ТЕПЛОВАЯ ТРУБА Российский патент 1995 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, в частности тепловым трубам (ТТ) с холодильным эффектом, используемым в теплотехнике.

Известна тепловая труба для получения холода, содержащая герметичный корпус с зонами испарения, конденсации и транспорта, холодильную камеру с размещенной на ее внутренней поверхности капиллярно-пористой структурой, сообщенной с зоной транспорта, служащей гидрозатвором, перегородку, отделяющую по паровому каналу зону испарения от зон конденсации и транспорта, эжектор, рабочее сопло, приемная камера которого соединены с зоной испарения и холодильной камерой соответственно, а диффузор выведен в зону конденсации (см., например, авт.св. СССР N 643737, кл. F 28 D 15/00, 1976).

Недостатком известной ТТ является низкая холодопроизводительность, обусловленная малой величиной перепада давления между зонами испарения и конденсации.

Известна тепловая труба, содержащая герметичный корпус с зонами испарения, конденсации и транспорта, холодильную камеру с размещенной на ее внутренней поверхности капиллярно-пористой структурой, сообщенной с зоной транспорта, перегородку, отделяющую по паровому каналу зону испарения от зон конденсации и транспорта, и эжектор, рабочее сопло и приемная камера которого соединены с зоной испарения и холодильной камерой соответственно, а диффузор выведен в зону конденсации, между которой и зоной транспорта установлена дополнительная перегородка, проницаемая для растворителя и непроницаемая для растворенного вещества (см., например, авт.св. СССР N 964378, кл. F 25 B 1/06, 1982).

Недостатком указанной ТТ является низкая холодопроизводительность вследствие малого перепада давления между зонами испарения и конденсации.

Целью изобретения является повышение холодопроизводительности.

Это достигается тем, что в тепловой трубе, содержащей герметичный корпус с размещенной на его внутренней поверхности капиллярно-пористой структурой, имеющей зоны испарения, конденсации, холодильную камеру и перегородку, по оси холодильной камеры установлена кольцевая вставка, образующая в ней центральный паровой канал диффузорного профиля, сообщенный с зоной испарения выполненным в виде сопла Витошинского сопловым насадком со стенками из пористого материала, имеющими закрытые поры на внутренней поверхности предлагаемого сопла, примыкающим к капиллярно-пористой структуре корпуса, образуя выходным участком кольцевую щель с вставкой, а торцовые участки насадка и вставки в зоне кольцевой щели выполнены с поверхностями, имеющими аналогичные дозвуковые крыловидные профили, по оси зоны конденсации размещена аналогичная кольцевая вставка, образующая в этой зоне паровой канал диффузорного профиля, сообщенный с паровым каналом холодильной камеры, а перегородка, отделяющая холодильную камеру от зоны конденсации, выполнена в виде кольца из пористого материала, герметично присоединена к концу вставки холодильной камеры, примыкает к капиллярно-пористой структуре корпуса и образует со вставкой зоны конденсации кольцевую щель, в зоне которой вставка и соответствующая ей сторона перегородки выполнены с поверхностями, имеющими аналогичные дозвуковые крыловидные профили, а на внутренней поверхности торца корпуса в зоне конденсации выполнен выступ с профилем, аналогичным указанным дозвуковым крыловидным профилям насадка и перегородки, образующий с соответствующим участком вставки зоны конденсации кольцевой зазор, переходящий в зазор между последней и корпусом, сужающийся в сторону холодильной камеры.

Капиллярная структура в зоне конденсации и холодильной камере образована продольными пористыми элементами, чередующимися с открытыми капиллярными каналами, нанесенными по образующей цилиндрического корпуса.

Сущность изобретения заключается в том, что встроенный в конденсатор тепловой трубы циркуляционный контур размещается непосредственно за холодильной камерой. Такое расположение позволяет получить наибольшее разрежение в холодильной камере за счет значительного сокращения гидравлических потерь на трение в паре, поскольку длина участка, транспортирующего пар к эжектору холодильной камеры, становится минимальной. Расход эжектируемого пара в этом случае максимален. Кроме того, встроенный в конденсатор тепловой трубы циркуляционный контур преобразует часть тепловой энергии парового потока в механическую, которая затем используется для работы дополнительного к капиллярному механического насоса, основанного на взаимодействии спутных струй пара и пленки жидкого теплоносителя на межфазной границе. Эффективность работы такого насоса зависит от разности скоростей между двумя потоками, что обеспечивается разностью давлений Р = Р_к - Р_эж на входе и выходе из циркуляционного контура. Для создания наибольшего разрежения встраиваемый эжектор выполняется высоконапорным с α= 0,9 и со срезом сопла перпендикулярно оси тепловой трубы, что обеспечивает получение спутных струй в центральном канале и минимальные гидравлические потери при смещении этих струй. На выходе из циркуляционного контура происходит разворот парокапельного потока, что способствует сепарации (отделению) жидкой фракции от пара, при этом происходит передача импульса от парокапельного потока к конденсированной фазе теплоносителя в направлении к испарителю. Циркуляционный контур способен совершить преобразование части тепловой энергии в механическую энергию, которую можно использовать для совершения работы по транспортировке жидкого теплоносителя в испаритель. Таким образом, к работе капиллярных сил в заявляемой конструкции ТТ необходимо добавить работу, совершаемую паром (или парогазовой смесью) в циркуляционном контуре.

Таким образом, изобретение позволяет принципиально новым путем решить задачу создания ТТ с высокой холодопроизводительностью. Следовательно, оно соответствует критериям "Новизна" и "Существенные отличия".

На фиг.1 изображена схема тепловой трубы, продольный разрез; на фиг.2 - схема соплового аппарата эжектора; на фиг.3 - поперечный разрез ТТ в холодильной камере.

Тепловая труба содержит цилиндрический герметичный корпус 1 с размещенной на его внутренней поверхности капиллярно-пористой структурой 2, имеющий зону 3 испарения, холодильную камеру 4 и зону 5 конденсации. Внутри холодильной камеры 4 по оси корпуса 1 установлена с зазором 6 кольцевая вставка 7, образующая центральный паровой канал 8 диффузорного профиля в холодильной камере 4. Вставка 7 подключена к зоне 3 испарения сопловым насадком 9, выполненным в виде сопла Витошинского со стенками из пористого материала, примыкающими к капиллярно-пористой структуре 2. Сопловый насадок 9 образует со вставкой 7 кольцевую щель 10, причем в зоне этой щели вставка 7 и насадок 9 имеют дозвуковые крыловидные профили. Поверхность насадка 9 имеет закрытые поры внутри сопла в зоне, обращенной к зоне 3 испарения. Эта поверхность выполнена непроницаемой для исключения взаимодействия пара и жидкости. Поверхность насадка 9, обращенная к вставке 7 и капиллярной структуре 2, имеет открытую пористость для обеспечения сепарационного эффекта жидкой фракции от пара и передачи импульса от парокапельного потока к сконденсированной фазе теплоносителя. Насадок 9 и вставка 7 образуют в зоне кольцевой щели 10 срез сопла эжектора, выходная поверхность которого перпендикулярна оси тепловой трубы, размеры сопла эжектора находятся в следующем оптимальном соотношении:
α = где α- параметр эжектора;
α₁- диаметр сопла Витошинского;
α₂- наименьший внутренний диаметр вставки 7. Для получения высокой холодопроизводительности эжектор выполняется высоконапорным с α≥0,9.

Вставка 7 выполнена из непроницаемого теплоизоляционного материала, например, пластмассы. Она установлена с равномерным кольцевым зазором 6 относительно капиллярно-пористой структуры 2, который вследствие крыловидной формы вставки 7 уменьшается по направлению к зоне 3 испарения. Для обеспечения взаимодействия двух спутных потоков пара и жидкости капиллярная структура в холодильной камере 4 образована продольными пористыми элементами 11, чередующимися с открытыми капиллярными каналами 12, нанесенными по образующей цилиндрического корпуса 1. Капиллярная структура зоны 3 испарения представляет собой пористое тело, тонким слоем нанесенное по всей поверхности. Холодильная камера 4 отделена от зоны 5 конденсации перегородкой 13, выполненной в виде кольца из пористого материала, которая герметично присоединена к выходной части вставки 7 и капиллярно-пористой структуре 2. Капиллярно-пористая структура зоны 5 конденсации выполнена аналогично капиллярно-пористой структуре холодильной камеры 4. По оси корпуса 1 в зоне 5 конденсации также установлена с зазором 14 кольцевая вставка 15, аналогичная вставке 7 холодильной камеры 4, образующая в этой зоне центральный паровой канал 16 диффузорного профиля. Перегородка 13 в зоне 5 конденсации образует со вставкой 15 кольцевую щель 17, в зоне которой вставка 15 и соответствующая ей сторона перегородки 13 выполнены с поверхностями, имеющими аналогичные дозвуковые крыловидные профили, и образуют срез сопла эжектора, выходная поверхность которого перпендикулярна оси тепловой трубы. На внутренней поверхности торца корпуса 1 в зоне 5 конденсации выполнен выступ 18 с профилем, аналогичным указанным дозвуковым крыловидным профилям насадка 9 и перегородки 13. Он образует с соответствующим участком вставки 15 кольцевой зазор 19, переходящий в зазор 14 между последней и корпусом 1, сужающийся в сторону холодильной камеры 4.

Таким образом, центральный паровой канал 16 конденсатора, кольцевые зазоры 14, 19 и кольцевая щель 17 образуют замкнутый циркуляционный контур.

Тепловая труба работает следующим образом.

ТТ заполняется бинарным раствором (например, NH₃ и H₂O). При подводе тепла к зоне 3 испарения растворитель испаряется из раствора и поток пара устремляется в сопло Витошинского в насадке 9, эжектируя пар из холодильной камеры 4, капиллярно-пористая структура которой пропитана концентратом растворителя, при испарении которого создается холодильный эффект. Оба потока пара, смешиваясь в центральном паровом канале 8 холодильной камеры 4, конденсируется в зоне 5 конденсации, откуда конденсат по капиллярно-пористой структуре возвращается в зону 3 испарения через холодильную камеру 4. В сопле эжектора зоны 5 конденсации возникает перепад давлений за счет разряжения потока пара вследствие разности давлений между торцом зоны 5 конденсации и соплом эжектора. Вследствие этого возникает спутное движение пара и жидкого теплоносителя в открытых капиллярных каналах 12 на корпусе 1 в зоне 5 конденсации. Благодаря этому происходит преобразование кинетической энергии парового потока в кинетическую энергию жидкости за счет трения на межфазных границах (граница раздела жидкости и пара).

Данная конструкция ТТ допускает вертикальное расположение с испарителем внизу. При этом возврат бинарной смеси в испаритель происходит за счет действия гравитационных сил. Это позволяет увеличить перепад давлений в эжекторах и полнее преобразовать тепловую энергию пара в кинетическую, а затем получить дополнительный импульс в жидкой фазе за счет преобразования кинетической энергии пара в кинетическую энергию жидкости, используя трение на открытых межфазных поверхностях в капиллярных канавках при спутном течении пара и жидкости. Таким образом, предлагаемая конструкция обладает более высокой холодопроизводительностью.

Использование: в теплообменных аппаратах. Сущность изобретения: в холодильной камере и зоне конденсации установлены кольцевые продольные вставки. Они образуют с корпусом конфузорные паровые каналы. Между зоной конденсации и холодильной камерой установлена пористая перегородка. Перед вставкой холодильной камеры установлено пористое сопло Витошинского. Со стороны вставки поры выполнены закрытыми. Обращенные друг к другу поверхности сопла и вставки, перегородки и вставки и выступа на торце зоны конденсации имеют аналогичный крыловидный дозвуковой профиль. 3 ил.

ТЕПЛОВАЯ ТРУБА, содержащая герметичный корпус с капиллярной структурой на внутренней поверхности, имеющей зоны испарения и конденсации, в последней из которых с образованием диффузорного парового канала установлена кольцевая вставка, а на внутренней поверхности торца этой зоны выполнен выступ, образующий с соответствующим участком вставки кольцевой зазор, переходящий в упомянутый диффузорный канал, сужающийся в сторону зоны испарения, при этом на границе зоны испарения в контакте с капиллярной структурой установлен насадок в виде сопла Витошинского со стенками из пористого материала, имеющими закрытые поры на внутренней поверхности, причем внешняя поверхность сопла, торцевая поверхность вставки, обращенная к нему, и выступ имеют аналогичные дозвуковые крыловидные профили, отличающаяся тем, что, с целью повышения холодопроизводительности в трубе, имеющей холодильную камеру, последняя расположена между зонами испарения и конденсации, по оси ее установлена продольная кольцевая вставка, образующая с соплом кольцевую щель, а с корпусом - диффузорный паровой канал, сообщающийся с зоной испарения, причем на торце этой вставки со стороны зоны конденсации установлена кольцевая перегородка из пористого материала, соединенная с капиллярной структурой и образующая со вставкой зоны конденсации кольцевую щель, а поверхность вставки холодильной камеры, обращенная к соплу, и поверхность перегородки, обращенная к вставке зоны испарения, выполнены с профилем, аналогичным упомянутому крыловидному профилю сопла и вставки соответственно.