КОНТУРНАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА Российский патент 1995 года по МПК F28D15/06 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения тепловыделяющих приборов.

Известны артериальные тепловые трубы или тепловые трубы с гомогенным фитилем (ТТ) [1 и 2] содержащие корпус с капиллярной структурой и имеющие зоны испарения, транспорта и конденсации. Возможности таких тепловых труб ограничены величиной передаваемой тепловой нагрузки и расстоянием тепломассопереноса.

Наиболее близкой по технической сущности является контурная тепловая труба (КТТ), т.е. тепловая труба с радиальными каналами для пара и жидкости [3] содержащая соединенные паро- и конденсатопроводами конденсатор и расположенные в одном корпусе испаритель с капиллярно-пористой насадкой и размещенную со стороны конденсатопровода компенсационную полость. По сравнению с тепловыми трубами [1 и 2] КТТ передает существенно большие тепловые нагрузки и на большие расстояния, а также открывает дополнительные возможности работы в диодном режиме, в режиме регулирования, с изменением положения транспортных каналов в процессе работы КТТ, работы в условиях гравитации при существенном превышении испарителя над конденсатором и др.

Несмотря на многочисленные достоинства КТТ, использование их в пассивных системах терморегулирования сопряжено с рядом трудностей, связанных с обеспечением запуска (т.е. обеспечением начала циркуляции теплоносителя в контуре) при охлаждении конденсатора и сохранении постоянной температуры испарителя; с чувствительностью КТТ к внешним тепловым воздействиям на конденсатопровод, выражаемой в резком увеличении термического сопротивления КТТ при снижении расхода теплоносителя в контуре; с регулированием температуры КТТ, для чего используются либо активные средства; нагреватели, термоэлектрические охладители, либо механические подвижные элементы: клапаны, сильфоны и т.п. что требует дополнительных энергозатрат в одном случае и снижает надежность в другом (под регулированием температуры КТТ понимается принудительное поддерживание температуры испарителя в заданном диапазоне температур при изменении подводимой нагрузки и/или условий теплоотвода в зоне конденсации).

Цель изобретения обеспечение возможности автономного (без дополнительного энергопотребления) запуска КТТ при охлаждении конденсатора и постоянной температуре испарителя, т.е. когда тепловая нагрузка не подводится к испарителю, а отводится от конденсатора и запуск КТТ не может быть произведен без помощи электронагревательных, электроохладительных, механических или других энергопотребляющих устройств; снижение воздействия внешних теплопритоков на конденсатопровод очень важно для получения температуры на испарителе КТТ ниже температуры окружения конденсатопровода на малых значениях расхода теплоносителя в контуре, когда температура жидкости в конденсаторопроводе может стать практически равной температуре окружения в результате воздействия теплопритоков; обеспечение возможности использования контурной тепловой трубы в качестве средства стабилизации температуры тепловыделяющего объекта без дополнительных энергозатрат и без движущихся механизмов.

Цель достигается тем, что в контурной тепловой трубе, содержащей соединенные паро- и конденсатопроводами конденсатор и расположенные в одном корпусе испаритель с капиллярно-пористой насадкой и размещенную со стороны конденсатопровода компенсационную полость, снаружи тепловой трубы установлен теплообменник-охладитель, соединенный с компенсационной полостью и помещенный в среду с температурой ниже температуры испарителя; теплообменник-охладитель установлен на компенсационной полости в непосредственном контакте с ней или соединен с ней посредством теплопровода; конденсатор тепловой трубы сообщен с конденсатопроводом посредством дополнительного теплопровода, контактирующего с конденсатопроводом по всей его длине; контурная тепловая труба содержит шунтирующую тепловую трубу, имеющую тепловой контакт с зоной теплоподвода испарителя и компенсационной полостью, причем шунтирующая тепловая труба заправлена теплоносителем, критическая температура которого лежит внутри диапазона регулирования температуры испарителя.

На фиг. 1 изображена контурная тепловая труба, компенсационная полость которой соединена с теплообменником-охладителем с помощью теплопровода; на фиг. 2 выполнение теплообменника-охладителя непосредственно на компенсационной полости; на фиг. 3 применение дополнительного теплопровода, имеющего тепловой контакт с конденсатором и конденсатопроводом по всей его длине; на фиг. 4 установка шунтирующей тепловой трубы, имеющей тепловой контакт с зоной теплоподвода испарителя КТТ и с компенсационной полостью.

КТТ (фиг. 1) содержит испаритель 1 и конденсатор 2, соединенные между собой трубопроводами (паро- 3 и конденсатопроводом 4). Капиллярно-пористая насадка 5 делит испаритель на две области: зону теплоподвода 6 и компенсационную полость 7. Компенсационная полость соединена с помощью теплопровода 9 с теплообменником-охладителем 10. Возможна также установка теплообменника-охладителя непосредственно на компенсационную полость (фиг. 2). И в том и в другом случае теплообменник-охладитель должен размещаться в среде, имеющей температуру ниже температуры испарителя.

КТТ может содержать дополнительный теплопровод 11, имеющий тепловой контакт с конденсатором и конденсатопроводом по всей его длине (фиг. 3).

Кроме того, КТТ может содержать шунтирующую тепловую трубу 12, имеющую тепловой контакт с зоной теплоподвода испарителя КТТ и с компенсационной полостью, причем критическая температура теплоносителя шунтирующей ТТ лежит внутри диапазона регулирования температуры испарителя. Схематично установка шунтирующей тепловой трубы на КТТ показана на фиг. 4.

КТТ работает следующим образом.

При наличии температурного напора между испарителем и конденсатором для начала циркуляции теплоносителя в КТТ необходимо также создать перепад температур между испарителем и компенсационной полостью. Для выполнения этого условия в настоящем изобретении решено охлаждать компенсационную полость с помощью теплообменника-охладителя. Теплообменник-охладитель может быть выполнен непоcредственно на компенсационной полости либо соединяться с компенсационной полостью теплопроводом, но во всех случаях он должен быть помещен в среду, с температурой ниже температуры испарителя. Эффективная площадь поверхности теплообменника-охладителя определяется условием
F_то=
(1) где С_р теплоемкость теплоносителя Дж/(кг ˙ град);
r теплота фазового перехода теплоносителя, Дж/кг;
Q номинальная тепловая нагрузка, для передачи которой предназначена контурная тепловая труба, Вт;
Δ Т перепад температур между испарителем и конденсатором контурной тепловой трубы при номинальной нагрузке, град;
К коэффициент теплопередачи в окружающую среду, Вт/(м² ˙ град);
Т_и температура испарителя, град;
Т_ос температура окружающей среды, град, Т_ос < Т_и).

При охлаждении компенсационной полости, в соответствии с условием (1) паровая фаза в ней начинает конденсироваться. На место конденсирующейся паровой фазы в компенсационную полость из конденсатопровода поступает жидкая фаза теплоносителя, освобождая при этом пространство в паровом канале, а затем и в конденсаторе. Начало конденсации паровой фазы в конденсаторе (на освобождающейся от жидкости поверхности) соответствует началу циркуляции теплоносителя в КТТ, т.е. запуску.

Если тепловая нагрузка, передаваемая КТТ, снижается, а к конденсатопроводу поступают теплопритоки, температура жидкости в конденсатопроводе может сравняться с температурой окружения (из-за низкого значения расхода теплоносителя в контуре). Для предотвращения зависимости температуры КТТ от температуры окружения, на нее может быть установлен дополнительный теплопровод, имеющий тепловой контакт по всей длине с конденсатопроводом и отводящий теплопритоки непосредственно в зону конденсации. При наличии такого теплопровода, соединяющего в тепловом отношении конденсатопровод и конденсатор, жидкий теплоноситель остается практически изотермичным, сохраняет температуру на уровне температуры дополнительного теплопровода (близкой к температуре конденсатора) и не может достичь температуры окружения.

При эксплуатации КТТ уменьшение тепловой нагрузки, подводимой к испарителю, или снижение температуры окружающей среды, в которую рассеивает тепло конденсатор, может привести к снижению температуры испарителя ниже заданной. Чтобы исключить переохлаждение испарителя, в устройство введена шунтирующая тепловая труба (например, артериальная ТТ), имеющая тепловой контакт с зоной подвода и с компенсационной полостью. Критическая температура теплоносителя шунтирующей тепловой трубы должна быть выше заданной нижней границы регулирования, но ниже верхней границы регулирования. Если температура испарителя становится выше критической температуры теплоносителя шунтирующей тепловой трубы, то последний переходит в газообразное состояние и шунтирующая тепловая труба не работает, При снижении температуры испарителя ниже критической температуры теплоносителя шунтирующей ТТ происходит запуск последней. Далее начинает передаваться тепло от более теплой зоны теплоподвода испарителя к более холодной компенсационной полости, что сопровождается ростом термического сопротивления КТТ. Для того, чтобы термическое сопротивление КТТ повысилось на необходимую для сохранения рабочей температуры испарителя величину, термическое сопротивление шунтирующей ТТ (в работающем состоянии) должно удовлетворять условию
R_ш≅
(2) где R_ш термическое сопротивление шунтирующей ТТ, К/Вт;
Т_и температура стенки испарителя, град;
Т_РЕГ нижний предел регулирования, град;
Q_го тепло, рассеиваемое теплообменником-охладителем, Вт;
Q передаваемая КТТ нагрузка, Вт;
Т_кон рабочая температура конденсатора, град при нагрузке Q;
С_р теплоемкость жидкой фазы теплоносителя, Дж/(кг ˙ град);
r теплота фазового перехода, Дж/кг.

Тем самым решается задача использования КТТ в качестве средства термостабилизации тепловыделяющих объектов.

Использование изобретения существенно расширит возможности применения КТТ в качестве регулируемого энергетически независимого теплопередающего устройства для космической и других отраслей промышленности.

Использование: для автономного запуска контурной тепловой трубы при охлаждении конденсатора и постоянной температуре испарителя. Сущность изобретения: тепловая труба содержит соединенные паро- и конденсатопроводами конденсатор и расположенные в одном корпусе испаритель и компенсационную полость. Последняя содержит соединенный с компенсационной полостью теплообменник-охладитель. Он помещен в среду с температурой ниже температуры испарителя. Испаритель снабжен капиллярно-пористой насадкой. Компенсационная полость расположена со стороны конденсатопровода. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. КОНТУРНАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА, содержащая соединенные паро- и конденсатопроводами конденсатор и расположенные в одном корпусе испаритель с капиллярно-пористой насадкой и размещенную со стороны конденсатопровода компенсационную полость, отличающаяся тем, что снаружи тепловой трубы установлен теплообменник-охладитель, соединенный с компенсационной полостью и помещенный в среду с температурой ниже температуры испарителя. 2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник-охладитель установлен на компенсационной полости в непосредственном контакте с ней. 3. Труба по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник-охладитель соединен с компесационной полостью посредством теплопровода. 4. Труба по п.1, отличающаяся тем, что конденсатор сообщен с конденсатопроводом посредством дополнительного теплопровода, контактирующего с конденсатопроводом по всей его длине. 5. Труба по п.1, отличающаяся тем, что она содержит шунтирующую тепловую трубу, имеющую тепловой контакт с зоной теплопровода испарителя и компенсационной полостью, причем шунтирующая тепловая труба заправлена теплоносителем, критическая температура которого лежит внутри диапазона регулирования температуры испарителя.