Тепловая трубка для отопления

Водяная тепловая пушка Тепломаш КЭВ-60M5W1

STOUT Труба из сшитого полиэтилена PEX-A с кислородным.

Труба для теплого пола PE-RT 16 х 2,0 мм, 200 м (красны.

Пушка тепловая газовая ИНТЕРСКОЛ ТПГ-30

STOUT Труба из сшитого полиэтилена PEX-A с кислородным.

3618090 Трубка Входа В Систему Отопления Slim Fi

Тепловые трубы представляют собой теплопередающие устройства, главной особенностью которых является способность передавать большие тепловые мощности при малых перепадах (градиентах) температуры. Устройства такого типа широко используются в теплоэнергетике, химической промышленности, электронике, а также в других областях промышленности.

В данном материале мы постараемся максимально доступно осветить принцип действия тепловых труб, а также рассказать о сфере их применения.

Стеклянный корпус тепловой трубы

Конструкция и функции тепловых труб

Термосифон как предшественник тепловой трубы

Устройством, которое являлось своеобразным «предшественником» тепловых труб современного типа является так называемый термосифон. Его конструкция, хоть и имеет значительные отличия от конструкции тепловых труб, все же базируется на тех же принципах.

Термосифон представляет собой специальную трубчатую емкость, внутрь которой вводится небольшое количество жидкости, после чего из емкости откачивается воздух и она герметизируется путем запайки.

Принцип работы термосифона следующий:

• Тепло подводится к зоне испарения
• Жидкость внутри капсулы термосифона превращается в пар, который под давлением движется в зону конденсации.
• В зоне конденсации пар оседает на стенках, отдавая им тепло – следовательно, одним из условий, обеспечивающих работу термосифона, является эффективное отведение тепла от зоны конденсации пара.
  В противном случае возможен так называемый «кризис кипения», при котором вся жидкость испаряется и теплопередача проходит по стенкам термосифона, минуя зону конденсации.

Применение термосифонов обеспечивает значительную мощность теплопередачи даже том случае, если разница температур между концами термосифона незначительна.

Термосифон работает только тогда, когда его зона конденсации находится выше зоны испарения – только в этом случае возможно возвращение конденсата в зону испарения под действием силы тяжести.

Такая ситуация в ряде случаев является достаточно серьезны ограничением, поэтому на смену термосифонам пришли более сложные устройства — тепловые трубы.

Конструкция тепловой трубы

Наиболее распространенным типом тепловой трубы является тепловая труба Гровера (названная так по имени изобретателя).

Ее конструкция достаточно проста (насколько это возможно применительно к конструкции теплопередающего устройства) и включает в себя три основных элемента:

• Корпус
• Рабочую жидкость
• Фитиль (капиллярно-пористый материал или КПМ)

Конструкция тепловой трубы

Ниже мы рассмотрим особенности конструкции каждого из этих элементов.

Корпус тепловой трубы чаще всего представляет собой камеру круглого или прямоугольного сечения. Для изготовления корпуса применяют нержавеющую сталь, сплавы алюминия, бронзу, медь, стекло, полимерные материалы либо керамику.

Главные функции корпуса – изоляция рабочей жидкости, а также — эффективное подведение и отведение тепла от нее. Для этого корпус должен быть герметичным и выдерживать значительное внутреннее давление.

Тепловые трубы производят с корпусами разных размеров, при этом ограничение в габаритах корпуса есть только «снижу» — они должны быть достаточными, чтобы исключить воздействие капиллярных сил в зоне движения пара.

Чтобы подобная ситуация не возникала, расчёт тепловой трубы, а также ее изготовление должны проводиться исключительно специалистами.

Рабочая жидкость в тепловой трубе является главным носителем тепла, который, собственно, и обеспечивает функционирование всей системы.

Исходя из этого к рабочей жидкости выдвигается ряд требований:

• Она должна иметь точку перехода «жидкость-пар» в том диапазоне температур, в котором работает труба тепловая.
• Рабочая жидкость не должна быть подвержена температурному разложению.
• Она должна смачивать материал фитиля и корпуса тепловой трубы.

В качестве рабочих жидкостей в тепловых трубах применяют различные вещества в жидкой фазе: сжиженные гелий и аммиак, ацетон, воду, ртуть, а также – натрий или серебро.

Фитиль из пористого материала обеспечивает перемещение жидкости из зоны конденсации в зону испарения под действием капиллярных сил. Материал для фитиля должен обеспечивать равномерное движение жидкости по капиллярным порам.

В качестве фитиля используются металлические войлоки, металлические стеки или ткани саржевого типа плетения. Оптимальные материалы для фитиля тепловых труб – титан, медь, никель, нержавеющая сталь.

Отдельную категорию тепловых труб составляют так называемые контурные тепловые трубы. В отличие от классической схемы конструкции тепловой трубы у тепловой трубы контурного типа отсутствует фитиль, а передача рабочей жидкости от зоны испарения к зоне конденсации производится по контурным трубкам.

Схему контурной тепловой трубы вы можете видеть на рисунке.

Контурная схема тепловой трубы

Функции тепловых труб

Главной полезной функцией, которой обладают практически все трубы тепловые, является эффективная теплопередача по оси трубы между двумя зонами с разной температурой. Оптимальная работа тепловой трубы предусматривает, что режимы работы элементов не достигают критического порога.

Подача тепла к тепловой трубе может осуществляться любым удобным для вас способом:

• Открытым пламенем
• Электрическим током
• Контактом с нагретым телом
• Инфракрасным излучением

При этом единственной величиной, которой лимитируется тепловая мощность трубы, является тепловая стойкость корпуса.

Применение современных тепловых труб

Область применения тепловых труб сегодня достаточно широка.

Они могут использоваться в таких направлениях как:

• Обустройство каналов эффективной теплопередачи
• Разделение в пространстве источника нагрева и точки, в которую теплота передается (так называемый сток теплоты)
• Комплектация термостатов и устройств, аналогичных по назначению
• Терморегуляция и перенаправление тепловых потоков

Применение тепловых труб в энергетике

Кроме того, тепловые трубы являются обязательной деталью тепловых диодов и выключателей.

Характеристики тепловых труб на современном этапе достаточно впечатляющи:

• Диапазон температур для работы тепловой трубы – от 4 до 2300 К.
• Мощность теплопередачи – до 20 кВт на 1 см 2
• Ресурс работы тепловой трубы составляет более 20 тыс. часов.

Трубы в тепловых сетях

Общие сведения о трубах

Однако под тепловыми трубами зачастую понимают не только устройства для теплопередачи, но и трубы, которые используются в тепловых системах. Ниже мы расскажем о разновидностях этих труб, а также – об особенностях их применения.

Трубы для тепловых сетей могут быть изготовлены из самых разных материалов.

К наиболее распространенным тепловым трубам относятся:

• Напорные трубы из асбестоцемента
• Биметаллические трубы
• Оцинкованные трубы из углеродистой стали
• Трубы из углеродистой стали с эмалевым или стеклокерамическим покрытием.

От используемого материала зависят не только потери тепла трубами при транспортировке теплоносителя, но и долговечность самой отопительной системы.

Вот почему к выбору материала для труб теплосети нужно подходить крайне ответственно.

Ниже мы рассмотрим все вышеперечисленные разновидности труб, и проанализируем их достоинства и недостатки.

Напорные трубы из асбестоцемента

Достаточно популярные сегодня отопительные трубы из асбестоцемента обладают рядом преимуществ, которые позволяют им «выигрывать» у труб из других материалов.

Напорная труба из асбестоцемента

Среди преимуществ асбестоцементных тепловых труб:

• Выдерживают температуру теплоносителя (чаще всего горячей воды) до 120 – 130 0 С
• Устойчивы к коррозии под воздействием почвенных растворов или других факторов
• Асбест, входящий в состав таких труб, играет роль внутренней армировки, потому трубы из асбестоцементой смеси хорошо выдерживают сдавливающие деформации
• Теплопроводность труб из асбестоцемента при температуре теплоносителя в 120 градусов меньше, чем теплопроводность аналогичной стальной трубы в аналогичных условиях в 62,5 раза.
  Потому можно смело заявлять, что по отношению к асбестоцементу такое определение как теплые трубы – отнюдь не гипербола.

Кроме того, асбестоцементовые трубы достаточно просты в монтаже и неприхотливы в обслуживании. Также они мало склонны к промерзанию даже в случае, если теплоноситель в них не циркулирует, потому теплый кабель для труб в данном случае практически никогда не требуется.

Тепловые биметаллические трубы

Трубы отопительные биметаллические производятся из высококачественной листовой стали, а поверхность таких труб покрывается защитным спецсоставом. Толщина защитного покрытия составляет от 5 до 20% от толщины стенки трубы.

Главной особенностью таких труб является тот факт, что они производятся горячекатаным методом – при этом не возникает необходимости термического воздействия на трубу, что положительно сказывается на ее антикоррозионных свойствах.

Оребренные биметаллические трубы

Биметаллические трубы для отопительных систем достаточно эффективны с точки зрения минимизации финансовых затрат, так как их срок службы гораздо больше, чем срок службы стальных труб.

И все же биметаллические трубы для теплотрассы используются достаточно редко ввиду их высокой стоимости.

Оцинкованные стальные трубы

При работе с теплоносителем, температура которого не выше 60-70 градусов Цельсия хорошую эффективность также демонстрируют трубы из высокоуглеродистой стали с цинковыми добавками.

Однако цинковое покрытие не универсально – при работе с теплоносителем, pH которого находится в пределах 6-7, оцинкованные трубы стремительно разрушаются. Также на устойчивость покрытия влияет скорость движения теплоносителя и уровень теплоносителя в трубе.

Труба в оцинкованной оболочке

Наравне с цинком для продления срока службы тепловых труб используют также легирующие добавки. В качестве таких добавок эффективны никель или алюминий. К другим процедурам, способным существенно повысить коррозионную устойчивость труб, относятся пассивирование, лакировка и фосфатирование внутренних поверхностей.

Что же касается экономичности использования таких труб, то она достаточно невысока. Объясняется это тем, что значительный коэффициент теплопередачи трубы из стали является причиной быстрого остывания теплоносителя.

Стальные трубы с эмалевым покрытием

Еще одна разновидность тепловых труб — стальные углеродистые трубы с эмалевыми покрытиями (также есть модификации со стеклоэмалевым покрытием).

Такие трубы отличаются следующими преимуществами:

• Гладкая, твердая и долговечная внутренняя поверхность трубы
• Высокая коррозионная устойчивость к воздействию теплоносителей различного состава
• Высокая термостойкость
• Длительный срок службы покрытия, а следовательно – и самих труб

Еще одним преимуществом труб с эмалевым покрытием является их относительно невысокая стоимость.

Как видите, под термином тепловые трубы могут скрываться кА достаточно сложные теплотехнические агрегаты, так и достаточно простые трубные конструкции для отопительных систем. И все же информация об этих устройствах должна быть у всех, кто планирует заниматься созданием отопительных систем.

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.

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.