChiK nr 4-5/ Dokumentacja techniczno - ruchowa centrali MCK firmy KLIMOR.