Устройство испарительного охлаждения Советский патент 1983 года по МПК G12B15/00 

(54) УСТРОЙСТВО ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике и радиоэлектронике, в частности к устройствам испарительного охлаждения элементов аппаратуры, например анодов электронных ламп.

Известно устройство испарительного охлаждения, содержащее жидкостной бойлер с размещенными в нем охл ждаемым элементом, на поверхности которого выполнены углубления/ и дефлектором 1.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность охлаждения, что обусловлено наличием значительного градиента температуры вблизи охлаждаемой поверхности.

Цель изобретения - повышение эффективности охлаждения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство испарительного охлаждения, содержащее жидкостной бойлер с размещенными в нем охлаждаемым элементом, на поверхности которого выполнены углубления, и дефлектором/ введен равномерно перфорированный экран, выполненный из материала с низкой теплопроводностью и расположенный между охлаждаемым элементом и дефлектором, а расстояние Хд между экраном и поверхностью охлаждаемого элемента определяется . соотношением

V Л u-t

-

(1

где А - коэффициент теплопроводнос ти охлаждающей жидкости , /It - перегрев поверхности охлажденного элемента ;

10 о, - удельная плотность теплового потока через поверхность охлаждаемого элемента. Креме того, диаметр d отверстия перфорации экрана определяется со15 -отношением

d 0,5R-, где R - отрывной диаметр пузырька

пара жидкости бойлера, а суммарная площадь отверстий пер форации определяется соотношением S - 0,33э ,

где Sg - пЛбщадь экрана.

На фиг. 1 изображено предлагаемое

25 устройство, общир вид, разрез ; на фиг. 2 - схема парообразования в устройстве испарительного охлаждения в отсутствие экрана ; на фиг.З схема парообразования в предлагае30 мом устройстве. Устройство содержит .охлаждае1у1ый элемент 1 с дефлектором 2 и установ ленным между ними перфорированным, экраном 3, которые помещены в бойлер 4. с жидкостью 5, Бойлер 4 снабжен паропроводом 6 для отвода образующегося при работе пара и конденсатопроводом 7 для подпитки жидкостью. Перфорационные отверстия 8 выполнены равномерно по всему экраяу 3. На поверхности охлаждаемого элемента .выполнены углубления 9, Перфорированный экран 3 может бы выполнен из титана, фторопласта, .нержавеющей стали. Устройство работает следующим об разом. На охлаждаемом,элементе 1 выделяется тепловая мощность. Жидкость между охлаждаемым элементом 1 и перфорированным экраном 3 перегревается выше температуры насыщения и в углублениях 9 на поверхности охлаждаемого элемента 1 образуются паровые зародыши с критическим ради усом RKP способные к дальнейшему росту. Благодаря наличию перфорированного экрана 3 слой жидкости пере гревается равномерно, что способствует более интенсивному образова.нию паровых зародышей с радиусом при температурах поверхности ох лаждаемого элемента 1 значительно меньших, чем в известном устройстве По мере роста паровые пузырьки замыкаются на перфорационные отверсти 8 экрана 3, образуя паровые каналы от охлаждаемой поверхности к перфорированному экрану 3. Паровые каналы окружены равномерно перегретой жидкостью и на границе пар - жидкос начинается интенсивное парообразова ние. .Образующийся пар по паровому каналу выводится на внешнюю поверх ность перфорированного экрана, где после достижения отрывного диаметра паровые пузырьки отделяются от экра на и всплывают в парожидкостном потоке. Парожидкостный поток турбулиз руется дефлектором 2. Эффект интенсификации парообразо вания в перегретом слое жидкости и связанное с ним повышение эффективнести теплоотвода объясняется следу ющим образом. Рассмотрим схему парообразования в устройстве испарительного охлахдде ния без экрана (фиг. 2). Особенность процесса пузырькового кипения в этом случае заключается в том, что он протекает в условиях существенной температурной неравномерност На фиг. 2 показан профиль температу в перегретом слое жидкости. Паровой зародыш, образовавшийся над углублением 9 на нагретой по- верхности, окружен неравномерно перегретой по его высоте жидкостью. Для того, чтобы образовался жизнеспособный паровой зародыш с критическим радиусом RKP, необходимо, чтобы . на расстоянии от нагретой поверхности жидкость была перегрета до температуры , Только при выполнении этого условия образовавшийся зародыш способен к дальнейшему росту. Минимальный радиус жизнеспособных паровых зародышей определяется по известной формуле (ТКР-ТЖ) - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; HOIC температура насыщения жидкости ; г - теплота парообразования ; плотность пара ; Т| - температура ..гидкости на расстоянии от нагретой поверхности, необходимая для образования критического парового зародыша (равна температуре пара в зародыше с радиусомТу - температура жидкости в объеме, Как видно из фиг. 2, в момент наала парообразования температура поерхности Тр значительно превышает КР . Паровой пузырек открывается от оверхности при достижении размера д-ур . В процессе роста пузырька все ольшая часть поверхности в окрестостях центра парообразования блоируется паром. Скорость роста парового пузырьа зависит от профиля температур в ерегретом слое - чем больше темпеатурная неравномерность, тем менье скорость роста. Отрывной диаметр парового пузырьа определяется по известной форуле, У - краевой yroJ :мачивания б - коэффициент поверхностного натяжения жидкости ; уи удельный вес жидкости и пара соответственно при температуре насыщения. Таким образом, температурная неавномерность в перегретом слое идкости обуславливает высокие темературы поверхности анода и заедляет процесс парообразования при тсутствии экрана, В предложенном устройстве благоаря наличию перфорированного экана 3 температурная неравномерность ущественно сглаживается (фиг. 3).

Перегрев жидкости от температуры Tjjp , требуемой для образования кри- . тических паровых зародышей на рас- , стоянии X 1 от поверхности охлаждаемого элемента 1, достигается -при существенно меньшей температуре поверхности. В связи с тем, что паровой пузырек окружен равномерно перегретой жидкостью, процесс парообразования усиливается и, соответственно, увеличивается скорость роста пузырька. После того, как образовался паровой канал от поверхности нагрева к экрану, процесс генерации пара стабилизируется. Процессформирования паровых пузырьков с отрывным диаметром переносится на внеш,нюю поверхность перфорированного экрана 3 и таким образом исключается его. отрицательное влияние на теплоотдачу с поверхности нагрева.

Перегрев поверхности охлаждаемого элемента, входящий в выражение (1), может быть определен по известной зависимости q,-(u-fc) при кипении.

Выбор размера перфорационных отверстий (0,5 отрывного диаметра парового пузырька ) и коэффициента перфорации , равного 0,3,- определяется тем, что при уменьшении этих величин ниже указанных значений начинают сказываться силы поверхностного натяжения, препятствующие выходу пара из-под экрана, а при увеличении снижается воздействие экрана на перегретый слой жидкости.

Следовательно, в предлагаемом усройстве благодаря интенсификации процесса парообразования с помощью перфорированного экрана повышается эффективность теплоотвода,. причем осуществляется это при более низких температурах поверхности анода, что благоприятно сказывается на работоспосс бности охлаждаемого элемента.

Кроме того, предлагаемое устройсво позволяет снизить температуру

охлаждаемой поверхности в 5-10 раз по сравнению с известным.

Формула изобретения

Устройство испарительного охлаждения, содержащее жидкостный бойлер с размещенными в нем охлаждаемым элементом, на поверхности которого выполнены углубления, и дефлектором отличающееся тем, что, с целью пов.ышения эффективности охлаждения, в него введен равномерно перфорированный экран, выполненный из материала с низкой теплопроводностью и расположенный между охлаждаемым элементом и дефлектором, а расстояние Х между экраном и поверхностью охлаждаемого элемента определяется соотношением V - А д fc

Э- Q, I

где Д - коэффициент теплопроводности- охлаждающей жидкости ; Л-Ь- перегрев поверхности охлаждаемого элемента ; удельная плотность тепловог потока через поверхность охлаждаемого элемента. 2. Устройство по п. 1, от-личающееся тем, что диаметр (3 отверстия перфорации экрана определяется соотношением

d 0,5R , где R - отрывной диаметр пузырька

пара жидкости бойлера, а суммарная площадь Sr- отверстий перфорации определяется соотношение

Sj 0,383

.где.83- площадь экрана.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

V-

5

г j

/

y

j.i