МУЛЬТИОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2001 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для охлаждения поверхностей, находящихся под воздействием переменной тепловой нагрузки, например, в системах охлаждения двигателей.

Известна плоская тепловая труба, содержащая частично заполненный жидким теплоносителем корпус и расположенные в нем ребра, образующие каналы, сообщающиеся между собой со стороны зон испарения и конденсации, ограниченные буртиками с обеих сторон [1].

Недостатками известного устройства являются низкая надежность работы при изменении ориентации тепловой трубы в пространстве, узкий диапазон воспринимаемой тепловой нагрузки и низкая удельная производительность.

Более близким к предлагаемому изобретению является теплообменник, содержащий корпус, разделенный на полости горячего и холодного газов плоским диском на вращающемся валу с размещенными на нем параллельно валу тепловыми трубами (элементами), состоящими из корпуса с расположенными в нем зонами испарения транспорта и конденсации, причем в зонах испарения и транспорта размещены пластины с зазором в зоне испарения и отверстием с буртиком в зоне транспорта [2].

К недостаткам известного устройства относятся необходимость подвода механической энергии для вращения вала, узкий диапазон воспринимаемой тепловой нагрузки, обусловленный возможностью работы элементов только в режиме испарение - конденсация, невозможность дифференцированного охлаждения различных участков охлаждаемой поверхности, находящихся под воздействием различной тепловой нагрузки, что сужает область применения устройства, и в конечном итоге, снижает его эффективность.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности устройства.

Поставленная задача реализуется в мультиохлаждающем устройстве (МОУ), которое содержит элементы, состоящие из корпуса с расположенными в нем зонами конденсации, испарения и транспорта, причем зоны испарения и конденсации расположены на противоположных стенках и снабжены капиллярно-пористой структурой, системы пароотводящих каналов помещены в полость между зонами испарения и конденсации в центральной части корпуса, зоны нагрева и испарения заполнены гидрофильным мелкозернистым материалом на высоту, равную высоте поднятия жидкости в капиллярах материала, зона охлаждения и конденсации заполнена гидрофобным крупнопористым материалом на высоту, равную высоте нагрева и испарения, зона транспорта нагретой жидкости заполнена гидрофильным материалом с коническими капиллярами, направленными вершинами конуса по нормам к зоне охлаждения и конденсации, к которой примыкают паровые канавки, выполненные в смежной с другими элементами стенке корпуса и покрытые гидрофобным материалом, зона транспорта охлажденной жидкости, соединяющая нижние части зон конденсации и испарения, заполнена гидрофильным материалом с коническими капиллярами, направленными вершинами конусов по нормали к зоне нагрева и испарения, перегородка, примыкающая к зоне нагрева и испарения, имеющая форму усеченной призмы, выполнена из гидрофобного материала с коническими соплами, размещенными равномерно в шахматном порядке, направленными вершинами конуса сопла в сторону испарительной зоны, к входным отверстиям которых подведены канавки парового коллектора буферной полости, размещенной между перегородкой и зоной конденсации, а боковые стенки каждого охлаждающего элемента являются смежными с примыкающими к нему близлежащими охлаждающими элементами.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение диапазона тепловой нагрузки охлаждающего устройства и обеспечение возможности дифференцированного охлаждения охлаждаемой поверхности.

На чертеже представлен элемент предлагаемого мультиохлаждающего устройства.

Мультиохлаждающее устройство (МОУ) состоит из N-элементов, каждый из которых содержит корпус 1, снабженный со стороны наружной поверхности ребрами 2, загрузочным отверстием 3, расположенным на высоте h с пробкой 4, пароотводящими канавками 5, выполненными на верхней смежной стенке корпуса 1, поверхность лотка которых покрыта гидрофобным материалом, и примыкающий к охлаждаемой поверхности 6, с размещенными внутри него зонами нагрева и испарения 7 высотой, толщиной и шириной, равными h, δ₁ и S соответственно, заполненными мелкопористым гидрофильным материалом, расположенной на противоположной стороне корпуса 1 зоной охлаждения и конденсации 8 высотой, толщиной и шириной, равными h, δ₄ и S соответственно, заполненной крупнопористым гидрофобным материалом, соединяющей верхние части зон нагрева и испарения 7 и охлаждения и конденсации 8, зоной транспорта нагретой жидкости 9 высотой, длиной и шириной, равными h, δ₆ и S соответственно, выполненной из гидрофильного материала с коническими капиллярами, направленными вершиной конуса в сторону зоны охлаждения и конденсации 8, соединяющей нижние части зон охлаждения и конденсации 8 и нагрева и испарения 9, зоной транспорта конденсата (охлажденной жидкости) 10 высотой, длиной и шириной, равными h, δ₆ и S соответственно, выполненной из гидрофильного материала с коническими капиллярами, направленными вершиной конуса в сторону зоны нагрева и испарения 7, примыкающей к этой зоне, перегородкой 11, имеющей форму усеченной призмы толщиной верхнего и нижнего оснований δ₂ и δ₅, высотой и шириной h₄ и S' соответственно, изготовленной из гидрофобного материала со сквозными коническими отверстиями (соплами) 12, размещенными равномерно в шахматном порядке, направленными вершиной конуса сопла 12 по нормали в сторону испарительной зоны 7, к входным отверстиям которых подведены канавки парового коллектора 13, выполненные на вертикальной поверхности перегородки 11, примыкающей к зоне испарения 7 и буферной полости 14, имеющей форму усеченной призмы с толщиной верхнего и нижнего оснований δ₃ и δ₇, высотой и шириной h₄ и S соответственно, размещенной между перегородкой 11 и зоной охлаждения и конденсации 8.

В основу работы предлагаемого МОУ положена способность пористых материалов выполнять роль насосов для перекачки жидкостей, преодолевая силы гравитации, инерции и трения на высоту, обусловленную диаметром пор материала, родом жидкости и силой гравитации [3, с. 377] в сторону вершины конуса капилляра [3, с. 304], гидрофильными и гидрофобными (лиофильными и лиофобными) свойствами используемых материалов, а также свойством пара при дросселировании снижать свое теплосодержание [4, с. 114].

Определяющим размером элемента предлагаемого МОУ является высота h зоны нагрева и испарения 7, которая зависит от диаметра пор материала, силы гравитации и рабочей жидкости. Ширина элемента S выбирается, исходя из необходимой элементарной площади охлаждения, механической прочности конструкции корпуса 1 и надежной заправки элемента МОУ. Толщина элемента δ зависит от толщины мелкопористого материала зоны нагрева и испарения 7, которая, в свою очередь, должна обеспечивать необходимый расход рабочей жидкости при максимальной тепловой нагрузке Q, длины δ₆ транспортных секций 9 и 10, зависящей от диаметра капилляров, толщины δ₄, зоны конденсации и охлаждения 8. Толщина транспортных зон 9 и 10 h₁ и h₂ выбирается, исходя из возможности обеспечения необходимого расхода рабочей жидкости при максимальной тепловой нагрузке. Диаметры пор мелкопористого материала зоны 7, капилляров зон 9 и 10 выбираются, исходя из возможности обеспечения надежной циркуляции рабочей жидкости в системе. Диаметр пор гидрофобного материала зоны 8 выбирается, исходя из обеспечения возможности конденсации пара в них и свободного движения капель жидкости вниз под действием силы тяжести. Толщина нижнего и верхнего оснований призматической перегородки 11 δ₂ и δ₅ определяется длиной транспортных зон 9 и 10 δ₆, длиной сопел 12 и толщиной оснований буферной полости 14 δ₃ и δ₇. Значение входного диаметра сопел 12, площадь сечения канавок парового коллектора 13 и паровых канавок 5 выбирается, исходя из условия невозможности проскока рабочей жидкости при начальном режиме нагрев - охлаждение. Величина выходного диаметра сопел 12 выбирается из условия оптимального угла конусности θ = 5-7^o для конусных расширяющихся сопел. Длина сопел 12 также определяется из рекомендации L = 3-5d [5, с. 205], причем в целях равномерного отвода пара из зоны нагрева и испарения 7 длина сопел 12 уменьшается в соответствии с уменьшением толщины призматической перегородки 11 таким образом, чтобы сопротивление движению пара через любое сопло 12 и насадку зоны 7 было одинаковым. Размеры буферной полости 14 δ₃ и δ₇ определяются толщиной перегородки 11 и длиной транспортных зон 9 и 10 и должны обеспечивать равномерное распределение пара по живому сечению крупнопористого материала зоны охлаждения и конденсации 8. Число элементов N определяется площадью охлаждаемой поверхности 6.

МОУ работает следующим образом. Перед началом работы каждый элемент заполняется рабочей жидкостью через отверстие 3 на глубину h₃, после чего отверстие 3 герметизируется пробкой 4, а рабочая жидкость за счет капиллярных сил подается коническими капиллярами гидрофильного материала зоны транспорта конденсата 10 в зону нагрева 7, где заполняет все пористое пространство гидрофильной насадки на высоту h, не попадая в сопла 12 за счет гидрофобных свойств материала перегородки 11, откуда рабочая жидкость засасывается коническими капиллярами гидрофильного материала зоны транспорта нагретой жидкости 9 и останавливается перед гидрофобным материалом крупнопористой насадки зоны охлаждения и конденсации 8. При возникновении потока тепла Q в режиме работы нагрев - охлаждение от охлаждаемой поверхности 6 рабочая жидкость в порах материала зоны нагрева и испарения 7 за счет градиента давления, образующегося в результате разности плотностей нагретой и охлаждаемой жидкости (естественного циркуляционного давления) начинает подниматься вверх [6, с. 300], жидкость, находящаяся в капиллярах гидрофильного материала зоны транспорта нагретой жидкости 9, также начинает движение, преодолевает сопротивление отталкивающих сил гидрофобного материала зоны охлаждения и конденсации 8, заполняет ее поры, охлаждается от наружной стенки корпуса 1, стекает вниз под действием тяжести, снова засасывается коническими капиллярами гидрофильного материала зоны транспорта охлажденной жидкости 10 и подается в пористое пространство гидрофильного материала зоны нагрева и испарения 7, и цикл повторяется снова. При увеличении теплового потока Q от охлаждаемой поверхности 6 наступает смешанный режим нагрев - охлаждение, сопровождаемый режимом испарение - конденсация. При этом помимо нагрева жидкости в зоне нагрева и испарения 7 и транспорта ее через зону 9 в зону охлаждения и конденсации 8, часть ее испаряется и пар, преодолевая сопротивление сил отталкивания гидрофобного материала перегородки 11, поступает в конические сопла 12, дросселируется, расширяется в буферной полости 14, теряя часть своего теплосодержания, распределяется в порах гидрофобного материала зоны конденсации 8, полученный конденсат смешивается с охлажденной жидкостью, поступающей туда же в результате естественной циркуляции из зоны нагрева 7 и засасывается коническими капиллярами гидрофильного материала зоны транспорта охлажденной жидкости 10, после чего цикл повторяется снова. При дальнейшем увеличении теплового потока Q от охлаждаемой поверхности 6 элемент МОУ начинает работать в режиме испарение - конденсация, когда вся жидкость, двигающаяся в порах материалов зоны нагрева и испарения 7, испаряется, полученный пар дросселируется через сопла 12, сопротивление которых снижается по ходу движения жидкости, обеспечивая равный расход пара через них, смывание всей охлаждаемой поверхности 6 рабочей жидкостью, обеспечивая таким образом равномерное ее охлаждение. Оставшаяся часть пара удаляется из зоны испарения 7 через канавки 5 в зону конденсации 8. Дросселированный в соплах 12 пар расширяется в буферной полости 14, распределяется в порах гидрофобного крупнопористого материала зоны конденсации 8, где конденсируется, охлаждается, стекает вниз и засасывается коническими капиллярами гидрофильного материала зоны транспорта конденсата 10, после чего цикл повторяется снова. При этом зона транспорта нагретой жидкости 9 в процессе практически не участвует. Одновременно другие элементы МОУ могут работать в других режимах в зависимости от интенсивности теплового потока соответствующего участка охлаждаемой поверхности 6.

Широту диапазона воспринимаемой тепловой нагрузки МОУ можно проиллюстрировать на примере работы элемента устройства, заправленного водой.

Тепловой поток в режиме минимальной тепловой нагрузки нагрев - охлаждение равен
Q_min = G•c• Δt (1),
где G = 1 кг/с - условный расход рабочей жидкости;
C = 4,19 кДж/(кг •^oC) - теплоемкость воды;
Δt = 1^oC - изменение температуры воды.

Q_min = 1•4,19•1 = 4,19 кДж/с.

Тепловой поток в режиме максимальной тепловой нагрузки испарение - конденсация
Q_max = г•G (2),
где r = 2260 кДж/кг - теплота испарения воды при нормальных условиях.

Q_max = 2260•1 = 2260 кДж/с.

Соответственно, тепловая нагрузка, воспринимаемая элементом МОУ, может изменяться в 2260/4,19 ≈ 540 раз.

Литература
1. А.с. SU N 1783268, Мкл. F 28 D 15/02, 1991.

2. А.с. SU N 1673824, Мкл. F 28 D 15/02, 1989.

3. А.В.Лыков. Тепломассообмен. Справочник. - М.: Энергия, 1978, 480 с.

4. И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, 480 с.

5. А.А.Угинчус. Гидравлика и гидравлические машины. - Х.: ХГУ, 1966, 400 с.

6. В.Н.Богословский, А.Н.Сканави. Отопление. - М.: Стройиздат, 1991, 736 с.

Устройство предназначено для применения в энергомашиностроении, а именно может быть использовано для охлаждения поверхностей, находящихся под воздействием переменной тепловой нагрузки. Мультиохлаждающее устройство содержит N элементов, каждый из которых представляет собой корпус с ребрами, примыкающий к охлаждаемой поверхности, внутри которого помещены зоны испарения и конденсации, заполненные и мелко-, и крупнопористым гидрофильным и гидрофобным материалами соответственно, зоны транспорта нагретой и охлажденной жидкости, заполненные капиллярным гидрофильным материалом, перегородка, имеющая форму усеченной призмы с паровыми соплами и канавками парового коллектора, выполненная из гидрофобного материала, полость, причем боковые стенки каждого элемента являются смежными стенками примыкающих к нему других элементов. Техническим результатом изобретения является расширение диапазона тепловой нагрузки и обеспечение дифференцированного охлаждения нагретой поверхности. 1 ил.

Мультиохлаждающее устройство, которое содержит элементы, состоящие из корпуса с расположенными в нем зонами конденсации, испарения и транспорта, отличающееся тем, что зоны конденсации и испарения расположены на противоположных стенках и снабжены капиллярно-пористой структурой, системы пароотводящих каналов, помещенных в полость между зонами испарения и конденсации в центральной части корпуса, зоны нагрева и испарения заполнены гидрофильным мелкопористым материалом на высоту, равную высоте поднятия жидкости в капиллярах материала, зона охлаждения и конденсации заполнена гидрофобным крупнопористым материалом на высоту, равную высоте зоны нагрева и испарения, зона транспорта нагретой жидкости заполнена гидрофильным материалом с коническими капиллярами, направленными вершинами конуса по нормали к зоне охлаждения и конденсации, к которой примыкают паровые канавки, выполненные в смежной с другими элементами стенке корпуса и покрытые гидрофобным материалом, зона транспорта охлажденной рабочей жидкости, соединяющая нижние части зон конденсации и испарения, заполнена гидрофильным материалом с коническими капиллярами, направленными вершинами конусов по нормали к зоне нагрева и испарения, перегородка, примыкающая к зоне нагрева и испарения, имеющая форму усеченной призмы, выполненная из гидрофобного материала с коническими соплами, размещенными равномерно в шахматном порядке, направленными вершиной конуса сопла в сторону испарительной зоны, к входным отверстиям которых подведены канавки парового коллектора, буферная полость, размещенная между перегородкой и зоной конденсации, причем боковые стенки каждого охлаждающего элемента являются смежными стенками с примыкающими к нему близлежащими охлаждающими элементами.