RU2027898C1

RU2027898C1 - Method of operation of thermal tube

Info

Publication number: RU2027898C1
Authority: RU
Inventors: Э.К. Снежко
Original assignee: Снежко Эдуард Константинович
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1995-01-27

Abstract

FIELD: solar-energy engineering and heat-power engineering. SUBSTANCE: rotation of thermal tube and return of condensate from condensation zone are effected due to summation of two opposite effects: effect of increasing of pressure of liquid in enclosed volume during condensation of vapor of this liquid in pores of capillary porous walls bounding this volume and reduction of pressure at evaporation of liquid from capillary tubes. Part of work made due to torque arising on the tube is consumed for overcoming friction forces and other part of work is used for driving the on-board units. EFFECT: enhanced efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и гелиотехнике, в частности к способу передачи и преобразования тепловой энергии, например, солнечной радиации в механическую работу с помощью тепломассообменных устройств типа тепловых труб или тепловых двигателей, и может быть использовано как для точного термостатирования крупногабаритных объектов, так и для реализации возникающего при работе крутящего момента, особенно в условиях интенсивного радиационного нагрева. The invention relates to a power system and solar technology, in particular to a method for transferring and converting thermal energy, for example, solar radiation into mechanical work using heat and mass transfer devices such as heat pipes or heat engines, and can be used both for precise thermostating of large objects and for implementation the torque that occurs during operation, especially in conditions of intense radiation heating.

Известен способ работы тепловой трубы путем испарения теплоносителя, перемещения паров в зону конденсации, конденсации паров и возврата конденсата в зону испарения, по которому бесфитильный возврат конденсата в зону испарения осуществляется за счет принудительного вращения тепловой трубы вокруг своей оси симметрии [1]. Но этот способ не реализуют в тепловых трубах большого диаметра, что связано с большими дополнительными затратами энергии на вращение трубы, срывов капель и ростом гидравлического сопротивления. A known method of operation of a heat pipe by evaporating the coolant, moving vapors to the condensation zone, vapor condensation and returning condensate to the evaporation zone, through which the condensate can return to the evaporation zone without force due to forced rotation of the heat pipe around its axis of symmetry [1]. But this method is not implemented in large diameter heat pipes, which is associated with large additional energy costs for the rotation of the pipe, stall drops and an increase in hydraulic resistance.

Наиболее близким техническим решением, устраняющим указанные недостатки, является способ работы тепловой трубы, заключающийся в осуществлении подвода тепла к зоне испарения и отвода его от зоны конденсации радиальными потоками с диаметрально противоположных сторон трубы при давлении паров теплоносителя ниже давления в тройной точке [2]. The closest technical solution that eliminates these disadvantages is the method of operation of the heat pipe, which consists in supplying heat to the evaporation zone and removing it from the condensation zone by radial flows from diametrically opposite sides of the pipe at a vapor pressure of the coolant below the pressure at the triple point [2].

Однако известный способ имеет ряд существенных недостатков. Крутящий момент, вращающийся по этому способу тепловой трубы, зависит от интенсивности поля внешних массовых сил, в частности гравитационного, и его направленности относительно теплового потока. В случае совпадения этих направлений величина крутящего момента на трубе падает до нуля и она становится неработоспособной без дополнительного внешнего привода, а при слабых внешних массовых силах - малоэффективной. However, the known method has several significant disadvantages. The torque rotating by this method of the heat pipe depends on the intensity of the field of external mass forces, in particular gravitational, and its direction relative to the heat flux. If these directions coincide, the magnitude of the torque on the pipe drops to zero and it becomes inoperative without an additional external drive, and with weak external mass forces it becomes ineffective.

Целью изобретения является повышение эффективности тепломассопереноса в тепловых трубах большого диаметра и увеличение крутящего момента труб вне зависимости от интенсивности и направленности действия на них внешних массовых сил. The aim of the invention is to increase the efficiency of heat and mass transfer in heat pipes of large diameter and increase the torque of the pipes, regardless of the intensity and direction of action of external mass forces on them.

Цель достигается тем, что в известном способе работы тепловой трубы, заключающемся в испарении теплоносителя, перемещении паров в зону конденсации и возврате конденсата в зону испарения при вращении трубы за счет подвода и отвода тепла радиальными потоками с диаметрально противоположных сторон трубы в зонах испарения и конденсации соответственно, возврат конденсата в зону испарения осуществляют в камерах переменного объема путем попеременного изменения величины и направленности капиллярных сил теплоносителя в жидкой его фазе за счет испарения и последующей конденсации его паров в капиллярно-пористых стенках камер переменного объема. The goal is achieved by the fact that in the known method of operation of a heat pipe, which consists in evaporating the coolant, moving the vapors to the condensation zone and returning the condensate to the evaporation zone when the pipe rotates due to the supply and removal of heat by radial flows from diametrically opposite sides of the pipe in the evaporation and condensation zones, respectively , the condensate is returned to the evaporation zone in chambers of variable volume by alternately changing the magnitude and direction of the capillary forces of the coolant in its liquid phase due to evaporation and subsequent condensation of vapor in capillary-porous walls of the variable volume chambers.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что он соответствует критерию "Новизна", так как в нем используются капиллярные силы жидкого теплоносителя, смачивающего диаметрально противоположные камеры переменного объема, для попеременного (по мере вращения трубы между горячей и холодной зонами) повышения внутреннего давления жидкой фазы теплоносителя в зоне конденсации или повышения этого давления в зоне испарения. A comparative analysis of the proposed solution with the prototype shows that it meets the criterion of "Novelty", since it uses the capillary forces of a liquid coolant that moistens diametrically opposed chambers of variable volume to alternately (as the pipe rotates between hot and cold zones) increase the internal pressure of the liquid coolant phases in the condensation zone or increase of this pressure in the evaporation zone.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. The proposed method is implemented as follows.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1. In FIG. 1 shows a diagram of a device that implements the proposed method; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1.

На оси 1 вращения при помощи спиц 2 устанавливают полое кольцо 3, имеющее внутреннюю и внешнюю обечайки 4 и 5 соответственно. Внешняя обечайка 5 имеет сквозные отверстия равномерно по окружности, в которые радиально устанавливают камеры 6 переменного объема, например сильфоны, один конец каждого из которых заглушен капиллярно-пористым элементом 7. Причем поры элементов 7 сообщают (гидравлически) полость кольца 3 и внутренние полости камер 6 переменного объема. Вторые концы камер 6 переменного объема заглушены светопрозрачными крышками 8 и жестко закреплены на оболочке 9 равномерно по ее окружности. Оболочка 9 с помощью спиц 10 установлена с возможностью вращения на оси 11. При этом ось 11 установлена параллельно оси 1 полого кольца 3 и эксцентрично последнему с эксцентриситетом, равным разности между максимальной и минимальной длинами сильфона 6 при вращении его вместе с кольцом 3 и оболочкой 9 вокруг осей 1 и 11 соответственно. Внутренние полости всех сильфонов 6 целиком заполнены веществом теплоносителя 12 в жидком агрегатном состоянии. Жидкий теплоноситель 12 хорошо смачивает поры капиллярно-пористого элемента 7, препятствующего попаданию жидкой фазы теплоносителя в полость кольца 3, где циркулируют только пары теплоносителя 12. Оси 1 и 11 устанавливают перпендикулярно направлению радиационного теплового потока Е. On the axis of rotation 1 by means of knitting needles 2, a hollow ring 3 is installed, having inner and outer shells 4 and 5, respectively. The outer shell 5 has through holes evenly around the circumference into which chambers 6 of variable volume are radially mounted, for example bellows, one end of each of which is sealed with a capillary-porous element 7. Moreover, the pores of the elements 7 communicate (hydraulically) the cavity of the ring 3 and the internal cavities of the chambers 6 variable volume. The second ends of the chambers 6 of variable volume are drowned out by translucent covers 8 and rigidly fixed to the shell 9 evenly around its circumference. Shell 9 with the help of knitting needles 10 is mounted rotatably on axis 11. Moreover, axis 11 is mounted parallel to axis 1 of the hollow ring 3 and eccentrically to the latter with an eccentricity equal to the difference between the maximum and minimum lengths of the bellows 6 when rotating it together with the ring 3 and the shell 9 around axes 1 and 11, respectively. The internal cavities of all bellows 6 are completely filled with the substance of the coolant 12 in the liquid state of aggregation. The liquid coolant 12 well moistens the pores of the capillary-porous element 7, which prevents the liquid phase of the coolant from entering the cavity of the ring 3, where only the coolant pairs 12 circulate. The axes 1 and 11 are set perpendicular to the direction of the radiation heat flux E.

В зоне воздействия на тепловую трубу теплового потока Е теплоноситель, например вода, спирт или эфир, благодаря светопроницаемости крышек 8 разогревается и испаряется в порах капиллярно-пористого элемента 7, обращенных и открытых в сторону полости кольца 3. В холодной теневой зоне тепловой трубы перемещающиеся по кольцу 3 пары теплоносителя конденсируются в открытых порах элементов 7. При испарении теплоносителя из сильфонов, расположенных в данный момент в зоне испарения, эти сильфоны начинают сжиматься, так как расходуемое из них жидкое вещество теплоносителя практически не сжимается (несжимаемая жидкость), а парогазовая смесь из полости кольца 3 не может проникнуть в сильфоны 6 через капиллярно-пористые элементы 7, смачиваемые жидким теплоносителем 12, т.е. за счет капиллярных сил последнего давление внутри сильфонов в зоне испарения падает. При сжатии сильфонов эксцентрично расположенные относительно друг друга полое кольцо 3 и оболочка 9 притягиваются ими друг к другу, заставляя их поворачиваться вокруг своих осей 1 и 11 соответственно. При вращении кольца 3 и оболочки 9 находящиеся в зоне испарения сильфоны перемещаются вместе с ними в зону конденсации (холодную теневую сторону тепловой трубы), а на их место при вращении устройства поступают другие сильфоны, которые в свою очередь в этой зоне начнут сжиматься, как и предыдущие. Жидкий теплоноситель 12, находящийся в сильфонах, перемещающийся в результате сжатия последних в холодную зону тепловой трубы, постепенно охлаждается и попадает в зону конденсации. В этой зоне в устьях капилляров капиллярно-пористых элементов 7 на менисках, образованных жидким теплоносителем 12, конденсируются пары теплоносителя, поступающие из зоны испарения по полому кольцу 3. Поскольку под действием капиллярных сил форма мениска остается неизменной, образующийся из паров внутри капилляров конденсат попадает в сильфоны 6, увеличивая в них внутреннее давление жидкого теплоносителя и заставляя их разжиматься. При расширении находящихся в зоне конденсации сильфонов оси стремятся раздвинуть стенки полого кольца 3 и оболочки 9, в которых их концы закреплены, приводя во вращение всю тепловую трубу вокруг осей 1 и 11, установленных с эксцентриситетом. При этом сильфоны с конденсатом вновь поступают в зону испарения и весь цикл работы повторяется заново. In the zone of influence of the heat flux E on the heat pipe, the heat carrier, for example water, alcohol or ether, is heated and evaporates in the pores of the capillary-porous element 7, which are facing and open towards the cavity of the ring 3, due to the light transmission of the covers 8. In the cold shadow zone of the heat pipe moving along the ring 3 pairs of coolant condense in the open pores of the elements 7. When the coolant evaporates from the bellows currently located in the evaporation zone, these bellows begin to compress, since the liquid consumed from them the coolant substance practically does not compress (incompressible fluid), and the vapor-gas mixture from the cavity of the ring 3 cannot penetrate into the bellows 6 through the capillary-porous elements 7 wetted by the coolant 12, i.e. due to the capillary forces of the latter, the pressure inside the bellows in the evaporation zone decreases. When the bellows are compressed, the hollow ring 3 and the shell 9 eccentrically located relative to each other are attracted to each other, forcing them to rotate around their axes 1 and 11, respectively. When the ring 3 and the shell 9 rotate, the bellows located in the evaporation zone move with them into the condensation zone (the cold shadow side of the heat pipe), and other bellows come into their place when the device rotates, which in turn begin to compress in this zone, as previous ones. The liquid heat carrier 12, located in the bellows, moving as a result of compression of the latter into the cold zone of the heat pipe, gradually cools and enters the condensation zone. In this zone, at the mouths of the capillaries of the capillary-porous elements 7, on the menisci formed by the heat-transfer fluid 12, the heat-vapor vapors coming from the evaporation zone along the hollow ring 3 are condensed. Since the shape of the meniscus remains unchanged under the action of capillary forces, condensate forms from the vapors inside the capillaries. bellows 6, increasing the internal pressure of the coolant in them and causing them to expand. When expanding the bellows located in the condensation zone, the axes tend to push the walls of the hollow ring 3 and the shell 9, in which their ends are fixed, causing the entire heat pipe to rotate around the axes 1 and 11 installed with eccentricity. In this case, the bellows with condensate again enter the evaporation zone and the entire cycle of work is repeated again.

В итоге под действием теплового потока происходит непрерывное вращение тепловой трубы, реализующей предлагаемый способ работы, до тех пор, пока она находится в зоне теплового воздействия, и с такой угловой скоростью, которая соответствует плотности теплового потока, трансформируемого в работу, затраченную на вращение самой тепловой трубы и приводимых ею устройств. As a result, under the influence of the heat flux, the heat pipe continuously rotates, realizing the proposed method of operation, as long as it is in the heat-affected zone, and at such an angular velocity that corresponds to the density of the heat flux transforming into the work expended on the rotation of the heat pipes and devices brought by it.

Крутящий момент на валу такой тепловой трубы определяется давлением в сильфонах. На действующей установке при опытах с капиллярно-пористыми никелевыми пластинами (толщина 3 мм, размер пор от 10 до 25 мкм) обезгаженный бидистиллят воды, взятый в качестве теплоносителя, удерживался капиллярами при перепадах давления в сильфонах, расположенных в зонах испарения и конденсации, до 1 атм. The torque on the shaft of such a heat pipe is determined by the pressure in the bellows. In the current installation, in experiments with capillary-porous nickel plates (thickness 3 mm, pore size 10 to 25 μm), the degassed bidistillate of water taken as a heat carrier was retained by capillaries at pressure drops in bellows located in the zones of evaporation and condensation, up to 1 atm.

Известны технические решения [3], в которых капиллярные силы жидкого теплоносителя, смачивающего капилляр- но-пористое тело в зоне испарения, использовались для понижения внутреннего давления испаряющегося теплоносителя и совершали работу по подъему последнего на более высокий уровень, работая как движитель теплового насоса. Однако подобные решения не соответствуют требованиям, предъявляемым к тепловым трубам - в этих устройствах не обеспечивается многократности повторения цикла при замкнутости циркуляции теплоносителя, в них не используется капиллярный потенциал жидкого теплоносителя в зоне конденсации, повышающий в этой зоне давления внутри сильфона, благодаря конденсатным добавкам на поверхности вогнутых менисков жидкого теплоносителя в капиллярах. Technical solutions are known [3], in which the capillary forces of a liquid coolant wetting a capillary-porous body in the evaporation zone were used to lower the internal pressure of the evaporating coolant and performed the work of raising the latter to a higher level, working as a heat pump mover. However, such solutions do not meet the requirements for heat pipes - these devices do not provide multiple cycles when the coolant circulation is closed, they do not use the capillary potential of the liquid coolant in the condensation zone, which increases the pressure inside the bellows in this zone due to condensate additives on the surface concave menisci of the liquid coolant in the capillaries.

Таким образом предлагаемый способ автоматически поддерживает тепловой режим, исключает полную выработку теплоносителя в зоне конденсации, обеспечивая надежность термостатирования и повышая эффективность тепломассопереноса в тепловых трубах большого диаметра. Способ реализует удвоенное действие капиллярных сил, растягивающих и сжимающих сильфоны в соответствующих зонах трубы. Thus, the proposed method automatically maintains the thermal regime, eliminates the total generation of coolant in the condensation zone, ensuring the reliability of temperature control and increasing the efficiency of heat and mass transfer in large diameter heat pipes. The method implements the double action of capillary forces, tensile and compressing bellows in the corresponding zones of the pipe.

Claims

METHOD OF OPERATION OF A HEAT PIPE by evaporation of a heat carrier, movement of vapors into a condensation zone and return of condensate to an evaporation zone during rotation of the pipe by supplying and removing heat by radial flows from diametrically opposite sides of the pipe in the evaporation and condensation zones, respectively, characterized in that, in order to increase the efficiency of heat and mass transfer in a large diameter heat pipe and increasing its torque, condensate return to the evaporation zone is carried out in chambers of variable volume by alternately of the change in the magnitude and direction of the capillary forces of the coolant due to its evaporation and subsequent condensation of vapors in the capillary-porous walls of chambers of variable volume.