§ 4. ЖИДКОСТНАЯ СИСТЕМА С ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

В некоторых типах термоохлаждающих приборов (например, в бытовых холодильниках) на горячих спаях термоэлектрической батареи выделяется тепло в сравнительно большом количестве. Для снятия этого тепла путем естественной конвекции в окружающий воздух требуются радиаторные системы с площадью в несколько квадратных метров.. В таких системах коэффициент теплоотдачи обычно не превышает час град. Весьма существенным затруднением в использовании подобных систем является создание эффективного теплового сопряжения радиаторной пластины с источником тепла. Так как площадь горячего спая термоэлемента обычно не превышает нескольких квадратных сантиметров, то в этом месте возникают тепловые потоки большой плотности, что снижает коэффициент теплопередачи ребро—воздух.

В связи с этим возникла необходимость в рассредоточении теплового потока горячих спаев термобатареи. Один из возможных вариантов решения этой задачи, предложенный А. Н. Ворониным и С. Г. Платоновой, заключается в использовании промежуточного жидкого теплоносителя, естественно циркулирующего в замкнутой системе. При этом способе теплоотвод от горячих спаев термоэлектрической батареи осуществляется водой.

Теплая вода обменивается местами с более холодной, создавая самоциркулирующий поток в замкнутой системе. В определенном месте такая система снабжается радиаторными ребралш, с которых производится сброс тепла в окружающий воздух. Схематично устройство системы теплоотвода с использованием естественно циркулирующей жидкости приведено на рис. 42.

Горячие спаи термоэлектрической батареи 1 снабжены радиаторными пластинами 2, погруженными в воду 3, находящуюся

в герметическом баке 4. Под влиянием нагрева от радиаторов теплая вода поднимается по трубам 5, которые для уменьшения теплообмена с окружающим воздухом, что может нарушить само-циркуляцию, окружены слоем теплоизоляции 6. Поступая во внешние трубки 7, вода охлаждается за счет теплообмена с окружающим воздухом. Для интенсификации теплообмена служат радиаторные пластины 8. Охлажденная вода поступает в бак 4, и процесс непрерывно повторяется.

За счет уменьшения паразитных тепловых перепадов между горячими спаями термобатареи и водой, где удельные тепловые потоки имеют наибольшую величину, удается получить коэффициенты теплопередачи горячий радиатор—вода, равные час град., т. е. в 20—30 раз большие, чем при естественно-конвекционной системе теплообмена.

Рис. 42. Схема жидкостной системы теплоотвода с естественной циркуляцией жидкости.

Следует отметить, что со стороны теплосброса система теплоотвода с промежуточным теплоносителем должна иметь такую же площадь радиаторов, как и в случае естественно-конвекционной системы. Однако удельные тепловые потоки от воды на воздух в этом случае будут настолько незначительны, что поверхность теплообмена может быть выполнена из материалов с достаточно низкой теплопроводностью, например из пластмасс.

Количественная оценка эффективности системы теплоотвода с использованием промежуточного теплоносителя состоит из гидродинамического расчета замкнутого контура, в котором самоциркулирует вода переменной плотности, и теплотехнического расчета коэффициента теплопередачи. Гидродинамический расчет ведется в следующей последовательности.

1. Количество циркулирующей в системе воды

где мощность, выделяющаяся на горячих спаях термобатареи, энтальпия воды соответственно при наиболее низкой и наиболее высокой температурах в контуре.

2. Задаваясь скоростью циркуляции воды в системе, определяем суммарное проходное сечение подъемных труб контура:

где количество циркулирующей воды, скорость циркуляции, плотность воды при средней температуре в контуре,

Значение может быть определено соответствующих таблиц. В зависимости от выбранного количества подъемных труб определяются их проходные сечения. Естественно, что скорость циркуляции воды в опускных трубах будет такой же.

Рис. 43. Зависимость коэффициента трения от диаметра трубы

3. Динамическое сопротивление подъемных труб движущейся по ним воде определяется по формуле

где коэффициент трения вода—металл; I — длина одной ветви трубы, средняя плотность воды, средняя скорость движения воды в трубе, внутренний диаметр трубы, ускорение силы тяжести,

Величина может быть определена из графика, приведенного на рис. 43.

Для определения коэффициента отдачи тепла при заданных скоростях циркуляции воды в контуре с достаточной степенью точности могут быть использованы формулы, относящиеся к естественной конвекции жидкости в свободном объеме. Коэффициент теплопередачи от горячих спаев термобатареи к воде может быть определен по формуле

где — коэффициент теплопроводности воды час. определяющий размер теплообменной поверхности; критерий Прандля; критерий Грасгофа.

Произведение критерия Прандля на критерий Грасгофа определяется соотношением

Здесь ускорение силы тяжести, коэффициент кинематической вязкости воды, а — коэффициент температуропроводности воды, коэффициент объемного расширения воды, град. разность температур ребро—вода.

С достаточной степенью точности среднее значение вел коэффициента теплопередачи для заданной поверхности теплообмена может быть определено по формуле

где сечение трубопроводов, скорость циркуляции воды, плотность воды при средней температуре в контуре, средняя температура поверхности теплообмена; температура воды, входящей в контур; температура воды, выходящей из контура.