ТЕПЛОВАЯ ТРУБА Российский патент 1997 года по МПК F28D15/02 B64G1/50 

Изобретение относится к энергетике и теплофизике и может быть использовано при создании теплопередающих тепловых труб (ТТ), преимущественно энергонапряженных.

Известна ТТ, содержащая обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметический корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки корпуса размещена капиллярная структура в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана. В зависимости от назначения в ТТ может быть и адиабатическая зона. В энергонапряженных ТТ для уменьшения гидравлического сопротивления в качестве капиллярной структуры может использоваться составной фитиль, состоящий из кольцевой щели для прохода жидкости (жидкой фазы рабочего тела) и перфорированного "экрана" тонкостенной перфорированной трубки, обеспечивающего разделение жидкости и пара, причем размер отверстия экрана определяет капиллярный напор, развиваемый ТТ при полностью заполненной жидкостью кольцевой щели (П.Т. Дан и Д.А. Рей. Тепловые трубы. М. Энергия, 1979, с. 83-90).

Рассмотренная ТТ с описанной капиллярной структурой является высокоэффективным теплопередающим устройством, в особенности в условиях невесомости, когда ширина щели в зоне конденсации неограничена. Однако такие энергонапряженные ТТ характеризуются неустойчивостью режимов работы вследствие принципиальной возможности потери устойчивости режима по механизму вскипания жидкой фазы рабочего тела в зоне испарения.

Ближайшим аналогом является ТТ, содержащая обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметический корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки корпуса размещена капиллярная структура (фитиль) в виде не менее одного слоя сетки или перфорированного экрана. В фитиле выполнены отверстия двух типоразмеров, размещенных в шахматном порядке, причем диаметр отверстий меньшего размера составляет 0,08-0,8 диаметра отверстий большего размера, а зазор имеет величину, не превышающую радиус отверстия большего типоразмера (авт. св. N 1011997, кл. F 28 D 15/02, 1983).

Рассмотренная ТТ с описанной капиллярной структурой является высокоэффективным теплопередающим устройством, в особенности в условиях невесомости, когда ширина щели в зоне конденсации неограничена. Наличие в капиллярной структуре ТТ дополнительных пароотводящих отверстий, которые больше размера отверстий капиллярной структуры, повышают устойчивость энергонапряженных ТТ по механизму вскипания жидкой фазы рабочего тела в зоне испарения.

Однако практически одинаковое количество капиллярных и паровыпускных отверстий, размещенных в шахматном порядке, да еще по всей длине ТТ, а также недостаточно жесткие требования к основной капиллярной структуре, не позволяют реализовать в такой ТТ предельно возможные тепловые потоки вследствие появления процессов неустойчивости из-за вскипания теплоносителя.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является возможность обеспечения устойчивой работы ТТ в "режиме" кипения за счет своевременного удаления образующихся паровых пузырей без осушения всей зоны испарения (до момента заполнения парогазовой средой всего объема между стенкой трубы и экраном в зоне испарения).

Указанный технический результат достигается в ТТ, содержащей обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки корпуса установлена капиллярная структура, выполненная в виде не менее чем одного слоя сетки перфорированного экрана, в которой выполнены отверстия двух размеров, отличающаяся тем, что большие отверстия диаметром выполнены лишь в капиллярной структуре в зоне испарения и размещены с относительным шагом Т, выбранным из соотношения
T=(10-20)D<Rтт, (1)
где Rтт радиус тепловой трубы,
причем эффективный диаметр больших отверстий и эффективный диаметр малых отверстий выбран из соотношений
D > 4b (2)
d < 2b (3)
где b зазор между капиллярной структурой и внутренней стенкой корпуса.

На чертеже приведен схематический чертеж ТТ.

ТТ содержит герметичный корпус 1 с зонами испарения 2 и конденсации 3, внутри которого с зазором 4 относительно внутренней стенки корпуса 1 размещена капиллярная структура 5 с мелкими ячейками 6, выполненными, например, в виде перфорированных отверстий по всей длине ТТ. Шаг перфорации 1,1-1,5 d, где d диаметр мелкой сетки. Кроме мелких ячеек (отверстий) 6 в зоне испарения 2 сделаны с относительным шагом, выбранным в соответствии с (1), крупные отверстия 7, выбранные в соответствии с (2).

ТТ с паровыпускными отверстиями в экране зоны испарения работает следующим образом.

В исходном состоянии ТТ заполнена рабочим телом, например натрием, жидкая фаза которого располагается в зазоре 4 и в капиллярной структуре 5. При нагреве корпуса 1 в зоне испарения 2 тепло передается жидкой фазе, которая испаряется преимущественно через развитую поверхность мелких ячеек 6 капиллярной структуры 5. Пар рабочего тела в паровом объеме 8 переносится к капиллярной структуре 5 в зоне конденсации 3. Здесь благодаря отводу тепла с внешней стороны ТТ происходит конденсация паровой фазы рабочего тела, а выделяющееся при этом тепло отводится с наружной поверхности зоны конденсации 3. Сконденсировавшееся рабочее тело по зазору 4 и капиллярной структуре 5 возвращается в зону испарения, где процесс повторяется снова.

Благодаря мелкой перфорации 6 капиллярной структуры 5 образуется устойчивая граница пар жидкость как в зоне испарения 2, так и в зоне конденсации 3 (и в адиабатической зоне между ними, если она имеется в ТТ). Благодаря относительно большой величине зазора 4 и следовательно невысокому гидравлическому сопротивлению по жидкости обеспечивается высокий массовый расход рабочего тела, а следовательно, и высокая энергонапряженность. Однако при высоких тепловых нагрузках возможно образование в зазоре 4 паровых пузырей, которые не могут пройти через мелкоячеистую структуру 5, так как размер этих пузырей может быть больше диаметра отверстия 6. Если отсутствуют пароотводящие отверстия 7 с диаметром намного большим диаметра 6 мелкоячеистой структуры, то паровой пузырь перекроет тракт жидкости и ТТ перейдет в неустойчивый режим работы. Благодаря наличию пароотводящих отверстий, диаметр которых выбран в соответствии с (2), этот паровой пузырь спокойно выйдет из зазора 4 в паровое пространство 8 и каких-либо нарушений режимов работы ТТ не будет.

Соотношение (2) получено из следующих соображений. Чтобы вытолкнуть паровой пузырь в паровыпускное отверстие, напор P₁, развиваемый зазором 4, должен быть больше давления P₀, создаваемого жидкой пленкой пузыря над отверстием с диаметром D. Так как P_t=2σ/b, P_o=8σ/D, то из условия P₁ > P₀ следует (2).

Шаг расположения паровыводящих отверстий выбран из соображения недопущения образования сплошного парового пузыря, перекрывающего тракт жидкости. Поэтому он не может быть слишком большим. Уменьшение же шага уменьшает теплопередающие свойства капиллярной структуры в зоне испарения.

Соотношение (3) получено из следующих соображений.

Капиллярный напор, создаваемый ТТ с паровыпускными отверстиями, создается зазором в зоне испарения и он не может быть больше ΔP=4σ/d = 2σ/b. При невыполнении условия (3) не может быть гарантирована сплошность границы раздела пар жидкость в зоне испарения. Поэтому везде, кроме паровыпускных отверстий, должно выполняться соотношение (3).

Таким образом, введение паровыпускных отверстий в фитильную структуру в зоне испарения энергонапряженных ТТ обеспечивает защиту от неустойчивостей режимов работы вследствие образования паровых пузырей в зоне испарения.

Использование: при создании энергонапряженных теплопередающих тепловых труб. Сущность изобретения: в капиллярной структуре зоны испарения выполнены паровыпускные отверстия, диаметр которых выбран из соотношения D>4b, где b - зазор между фитальной структурой и внутренней стенкой корпуса тепловой трубы. Шаг отверстий равен 10-20 диаметрам. Эффективный диаметр отверстий в капиллярной структуре выбран из соотношения d<2b. 1 ил.

Тепловая труба, содержащая обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки корпуса установлена капиллярная структура, выполненная в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана, в которой выполнены отверстия двух размеров, отличающаяся тем, что большие отверстия диаметром D выполнены лишь в капиллярной структуре в зоне испарения и размещены с относительным щагом T, выбранным из соотношения
T (10 20) D < R_т т,
где R_т т радиус тепловой трубы,
причем эффективный диаметр D больших отверстий и эффективный диаметр d малых отверстий выбраны из соотношений
D > 4b; d < 2b,
где b зазор между капиллярной структурой и внутренней стенкой корпуса.