RU2256862C2

RU2256862C2 - Heat pipe

Info

Publication number: RU2256862C2
Application number: RU2003123564/06A
Authority: RU
Inventors: нко В.А. Дерев (RU); В.А. Деревянко; В.Е. Косенко (RU); В.Е. Косенко; В.Е. Чеботарев (RU); В.Е. Чеботарев
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-07-20
Also published as: RU2003123564A

Abstract

FIELD: heating engineering.

SUBSTANCE: heat pipe can be used for heat transmission and temperature control procedures. Heat pipe has evaporator provided with capillary-porous nozzle and capacitor. Evaporator and nozzle are connected by vapor line and condensate pipeline. Nozzle is made of electric-insulating material, for example, of ceramics. Grid-shaped electrode is mounted at the inner side of nozzle. The electrode is connected with rod electrode, which is mounted inside airtight isolator at edge part of evaporator.

EFFECT: improved heat power; prolonged length of heat pipe.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в устройствах теплопередачи и теплорегулирования.The invention relates to the field of heat engineering and can be used in heat transfer and heat control devices.

В последнее время во многих странах разрабатываются так называемые тепловые трубы (ТТ), которые являются эффективно действующими теплоотводами. Известно, что в тепловых трубах имеет место, главным образом, не обычная теплопроводность, которая относительно мала, а гидравлический перенос тепла при двух противоположных друг другу фазовых превращениях. Насосом, который обеспечивает циркуляцию как жидкого, так и парообразного теплоносителя, является фитиль, от его геометрических, теплофизических и гидравлических характеристик зависит теплопередающая способность тепловой трубы. Сюда, в первую очередь, следует отнести такие параметры, как теплопроводность каркаса фитиля, его пористость, распределение пор по радиусам, проницаемость для рабочей жидкости. Эта способность не в меньшей степени зависит от характеристик и самого теплоносителя: давления насыщенного пара, теплоты испарения, вязкости, плотности жидкости и пара, теплопроводности, поверхностного натяжения, смачивания им твердых стенок капиллярных каналов фитиля. Все эти параметры зависят от температуры и изменяются вместе с тепловой нагрузкой на тепловую трубу.Recently, in many countries, the so-called heat pipes (TT) are being developed, which are efficient heat sinks. It is known that in heat pipes there takes place mainly not ordinary thermal conductivity, which is relatively small, but hydraulic heat transfer during two phase transformations that are opposite to each other. The pump, which provides circulation of both liquid and vaporous coolant, is a wick; the heat transfer capacity of the heat pipe depends on its geometric, thermophysical and hydraulic characteristics. This, first of all, should include parameters such as thermal conductivity of the wick frame, its porosity, pore radius distribution, and permeability to the working fluid. This ability no less depends on the characteristics and the coolant itself: saturated vapor pressure, heat of vaporization, viscosity, density of liquid and vapor, thermal conductivity, surface tension, wetting of the solid walls of the wick capillary channels by it. All these parameters are temperature dependent and vary with the heat load on the heat pipe.

Основное (гидравлическое) уравнение тепловой трубы без учета изменения количества движения и гравитационного воздействия на течение пара ввиду его малой плотности, может быть представлено в виде:The main (hydraulic) equation of the heat pipe without taking into account changes in the momentum and gravitational impact on the steam flow due to its low density can be represented as:

Δ P_MAX≥ Δ P_g+Δ P_ж+Δ P_п (1),Δ P _MAX ≥ Δ P _g + Δ P _w + Δ P _p (1),

где Δ Pmax - максимальный капиллярный напор (абсолютная величина разности капиллярных давлений), которую может создавать фитиль данной тепловой трубы на данном теплоносителе при данной температуре, Δ Pg - разность гидростатических давлений жидкости в порах фитиля между концами тепловой трубы, Δ Рж - гидравлическое сопротивление (потери на трение) при движении жидкости по фитилю, Δ Рп - гидравлическое сопротивление при движении пара в паровом канале.where Δ Pmax is the maximum capillary pressure (the absolute value of the difference in capillary pressures) that the wick of a given heat pipe can create on a given coolant at a given temperature, Δ Pg is the difference of the hydrostatic pressure of the liquid in the pores of the wick between the ends of the heat pipe, Δ Рж is the hydraulic resistance ( friction loss) when the fluid moves along the wick, Δ Pn is the hydraulic resistance during the movement of steam in the steam channel.

В стационарно работающей тепловой трубе всегда сумма потерь давлений равна разности капиллярных давлений Δ Р, которая обязательно в данном случае и создает фитиль, то есть:In a stationary heat pipe, always the sum of the pressure losses is equal to the difference in capillary pressures Δ P, which is mandatory in this case and creates a wick, that is:

Δ P=Δ P_g+Δ P_ж+Δ P_п. (2) _{Δ P = Δ P g + Δ} P _g + Δ P _n. (2)

При увеличении тепловой нагрузки на тепловую трубу температура повышается, сила поверхностного натяжения, а следовательно, и Δ Pmax уменьшаются, а потери по пару и жидкости Δ Р при этом возрастают и стремятся к своему максимальному значению Δ Pmax. Когда Δ Р=Δ Рmах, дальнейшее увеличение нагрузки становится невозможным.With an increase in the heat load on the heat pipe, the temperature rises, the surface tension force, and, consequently, Δ Pmax decrease, and the vapor and liquid losses Δ P increase and tend to their maximum value Δ Pmax. When Δ P = Δ Pmax, a further increase in load becomes impossible.

Значительное увеличение длины классической тепловой трубы даже при работе в горизонтальном положении наталкивается на определенные трудности, связанные, с одной стороны, с увеличением потерь как по пару, так и по жидкости, что снижает предельную мощность, а с другой - с изготовлением и монтажом длинных фитилей, особенно в том случае, если тепловая труба имеет изгибы корпуса.A significant increase in the length of a classic heat pipe, even when working in a horizontal position, encounters certain difficulties associated, on the one hand, with an increase in losses in both steam and liquid, which reduces ultimate power, and on the other hand, with the manufacture and installation of long wicks , especially if the heat pipe has bends in the housing.

Для увеличения длины классической тепловой трубы и снижения гидравлического сопротивления используют тепловые трубы с раздельными каналами пара и жидкости и локализованной пористой структурой, выполняющей роль капиллярного насоса. Конструкция такой трубы описана в авторском свидетельстве №1196665, которая выбрана в качестве прототипа.To increase the length of a classic heat pipe and reduce hydraulic resistance, heat pipes are used with separate vapor and liquid channels and a localized porous structure that acts as a capillary pump. The design of such a pipe is described in copyright certificate No. 1196665, which is selected as a prototype.

Однако и в этой конструкции сохраняются недостатки, присущие тепловым трубам с пористыми капиллярными насосами, а именно:However, in this design, the disadvantages inherent in heat pipes with porous capillary pumps remain, namely:

- тепловая мощность и длина трубы ограничены максимальной величиной капиллярного напора Δ Рmах;- thermal power and pipe length are limited by the maximum capillary pressure Δ Pmax;

- величина капиллярного напора существенно зависит от смачиваемости поверхности пористой структуры и сил поверхностного натяжения, что создает значительные трудности при изготовлении, при подготовке поверхности и выборе и подготовке теплоносителя;- the magnitude of the capillary pressure substantially depends on the wettability of the surface of the porous structure and the forces of surface tension, which creates significant difficulties in the manufacture, in the preparation of the surface and the selection and preparation of the coolant;

- отсутствует возможность регулирования тепловой мощности.- there is no possibility of regulation of thermal power.

Предлагаемая конструкция позволяет избежать указанных недостатков путем введения в конструкцию электрокинетического насоса. Конструкция электрокинетического насоса описана в J.F.Osterley, Electrokinetic Energy Conversion // Journal of Applied Mechanics. - June 1964. - pp 161-164. Такие насосы позволяют перекачивать жидкость через пористую структуру при приложении электрического поля. Оценки показывают, что при одинаковом размере пор электрокинетический насос позволяет получить в несколько раз больший перепад давления, чем капиллярный.The proposed design avoids these disadvantages by introducing into the design of an electrokinetic pump. The design of the electrokinetic pump is described in J.F. Osterley, Electrokinetic Energy Conversion // Journal of Applied Mechanics. - June 1964. - pp 161-164. Such pumps allow fluid to be pumped through a porous structure when an electric field is applied. Estimates show that with the same pore size, the electrokinetic pump allows you to get several times greater pressure drop than capillary.

Поставленная задача решается тем, что тепловая труба содержит связанные паропроводом и конденсатопроводом испаритель, имеющий капиллярно-пористую насадку, и конденсатор, при этом насадка выполнена из электроизоляционного материала, например керамики, а с внутренней стороны насадки установлен сетчатый электрод, связанный со стержневым электродом, установленным в герметичном изоляторе на торцевой части испарителя.The problem is solved in that the heat pipe contains an evaporator connected by a steam and condensate conduit, having a capillary-porous nozzle, and a condenser, while the nozzle is made of an insulating material, such as ceramic, and a mesh electrode is installed on the inside of the nozzle connected to a rod electrode installed in a sealed insulator on the end of the evaporator.

Суть изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид предлагаемого устройства.The essence of the invention is illustrated in the drawing, which shows a General view of the proposed device.

Тепловая труба с электрическим управлением тепловой мощностью содержит соединенные паропроводом 1 и конденсатопроводом 2 испаритель 3 с керамической, не проводящей электрический ток, капилярно-пористой насадкой 4, снабженной пароотводными каналами 5, и конденсатор 6, выполненный, например, в виде соосно установленных один в другом цилиндров с образованием кольцевой полости 7, причем пароотводные каналы 5 выполнены в виде кольцевых и продольных проточек, расположенных на наружной поверхности насадки 4 и сообщающихся с кольцевым паровым коллектором 8. На внутренней поверхности насадки расположен цилиндрический сетчатый электрод 9, электрически изолированный от корпуса испарителя 3 и присоединенный через герметичный изолятор 10 к электроду 11.A heat pipe with electric control of thermal power contains an evaporator 3 connected by a steam pipe 1 and a condensate pipe 2 with a ceramic non-conducting electric current, a capillary-porous nozzle 4, equipped with steam drainage channels 5, and a condenser 6, made, for example, in the form of coaxially mounted one in the other cylinders with the formation of an annular cavity 7, and the vapor channels 5 are made in the form of annular and longitudinal grooves located on the outer surface of the nozzle 4 and communicating with the annular steam lecturer 8. On the inner surface of the nozzle is a cylindrical mesh electrode 9, electrically isolated from the body of the evaporator 3 and connected through a sealed insulator 10 to the electrode 11.

Тепловая труба работает следующим образом. При подводе тепловой нагрузки к испарителю 3 возникает разность температур и давлений между паром в пароотводных каналах 5 с одной стороны, и жидкостью в центральной полости насадки 4, с другой стороны. Под действием разности давлений теплоноситель вытесняется из кольцевой области 7 конденсатора 6 и заполняет свободную часть конденсатопровода 2 и центральный канал насадки 4. Теплоноситель, поступающий к насадке 4, движется в зону испарения преимущественно в радиальном направлении. Испарение его происходит с поверхности капиллярно-пористых элементов, плотно прилегающих к поверхности испарителя 3. Образующийся пар по кольцевым и продольным проточкам поступает в паровой коллектор 8, а из него по паропроводу 1 в конденсатор 6, где конденсируется и охлаждается до температуры приемника тепла. Под действием разности давлений образующийся конденсат возвращается в испаритель, замыкая рабочий цикл тепловой трубы.The heat pipe works as follows. When a heat load is applied to the evaporator 3, a difference in temperature and pressure arises between the steam in the vapor channels 5 on the one hand and the liquid in the central cavity of the nozzle 4, on the other hand. Under the influence of the pressure difference, the coolant is displaced from the annular region 7 of the condenser 6 and fills the free part of the condensate conduit 2 and the central channel of the nozzle 4. The coolant entering the nozzle 4 moves to the evaporation zone mainly in the radial direction. Its evaporation occurs from the surface of capillary-porous elements that are tightly adjacent to the surface of the evaporator 3. The resulting steam flows through the annular and longitudinal grooves into the steam collector 8, and from it through the steam pipe 1 to the condenser 6, where it is condensed and cooled to the temperature of the heat receiver. Under the influence of the pressure difference, the condensate formed is returned to the evaporator, closing the duty cycle of the heat pipe.

При отсутствии электрического напряжения между корпусом трубы и электродом 11 работа тепловой трубы не отличается от описанной в прототипе. При подаче напряжения на электрод 11 электрокинетический насос, образованный корпусом испарителя 3, пористой насадкой 4 и сетчатым электродом 9, создает дополнительный перепад давления жидкости, который увеличивает имеющийся капиллярный напор. Увеличение суммарного напора жидкости позволяет увеличить длину и тепловую мощность трубы. Т.к. работа электрокинетического насоса не зависит от смачиваемости пористой насадки 4, требования к качеству ее изготовления и подготовки значительно снижаются. Кроме того, возможность изменения напряжения, подведенного к электроду 11, позволяет не только регулировать величину напора жидкости и тем самым тепловую мощность трубы, но и, изменяя полярность напряжения, добиться полного прекращения передачи тепловой мощности (режим запирания).In the absence of electrical voltage between the pipe body and the electrode 11, the operation of the heat pipe does not differ from that described in the prototype. When voltage is applied to the electrode 11, the electrokinetic pump formed by the evaporator body 3, the porous nozzle 4 and the mesh electrode 9 creates an additional liquid pressure drop, which increases the available capillary pressure. The increase in the total pressure of the liquid allows to increase the length and thermal power of the pipe. Because the operation of the electrokinetic pump does not depend on the wettability of the porous nozzle 4, the requirements for the quality of its manufacture and preparation are significantly reduced. In addition, the possibility of changing the voltage supplied to the electrode 11 allows not only to regulate the pressure of the liquid and thereby the thermal power of the pipe, but also by changing the polarity of the voltage, to achieve complete cessation of the transmission of thermal power (locking mode).

Таким образом, введение в конструкцию электрокинетического насоса позволяет:Thus, the introduction of the electrokinetic pump design allows you to:

- увеличить тепловую мощность и длину тепловой трубы;- increase the heat output and the length of the heat pipe;

- снизить требования к пористой насадке и подготовке теплоносителя;- reduce the requirements for the porous nozzle and the preparation of the coolant;

- осуществить режим регулировки тепловой мощности и, тем самым, добиться достижения поставленной цели.- implement a regime of adjusting thermal power and, thereby, achieve the goal.

Из известных заявителю источников информации не обнаружена совокупность признаков, сходная с совокупностью признаков заявляемого объекта.From the sources of information known to the applicant, a set of features not similar to the set of features of the claimed object was not found.

Claims

A heat pipe containing an evaporator having a capillary-porous nozzle connected by a steam line and a condensate line, and a condenser, characterized in that the nozzle is made of an insulating material, such as ceramic, and a mesh electrode is installed on the inside of the nozzle, connected to a rod electrode installed in a sealed insulator on the end of the evaporator.