ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2006 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к области теплопередающих устройств и может быть использовано для отвода тепла в различных средах, в частности для искусственного замораживания грунта при строительстве различных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях, например в районах распространения вечной мерзлоты. Изобретение может быть использовано в грунтовых тепловых насосах, а также для охлаждения протяженных конструкций, например лазеров, при вертикальном или близком к тому расположении.

Известно теплопередающее устройство, в частности для замораживания грунта основания под сооружением (а.с. СССР № 872640, Е 02 D 3/115, 1981 г.). Данное теплопередающее устройство содержит вертикальный конденсатор и заглубленный в грунт с уклоном к горизонту испаритель, выполненный в виде частично заполненных низкокипящим жидким агентом труб, при этом каждая труба выполнена по длине ломаной с чередующимися восходящими и нисходящими участками.

В холодное время года пары низкокипящего жидкого агента конденсируются на внутренней поверхности конденсатора и стекают по ней вниз. Далее конденсат стекает по трубе испарителя до ее первой впадины между нисходящим и восходящим участками, где небольшая порция конденсата испаряется, а остальная часть стекает до следующей впадины трубы испарителя, в которой испаряется следующая порция конденсата, а остальная часть стекает далее до следующей впадины трубы и т.д. Испарение конденсата низкокипящего жидкого агента сопровождается поглощением тепла, которое берется из грунта основания под сооружением, что сопровождается его охлаждением.

Недостатками этого известного устройства является наличие испарения в небольшом по высоте слое, вследствие почти горизонтального расположения зоны испарения трубы, а также сложность изготовления и неравномерность поля температуры, что снижает эффективность замораживания и затрудняет запуск устройства в работу после отепления конденсатора.

Известно теплообменное устройство - тепловая труба (патент РФ № 2083941, МПК F 28 D 15/04, опубл. 10.07.97 г.), содержащее частично заполненный рабочей средой секционированный испаритель, парожидкостной коллектор и конденсатор, при этом секции испарителя подключены к коллектору непосредственно, стенки его изнутри снабжены фитильным покрытием, а конденсатор расположен в его полости.

Пар рабочей среды конденсируется на стенках секций конденсатора и стекает на фитиль. Благодаря избыточному количеству жидкой фазы рабочей среды в фитиле обеспечивается надежный контакт ее со стенками нижней секции и верхней секции коллектора и теплоотвод от охлаждаемой среды. Фитиль при этом выполняет главным образом функции распределителя конденсатора между секциями испарительной поверхности или патрубками, куда стекает конденсат с фитиля верхней секции коллектора. Охлаждающая среда проходит внутри секций конденсатора и, воспринимая тепло конденсации, нагревается.

Недостатком этой конструкции является то, что тепловая труба имеет ограниченную длину и потому не применима в тех случаях, где требуется отвод тепла на более протяженных участках.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является парожидкостное устройство для замораживания грунта (а.с. СССР № 1543007, E 02 D 3/315, 15.02.90).

Данное устройство обеспечивает течение жидкой фазы теплоносителя от конденсатора к испарителю по тепловой трубе сначала по центральной осевой части трубы, не касаясь стенок трубы, а затем по стенкам трубы. Во внутреннюю часть трубы введены конденсатосборник и конденсатораспределитель. Таким образом, внутренняя часть трубы делится на три зоны: зону конденсатора, в которой поток жидкости по стенкам стекает к конденсатосборнику, зону от конденсатосборника до конденсатораспределителя, в которой жидкая фаза перемещается по оси трубы, не касаясь стенок трубы, и зону испарителя, где жидкая фаза стекает по стенкам трубы и забирает тепло от грунта. Конденсатосборник выполнен в виде конусной тарелки с осевым сливным патрубком. Конденсатораспределитель выполнен в виде перевернутого стакана-разбрызгивателя с боковыми окнами, опертого на перегородку, установленную с зазором относительно стенки корпуса. Стенка корпуса с перегородкой соединены кольцом, выполненным из пористого материала. Ниже конденсатораспределителя по внутренней поверхности корпуса размещены кольцевые проточки для выравнивания потока хладагента и его равномерного распределения по внутренней поверхности корпуса.

Данное известное устройство имеет недостаточно высокую эффективность, т.к. теплоносителем смочена небольшая поверхность трубы. Кроме того, оно имеет сложную конструкцию, а запуск его в работу затруднен.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение эффективности за счет увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем. Другими результатами, обеспечиваемыми предлагаемым изобретением, являются упрощение конструкции, а также облегчение запуска устройства в работу.

Поставленная задача решается следующим образом.

Заявляемое теплопередающее устройство так же, как и указанное выше наиболее близкое к нему известное устройство, содержит герметичную трубу с зонами конденсации и испарения, заправленную теплоносителем, на внутренней поверхности которой имеются карманы, причем согласно изобретению карманы, служащие для задерживания стекающего конденсата, расположены в зоне испарения и выполнены кольцевыми или образованы частями спиралевидной поверхности, примыкающей своим нижним краем под острым углом к внутренней стенке трубы, которые отделены друг от друга радиальными перегородками, причем кольцевой карман образован боковой поверхностью усеченного конуса, примыкающей большим основанием к внутренней стенке указанной трубы.

Согласно второму пункту изобретения, по меньшей мере, некоторые из расположенных один над другим карманов находятся на таком расстоянии, что между их обращенными одна к другой поверхностями имеет место капиллярный эффект.

Согласно третьему пункту изобретения в теплопередающем устройстве имеет место чередование капиллярных и некапиллярных карманов.

Таким образом, благодаря наличию на внутренней стенке трубы в зоне испарения карманов, в которых задерживается конденсат, стекающий по внутренней поверхности трубы, достигается увеличение поверхности трубы, смоченной теплоносителем, а следовательно, и повышение эффективности работы устройства. Кроме того, заявляемое устройство является более простым в конструктивном отношении, а также в эксплуатации.

Карманы, выполненные на внутренней стенке трубы в зоне испарения, могут быть выполнены кольцевыми. В частности, каждый кольцевой карман может быть образован примыкающей к внутренней стенке трубы боковой поверхностью усеченного конуса, примыкающей большим основанием к внутренней стенке трубы.

Возможно также образование карманов, отделенными друг от друга, радиальными перегородками, частями спиралевидной поверхности, примыкающей своим нижним краем под острым углом к внутренней поверхности трубы.

Кольцевые карманы могут быть расположены по высоте на столь малом расстоянии один от другого, что в промежутке между ними возникает капиллярный эффект. Если такие кольцевые карманы сгруппированы попарно таким образом, что расстояние между карманами соседних пар не удовлетворяет указанному условию, то будет иметь место чередование некапиллярных и капиллярных карманов.

Аналогично могут быть выполнены и карманы, образованные спиралевидной поверхностью. Например, при выполнении спиралевидной поверхности с достаточно малым шагом капиллярный эффект будет иметь место между любыми соседними по высоте витками спирали. В случае выполнения спиралевидной поверхности двухзаходной с малым расстоянием между витками разных заходов и относительно большим шагом капиллярный эффект будет возникать только в малых промежутках между соседними витками, принадлежащими разным заходам. В этом случае будет иметь место чередование капиллярных и некапиллярных карманов.

Благодаря наличию капиллярного эффекта конденсат в соответствующих карманах образует мениск, и поверхность испарения увеличивается, а в карманах, образованных спиралевидной поверхностью, кроме того, уменьшается скорость стекания конденсата.

Во всех случаях объем заправленного теплоносителя должен быть больше суммарного объема выполненных на внутренней стенке трубы капиллярных и/или некапиллярных карманов.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показано теплопередающее устройство в разрезе.

На фиг.2 и фиг.3 приведены примеры выполнения кольцевых карманов.

На фиг.4 изображено теплопередающее устройство с карманами, образованными частями спиралевидной поверхности.

На фиг.5 показан вид А теплопередающего устройства, изображенного на фиг.4.

На фиг.6 изображено теплопередающее устройство с карманами, образованными частями спиралевидной поверхности с капиллярными карманами.

На фиг.7 показан вид А теплопередающего устройства, изображенного на фиг.6.

Теплопередающее устройство содержит (фиг.1) трубу 1 с зонами конденсации 4 и испарения 5. Стрелками указано направление подведения тепла Q в зоне испарения и отведения тепла Q в зоне конденсации. Труба заправлена теплоносителем 3. В качестве теплоносителя могут быть использованы аммиак или фреон-22. На внутренней стенке трубы в зоне испарения выполнены карманы 2.

Карманы, показанные на фиг.2, выполнены кольцевыми. Карман образован примыкающей к стенке трубы боковой поверхностью конуса 10, расширяющегося в сторону зоны конденсации, то есть нижнее основание этого конуса больше верхнего и диаметр его равен диаметру внутренней стенки трубы.

В этом случае конденсат 9, стекая по стенке трубы 1, задерживается в карманах равномерно по всей стенке испарителя 5. Испарение конденсата 9 происходит за счет тепла, отбираемого от смежной с испарителем среды. Контактирующая с испарителем среда равномерно охлаждается по всей длине испарителя 5.

Возможны и другие варианты исполнения карманов, названные выше при раскрытии предлагаемого изобретения.

Кольцевой карман, показанный на фиг.3, образован в трубе, состоящей из тонкого слоя металла 7, например алюминия или стали, с нанесенным на него снаружи по всей поверхности композиционным материалом 6, образующим жесткий каркас. Кольцевой карман в этом случае тоже выполнен в виде примыкающего к стенке трубы конуса 8, расширяющегося в сторону зоны конденсации 4.

Карман, показанный на фиг.4, образован частью спиралевидной поверхности 11, примыкающей одним своим краем под острым углом к внутренней поверхности трубы 1. Части спиралевидной поверхности 11 отделены друг от друга радиальными перегородками 13, показанными на фиг.5.

Карманы могут быть выполнены капиллярными (фиг.6), т.е. такими, в которых конденсат лучше заполняет пространство между стенками кармана благодаря силам поверхностного натяжения. Возможен вариант выполнения чередующихся между собой капиллярных и некапиллярных карманов. В этом случае достаточно выполнение одной радиальной перегородки на виток, образованной, например, стенкой продольного паза 12 по всей длине трубы (фиг.6).

Если карманы выполнены с небольшим капиллярным напором, то жидкость находится вблизи перегородки в каждой секции спиралевидного кармана. Если же капиллярный напор достаточен, то теплоноситель заполняет всю секцию длиной в один виток.

Устройство работает следующим образом.

Пары теплоносителя 3 поднимаются в зону конденсации 4, конденсируются на стенке трубы и стекают по ней в зону испарения 5. При движении вниз по стенке жидкость заполняет карманы, равномерно распределяясь по поверхности зоны испарения. Испарение конденсата сопровождается поглощением теплоты, забираемой от смежной контактирующей с поверхностью трубы среды. Таким образом, среда, в которую помещается предлагаемое теплопередающее устройство, охлаждается. По мере испарения и дальнейшей конденсации карманы вновь пополняются стекающим теплоносителем. Длина трубы, глубина карманов и частота их расположения подбираются в зависимости от необходимой температуры охлаждения среды.

Таким образом, конструкция предлагаемого устройства максимально проста, поскольку его механическая часть отличается от обычной трубы только наличием карманов на ее внутренней стенке. Каких-либо специальных действий для запуска заправленного устройства в работу не требуется.

Устройство может быть использовано для замораживания и нагрева грунта, в грунтовых тепловых насосах, для охлаждения протяженных конструкций, например лазеров при вертикальном расположении, и имеет другие области применения.

Изобретение предназначено для применения в теплопередающих устройствах, а именно может быть использовано для отвода тепла в различных средах. Теплопередающее устройство содержит герметичную трубу с зонами конденсации и испарения, заправленную теплоносителем, на внутренней поверхности которой имеются карманы, причем карманы, служащие для задерживания стекающего конденсата, расположены в зоне испарения и выполнены кольцевыми или образованы частями спиралевидной поверхности, примыкающей своим нижним краем под острым углом к внутренней стенке трубы, которые отделены друг от друга радиальными перегородками, причем кольцевой карман образован боковой поверхностью усеченного конуса, примыкающей большим основанием к внутренней стенке указанной трубы. Кроме того, по меньшей мере, некоторые из расположенных один над другим карманов находятся на таком расстоянии, что между их обращенными одна к другой поверхностями имеет место капиллярный эффект. Изобретение позволяет повысить эффективность теплопередачи за счет увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем, а также упростить конструкцию и облегчить запуск устройства в работу. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Теплопередающее устройство, содержащее герметичную трубу с зонами конденсации и испарения, заправленную теплоносителем, на внутренней поверхности которой имеются карманы, отличающееся тем, что карманы, служащие для задерживания стекающего конденсата, расположены в зоне испарения и выполнены кольцевыми или образованы частями спиралевидной поверхности, примыкающей своим нижним краем под острым углом к внутренней стенке трубы, которые отделены друг от друга радиальными перегородками, причем кольцевой карман образован боковой поверхностью усеченного конуса, примыкающей большим основанием к внутренней стенке указанной трубы.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, некоторые из расположенных один над другим карманов находятся на таком расстоянии, что между их обращенными одна к другой поверхностями имеет место капиллярный эффект.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в нем имеет место чередование капиллярных и некапиллярных карманов.