MD577Z

MD577Z - Convective heat exchanger

Info

Publication number: MD577Z
Application number: MDS20120043A
Authority: MD
Inventors: Мирча БОЛОГА; Владимир ШКИЛЁВ; Игорь КОЖЕВНИКОВ
Original assignee: Институт Прикладной Физики Академии Наук Молдовы
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2013-07-31
Also published as: MD577Y

Abstract

Изобретение относится к конвективным теплообменникам, предназначенным для охлаждения элементов и узлов радиоэлектронной высоковольтной аппаратуры.Конвективный теплообменник содержит наполненный теплоносителем корпус (1) с двумя каналами - восходящим (8) и нисходящим (9), с поверхностью подвода тепла (2) и поверхностью отвода тепла (3), и электроды (5, 7) в виде проволоки (4), расположенные в корпусе (1), часть которых (5) покрыты диэлектрическим материалом с перфорациями и подключены к отрицательному полюсу источника напряжения (6), а оголенные (7) подключены к положительному полюсу. Электроды (5, 7) расположены в восходящем (8) и нисходящем (9) каналах корпуса (1) попарно, в поперечных каналам (8, 9) рядах, с перфорациями покрытых электродов (5) из нисходящего канала (9) направленными в сторону поверхности подвода тепла (2) и с перфорациями электродов (5) из восходящего канала (8) - в сторону поверхности отвода тепла (3). В корпусе (1) вблизи поверхностей подвода (2) и отвода тепла (3) эквидистантно расположены покрытые электроды (5) с направленными к соответствующей поверхности перфорациями.The invention relates to convective heat exchangers for cooling elements and components of high-voltage electronic equipment. A convective heat exchanger comprises a housing (1) filled with a heat carrier with two channels - ascending (8) and descending (9), with a heat supply surface (2) and a heat removal surface (3), and electrodes (5, 7) in the form of a wire (4) located in the housing (1), some of which (5) are coated with dielectric material with perforations and connected to the negative pole of the voltage source (6), and bare (7) ) P dklyucheny to the positive pole. The electrodes (5, 7) are located in the ascending (8) and descending (9) channels of the housing (1) in pairs, in the transverse channels (8, 9) of the rows, with perforations of the coated electrodes (5) from the descending channel (9) directed to the side heat supply surface (2) and with perforations of electrodes (5) from the ascending channel (8) - towards the surface of heat removal (3). In the housing (1) near the surfaces of the supply (2) and heat removal (3), the coated electrodes (5) are equidistantly located with perforations directed to the corresponding surface.

Description

Invenţia se referă la schimbătoarele de căldură convective predestinate pentru răcirea elementelor şi nodurilor aparatajului radioelectronic de tensiune înaltă. The invention relates to convective heat exchangers intended for cooling elements and nodes of high-voltage radioelectronic equipment.

Este cunoscut un schimbător de căldură convectiv, utilizat pentru răcirea radiatorului roentgen, care conţine un corp umplut cu lichid dielectric, cu o suprafaţă de evacuare a căldurii, în care sunt amplasaţi un anod şi un catod, pe care sunt amplasaţi electrozi în formă de ac [1]. A convective heat exchanger is known, used for cooling the X-ray radiator, which contains a body filled with dielectric liquid, with a heat dissipation surface, in which an anode and a cathode are placed, on which needle-shaped electrodes are placed [1].

Dezavantajul acestui schimbător de căldură constă în nivelul redus al convecţiei electrice, deoarece se foloseşte numai o pereche de electrozi, iar deasupra anodului şi catodului radiatorului roentgen, care prezintă zonele de aducţie a căldurii, nu pot fi amplasaţi electrozii suplimentari, provocând intensificarea transferului de căldură. Un alt dezavantaj al schimbătorului de căldură dat poate fi considerat şi faptul că sunt folosiţi electrozii în formă de ac, ceea ce conduce la învechirea agentului termic (lichidului dielectric). The disadvantage of this heat exchanger is the low level of electric convection, since only one pair of electrodes is used, and additional electrodes cannot be placed above the anode and cathode of the X-ray radiator, which present the heat transfer zones, causing the heat transfer to be intensified. Another disadvantage of this heat exchanger can be considered the fact that needle-shaped electrodes are used, which leads to the aging of the heat transfer medium (dielectric liquid).

Cea mai apropiată soluţie este schimbătorul de căldură convectiv constituit dintr-un corp cu zone de aport de căldură şi de evacuare a căldurii şi electrozi în formă de fire amplasaţi în perechi, o parte din ei fiind acoperiţi cu material dielectric şi conectaţi la polul negativ al unei surse de tensiune, iar cei neacoperiţi fiind conectaţi la polul pozitiv [2]. The closest solution is the convective heat exchanger consisting of a body with heat input and heat output areas and wire-shaped electrodes placed in pairs, some of them being covered with dielectric material and connected to the negative pole of a voltage source, and the uncovered ones being connected to the positive pole [2].

Dezavantajul acestei soluţii tehnice constă în executarea zonei de aport de căldură în partea superioară, iar a zonei de evacuare a căldurii - în cea inferioară. O astfel de executare, bazată pe procesul de convecţie electrică, este binevenită pentru dispozitivele care funcţionează în condiţii de imponderabilitate. Însă o aşa amplasare a zonelor de aport şi evacuare a căldurii exclude complet convecţia naturală. La exploatarea schimbătorului de căldură convectiv, care funcţionează în câmpul gravitaţional, este necesar de a respecta toate condiţiile, în care convecţia electrică nu este contracurent celei naturale, dar favorizează intensificarea transferului de căldură. De asemenea, este de menţionat că în soluţia tehnică dată lipseşte procesul de turbionare a agentului termic nemijlocit în zonele suprafeţelor de aport şi de evacuare a căldurii. Astfel procesul de transfer de căldură are loc numai pe baza procesului de convecţie electrică, formată de două perechi de electrozi, care constituie un convertizor cu două trepte. The disadvantage of this technical solution is that the heat input zone is made in the upper part, and the heat output zone in the lower part. Such an implementation, based on the process of electric convection, is welcome for devices operating in weightlessness. However, such an arrangement of the heat input and output zones completely excludes natural convection. When operating a convective heat exchanger operating in a gravitational field, it is necessary to observe all the conditions in which electric convection does not run counter to natural convection, but promotes the intensification of heat transfer. It is also worth noting that this technical solution lacks the process of swirling the heat carrier directly in the areas of the heat input and output surfaces. Thus, the heat transfer process takes place only on the basis of the process of electric convection, formed by two pairs of electrodes, which constitute a two-stage converter.

Problema pe care o rezolvă invenţia este intensificarea procesului de transfer de căldură şi înlăturarea dezavantajelor menţionate. The problem solved by the invention is to intensify the heat transfer process and eliminate the aforementioned disadvantages.

Schimbătorul de căldură, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine un corp umplut cu un agent termic cu o suprafaţă de aport de căldură şi una de evacuare a căldurii, şi nişte electrozi în formă de fire, amplasaţi în corp, o parte dintre ei fiind acoperiţi cu material dielectric cu perforaţii şi conectaţi la polul negativ al unei surse de tensiune, iar cei neacoperiţi fiind conectaţi la polul pozitiv. Corpul este executat cu două canale - ascendent şi descendent, în care sunt amplasaţi electrozi în perechi, în rânduri transversale canalelor, cu perforaţiile electrozilor acoperiţi din canalul descendent îndreptate în direcţia suprafeţei de aport de căldură şi cu perforaţiile electrozilor din canalul ascendent - în direcţia suprafeţei de evacuare a căldurii, totodată în corp în apropierea suprafeţelor de aport şi de evacuare a căldurii sunt amplasaţi echidistant electrozi acoperiţi cu perforaţiile îndreptate spre suprafaţa corespunzătoare. The heat exchanger, according to the invention, eliminates the above-mentioned disadvantages by containing a body filled with a thermal agent with a heat supply surface and a heat exhaust surface, and some wire-shaped electrodes, placed in the body, some of them being covered with dielectric material with perforations and connected to the negative pole of a voltage source, and the uncovered ones being connected to the positive pole. The body is made with two channels - ascending and descending, in which electrodes are placed in pairs, in rows transverse to the channels, with the perforations of the covered electrodes in the descending channel directed in the direction of the heat supply surface and with the perforations of the electrodes in the ascending channel - in the direction of the heat exhaust surface, at the same time in the body near the heat supply and exhaust surfaces, covered electrodes with perforations directed towards the corresponding surface are placed equidistantly.

În calitate de material dielectric este utilizat email sau fluoroplast. Enamel or fluoroplastic is used as the dielectric material.

Raportul distanţei dintre electrozii din rânduri la diametrul firelor electrozilor este de 1,5 … 3,0 şi raportul interstiţiului dintre firele electrozilor la distanţa dintre electrozii din rânduri este de 0,01 … 1,0. The ratio of the distance between the electrodes in the rows to the diameter of the electrode wires is 1.5 ... 3.0 and the ratio of the gap between the electrode wires to the distance between the electrodes in the rows is 0.01 ... 1.0.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1 - 3, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in Fig. 1 - 3, which represent:

- fig. 1, schimbătorul de căldură convectiv în secţiune; - Fig. 1, convective heat exchanger in section;

- fig. 2, raportul distanţei dintre electrozii din rânduri la diametrul firelor electrozilor; - Fig. 2, the ratio of the distance between the electrodes in the rows to the diameter of the electrode wires;

- fig. 3, raportul interstiţiului dintre firele electrozilor la distanţa dintre electrozii din rânduri. - Fig. 3, the ratio of the gap between the electrode wires to the distance between the electrodes in the rows.

Schimbătorul de căldură convectiv (fig. 1) conţine un corp 1 umplut cu un agent termic cu o suprafaţă de aport de căldură 2 şi una de evacuare a căldurii 3, şi electrozi 5, 7 în formă de fire 4, o parte dintre care 5 sunt acoperiţi cu material dielectric cu perforaţii, amplasaţi în corpul 1. Electrozii acoperiţi 5 sunt conectaţi la polul negativ al unei surse de tensiune 6, iar cei neacoperiţi 7 - la polul pozitiv. Corpul 1 este executat cu două canale - ascendent 8 şi descendent 9, în care sunt amplasaţi electrozii 5, 7 în perechi, în rânduri transversale canalelor 8, 9. Perforaţiile electrozilor acoperiţi 5 din canalul descendent 9 sunt îndreptate în direcţia suprafeţei de aport de căldură 2, iar perforaţiile electrozilor acoperiţi 5 din canalul ascendent 8 - în direcţia suprafeţei de evacuare a căldurii 3. De asemenea, în corpul 1 în apropierea suprafeţelor de aport 2 şi de evacuare a căldurii 3 sunt amplasaţi echidistant electrozi acoperiţi 5 cu perforaţiile îndreptate spre suprafaţa corespunzătoare. The convective heat exchanger (fig. 1) contains a body 1 filled with a heat medium with a heat input surface 2 and a heat output surface 3, and electrodes 5, 7 in the form of wires 4, a part of which 5 are covered with dielectric material with perforations, placed in the body 1. The covered electrodes 5 are connected to the negative pole of a voltage source 6, and the uncovered ones 7 - to the positive pole. The body 1 is made with two channels - ascending 8 and descending 9, in which the electrodes 5, 7 are placed in pairs, in rows transverse to the channels 8, 9. The perforations of the covered electrodes 5 in the descending channel 9 are directed in the direction of the heat supply surface 2, and the perforations of the covered electrodes 5 in the ascending channel 8 - in the direction of the heat exhaust surface 3. Also, in the body 1 near the heat supply surfaces 2 and 3, covered electrodes 5 are placed equidistantly with the perforations directed towards the corresponding surface.

Raportul distanţei l dintre electrozii 5, 7 din rânduri la diametrul d al firelor 4 electrozilor 5, 7 (fig. 2) este prevăzut în intervalul 1,5 … 3,0. Tocmai în acest interval al rapoartelor geometrice se observă intensificarea maximă a transferului de căldură şi circulaţia maximă a agentului termic dielectric pe tot conturul schimbătorului de căldură convectiv. The ratio of the distance l between the electrodes 5, 7 in the rows to the diameter d of the wires 4 of the electrodes 5, 7 (Fig. 2) is provided in the range 1.5 ... 3.0. It is in this range of geometric ratios that the maximum intensification of heat transfer and the maximum circulation of the dielectric thermal agent along the entire contour of the convective heat exchanger are observed.

Raportul interstiţiului s dintre firele 4 electrozilor 5, 7 la distanţa l dintre electrozii 5, 7 din rânduri (fig. 3) este prevăzut de 0,01 … 1,0. La aşa rapoarte geometrice are loc intensificarea maximum posibilă a transferului de căldură. The ratio of the gap s between the wires 4 of the electrodes 5, 7 to the distance l between the electrodes 5, 7 in the rows (Fig. 3) is set to 0.01 ... 1.0. With such geometric ratios, the maximum possible intensification of heat transfer occurs.

Schimbătorul de căldură convectiv funcţionează în modul următor. The convective heat exchanger works in the following way.

La aducţia căldurii în zonele suprafeţelor de aport de căldură 2 şi de evacuare a căldurii 3 are loc convecţia naturală. La aplicarea tensiunii la electrozii 5 şi 7 are loc o amplificare multiplă a circulaţiei agentului termic (lichidului dielectric) şi amplificarea procesului de turbionare nemijlocit în zonele suprafeţelor de aport de căldură 2 şi de evacuare a căldurii 3. When heat is added to the areas of heat input surfaces 2 and heat output surfaces 3, natural convection occurs. When voltage is applied to electrodes 5 and 7, there is a multiple amplification of the circulation of the thermal agent (dielectric liquid) and an amplification of the swirling process directly in the areas of heat input surfaces 2 and heat output surfaces 3.

Datorită executării perforaţiilor direcţionate în materialul dielectric al electrozilor acoperiţi 5 din canalele ascendent 8 şi descendent 9 se observă o legitate unică - în toate secţiunile schimbătorului de căldură coincid direcţiile convecţiei naturale şi convecţiei electrice. În caz contrar este posibilă o anihilare nedorită, când componenta electroconvectivă a circulaţiei va reprima componenta naturală. Ultima particularitate este utilă pentru sistemele de reglare a transferului de căldură. În acest caz brusc creşte intervalul de reglare a rezistenţei termice. Due to the execution of directional perforations in the dielectric material of the covered electrodes 5 in the ascending 8 and descending 9 channels, a unique regularity is observed - in all sections of the heat exchanger the directions of natural convection and electric convection coincide. Otherwise, an undesirable annihilation is possible, when the electroconvective component of the circulation will suppress the natural component. The last feature is useful for heat transfer control systems. In this case, the range of thermal resistance adjustment sharply increases.

Schimbătorul de căldură convectiv propus poate fi utilizat în primul rând la utilajul de tensiune înaltă, în care tensiunea se foloseşte pentru îndeplinirea sarcinilor predeterminate, spre exemplu în sistemele de răcire a radiatoarelor roentgen, în care tensiunea înaltă este admisă la anodul şi catodul tubului roentgen pentru iradiere. The proposed convective heat exchanger can be used primarily in high-voltage equipment, where the voltage is used to perform predetermined tasks, for example in X-ray radiator cooling systems, where high voltage is applied to the anode and cathode of the X-ray tube for irradiation.

1. Болога М. К. и др. Электроконвективное охлаждение высоковольтной аппаратуры. Электронная обработка материалов, № 2, 1985 г., с. 48 - 50 1. Болога М. К. and others Electroconvective cooling of high-voltage equipment. Electronic processing of materials, № 2, 1985, p. 48 - 50

2. Жакин А. И. и др. Изучение переходных процессов и влияния поверхностной структуры электродов на теплоотдачу в проволочном ЭГД-теплообменнике. Электронная обработка материалов, Том 47, № 3, 2011, с. 55 - 59 2. Жакин А. И. and others Study of transition processes and influence of surface structure of electrodes on heat transfer in wire EHD-heat exchanger. Electronic processing of materials, Том 47, № 3, 2011, с. 55 - 59

Claims

Convective heat exchanger, comprising a body (1) filled with a thermal agent with a heat input surface (2) and a heat output surface (3), and some wire-shaped electrodes (5, 7) (4), placed in the body (1), some of them (5) being covered with dielectric material with perforations and connected to the negative pole of a voltage source (6), and the uncovered ones (7) being connected to the positive pole, characterized in that the body (1) is made with two channels - ascending (8) and descending (9), in which electrodes (5, 7) are placed in pairs, in rows transverse to the channels (8, 9), with the perforations of the covered electrodes (5) in the descending channel (9) directed in the direction of the heat input surface (2) and with the perforations of the electrodes (5) in the ascending channel (8) - in the direction of the heat output surface (3), also in the body (1) near the heat input (2) and heat output (3) surfaces, covered electrodes (5) are placed equidistantly with the perforations facing the corresponding surface.

Convective heat exchanger according to claim 1, characterized in that enamel or fluoroplastic is used as the dielectric material.

Convective heat exchanger according to claim 1, characterized in that the ratio of the distance between the electrodes (5, 7) in the rows to the diameter of the wires (4) of the electrodes (5, 7) is 1.5 ... 3.0.

Convective heat exchanger according to claim 1, characterized in that the ratio of the gap between the wires (4) of the electrodes (5, 7) to the distance between the electrodes (5, 7) in the rows is 0.01 ... 1.0.