ТЕРМОСИФОН Российский патент 1998 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к устройствам для теплообмена, в частности, к термосифонам. Более конкретно оно относится к двухфазному термосифону, предназначенному для отвода тепла от фундамента на вечной мерзлоте, с испарителем, который может иметь секции с положительным и отрицательным наклоном или поднимающиеся и опускающиеся.

Известно использование двухфазного термосифона с гравитационным управлением для поддержания равновесия системы фундамента на вечной мерзлоте путем отвода тепла из грунта и излучения его в атмосферу в любом месте, где температура атмосферы ниже, чем в испарителе. Такой термосифон действует на следующих физических принципах: 1) пары любого вещества легче, чем его жидкая фаза, 2) давление пара повышается при повышении температуры и 3) плотность пара при постоянном объеме уменьшается по мере снижения температуры.

В патенте US, А,3217791, 1965 г. описан термосифон, работающий на этих принципах, представляющий собой герметичный контейнер, частично заполненный жидкостью с низкой температурой кипения. Пары этой жидкости заставляют подниматься и конденсироваться в удлиненной по вертикали верхней рассеивающей тепло части контейнера, когда температура ниже точки замерзания, снижая таким образом давление пара внутри контейнера. Это вызывает кипение жидкости в нижней части контейнера с последующим снижением температуры и поступлением к контейнеру тепла от окружающего вечномерзлотного грунта.

Одним из условий работы такого теплообменного устройства в соответствии с приведенным описанием является необходимость того, чтобы жидкий конденсат мог протекать по всей длине нижней, испаряющей жидкость части контейнера. Иными словами по всей длине испарителя должна иметься смоченная поверхность. Однако в случае очень длинного испарителя это означает увеличение глубины погружения в вечную мерзлоту, а такое погружение ведет к значительному увеличению затрат на строительство.

С другой стороны, , во многих сферах применения предпочтительно устанавливать испаритель такого термосифона практически горизонтально, то есть на ровной поверхности. В патенте USA, 4961463, 1990 г. описан термосифон со сливной трубкой для конденсата, проходящей по всей длине испарителя до его отдаленного конца, так что тепло может отводиться от фундамента на вечной мерзлоте или тому подобного даже тогда, когда испарительная секция расположена горизонтально или под "отрицательным наклоном" (то есть, с уклоном вниз по мере продвижения от конденсаторной секции). Это устройство не может работать при "положительном уклоне" (который поднимается по мере движения от конденсаторной секции), за исключением участка переливания жидкости из этого устройства сбора конденсата. Иными словами при установке такого устройства следует уделить особое внимание тому, чтобы его испаритель не только располагался горизонтально или имел отрицательный уклон при установке, но и тому, чтобы он и оставался в таком положении несмотря на неравномерную осадку и/или вспучивание, которые могут иметь место после установки и перед или после начала эксплуатации. Если в таком применявшемся ранее испарителе применить поднимающиеся или опускающиеся секции, жидкий конденсат не сможет пройти далее первой с каждого конца точки, где наклон меняется на противоположный, по большей части участка испарителя 5 охлаждение практически не будет иметь места. Там, где существуют препятствия, может оказаться желательным и даже необходимым установить испаритель с поднимающимися и опускающимися секциями для того, чтобы преодолеть такие препятствия.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в создании термосифона, который может эффективно и устойчиво отводить тепло от фундаментов в вечной мерзлоте при различных условиях эксплуатации.

Более конкретно достигаемым техническим результатом является создание термосифона, способного эффективно и устойчиво работать, несмотря на то, что его удлиненный испаритель установлен с положительно и отрицательно наклоненными (то есть, поднимающимися и опускающимися) секциями или же, если такие уклоны секций образовались в процессе эксплуатации.

Данный технический результат достигается тем, что в термосифоне, содержащем герметичную емкость, состоящую из конденсаторной части и испарительной части, находящуюся внутри этой емкости легко испаряющуюся жидкость, причем испарительная часть включает подводящую трубу и сливную трубу, которые имеют вертикальный участок и горизонтальный участок, при этом горизонтальный участок выполнен из теплопроводного материала и простирается в горизонтальном направлении относительно вертикального участка к удаленной от центра точке, в которой соединяются и сообщаются подводящая и сливная трубы, а вертикальный участок сливной трубы имеет открытое кверху отверстие, расположенное намного выше горизонтальных участков труб, согласно изобретению, горизонтальные участки труб содержат гибкие трубчатые секции с переменным наклоном, а вертикальный участок сливной трубы расположен внутри подводящей трубы и имеет значительно меньшую площадь поперечного сечения по сравнению с вертикальным участком подводящей трубы, в результате чего жидкость под действием гидростатического давления в трубах перетекает из подводящей трубы через удаленную от центра точку в сливную трубу, когда указанная жидкость кипит внутри указанной испарительной части.

Конденсаторная часть может представлять собой вертикальную удлиненную цилиндрическую конструкцию.

В этом случае возможно соединение питающей трубы с указанной цилиндрической конструкцией таким образом, чтобы принимать жидкость, конденсирующуюся в конденсаторной части.

Целесообразно выполнение конденсаторной части с наружной поверхностью, на которой располагаются излучающие устройства для излучения тепла с этой наружной поверхности.

Питающая труба и сливная труба могут располагаться рядом друг с другом в горизонтально направленном участке.

Предпочтительно, чтобы температура конденсации жидкости была выше температуры конденсаторной части, а температура кипения - ниже температуры испарительной части.

Питающая и сливная трубки соединяются вместе в удаленной от центра точке.

На чертеже изображен термосифон, представляющий осуществление изобретения и обозначенный в целом позицией 10, который состоит из легко испаряющейся жидкости 15 и герметичного контейнера, включающего конденсаторную часть 20 и испарительную часть 30 и содержащего внутри жидкость 15. Конденсаторная часть 20 представляет собой вертикальную удлиненную трубчатую композицию. На наружной поверхности конденсаторной части 20 могут быть предусмотрены охлаждающие ребра 22, служащие радиаторами.

Испарительная часть 30 согласно изобретению имеет ту особенность, что является двухтрубчатой структурой, в которой одна труба 5 (обозначаемая как питающая труба 32) служит для перетекания жидкости 15 в радиальном направлении от основания конденсаторной части 20 к отдаленной точке, а другая труба (обозначаемая как сливная труба 34) служит отдельно для перетекания жидкости 15 обратно от отдаленной точки к основанию конденсаторной части 20. Как схематически показано на чертеже, трубки 32 и 34 соединяются вместе так, что жидкость 15 может свободно перетекать из одной в другую. Поскольку согласно изобретению питающая труба 32 и сливная труба 34 могут быть установлены с положительно и отрицательно наклоненными секциями или впоследствии образовать такие секции, может оказаться желательным изготовить их из пластичного материала типа меди, так, что участки труб большой длины можно было легко перевозить в бунтах.

На противоположном конце (то есть, противоположном по отношению к отдаленной точке) сливная труба соединяется с донной частью вертикальной цилиндрической трубы, верхняя часть которой служит конденсаторной частью 20. С другой стороны, сливная труба 34 соединяется с вертикальным участком 36 сливной трубы, имеющим сверху отверстие 40. Площадь поперечного сечения сливной трубы в ее вертикальной части 36 значительно меньше, чем у окружающей ее цилиндрической трубы. Жидкость 15 заполняет питающую трубу 32 и сливную трубу 34 в такой мере, что уровень ее поверхности оказывается несколько ниже верхнего отверстия вертикальной части сливной 25 трубы 40.

Имеющий такую конструкцию термосифон 10 устанавливают таким образом, чтобы конденсаторная часть 20 обычно находилась в среде, температура которой ниже температуры конденсации жидкости 15. На практике она обычно оказывается выше уровня грунта. С другой стороны,, испарительная часть 30 располагается под землей и обычно в фундаменте, находящемся в условиях вечной мерзлоты или в вечной мерзлоте, которая может подвергнуться местному нагреву. В соответствии с этим испарительная часть 30 термосифона 10 подвержена воздействию температур, которые относительно выше температуры среды, окружающей конденсаторную часть 20. Таким образом достигается испарение жидкости 15 внутри испарительной части 30 с образованием пузырьков как внутри питающей трубы 32, так и сливной трубы 34. Пузырьки, образующиеся внутри питающей трубы 32, вызывают подъем жидкости 15 в кольцевом пространстве вокруг вертикального участка сливной трубы 36. Пузырьки, образующиеся внутри сливной трубы 34, вызывают подъем жидкости 15 внутри вертикальной трубки 36, но поскольку площадь поперечного сечения вертикальной трубки значительно меньше, чем у окружающего ее кольцевого пространства, верхний уровень жидкости 15 быстрее поднимается внутри вертикальной трубки 36, чем вокруг нее, и вскоре жидкость 15 внутри вертикальной трубки 36 начинает переливаться через край верхнего отверстия 40, снижая таким образом гидростатическое давление внутри сливной трубки 34 и одновременно увеличивая его внутри питающей трубки 32. Тот факт, что площадь поперечного сечения внутри вертикальной трубки 36 значительно меньше, чем площадь кольцевого участка вокруг нее ведет к тому, что плотность смеси жидкости и пара будет значительно меньше внутри вертикальной трубки, чем вокруг нее. В результате жидкость 15 продолжает перетекать из верхнего отверстия 40 в питающую трубку 32, как только внутри испарительной части 30 начинается образование пузырьков, что вызывает перетекание жидкости 15 из питающей трубы 32 в сливную трубу 34 через отдаленную точку, в которой эти трубы соединяются. Чем больше расход в испарительной части 30, тем больше разница гидростатических давлений между трубами 32 и 34.

В то же время образующийся пар переходит из испарительной части 30 в конденсаторную часть 20. Затем пары жидкости 15 конденсируются в конденсаторной части 20 под воздействием относительно низких температур, которые ниже температуры конденсации. Жидкий конденсат стекает из конденсаторной части 20 обратно в испарительную часть 30, начиная таким образом новый теплообменный цикл.

Необходимо отметить, что в отличие от предлагавшегося ранее термосифона, описанного выше, в котором испаритель должен устанавливаться только с положительным уклоном (поднимающийся) или отрицательным уклоном (опускающийся), или по всей длине быть полностью горизонтальным, испарительная часть 30 термосифона 10, являющегося предметом изобретения, может иметь как поднимающиеся, так и опускающиеся секции в определенных пределах. Эти пределы частично определяются разницей в 5 уровнях жидкости Δh (то есть, уровень жидкости внутри термосифона 10, измеренный от самой верхней точки внутри питающей и сливной труб 32 и 34.

При проектировании термосифона 10 следует уделить внимание тому, чтобы эта разница в уровнях жидкости Δh была достаточно велика, так что связанное с ней гидростатическое давление наверняка превышало динамическое давление, связанное с сопротивлением протеканию жидкости в системе. Следует также уделить внимание недопущению образования паровых пробок в высших точках системы, должным образом учитывая диаметр трубы, вязкость жидкости, поверхностное натяжение и снарядный режим потока в жидкой фазе.

Описание изобретения было приведено только с одним примером, но этот пример служит только в качестве иллюстрации, не ограничивая рамок изобретения. Чертеж, в частности, выполнен схематически и не предназначен для показа предпочтительных форм и соотношений размеров различных компонентов. Многие варианты и ограничения, которые могут быть очевидны для специалистов в данной области, предполагаются входящими в рамки изобретения. Например, испарительная часть 30 необязательно должна быть изготовлена из меди. Она может быть изготовлена из стали или иных материалов, могущих выдерживать давление, коррозию, поток, отвечающих требованиям к холодной обработке и контролю качества. При некоторых обстоятельствах трубы 32 и 34 испарительной части 30 могут быть концентрическими. С другой стороны, они не должны быть строго параллельными по отношению друг к другу, как показано на чертеже. В целом описание должно поддаваться широкому толкованию.

Использование: для отвода тепла от фундамента в вечной мерзлоте. Сущность: термосифон 10 для отведения тепла от фундамента в вечной мерзлоте состоит из герметичного контейнера, содержащего легко испаряемую жидкость 15. Контейнер имеет конденсаторную часть 20, которая подвержена воздействию температур ниже температуры конденсации жидкости, и испарительную часть 30, в которой эта жидкость должна кипеть. Испарительная часть 30 является двухтрубчатой конструкцией с питающей трубой 32 и сливной трубой 34, соединенными друг с другом в наиболее отдаленной от конденсаторной части 20 точке. Сливная труба 34 имеет вертикальный участок 36 с отверстием 40 на одном конце, находящийся внутри питающей трубы и имеющий значительно меньшую площадь поперечного сечения по сравнению с окружающей трубой. Трубы могут иметь как поднимающиеся, так и опускающиеся участки, но отверстия 40 в вертикальной части сливной трубы располагается значительно выше, чем эти участки труб 32, 34, так что гидростатическое давление заставляет жидкость в испарительной части 30 перетекать из питающей трубы 32 в сливную трубу 34, когда жидкость в испарительной части 30 образует пузырьки и вытекает из отверстия 40 в вертикальной части сливной трубы. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Термосифон, содержащий герметичную емкость, состоящую из конденсаторной части и испарительной части, и находящуюся внутри этой емкости легко испаряющуюся жидкость, причем испарительная часть включает подводящую трубу и сливную трубу, которые имеют вертикальный участок и горизонтальный участок, при этом горизонтальный участок выполнен из теплопроводного материала и простирается в горизонтальном направлении относительно вертикального участка к удаленной от центра точке, в которой соединяются и сообщаются подводящая и сливная трубы, а вертикальный участок сливной трубы имеет открытое кверху отверстие, расположенное намного выше горизонтальных участков труб, отличающийся тем, что горизонтальные участки труб содержат гибкие трубчатые секции с переменным наклоном, а вертикальный участок сливной трубы расположен внутри подводящей трубы и имеет значительно меньшую площадь поперечного сечения по сравнению с вертикальным участком подводящей трубы, в результате чего жидкость под действием гидростатического давления в трубах перетекает из подводящей трубы через удаленную от центра точку в сливную трубу, когда указанная жидкость кипит внутри указанной испарительной части. 2. Термосифон по п. 1, отличающийся тем, что конденсаторная часть представляет собой вертикальную удлиненную цилиндрическую конструкцию. 3. Термосифон по п. 2, отличающийся тем, что питающая труба соединена с указанной цилиндрической конструкцией так, чтобы принимать жидкость, конденсирующуюся в конденсаторной части. 4. Термосифон по п. 2, отличающийся тем, что конденсаторная часть имеет наружную поверхность, на которой расположены излучающие устройства для излучения тепла с этой наружной поверхностью. 5. Термосифон по п. 1, отличающийся тем, что питающая труба и сливная труба располагаются рядом одна с другой в горизонтально направленном участке. 6. Термосифон по п. 1, отличающийся тем, что температура конденсации жидкости в нем выше температуры конденсаторной части, а температура кипения - ниже температуры испарительной части. 7. Термосифон по п. 1, отличающийся тем, что питающая и сливная трубки соединены вместе в удаленной от центра точке.