ТЕПЛОВАЯ ТРУБА Российский патент 2003 года по МПК F28D15/02 

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

Известно большое количество конструкций ТТ.

Известна ТТ, описанная в [1]. Она содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный 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.

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.

Близкой по технической сущности к изобретению является ТТ, предложенная в [2]. Она содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки корпуса размещена капиллярная структура (фитиль) в виде не менее чем 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.

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, повышает 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 жидкой фазы рабочего тела.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является ТТ, предложенная в [3]. Она содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки корпуса размещена капиллярная структура (фитиль) в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана, в которой выполнены отверстия двух размеров, причем большие отверстия диаметром D выполнены лишь в капиллярной структуре в зоне испарения и размещены с относительным шагом Т, выбранным из соотношения Т=(10-20)D<Rтт, где Rтт - 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.

Рассмотренная ТТ с описанной капиллярной структурой является высокоэффективным теплопередающим устройством, в особенности в условиях невесомости. Наличие в капиллярной структуре зоны испарения ТТ пароотводящих отверстий, которые больше характерного размера капиллярной структуры, повышает устойчивость энергонапряженных ТТ по механизму вскипания жидкой фазы рабочего тела в зоне испарения.

Однако большое количество паровыпускных отверстий, размещенных в зоне испарения ТТ, снижает эффективную рабочую поверхность зоны испарения ТТ, что требует или увеличения длины зоны испарения, а следовательно, и всей длины ТТ, или снижения средней плотности теплового потока в зоне испарения.

Задачей изобретения является обеспечение возможности реализации в зоне испарения ТТ предельно возможных тепловых потоков с исключением возможности перекрытия всего потока жидкого рабочего тела из зоны конденсации в зону испарения при возможности возникновения процессов неустойчивости из-за вскипания теплоносителя в отдельных районах зоны испарения ТТ за счет локализации образующихся паровых пузырей без осушения всей зоны испарения.

Указанная задача реализуется 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 в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана, в которой по крайней мере в зоне испарения в зазоре между внутренней поверхностью стенки корпуса и наружной поверхностью капиллярной структуры плотно установлены не менее чем две продольные гибкие перегородки. Продольные перегородки могут быть выполнены корытообразными, установлены с равномерным шагом или изготовлены из фольги.

Чертежи на фиг.1-4 поясняют суть предложенного решения. На фиг.1 приведен продольный разрез ТТ, на фиг.2 и 3 - поперечные сечения ТТ в зоне испарения и зоне конденсации соответственно, а на фиг.4 - вариант выполнения перегородки в зоне испарения ТТ.

ТТ содержит герметичный корпус 1 с зонами испарения 2, конденсации 3 и адиабатической зоны 4. Внутри корпуса 1 с зазором 5 относительно внутренней стенки корпуса 1 размещена капиллярная структура 6, например, в виде не менее чем одного слоя перфорированного экрана с отверстиями 7, часть 8 из которых может быть выполнена с диаметром, больше размера зазора 5. В зоне испарения 2 в зазоре 5 между внутренней поверхностью стенки корпуса 1 и наружной поверхностью капиллярной структуры 6 плотно установлены не менее чем две продольные перегородки 9. Продольные перегородки 9 могут быть выполнены корытообразными и установлены с равномерным шагом.

ТТ работает следующим образом.

В исходном состоянии ТТ заполнена рабочим телом, например натрием, жидкая фаза которого располагается в зазоре 5 и в капиллярной структуре 6. При нагреве корпуса 1 в зоне испарения 2 тепло передается жидкой фазе рабочего тела, которое испаряется преимущественно через развитую поверхность мелких отверстий 7 капиллярной структуры 6. Пар рабочего тела в паровом объеме 10 переносится из зоны испарения 2 через адиабатическую зону 4 в зону конденсации 3. Здесь благодаря отводу тепла с внешней стороны ТТ к капиллярной структуре 6 происходит конденсация паровой фазы рабочего тела, а выделяющееся при этом тепло отводится с наружной поверхности зоны конденсации 3. Сконденсировавшееся рабочее тело по зазору 5 и капиллярной структуре 6 из зоны конденсации 3 через адиабатическую зону 4 возвращается в зону испарения 2, где процесс повторяется снова.

Благодаря малым размерам отверстий 7 капиллярной структуры 6 образуется устойчивая граница пар - жидкость как в зоне испарения 2, так и в зоне конденсации 3 (и в адиабатической зоне 4 между ними, если она имеется в ТТ). Благодаря относительно большой величине зазора 5 и, следовательно, невысокому гидравлическому сопротивлению по жидкой фазе рабочего тела, обеспечивается высокий массовый расход рабочего тела, а следовательно, и высокая энергонапряженность ТТ. Однако при высоких тепловых нагрузках возможно образование в зазоре 5 случайных паровых пузырей, которые не могут пройти через мелкоячеистую структуру отверстий 7, так как размер этих пузырей может быть больше диаметра отверстия 7. Если в зоне испарения отсутствуют продольные перегородки 9, а количество больших отверстий 8 ограничено, то паровой пузырь постепенно будет разрастаться и перекроет тракт жидкой фазе в зазоре 5 по всему периметру и ТТ перейдет в неустойчивый режим работы. Благодаря наличию перегородок 9 случайно образовавшийся паровой пузырь будет локализован в части зазора 6 внутри двух соседних перегородок 9. В результате работоспособность ТТ при больших тепловых потоках будет сохранена с некоторым увеличением тепловой нагрузки на работоспособные участки зоны испарения 2 ТТ. В дальнейшем паровой пузырь спокойно выйдет из зазора 5 через большое отверстие 8 в паровое пространство 10, и каких-либо нарушений режимов работы ТТ не будет.

Упругие перегородки 9 необходимо установить лишь там, где возможно образование больших пузырей, т.е. в зоне испарения 1, возможно с небольшим перекрытием адиабатической зоны 4.

Для исключения любых перемещений упругих перегородок 9 они должны быть установлены плотна в зазоре 5 между внутренней стенкой корпуса 1 и наружной поверхностью капиллярной структуры 6.

Для исключения деформации капиллярной структуры 6 при изменении температуры корпуса 1 и капиллярной структуры 6 перегородки 9 должны быть упругими, например корытообразными, как это показано на фиг.4. В результате упругих свойств перегородок 9 будет обеспечен, во-первых, плотный контакт упругих перегородок 9 с внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью капиллярной структуры 6 и, во-вторых, отсутствие деформации капиллярной структуры 6 при изменении температурных режимов работы ТТ. К качестве упругих перегородок 9 лучше всего использовать фольгу.

Так как паровые пузыри могут образовываться случайно, то наиболее целесообразно перегородки 9 размещать с равномерным шагом по периметру ТТ, в результате чего образование пузыря в зазоре любой части зоны испарения будет приводить к одинаковому и прогнозируемому результату.

Таким образом, введение продольных упругих перегородок в зоне испарения ТТ обеспечивает локализацию случайно образовавшихся паровых пузырей в зоне испарения и тем самым защиту от неустойчивостей режимов работы при сохранении высокой энергонапряженности ТТ.

Источники информации
1. Дан П.Т. и Рей Д.А. Тепловые трубы. - М.: Энергия, 1979, с. 83-90 - аналог.

2. Тепловая труба. SU а.с. 1011997, F 28 D 15/02, 1983 - аналог.

3. Тепловая труба. Патент RU 2083940, F 28 D 15/02, В 64 G 1/50, 1997 - прототип.

Изобретение относится к энергетике и теплофизике и может быть использовано при создании теплопередающих тепловых труб, преимущественно энергонапряженных. Тепловая труба содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус. Внутри корпуса с зазором относительно его внутренней стенки установлена капиллярная структура в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана. По крайней мере, в зоне испарения в зазоре между внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью капиллярной структуры плотно установлены не менее чем две гибкие продольные перегородки. Перегородки могут быть выполнены корытообразными, изготовлены из фольги и установлены с равномерным шагом. Использование изобретения позволит обеспечить предельно возможные тепловые потоки и исключить перекрытие канала жидкого потока из-за вскипания теплоносителя. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. 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 в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана, отличающаяся тем, что по крайней мере в зоне испарения в зазоре между внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью капиллярной структуры плотно установлены не менее чем две продольные упругие перегородки.2. Тепловая труба по п. 1, отличающаяся тем, что продольные перегородки выполнены корытообразными.3. Тепловая труба по п. 1, отличающаяся тем, что продольные перегородки установлены с равномерным шагом.4. Тепловая труба по п. 1, отличающаяся тем, что каждая продольная перегородка выполнена из Фольги.