MD909Z - Schimbător de căldură convectiv - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la schimbătoarele de căldură convective destinate răcirii elementelor şi nodurilor aparatajului radioelectronic.Schimbătorul de căldură convectiv include un corp (1), executat în formă de canal închis, cu o parte ascendentă (4) cu o zonă de admisie a căldurii (11) în partea de jos a ei, şi două părţi descendente (2) cu zone de evacuare a căldurii (3) în partea de sus a lor. În partea ascendentă (4) a corpului (1), în zona de admisie a căldurii (11), este instalată o sursă de căldură (5), în partea de sus a căreia sunt amplasaţi în perechi, transversal părţii ascendente (4) a corpului (1), nişte electrozi-emitor (6) şi nişte electrozi (7), legaţi la pământ. În părţile descendente (2) ale corpului (1), mai jos de zonele de evacuare a căldurii (3), este amplasat câte un perete despărţitor poros (9) din material dielectric, în partea de sus a cărora este instalat câte un colector de sarcină (10), fiecare fiind conectat cu electrozii-emitor (6). Porţiunile corpului (1) la nivelul peretelui despărţitor poros (9) sunt executate din material dielectric (8). Corpul (1) este umplut cu un lichid dielectric.

Description

Invenţia se referă la schimbătoarele de căldură convective destinate răcirii elementelor şi nodurilor aparatajului radioelectronic.

Este cunoscut schimbătorul de căldură convectiv, folosit la răcirea emiţătorului Roentgen, care este constituit din două părţi principale - anod şi catod, care se află sub tensiuni diferite. Elementul cel mai solicitat termic, care necesită răcire, este anodul. Autonom, fără aplicarea potenţialelor la anod şi catod, un astfel de schimbător de căldură nu poate funcţiona. Atât schimbătorul de căldură, cât şi emiţătorul Roentgen legat cu el sincron, necesită o sursă exterioară de tensiune înaltă [1].

Dezavantajele acestui schimbător de căldură constau în utilizarea numai a unei perechi de electrozi, ceea ce permite obţinerea unei convecţii foarte slabe, şi în utilizarea în el a electrozilor cu proeminenţe ascuţite, ceea ce duce la o degradare rapidă a lichidului dielectric.

Este cunoscut schimbătorul de căldură convectiv, care conţine un corp cu zone de admisie şi evacuare a căldurii, electrozi în formă de fire amplasaţi în pereche, acoperiţi cu material dielectric şi conectaţi la polii negativi ai sursei de tensiune, şi electrozi neacoperiţi, conectaţi la polii pozitivi ai sursei [2].

Dezavantajul acestui schimbător de căldură constă în amplasarea zonelor de admisie şi evacuare a căldurii. Zona de admisie a căldurii este amplasată în partea de sus, iar cea de evacuare în partea de jos. O aşa amplasare a zonelor de admisie şi evacuare a căldurii exclude complet convecţia naturală. La exploatarea schimbătorului de căldură convectiv, care funcţionează în câmpul de gravitaţie, este necesar de a îndeplini toate condiţiile la care convecţia naturală şi electroconvectivă nu concurează între ele, ci din contra, contribuie la intensificarea schimbului de căldură. La fel trebuie de menţionat că în această soluţie, practic, lipseşte turbionarea lichidului dielectric, imediat deasupra suprafeţei de admisie şi evacuare a căldurii. Intensificarea procesului de transmisie a căldurii se realizează numai din contul fluxului, dezvoltat de două perechi de electrozi, care formează o pompă electrohidrodinamică cu două trepte. Acest schimbător necesită o sursă externă de tensiune, nu generează tensiune electrică înaltă şi, prin urmare, poate fi util numai pentru răcirea aparatajului de tensiune înaltă.

Cea mai apropiată soluţie este schimbătorul electrohidrodinamic convectiv, care conţine canale descendent cu o zonă de admisie a căldurii şi ascendent cu o zonă de evacuare a căldurii, o sursă de tensiune şi electrozi-emitori, conectaţi la sursa de tensiune înaltă exterioară [3].

Dezavantajele acestui schimbător de căldură constau în necesitatea unei surse exterioare de tensiune înaltă, necesitatea prezenţei unor conductoare de racordare şi a convertizoarelor de tensiune joasă şi înaltă. Ca rezultat asemenea schimbătoare de căldură nu sunt utilizabile pentru regiunile îndepărtate.

Problema pe care o rezolvă prezenta invenţie constă în realizarea unui schimbător de căldură convectiv, care nu necesită o sursă exterioară de tensiune.

Schimbătorul de căldură convectiv include un corp, executat în formă de canal închis, cu o parte ascendentă cu o zonă de admisie a căldurii în partea de jos a ei, şi două părţi descendente cu zone de evacuare a căldurii în partea de sus a lor. În partea ascendentă a corpului, în zona de admisie a căldurii, este instalată o sursă de căldură, în partea de sus a căreia sunt amplasaţi în perechi, transversal părţii ascendente a corpului, nişte electrozi-emitor şi nişte electrozi, legaţi la pământ. În părţile descendente ale corpului, mai jos de zonele de evacuare a căldurii, este amplasat câte un perete despărţitor poros din material dielectric, în partea de sus a cărora este instalat câte un colector de sarcină, fiecare fiind conectat cu electrozii-emitor. Porţiunile corpului la nivelul peretelui despărţitor poros sunt executate din material dielectric. Corpul este umplut cu un lichid dielectric.

La alte particularităţi putem atribui faptul că în calitate de sursă de căldură poate fi utilizat un container cu substanţe radioactive, sau o porţiune a părţii ascendente poate fi executată din material transparent, iar în calitate de sursă de căldură este folosit un acumulator de căldură, încălzit de un concentrator solar. De asemenea, în calitate de sursă de căldură poate fi folosită şi o baterie din LED-uri.

Rezultatul invenţiei constă în generarea tensiunii înalte datorită mişcării convective a lichidului dielectric în interiorul corpului şi folosirea acestei tensiuni la intensificarea transferului de căldură.

Invenţia se explică prin desenul din figură, care reprezintă schema schimbătorului de căldură convectiv.

Schimbătorul de căldură convectiv include un corp 1, executat în formă de canal închis, cu o parte ascendentă 4 cu o zonă de admisie a căldurii 11 în partea de jos a ei, şi două părţi descendente 2 cu zone de evacuare a căldurii 3 în partea de sus a lor. În partea ascendentă 4 a corpului 1, în zona de admisie a căldurii 11, este instalată o sursă de căldură 5, în partea de sus a căreia sunt amplasaţi în perechi, transversal părţii ascendente 4 a corpului 1, nişte electrozi-emitor 6 şi nişte electrozi 7, legaţi la pământ. În părţile descendente 2 ale corpului 1, mai jos de zonele de evacuare a căldurii 3, este amplasat câte un perete despărţitor poros 9 din material dielectric, în partea de sus a cărora este instalat câte un colector de sarcină 10, fiecare fiind conectat cu electrozii-emitor 6. Porţiunile corpului 1 la nivelul peretelui despărţitor poros 9 sunt executate din material dielectric 8. Corpul 1 este umplut cu un lichid dielectric.

Schimbătorul de căldură convectiv funcţionează în modul următor.

La admisia căldurii spre zona de admisie a căldurii 11 lichidul dielectric se încălzeşte şi se ridică prin partea ascendentă 4 a corpului 1. Deoarece zonele de evacuare a căldurii 3 sunt amplasate în partea de sus a părţilor descendente 2 ale corpului 1, lichidul dielectric se scurge în părţile descendente 2 ale corpului 1. Acţiunea comună a zonelor de admisie a căldurii 11 şi de evacuare a căldurii 3 creează o circulaţie continuă a lichidului dielectric în interiorul corpului 1. La trecerea lichidului dielectric prin pereţii despărţitori poroşi 9 spre colectorii de sarcină 10, se generează tensiune înaltă. La conectarea colectorilor de sarcină 10 cu electrozii-emitori 6 curgerile convective şi electroconvective se însumează, ceea ce contribuie la creşterea vitezei de circulaţie a lichidului, deci la răcirea sursei de căldură 5 şi la sporirea tensiunii înalte la colectorii de sarcină 10. Toate aceste trei elemente - sursa de căldură 5, zonele de evacuare a căldurii 3 şi sistemul de electrozi-emitori 6 cu electrozii 7 legaţi la pământ contribuie la amplificarea convecţiei în interiorul corpului 1.

Sursa de căldură 5 cu substanţă radioactivă poate degaja căldură şi menţine convecţia în interiorul corpului 1 o perioadă îndelungată, prin urmare, poate genera o tensiune înaltă la colectorii de sarcină 10. De asemenea, la funcţionarea unui aşa schimbător de căldură în pustiu, unde pe parcursul zilei, de regulă, luminează soarele, drept sursă de căldură poate fi utilizat un acumulator de căldură, încălzit de un concentrator solar. În acest caz o porţiune a părţii ascendente 4 poate fi executată din material transparent. Volumul acumulatorului de căldură se calculează cu condiţia menţinerii căldurii pe timp de noapte. Aceasta permite funcţionarea schimbătorului convectiv de căldură şi pe durata nopţii. O parte din energia generată poate fi folosită şi în alte scopuri, de exemplu, la încărcarea condensatorului de tensiune înaltă şi emiţătorului ce funcţionează în regim cu impulsuri.

Astfel, se propune un schimbător convectiv autonom, care nu necesită o sursă exterioară de tensiune înaltă. Un astfel de schimbător de căldură poate fi instalat şi în pustiu, unde lipsesc chiar şi sursele de energie de tensiune joasă.

Exemplu

Schimbătorul de căldură convectiv a fost confecţionat din ţevi de oţel inoxidabil. Diametrul părţilor ascendente şi descendente constituia, respectiv, 20 mm şi 15 mm. Aria fiecăruia din cei doi pereţi despărţitori poroşi 9 cu gradul de porozitate 100 µm constituia 12,5 cm2, iar grosimea lor - 3 mm. Forţa de frecare, opusă mişcării lichidului prin pori, constituia ~0,35 N. În calitate de colectori de sarcină 10 au fost utilizate inele din cupru cu diametrele de 40 mm şi 36 mm, respectiv, şi grosimea de 8 mm. Colectorii de sarcină 10 au fost confecţionaţi din grilă metalică sub formă de cilindri cu diametrul de 40 mm. Dimensiunile ochiurilor grilei constituiau (1,5x1,5) mm. Diametrul canalului în secţiunea corpurilor poroase era de 40 mm. Electrozii 7 au fost confecţionaţi din conductori de cupru ⌀ 1 mm. Electrozii - emitori 6 au fost acoperiţi cu material izolator (email). În calitate de sursă de căldură 5 a fost utilizat un reşou electric plasat pe suprafaţa corpului 1, în zona de admisie a căldurii 11. În zonele de evacuare a căldurii 3 au fost instalate radiatoare standard cu plăci pentru evacuarea căldurii până la 50 W. Suprafeţele de contact al radiatorului cu corpul 1 au fost unse cu pastă specială conductoare de căldură. Distanţa dintre zonele de admisie a căldurii 11 şi de evacuare 3 constituia 450 mm, pe când înălţimea totală a instalaţiei constituia 550 mm, iar perimetrul - 1500 mm.

De menţionat că tensiunea înaltă generată de pereţii despărţitori poroşi 9 depinde de: viteza lichidului prin pori, dimensiunile lor, aria şi grosimea despărţiturilor poroase.

1. Болога М.К., и др. Электроконвективное охлаждение высоковольтной аппаратуры. Электронная обработка материалов. №2, 1985, р. 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, р. 55-59

3. MD 577 Z 2012.12.31

Claims (4)

1. Schimbător de căldură convectiv, care include un corp (1), executat în formă de canal închis, cu o parte ascendentă (4) cu o zonă de admisie a căldurii (11) în partea de jos a ei, şi două părţi descendente (2) cu zone de evacuare a căldurii (3) în partea de sus a lor; în partea ascendentă (4) a corpului (1), în zona de admisie a căldurii (11), este instalată o sursă de căldură (5), în partea de sus a căreia sunt amplasaţi în perechi, transversal părţii ascendente (4) a corpului (1), nişte electrozi-emitor (6) şi nişte electrozi (7), legaţi la pământ, iar în părţile descendente (2) ale corpului (1), mai jos de zonele de evacuare a căldurii (3), este amplasat câte un perete despărţitor poros (9) din material dielectric, în partea de sus a cărora este instalat câte un colector de sarcină (10), fiecare fiind conectat cu electrozii-emitor (6); porţiunile corpului (1) la nivelul peretelui despărţitor poros (9) sunt executate din material dielectric (8), totodată corpul (1) este umplut cu un lichid dielectric.

2. Schimbător de căldură convectiv, conform revendicării 1, în care în calitate de sursă de căldură (5) este folosit un container cu substanţe radioactive.

3. Schimbător de căldură convectiv, conform revendicării 1, în care o porţiune a părţii ascendente este executată din material transparent, totodată în calitate de sursă de căldură (5) este folosit un acumulator de căldură, încălzit de un concentrator solar.

4. Schimbător de căldură convectiv, conform revendicării 1, în care în calitate de sursă de căldură (5) este folosită o baterie din LED-uri.