Тепловая труба Советский патент 1992 года по МПК F28D15/04 

Изобретение относится к теплотехнике, может быть использовано, например, в грунтовых аккумуляторах, и является усовершенствованием устройства по авт.св. 1302128.

Известна конструкция тепловой трубы, предназначенной для замораживания породного массива холодом атмосферного воздуха и предотвращения оттаивания многолетнемерзлых пород поднятых над уровнем земли участков трубопроводов, которая содержит парокомпрессионную холодильную машину, обеспечивающую отвод тепла от грунта при повышении температуры воздуха выше температуры замерзания.

Недостатком такой конструкции является ее недостаточная эффективность, обусловленная необходимостью подвода электроэнергии, систематического обслуживания и т.п.%

Известна конструкция аккумулятора хол ода, содержащая емкость для воды, расположенный в ней коллектор с выводными патрубками, соединенный с емкостью для гидратообразующего агента трубопроводом с соленоидным и регулирующим вентилями, воздушный теплообменник, Г1ричем аккумулятор с целью увеличения скорости накопления естественного холода снабжен насосом, компрессором и конденсатором, воздушный трубчатый теплообменник расположен над емкостью для воды, а другим трубопроводом через компрессор и конденсатор соединен с емкостью для гидратообразующего хладагента, трубки установлены вертикально и верхние их концы размещены в коллекторе, а нижние - в емкости для воды.

Недостатком такой конструкции является наличие компрессора и насоса, требующих подачи электроэнергии от внешних источников обслуживания. Однако применение газовых гидратов выгодно, поскольку можно регулировать температуру гидратообразования путем изменения давления гидратообразующего хладагента (газа) и аккумулировать холод из воздуха при температуре 15-17°С, а отдавать его при 0-4°С, что позволяет снизить энергопотребление в 10-20 раз по сравнению с применением обычной холодильной машины для захолаживающих грунт тепловых труб.

Известны также устройства, совершающие полезную работу при изменении температуры среды, в которую погружены их элементы, изготовленные из материалов, обладающих свойством температурной памяти формы. При этом элементы, обладающие этим свойством, могут быть выполнены в виде пластин, пружин, герметичных сильфонов и т.п.

Общим недостатком таких устройств является наличие механизмов преобразования энергии, получаемой в результате деформации элементов под действием сил, обусловленных свойством температурной памяти формы, в механическую энергию вращат{эльного движения с целью последующего ее преобразования в электрическую энергию и т.п., что вызывает дополнительные потери и усложнение устройств.

Известна конструкция тепловой трубы, содержащая корпус с зонами испарения и конденсации, последняя из которых выполнена с продольными гофрами, причем гофры расположены по спирали, а зона конденсации заключена в обечайку с образованием проточного тракта воздушного охлаждения.

Недостатком известной конструкции тепловой трубы являются ее низкая эффективность при функционировании в те периоды времени, когда температура атмосферного воздуха становится выше температуры замерзания грунта и возникает поток тепла, обусловленный процессом теплопроводности по стенкам тепловой трубы, в результате которого происходит оттаивание грунта у стенок, вызывающее такие нежелательные явления, как морозное пучение и выталкивание трубы из грунта и т.п.

Цель изобретения - увеличение хладоемкости при использовании в грунтовых аккумуляторах.

Указанная цель достигается тем, что в тепловой трубе, содержащей корпус с зонами испарения и конденсации, последняя из которых выполнена с продольными гофрами, причем гофры расположены по спирали с образованием проточного тракта воздушного охлаждения, корпус в зоне конденсации снабжен охватывающим его кольцевым сильфоном из материала, обладающего памятью формы, заполненным теплоаккумулирующей с-редой, и скрепленным нижним торцом капсулы соединен с обечайкой, выполненной из теплоизоляционного материала и с прорезями для прохода воздуха, причем на наружной поверхности гофров зоны конденсации дополнительно закреплены кольца из теплопроводного материала.

Сущность изобретения состоит в том, что в кольцевом сильфоне, размещенном вокруг зоны конденсации в качестве теплоаккумулирующей среды применены вода и газообразный гидратообразователь, кольцевой сильфон выполнен из материала, обладающего свойством температурной памяти формы и термообработан, причем термообработка производится так, что при

повышении температуры теплозккумулирующей среды внутрм него выше заданной температуры, сильфон под действием сил, обусловленных свойством температурной памяти формы, сх имается до минимального размера, а при понижении ниже заданнойрасправляется до максимального размера, нижний торец кольцевого сильфона соединен с обечайкой из теплоизоляционного материала и имеющей прорези для прохода воздуха в проточные тракты зоны конденсации, а на наружной поверхности гофров закреплены кольца из теплопррводногр материала, которые обеспечивают проход воздуха и тепловой контакт кольцевого сильфона с зоной конденсации соответстг вейно когда капсула принимает форму максимального размера.

При использовании тепловой трубы для обеспечения, замораживания и тепловой стабилизации многолетнемерзлых пород за счет использования ресурсов холода атмос ферного воздуха обеспечивается более эффективное использование последних не только в холодный, но и в теплый период года путем аккумулирования их за счет гидратообразования при повышенной температуре в результате сжатия газообразного гидратообразозателя в сильфонахси; ами; обусловленными свойством температур ной памяти формы, и перемещения ими-же теплоизолирующей обечайки вдоль зоны конденсации для защиты последней оттеплопритоков,

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемая тепловая труба отличается тем, что проточный тракт , воздушного охлаждения образован между зоной конденсации и окружающим ее кольцевым сильфоном степлоаккумулирующей средой, где в качестве последней применены вода и газообразный гидратообразователь, кольцевой сильфон выполнен из, материала, обладающего свойством температурной памяти формы, и термообработан так, что при повышении температуры теплоаккумулирующей среды выше заданной, сильфон под действием сил, обусловленных температурной памятью формы, сжимается до минимального размера и сжимает находящийся, в капсуле газообразный гидратообразователь. В результате повышается температура гидратообр.азования и внутри сильфона будет образовываться газовый гидрат с поглощением холода из окружающей среды при температуре до 15-17°С. После того как большая часть газообразного гидратообразователя окажется связанной с водой в форме химического соединения клатратного типа, давление,

внутри капсулы упадет. В результате равновесная температура образования газового гидрата понизится ниже заданной температуры и сильфон под действием сил, обусловленных температурной памятью формы, расправится до максимального размера и внутри герметичной капсулы установится низкое давление газообразного гидратообразователя, а температура плавления гидрата установится на минимальном уровне. Нижний торец капсулы соединен с обечайкой, выполненной из теплоизоляционного материала и имеющей прорези для прохода воздуха в проточные тракты зоны конденсации, а на наружной поверхности гофров закреплены кольца, сделанные из теплопроводного материала, которые обеспечивают проход воздуха и тепловой контакт герметичной капсулы с зоной конденсации соответственно когда капсула принимает форму максимального размера.

На фиг. 1 изображен тепловая труба при условиях, соответствующих режиму отдачи аккумулированного холода зоне конденсации, продольное сечение; на фиг. 2 то же, при условиях, соответствующих ре;жиму аккумуляции холода из окружающей сре,цы; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1 (поперечное сечение тепловой трубы на участке зоны конденсации); на фиг. 4 - узел В на фиг. 2; на фиг. 5 - вид Б на фиг. 2.

Тепловая труба содержит корпус 1 с зонами 2 испарения и 3 конденсации, частично заполненный жидкостью. Зона

5 конденсации содержит теплоотводящие продольные спиральные гофры 4. Корпус в зоне конденсации снабжен охватывающим его кольцевым сильфоном 5 с теплоаккумулирующей средой, где в качестве последней

0 применены вода 6 и газообразный гидратообразователь 7. При этом кольцевой сильфон выполнен из материала, обладающего свойством температурной памяти формы, и термообработан. При этом термообработка

5 производится так, что при повышении температуры теплоаккумулирующей среды внутри сильфона 5 выше заданной, сильфон 5 под действием сил, обусловленных свойством температурной памяти формы, сжимается до минимального размера (фиг. 2), а при понижении ниже заданной температуры - расправляется до максимального размера (фиг. 1). Нижний торец сильфона 5 скреплен с обечайкой 8, выполненной из

5 теплоизоляционного материала и имеющей прорези 9 для прохода воздуха в проточные тракты зоны конденсации, а на наружной поверхности гофров 4 закреплены кольца 10, сделанные из теплопроводного материала, которые обеспечивают проход

воздуха и тепловой контакт герметичного сильфона 5 с зоной 3 конденсации соответственно когда сильфон принимает форму максимального размера (фиг. 1).

В качестве газообразного гидратообразователя могут использоваться, например, природный газ, углеводороды, фтор-хлор углеводороды (фреоны).

Тепловая труба работает следующим образом.

Пусть кольцевой сильфон 5 имеет форму максимального размера и содержит некоторый ранее накопленный в результате теплообмена с атмосферным воздухом запас холода.

При возникновении положительной разности температурмежду зоной 2 испарения и атмосферным воздухом, находящимся в каналах зоны 3 конденсации, пары жидкости начнут конденсироваться на внутренних поверхностях гофров 4 и образующийся конденсат будет стекать по спиральным поверхностям гофров, приобретая при этом импульс вращательного движения. Вращающаяся пленка конденсата будет прижиматься центробежной силой к внутренней поверхности зоны 2 испарения и испаряться, отводя тепло от захолаживаемого грунтового массива. Воздух в каналах, образованных между наружными поверхностями гофров 4 и внутренним сильфоном 5, отводя теплоту конденсации жидкости, будет нагреваться и подн1 маться, а в нижнюю часть каналов через прорези 9 будет поступать холодный воздух, единовременно будет происходить охлаждение поверхности кольцевого сильфона 5 как со стороны каналов, так и со стороны наружной поверхности, и формирование запасов холода внутри ее за счет процесса гидратообразования при температуре ниже заданной. При повыщении температуры атмосферного воздуха выше температуры в зоне 2 испарения произойдет запирание каналов термогравитационными силами вследствие того, что сильфон 5 сохранит температуру на уровне заданной и, благодаря процессу разложения газового гидрата, будет продолжать отводить тепло от зоны 3 конденсации через кольца 10. В результате в зоне исларения будет поддерживаться температура, не допускающая оттаивание грунта у поверхности тепловой трубы. После израсходования запасов холода в сильфоне 5 температура в нем повысится выше заданной и сильфон под действием сил, обусловленных эффектом температурой памяти, примет форму минимального размера и сожмет над поверхностью воды газообразный гидратообразователь 7. Одновременно будет поднята обечайка 8, которая защи-кит зону конденсации от внешних теплопритоков и закроет доступ атмосферному воздуху в тракты зоны 3 конденсации.

При понижении температуры атмосферного воздуха, например при суточных колебаниях в теплое время года, ниже максимальной температуры гидратообразования при высоком давлении газообразного гидратообразователя в результате теплообмена с наружной поверхностью сильфона 5 внутри него будет происходить процесс образования газового гидрата. По мере поглощения газообразного гидратообразователя водой и накопления газгидратной суспензии внутри сильфона 5 будет снижаться давление, а следовательно понижаться температура гидратообразования.В результате будет снижаться температура теплоаккумулирующей среды. При снижении температуры теплоаккумулирующей среды ниже заданной произойдет распрямление сильфонов под действием сил температурной памяти формы до максимального размера и внутри сильфона 5 установится низкое давление и температура плавления газового гидрата примет минимальное, например ниже температуры таяния грунта, значение. Таким образом, внутри кольцевого сильфона 5 будет находиться запас холода, аккумулированный из атмосферного воздуха в форме теплоты, необходимой для разложения химического соединения клатратного типа (газового гидрата), которое находится в его нижней части (фиг. 1). В результате вновь начнется охлаждение зоны 3 конденсации этим холодом через кольца 10.

Таким образом, тепловая труба может, например, выполнять функцию термостабилизации захолаживаемого грунтового массива, аккумулирования холода в грунтовом аккумуляторе и т.д., а кольцевой сильфон работать как холодильная машина в теплое время года за счет суточных колебаний температуры атмосферного воздуха в теплое время года, без,подвода электроэнергии, что существенно повышает ее эффективность.

Положительный эффект, который может быть достигнут при использовании изобретения по сравнению с прототипом, заключается в том, что: повышается в 1,,8 раза удельная массовая и объемная хладоемкость теплоаккумулирующай среды; уменьшается в 200-250 раз необходимый объем аккумуляторов холода, предназначенных для использования холода из атмосферного воздуха, например для тепловых труб с роторами, поскольку используются

не сезонные, а суточные крлебания чТемпературы атмосферного воздуха; повышается эффективность захолаживания породного массива в 1,5-2 раза за счет более полного использования ресурсов естественного холода; увеличивается расчетная длительность периода захолаживания, что позволяет уменьшить необходимое для создания требуемых запасов холода число тепловых труб.

Формула изобретения Тепловая труба по авт.св. № 1302128, отличающаяся тем, что, с целью

увеличения хладоемкости при использовании в грунтовых аккумуляторах, корпус в зоне конденсации снабжен охватывающим его кольцевым сильфоном из материала, обладающего памятью формы, заполненным термоаккумулирующей средой и скрепленным нижним торцом с обечайкой, выполненной из теплоизоляционного материала, и с прорезями для прохода

воздуха, причем на наружной поверхности гофр зоны конденсации дополнительно прикреплены кольца из теплопроводного материала.

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к конструкциям тепловыхтруб и может быть использовано преимущественно в грунтовых аккумуляторах. Увели- ч,ение хладоемкости при использовании в грунтовых аккумуляторах достигается тем, что корпус 1 в зоне 3 конденсации снабжен кольцевым сильфоном 5 из материала, обладающего памятью формы. Сильфон 5 заполнен теплоаккумулирующей средой и скреплен нижним торцом с обечайкой 8, имеющей прорези 9 для прохода воздуха. 5 ил.слсго VJо. сл>&' ю

3-«

/////////////

ffue.Z

///////////////

/I-/I

сригЛ

сригЗ

сриз.З