RU15386U1

RU15386U1 - HEATING DEVICE

Info

Publication number: RU15386U1
Application number: RU2000106177/20U
Authority: RU
Inventors: Ю.Ф. Майданик; В.И. Дмитрин
Original assignee: Институт теплофизики Уральского отделения РАН
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2000-10-10

Abstract

1. Устройство для обогрева в виде замкнутого двухфазного термосифона, частично заполненного рабочей жидкостью, включающее испаритель и размещенный выше него конденсатор, сообщающиеся посредством паропровода, подключенного к верхним частям испарителя и конденсатора, и конденсатопровода, входное и выходное устья которого расположены соответственно в нижней части испарителя и конденсатора, отличающееся тем, что испаритель выполнен в виде камеры преимущественно цилиндрической формы и снабжен нагревателем, связанным с блоком регулирования, и датчиком температуры, при этом конденсатор выполнен с возможностью размещения в тепловом контакте с обогреваемым объектом, а датчик - с возможностью размещения в обогреваемом объекте.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что конденсатопровод подключен к верхней части испарителя.3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что конденсатор выполнен в виде петли, снабженной оребрением.4. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что испаритель снабжен капиллярно-пористой набивкой, протяженность которой соответствует количеству рабочей жидкости в испарителе.5. Устройство по пп. 1 и 4, отличающееся тем, что капиллярно-пористая набивка снабжена продольными каналами открытыми в сторону паропровода.6. Устройство по пп.1, 2, 4 и 5, отличающееся тем, что конденсатор выполнен в виде теплообменника типа "труба в трубе", снабжен рубашкой для прокачки текучей среды, размещенной на его внешней поверхности, и имеет внутреннюю сквозную полость для прокачки этой же среды, соединенную последовательно с рубашкой посредством дополнительного трубопровода.7. Устройство по пп.1 и 6, отличающееся тем, чт1. A device for heating in the form of a closed two-phase thermosyphon, partially filled with a working fluid, including an evaporator and a condenser placed above it, communicating by means of a steam line connected to the upper parts of the evaporator and condenser, and a condensate pipe, the inlet and outlet mouth of which are located respectively in the lower part of the evaporator and a condenser, characterized in that the evaporator is made in the form of a predominantly cylindrical chamber and is equipped with a heater associated with the control unit Ia, and a temperature sensor, wherein the capacitor is adapted to accommodate a thermal contact with a heated object and the sensor - with the possibility of accommodating in a heated obekte.2. The device according to claim 1, characterized in that the condensate line is connected to the upper part of the evaporator. 3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the capacitor is made in the form of a loop equipped with fins. 4. The device according to PP. 1 and 2, characterized in that the evaporator is equipped with a capillary-porous packing, the length of which corresponds to the amount of working fluid in the evaporator. 5. The device according to PP. 1 and 4, characterized in that the capillary-porous packing is provided with longitudinal channels open towards the steam line. 6. The device according to claims 1, 2, 4 and 5, characterized in that the condenser is made in the form of a pipe-in-pipe heat exchanger, equipped with a jacket for pumping a fluid placed on its outer surface, and has an internal through cavity for pumping the same media connected in series with the jacket through an additional pipeline. 7. The device according to claims 1 and 6, characterized in that

Description

Полезная модель относится к теплопередающим устройствам и может быть использована в области теплотехники, в частности, для обогрева различных объектов, в том числе, жилых и служебных помещений, а также для горячего водоснабжения.The utility model relates to heat transfer devices and can be used in the field of heat engineering, in particular, for heating various objects, including residential and office premises, as well as for hot water supply.

Известен термосифонный теплообменник (авт. свидетельство СССР № 1.132.140, опубл. БИ № 48, 30.12.84), содержащий частично заполненный теплоносителем пучок сребренных тепловых труб, имеющих разъем между зонами испарения и конденсации, подключенными к соответствующим сборным камерам и коллектору, установленному в разъеме пучка и соединенному со сборной камерой зоны испарения посредством конденсатопровода.A thermosiphon heat exchanger is known (USSR author's certificate No. 1.132.140, publ. BI No. 48, 12/30/84), containing a bundle of silver heat pipes partially filled with coolant that have a connector between the evaporation and condensation zones connected to the respective collection chambers and the collector installed in the beam connector and connected to the collecting chamber of the evaporation zone by means of a condensate line.

Недостатком такого устройства является снижение его эффективности из-за перемешивания потоков пара и конденсата, которое происходит в паровом коллекторе, установленном в разъеме пучка тепловых труб.The disadvantage of this device is the decrease in its efficiency due to the mixing of steam and condensate flows, which occurs in the steam manifold installed in the heat pipe bundle connector.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является двухфазный контурный термосифон (Chen Yuanguo and Kuan Jian, Analysis and Experiment of the Thermosyphon Engine, Proc. of the 9-th International Heat Pipe Conference, Beijing, 1992, p.p.466-470), который включает два теплообменника размещенных один выше другого и соединенных посредством паропровода и конденсатопровода. Причем теплообменники выполнены в виде пучка вертикально расположенных трубок с горизонтальным оребрением, верхние концы которых связаны с паровым коллектором, а нижние - с жидкостным коллектором. Теплообменник, расположенный ниже, выполняет роль испарителя, а другой теплообменник является конденсатором, причем паропровод расположен выше конденсатопровода и подключен к паровым коллекторам испарителя и конденсатора, а конденсатопровод - к их жидкостным коллекторам.Closest to the claimed technical solution is a two-phase loop thermosyphon (Chen Yuanguo and Kuan Jian, Analysis and Experiment of the Thermosyphon Engine, Proc. Of the 9th International Heat Pipe Conference, Beijing, 1992, pp466-470), which includes two a heat exchanger placed one above the other and connected by means of a steam pipe and a condensate pipe. Moreover, the heat exchangers are made in the form of a bundle of vertically arranged tubes with horizontal fins, the upper ends of which are connected to the steam collector, and the lower ends to the liquid collector. The heat exchanger located below acts as an evaporator, and the other heat exchanger is a condenser, the steam line being located above the condensate line and connected to the steam collectors of the evaporator and condenser, and the condensate line to their liquid collectors.

Основным недостатком такого устройства является то, что оно предназначено только для вынужденного конвективного теплообмена между горячей и холодной газовыми средами, что ограничивает область его возможного применения. Кроме того, данное устройство плохо поддается тепловому регулированию, направленному на поддержание температуры нагреваемого объекта или среды на заданном уровне.The main disadvantage of such a device is that it is intended only for forced convective heat transfer between hot and cold gas environments, which limits the scope of its possible application. In addition, this device is difficult to thermal regulation, aimed at maintaining the temperature of the heated object or medium at a given level.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить регулируемый обогрев различных объектов - твердых, жидких или газообразных, расположенных на расстоянии от источника тепла или которые не могут находится в непосредственном контакте с источником тепла - как в условиях кондуктивного, так и вынужденного или естественного теплообмена конденсатора с обогреваемым объектом.The proposed technical solution allows for the controlled heating of various objects - solid, liquid or gaseous, located at a distance from the heat source or which cannot be in direct contact with the heat source - both in the conductive and forced or natural heat exchange of the condenser with the heated object.

Устройство для обогрева выполнено в виде замкнутого двухфазного контурного термосифона и включает испаритель в виде камеры преимущественно цилиндрической формы и расположенный выше него конденсатор, тип и конструкция которого соответствует обогреваемому объекту. Испаритель и конденсатор сообщаются посредством паропровода, подключенного к верхним частям испарителя и конденсатора, и конденсатопровода, входное и выходное устья которого расположены в нижней части испарителя и конденсатора. Испаритель снабжен нагревателем, в частности, электрическим, связанным с блоком регулирования и датчиком температуры, размещенным в обогреваемом объекте, а конденсатор находится в непосредственном тепловом контакте с последним.The heating device is made in the form of a closed two-phase loop thermosyphon and includes an evaporator in the form of a chamber of predominantly cylindrical shape and a condenser located above it, the type and design of which corresponds to the heated object. The evaporator and condenser communicate by means of a steam pipe connected to the upper parts of the evaporator and condenser, and a condensate pipe, the input and output mouths of which are located in the lower part of the evaporator and condenser. The evaporator is equipped with a heater, in particular an electric one, connected to the control unit and a temperature sensor located in the heated object, and the condenser is in direct thermal contact with the latter.

В некоторых случаях, для удобства обеспечение теплового контакта испарителя с источником тепла, например, путем погружения, конденсатопровод может быть подключен к верхней части испарителя так, что его выходное устье располагается в нижней части последнего. При этом вся заполненная рабочей жидкостью часть испарителя является свободной для теплового контакта с источником тепла.In some cases, for convenience, providing thermal contact of the evaporator with the heat source, for example, by immersion, the condensate line can be connected to the upper part of the evaporator so that its outlet mouth is located in the lower part of the latter. In this case, the entire part of the evaporator filled with the working fluid is free for thermal contact with the heat source.

Для удобства сопряжения с обогреваемым объектом, в частности, с газовой или жидкой средой, обогреваемой путем как естественной, так и вынужденной конвекции, конденсатор может быть выполнен в виде петли снабженной вертикальным оребрением или сопряженной с оребренной радиационной панелью.For convenience of interfacing with a heated object, in particular, with a gas or liquid medium, heated by both natural and forced convection, the capacitor can be made in the form of a loop equipped with vertical fins or paired with a finned radiation panel.

Для подавления пульсаций давления и связанны с ним вибраций, а также для снижения шумовых эффектов, характерных для кипения в большом объеме при пониженном давлении, испаритель может быть снабжен капиллярно-пористой набивкой (вставкой), протяженность которой соответствует степени заполнения испарителя рабочей жидкостью. Размер пор набивки и ее пористость должны быть достаточно большими, чтобы не создавать значительного гидравлического сопротивления, но, в то же время, ограничивать рост паровых пузырей и обеспечивать сепарацию пара от жидкости. В качестве такой набивки может быть использован, в частности, высокопористый ячеистый материал (ВПЯМ) из никеля или меди с характерным размером пор 0,5-2 мм и пористостью 90-95%.To suppress pressure pulsations and associated vibrations, as well as to reduce the noise effects characteristic of boiling in a large volume under reduced pressure, the evaporator can be equipped with a capillary-porous packing (insert), the length of which corresponds to the degree of filling of the evaporator with a working fluid. The pore size of the packing and its porosity should be large enough not to create significant hydraulic resistance, but at the same time, limit the growth of vapor bubbles and ensure the separation of steam from the liquid. As such a packing, in particular, highly porous cellular material (HPMP) made of nickel or copper with a characteristic pore size of 0.5-2 mm and porosity of 90-95% can be used.

Если устройство используется для нагрева проточной воды или иной текучей среды, то целесообразно использовать в качестве конденсатора теплообменник типа «труба в трубе. Теплообменник снабжен рубашкой на наружной поверхности с патрубками для подвода и отвода нагреваемой среды. Рубашка последовательно соединена с внутренней полостью конденсатора через соответствующей входной патрубок посредством дополнительного трубопровода. Внутренняя полость имеет также выходной патрубок для отбора нагретой текучей среды и турбулизатор потока для интенсификации теплообмена с текучей средой.If the device is used to heat running water or other fluid, it is advisable to use a pipe-in-pipe heat exchanger as a condenser. The heat exchanger is equipped with a jacket on the outer surface with pipes for supplying and discharging the heated medium. The shirt is connected in series with the internal cavity of the capacitor through the corresponding inlet pipe through an additional pipeline. The internal cavity also has an outlet pipe for the selection of heated fluid and a flow turbulator to enhance heat transfer with the fluid.

На фиг. 1 представлена схема устройства для обогрева; на фиг.2 - схема того же устройства с конденсатором в виде петли с вертикальным оребрением; на фиг.З - схема испарителя устройства с капиллярно-пористой набивкой;In FIG. 1 shows a diagram of a device for heating; figure 2 - diagram of the same device with a capacitor in the form of a loop with vertical fins; in Fig.3 is a diagram of an evaporator device with a capillary-porous packing;

Ј яЈ i

на фиг.4 - схема конденсатора выполненного в виде теплообменника типа «труба в трубе.figure 4 - diagram of the condenser made in the form of a heat exchanger type "pipe in pipe.

Устройство для обогрева (фиг.1) выполнено в виде двухфазного замкнутого контурного термосифона и включает испаритель 1, преимущественно цилиндрической формы, частично заполненный рабочей жидкостью 2, сообщающийся с конденсатором 3 посредством паропровода 4, подключенного к верхним частям испарителя 1 и конденсатора 3 и расположенного ниже него конденсатопровода 5, входное и выходное устья 7 и 8 которого расположены в нижней части, конденсатора 3 и испарителя 1. Испаритель 1 снабжен нагревателем 8, связанным с блоком 9 регулирования и датчиком 10 температуры.The heating device (Fig. 1) is made in the form of a two-phase closed loop thermosyphon and includes an evaporator 1, mainly of cylindrical shape, partially filled with a working fluid 2, communicating with a condenser 3 by means of a steam line 4 connected to the upper parts of the evaporator 1 and condenser 3 and located below condensate conduit 5, the input and output mouths 7 and 8 of which are located in the lower part, of the condenser 3 and the evaporator 1. The evaporator 1 is equipped with a heater 8, connected to the control unit 9 and the sensor 10 temperature.

Конденсатопровод 5 может быть подключен к верхней части испарителя 1, а конденсатор 3 может быть выполнен в виде петли 11, снабженной вертикальным оребрением 12 (фиг.2). Петля И может быть также связана с оребренной радиационной панелью (на чертеже не показана).The condensate line 5 can be connected to the upper part of the evaporator 1, and the condenser 3 can be made in the form of a loop 11, equipped with a vertical fin 12 (figure 2). The And loop can also be connected to a finned radiation panel (not shown in the drawing).

Испаритель 1 устройства может быть снабжен капиллярно-пористой набивкой 13 в которой выполнены продольные пароотводные каналы 14 (фиг.З).The evaporator 1 of the device can be equipped with a capillary-porous packing 13 in which longitudinal vapor drainage channels 14 are made (Fig. 3).

Конденсатор 3 устройства может быть выполнен в виде теплообменника 15 типа «труба в трубе, на внешней поверхности которого размещена рубашка 16, имеющая входной и выходной патрубки 17 и 18 для прокачки нагреваемой текучей среды. Рубашка 16 последовательно соединена посредством дополнительного трубопровода 19 с входным патрубком 20 внутренней полости 21, имеющей также выходной патрубок 22 для отбора нагреваемой текучей среды (фиг.4).The condenser 3 of the device can be made in the form of a tube-in-tube heat exchanger 15, on the outer surface of which a shirt 16 is placed, having an inlet and an outlet pipe 17 and 18 for pumping a heated fluid. The shirt 16 is connected in series through an additional pipe 19 with the inlet pipe 20 of the inner cavity 21, which also has an outlet pipe 22 for selecting a heated fluid (figure 4).

Для интенсификации теплообмена во внутренней полости 21 теплообменника 15 последняя может быть дополнительно снабжена турбулизатором потока 23.To intensify heat transfer in the inner cavity 21 of the heat exchanger 15, the latter can be additionally equipped with a flow turbulator 23.

Устройство для нагрева работает следующим образом. При подводе тепла к испарителю 1 рабочая жидкость 2 в нем закипает. Образовавшийся пар движется по паропроводу 4 в конденсатор 3, где конденсируясь отдает тепло среде или объекту, находящимся в тепловом контакте с конденсатором 3. Образовавшийся конденсат по конденсатопроводу 5 возвращается в испаритель, движение пара и жидкости в устройстве осуществляется под действием разности температур и давлений между испарителем и конденсатором. Разность давлений определяется соотношением:A device for heating works as follows. When heat is supplied to the evaporator 1, the working fluid 2 boils in it. The resulting steam moves through the steam line 4 to the condenser 3, where it condenses to give heat to the medium or an object in thermal contact with the condenser 3. The resulting condensate returns through the condensate line 5 to the evaporator, the movement of steam and liquid in the device is effected by the difference in temperature and pressure between the evaporator and capacitor. The pressure difference is determined by the ratio:

АР (рж - рп) g(h2 - hi}, где рж и рп- плоскости рабочей жидкости и пара, g - ускорение свободного падения,AR (rj - rp) g (h2 - hi}, where rj and rp are the planes of the working fluid and vapor, g is the acceleration of gravity,

h2 - hj - разность высот столба жидкости в вертикальном участке конденсатопровода и испарителя.h2 - hj is the difference in the height of the liquid column in the vertical section of the condensate line and the evaporator.

Если нагреватель 8 соединен с блоком 9 автоматического регулирования температуры и датчиком 10 температуры, размещенным в обогреваемом объекте или среде, то с помощью такого устройства можно поддерживать температуру обогреваемого объекта или среды на заданном уровне.If the heater 8 is connected to the automatic temperature control unit 9 and the temperature sensor 10 located in the heated object or medium, then using such a device it is possible to maintain the temperature of the heated object or medium at a predetermined level.

Если в качестве источника тепла используется, например, тепловой аккумулятор в виде сосуда с теплоаккумулирующей средой, то конденсатопровод 5 подключается к верхней части испарителя 1, так, что его выходное устье 7 размещается в нижней части испарителя 1. В этом случае работа устройства происходит таким же образом, но испаритель 1 при этом освобождается от нижней связи с конденсатопроводом 5, препятствующей погружению испарителя 1 в сосуд с теплоаккумулирующей средой.If, for example, a heat accumulator in the form of a vessel with a heat-accumulating medium is used as a heat source, the condensate line 5 is connected to the upper part of the evaporator 1, so that its outlet mouth 7 is located in the lower part of the evaporator 1. In this case, the device operates in the same way Thus, but the evaporator 1 is freed from the lower connection with the condensate line 5, which prevents the immersion of the evaporator 1 in a vessel with a heat-accumulating medium.

Если в качестве нагреваемой среды является, например, воздух в помещении, то целесообразно выполнить конденсатор 3 в виде петли 11, сопряженной с вертикальным оребрением 12, которое способствуетIf, for example, indoor air is used as a heated medium, then it is advisable to make the capacitor 3 in the form of a loop 11, paired with a vertical fin 12, which contributes to

повышению эффективности теплообмена как при естественной, так и при вынужденной конвекции.increase heat transfer efficiency in both natural and forced convection.

Для того, чтобы подавить вибрационные и шумовые эффекты связанные с процессом кипения в испарителе 1 при пониженных давлениях, в нем может быть размещена капиллярно-пористая набивка (вставка) 13, которая препятствует сильному росту паровых пузырей и способствует сепарации пара и жидкости. Протяженность набивки 13 соответствует количеству рабочей жидкости 2 в испарителе 1 и потому она практически не участвует в капиллярной транспортировке рабочей жидкости 2. Для снижения потерь давления в набивке 13 могут быть выполнены продольные каналы 14.In order to suppress the vibrational and noise effects associated with the boiling process in the evaporator 1 at reduced pressures, a capillary-porous packing (insert) 13 can be placed in it, which prevents the strong growth of vapor bubbles and promotes the separation of vapor and liquid. The length of the packing 13 corresponds to the amount of working fluid 2 in the evaporator 1 and therefore it practically does not participate in the capillary transportation of the working fluid 2. To reduce the pressure loss in the packing 13, longitudinal channels 14 can be made.

Если устройство предназначено для нагрева проточной среды, в частности, воды, используют для бытовых нужд, то последняя через патрубок 17 подается в рубашку 16 расположенную на внешней поверхности конденсатора 15, выполненного в виде теплообменника типа «труба в трубе. Через выходной патрубок 18 рубашки 16, по дополнительному трубопроводу 19 через входной патрубок 20 вода поступает во внутреннюю полость конденсатора 21, где получает дополнительное тепло и выходит к потребителю через патрубок 22. Интенсификации теплообмена во внутренней полости 21 конденсатора 15 способствует турбулизатор потока 23.If the device is intended for heating a flowing medium, in particular water, is used for domestic purposes, the latter is supplied through a pipe 17 to a jacket 16 located on the outer surface of the condenser 15, made in the form of a pipe-in-pipe heat exchanger. Through the outlet pipe 18 of the jacket 16, through an additional pipe 19 through the inlet pipe 20, water enters the internal cavity of the condenser 21, where it receives additional heat and goes to the consumer through the pipe 22. The flow turbulator 23 contributes to the intensification of heat transfer in the internal cavity 21 of the condenser 15.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволит иметь многофункциональное устройство для обогрева различных объектов и сред, включающее возможность поддержания температуры объекта или среды на заданном уровне.Thus, the proposed technical solution will allow you to have a multifunctional device for heating various objects and environments, including the ability to maintain the temperature of the object or environment at a given level.

Claims

1. A device for heating in the form of a closed two-phase thermosyphon, partially filled with a working fluid, including an evaporator and a condenser placed above it, communicating by means of a steam line connected to the upper parts of the evaporator and condenser, and a condensate pipe, the inlet and outlet mouth of which are located respectively in the lower part of the evaporator and a condenser, characterized in that the evaporator is made in the form of a predominantly cylindrical chamber and is equipped with a heater associated with the control unit Ia, and a temperature sensor, wherein the capacitor is adapted to accommodate a thermal contact with a heated object and the sensor - to be arranged in the heated object.

2. The device according to claim 1, characterized in that the condensate line is connected to the upper part of the evaporator.

3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the capacitor is made in the form of a loop equipped with fins.

4. The device according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the evaporator is equipped with a capillary-porous packing, the length of which corresponds to the amount of working fluid in the evaporator.

5. The device according to paragraphs. 1 and 4, characterized in that the capillary-porous packing is provided with longitudinal channels open towards the steam line.

6. The device according to claims 1, 2, 4 and 5, characterized in that the condenser is made in the form of a pipe-in-pipe heat exchanger, equipped with a jacket for pumping a fluid placed on its outer surface, and has an internal through cavity for pumping the same medium, connected in series with the jacket through an additional pipeline.

7. The device according to claims 1 and 6, characterized in that a turbulator of the working medium is placed in the internal cavity of the capacitor.