СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ Российский патент 1995 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к теплоэнергетике и гелиотехнике, в частности к способу передачи и преобразования тепловой энергии, например, солнечной радиации в механическую работу с помощью тепломассообменных устройств типа тепловых труб или тепловых двигателей, и может быть использовано как для точного термостатирования крупногабаритных объектов, так и для реализации возникающего при работе крутящего момента, особенно в условиях интенсивного радиационного нагрева.

Известен способ работы тепловой трубы путем испарения теплоносителя, перемещения паров в зону конденсации, конденсации паров и возврата конденсата в зону испарения, по которому бесфитильный возврат конденсата в зону испарения осуществляется за счет принудительного вращения тепловой трубы вокруг своей оси симметрии [1]. Но этот способ не реализуют в тепловых трубах большого диаметра, что связано с большими дополнительными затратами энергии на вращение трубы, срывов капель и ростом гидравлического сопротивления.

Наиболее близким техническим решением, устраняющим указанные недостатки, является способ работы тепловой трубы, заключающийся в осуществлении подвода тепла к зоне испарения и отвода его от зоны конденсации радиальными потоками с диаметрально противоположных сторон трубы при давлении паров теплоносителя ниже давления в тройной точке [2].

Однако известный способ имеет ряд существенных недостатков. Крутящий момент, вращающийся по этому способу тепловой трубы, зависит от интенсивности поля внешних массовых сил, в частности гравитационного, и его направленности относительно теплового потока. В случае совпадения этих направлений величина крутящего момента на трубе падает до нуля и она становится неработоспособной без дополнительного внешнего привода, а при слабых внешних массовых силах - малоэффективной.

Целью изобретения является повышение эффективности тепломассопереноса в тепловых трубах большого диаметра и увеличение крутящего момента труб вне зависимости от интенсивности и направленности действия на них внешних массовых сил.

Цель достигается тем, что в известном способе работы тепловой трубы, заключающемся в испарении теплоносителя, перемещении паров в зону конденсации и возврате конденсата в зону испарения при вращении трубы за счет подвода и отвода тепла радиальными потоками с диаметрально противоположных сторон трубы в зонах испарения и конденсации соответственно, возврат конденсата в зону испарения осуществляют в камерах переменного объема путем попеременного изменения величины и направленности капиллярных сил теплоносителя в жидкой его фазе за счет испарения и последующей конденсации его паров в капиллярно-пористых стенках камер переменного объема.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что он соответствует критерию "Новизна", так как в нем используются капиллярные силы жидкого теплоносителя, смачивающего диаметрально противоположные камеры переменного объема, для попеременного (по мере вращения трубы между горячей и холодной зонами) повышения внутреннего давления жидкой фазы теплоносителя в зоне конденсации или повышения этого давления в зоне испарения.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

На оси 1 вращения при помощи спиц 2 устанавливают полое кольцо 3, имеющее внутреннюю и внешнюю обечайки 4 и 5 соответственно. Внешняя обечайка 5 имеет сквозные отверстия равномерно по окружности, в которые радиально устанавливают камеры 6 переменного объема, например сильфоны, один конец каждого из которых заглушен капиллярно-пористым элементом 7. Причем поры элементов 7 сообщают (гидравлически) полость кольца 3 и внутренние полости камер 6 переменного объема. Вторые концы камер 6 переменного объема заглушены светопрозрачными крышками 8 и жестко закреплены на оболочке 9 равномерно по ее окружности. Оболочка 9 с помощью спиц 10 установлена с возможностью вращения на оси 11. При этом ось 11 установлена параллельно оси 1 полого кольца 3 и эксцентрично последнему с эксцентриситетом, равным разности между максимальной и минимальной длинами сильфона 6 при вращении его вместе с кольцом 3 и оболочкой 9 вокруг осей 1 и 11 соответственно. Внутренние полости всех сильфонов 6 целиком заполнены веществом теплоносителя 12 в жидком агрегатном состоянии. Жидкий теплоноситель 12 хорошо смачивает поры капиллярно-пористого элемента 7, препятствующего попаданию жидкой фазы теплоносителя в полость кольца 3, где циркулируют только пары теплоносителя 12. Оси 1 и 11 устанавливают перпендикулярно направлению радиационного теплового потока Е.

В зоне воздействия на тепловую трубу теплового потока Е теплоноситель, например вода, спирт или эфир, благодаря светопроницаемости крышек 8 разогревается и испаряется в порах капиллярно-пористого элемента 7, обращенных и открытых в сторону полости кольца 3. В холодной теневой зоне тепловой трубы перемещающиеся по кольцу 3 пары теплоносителя конденсируются в открытых порах элементов 7. При испарении теплоносителя из сильфонов, расположенных в данный момент в зоне испарения, эти сильфоны начинают сжиматься, так как расходуемое из них жидкое вещество теплоносителя практически не сжимается (несжимаемая жидкость), а парогазовая смесь из полости кольца 3 не может проникнуть в сильфоны 6 через капиллярно-пористые элементы 7, смачиваемые жидким теплоносителем 12, т.е. за счет капиллярных сил последнего давление внутри сильфонов в зоне испарения падает. При сжатии сильфонов эксцентрично расположенные относительно друг друга полое кольцо 3 и оболочка 9 притягиваются ими друг к другу, заставляя их поворачиваться вокруг своих осей 1 и 11 соответственно. При вращении кольца 3 и оболочки 9 находящиеся в зоне испарения сильфоны перемещаются вместе с ними в зону конденсации (холодную теневую сторону тепловой трубы), а на их место при вращении устройства поступают другие сильфоны, которые в свою очередь в этой зоне начнут сжиматься, как и предыдущие. Жидкий теплоноситель 12, находящийся в сильфонах, перемещающийся в результате сжатия последних в холодную зону тепловой трубы, постепенно охлаждается и попадает в зону конденсации. В этой зоне в устьях капилляров капиллярно-пористых элементов 7 на менисках, образованных жидким теплоносителем 12, конденсируются пары теплоносителя, поступающие из зоны испарения по полому кольцу 3. Поскольку под действием капиллярных сил форма мениска остается неизменной, образующийся из паров внутри капилляров конденсат попадает в сильфоны 6, увеличивая в них внутреннее давление жидкого теплоносителя и заставляя их разжиматься. При расширении находящихся в зоне конденсации сильфонов оси стремятся раздвинуть стенки полого кольца 3 и оболочки 9, в которых их концы закреплены, приводя во вращение всю тепловую трубу вокруг осей 1 и 11, установленных с эксцентриситетом. При этом сильфоны с конденсатом вновь поступают в зону испарения и весь цикл работы повторяется заново.

В итоге под действием теплового потока происходит непрерывное вращение тепловой трубы, реализующей предлагаемый способ работы, до тех пор, пока она находится в зоне теплового воздействия, и с такой угловой скоростью, которая соответствует плотности теплового потока, трансформируемого в работу, затраченную на вращение самой тепловой трубы и приводимых ею устройств.

Крутящий момент на валу такой тепловой трубы определяется давлением в сильфонах. На действующей установке при опытах с капиллярно-пористыми никелевыми пластинами (толщина 3 мм, размер пор от 10 до 25 мкм) обезгаженный бидистиллят воды, взятый в качестве теплоносителя, удерживался капиллярами при перепадах давления в сильфонах, расположенных в зонах испарения и конденсации, до 1 атм.

Известны технические решения [3], в которых капиллярные силы жидкого теплоносителя, смачивающего капилляр- но-пористое тело в зоне испарения, использовались для понижения внутреннего давления испаряющегося теплоносителя и совершали работу по подъему последнего на более высокий уровень, работая как движитель теплового насоса. Однако подобные решения не соответствуют требованиям, предъявляемым к тепловым трубам - в этих устройствах не обеспечивается многократности повторения цикла при замкнутости циркуляции теплоносителя, в них не используется капиллярный потенциал жидкого теплоносителя в зоне конденсации, повышающий в этой зоне давления внутри сильфона, благодаря конденсатным добавкам на поверхности вогнутых менисков жидкого теплоносителя в капиллярах.

Таким образом предлагаемый способ автоматически поддерживает тепловой режим, исключает полную выработку теплоносителя в зоне конденсации, обеспечивая надежность термостатирования и повышая эффективность тепломассопереноса в тепловых трубах большого диаметра. Способ реализует удвоенное действие капиллярных сил, растягивающих и сжимающих сильфоны в соответствующих зонах трубы.

Использование: гелиотехника и теплоэнергетика. Сущность изобретения: вращение тепловой трубы и возврат конденсата из зоны конденсации вновь в зону испарения осуществляется благодаря сложению действий двух противоположно направленных эффектов: эффекта повышения внутреннего давления жидкости в замкнутом объеме при конденсации паров этой жидкости в порах капиллярно-пористых стенок, ограничивающих данный объем, и понижения давления при испарении жидкости из капилляров. Часть работы, полученной в результате возникающего на трубе крутящего момента, идет на преодоление сил трения, остальная часть - на привод бортовых агрегатов. 2 ил.

СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ путем испарения теплоносителя, перемещения паров в зону конденсации и возврата конденсата в зону испарения при вращении трубы за счет подвода и отвода тепла радиальными потоками с диаметрально противоположных сторон трубы в зонах испарения и конденсации соответственно, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности тепломассопереноса в тепловой трубе большого диаметра и увеличения ее крутящего момента, возврат конденсата в зону испарения осуществляют в камерах переменного объема путем попеременного изменения величины и направленности капиллярных сил теплоносителя за счет его испарения и последующей конденсации паров в капиллярно-пористых стенках камер переменного объема.