ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК F28D15/06 

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к двухфазным теплопередающим устройствам, работающим по замкнутому испарительно-конденсационному циклу, в которых циркуляция теплоносителя осуществляется под действием капиллярных сил.

Изобретение может быть использовано для термостабилизации и управления тепловыми режимами энергонасыщенных объектов, в том числе космических аппаратов, работающих в условиях микрогравитации.

Известны теплопередающие устройства [1,2,3] общими структурными элементами которых являются испарительные и конденсаторные секции, соединенные паро- и конденсатопроводами. Испарители и конденсаторы объединены в своих секциях параллельно посредством паровых и жидкостных коллекторов. Испарители снабжены капиллярной структурой, внешняя поверхность которой контактирует с корпусом испарителя, имеет систему пароотводных каналов и является испаряющей, внутренняя впитывающей. Гидроаккумулятор резервуар, содержащий теплоноситель как в паровой, так и в жидкой фазах, используется для регулирования температурного уровня контура и подсоединен к конденсатопроводу. Управление и стабилизация температуры насыщенного пара в гидроаккумуляторе осуществляется вспомогательной электронной системой. Соотношение количества теплоносителя в устройстве с объемами гидроаккумулятора и контура таково, что во всех случаях, кроме полного осушения паропровода и конденсатора, теплоноситель в гидроаккумуляторе находится в двухфазном состоянии. Поскольку двухфазное состояние характеризуется однозначной связью температуры и давления по линии насыщения теплоносителя, то управление температурой пара в контуре сводится к управлению температурой гидроаккумулятора. При этом перераспределение жидкости между гидроаккумулятором и контуром происходит автоматически благодаря установлению баланса давлений насыщения в гидроаккумуляторе и контуре.

Основной способ запуска этих устpойств заключается в предварительном затоплении объема контура теплоносителем путем вытеснения его из гидроаккумулятора и подачи затем тепловой нагрузки на испарители. Вытеснение теплоносителя из гидроаккумулятора осуществляется его термостабилизацией при некоторой более высокой температуре, чем исходная температура контура. Этим самым задается давление и соответствующая ему температура будущего испарительно-конденсационного цикла. После разогрева испарителей и достижения необходимого для вскипания теплоносителя перегрева относительно температуры гидроаккумулятора теплоноситель, находящийся в пароотводных каналах испарителей, вскипает. С образованием раздела фаз в зоне испарения в капиллярной структуре возникают капиллярные силы, препятствующие движению пара через капиллярную структуру во внутреннюю полость испарителей. Поэтому пар движется по паропроводу в конденсатор, освобождая необходимую для его конденсации поверхность и вытесняя жидкий теплоноситель в гидроаккумулятор. При установлении равенства давлений пара в контуре и гидроаккумуляторе обмен теплоносителем между ними прекращается. Наступает стационарный режим передачи тепла от испарителей к конденсаторам с циркуляцией теплоносителя под действием капиллярных сил капиллярной структуры. Таким образом развивается процесс успешного запуска рассматриваемых устройств. Однако запуск существенно осложняется при малых значениях плотности теплового потока порядка 0,1 Вт/см² и меньше. Это объясняется тем, что при малых пусковых нагрузках теплоноситель до момента его вскипания в пароотводных каналах зоны испарения успевает значительно прогреться также и с впитывающей стороны капиллярной структуры. Последующие же за вскипанием процессы перераспределения теплоносителя в устройстве сопровождаются колебаниями давления, в результате которых теплоноситель во внутренних полостях испарителей оказывается в перегретом состоянии и также вскипает, блокируя паром впитывающую поверхность капиллярной структуры. Одной из причин возникновения колебаний давления служит падение температуры гидроаккумулятора в результате поступления в него холодного теплоносителя из паропровода и конденсатора, которое происходит при запуске. Другая причина пульсация параметров пара, подвергающегося переохлаждению и конденсации при продвижении его в холодном паропроводе в процессе освобождении последнего от конденсата. Эти колебания имеют более высокую частоту, чем первые. Таким образом, существует реальная проблема запуска рассматриваемых устройств с нагрузок малой плотности теплового потока.

В аналоге (1) задача запуска решается путем изменения геометрии испарителя и увеличения толщины капиллярной структуры с целью уменьшения нежелательного прогрева теплоносителя с ее впитывающей стороны. Величина пусковой плотности теплового потока при этом снижается.

Недостатком этого технического решения является неизбежное увеличение гидравлических потерь в контуре за счет роста сопротивления капиллярной структуры и, как следствие, снижение максимальной теплопередающей способности устройства.

В аналоге (2) для повышения надежности запуска используется дополнительный (пусковой) испаритель, подключенный параллельно к основным. Кроме того, основные испарители в дополнение к источникам "полезной" нагрузки имеют также вспомогательный электронагреватель. С целью локализации паровой фазы в отдельных испарителях в случае их незапуска, последние снабжены пористыми изоляторами, расположенными со стороны конденсатопровода. Запуск здесь начинается с запуска пускового испарителя при тепловой нагрузке, имеющей высокую плотность. При этом происходит освобождение от конденсата паропровода и конденсатора и их прогрев. Затем подается тепловая нагрузка на основные испарители, причем, если ее величина меньше эмпирически определенного минимума, включается вспомогательный электронагреватель.

Недостатком данной схемы является увеличение энергозатрат, необходимых для обеспечения работоспособности устройства, и значительное усложнение процедуры запуска.

Наиболее близко к заявляемому изобретению теплопередающее устройство (3) прототип, в котором гидроаккумулятор подключен трубопроводом, проходящим через зону теплового стока, непосредственно к коллектору конденсатопровода, соединяющему отдельные испарители и имеющему пароизоляторы. С противоположного конца коллектор соединен с конденсатопроводом контура.

Недостатком этой схемы являются высокие значения плотностей пусковых нагрузок, что существенно сужает диапазон рабочих режимов устройства и ограничивает область его применения. Причем, несмотря на то, что пароизоляторы позволяют блокировать отдельные (незапустившиеся) испарители и сохранить работоспособность устройства в целом, такой режим работы во многих случаях неприемлем. Особенно это касается ситуаций, когда требуется поддержание высокой изотермичности охлаждаемых объектов или отсутствует тепловая связь между испарителями, позволяющая перераспределить между ними тепловую нагрузку. Кроме того, резкие изменения условий теплоотвода или величины тепловой нагрузки также могут приводить к вскипанию теплоносителя в полостях испарителей, поскольку это связано с изменением объема заправки контура и сопровождается колебаниями давления как и при запуске.

Настоящее изобретение направлено на обеспечение надежного запуска двухфазного теплопередающего устройства при малых плотностях теплового потока и устойчивости его работы в переходных режимах, связанных с резким изменением внешних условий или тепловой нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что в теплопередающем устройстве, содержащем испарительную и конденсаторную секции, соединенные посредством паро- и конденсатопроводов, первая из которых содержит один или несколько испарителей с капиллярной структурой, имеющей внутреннюю полость, а вторая один или несколько конденсаторов, подключенных параллельно к своим жидкостным и паровым коллекторам, и гидроаккумулятор с системой терморегулирования, связанный отдельным трубопроводом с испарительной секцией, согласно изобретению трубопровод гидроаккумулятора снабжен собственным жидкостным коллектором, сообщающимся с внутренними полостями каждого испарителя со стороны конденсатопровода, причем трубопроводы от жидкостного коллектора испарительной секции введены в центральную часть внутренних полостей испарителей.

Такая конструкция теплопередающего устройства позволяет обеспечить его надежный запуск с тепловых нагрузок малой плотности потока и устойчивость работы в переходных режимах за счет организации циркуляции теплоносителя через внутренние полости испарителей. Происходящая при этом смена горячего теплоносителя на более холодный осуществляется через внутренние полости испарителей, предотвращая парообразование в них и блокирование паром впитывающей поверхности капиллярной структуры.

Целесообразно, чтобы трубопровод гидроаккумулятора имел тепловой контакт с конденсатопроводом, что позволяет поддерживать теплоноситель в полостях испарителей в переохлажденном состоянии в случаях обратного его поступления из гидроаккумулятора. Такие режимы возникают при интенсификации условий теплоотвода на конденсаторной секции или уменьшении тепловой нагрузки. Благодаря теплообмену с холодным конденсатопроводом горячий теплоноситель из гидроаккумулятора охлаждается и уже переохлажденным поступает в полости испарителей.

Кроме того, такая схема теплопередающего устройства способствует удалению из внутренних полостей испарителей пузырьков неконденсируемых газов и вытеснению их при запуске в гидроаккумулятор, что также повышает надежность работы устройства в целом.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема теплопередающего устройства; на фиг. 2 продольный разрез испарителя, подсоединенного к коллекторам.

Теплопередающее устройство содержит испарительную 1 и конденсаторную 2 секции, соединенные между собой паропроводом 3 и конденсатопроводом 4. Отдельные испарители 5 и конденсаторы 6 объединены в своих секциях параллельно посредством паровых 7, 8 и жидкостных 9, 10 коллекторов. Испарители 5 снабжены капиллярной структурой 11, которая образует с торцевой частью корпуса со стороны жидкостного коллектора 9 внутреннюю полость 12. В месте сопряжения внешней поверхности капиллярной структуры 11 с корпусом испарителя 5 имеется система пароотводных каналов 13 зоны испарения. Гидроаккумулятор 14 с системой управления его температурой 15 подсоединен трубопроводом 16, имеющим тепловой контакт с конденсатопроводом 4, к полостям 12 испарителей 5 через собственный коллектор 17. Причем трубопроводы 18 от жидкостного коллектора 9 введены в центральную часть внутренней полости 12 испарителей 5.

Перед подачей тепловой нагрузки на испарители 5 сначала с помощью системы термостабилизации 15 задается температура гидроаккумулятора 14, определяющая в дальнейшем рабочий температурный уровень устройства. При этом осуществляется вытеснение теплоносителя из гидроаккумулятора 14 в контур до полного его затопления. Раздел фаз пар-жидкость имеется теперь только в гидроаккумуляторе 14, а давление в нем и контуре равно давлению насыщения пара. Затем подается тепловая нагрузка на испарители 5 и начинается их разогрев. После достижения в пароотводных каналах 13 необходимого для фазового перехода теплоносителя перегрева относительно температуры гидроаккумулятора 14 теплоноситель, находящийся там, вскипает. Под действием возникшей разности давлений пара в пароотводных каналах 13 и гидроаккумуляторе 14 происходит освобождение парового коллектора 7, паропровода 3 и части конденсаторов 6 и вытеснение жидкости в гидроаккумулятор 14. Причем горячий теплоноситель в полостях 12 испарителей 5 сменяется холодным, поступившим из конденсатопровода 4 и конденсаторов 6. Поэтому возникающие затем колебания давления, связанные как с понижением температуры гидроаккумулятора 14 в результате поступления в него холодного теплоносителя, так и с пульсациями, характерными для неустановившихся режимов, не приводят к вскипанию теплоносителя в полостях 12 испарителей 5. Аналогично происходит обмен теплоносителя в переходных режимах при резких изменениях внешних условий или тепловой нагрузки. При этом перераспределение теплоносителя между контуром и гидроаккумулятором 14 может проходить как в прямом, так и в обратном направлении. Обратное движение теплоносителя из гидроаккумулятора 14 возникает при интенсификации условий теплоотвода от конденсаторной секции 2 или при уменьшении тепловой нагрузки испарительной секции 1. В этих случаях свободная для конденсации пара поверхность в конденсаторах 6 становится избыточной, что приводит к падению температуры и давления насыщения пара в контуре. Под действием разности давлений теплоноситель из гидроаккумулятора 14 вытесняется в контур, блокируя излишнюю поверхность конденсаторов 6. Благодаря тепловому контакту трубопровода 16 с конденсатопроводом 4 горячий теплоноситель из гидроаккумулятора 14 охлаждается и уже переохлажденным поступает в полости 12 испарителей 5.

Рассматриваемое изобретение было проверено на экспериментальном теплопередающем устройстве и получены результаты, подтверждающие положительный эффект. Испарительная секция устройства содержала три одинаковых испарителя с никелевой капиллярной структурой, конденсаторная 25 трубок конденсаторов. Длина паро- и конденсатопроводов составляла 5 м. В качестве теплоносителей использовались аммиак и фреон 152 а. На запуск исследовались и сравнивались две схемы подключения гидроаккумулятора к контуру. Первая схема прототипа, вторая схема предлагаемого изобретения. Минимальная пусковая плотность теплового потока для схемы прототипа составила около 0,35 Вт/см². Запуск с более низких нагрузок сопровождался ростом температур конденсатопроводов на входе в испарители и самих испарителей. Это свидетельствовало о парообразовании в полостях испарителей и нарушении работоспособности устройства. Аналогичная ситуация возникала и в переходных режимах, связанных с резким изменением тепловой нагрузки или условий теплоотвода. Для схемы настоящего изобретения минимальная подаваемая плотность пусковой нагрузки составила 0,07 Вт/см² и не являлась предельной в отношении запуска. Дальнейшее уменьшение пусковой нагрузки лимитировалось внешними тепловыми потерями в окружающую среду. Во всех опытах наблюдался надежный запуск и выход температур испарителей на стационарный режим. Устойчивость работы устройства не нарушалась и в переходных режимах. Описанные выше процессы перегрева теплоносителя и колебания давлений, возникающие при запуске, основываются на экспериментальных данных, полученных в этих исследованиях.

Использование: в области теплотехники. Сущность изобретения: устройство содержит испарительную и конденсаторную секции. Они соединены между собой паропроводом и конденсатопроводом. Отдельные испарители и конденсаторы объединены в своих секциях параллельно посредством паровых и жидкостных коллекторов. Испарители снабжены капиллярной структурой. Она образует с торцевой частью корпуса со стороны жидкостного коллектора внутеннюю полость. В месте сопряжения внешней поверхности капиллярной структуры с корпусом испарителя имеется система пароотводных каналов зоны испарения. Гидроаккамулятор с системой управления его температурой подсоединен трубопроводом, имеющим тепловой контакт с конденсатопроводом, к полостям испарителей через собственный коллектор. Трубопроводы от жидкостного коллектора введены в центральную часть внутренней полости испарителей. За счет организации циркуляции теплоносителя через полости испарителей при запуске и других переходных режимах работы устройства существенно снижается вероятность парообразования со стороны впитывающей поверхности капиллярной структуры и блокирования ее паром. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее испарительную и конденсаторную секции, соединенные посредством паро- и конденсатопроводов, первая из которых содержит один или несколько испарителей с капиллярной структурой, имеющей внутреннюю полость, а вторая один или несколько конденсаторов, подключенных параллельно к своим жидкостным и паровым коллекторам, и гидроаккумулятор с системой терморегулирования, связанный отдельным трубопроводом с испарительной секцией, отличающееся тем, что трубопровод гидроаккумулятора снабжен собственным жидкостным коллектором, сообщающимся с внутренними полостями каждого испарителя со стороны конденсатопровода, причем трубопроводы от жидкостного коллектора испарительной секции введены в центральную часть внутренних полостей испарителей. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубопровод, соединяющий гидроаккумулятор с его коллектором, имеет участок, находящийся в тепловом контакте с конденсатопроводом.