ДВУХФАЗНЫЙ ТЕРМОСИФОН Российский патент 2017 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплообменным аппаратам с промежуточным теплоносителем в закрытых трубах, проходящих внутри стенок или через стенки каналов, в которых теплоноситель конденсируется и испаряется, и может быть использовано для охлаждения энергонасыщенного авиационного оборудования, систем отопления и других тепловыделяющих устройств.

Известен термосифон [RU 2373473 С1, МПК F28D 15/02 (2006.01), опубл. 20.11.2009], содержащий корпус, рабочий объем нижней камеры которого заполнен жидкостью, воронку, которой перегорожена нижняя камера с паропроводом для транспортировки пара, парогенератор в нижней камере и конденсатор в верхней камере. Конденсатором является охлаждаемая поверхность верхней камеры термосифона. Часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне. В нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу.

Недостатком этого устройства является унос капель жидкой фазы с паром в зону конденсации, что приводит к утолщению пленки жидкости на поверхности верхней камеры термосифона.

Известна тепловая труба [SU 1052828 А2, МПК F28D 15/02, опубл. 07.11.1983], которая представляет собой вертикальный корпус, частично заполненный теплоносителем, с зонами испарения и конденсации и коаксиальную вставку, размещенную внутри корпуса, с образованием в зоне испарения кольцевого канала. Верхний торец вставки выполнен с отбортовкой, плотно прилегающей к стенке корпуса и имеющей на закругленной поверхности сквозные отверстия для отвода образовавшихся в кольцевом канале паров теплоносителя в сторону зоны испарения. Внутри вставки установлен сепаратор, расположенный ниже отверстий.

Недостатком такого устройства является отсутствие клапана для сбрасывания части воздуха наружу и области для скапливания неконденсирующихся примесей, что значительно ухудшает интенсивность конденсации.

Известен двухфазный термосифон [RU 157300 U1, МПК F28D 15/00 (2006.01), опубл. 27.11.2015], выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус, состоящий из соединенных между собой верхней и нижней камер. Корпус выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности. Рабочий объем нижней камеры заполнен жидкостью и перегорожен воронкой с паропроводом для транспортировки пара. Узкая часть воронки соединена с паропроводом в форме витой трубы, внутренняя поверхность которой по всей длине снабжена прямоугольным выступом. Бортовая часть воронки выполнена с отверстиями, равномерно расположенными по окружности. Охлаждаемая поверхность верхней камеры является конденсатором. Часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне. В нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу.

Недостатком этого двухфазного термосифона является низкая интенсивность теплообмена, что обусловлено пленочной конденсацией на внутренней поверхности верхней камеры и высокой температурой на внешней поверхности.

Задачей изобретения является повышение интенсивности теплообмена в верхней камере двухфазного термосифона.

Предложенный двухфазный термосифон, так же как в прототипе, содержит корпус из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, состоящий из двух соединенных между собой верхней и нижней камер, при этом рабочий объем нижней камеры заполнен жидкостью и перегорожен воронкой, узкая часть которой соединена с паропроводом в форме витой трубы, внутренняя поверхность которой по всей длине снабжена прямоугольным выступом, а бортовая часть воронки выполнена с равномерно расположенными по окружности отверстиями, конденсатором является внутренняя поверхность верхней камеры, часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне, причем в нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу.

Согласно изобретению верхняя внутренняя поверхность корпуса снабжена одинаковыми равномерно расположенными прямоугольными выступами для капельной конденсации пара. Корпус и эти выступы выполнены из одного материала. Над корпусом прикреплена пластина, через сквозные равномерно расположенные отверстия которой пропущены силиконовые трубки, одни концы которых через перистальтический насос опущены в бак с дистиллированной водой, а к другим концам силиконовых трубок прикреплены полые иглы так, что они расположены над верхней поверхностью корпуса.

Прямоугольные выступы на верхней внутренней поверхности корпуса обеспечивают капельную конденсацию пара, интенсифицируя теплообмен в зоне конденсации двухфазного термосифона. Капли, падающие из полых игл, охлаждают верхнюю наружную поверхность корпуса термосифона. Таким образом, по сравнению с прототипом, повышается интенсивность теплообмена в верхней камере двухфазного термосифона.

На фиг. 1 представлена конструкция двухфазного термосифона.

На фиг. 2 показан узел А.

Двухфазный термосифон содержит цельный корпус 1 (фиг. 1) в виде соединенных между собой верхней 2 и нижней 3 соосно расположенных вертикальных цилиндрических камер с образованием снаружи, в месте их соединения, кольцевой площадки. Диаметр нижней камеры больше диаметра верхней камеры. В нижней камере 3, заполненной жидкостью, например раствором этилового спирта, размещена воронка 4, узкая часть которой соединена с паропроводом 5, расположенным в верхней камере 2 и имеющим форму витой трубы, на внутренней поверхности которой по всей ее длине выполнен прямоугольный выступ 6. На внутренней верхней поверхности корпуса 1 выполнены одинаковые равномерно расположенные прямоугольные выступы 7 (фиг. 2). Бортовая часть воронки 4 (фиг. 1) соединена с внутренними боковыми поверхностями нижней камеры 3 и выполнена с равномерно расположенными по окружности отверстиями 8. В нижней камере 3, выше уровня заполняющей ее жидкости, расположен выпускной клапан 9.

Над корпусом 1 размещена пластина 10, прикрепленная к нему с помощью приваренного к боковой поверхности корпуса 1 стержня 11. Через сквозные равномерно расположенные отверстия пластины 10 пропущены силиконовые трубки 12, одни концы которых через перистальтический насос 13 (Н) опущены в бак 14 с дистиллированной водой. К другим концам силиконовых трубок 12 прикреплены полые иглы 15 так, что они расположены на расстоянии 5 см над верхней поверхностью корпуса 1.

Корпус 1 и прямоугольные выступы 7 на его внутренней верхней поверхности выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (нержавеющая сталь, медь, латунь). Ширина каждого выступа составляет 5 мкм, его высота - 30 мкм. Ширина паза между выступами - 30 мкм.

Двухфазный термосифон работает следующим образом.

При установке двухфазного термосифона, например, на аккумуляторную батарею, подвод тепла происходит через дно нижней камеры 3, при этом осуществляется тепло- и массоперенос с изменением агрегатного состояния теплоносителя - жидкости. Так как плотности теплоносителя в зонах испарения и конденсации различны, то эта разность в значении плотностей теплоносителя создает движущийся напор под действием сил гравитации, создавая естественную циркуляцию в контуре термосифона. Парожидкостная смесь, образованная при кипении жидкости в нижней камере 3, собирается в воронку 4 и проходит по паропроводу в форме витой трубы 5 в верхнюю камеру 2, вытесняя воздух, при этом давление в термосифоне повышается. Капли жидкости задерживаются прямоугольным выступом 6 на внутренней поверхности витой трубы 5. Далее пар направляется на одинаковые равномерно расположенные прямоугольные выступы 7 на внутренней верхней поверхности корпуса 1. Происходит капельная конденсация пара, при которой капли 16 располагаются на выступах 7, а пар непосредственно контактирует с верхней стенкой зоны конденсации, при этом интенсивность теплообмена в зоне конденсации повышается, а давление в контуре снижается. Через полые иглы 15, расположенные над верхней поверхностью корпуса 1, перистальтическим насосом 13 (Н) из бака 14 с водой по силиконовым трубкам 12, пропущенным через сквозные равномерно расположенные отверстия пластины 10, нагнетаются капли 17, которые, попадая на верхнюю наружную поверхность корпуса 1 термосифона, охлаждают ее. По стенкам внутренней поверхности корпуса 1 верхней камеры 2 конденсат стекает вниз в зону испарения, где через отверстия 8 в бортовой части воронки 4 жидкость возвращается в нижнюю камеру 3, в которой скапливаются несконденсированные пары и большая часть воздуха. С увеличением нагрева дна нижней камеры 3 давление в корпусе 1 достигает значения, при котором срабатывает установленный в нижней камере 3 выпускной клапан 9 и часть воздуха удаляется из термосифона.

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплообменным аппаратам и может быть использовано для охлаждения энергонасыщенного авиационного оборудования, системы отопления и других тепловыделяющих устройств. Устройство содержит цельный корпус, состоящий их двух соосно расположенных вертикальных цилиндрических камер, верхней и нижней. Диаметр нижней камеры больше диаметра верхней камеры. В нижней камере, заполненной жидкостью, размещена воронка, узкая часть которой соединена с паропроводом, расположенным в верхней камере и имеющим форму витой трубы, на внутренней поверхности которой по всей ее длине выполнен прямоугольный выступ. На внутренней верхней поверхности корпуса выполнены одинаковые равномерно расположенные прямоугольные выступы, на которых образуются капли конденсата. Над верхней поверхностью корпуса расположены полые иглы, через которые перистальтическим насосом из бака с водой по силиконовым трубкам, пропущенным через сквозные равномерно расположенные отверстия пластины, закрепленной с помощью стержня, приваренного к боковой поверхности корпуса, нагнетаются капли, охлаждающие верхнюю наружную поверхность корпуса термосифона. Бортовая часть воронки соединена с внутренними боковыми поверхностями нижней камеры и выполнена с равномерно расположенными по окружности отверстиями для перетока жидкости. Часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне. В нижней камере, выше уровня заполняющей ее жидкости, расположен выпускной клапан, через который часть воздуха удаляется из термосифона. Корпус и прямоугольные выступы на его внутренней верхней поверхности выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности. Технический результат: повышение эффективности передачи тепла от охлаждаемой части к нагреваемому участку путем интенсификации теплообмена в верхней камере двухфазного термосифона. 2 ил.

Двухфазный термосифон, содержащий корпус из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, состоящий их двух соосных вертикальных цилиндрических камер, верхней и нижней, при этом рабочий объем нижней камеры заполнен жидкостью и перегорожен воронкой, узкая часть которой соединена с паропроводом в форме витой трубы, внутренняя поверхность которой по всей длине снабжена выступом, а бортовая часть воронки выполнена с отверстиями, равномерно расположенными по окружности, конденсатором является охлаждаемая поверхность верхней камеры, часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне, причем на верхней торцевой части нижней камеры установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу, отличающийся тем, что верхняя внутренняя поверхность корпуса снабжена одинаковыми равномерно расположенными прямоугольными выступами для капельной конденсации пара, причем корпус и эти выступы выполнены из одного материала, над корпусом прикреплена пластина, через сквозные равномерно расположенные отверстия которой пропущены силиконовые трубки, одни концы которых через перистальтический насос опущены в бак с дистиллированной водой, а к другим концам силиконовых трубок прикреплены полые иглы так, что они расположены над верхней поверхностью корпуса.