RU2083941C1

RU2083941C1 - Thermal tube

Info

Publication number: RU2083941C1
Application number: RU93037917A
Authority: RU
Inventors: В.З. Фейгин; В.В. Буксеев; Б.П. Корчагин; Н.В. Князев
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Фосфорит"
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1997-07-10

Abstract

FIELD: heat exchange apparatus with large heating surfaces. SUBSTANCE: sections of evaporation zone are connected directly to header. Inner walls of header are provided with wick coat; arranged inside header is condenser whose outlet extends through walls of header. Preferable version provides for sectional design of header which shall consist of two or more sections which are interconnected by means of branch pipes. Condenser sections are located inside each section of header; they are interconnected after walls of header. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к теплообменным устройствам типа тепловой трубы с большими поверхностями нагрева, и предназначено преимущественно для охлаждения гаообразных сред. The invention relates to heat engineering, in particular to heat exchangers such as a heat pipe with large heating surfaces, and is intended primarily for cooling gaseous media.

Известны различные конструкции тепловых труб, в принципиальную схему которых входит корпус с заключенной внутри рабочей средой, испарительной поверхностью, конденсатором и транспортной зоной, а также фитильным слоем на внутренней поверхности [1] [2] [3] Эти известные конструкции отличаются в основном конструкцией и формой выполнения фитильного слоя, конденсатора, испарительной поверхности. There are various designs of heat pipes, the circuit diagram of which includes a housing with a working medium enclosed inside, an evaporation surface, a condenser and a transport zone, as well as a wick layer on the inner surface [1] [2] [3] These known designs differ mainly in design and the form of execution of the wick layer, condenser, evaporation surface.

Недостатками тепловых труб такого типа являются:
ограниченное тепловосприятие от охлаждаемой среды, связанное с ограниченной перекачивающей способностью фитиля, незначительным перепадом давления между зонами испарительной поверхности и конденсатора, неиспользованием поверхности транспортной зоны и части конденсатор для тепловосприятия от охлаждаемой среды;
сложность конструкции, связанная, в частности, с фитильным слоем;
малые поверхности нагрева единичной тепловой трубы, связанные с малыми испарительными поверхностями, и, по причине этого, низкая пригодность для охлаждения значительных объемов охлаждаемых сред, в частности газовых сред.The disadvantages of heat pipes of this type are:
limited heat perception from the cooled medium, associated with the limited pumping ability of the wick, a slight pressure drop between the zones of the evaporating surface and the condenser, non-use of the surface of the transport zone and part of the condenser for heat perception from the cooled medium;
design complexity associated, in particular, with the wick layer;
small heating surfaces of a single heat pipe, associated with small evaporative surfaces, and, therefore, low suitability for cooling significant volumes of cooled media, in particular gas media.

Известны тепловые трубы с повышенной перекачивающей способностью фитиля, в частности, с фитильной матрицей в форме лопастей [4] с капиллярной (фитильной) структурой в виде спирали [5] и др. Known heat pipes with increased pumping capacity of the wick, in particular, with a wick matrix in the form of blades [4] with a capillary (wick) structure in the form of a spiral [5] and others.

Известны тепловые трубы с повышенным тепловосприятием за счет увеличения испарительных поверхностей и поверхностей конденсатора, например за счет расположения малых (вторичных) тепловых труб внутри большой (первичной) тепловой трубы, в которых нагревательная среда обогревает наружную тепловую трубу, вызывает испарение первичного теплоносителя и его конденсацию на наружной поверхности вторичных тепловых труб. При этом вторичный теплоноситель испаряется на внутренней стороне наружного корпуса вторичных тепловых труб и конденсируется на наружной стороне внутреннего корпуса этих труб, передавая теплообогревательному объему внутреннего корпуса [6] [7]
Недостатками известных тепловых труб такого типа являются:
сложность конструкции и технологические трудности изготовления;
малые поверхности нагрева единичной тепловой трубы и, связанная с этим низкая пригодность для охлаждения значительных объемов охлаждаемых сред, в частности газовых сред.Heat pipes with increased heat perception are known due to an increase in evaporative surfaces and condenser surfaces, for example, due to the location of small (secondary) heat pipes inside a large (primary) heat pipe, in which the heating medium heats the external heat pipe, causes the primary coolant to evaporate and condense onto the outer surface of the secondary heat pipes. In this case, the secondary coolant evaporates on the inner side of the outer casing of the secondary heat pipes and condenses on the outer side of the inner casing of these pipes, transferring the heat-heating volume of the inner casing [6] [7]
The disadvantages of the known heat pipes of this type are:
design complexity and manufacturing technological difficulties;
small heating surfaces of a single heat pipe and, consequently, low suitability for cooling significant volumes of cooled media, in particular gas media.

Известны тепловые трубы (теплообменные устройства) для повышенных объемов охлаждаемой среды, выполненные в виде панельной тепловой трубы с плоскими в виде полок теплообменными элементами, сообщающимися с впускным коллектором [8] в виде пучка тепловых труб, заполненных промежуточным теплоносителем и объединенных общими камерами в зоне испарения и в зоне конденсации [9]
Недостатками этих известных тепловых труб (теплообменных устройств) являются:
сложность конструкции устройства в целом и
низкое тепловосприятие от охлаждаемой среды, связанное с рассмотренными выше недостатками известной принципиальной конструкции отдельных объединенных в панели или пучки тепловых труб.Heat pipes (heat exchange devices) for increased volumes of a cooled medium are known, made in the form of a panel heat pipe with heat exchanger elements flat in the form of shelves communicating with the intake manifold [8] in the form of a bundle of heat pipes filled with an intermediate heat carrier and united by common chambers in the evaporation zone and in the condensation zone [9]
The disadvantages of these known heat pipes (heat exchangers) are:
the complexity of the design of the device as a whole and
low heat perception from the cooled medium, associated with the above-considered disadvantages of the known principle design of individual heat pipes combined in panels or bundles.

Известна выбранная в качестве ближайшего аналога (прототипа) тепловая труба термосифон, содержащая циркулирующую в трубе рабочую среду, секционированную испарительную поверхность и конденсатор, соединенный между собой парожидкостным коллектором, и транспортной зоной. При этом секции испарительной поверхности снабжены циркуляционными вставками и присоединены к коллектору через патрубки [10]
Вынесенные испарительные секции обеспечивают возможность создания большой поверхности нагрева единичной тепловой трубы, необходимой, в частности, для охлаждения больших объемов среды, например, газа.A thermosiphon heat pipe selected as the closest analogue (prototype) is known, containing a working medium circulating in the pipe, a partitioned evaporation surface and a condenser interconnected by a vapor-liquid collector, and a transport zone. The sections of the evaporation surface are provided with circulation inserts and are connected to the collector through nozzles [10]
Remote evaporator sections provide the ability to create a large heating surface of a single heat pipe, necessary, in particular, for cooling large volumes of medium, for example, gas.

Недостатками известной тепловой трубы являются:
сложность конструкции,
большие внутренние тепловые потери, связанные с наличием циркуляционных вставок и циркуляцией рабочей среды в тепловой трубе,
ограниченное тепловосприятие от охлаждаемой среды, связанное с ограниченной пропускной способностью парожидкостного коллектора и ограниченным диапазоном нагрева, при котором внутренняя циркуляция обеспечивает работоспособность испарительной секции, неиспользованием поверхности транспортной зоны и части конденсатора для тепловосприятия от охлаждаемой среды.The disadvantages of the known heat pipe are:
design complexity
large internal heat losses associated with the presence of circulation inserts and the circulation of the working medium in the heat pipe,
limited heat perception from the cooled medium, associated with limited throughput of the vapor-liquid collector and a limited heating range, in which the internal circulation ensures the efficiency of the evaporation section, not using the surface of the transport zone and part of the condenser for heat perception from the cooled medium.

Задачей изобретения является упрощение конструкции тепловой трубы, уменьшение внутренних тепловых потерь и увеличение тепловосприятия от охлаждаемой среды. The objective of the invention is to simplify the design of the heat pipe, reducing internal heat loss and increasing heat transfer from the cooled medium.

Поставленная задача решается за чет того, что при использовании элементов известной конструкции тепловой трубы, содержащей циркулирующую в трубе рабочую среду, вынесенную секционированную испарительную поверхность, парожидкостный коллектор и конденсатор, в соответствии с изобретением секции испарительной поверхности выполнены бесфитильными и подключены непосредственно к коллектору, внутренние стенки коллектора имеют фитильное покрытие и конденсатор расположен внутри коллектора с выходом наружу через стенки коллектора. The problem is solved due to the fact that when using elements of a known design of a heat pipe containing a working medium circulating in the pipe, a remote partitioned evaporation surface, a vapor-liquid collector and a condenser, in accordance with the invention, sections of the evaporation surface are made non-filtering and connected directly to the collector, inner walls the collectors have a wick cover and the capacitor is located inside the collector with an exit outward through the walls of the collector.

Коллектор может состоять из двух и более секций, соединенных между собой патрубками и внутри секций коллектора расположены секции конденсатора, соединенные между собой последовательно за торцевыми стенками коллектора вне пределов тепловой среды. The collector may consist of two or more sections interconnected by pipes and inside the sections of the collector are sections of the condenser, interconnected sequentially behind the end walls of the collector outside the thermal environment.

Многосекционный коллектор имеет фитильное покрытие на внутренних сторонах стенок нижней и верхней секций. The multi-section collector has a wick coating on the inner sides of the walls of the lower and upper sections.

Теплопередача от охлаждаемой среды и конденсатору в зоне расположения коллектора создает дополнительные поверхности теплообмена с эффективной теплопроводностью, что значительно повышает тепловосприятие от охлаждаемой среды. The heat transfer from the cooled medium and the condenser in the area of the collector creates additional heat transfer surfaces with effective thermal conductivity, which significantly increases the heat transfer from the cooled medium.

Работа фитиля, покрывающего внутренние стенки коллектора, снабженного конденсатором из пара, вырабатываемого всей испарительной поверхностью, в значительной степени сводится к распределительной функции и требования к его перекачивающей способности, а значит и конструкции, снижаются без снижения надежности работы тепловой трубы. Тепловосприятие тепловой трубы не ограничивается ни перепадом давления по трубе, ни фитилем. The operation of the wick covering the inner walls of the collector, equipped with a condenser from the steam generated by the entire evaporative surface, is largely reduced to the distribution function and the requirements for its pumping ability, and hence the design, are reduced without reducing the reliability of the heat pipe. The heat perception of a heat pipe is not limited to either the pressure drop across the pipe or the wick.

За счет упрощения конструкции фитиля, небольшой его поверхности, исключения сложностей, связанных с разделением охлаждаемой среды, например, газового объема и окружающей среды, значительно упрощается конструкция тепловой трубы и размещение ее в газовом объеме. By simplifying the design of the wick, its small surface, eliminating the difficulties associated with the separation of the cooled medium, for example, the gas volume and the environment, the design of the heat pipe and its placement in the gas volume are greatly simplified.

Предложенное техническое решение позволяет отказаться от циркуляционных вставок, что также упрощает конструкцию и уменьшает внутренние теплопотери. The proposed technical solution eliminates circulation inserts, which also simplifies the design and reduces internal heat loss.

На чертеже представлено поперечное сечение тепловой трубы. The drawing shows a cross section of a heat pipe.

Тепловая труба состоит из секционированной испарительной поверхности с секциями 2, двухсекционного коллектора 3 с нижней секцией 4 и верхней секцией 5. Секция 2 испарительной поверхности подключена к нижней секции 4 коллектора. The heat pipe consists of a partitioned evaporating surface with sections 2, a two-section collector 3 with a lower section 4 and an upper section 5. Section 2 of the evaporating surface is connected to the lower section 4 of the collector.

Внутри секций коллектора расположены секции 6 и 7 конденсатора 8, выходящие наружу через торцевые стенки коллектора и последовательно соединенные друг с другом. Секции 4 и 5 коллектора соединены между собой патрубками 9. Стенки нижней и верхней секций коллектора покрыты фитилем 10. Тепловая труба размещена в газоходе 11. Внутри тепловой трубы находится рабочая среда в жидкой и паровой фазе. Inside the sections of the collector are sections 6 and 7 of the capacitor 8, which exit through the end walls of the collector and are connected in series with each other. Sections 4 and 5 of the collector are interconnected by nozzles 9. The walls of the lower and upper sections of the collector are covered with a wick 10. The heat pipe is placed in the duct 11. Inside the heat pipe there is a working medium in the liquid and vapor phase.

Тепловая труба работает следующим образом. The heat pipe works as follows.

Под действием теплового потока от охлаждаемой среды, проходящей через газоход 11, жидкая фаза рабочей среды, расположенной в секциях 2 испарительной поверхности 1 и фитиле 10 испарителя. Пар рабочей среды конденсируется на стенках секций 6 и 7 конденсатора 8 и стекает на фитиль 10. Благодаря избыточному количеству жидкой фазы рабочей среды в фитиле обеспечивается надежный контакт ее со стенками нижней секции 4 и верхней секции 5 коллектора и теплоотвод от охлаждаемой среды. Фитиль при этом выполняет, главным образом, функции распределителя конденсатора между секциями испарительной поверхности 1 или патрубками 9, куда стекает конденсат с фитиля верхней секции 5 коллектора. Охлаждающая среда проходит внутри секций 6 и 7 конденсатора и, воспринимая тепло конденсации, нагревается. Under the action of the heat flux from the cooled medium passing through the gas duct 11, the liquid phase of the working medium located in sections 2 of the evaporation surface 1 and the wick 10 of the evaporator. The steam of the working medium condenses on the walls of sections 6 and 7 of the condenser 8 and flows down to the wick 10. Due to the excess amount of the liquid phase of the working medium in the wick, its reliable contact with the walls of the lower section 4 and the upper section 5 of the collector and heat dissipation from the cooled medium are ensured. The wick in this case mainly performs the functions of a condenser distributor between sections of the evaporating surface 1 or nozzles 9, where condensate flows from the wick of the upper section 5 of the collector. The cooling medium passes inside sections 6 and 7 of the condenser and, perceiving the heat of condensation, heats up.

Предлагаемая конструкция позволяет максимально использовать поверхность тепловой трубы, упросить ее за счет небольшого количества фитиля упрощенной конструкции, увеличить тепловосприятие от охлаждаемой среды за счет увеличения поверхности секций испарительной поверхности без ограничения перекачивающей способности фитиля и перепада давлений в тепловой трубе, а также снизить внутренние теплопотери. The proposed design allows you to maximize the use of the surface of the heat pipe, simplify it due to the small amount of wick of a simplified design, increase the heat perception from the cooled medium by increasing the surface of the sections of the evaporating surface without limiting the pumping capacity of the wick and the pressure drop in the heat pipe, as well as reduce internal heat loss.

Предлагаемая тепловая труба может быть полностью расположена в охлаждаемой среде, например, газоходе, где единичная тепловая труба с большими поверхностями нагрева может быть особенно эффективна при охлаждении газов с небольшим температурным напором. The proposed heat pipe can be completely located in a cooled medium, for example, a gas duct, where a single heat pipe with large heating surfaces can be especially effective in cooling gases with a small temperature head.

Предлагаемое техническое решение полностью решает задачу, поставленную перед изобретением. The proposed technical solution completely solves the problem posed by the invention.

Техническое решение с предлагаемой совокупностью характеризующих его признаков на настоящее время не известно. Предлагаемое техническое решение отвечает требования критерия "новизна". The technical solution with the proposed combination of characteristics characterizing it is not currently known. The proposed technical solution meets the requirements of the criterion of "novelty."

Тепловая труба в соответствии с предлагаемым техническим решением может быть изготовлена промышленным способом с использованием известных технических средств, стандартных комплектующих и материалов. Тепловая труба может эффективно использоваться в промышленности, в частности для охлаждения агрессивных газовых сред. Предлагаемое техническое решение отвечает требованиям критерия "промышленная применимость". The heat pipe in accordance with the proposed technical solution can be manufactured industrially using well-known technical means, standard components and materials. The heat pipe can be effectively used in industry, in particular for cooling aggressive gas environments. The proposed technical solution meets the requirements of the criterion of "industrial applicability".

Предлагаемое техническое решение является оригинальным, выходит за рамки традиционных компоновочных решений, обеспечивает одновременное решение нескольких проблем и не вытекает очевидным образом из существующего уровня техники. Предлагаемое техническое решение отвечает требованиям критерия "изобретательский уровень". The proposed technical solution is original, goes beyond the traditional layout solutions, provides a simultaneous solution to several problems and does not follow obviously from the existing level of technology. The proposed technical solution meets the requirements of the criterion of "inventive step".

Claims

1. A heat pipe containing a partially evaporated sectionalized evaporator, a vapor-liquid collector and a condenser, characterized in that the evaporator sections are directly connected to the collector, its walls are provided with a wick coating inside, and the condenser is located in its cavity.

2. The pipe according to claim 1, characterized in that the collector and the capacitor are made in the form of sections and sections of the condenser are located inside the sections of the collector, the latter being interconnected by nozzles, and the sections of the condenser communicated with each other outside the sections of the collector.

3. The pipe according to claims 1 and 2, characterized in that the pipes are equipped with a wick.