RU2675977C1 - Способ передачи тепла и теплопередающее устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам для передачи тепла от нагретой поверхности к холодной по принципу тепловой трубки, то есть за счет испарения и/или частичного вскипания рабочей жидкости, находящейся в трубке, в зоне контакта с нагревателем, и конденсации паров в зоне контакта с холодильником, с циркуляцией рабочей жидкости внутри тепловой трубки, и может быть использовано в электронике для охлаждения микропроцессоров, чипсетов, мощных светодиодных ламп, в химической промышленности для охлаждения и нагрева микрореакторов, для утилизации тепла реакций, в бытовых машинах (в холодильниках, посудомоечных машинах, водонагревателях и других устройствах), для охлаждения сварочных аппаратов, в солнечной энергетике для повышения эффективности нагрева воды в солнечных коллекторах, а также для других целей. Способ передачи тепла от нагревателя к холодильнику с использованием принципа гравитационной тепловой трубки, заключающийся в том, что тепловой поток передается от нагревателя к холодильнику при помощи замкнутой в кольцо трубки, состоящей из одного или нескольких витков, частично заполненной жидким теплоносителем, при нагреве которого происходит образование двухфазной системы, движущейся по трубке в снарядном режиме. Подвод теплоты к трубке нагревателем и отвод теплоты от трубки холодильником осуществляют асимметрично, так, чтобы создать в одном из колен каждого из витков кольца трубки непрерывное восходящее движение нагретого теплоносителя, при этом в другом колене каждого из витков кольца трубки создают непрерывное нисходящее движение нагретого теплоносителя. Также представлено теплопередающее устройство для осуществления способа. Согласно изобретению, асимметричный подвод теплоты к трубке и отвод теплоты от нее реализуются посредством того, что нагреватель и холодильник имеют асимметричную форму, причем одна часть поверхностей нагревателя и холодильника расположена горизонтально, а другая часть расположена вертикально. Кроме того, в теплопередающем устройстве на одном или нескольких из восходящих колен трубки установлены дополнительные пусковые нагревательные элементы, а на одном или нескольких из нисходящих колен трубки установлены дополнительные пусковые охлаждающие элементы. Изобретение позволяет повысить передаваемую тепловую мощность, повысить устойчивость и эффективность работы устройства за счет гарантированной направленной циркуляции теплоносителя по каналам тепловой трубки, а также позволяет облегчить управляемость ее пуском. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для передачи тепла от нагретой поверхности к холодной по принципу тепловой трубки, то есть за счет испарения и/или частичного вскипания рабочей жидкости, находящейся в трубке, в зоне контакта с нагревателем, и конденсации паров в зоне контакта с холодильником, с циркуляцией рабочей жидкости внутри тепловой трубки, и может быть использовано в электронике для охлаждения микропроцессоров, чипсетов, мощных светодиодных ламп, в химической промышленности для охлаждения и нагрева микрореакторов, для утилизации тепла реакций, в бытовых машинах (в холодильниках, посудомоечных машинах, водонагревателях и других устройствах), для охлаждения сварочных аппаратов, в солнечной энергетике для повышения эффективности нагрева воды в солнечных коллекторах, а также для других целей.

Впервые идея тепловой трубы была предложена, по-видимому, Гоглером (фирма Дженерал Моторс корп.) и описана в пат. США 2350348 (Heat transfer device, заявл. 21.12.1942, опубл. 6.06.1944). Согласно известному изобретению, способ передачи тепла от одной точки к другой осуществляется с помощью замкнутой системы, в которой летучая жидкость последовательно испаряется и конденсируется при практически таком же давлении, которое включает испарение жидкого хладагента на одном уровне, конденсацию пара на другом при температуре ниже той, при которой происходит испарение, и жидкость возвращается из точки конденсации в точку испарения под действием капиллярных сил.

Устройство для передачи тепла, содержащее герметичный контейнер, имеющий две точки, подвергнутые воздействию двух разных температур, причем указанный контейнер содержит капиллярное средство, непрерывно продолжающееся от одной из указанных точек к другому, а также содержащее соединительный канал, проходящий между указанными точками, поверхность капиллярного средства между указанными точками, открытыми для указанного прохода, причем указанное контейнерное средство снабжено летучей жидкостью, контактирующей с капиллярными средствами, причем указанное капиллярное средство находится в форме не уплотненного спеченного железного порошка, связанного со стенками контейнера.

Известное устройство позволяет существенно (в несколько раз) увеличить интенсивность переноса тепловой энергии от одной точки к другой по сравнению с переносом тепла теплопроводными материалами (медью, серебром). Вместе с тем, известное устройство имеет существенные ограничения по тепловой мощности (тепловому потоку), т.е. по тепловому потоку, переносимому от нагревателя к холодильнику. Это связано с применением капиллярного средства, обладающего довольно высоким гидравлическим сопротивлением, ограничивающим транспорт конденсата из зоны конденсации (охлаждения) в зону нагрева.

Известно теплопередающее устройство (патент РФ №2120593, МПК F28D 15/04, 1998 г.), относящееся к двухфазным теплопередающим устройствам с капиллярной прокачкой теплоносителя, которое включает контурную тепловую трубу, содержащую испаритель с капиллярной структурой внутри и конденсатор. Испаритель и конденсатор сообщаются посредством раздельных паропровода и конденсатопровода. Теплопередающее устройство снабжено плоской тепловой трубой. Активная зона испарителя контурной тепловой трубы размещена внутри корпуса плоской тепловой трубы. На наружной поверхности активной зоны контурной тепловой трубы выполнена капиллярная структура, например, в виде мелкой винтовой нарезки, гидравлически связанная с капиллярной структурой плоской тепловой трубы, выполненной в виде нескольких слоев металлической сетки.

Изобретение позволяет увеличить теплопередающую способность при выполнении плоской контактной поверхности в зоне подвода тепла при любой ориентации в гравитационном поле. К недостаткам известного устройства относится низкая пропускная способность капиллярной структуры по сконденсированному теплоносителю, что существенно лимитирует тепловую мощность (тепловой поток) устройства.

Известен способ передачи тепла, реализованный в тепловой трубке (ТТ) (патент РФ №2568105, МПК F28D 15/04, 2015 г. ), включенной в состав объемного светодиодного (СД) модуля. Полости СД-модуля выполнены или в каждой из них установлена в тепловом контакте оболочка испарительной зоны ТТ с фитилем, имеющим капиллярную структуру, и с частично заполняющим указанную оболочку низкотемпературным жидким двухфазным теплоносителем, смачивающим фитиль. Испарительная зона ТТ соединена через адиабатическую зону с зоной конденсации пара указанного теплоносителя в окружающее пространство. Часть зоны испарения и/или адиабатическая зона может быть окружена теплоизолированным от нее кольцевым отсеком с электронным преобразователем питающей сети, подключенным к СД-модулю и к цоколю лампы. Жидкий двухфазный теплоноситель может быть выбран из группы спиртов, фреонов или дистиллированной воды с температурой кипения в пределах 36-145°С, обеспечивающих транспортирование теплоносителя в оболочке ТТ при произвольной ориентации лампы в пространстве и работоспособность в режимах испарения и/или кипения. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и мощности СД-ламп до уровня 20-120 Вт. Как и в других ТТ с использованием фитиля общая тепловая мощность (тепловой поток) способа и устройства передачи тепла определяется скоростью возврата теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения.

Известно теплопередающее устройство (пат. РФ №2346862, МПК B64G 1/50, F28D 15/04, 2008 г.), которое содержит замкнутый двухфазный контур, заправленный низкокипящим теплоносителем. Контур включает в себя сообщенные трубопроводами конденсатор и испаритель. Конденсатор встроен в конструкцию панели радиатора и имеет внутренний канал с гладкими стенками. Испаритель соединен с гидроаккумулятором, имеющим тепловую связь с термостатируемой поверхностью. Внутри испарителя установлен капиллярный насос, выполненный в виде основной капиллярной структуры, соприкасающейся внутри ее центральной зоны с выступающей из гидроаккумулятора концентрической вспомогательной капиллярной структурой. Вблизи внутренней поверхности данной вспомогательной структуры с зазором между ней и торцевой поверхностью основной капиллярной структуры расположена концевая часть трубопровода подачи жидкого теплоносителя из конденсатора в испаритель. Подача осуществляется через гидроаккумулятор, корпус которого с установленной в нем капиллярной системой соединен с корпусом испарителя через переходник. Внутренний объем гидроаккумулятора в зоне вспомогательной капиллярной структуры и вблизи его внутренней поверхности снабжен фитилем с более мелкими ячейками, чем ячейки в остальной зоне. В последней расположена часть трубопровода подачи теплоносителя из конденсатора в испаритель, выполненная в виде спирали. На наружной поверхности гидроаккумулятора, ближе к испарителю, установлен электрообогреватель переменной мощности. Техническим результатом изобретения является стабильность рабочих характеристик устройства в течение длительного времени его эксплуатации (типично, 15 лет) в условиях космического пространства.

Вместе с тем, в известном устройстве капиллярный насос, выполненный в виде основной капиллярной структуры, а также гидроаккумулятор, с установленной в нем капиллярной системой не позволяют увеличить тепловую мощность (тепловой поток) устройства, что существенно ограничивает его применение в случаях, требующих повышенной тепловой нагрузки.

Наиболее близкими к заявляемым являются способ и устройство для его реализации, описанные в работах (P. Charoensawan, S. Khandekar, М. Groll, P. Terdtoon Closed loop pulsating heat pipes. Part A: parametric experimental investigations, Applied Thermal Engineering, 2003, V. 23, p. 2009-2020; B. Mehta, S. Khandekar, Taylor bubble-train flows and heat transfer in the context of Pulsating Heat Pipes, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, V. 79, p. 279-290) и патенте H. Akachi (Structure of micro-heat pipe, пат США (US Patent) 5219020, 1993.). Согласно известному техническому решению, способ передачи тепла от нагревателя к холодильнику с использованием принципа гравитационной тепловой трубки, заключается в том, что тепловой поток передается от нагревателя к холодильнику при помощи замкнутой в кольцо (кольцевой) тепловой трубки, состоящей из одного или нескольких витков, частично заполненной жидким теплоносителем, при нагреве которого происходит образование двухфазной системы, движущейся по трубке в снарядном режиме.

Под снарядным режимом здесь подразумевается такое течение двухфазной среды, когда паровые или парогазовые включения имеют форму длинных пузырей, диаметр которых незначительно отличается от диаметра трубки, а отношение длины к диаметру составляет не менее 2-3 (Абиев Р.Ш. Моделирование гидродинамики снарядного режима течения газожидкостной системы в капиллярах, Теор. основы хим. технол., 2008, Т.42, №2, с. 115-127; В. Mehta, S. Khandekar, Taylor bubble-train flows and heat transfer in the context of Pulsating Heat Pipes, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, V. 79, p. 279-290).

Особенностью известного решения является осциллирующий (или пульсационный) режим работы, когда направление течения двухфазного рабочего тела (жидкости с парогазовыми включениями - пузырями) в кольцевой тепловой трубке может резко меняться в пульсирующем режиме.

В результате такие тепловые трубки в литературе стали называться «кольцевыми пульсирующими тепловыми трубками» или «пульсирующими тепловыми трубками» ('closed-loop pulsating heat pipes' или 'pulsating heat pipes', сокращенно «СЬРНР», «РНР», по-русски «ПТТ») (B.Y. Tong, T.N. Wong, K.T. Ooi, Closed-loop pulsating heat pipe, Applied Thermal Engineering. 2001, V. 21, p. 1845-1862; V. S. Nikolayev, Oscillatory instability of the gas-liquid meniscus in a capillary under the imposed temperature difference, Int. Journal of Heat and Mass Transfer. 2013, V. 64, p. 313-321).

В известном техническом решении не удается создать направленное движение двухфазного рабочего тела: даже когда при пуске течение приобретает одно из направлений движения, оно может менять при работе устройства. Такое поведение системы в кольцевых тепловых трубках называют пульсирующей нестабильностью, для которой изучены установившиеся частоты пульсаций в трубках (V. S. Nikolayev, Oscillatory instability of the gas-liquid meniscus in a capillary under the imposed temperature difference, Int. Journal of Heat and Mass Transfer. 2013, V. 64, p.313-321; H. Yang, S. Khandekar, M. Groll, Operational limit of closed loop pulsating heat pipes, Applied Thermal Engineering, 2008, V. 28, p. 49-59). При таком режиме работы известного устройства по мере повышения тепловой нагрузки при определенном значении теплового потока происходит перегрев зоны нагрева, что приводит к «высушиванию» (dry-out) этой зоны, т.е. в зоне нагрева (для теплообменного устройства, работающего в поле гравитации - обычно в нижней части) вся жидкость переходит в паровую фазу, а жидкость выше зоны нагрева не участвует в процесса нагрева, поскольку при пульсациях она некоторое время «подвисает» в верхней части трубки.

Все это приводит к ограничению передаваемой тепловой мощности. Так, при значении удельной тепловой мощности, передаваемой вдоль оси трубки примерно 430 Вт/м, для известного устройства с внутренним диаметром трубки 2 мм (отнесенной к площади поперечного сечения трубки), наступало «высушивание» (Н. Yang, S. Khandekar, М. Groll, Operational limit of closed loop pulsating heat pipes, Applied Thermal Engineering, 2008, V. 28, p. 49-59). Кроме того, при высоких значениях тепловой мощности при локальном «высушивании» может происходить сильный перегрев трубок, приводящий к нарушению структуры металла, из которого они изготовлены, и их преждевременному выходу из строя. Помимо этого, при высоких тепловых нагрузках при попадании жидкости на сильно перегретую внутреннюю поверхность трубки может происходить резкое ее вскипание с образованием пара, что еще больше усилит пульсации, а при работе с легковоспламеняющимися жидкостями (например, спиртами), возможно их самовоспламенение при перегреве.

Указанные недостатки существенно ограничивают тепловую мощность, передаваемую устройством, снижают устойчивость работы и не позволяют получить ожидаемый эффект от использования устройства - стабильную передачу тепловой энергии с движущимся рабочим телом с заданной высокой тепловой нагрузкой, т.е. обеспечить стабильный конвективный перенос тепла. Кроме того, при пуске известного устройства не удается гарантированно определить направление циркуляции рабочего тела в тепловой трубке.

Анализ работы известного устройства, реализующего известный способ, показывает, что основной причиной указанных недостатков является отсутствие гарантированной направленной циркуляции теплоносителя по каналам тепловой трубки.

Задача предлагаемого изобретения - повышение передаваемой тепловой мощности, повышение устойчивости и эффективности работы устройства за счет гарантированной направленной циркуляции теплоносителя по каналам тепловой трубки, облегчение управляемости ее пуском.

Поставленная задача достигается тем, что в способе передачи тепла от нагревателя к холодильнику с использованием принципа гравитационной тепловой трубки, заключающийся в том, что тепловой поток передается от нагревателя к холодильнику при помощи замкнутой в кольцо трубки, состоящей из одного или нескольких витков, частично заполненной жидким теплоносителем, при нагреве которого происходит образование двухфазной системы, движущейся по трубке в снарядном режиме, согласно изобретению, подвод теплоты к трубке нагревателем и отвод теплоты от трубки холодильником осуществляют асимметрично, так, чтобы создать в одном из колен каждого из витков кольца трубки непрерывное восходящее движение нагретого теплоносителя, при этом в другом колене каждого из витков кольца трубки создают непрерывное нисходящее движение нагретого теплоносителя.

Поставленная задача достигается также тем, что теплопередающее устройство для осуществления способа содержит замкнутую в кольцо трубку из теплопроводящего материала, выполненную в виде оснащенного арматурой для заполнения жидкостью замкнутого контура, соприкасающегося в нижней части с нагревателем, а в верхней части соприкасающегося с холодильником, согласно изобретению, трубка имеет диаметр меньше критического, асимметричный подвод теплоты к трубке и отвод теплоты от нее реализуются посредством того, что нагреватель и холодильник имеют асимметричную форму, причем одна часть поверхностей нагревателя и холодильника расположена горизонтально, а другая часть расположена вертикально, при этом трубка имеет термический контакт с горизонтальной и вертикальной поверхностями нагревателя и холодильника.

Поставленная задача достигается также тем, что в теплопередающем устройстве на одном или нескольких из восходящих колен трубки установлены дополнительные пусковые нагревательные элементы, а на одном или нескольких из нисходящих колен трубки установлены дополнительные пусковые охлаждающие элементы.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого устройства для реализации заявляемого способа в состоянии до подвода тепла к нагревателю (т.е. в состоянии перед началом работы), на фиг. 2 - в работающем состоянии. На фиг. 3 представлен вариант реализации устройства с дополнительными пусковыми нагревательным и охлаждающим элементами, в работающем состоянии. На фиг. 4 изображен вариант замкнутой в кольцо трубки, состоящей из несколько витков (нагреватель и холодильник условно не показаны).

Теплопередающее устройство для осуществления заявленного способа содержит замкнутую в кольцо трубку 1 из теплопроводящего материала, выполненную в виде оснащенного арматурой (на фиг. 1-3 условно не показана) для заполнения жидкостью замкнутого контура трубки 1, соприкасающегося в нижней части с нагревателем 2 (элемент, от которого отводится тепло, например, процессор компьютера или лампа), а в верхней части соприкасающегося с холодильником 3 (конденсатор). При этом трубка 1 имеет внутренний диаметр меньше критического, что соответствует значению числа Бонда Во<3,368 (Bremerton F.P. The Motion of Long Bubbles in Tubes // J. Fluid Mech. 1961. №10. P. 166-188; Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972. 440 с.), что обеспечивает преобладание капиллярных сил над гравитационными, тем самым гарантируя стабильность межфазной границы раздела жидкость-газ/пар в трубке 1 (при более высоких значениях числа Бонда происходит распад межфазной границы и сепарация фаз).

На фиг. 1-3 представлен вариант, когда трубка 1 замкнута в кольцо с одним витком, на фиг. 4 показан случай с замкнутой в кольцо трубки, содержащей четыре витка. Количество витков может быть любым (ограничение сверху на количество витков обусловлено растущим гидравлическим сопротивлением), при этом витки могут быть расположены как в одной плоскости, с замыканием сверху (фиг. 4) или снизу, так и с параллельным расположением витков, навитых вокруг прямой оси, по аналогии с расположением витков в спиральной пружине или змеевике, либо вокруг оси, имеющей произвольную форму (окружности, эллипса, прямоугольника, синусоиды или другой формы).

В качестве нагревателя могут служить объекты, от которых необходимо отводить тепло - процессоры, лампы, нагревательные элементы в системах обогрева и т.п. В качестве холодильника могут служить объекты, к которым необходимо подвести тепло, либо специальные элементы, предназначенные для поддержания низкой температуры - например, теплообменные трубки, через которые пропускают хладагент - холодную воду или другие теплоносители.

Асимметричный подвод теплоты к трубке и отвод теплоты от нее реализуются посредством того, что нагреватель и холодильник имеют асимметричную форму, например, в форме тел с Г-образным сечением (фиг. 1-3), причем одна часть поверхностей нагревателя (2а) и холодильника (3а) расположена горизонтально, а другая часть нагревателя (2б) и холодильника (3б) расположена вертикально, при этом трубка 1 имеет хороший термический контакт с горизонтальной и вертикальной поверхностями нагревателя 2 и холодильника 3, например, при помощи сварки, пайки или плотного механического прижатия. Наличие асимметричного подвода теплоты к трубке и отвод теплоты от нее позволяют организовать направленное циркуляционное течение парогазожидкостной смеси по трубке 1, предотвращая пульсации течения, в конечном счете повышая количество энергии, переносимой с жидкостью и паром от нагревателя 2 к холодильнику 3 по трубке 1.

Соотношение размеров горизонтальной и вертикальной поверхностями нагревателя 2 и холодильника 3 может варьироваться в зависимости от выделяемой нагревателем мощности и вида жидкости, используемой в качестве рабочего тела, вплоть до полного вырождения горизонтальной части.

В теплопередающем устройстве могут быть также на одном или нескольких из восходящих колен трубки 1 могут быть установлены дополнительные пусковые нагревательные элементы 5, а на одном или нескольких из нисходящих колен трубки 1 могут быть установлены дополнительные пусковые охлаждающие элементы 6 (фиг. 3). Пусковые элементы 5 и 6 включают только при пуске, и служат они для создания стабильного однонаправленного циркуляционного течения. После стабилизации течения элементы пусковые элементы 5 и 6, как правило, можно выключить.

Техническим результатом является повышение передаваемой устройством тепловой мощности, повышение устойчивости и эффективности работы устройства за счет гарантированной направленной циркуляции теплоносителя по каналам тепловой трубки, облегчение управляемости ее пуском. Этот результат достигается за счет реализации предлагаемого способа, обеспечивающего устойчивое направленное циркуляционного течение парогазожидкостной смеси в снарядном режиме благодаря асимметричному подводу и отводу тепла. Асимметрия приводит к тому, что в системе исчезает бифуркационный режим движения рабочего тела, когда восходящее течение имеет место то в одном колене, то в другом. В итоге в системе устанавливается стационарное течение, обеспечивающее стабильность гидродинамических параметров, вследствие чего стабильными становятся и параметры теплообмена - относительные площади кипения (в нагревателе) и конденсации (в холодильнике), коэффициенты теплоотдачи в нагревателе и в холодильнике.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Аппарат работает следующим образом. Трубку 1 через устройство ввода (арматура для заполнения жидкостью замкнутого контура, на фиг. 1-3 не показана) заполняют рабочим телом - жидким теплоносителем, предпочтительно на 50-70% (фиг. 1). Включают нагреватель 2, подают хладагент в холодильник 3. При наличии пусковых нагревательных элементов 5 и пусковых охлаждающих элементов 6 включают и эти элементы (фиг. 3). В результате нагрева начинается локальное кипение жидкого теплоносителя в зоне нагревателя 2. Тепловые потоки q_ha от горизонтальной части нагревателя 2а частично направлены непосредственно к горизонтальной части трубки 1, а частично перетекают по теплопроводящему материалу нагревателя 2 к его вертикальной части 26, формируя поток q_hb. Благодаря асимметричной форме нагревателя парогазовые пузыри 4 (содержащие пары закипевшей жидкости и растворенные в ней газы) формируются преимущественно в левом колене трубки 1. В результате в период пуска в левом колене трубки 1 образуется парогазожидкостная смесь, а в правом колене находится чистая жидкость. За счет разности плотностей парогазожидкостная смесь поднимается выше, достигая поверхности трубки 1, контактирующей с холодильником 3. Этому же способствует и расширение пузырей 4 в трубке 1 при нагреве рабочего тела. При контакте с холодной частью трубки 1, контактирующей с холодильником 3, пары конденсируются, отдавая холодильнику тепло с тепловыми потоками q_ca в горизонтальной части и q_cb в вертикальной части (при наличии пусковых охлаждающих элементов 6 возникают дополнительные потоки q_cd, пузыри 4, поступающие в правое колено (фиг. 2 и 3) уменьшаются в размерах или полностью исчезают. При включении пусковых нагревательных элементов 5 и пусковых охлаждающих элементов 6 возникают дополнительные потоки q_hd и q_cd соответственно, суммируясь с потоками q_hb и q_cb (фиг. 3). В правом колене охлажденное рабочее тело (двухфазная парогазожидкостная смесь или чистая жидкость, в зависимости от степени охлаждения) с уменьшенными по длине пузырями стекает вниз, по направлению к нагревателю. В аппарате устанавливается циркуляционное течение, обусловленное разностью плотностей парогазожидкостной смеси в левом и правом коленах (в левом колене объемная доля пузырей выше, поэтому плотность ниже). При этом в одном из колен (левом на фиг. 1-3) каждого из витков (на фиг. 1-3 показан случай одного витка) кольца трубки 1 возникает непрерывное восходящее движение, при этом в другом колене (правом на фиг. 1-3, показан случай одного витка) трубки 1 возникает непрерывное нисходящее движение. Наличие вертикального участка нагревателя 2б способствует интенсивному созданию пузырей в левом колене трубки 1, а благодаря вертикальному участку холодильника 3б обеспечивается интенсивная конденсация паров и охлаждение газа, за счет чего размеры пузырей в левом колене трубки 1 уменьшаются до минимальных значений (при определенных условиях могут уменьшиться до нуля, т.е. произойдет полная конденсация пара и растворение газа в жидкости).

После установления стабильного течения рабочего тела по циркуляционному контуру трубки 1 дополнительные пусковые нагревательные элементы 5 и дополнительные пусковые охлаждающие элементы 6, как правило, следует отключить. Необходимость в их непрерывной работе может возникать при слабой плотности потока от основного нагревателя или слабом охлаждении основным холодильником (при нештатных ситуациях).

При этом тепловые потоки, поступающие на вертикальные участки 2а нагревателя и За холодильника, обеспечивают асимметричное генерирование пузырей в восходящем потоке и их сжатие - в нисходящем.

В известных технических решениях - аналогах с пульсирующим режимом течения рабочего тела - парогазожидкостной смеси - пульсации приводят к тому, что направление движения нагретого теплоносителя резко меняется на противоположное. В результате горячий поток рабочего тела, двигавшийся по направлению к холодильнику, до момента смены направления течения успевает передать полученное им количество теплоты от нагревателя лишь частично, оставшаяся же часть теплоты возвращается с конвективным потоком рабочего тела при его возвратном движении обратно в зону нагревателя. В итоге парогазожидкостная смесь охлаждается в холодильнике в значительно меньшей степени, чем при направленной циркуляции, и ее последующий нагрев при попадании в зону нагревателя происходит с меньшей движущей силой, т.е. меньшим перепадом между температурой поверхностью трубки в зоне нагревателя и температурой рабочего тела в этой зоне. В конечном счете все описанные явления в известных технических решениях - аналогах с пульсирующим режимом течения рабочего тела приводят к снижению эффективности процесса переноса тепла от нагревателя к холодильнику. При следующей пульсации в холодильник попадает рабочее тело, которое не успело нагреться в достаточной степени, и поэтому разность температур между поверхностью трубки в зоне холодильника и рабочим телом также ниже достигаемого при направленной циркуляции.

При направленном циркуляционном течении, в отличие от пульсирующего режима течения рабочего тела по трубке 1, обеспечиваются наиболее благоприятные условия для теплообмена, когда теплоноситель последовательно проходит зоны нагрева и охлаждения, сначала получая теплоту от нагретого объекта (нагревателя) и достигая максимальной температуры на выходе из зоны нагрева, затем перенося эту теплоту к холодному объекту (холодильнику) со снижением температуры до минимального значения на выходе из зоны охлаждения. В итоге как в зоне нагревателя, так и в зоне холодильника достигаются максимальные значения перепадов температур, а значит, и максимальные тепловые потоки, что влечет за собой повышение общей эффективности переноса тепла в предлагаемом устройстве.

Кроме того, стационарное течение, в отличие от хаотического осциллирующего, легче поддается управлению, и увеличение тепловой нагрузки на устройство дает прогнозируемый и контролируемый результат в виде усиления циркуляционного течения.

Все вышеуказанные явления и процессы, происходящие в предлагаемом изобретении, приводят к повышению передаваемой устройством тепловой мощности, повышению устойчивости и эффективности работы устройства за счет гарантированной направленной циркуляции теплоносителя по каналам тепловой трубки, облегчение управляемости ее пуском.

Пример конкретного выполнения 1. Устройство-прототип, изготовленное по известному изобретению, содержащее замкнутую в кольцо трубку диаметром 1 мм из латуни с высотой витков 300 мм (количество витков 4, количество колен 8), выполненную в виде оснащенного арматурой для заполнения жидкостью замкнутого контура, соприкасающегося в нижней части с нагревателем, а в верхней части соприкасающегося с холодильником, и работающее в пульсационном режиме, при этом трубка заполнена на 60% этиловым спиртом.

Достигнутая передаваемая от нагревателя к холодильнику тепловая мощность достигла 65 Вт.

Пример конкретного выполнения 2. При проведении того же процесса в аппарате-прототипе, выполненном из трубок с диаметром 4 мм, который больше критического диаметра (критический диаметр для спирта этилового составляет 3,09 мм; см. пояснения ниже) с теми же размерами и количеством витков, снарядный режим в трубке не возникал, пар поднимался в виде сплошного потока вверх, а жидкость оставалась внизу, причем ее уровень постепенно снижался за счет испарения, с одинаковой скоростью во всех коленах трубки 1. Направленной циркуляции в аппарате также не возникало. Эффективный тепловой поток от нагревателя к холодильнику составил 20 Вт. При увеличении потока выше этой величины практически весь объем жидкости переходил в парообразное состояние, а в трубке 1 в зоне нагревателя возникал кризис кипения, приводивший к перегреву трубки в нижней части на 30-40°С.

Расчет критического диаметра: для этанола плотность ρ=789 кг/м³, поверхностное натяжение σ=0.022 Н/м. По определению число Бонда Во=gd²Δρ/σ; откуда следует значение критического диаметра: dcr=(Bo⋅σ/Δρg)^{0 5}=(3.368⋅0.022 /789⋅9.81)^0.5=3,09 мм.

Пример конкретного выполнения 3. Реализация предлагаемых способа и устройства. При проведении того же процесса в устройстве, аналогичном описанному в примере конкретного выполнения 1, выполненном по предлагаемому изобретению (см. фиг. 4, трубка имеет диаметр 1 мм меньше критического, асимметричный подвод теплоты к трубке и отвод теплоты от нее реализуются посредством того, что нагреватель и холодильник имеют асимметричную форму, причем одна часть поверхностей нагревателя и холодильника расположена горизонтально, а другая часть расположена вертикально, при этом трубка имеет термический контакт с горизонтальной и вертикальной поверхностями нагревателя и холодильника), в трубке 1 возникает устойчивое направленное течение парогазожидкостной смеси. В одном из колен каждого из витков кольца трубки 1 создается непрерывное восходящее движение нагретого теплоносителя, при этом в другом колене каждого из витков кольца трубки 1 создают непрерывное нисходящее движение нагретого теплоносителя.

При этом значение передаваемой от нагревателя к холодильнику тепловой мощности достигло 150 Вт, т.е. в 2,3 раза. Время выхода на стационарный режим циркуляционного течения составило 8 минут.

Пример конкретного выполнения 4. Реализация предлагаемых способа и устройства с дополнительными пусковыми элементами. При проведении того же процесса в устройстве, выполненном по предлагаемому изобретению, на двух из четырех восходящих коленах трубки установлены дополнительные пусковые нагревательные элементы 5, а на двух нисходящих коленах трубки 1 установлены дополнительные пусковые охлаждающие элементы 6. Мощность каждого дополнительных пусковых элементов составляла 20 Вт.

Благодаря дополнительным пусковым элементам время выхода на стационарный режим циркуляционного течения сократилось до 3 минут. После выхода на режим дополнительные пусковые элементы были отключены, а рабочее тело продолжало циркулировать по трубке 1.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить передаваемую тепловую мощность, повысить устойчивость и эффективность работы устройства за счет гарантированной направленной циркуляции теплоносителя по каналам тепловой трубки, облегчить управляемости ее пуском.

Claims (3)

1. Способ передачи тепла от нагревателя к холодильнику с использованием принципа гравитационной тепловой трубки, заключающийся в том, что тепловой поток передается от нагревателя к холодильнику при помощи замкнутой в кольцо трубки, состоящей из одного или нескольких витков, частично заполненной жидким теплоносителем, при нагреве которого происходит образование двухфазной системы, движущейся по трубке в снарядном режиме, отличающийся тем, что подвод теплоты к трубке нагревателем и отвод теплоты от трубки холодильником осуществляют асимметрично, так, чтобы создать в одном из колен каждого из витков кольца трубки непрерывное восходящее движение нагретого теплоносителя, при этом в другом колене каждого из витков кольца трубки создают непрерывное нисходящее движение нагретого теплоносителя.

2. Теплопередающее устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее замкнутую в кольцо трубку из теплопроводящего материала, выполненную в виде оснащенного арматурой для заполнения жидкостью замкнутого контура, соприкасающегося в нижней части с нагревателем, а в верхней части соприкасающегося с холодильником, отличающееся тем, что трубка имеет диаметр меньше критического, асимметричный подвод теплоты к трубке и отвод теплоты от нее реализуются посредством того, что нагреватель и холодильник имеют асимметричную форму, причем одна часть поверхностей нагревателя и холодильника расположена горизонтально, а другая часть расположена вертикально, при этом трубка имеет термический контакт с горизонтальной и вертикальной поверхностями нагревателя и холодильника.

3. Теплопередающее устройство по п. 2, отличающееся тем, что на одном или нескольких из восходящих колен трубки установлены дополнительные пусковые нагревательные элементы, а на одном или нескольких из нисходящих колен трубки установлены дополнительные пусковые охлаждающие элементы.

Images