RU173748U1

RU173748U1 - TWO PHASE THERMOSIPHONE

Info

Publication number: RU173748U1
Application number: RU2016142858U
Authority: RU
Inventors: Гений Владимирович Кузнецов; Евгения Георгиевна Орлова; Константин Олегович Пономарёв; Дмитрий Владимирович Феоктистов; Атлант Едилулы Нурпейис
Priority date: 2016-12-20
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2017-09-07

Abstract

Полезная модель относится к теплотехнике, а именно к теплообменным аппаратам с промежуточным теплоносителем в закрытых трубах, проходящих внутри стенок, в которых теплоноситель конденсируется и испаряется, и может быть использована для охлаждения энергонасыщенного авиационного оборудования, системы отопления и других тепловыделяющих устройств. Двухфазный термосифон содержит корпус из материала с высоким коэффициентом теплопроводности в виде соединенных между собой верхней и нижней, соосно расположенных, вертикальных, цилиндрических камер, образующих снаружи в месте их соединения кольцевую площадку. Рабочий объем нижней камеры заполнен жидкостью и перегорожен воронкой, узкая часть которой соединена с паропроводом в форме витой трубы, внутренняя поверхность которой по всей длине снабжена выступом. Бортовая часть воронки выполнена с отверстиями, равномерно расположенными по окружности. Охлаждаемая поверхность верхней камеры является конденсатором, часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне. В нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу. Верхняя внутренняя поверхность корпуса снабжена одинаковыми, равномерно расположенными, прямоугольными выступами. На боковую внутреннюю поверхность верхней камеры нанесено гидрофильное покрытие из диоксида титана. К внешней поверхности верхней камеры присоединены поперечные круглые ребра. Корпус, выступы и ребра выполнены из одного материала. Дно нижней камеры изнутри выполнено с цилиндрическими выемками, расположенными равномерно. Технический результат: повышение интенсивности теплообмена в нижней и верхней камерах. 3 ил.The utility model relates to heat engineering, namely to heat exchangers with an intermediate heat carrier in closed pipes passing inside walls in which the heat carrier condenses and evaporates, and can be used to cool energy-saturated aircraft equipment, heating systems, and other heat-generating devices. A two-phase thermosiphon contains a housing made of a material with a high coefficient of thermal conductivity in the form of interconnected upper and lower, coaxially located, vertical, cylindrical chambers that form an annular area outside at the junction. The working volume of the lower chamber is filled with liquid and blocked by a funnel, a narrow part of which is connected to the steam pipe in the form of a twisted pipe, the inner surface of which is provided with a protrusion along the entire length. The side of the funnel is made with holes evenly spaced around the circumference. The cooled surface of the upper chamber is a condenser, part of the lower chamber is reserved for the accumulation of air and other gaseous impurities that were originally contained in the thermosiphon. A valve is installed in the lower chamber to vent some of the air out. The upper inner surface of the housing is provided with identical, evenly spaced, rectangular protrusions. A hydrophilic titanium dioxide coating is applied to the side inner surface of the upper chamber. Transverse circular ribs are attached to the outer surface of the upper chamber. The body, protrusions and ribs are made of one material. The bottom of the lower chamber inside is made with cylindrical recesses located evenly. Effect: increased heat transfer in the lower and upper chambers. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к теплотехнике, а именно к теплообменным аппаратам с промежуточным теплоносителем в закрытых трубах, проходящих внутри стенок, в которых теплоноситель конденсируется и испаряется, и может быть использована для охлаждения энергонасыщенного авиационного оборудования, систем отопления и других тепловыделяющих устройств.The utility model relates to heat engineering, namely to heat exchangers with an intermediate heat carrier in closed pipes passing inside walls in which the heat carrier condenses and evaporates, and can be used to cool energy-saturated aircraft equipment, heating systems, and other heat-generating devices.

Известен термосифон [RU 2373473 C1, МПК F28D 15/02 (2006.01), опубл. 20.11.2009], содержащий корпус, рабочий объем нижней камеры которого заполнен жидкостью, воронку, которой перегорожена нижняя камера с паропроводом для транспортировки пара, парогенератор в нижней камере и конденсатор в верхней камере. Конденсатором является охлаждаемая поверхность верхней камеры термосифона. Часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне. В нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу.Known thermosiphon [RU 2373473 C1, IPC F28D 15/02 (2006.01), publ. November 20, 2009], comprising a housing, the working volume of the lower chamber of which is filled with liquid, a funnel, which encloses the lower chamber with a steam line for transporting steam, a steam generator in the lower chamber and a condenser in the upper chamber. The condenser is the cooled surface of the upper chamber of the thermosiphon. Part of the lower chamber is reserved for the accumulation of air and other gaseous impurities originally contained in the thermosiphon. A valve is installed in the lower chamber to vent some of the air out.

Недостатком этого устройства является унос капель жидкой фазы с паром в зону конденсации, что приводит к утолщению пленки жидкости на поверхности верхней камеры термосифона.The disadvantage of this device is the entrainment of droplets of the liquid phase with steam into the condensation zone, which leads to a thickening of the liquid film on the surface of the upper chamber of the thermosyphon.

Известна тепловая труба [SU 1052828 A2, МПК F28D 15/02, опубл. 07.11.1983], которая представляет собой вертикальный корпус, частично заполненный теплоносителем, с зонами испарения и конденсации и коаксиальную вставку, размещенную внутри корпуса, с образованием в зоне испарения кольцевого канала. Верхний торец вставки выполнен с отбортовкой, плотно прилегающей к стенке корпуса и имеющей на закругленной поверхности сквозные отверстия для отвода образовавшихся в кольцевом канале паров теплоносителя в сторону зоны испарения. Внутри вставки установлен сепаратор, расположенный ниже отверстий.Known heat pipe [SU 1052828 A2, IPC F28D 15/02, publ. 11/07/1983], which is a vertical housing partially filled with coolant, with evaporation and condensation zones and a coaxial insert located inside the housing, with the formation of an annular channel in the evaporation zone. The upper end face of the insert is made with a flange that fits snugly against the wall of the housing and has through holes on the rounded surface for the removal of coolant vapors formed in the annular channel towards the evaporation zone. Inside the insert there is a separator located below the holes.

Недостатком такого устройства является отсутствие клапана для сбрасывания части воздуха наружу и области для скапливания неконденсирующихся примесей, что значительно ухудшает интенсивность конденсации.The disadvantage of this device is the lack of a valve to discharge part of the air outside and the area for the accumulation of non-condensable impurities, which significantly impairs the intensity of the condensation.

Известен двухфазный термосифон [RU 157300 U1, МПК F28D 15/00 (2006.01), опубл. 27.11.2015], выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус, состоящий из соединенных между собой верхней и нижней камер. Корпус выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности. Рабочий объем нижней камеры заполнен жидкостью и перегорожен воронкой с паропроводом для транспортировки пара. Узкая часть воронки соединена с паропроводом в форме витой трубы, внутренняя поверхность которой по всей длине снабжена прямоугольным выступом. Бортовая часть воронки выполнена с отверстиями, равномерно расположенными по окружности. Охлаждаемая поверхность верхней камеры является конденсатором. Часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне. В нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу.Known two-phase thermosiphon [RU 157300 U1, IPC F28D 15/00 (2006.01), publ. November 27, 2015], selected as a prototype, comprising a housing consisting of interconnected upper and lower chambers. The housing is made of a material with a high coefficient of thermal conductivity. The working volume of the lower chamber is filled with liquid and blocked by a funnel with a steam line for transporting steam. The narrow part of the funnel is connected to the steam pipe in the form of a twisted pipe, the inner surface of which is provided with a rectangular protrusion along the entire length. The side of the funnel is made with holes evenly spaced around the circumference. The cooled surface of the upper chamber is a condenser. Part of the lower chamber is reserved for the accumulation of air and other gaseous impurities originally contained in the thermosiphon. A valve is installed in the lower chamber to vent some of the air out.

Недостатком двухфазного термосифона является низкая интенсивность теплообмена, что обусловлено малой площадью внешней боковой поверхности верхней камеры и пленочной конденсацией внутри нее.The disadvantage of a two-phase thermosiphon is the low heat transfer rate, which is due to the small area of the outer side surface of the upper chamber and the film condensation inside it.

Предложенная полезная модель позволяет повысить интенсивность теплообмена в нижней и верхней камерах двухфазного термосифона.The proposed utility model allows to increase the heat transfer intensity in the lower and upper chambers of a two-phase thermosiphon.

Предложенный двухфазный термосифон, так же как в прототипе, содержит корпус из материала с высоким коэффициентом теплопроводности в виде соединенных между собой верхней и нижней, соосно расположенных, вертикальных, цилиндрических камер, образующих снаружи в месте их соединения, кольцевую площадку, при этом рабочий объем нижней камеры заполнен жидкостью и перегорожен воронкой, узкая часть которой соединена с паропроводом в форме витой трубы, внутренняя поверхность которой по всей длине снабжена выступом, а бортовая часть воронки выполнена с отверстиями, равномерно расположенными по окружности, охлаждаемая поверхность верхней камеры является конденсатором, часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне, в нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу.The proposed two-phase thermosiphon, as in the prototype, contains a housing made of a material with a high coefficient of thermal conductivity in the form of interconnected upper and lower, coaxially arranged, vertical, cylindrical chambers, forming an annular area outside at the junction, while the working volume of the lower the chamber is filled with liquid and blocked by a funnel, a narrow part of which is connected to a steam pipe in the form of a twisted pipe, the inner surface of which is provided with a protrusion along the entire length, and the side part of the funnel is made with holes at evenly spaced circumferentially, cooled surface of the upper chamber is a condenser, part of the lower air chamber is reserved for storage and other gaseous impurities originally contained in the thermosyphon, installed in the lower chamber valve to relieve air portion outwardly.

Согласно полезной модели верхняя внутренняя поверхность корпуса снабжена одинаковыми, равномерно расположенными, прямоугольными выступами. На боковую внутреннюю поверхность верхней камеры нанесено гидрофильное покрытие из диоксида титана. К внешней поверхности верхней камеры присоединены поперечные круглые ребра. Корпус, выступы и ребра выполнены из одного материала. Дно нижней камеры изнутри выполнено с цилиндрическими выемками, расположенными равномерно.According to a utility model, the upper inner surface of the housing is provided with identical, evenly spaced, rectangular protrusions. A hydrophilic titanium dioxide coating is applied to the side inner surface of the upper chamber. Transverse circular ribs are attached to the outer surface of the upper chamber. The body, protrusions and ribs are made of one material. The bottom of the lower chamber inside is made with cylindrical recesses located evenly.

Прямоугольные выступы на верхней внутренней поверхности корпуса обеспечивают капельную конденсацию пара, интенсифицируя теплообмен в зоне конденсации двухфазного термосифона. Гидрофильное покрытие улучшает смачиваемость боковой внутренней поверхности верхней камеры, что позволяет каплям жидкости стекать в виде тонкой пленки, увеличивая переток жидкости в нижнюю камеру. Поперечные круглые ребра на внешней поверхности верхней камеры увеличивают площадь теплоотвода, интенсифицируя теплопередачу в верхней части корпуса. Цилиндрические выемки, выполненные изнутри корпуса, на его дне, обеспечивают условия для возникновения пузырьков воздуха и пара, усиливая процесс кипения жидкости в нижней камере. Таким образом, по сравнению с прототипом, использование предложенного двухфазного термосифона позволяет повысить интенсивность теплообмена в его нижней и верхней камерах.Rectangular protrusions on the upper inner surface of the housing provide drip condensation of steam, intensifying heat transfer in the condensation zone of a two-phase thermosiphon. The hydrophilic coating improves the wettability of the side inner surface of the upper chamber, which allows droplets of liquid to drain in the form of a thin film, increasing the flow of liquid into the lower chamber. Transverse round ribs on the outer surface of the upper chamber increase the heat sink area, intensifying the heat transfer in the upper part of the body. Cylindrical recesses made from the inside of the housing, at its bottom, provide conditions for the appearance of air bubbles and steam, enhancing the process of boiling liquid in the lower chamber. Thus, in comparison with the prototype, the use of the proposed two-phase thermosiphon allows you to increase the intensity of heat transfer in its lower and upper chambers.

На фиг. 1 показана конструкция двухфазного термосифона.In FIG. 1 shows the design of a two-phase thermosiphon.

На фиг. 2 показана нижняя камера, вид сверху, разрез А-А.In FIG. 2 shows the lower chamber, a top view, section AA.

На фиг. 3 показан выносной элемент B - увеличенное изображение внутренней верхней поверхности корпуса.In FIG. 3 shows the extension element B - an enlarged image of the inner upper surface of the housing.

Двухфазный термосифон содержит цельный корпус 1 (фиг. 1) в виде соединенных между собой верхней 2 и нижней 3, соосно расположенных, вертикальных цилиндрических камер, образующих снаружи, в месте их соединения, кольцевую площадку. Диаметр нижней камеры 3 больше диаметра верхней камеры 2. Дно нижней камеры 3 изнутри выполнено с цилиндрическими выемками 4 (фиг. 2), расположенными равномерно. В нижней камере 3 (фиг. 1), заполненной жидкостью, например раствором этилового спирта, размещена воронка 5. Узкая часть воронки 5 соединена с паропроводом 6, расположенным в верхней камере 2 и имеющим форму витой трубы, на внутренней поверхности которой по всей ее длине выполнен прямоугольный выступ 7. На внутренней верхней поверхности корпуса 1 выполнены одинаковые, равномерно расположенные, прямоугольные выступы 8 (фиг. 3). На боковую внутреннюю поверхность верхней камеры 2 (фиг. 1) нанесено гидрофильное покрытие 9 из диоксида титана TiO₂.A two-phase thermosiphon contains a one-piece housing 1 (Fig. 1) in the form of interconnected upper 2 and lower 3, coaxially arranged, vertical cylindrical chambers, forming an annular area outside, at their junction. The diameter of the lower chamber 3 is larger than the diameter of the upper chamber 2. The bottom of the lower chamber 3 inside is made with cylindrical recesses 4 (Fig. 2) located uniformly. In the lower chamber 3 (Fig. 1), filled with a liquid, for example, ethyl alcohol solution, a funnel 5 is placed. The narrow part of the funnel 5 is connected to a steam pipe 6 located in the upper chamber 2 and having the shape of a twisted pipe, on the inner surface of which along its entire length made a rectangular protrusion 7. On the inner upper surface of the housing 1 made the same, evenly spaced, rectangular protrusions 8 (Fig. 3). On the lateral inner surface of the upper chamber 2 (Fig. 1), a hydrophilic coating 9 of titanium dioxide TiO _{2 is} applied.

К внешней поверхности верхней камеры 2 (фиг. 1) присоединены n поперечных круглых ребер 10. Диаметр ребер 10 больше диаметра верхней камеры 2 не менее чем в 1,2 раза, но не более чем в 5 раз. Бортовая часть воронки 5 соединена с внутренними боковыми поверхностями нижней камеры 3 и выполнена с равномерно расположенными по окружности отверстиями 11. В нижней камере 3, выше уровня заполняющей ее жидкости, расположен выпускной клапан 12.To the outer surface of the upper chamber 2 (Fig. 1) are attached n transverse circular ribs 10. The diameter of the ribs 10 is greater than the diameter of the upper chamber 2 not less than 1.2 times, but not more than 5 times. The side part of the funnel 5 is connected to the inner side surfaces of the lower chamber 3 and is made with holes 11 evenly spaced around the circumference. In the lower chamber 3, above the level of the liquid filling it, an exhaust valve 12 is located.

Корпус 1, прямоугольные выступы 8 на его внутренней верхней поверхности и поперечные круглые ребра 10 на внешней поверхности верхней камеры 2 выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (нержавеющая сталь, медь, латунь). Ширина каждого прямоугольного выступа 8 составляет 0,005 мм, его высота - 0,03 мм. Ширина паза между выступами 8 составляет 0,03 мм. Толщина каждого ребра 10 составляет 5 мм. Расстояние между ребрами 10 составляет 10 мм. Расстояние между верхним торцом корпуса 1 и верхним ребром 10 составляет 10 мм. Длина оребренной поверхности верхней камеры 2 составляет 75% от всей ее длины. Глубина каждой цилиндрической выемки 4 составляет не более 2 мм, а ее радиус - не более 1 мм. Расстояние между цилиндрическими выемками 4 составляет 4 мм.The housing 1, the rectangular protrusions 8 on its inner upper surface and the transverse round ribs 10 on the outer surface of the upper chamber 2 are made of a material with a high coefficient of thermal conductivity (stainless steel, copper, brass). The width of each rectangular protrusion 8 is 0.005 mm, its height is 0.03 mm. The width of the groove between the protrusions 8 is 0.03 mm. The thickness of each rib 10 is 5 mm. The distance between the ribs 10 is 10 mm. The distance between the upper end of the housing 1 and the upper edge 10 is 10 mm The length of the fin surface of the upper chamber 2 is 75% of its entire length. The depth of each cylindrical recess 4 is not more than 2 mm, and its radius is not more than 1 mm. The distance between the cylindrical recesses 4 is 4 mm.

Двухфазный термосифон работает следующим образом.Two-phase thermosiphon works as follows.

При установке двухфазного термосифона, например, на аккумуляторную батарею, подвод тепла происходит через дно нижней камеры 3. При закипании жидкости, заполняющей нижнюю камеру 3, на равномерно расположенных цилиндрических выемках 4 возникают пузырьки воздуха и пара, при этом осуществляется тепло- и массоперенос с изменением агрегатного состояния жидкости в зонах испарения и конденсации, создавая движущийся напор под действием сил гравитации и естественную циркуляцию в контуре термосифона. Парожидкостная смесь, образованная при кипении жидкости в нижней камере 3, собирается в воронку 5 и проходит по паропроводу в форме витой трубы 6 в верхнюю камеру 2, вытесняя воздух, при этом давление в термосифоне повышается. Капли жидкости задерживаются прямоугольным выступом 7 на внутренней поверхности витой трубы 6. Далее пар направляется на одинаковые, равномерно расположенные, прямоугольные выступы 8 на внутренней верхней поверхности корпуса 1. Происходит капельная конденсация пара, при которой капли 13 располагаются на выступах 8, а пар непосредственно контактирует с верхней стенкой зоны конденсации, при этом интенсивность теплообмена в зоне конденсации повышается, а давление в контуре снижается. Увеличенная площадь теплоотвода на внешней поверхности верхней камеры 2 за счет поперечных круглых ребер 10, распределенных равномерно в продольном направлении корпуса 1, увеличивает тепловой поток от корпуса 1, что повышает интенсивность теплопередачи в его верхней части. По стенкам внутренней поверхности корпуса 1 верхней камеры 2, с нанесенным гидрофильным покрытием 9, конденсат в виде тонкой пленки стекает вниз в зону испарения, где через отверстия 11 в бортовой части воронки 5 жидкость возвращается в нижнюю камеру 3, в которой скапливаются несконденсированные пары и большая часть воздуха. С увеличением нагрева дна нижней камеры 3 давление в корпусе 1 достигает значения, при котором срабатывает установленный в нижней камере 3 выпускной клапан 12 и часть воздуха удаляется из термосифона.When a two-phase thermosiphon is installed, for example, on a rechargeable battery, heat is supplied through the bottom of the lower chamber 3. When the liquid filling the lower chamber 3 boils, air and steam bubbles appear on evenly spaced cylindrical recesses 4, and heat and mass transfer occur with a change the state of aggregation of the liquid in the zones of evaporation and condensation, creating a moving head under the action of gravity and natural circulation in the thermosiphon circuit. The vapor-liquid mixture formed by boiling the liquid in the lower chamber 3 is collected in a funnel 5 and passes through a steam pipe in the form of a twisted pipe 6 into the upper chamber 2, displacing air, while the pressure in the thermosiphon increases. Drops of liquid are trapped by a rectangular protrusion 7 on the inner surface of the twisted pipe 6. Next, the steam is directed to the same, evenly spaced, rectangular protrusions 8 on the inner upper surface of the housing 1. Drip condensation of the vapor occurs, in which the droplets 13 are located on the protrusions 8, and the vapor directly contacts with the upper wall of the condensation zone, while the heat transfer intensity in the condensation zone increases, and the pressure in the circuit decreases. The increased heat sink area on the outer surface of the upper chamber 2 due to the transverse circular ribs 10 distributed evenly in the longitudinal direction of the housing 1, increases the heat flux from the housing 1, which increases the intensity of heat transfer in its upper part. On the walls of the inner surface of the housing 1 of the upper chamber 2, with a hydrophilic coating 9 applied, condensate in the form of a thin film flows down into the evaporation zone, where through the openings 11 in the side of the funnel 5, the liquid returns to the lower chamber 3, in which non-condensed vapors and large part of the air. With increasing heating of the bottom of the lower chamber 3, the pressure in the housing 1 reaches a value at which the exhaust valve 12 installed in the lower chamber 3 is activated and part of the air is removed from the thermosiphon.

Claims

1. A two-phase thermosiphon containing a housing made of a material with a high coefficient of thermal conductivity in the form of interconnected upper and lower, coaxially arranged, vertical, cylindrical chambers that form an annular area outside at their junction, while the working volume of the lower chamber is filled with liquid and blocked by a funnel , the narrow part of which is connected to the steam pipe in the form of a twisted pipe, the inner surface of which is provided with a protrusion along the entire length, and the side part of the funnel is made with holes evenly distributed Along the circumference, the cooled surface of the upper chamber is a condenser, part of the lower chamber is reserved for the accumulation of air and other gaseous impurities initially contained in the thermosiphon, a valve is installed in the lower chamber to discharge part of the air outward, characterized in that the upper inner surface of the housing is equipped with the same, uniformly spaced, rectangular protrusions, a hydrophilic coating is applied to the lateral inner surface of the upper chamber, to the outer surface of the upper the transverse round ribs are attached to the chamber, moreover, the housing, protrusions and ribs are made of the same material, and the bottom of the lower chamber inside is made with cylindrical recesses arranged uniformly.

2. A two-phase thermosiphon according to claim 1, characterized in that a hydrophilic coating of titanium dioxide is applied to the side inner surface of the upper chamber.