Для наиболее эффективной передачи тепловой энергии от одного источника к другому потребителю применяются тепловые трубы. Они способны транспортировать на большие расстояния разный тип теплоносителя при небольших потерях мощности и незначительном перепаде температуры. Однако это не значит, что тепловые трубы можно использовать только в системах отопления зданий.
Принцип действия тепловых труб
Принцип действия тепловых труб заключается в том, что передача тепловой энергии в них осуществляется за счет испарения и конденсации жидкого вещества. Если представить замкнутую емкость из металла, который обладает хорошей теплопроводность, например, медь с определенным количеством воды, то при нагревании одной части резервуара вода становиться паром, то есть из жидкого состояния она переходит в газообразный вид. Далее водяные пары поступают на охлажденную поверхность, где вода становится снова жидкой и стекает на старое место. При этом значительная часть тепла отводится через корпус металлической емкости.
Принцип устройства тепловой трубки
Простейшая конструкция тепловых труб состоит из следующих частей:
- корпус из металла, который хорошо проводит тепло;
- рабочая среда из жидкого вещества;
- фитиль, который представляет твердое вещество с порами для движения жидкости.
Корпус тепловой трубы должен быть сделан из прочного материала, который должен создать надежную степень герметичности. В качестве материала могут быть использованы сплавы различных металлов, стекло или керамика.
Корпус трубы должен быть заполнен жидким веществом, которое способно переходить из естественного состояния в газовую среду при рабочей температуре эксплуатации трубы. Это вещество является главным средством переноса тепловой энергии.
Так называемый фитиль предназначен для того, чтобы жидкость могла перемещаться по капиллярам из одной части устройства в другую. Материалом для данного фитиля может быть любое вещество с пористой структурой, иными словами с каналами для продвижения жидкости.
Вышеописанное устройство называют тепловая трубка Гровера.
Это американский ученый, который в 1963 году усовершенствовал конструкцию тепловой трубы и представил ее научной общественности. Если раньше в тепловой трубе жидкость стекала под действием силы притяжения самотеком, то в устройстве ученого из США впервые был использован капиллярный способ ее перемещения.
Как видно, данное устройство является не очень сложным, однако технический расчет тепловой трубы могут сделать только специалисты, которые способны правильно выбрать материал устройства, его размеры и рабочие характеристики.
Функции тепловых труб весьма разнообразны, однако главная задача – эффективная передача тепловой энергии из одной части устройства в другую. Предел практического действия тепловых труб ограничен только прочностью и надежностью корпуса. Температура рабочей среды может варьироваться от абсолютного нуля до тысяч градусов.
Передача тепловой энергии может происходить с помощью нескольких способов:
- нагрев трубы при помощи открытого пламени;
- непосредственный контакт с нагретым веществом;
- при помощи электрического тока.
Контурные тепловые трубы
С развитием науки и технологий затем была изобретена тепловая труба, в которой отсутствует фитиль. Его роль выполняют специальные контурные трубки, по которым происходит перемещение рабочей среды. Так появились контурные тепловые трубы.
Они имеют несомненные достоинства:
- высокий уровень теплопередачи;
- простая конструкция, которая не требует большого количества материала;
- надежность в работе;
- хорошая степень адаптации к различным условиям;
- в их составе отсутствуют подвижные механические элементы;
- очень большой срок эксплуатации;
- сохранение рабочих характеристик в любом пространственном положении.
В принципе, они представляют собой такие же капилляры, но немного большего размера и предназначены для других условий эксплуатации. Контурные трубы обладают прекрасными качествами по передаче тепла. По сути, их можно назвать сверхпроводниками тепловой энергии.
Область применения тепловых труб
Сфера использования тепловых труб весьма разнообразна:
- Передача тепловой энергии с минимальными затратами для различных объектов и зданий.
- Отвод тепла в устройствах микроэлектроники, даже в ПК существуют данные устройства.
- Оборудование современных систем отопления производственных и жилых помещений.
- Холодильники и устройства охлаждения.
- Космическая промышленность.
- Медицина.
- Строительство дорог и домов в условиях вечной мерзлоты.
- Обеспечение теплом теплиц и т.п.
Трудно перечислить все отрасли промышленности, где используются тепловые трубы. В настоящее время готовятся разработки с использованием нанотехнологий, ученые уже подошли к тому, что работа человеческого тела с многочисленными капиллярами основана на том же принципе, что и обычные тепловые трубы.
Трубы для систем отопления
Далее рассмотрим, как используются трубы для тепловых сетей для обогрева домов и зданий любого назначения. Ведь для обычных обывателей отопительные и тепловые трубы являются равноценным понятием.
Отопительные трубы могут быть из асбестоцемента, стали со слоем цинка, стали с покрытием из керамики или эмали, а также это может быть сочетание двух различных металлов – биметалл.
Асбестоцементные тепловые трубы производят из смеси асбеста, который играет роль арматуры и цемента, придающего форму и прочность изделия.
Достоинства данных изделий:
- полное отсутствие коррозии;
- сохранение рабочих характеристик при температуре воды до 130 градусов;
- дешевизна;
- минимальные потери тепловой энергии при транспортировке горячей воды.
Теплопроводность труб из асбестоцемента значительно ниже, чем у аналогичных изделий из металла. Помимо этого монтаж асбестоцементных труб осуществляется проще и удобнее, чем стальных изделий.
Однако есть и недостатки, главный из которых – недостаточный уровень прочности при воздействии механической нагрузки. Для оборудования отводов и изгибов производители не выпускают дополнительные элементы.
Тепловые биметаллические трубы производятся из стали, которая сверху покрывается другим металлом. Это необходимо для предотвращения коррозии стали. Толщина наружного защитного слоя может быть до 20% толщины изделия. Помимо этого, теплоотдача такой трубы ниже, чем у обычных стальных изделий.
Преимуществами данных труб являются:
- высокие антикоррозийные характеристики;
- большой срок эксплуатации;
- потери тепловой энергии ниже, чем у стальных труб.
Однако их использование в больших тепловых коммуникациях ограничено из-за высокой стоимости.
В современных системах отопления магистральные коммуникации оборудуются теплоизолирующими материалами. Труба с тепловой изоляцией значительно снижает потери тепловой энергии, а в районах вечной мерзлоты и в условиях расположения магистрали на улице это обосновано экономически.
Если раньше утепление производилось с помощью обычной минеральной ваты, которая была обернута в рубероид, то сейчас используются самые современные технологии.
Существуют два варианта современного утепления отопительных труб. Первый вид — готовые формы из стекловолокна и минеральной ваты, которые запрессованы в полимерный короб. Этот вид утеплителя используется, в основном, для теплосетей, находящихся на открытом воздухе.
Второй вариант — это когда слой полимера наносится на трубу еще на стадии ее производства. При сварке труб используются специальные утеплители для шва.
Тепловая изоляция для труб может производиться из следующих материалов:
- армированный пенобетон;
- смесь минерального волокна и пенополимера;
- пенополиуретан.
Фактически труба отопления поставляется специалистам по монтажу как бы одетой в защитный короб из толстого слоя утеплителя. Слой теплоизоляционного материала прочно расположен на поверхности изделия. Утепленные таким способом трубы впоследствии не нуждаются в дополнительной гидроизоляции, так как вышеперечисленные материалы не впитывают влагу.
Все эти новшества полезны не только для сохранения тепла, но и в значительной мере упрощают монтажные работы и сокращают их сроки.
Стальные трубы с цинковым покрытием, как правило, используются в системах отопления с температурой воды не больше семидесяти градусов. Однако для цинка важен состав теплоносителя. Если в нем присутствуют кислотные или щелочные составы, то они постепенно разрушают данные изделия.
В последнее время стали популярными чугунные трубы шаровидной структуры. Их отличает по сравнению с обычным чугуном высокая прочность и надежность. Они обладают высокой устойчивостью к коррозии и очень большим сроком службы, не менее 50 лет. Стоимость чугунных труб с шаровидной структурой намного ниже, чем стальных аналогов.
Трубы чугунные с шаровидным графитом
Но стальные трубы с тепловой изоляцией наиболее предпочтительны в условиях сурового климата нашей страны. А для продления срока эксплуатации при производстве стальных труб используются достаточно эффективные добавки из алюминия и никеля. К тому же, внутренние стенки труб также дополнительно обрабатываются в целях защиты от коррозии.
Серьезный недостаток стальных труб – высокий коэффициент теплопроводности, из-за которого тепловая энергия уходит в землю или окружающий воздух. Но технологии и научные разработки не стоят на месте и постепенно разрабатываются новые материалы для устранения всех недостатков отопительных труб.
Яркий пример использования новых методов борьбы с коррозией и уменьшением теплоотдачи – стальные трубы с эмалевым покрытием. Снаружи трубы при ее производстве наносится тонкий слой эмали, который состоит из кремния, обработанного в условиях высоких температур.
Защитный слой может наноситься как снаружи, так и на внутренних стенках трубы. При этом значительно улучшаются гидродинамические характеристики и долговечность изделий. Дело в том, что внутри трубы с течением времени образуются смолистые и солевые отложения, уменьшая пропускную способность трубопровода. А использование силикатно-эмалевого слоя препятствует этому, антикоррозийные характеристики повышаются.
