ГОФРИРОВАННАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА Российский патент 2022 года по МПК F16L55/00 

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

[1] Настоящее изобретение относится к области тепловых труб и, в частности, к гофрированной тепловой трубе.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

[2] Гравитационная тепловая труба (также называемая тепловым столбом) является высокоэффективным теплопроводящим устройством, принцип работы которого основан на заполнении вакуумированной трубы смесью одной или нескольких рабочих сред. В рабочем режиме тепловой трубы рабочая среда в жидком состоянии внутри трубы под действием тепла испаряется в парообразное состояние и за счет этого поглощает тепло в испарительной зоне (также называемой эндотермичной зоной) трубы. Испарившаяся рабочая среда в парообразном состоянии проходит через транспортную зону трубы и под действием холода конденсируется в жидкое состояние и за счет этого выделяет тепло в конденсационной зоне (также называемой экзотермичной зоной) трубы. Затем рабочая среда в жидком состоянии под действием силы тяжести стекает назад в испарительную зону. Таким образом, тепло из испарительной зоны циклически переносится в конденсационную зону снижая температуру замерзшего грунта и тем самым предохраняя замерзший грунт в зоне вечной мерзлоты.

[3] В настоящее время для соблюдения требований принципа работы гравитационной тепловой трубы, в которой обратный поток рабочей среды в гравитационной тепловой трубе в основном достигается за счет силы тяжести, тепловая труба, используемая при строительстве в замерзшем грунте, в большинстве случаев имеет форму прямолинейной гравитационной тепловой трубы, при этом испарительная зона и конденсационная зона расположены на одной прямой линии, а сама труба закапывается в грунт в вертикальной или наклонной ориентации. Некоторые тепловые трубы являются гравитационными тепловыми трубами Г-образной формы, при этом угол между осью конденсационной зоны и продолжением оси испарительной зоны меньше 45° и конденсационная зона расположена вертикально, а испарительная зона расположена наклонно.

[4] Такие тепловые трубы, как видно из области их применения для охлаждения, являются просто средствами точечного охлаждения, их нельзя адаптировать для строительства дорог с требованиями линейного или плоскостного охлаждения. Для решения этой проблемы изобретатель предлагает решение с укладкой испарительной зоны почти в горизонтальном положении. Например, предложена тепловая труба с большим углом, почти горизонтальной испарительной зоной и способ ее изготовления (заявка №201910610500.X), в которой установлены несколько перегородок, разнесенных друг от друга в осевом направлении по всей испарительной зоне для создания множества полуоткрытых отсеков. При практическом применении испарительная зона закапывается в грунт почти в горизонтальном или точно в горизонтальном положении, позволяя жидкой рабочей среде быть равномерно распределенной по всей испарительной зоне, за счет чего реализуется сбалансированное охлаждение и эффективно решается проблема ограничения охлаждаемого участка и паровой пробки в испарительной зоне.

[5] Однако при фактическом изготовлении такое решение все же имеет недостатки, заключающиеся в том, что расположение перегородок внутри испарительной зоны металлической тепловой трубы ограничено большим расстоянием и узким пространством в трубе. Очень сложно расположить перегородки, особенно частые перегородки, внутри испарительной зоны с помощью пайки (имеющаяся паечная машина вряд ли сможет войти в испарительную зону для пайки, поэтому такая операция обычно проводится выполнением небольших разрезов в нужных положениях с наружной стороны стенки трубы, затем через них вводятся перегородки и они припаиваются снаружи, так что установка перегородок выполняется с помощью сложных и трудных этапов) и это дорогостоящая операция. Поэтому трудно расположить рабочую среду с высокой плотностью.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

[6] Целью настоящего изобретения является создание гофрированной тепловой трубы для решения проблемы с трудным размещением перегородок и высокой стоимостью трубы в известном прототипе.

[7] Для решения этой проблемы в изобретении создана гофрированная тепловая труба, которая содержит конденсационную зону, испарительную зону, и заполняющую трубу рабочую среду, в которой, по меньшей мере, одна секция испарительной зоны является гофрированной трубой. В предпочтительном варианте осуществления вся испарительная зона является гофрированной трубой. При необходимости испарительная зона может состоять из секции гофрированной трубы и секции гладкой трубы. Гофрированная труба имеет вершины гофра для сбора и удержания рабочей среды, по меньшей мере, в нижней части стенки гофрированной трубы. При практическом применении испарительная зона закапывается в грунт почти в горизонтальном или точно в горизонтальном положении.

[8] В предпочтительном варианте осуществления гофрированная труба имеет гофр с волнообразным профилем с высотой гофра от примерно 0 см до примерно 20 см и с шагом гофрировки от примерно 1 см до примерно 100 см.

[9] В предпочтительном варианте осуществления поглощающий жидкость фитиль уложен на внутреннюю поверхность стенки на дне гофрированной трубы.

[10] В предпочтительном варианте осуществления поглощающий жидкость фитиль прижат к внутренней поверхности стенки и простирается вверх от дна гофрированной трубы.

[11] В сравнении с прототипом настоящее изобретение обладает следующими преимуществами.

[12] Во-первых, в настоящем изобретении гофрированная труба непосредственно используется как часть испарительной зоны для сбора и удержания рабочей среды, так что эффективно используются естественные свойства (параметры непрерывного гофрированного профиля) гофрированной трубы, реализуя высокую плотность и равномерность распределения рабочей среды в испарительной зоне, а также удобство и простоту изготовления тепловой трубы и ее низкую стоимость.

[13] Во-вторых, в сравнении с гладкой наружной поверхностью испарительной зоны у прототипа, наружная поверхность гофрированной трубы изобретения имеет волнистый профиль, что увеличивает площадь наружной поверхности соответствующей секции на примерно от 20% до примерно 30%, повышает площадь контакта и теплообмен с окружающей средой, и таким образом увеличивает эффективность теплопередачи тепловой трубы. В частности, участки вершин гофра гофрированной трубы для приема рабочей среды выступают в грунт, что повышает эффективность охлаждения грунтового массива вокруг трубы и улучшает балансировку регулировки температуры между различными секциями вдоль трубы в продольном направлении.

[14] В-третьих, в прототипе перегородки размещены на внутренней поверхности стенки гладкой трубы и поднимаются к оси трубы, что ограничивает пространство для движения рабочей среды в парообразном состоянии. В настоящем изобретении естественный профиль стенки гофрированной трубы (в которой вершины гофра для сбора и удержания рабочей среды можно рассматривать как соответствующие внутренней стенке гладкой трубы) существенно снижает ограничения на пространство для движения рабочей среды в парообразном состоянии.

[15] В-четвертых, при практических применениях можно регулировать высоту Р гофра и шаг Q гофрировки всей гофрированной трубы или любой ее секции. Дополнительно или альтернативно можно устроить различные комбинации секций гофрированной трубы и секций гладкой трубы в зависимости от характеристик изменения температуры грунта и требований к регулировке и контролю температуры различных земляных полотен. Таким образом, достигнута цель создания и регулировки различной мощности в разных частях испарительной зоны, и соответственно достигнута цель более сбалансированной регулировки температуры грунта земляного полотна. Тепловая труба согласно настоящему изобретению может достичь максимального уровня своей эффективности. Таким образом, настоящее изобретение является более гибким и значительным развитием.

Краткое описание фигур

[16] Варианты осуществления настоящего изобретения подробно описаны далее в настоящем документе со ссылками на сопровождающие фигуры.

[17] На фиг. 1 показан схематический эскиз испарительной зоны, которая целиком является гофрированной трубой согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

[18] На фиг. 2 показан схематический эскиз испарительной зоны, которая целиком является гофрированной трубой согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

[19] На фиг. 3 показан схематический эскиз испарительной зоны, которая состоит из разнесенных секций гофрированных труб согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.

[20] На фиг. 4 показан схематический вид с параметрами гофра гофрированной трубы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное раскрытие вариантов осуществления настоящего изобретения

[21] Как показано на фиг. 1-4, в изобретении создана гофрированная тепловая труба, которая в общем случае содержит конденсационную зону 1, испарительную зону 2, и заполняющую трубу рабочую среду (не показана). Угол между осями испарительной зоны 2 и конденсационной зоны 1 может быть в диапазоне от примерно 90° до примерно 150° (включая граничные значения). В частности, по меньшей мере, одна секция испарительной зоны 2 тепловой трубы является гофрированной трубой. Согласно одному варианту осуществления вся испарительная зона 2 является гофрированной трубой (как показано на фиг. 1). Согласно другому варианту осуществления испарительная зона состоит из секции 3 гофрированной трубы и секции 4 гладкой трубы (как показано на фиг. 3). Гофрированная труба имеет вершины гофра для сбора и удержания рабочей среды, по меньшей мере, в нижней части стенки гофрированной трубы. Таким образом, под гофрированной трубой испарительной зоны 2 в настоящем изобретении можно понимать трубу, имеющую гофры 22 по всей окружности указанной трубы, как показано, например, на фиг. 1 и 3; а можно также понимать трубу имеющую гофры 22 только в нижней части окружности указанной трубы, как показано, например, на фиг. 2. Другими словами, достаточно, чтобы только нижняя часть испарительной зоны была снабжена вершинами гофра для сбора и удержания рабочей среды. В сравнении с предыдущим вариантом последний вариант может лучше ослабить ограничения на пространство для движения рабочей среды в парообразном состоянии.

[22] В случае, когда испарительная зона 2 содержит секцию 3 гофрированной трубы и секцию 4 гладкой трубы, должно быть понятно, что секция 3 гофрированной трубы обладает более высокой теплопередачей, чем секция 4 гладкой трубы, в то время как рабочая среда в секции 4 гладкой трубы обладает большей скоростью обратного потока, чем в секции 3 гофрированной трубы. При практическом применении в зависимости от фактических требований можно определить надлежащие комбинации секции 3 гофрированной трубы и секции 4 гладкой трубы.

[23] Более того, на внутреннюю поверхность стенки на дне гофрированной трубы можно уложить поглощающий жидкость фитиль (не показан), чтобы увеличить скорость обратного потока рабочей среды в жидком состоянии. Поглощающий жидкость фитиль прижат к внутренней поверхности стенки и простирается вверх от дна гофрированной трубы и простирается вдоль длины трубы, это может увеличить количество рабочей среды в жидком состоянии, находящейся на стенке трубы, тем самым увеличивая эффективность испарения и теплообмена рабочей среды.

[24] При практическом применении гофрированная труба может быть трубой из металлического материала, которая может быть с помощью пайки подсоединена к конденсационной зоне и/или к секции гладкой трубы, или может быть изготовлена в виде одной части с конденсационной зоной и/или секцией гладкой трубы за счет механической обработки с помощью, например, трубогибочной машины, гофрирующей машины или тому подобного. Если гофрированная труба является концом испарительной зоны, то испарительную зону можно закрыть с помощью пайки и закрытия внешнего конца гофрированной трубы. Гофрированная труба имеет гофр с волнообразным профилем с высотой Р гофра (соответствует высоте вершины для сбора и удержания рабочей среды) в диапазоне от примерно 0 см до примерно 20 см или от примерно 1% до примерно 20% от диаметра трубы, и с шагом Q гофрировки в диапазоне от примерно 1 см до примерно 100 см.

[25] При практическом применении испарительная зона 2 тепловой трубы может быть закопана в земляном полотне почти горизонтально (то есть иметь угол с горизонтальной плоскостью от примерно 0° до примерно 10°) или точно горизонтально (то есть иметь угол с горизонтальной плоскостью 0° или примерно 0°). В зависимости от конструкции самой тепловой трубы и угла, с которым закопана испарительная зона 2, конденсационная зона 1 может быть перпендикулярна к горизонтальной плоскости или нет, только если рабочая среда в жидком состоянии из конденсационной зоны 1 способна перетекать в испарительную зону 2 под действием силы тяжести или других вспомогательных средств. Рабочая среда равномерно распределена по испарительной зоне 2 и образует относительно отдельные участки. Отдельные участки образуются в соответствующих вершинах гофра гофрированной трубы. Непрерывность и близкое расположение вершин гофра гофрированной трубы обеспечивает высокую плотность и однородность расположения отдельных участков. В частности, отсек каждого участка является небольшим и все отсеки участков расположены плотно и компактно. Следовательно, реализуется высокая однородность распределения рабочей среды. Так как разность температур в работающей вакуумной тепловой трубе мала, она составляет примерно от 0,5°С до примерно 2°С, то чем на меньшие отдельные участки разделена испарительная зона 2, то можно получить тем более точную возможность регулировки, более однородное охлаждение и лучшее воздействие регулировки температуры на температуру грунта, и более высокую общую рабочую эффективность.

[26] При практическом применении во время закапывания и закрепления тепловых труб рабочую среду можно равномерно распределить внутри испарительный зоны 2 тепловой трубы с высокой плотностью с помощью всего лишь медленного позиционирования тепловой трубы на ее место или процесса охлаждения тепловой трубы с разрешением рабочей среде стекать обратно, так что требование высокой однородности распределения рабочей среды можно быстро реализовать на практике.

[27] Ниже описан принцип работы тепловой трубы согласно настоящему изобретению. По мере снижения температуры окружающей среды, при достижении разницы температур (при которой может быть активирована рабочая среда внутри тепловой трубы) между отдельными положениями вокруг места, в котором закопана тепловая труба, испаряется рабочая среда в секции зоны с относительно высокой температурой и начинается процесс теплообмена. В этом процессе испарение в секции трубы в месте с высокой температурой грунта происходит интенсивнее, так что температура там снижается в большей степени; а испарение в секции трубы в месте с низкой температурой грунта происходит слабее, так что температура там снижается в меньшей степени, тем самым достигается автоматическая балансировка испарения, обеспечивающая более однородное общее охлаждение. При практических применениях можно регулировать высоту Р гофра и шаг Q гофрировки всей гофрированной трубы или любой ее секции. Дополнительно или альтернативно можно устроить различные комбинации секции 3 гофрированной трубы и секции 4 гладкой трубы в зависимости от характеристик изменения температуры грунта и требований к регулировке и контролю температуры различных земляных полотен. Таким образом, достигнута цель создания и регулировки различной мощности в разных частях испарительной зоны 2, и соответственно достигнута цель более сбалансированной регулировки температуры грунта земляного полотна.

[28] Здесь подробно описаны созданные в изобретении технические решения. Приведенные в описании изобретения конкретные примеры объясняют принцип и варианты осуществления изобретения, и вышеупомянутые объяснения примеров нацелены только на упрощение понимания конструктивных признаков и основной идеи настоящего изобретения. Следует указать, что специалисты в этой области техники могут также вносить некоторые улучшения и модификации в настоящее изобретение без отклонения от принципа изобретения и все такие улучшения и модификации попадают в объем правовой охраны приложенной формулы настоящего изобретения.

Изобретение относится к гофрированной тепловой трубе, которая содержит конденсационную зону (1), испарительную зону (2) и заполняющую трубу рабочую среду, в которой по меньшей мере одна секция испарительной зоны (2) является гофрированной трубой и в которой гофрированная труба имеет вершины гофра для сбора и удержания рабочей среды, по меньшей мере, в нижней части стенки гофрированной трубы. При практическом применении испарительная зона закапывается в грунт почти в горизонтальном или точно в горизонтальном положении. В сравнении с прототипом, у которого есть трудности при установке перегородок и высокая стоимость, в настоящем изобретении испарительная зона для сбора и удержания рабочей среды непосредственно сконструирована в виде гофрированной трубы, так что эффективно используются естественные свойства гофрированной трубы, реализуя высокую плотность и равномерность распределения рабочей среды в испарительной зоне, а также удобство и простоту изготовления тепловой трубы и ее низкую стоимость. Более того, волнистая поверхность гофрированной трубы увеличивает площадь наружной поверхности соответствующей секции на примерно от 20% до примерно 30%, тем самым повышая площадь контакта и теплообмен с окружающей средой. Использование гофрированной трубы значительно снижает ограничения на пространство для движения рабочей среды в парообразном состоянии. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Гофрированная тепловая труба, содержащая конденсационную зону (1), испарительную зону (2) и заполняющую трубу рабочую среду, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна секция испарительной зоны (2) является гофрированной трубой, и в которой гофрированная труба имеет вершины гофра для сбора и удержания рабочей среды, по меньшей мере, в нижней части стенки гофрированной трубы; и в которой при применении испарительная зона (2) закапывается почти в горизонтальном или точно в горизонтальном положении.

2. Тепловая труба по п. 1, отличающаяся тем, что гофрированная труба имеет гофр с волнообразным профилем с высотой гофра от примерно 1% до примерно 20% диаметра трубы и с шагом гофрировки от примерно 1 см до примерно 100 см.

3. Тепловая труба по п. 1, отличающаяся тем, что поглощающий жидкость фитиль уложен на внутренней поверхности стенки на дне гофрированной трубы.

4. Тепловая труба по п. 3, отличающаяся тем, что поглощающий жидкость фитиль простирается вверх от дна гофрированной трубы и прижат к внутренней поверхности стенки.

5. Тепловая труба по п. 1, отличающаяся тем, что вся испарительная зона (2) является гофрированной трубой.

6. Тепловая труба по п. 1, отличающаяся тем, что испарительная зона состоит из секции (3) гофрированной трубы и секции (4) гладкой трубы.