Тепловая труба Российский патент 2004 года по МПК F28D15/00 

Назначение: изобретение относится к энергетике и теплофизике и может быть использовано при создании нагреваемых теплоносителем теплопередающих тепловых труб, преимущественно энергонапряженных, в том числе для холодильников-излучателей космических энергоустановок.

Известно большое количество схемно-конструктивных решений тепловых труб (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 не ограничена. 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 большого 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. Эффективность такой ТТ резко снижается при нагреве зоны испарения протекающим вдоль этой зоны теплоносителем, например, при использовании ТТ в составе холодильника-излучателя космической энергоустановки с жидкометаллическим теплоносителем.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является ТТ, предложенная в [3]. Она содержит обогреваемый в зоне испарения снаружи и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого 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 зане 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 эффективность рассматриваемой ТТ резко снижается для практически важного случая, когда нагрев зоны испарения осуществляется теплоносителем, протекающим снаружи корпуса вдоль зоны испарения (от края ТТ к границе зон испарения и адиабатической). Такая схема нагрева зоны испарения ТТ используется в холодильниках-излучателях космических энергетических установок, в том число ядерно-энергетических (ЯЭУ). Снижение эффективности связано с явлением рекуперации внутри зоны испарения ТТ. Так как протекающий вдоль зоны испарения теплоноситель охлаждается, то распределение температур корпуса ТТ и, следовательно, внутренней поверхности капиллярной структуры вдоль зоны испарения будет неравномерным, а именно температура корпуса ТТ у края будет выше, чем у границы зон испарения и адиабатической. В результате пар рабочего тела также будет иметь разную температуру вдоль зоны испарения, а следовательно, по крайней мере часть пара рабочего тола, испарившегося у края ТТ, сконденсируется не в зоне конденсации ТТ, а в зоне испарения на участках вблизи границы зон испарения и адиабатической. Тем самым часть тепла вернется в теплоноситель, т.е. произойдет так называемая рекуперация тепла. В результате при высоких плотностях тепловых потоков от теплоносителя через корпус к капиллярной структуре в зоне испарения (по крайней мере у края ТТ) эффективный коэффициент теплопередачи от теплоносителя ко всей зоне испарения ТТ будет низким. Это потребует увеличения количества ТТ в холодильнике-излучателе для сброса требуемой тепловой мощности энергетической установки.

Задачей изобретения является обеспечение возможности реализации в зоне испарения ТТ предельно возможных тепловых потоков с исключением возможности рекуперации тепла вдоль зоны испарения для практически важного случая, когда нагрев зоны испарения осуществляется теплоносителем, протекающим снаружи корпуса вдоль зоны испарения (от края ТТ к границе зон испарения и адиабатической).

Указанная задача реализуется в ТТ, содержащей герметичный корпус с обогреваемой снаружи зоной испарения, адиабатической зоной и охлаждаемой зоной конденсации, с размещенной у внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, в которой в зоне испарения и по крайней мере в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, капиллярная структура выполнена профилированной с внутренней поверхностью в зоне испарения в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, в виде дозвукового диффузора.

Чертеж продольного сечения ТТ поясняет сущность предложенного решения.

ТТ содержит герметичный корпус 1 с зонами испарения 2, конденсации 3 и адиабатической зоны 4. Снаружи корпуса 1 вдоль зоны испарения 2 размещена система обогрева зоны испарения 2 в виде коаксиально размещенной с зазором 5 относительно наружной поверхности корпуса 1 трубки 6, снабженной патрубками 7 и 8 для входа и выхода теплоносителя соответственно. В зазоре 5 в рабочем режиме протекает греющий теплоноситель, например жидкий металл, направление его движения показано стрелками. Внутри корпуса 1 вдоль внутренней стенки размещена капиллярная структура 9, например, в виде сетки, войлока или не менее чем одного слоя перфорированного экрана с отверстиями. Капиллярная структура 9 в зоне испарения 2 выполнена профилированной, а именно с увеличивающейся толщиной от края 10 ТТ к границе 11 между зонами испарения 2 и адиабатической 4. Профилирование толщины капиллярной структуры выполнено таким образом, что внутренняя поверхность 12 в зоне испарения образует дозвуковое сопло по паровому объему 13 в зоне испарения с критическим (минимальным) сечением на границе 11 зон испарения и адиабатической. Профилирование толщины капиллярной структуры выполнено также в части 14 адиабатической зоны 4, причем таким образом, что внутренняя поверхность 15 капиллярной структуры в части 14 адиабатической зоны 4 по паровому объему 16 в части 14 адиабатической зоны образует дозвуковой диффузор с минимальным сечением на границе 11 зон испарения 2 и адиабатической 4. В конце (по ходу пара) части 14 адиабатической зоны толщина капиллярной структуры становится обычной и равной толщине капиллярной структуры 9 в зоне конденсации 3, а сечение по паровому объему 16 становится равный сечению 17 по паровому объему зоны конденсации 3.

ТТ работает следующим образом.

В исходном состоянии ТТ заполнена рабочий телом, например натрием, жидкая (или твердая) фаза которого располагается в капиллярной структуре 9.

В рабочем режиме греющий теплоноситель входит в патрубок 7, движется в зазоре 5 трубки 6, после чего выходит через патрубок 8, как это показано стрелками на чертеже.

При движении в зазоре 5 трубки 6 теплоноситель нагревает корпус 1 в зоне испарения 2, при этом сам теплоноситель охлаждается, т.е. его температура максимальна при входе в патрубок 7 и минимальна при выходе из патрубка 8.

При нагреве корпуса 1 в зоне испарения 2 тепло передается находящейся в капиллярном структуре жидкой фазе рабочего тела, которое испаряется с поверхности 12 капиллярной структуры 9. Пар рабочего тела в паровом объеме 13 переносится из зоны испарения 2 в паровой объем 16 адиабатической зоны 4 и далее в паровой объем 17 зоны конденсации 3. В зоне конденсации 3 благодаря отводу тепла с внешней стороны ТТ на внутренней поверхности капиллярной структуры 9 происходит конденсация паровой фазы рабочего тела, а выделяющееся при этом тепло отводится с наружной поверхности зоны конденсации 3. Сконденсировавшееся рабочее тело по капиллярной структуре 9 из зоны конденсации 3 через адиабатическую зону 4 возвращается в зону испарения 2, где процесс повторяется снова.

Так как протекающий вдоль зоны испарения 2 в зазоре 5 трубки 6 теплоноситель охлаждается, то распределение температур корпуса ТТ и, следовательно, внутренней поверхности 12 капиллярной структуры вдоль зоны испарения будет неравномерным, а именно температура корпуса 1 (и соответственно поверхности 12 капиллярной структуры) у края 10 будет выше, чем у границы 11 зон испарения и адиабатической. В результате испарившийся пар рабочего тела будет иметь не только разную температуру вдоль зоны испарения, но и разное давление насыщения, понижающиеся от края 10 ТТ к границе 11 зон испарения и адиабатической.

Если бы толщина капиллярной структуры 9 во всех трех зонах (2-й, 3-й, 4-й) была одинаковой, то по крайней море часть пара рабочего тела, испарившегося на участках зоны испарения вблизи края 10 ТТ, сконденсировалась бы не в зоне конденсации 3 ТТ, а в зоне испарения 2 на участках вблизи границы 11 зон испарения и адиабатической. Тем самым часть тепла вернулась бы в теплоноситель, т.е. произошла бы рекуперация тепла. В результате при высоких плотностях тепловых потоков от теплоносителя через корпус к капиллярной структуре в зоне испарения 2 (по крайней мере на участках у края 10), эффективный коэффициент теплопередачи от теплоносителя ко всей зоне испарения 2 был бы низким.

Для исключения процесса рекуперации тепла в зоне испарения 2 и тем самым повышения эффективности ТТ с рассматриваемой схемой нагрева зоны испарения протекающим теплоносителем с потерей температурного напора необходимо понижать температуру пара при движении в паровом объеме 13 вдоль зоны испарения 2 от края 10 к границе 11. Это может быть достигнуто уменьшением сечения парового потока вдоль зоны испарения. Для этого капиллярная структура в зоне испарения 2 выполнена профилированной, т.е. разной толщины таким образом, что внутренняя поверхность 12 капиллярной структуры образует дозвуковое сопло. В таком сопле происходит гидродинамическое ускорение пара с возрастанием скорости его движения от края 10 к границе 11. По закону сохранения энергии с увеличением скорости движения пара снижается его температура, т.е. температура пара при движении в паровой объеме 13 от края 10 до границы 11 будет понижаться. В результате будет наблюдаться одновременное понижение температур как теплоносителя при движении в зазоре 5, так и пара рабочего тела при движении в паровом объеме 13. Следовательно, конденсации пара на участках зоны испарения вблизи границы 11 практически не будет или она будет существенно меньше, чем в ТТ с непрофилированной капиллярной структурой.

Предотвратив конденсацию пара в зоне испарения за счет соответствующего постепенного понижения давления и температуры пара в зоне испарения, необходимо с минимальными потерями восстановить рабочие давление к температуру пара в зоне конденсации 3. Для этого на начальном участке 14 адиабатической зоны 4 необходимо установить дозвуковой диффузор, например, в виде образованной поверхностью 15 профилированной капиллярной структуры. При движении пара в паровом пространстве 16 такого диффузора с увеличивающимся сочетанием потока пара его скорость снижается с соответствующим повышением его давления и температуры. В результате температура пара в зоне конденсации 3 будет почти такая же, как на начальном участке (вблизи края 10) зоны испарения 2.

Таким образом, выполнение капиллярной структуры профилированной с внутренней поверхностью в зоне испарения в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, в виде дозвукового диффузора за счет исключения рекуперации тепла вдоль зоны испарения обеспечивает возможность реализации в зоне испарения продольно возможных тепловых потоков для практически важного случая, когда нагрев зоны испарения осуществляется теплоносителем, протекающим снаружи корпуса вдоль зоны испарения тепловой трубы.

Источники информации

1. П.Т. Дан и Д.А. Рей. 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 предназначено для применения в энергетике и теплофизике, а также может быть использовано при создании нагреваемых теплоносителем теплопередающих тепловых труб (ТТ), преимущественно энергонапряженных, в том числе для холодильников-излучателей космических энергоустановок. Тепловая труба содержит герметичный корпус с обогреваемой снаружи зоной испарения, адиабатической зоной и охлаждаемой зоной конденсации, с размещенной у внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, причем в зоне испарения и в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, капиллярная структура выполнена профилированной с внутренней поверхностью в зоне испарения в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны - с внутренней поверхностью в виде дозвукового диффузора. Изобретение позволяет обеспечить в зоне испарения ТТ предельно возможные тепловые потоки с исключением возможности рекуперации тепла вдоль зоны испарения в случаях нагрева зоны испарения теплоносителем, протекающим снаружи корпуса вдоль зоны испарения. 1 ил.

Тепловая труба, содержащая герметичный корпус с обогреваемой снаружи зоной испарения, адиабатической зоной и охлаждаемой зоной конденсации, с размещенной у внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, отличающаяся тем, что в зоне испарения и в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, капиллярная структура выполнена профилированной с внутренней поверхностью в зоне испарения в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны - с внутренней поверхностью в виде дозвукового диффузора.