RU2761712C2 - Heat transfer device - Google Patents
Heat transfer device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2761712C2 RU2761712C2 RU2021109563A RU2021109563A RU2761712C2 RU 2761712 C2 RU2761712 C2 RU 2761712C2 RU 2021109563 A RU2021109563 A RU 2021109563A RU 2021109563 A RU2021109563 A RU 2021109563A RU 2761712 C2 RU2761712 C2 RU 2761712C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working fluid
- evaporator
- accumulator
- heat transfer
- heat exchanger
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
- F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
- F28D15/04—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure
- F28D15/043—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with tubes having a capillary structure forming loops, e.g. capillary pumped loops
Abstract
Description
Заявляемое техническое решение относится к области теплотехники, в частности к тепловым трубам, и может быть использовано для отвода тепла от различных теплонагруженных объектов, дискретно расположенных в пространстве, в том числе на различной высоте относительно приемника тепла.The claimed technical solution relates to the field of heat engineering, in particular to heat pipes, and can be used to remove heat from various heat-loaded objects discretely located in space, including at different heights relative to the heat receiver.
Известно теплопередающее устройство по патенту РФ на изобретение №2120592 (кл. МПК F28D 15/04, дата приоритета 06.06.1996, дата публикации 20.10.1998) [1]. Согласно данному изобретению теплопередающее устройство содержит испарительную секцию, содержащую несколько испарителей. Паропровод и конденсатопровод каждого испарителя подключен соответственно к коллекторам пара и конденсата. Конденсатор соединен с коллектором пара посредством основного паропровода. Гидроаккумулятор, соединенный отдельным трубопроводом с коллектором конденсата, подключен к конденсатору посредством основного конденсатопровода. Гидроаккумулятор расположен над испарительной секцией.Known heat transfer device for the RF patent for invention No. 2120592 (CL. IPC F28D 15/04, priority date 06.06.1996, publication date 20.10.1998) [1]. According to the present invention, the heat transfer device comprises an evaporating section containing several evaporators. The steam line and the condensate line of each evaporator are connected to the steam and condensate collectors, respectively. The condenser is connected to the steam header via the main steam line. The accumulator, connected with a separate pipeline to the condensate collector, is connected to the condenser via the main condensate pipeline. The accumulator is located above the evaporating section.
Недостатками данного устройства является то, что:The disadvantages of this device are that:
- согласно конструкции данного теплопередающего устройства, конденсатор находится ниже испарителей и гидроаккумулятора и сила гравитации противодействует работе системы, что снижает эффективность и надежность работы всей системы;- according to the design of this heat transfer device, the condenser is located below the evaporators and the accumulator and the force of gravity opposes the operation of the system, which reduces the efficiency and reliability of the entire system;
- для начала работы системы надо преодолеть давление столба конденсата между конденсатором и гидроаккумулятором, только достаточно большое значение тепловой нагрузки позволит давлению пара выдавить конденсат в гидроаккумулятор;- to start the system, it is necessary to overcome the pressure of the condensate column between the condenser and the accumulator, only a sufficiently large value of the heat load will allow the steam pressure to squeeze out the condensate into the accumulator;
- работа системы в целом зависит от запорных свойств фитиля, для чего требуется тщательный контроль этой характеристики фитиля;- the operation of the system as a whole depends on the locking properties of the wick, which requires careful control of this characteristic of the wick;
- в данном случае конструкция теплопередающего устройства достаточно сложная, поскольку много трубопроводов и соединений, в связи с этим трудно обеспечить их герметичность и добиться воспроизводимости показателей теплопередачи разных испарителей.- in this case, the design of the heat transfer device is rather complicated, since there are many pipelines and connections, in this regard, it is difficult to ensure their tightness and achieve reproducibility of heat transfer indicators for different evaporators.
Теплопередающее устройство для охлаждения электронных приборов по патенту РФ на изобретение №2296929 (кл. МПК F28D 15/02, дата приоритета 09.03.2005, дата публикации 10.04.2007) [2] применяется для охлаждения теплонапряженных компонентов электронных приборов. Данное теплопередающее устройство выполнено в виде замкнутого герметичного контура, частично заполненного теплоносителем и включает испаритель с фитильной структурой внутри, содержащий пароотводные каналы в зоне подвода тепла, выемку и конденсатор, соединенные раздельными пустотелыми конденсатопроводом и паропроводом. Данное устройство дополнительно снабжено резервуаром, сопряженным с испарителем и сообщающимся с конденсатопроводом, испаритель оснащен паровым коллектором, сообщающимся с паропроводом, а конденсатор выполнен пустотелым, причем выходной конец конденсатопровода размещен в выемке фитильной структуры испарителя, который может иметь цилиндрическую, плоскопрямоугольную, плоскоовальную или дискообразную формы. Конденсатор может быть выполнен в виде участка пустотелого трубопровода, включенного между паропроводом и конденсатопроводом, или в виде пустотелого змеевика и может быть выполнен плоским, иметь щелевидное поперечное сечение или состоять из двух цилиндров, установленных один в другой с образованием кольцевого зазора.A heat transfer device for cooling electronic devices according to RF patent for invention No. 2296929 (class IPC F28D 15/02, priority date 09.03.2005, publication date 04.10.2007) [2] is used to cool heat-stressed components of electronic devices. This heat transfer device is made in the form of a closed sealed circuit, partially filled with a coolant and includes an evaporator with a wick structure inside, containing steam channels in the heat supply zone, a recess and a condenser connected by separate hollow condensate lines and a steam line. This device is additionally equipped with a reservoir coupled to the evaporator and communicating with the condensate line, the evaporator is equipped with a steam header connected to the steam line, and the condenser is hollow, and the outlet end of the condensate line is located in the recess of the wick structure of the evaporator, which can have a cylindrical, flat-rectangular, flat-oval or disc-like shape ... The condenser can be made in the form of a section of a hollow pipeline connected between the steam line and the condensate pipeline, or in the form of a hollow coil and can be flat, have a slot-like cross-section, or consist of two cylinders installed one into the other with the formation of an annular gap.
Недостатками данного теплопередающего устройства являются то, что:The disadvantages of this heat transfer device are that:
- поверхность канала на границе со столбом жидкости должна быть очень чистой, иначе жидкость не будет ее смачивать и произойдет снижение мощности теплопередачи теплопередающего устройства с последующим, возможным, отказом в его работе;- the surface of the channel at the border with the liquid column must be very clean, otherwise the liquid will not wet it and the heat transfer power of the heat transfer device will decrease with subsequent, possible, failure in its operation;
- поскольку давление пара передается столбу жидкости через кольцевой зазор в области конденсатора, такая схема неустойчива и может произойти ее деформация - площадь контакта между паром и жидкостью может увеличиться за счет перераспределения жидкости в кольцевом зазоре конденсатора. В результате изменения площади контакта между паром и столбом жидкости изменится давление пара на столб жидкости и возникнут колебания в мощности теплопередачи теплопередающего устройства;- since the vapor pressure is transferred to the liquid column through the annular gap in the condenser region, such a scheme is unstable and its deformation may occur - the contact area between the vapor and the liquid can increase due to the liquid redistribution in the condenser annular gap. As a result of a change in the contact area between the vapor and the liquid column, the vapor pressure on the liquid column will change and fluctuations in the heat transfer power of the heat transfer device will occur;
- в результате возможных колебаний площади контакта между паром и жидкостью могут появиться пузыри пара в объеме жидкости и возникнет, так называемый, «снарядный» режим течения жидкости;- as a result of possible fluctuations in the contact area between the vapor and the liquid, vapor bubbles may appear in the volume of the liquid and a so-called "slug" regime of liquid flow will arise;
- кроме того образовавшийся паровой пузырь в объеме жидкости может достигнуть резервуара испарителя и тогда блокируется часть поверхности пористой среды в испарителе, что снизит мощность теплопередачи теплопередающего устройства;- in addition, the formed vapor bubble in the volume of liquid can reach the reservoir of the evaporator and then part of the surface of the porous medium in the evaporator is blocked, which will reduce the heat transfer power of the heat transfer device;
- в том случае, если поток пара достигнет поверхности пористой среды испарителя и в ней произойдет пробой столба жидкости то теплопередающее устройство перестанет работать;- in the event that the vapor flow reaches the surface of the porous medium of the evaporator and a breakdown of the liquid column occurs in it, the heat transfer device will stop working;
- при нестационарном режиме работы данного теплопередающего устройства, с изменяющейся во времени мощностью теплопередачи, возникнут автоколебания площади контакта между паром и жидкостью в конденсаторе за счет положительной обратной связи между давлением в столбе жидкости и давлением пара;- in a non-stationary mode of operation of this heat transfer device, with a time-varying heat transfer power, self-oscillations of the contact area between the vapor and the liquid in the condenser will occur due to the positive feedback between the pressure in the liquid column and the vapor pressure;
- рассмотренная схема теплопередающего устройства работоспособна только при стационарном уровне тепловой нагрузки и при ее стационарном положении в пространстве.- the considered scheme of the heat transfer device is operable only at a stationary level of heat load and at its stationary position in space.
Следует отметить, что данное теплопередающее устройство характеризуется сложной процедурой его запуска в работу поскольку необходимо обеспечить первоначальное замачивание пористой среды в испарителе и удалить газовые пузыри из объема пористой среды испарителя.It should be noted that this heat transfer device is characterized by a complex procedure for starting it up, since it is necessary to ensure the initial soaking of the porous medium in the evaporator and remove gas bubbles from the volume of the porous medium of the evaporator.
Известно теплопередающее устройство по патенту РФ №2194935 (кл. МПК F28D 15/02, F28D 15/04, дата приоритета 16.03.2000, дата публикации 20.12.2002) [3], наиболее близкое к заявляемому техническому решению и потому принятое за прототип. Теплопередающее устройство выполнено в виде замкнутого двухфазного контурного термосифона, включающего испаритель и конденсатор, частично заполненные рабочей жидкостью, находящейся в них на одном уровне, соединенные паропроводом и расположенным ниже него конденсатопроводом, полностью заполненным рабочей жидкостью. Испаритель и конденсатор выполнены в виде отдельных камер, верхние части которых сообщаются посредством паропровода, а нижние -посредством конденсатопровода, причем конденсатопровод расположен ниже уровня рабочей жидкости в испарителе и конденсаторе.Known heat transfer device according to RF patent No. 2194935 (class IPC F28D 15/02, F28D 15/04, priority date 03.16.2000, publication date 12.20.2002) [3], the closest to the claimed technical solution and therefore taken as a prototype. The heat transfer device is made in the form of a closed two-phase loop thermosyphon, including an evaporator and a condenser, partially filled with a working liquid located in them at the same level, connected by a steam line and a condensate line located below it, completely filled with a working liquid. The evaporator and the condenser are made in the form of separate chambers, the upper parts of which are communicated by means of a steam line, and the lower parts - by means of a condensate line, and the condensate line is located below the level of the working liquid in the evaporator and the condenser.
Недостатками описанного выше устройства является то, что:The disadvantages of the device described above are that:
- данное устройство не позволяет отводить тепло от объектов, расположенных на разных с ним высотах, поскольку при расположении объектов на разных высотах возможно образование паровой пробки и, следовательно, остановка течения жидкости, что требует использования в этом случае либо принудительной циркуляции, либо создания испарителя со сложной пористой капиллярной структурой;- this device does not allow heat to be removed from objects located at different heights with it, since when objects are located at different heights, a vapor lock may form and, therefore, the liquid flow stops, which requires the use in this case either forced circulation or the creation of an evaporator with complex porous capillary structure;
- кроме того, в данном устройстве ограниченно значение мощности теплопередачи из-за раннего наступления кризиса теплоотдачи в результате возникновения колебаний расхода и перепада давления рабочей среды;- in addition, in this device, the value of the heat transfer power is limited due to the early onset of the heat transfer crisis as a result of fluctuations in the flow rate and pressure drop of the working medium;
- в устройстве отсутствует компенсирующая емкость для температурного расширения объема рабочей среды, возникающего при большой тепловой нагрузке на устройство;- the device does not have a compensating capacity for thermal expansion of the volume of the working environment, which occurs when there is a large thermal load on the device;
- система не способна к саморегулированию при нестационарном режиме работы.- the system is not capable of self-regulation during non-stationary operation.
Задачей заявляемого технического решения является создание теплопередающего устройства, позволяющего уменьшить энергозатраты на охлаждение теплонагруженных устройств, повысить надежность и ресурс работы в целом всей системы.The objective of the proposed technical solution is to create a heat transfer device that allows to reduce energy consumption for cooling heat-loaded devices, to increase the reliability and service life of the entire system as a whole.
Поставленная задача решается за счет того, что теплопередающее устройство, включающее двухфазный контурный термосифон состоящий из одного или нескольких испарителей и теплообменника (конденсатора), выполненных в виде отдельных камер частично заполненных рабочей жидкостью, верхние части которых сообщаются посредством паропровода, а нижние - посредством конденсатопровода, согласно заявляемого технического решения теплопередающее устройство содержит испаритель заполненный полностью рабочей жидкостью, гидроаккумулятор, частично заполненный рабочей жидкостью, гидрозатвор полностью заполненный рабочей жидкостью, теплообменник, расположенный выше испарителя на расстоянии обеспечивающем транспорт пара рабочей жидкости по паропроводу от испарителя к теплообменнику. Внутренний объем со стороны паровой фазы теплообменника больше жидкостного объема конденсирующейся рабочей жидкости, например, не менее чем в 2 раза и исключает ее накопление. Выход сконденсированной рабочей жидкости из теплообменника расположен в его нижней части. Уровень рабочей жидкости в гидроаккумуляторе находиться в пределах от 1/3 до 2/3 объема гидроаккумулятора, причем, в начале работы рабочая жидкость в испарителе и рабочая жидкость в гидроаккумуляторе, находятся на одном уровне, а в процессе работы уровень рабочей жидкости испарителя колеблется в пределах изменения уровня рабочей жидкости в гидроаккумуляторе. Гидрозатвор расположен ниже испарителя и выполнен в виде витков из трубы, например, прямоугольных или многоугольных, аналогичной трубе паропровода пара рабочей жидкости, при этом количество изгибов трубы гидрозатвора должно превышать количество изгибов трубы паропровода, например, хотя бы на один.The problem is solved due to the fact that a heat transfer device, including a two-phase loop thermosyphon consisting of one or more evaporators and a heat exchanger (condenser), made in the form of separate chambers partially filled with a working fluid, the upper parts of which are communicated through a steam pipeline, and the lower parts - through a condensate pipeline, According to the proposed technical solution, the heat transfer device contains an evaporator filled completely with a working fluid, a hydraulic accumulator partially filled with a working fluid, a hydraulic seal completely filled with a working fluid, a heat exchanger located above the evaporator at a distance that ensures the transport of vapor of the working fluid along the steam line from the evaporator to the heat exchanger. The internal volume on the side of the vapor phase of the heat exchanger is greater than the liquid volume of the condensing working fluid, for example, at least 2 times and excludes its accumulation. The outlet of the condensed working fluid from the heat exchanger is located at its bottom. The level of the working fluid in the accumulator is in the range from 1/3 to 2/3 of the volume of the accumulator, moreover, at the beginning of operation, the working fluid in the evaporator and the working fluid in the accumulator are at the same level, and during operation the level of the working fluid of the evaporator fluctuates within changes in the level of the working fluid in the accumulator. The hydraulic seal is located below the evaporator and is made in the form of turns from a pipe, for example, rectangular or polygonal, similar to the steam pipe of the working fluid vapor, while the number of bends in the hydraulic seal pipe must exceed the number of bends in the steam pipe, for example, by at least one.
Техническим результатом является обеспечение надежной теплопередачи большой мощности в вертикальном и горизонтальном направлении с полной компенсацией температурного расширения объема рабочей жидкости в теплопередающем устройстве при уменьшении энергозатрат на охлаждение теплонагруженных устройств.The technical result is to ensure reliable heat transfer of high power in the vertical and horizontal directions with full compensation of the thermal expansion of the volume of the working fluid in the heat transfer device while reducing energy consumption for cooling heat-loaded devices.
При подводе тепловой мощности к испарителю рабочая жидкость испаряется и пар перемещается по паропроводу к теплообменнику, где в результате фазового перехода образует конденсат, который по конденсатопроводу за счет силы гравитации направляется в гидроаккумулятор и затем через гидрозатвор в испаритель.When heat power is supplied to the evaporator, the working liquid evaporates and the steam moves through the steam line to the heat exchanger, where, as a result of the phase transition, it forms condensate, which is directed through the condensate line due to the force of gravity to the accumulator and then through the hydraulic seal to the evaporator.
Расположение теплообменника выше испарителя в заявляемой конструкции теплопередающего устройства обусловлено тем, что при разности температур теплообменника и испарителя создается градиент давлений насыщенных паров рабочей жидкости и образуется направленный поток паров рабочей жидкости от испарителя к теплообменнику, что позволяет не использовать в данном устройстве дополнительные узлы для перемещения паров рабочей жидкости. Длина и площадь поперечного сечения трубы паропровода рабочей жидкости, между испарителем и теплообменником выбирается из условия передачи требуемой максимальной тепловой нагрузки при заданном перепаде температур между испарителем и теплообменником.The location of the heat exchanger above the evaporator in the claimed design of the heat transfer device is due to the fact that with a temperature difference between the heat exchanger and the evaporator, a pressure gradient of saturated vapors of the working fluid is created and a directed flow of vapors of the working fluid from the evaporator to the heat exchanger is formed, which makes it possible not to use additional nodes for moving vapors in this device working fluid. The length and cross-sectional area of the working fluid steam pipe between the evaporator and the heat exchanger is selected from the condition of transferring the required maximum heat load at a given temperature difference between the evaporator and the heat exchanger.
В теплообменнике отводимая тепловая мощность передается внешнему приемнику, например, охлаждающей жидкости в процессе фазового перехода пара рабочей жидкости в жидкое состояние при конденсации на стенках теплообменника.In the heat exchanger, the rejected heat power is transferred to an external receiver, for example, a cooling liquid during the phase transition of the working liquid vapor into a liquid state during condensation on the walls of the heat exchanger.
Внутренний объем теплообменника, со стороны паровой фазы, больше жидкостного объема конденсирующейся рабочей жидкости, для того чтобы исключить затопление сконденсировавшейся рабочей жидкостью поверхностей охлаждения теплообменника, поскольку это приводит ухудшению его работы, вплоть до отказа от работы.The internal volume of the heat exchanger, on the side of the vapor phase, is greater than the liquid volume of the condensing working liquid, in order to exclude the flooding of the condensed working liquid of the cooling surfaces of the heat exchanger, since this leads to a deterioration in its operation, up to failure to work.
Гидроаккумулятор должен быть частично заполнен рабочей жидкостью, поскольку он служит для накопления избыточной жидкости, постоянной подпитки испарителя и компенсации температурного расширения рабочей жидкости.The accumulator must be partially filled with working fluid, since it serves to accumulate excess fluid, permanently recharge the evaporator and compensate for the thermal expansion of the working fluid.
Экспериментальным путем было установлено, что уровень рабочей жидкости (конденсата рабочей жидкости) в гидроаккумуляторе должен быть в пределах от 1/3 до 2/3 его высоты.It was experimentally established that the level of the working fluid (condensate of the working fluid) in the accumulator should be in the range from 1/3 to 2/3 of its height.
При уровне конденсата рабочей жидкости в гидроаккумуляторе менее 1/3 высоты в процессе работы, при высоких пиковых (или нерасчетных) тепловых нагрузках, возможно осушение гидроаккумулятора и, соответственно, уменьшение площади охлаждения в испарителе, что в свою очередь может привести к «тепловому разгону» охлаждаемого устройства.When the condensate level of the working fluid in the accumulator is less than 1/3 of the height during operation, with high peak (or off-design) thermal loads, the accumulator may drain and, accordingly, the cooling area in the evaporator may decrease, which in turn can lead to "thermal runaway" the cooled device.
При уровне конденсата рабочей жидкости в гидроаккумуляторе более 2/3 высоты, происходит затопление паропровода, что может негативно отразиться на работе охлаждаемого устройства за счет того, что испаритель вынужден будет работать при более высокой температуре, связанной с повышением давления на величину создаваемого столбом жидкости в паропроводе.When the level of the condensate of the working fluid in the accumulator is more than 2/3 of the height, the steam line floods, which can negatively affect the operation of the cooled device due to the fact that the evaporator will be forced to work at a higher temperature associated with an increase in pressure by the amount created by the liquid column in the steam line ...
Границы раздела паровой и жидкостной фаз рабочей жидкости в испарителе и гидроаккумуляторе в начале работы находятся на одном уровне, поскольку это позволяет сразу включать установку в работу, что способствует повышению эффективности ее работы.The interfaces between the vapor and liquid phases of the working fluid in the evaporator and the accumulator at the beginning of work are at the same level, since this allows the unit to be immediately put into operation, which contributes to an increase in its efficiency.
Гидрозатвор расположен ниже испарителя и выполнен в виде витков трубы аналогичной трубе паропровода пара рабочей жидкости, при этом количество изгибов трубы гидрозатвора должно превышать количество изгибов трубы паропровода.The hydraulic seal is located below the evaporator and is made in the form of pipe loops similar to the steam pipe of the working fluid vapor, while the number of bends in the hydraulic seal pipe must exceed the number of bends in the steam pipe.
Схема заявляемого теплопередающего устройства с одним испарителем показана на фиг. 1. Кроме того, заявляемое теплопередающее устройство позволяет производить отвод тепла от нескольких теплонагруженных устройств, например, трех с несколькими испарителями. График изменение температуры заявляемого теплопередающего устройства при воздействии тепловой нагрузки мощностью 450 Вт представлен фиг. 2. Динамическая работа заявленного теплопередающего устройства приведена на фиг. 3, когда мощность тепловой нагрузки изменялась от 230 до 525 Вт.A diagram of the inventive heat transfer device with one evaporator is shown in FIG. 1. In addition, the claimed heat transfer device allows heat removal from several heat-loaded devices, for example, three with several evaporators. The graph of the change in the temperature of the claimed heat transfer device under the influence of a heat load with a power of 450 W is shown in Fig. 2. The dynamic operation of the claimed heat transfer device is shown in FIG. 3, when the power of the heat load was changed from 230 to 525 W.
Заявляемое теплопередающее устройство (фиг.1) состоит из испарителя (1), паропровода пара рабочей жидкости (2), теплообменника (3) с расположенным вверху узлом соединения (4) с паропроводом рабочей жидкости (2), и расположенным внизу узлом соединения (5) с конденсатопроводом рабочей жидкости (6). Кроме того, вверху теплообменника (3) расположен вход хладагента (7), а внизу выход хладагента (8). Теплообменник (3) конденсатопроводом рабочей жидкости (6) соединен с гидроаккумулятором (9), который в свою очередь через гидрозатвор (10) выполненным, например, в виде трубы, соединен с испарителем (1).The claimed heat transfer device (Fig. 1) consists of an evaporator (1), a steam line for the working fluid vapor (2), a heat exchanger (3) with a connection unit (4) located at the top with a working fluid vapor line (2), and a connection unit located below (5 ) with the working fluid condensate line (6). In addition, there is a refrigerant inlet (7) at the top of the heat exchanger (3) and a refrigerant outlet (8) at the bottom. The heat exchanger (3) is connected to the hydraulic accumulator (9) through a condensate line of the working fluid (6), which in turn is connected to the evaporator (1) through a hydraulic seal (10) made, for example, in the form of a pipe.
Теплообменник может быть выполнен как с жидкостным охлаждением, так и с воздушным охлаждением. В первом случае возможна пластинчатая конструкция теплообменника, а во втором случае возможна радиаторная схема передачи тепла.The heat exchanger can be made both liquid-cooled and air-cooled. In the first case, a plate-like structure of the heat exchanger is possible, and in the second case, a radiator heat transfer scheme is possible.
Заявляемое теплопередающее устройство позволяет производить отвод тепла от нескольких теплонагруженных устройств, например, трех.The claimed heat transfer device allows heat removal from several heat-loaded devices, for example, three.
На фиг. 2, в качестве примера, приведен график работы заявляемого теплопередающего устройства при тепловой нагрузке мощностью 450 Вт.FIG. 2, as an example, a graph of the operation of the inventive heat transfer device with a heat load of 450 watts is shown.
В течение первых 120 мин в жидкостной трассе между испарителем (1) и гидроаккумулятором (9) не был установлен гидрозатвор. Как видно из графика в течение этого времени температура в жидкостной трассе неуклонно росла от 20°С до 63°С после чего испытания были прекращены.During the first 120 minutes, a water seal was not installed in the liquid path between the evaporator (1) and the hydraulic accumulator (9). As can be seen from the graph, during this time, the temperature in the liquid line rose steadily from 20 ° C to 63 ° C, after which the tests were terminated.
После установки гидрозатвора (10) в трассе рабочей жидкости между испарителем (1) и гидроаккумулятором (9) температура начала падать, установилось ее стационарное значение и, в течение 1300 мин (примерно 20 часов) работы, температура заявляемого теплопередающего устройства оставалась примерно постоянной около 53°С (небольшие колебания связаны с изменениями температуры окружающей среды, а также напором и расходом охлаждающей жидкости в теплообменнике).After installing the hydraulic seal (10) in the working fluid line between the evaporator (1) and the hydraulic accumulator (9), the temperature began to drop, its stationary value was established and, during 1300 minutes (about 20 hours) of operation, the temperature of the claimed heat transfer device remained approximately constant about 53 ° С (small fluctuations are associated with changes in the ambient temperature, as well as the pressure and flow rate of the coolant in the heat exchanger).
На фиг. 3 приведена динамическая работа заявляемого теплопередающего устройства, при изменении мощности тепловой нагрузки от 230 до 525 Вт. Из приведенного графика можно сделать вывод, что заявляемое теплопередающее устройство устойчиво работает в широком диапазоне изменения мощности тепловой нагрузки с постоянным значением его теплового сопротивления:FIG. 3 shows the dynamic operation of the claimed heat transfer device, when the heat load power changes from 230 to 525 W. From the above graph, it can be concluded that the claimed heat transfer device operates stably in a wide range of changes in the power of the heat load with a constant value of its thermal resistance:
Т_испарителя=Т_0+0,0627W_(тепловая нагрузка),T_evaporator = T_0 + 0.0627W_ (heat load),
где Т_0=25,4°С - температура окружающей среды;where T_0 = 25.4 ° C is the ambient temperature;
W_(тепловая нагрузка) - мощность тепловой нагрузки, Вт.W_ (heat load) - power of the heat load, W.
Пример конкретного примененияAn example of a specific application
В качестве рабочей жидкости в заявляемом теплопередающем устройстве могут быть использованы, например, спирт, хладон, фреон, а в качестве хладагента, например, вода.As a working fluid in the claimed heat transfer device, for example, alcohol, freon, freon can be used, and as a refrigerant, for example, water.
В начале работы заявляемого теплопередающего устройства граница рабочей жидкости в испарителе (1) и граница раздела паровой и жидкостной фаз рабочей жидкости в гидроаккумуляторе (9) находятся на одном уровне, причем испаритель (1) полностью заполнен рабочей жидкостью, а уровень конденсата рабочей жидкости в гидроаккумуляторе (9) находится в пределах от 1/3 до 2/3 высоты гидроаккумулятора (9).At the beginning of the operation of the claimed heat transfer device, the boundary of the working fluid in the evaporator (1) and the interface between the vapor and liquid phases of the working fluid in the accumulator (9) are at the same level, and the evaporator (1) is completely filled with the working fluid, and the condensate level of the working fluid in the accumulator (9) is in the range from 1/3 to 2/3 of the height of the accumulator (9).
Теплообменник (3) расположен выше испарителя (1) на высоте (расстоянии), при которой давление паров рабочей жидкости в испарителе больше давления (которое может быть создано) возможного столба рабочей жидкости, находящейся на этой же высоте, что обеспечивает транспорт испаряемых паров рабочей жидкости от испарителя (1) к теплообменнику (3). Теплообменник (3) содержит две полости - полость рабочей жидкости и полость хладагента. Охлаждение рабочей жидкости производится хладагентом через теплопроводящую перегородку, разделяющую эти полости.The heat exchanger (3) is located above the evaporator (1) at a height (distance) at which the vapor pressure of the working fluid in the evaporator is greater than the pressure (which can be created) of a possible column of the working fluid located at the same height, which ensures the transport of evaporated vapors of the working fluid from the evaporator (1) to the heat exchanger (3). The heat exchanger (3) contains two cavities - the working fluid cavity and the refrigerant cavity. The working fluid is cooled by a coolant through a heat-conducting baffle separating these cavities.
От источника тепла, например, теплонагруженного электрического прибора, в испарителе (1) происходит нагрев рабочей жидкости и ее испарение. Газообразная фаза рабочей жидкости поступает по паропроводу пара рабочей жидкости (2) в полость рабочей жидкости теплообменника (3) через узел соединения (4) расположенный в верхней его части. В полости хладагента (принудительно охлаждаемом) теплообменника (3) организуется проток хладагента, имеющей температуру меньшую, чем у испарителя (1), например, воды, которая поступает в него через вход хладагента (7) и отводится через выход хладагента (8). Так как при этом температура газообразной фазы рабочей жидкости в теплообменнике (3) становится ниже, чем в испарителе (1), то рабочая жидкость, находящаяся в газообразной фазе, начинает конденсироваться и под действием силы тяжести стекать в гидроаккумулятор (9) через конденсатопровод рабочей жидкости (6), соединяющий узел выхода конденсата рабочей жидкости (5), расположенный внизу теплообменника (3) и гидроаккумулятор (9). Гидроаккмулятор (9) и испаритель (1) соединены посредством трассы рабочей жидкостной, представляющей собой гидрозатвор (10), через который сконденсировавшаяся рабочая жидкость поступает обратно в испаритель (1), расположенный ниже теплообменника (3). За счет разности температур теплообменника (3) и испарителя (1) создается градиент давлений насыщенных паров рабочей жидкости и образуется направленный поток паров рабочей жидкости, что обеспечивает передачу тепла от испарителя (1) к теплообменнику (3). Таким образом, замыкается рабочий цикл теплопередающего устройства.From a heat source, for example, a heat-loaded electrical device, in the evaporator (1), the working fluid is heated and evaporated. The gaseous phase of the working fluid enters through the steam line of the working fluid vapor (2) into the working fluid cavity of the heat exchanger (3) through the connection unit (4) located in its upper part. In the refrigerant cavity (forcibly cooled) of the heat exchanger (3), a refrigerant flow is organized, which has a temperature lower than that of the evaporator (1), for example, water, which enters it through the refrigerant inlet (7) and is discharged through the refrigerant outlet (8). Since the temperature of the gaseous phase of the working fluid in the heat exchanger (3) becomes lower than in the evaporator (1), the working fluid in the gaseous phase begins to condense and, under the influence of gravity, flows into the accumulator (9) through the condensate line of the working fluid (6) connecting the working fluid condensate outlet (5) located at the bottom of the heat exchanger (3) and the hydraulic accumulator (9). The hydraulic accumulator (9) and the evaporator (1) are connected by means of a working liquid line, which is a hydraulic seal (10), through which the condensed working liquid flows back to the evaporator (1) located below the heat exchanger (3). Due to the temperature difference between the heat exchanger (3) and the evaporator (1), a pressure gradient of saturated vapors of the working liquid is created and a directed flow of vapors of the working liquid is formed, which ensures the transfer of heat from the evaporator (1) to the heat exchanger (3). Thus, the operating cycle of the heat transfer device is closed.
Конструкция теплообменника (3) такова, что внутренний объем паровой фазы рабочей жидкости в нем больше жидкостного объема конденсирующейся рабочей жидкости, например, не менее чем в 2 раза, что и исключает ее накопление в виде жидкости. Количество изгибов (витков) трубы гидрозатвора (10) превышает количество изгибов паропровода пара рабочей жидкости (2). В противном случае возможно попадание паров рабочей жидкости в гидрозатвор и блокировка подачи рабочей жидкости в испаритель, что может привести к нарушению работы в целом теплопередающего устройства.The design of the heat exchanger (3) is such that the internal volume of the vapor phase of the working liquid in it is greater than the liquid volume of the condensing working liquid, for example, at least 2 times, which excludes its accumulation in the form of a liquid. The number of bends (turns) of the hydraulic seal pipe (10) exceeds the number of bends in the steam line of the working fluid vapor (2). Otherwise, it is possible for vapors of the working fluid to enter the hydraulic seal and block the supply of the working fluid to the evaporator, which can lead to malfunction of the heat transfer device as a whole.
Сечение трубы гидрозатвора (10) может быть, например, круглым, овальным, прямоугольным, многоугольным.The section of the water seal pipe (10) can be, for example, round, oval, rectangular, polygonal.
Аналогичным образом работа заявляемого устройства осуществляется при подаче тепловой нагрузки на несколько испарителей.Similarly, the operation of the claimed device is carried out when a heat load is applied to several evaporators.
Применение заявляемого теплопередающего устройства позволяет:The use of the proposed heat transfer device allows:
1. Использовать при работе меньшее количество конструктивных элементов, так нет необходимости в применении побудителя расхода (насоса) для циркуляции охлаждающей жидкости и ее паров в системе, кроме того в случае разгерметизации системы процесс охлаждения не останавливается.1. Use a smaller number of structural elements during operation, so there is no need to use a flow rate booster (pump) to circulate the coolant and its vapors in the system, in addition, in the event of a depressurization of the system, the cooling process does not stop.
2. При использовании заявляемого устройства возможна передача тепла на большие расстояния, при этом не требуется большое количество охлаждающего теплоносителя (при испарении 1 г воды в секунду отводится 2,2 кВт тепла) поскольку система работает в замкнутом цикле.2. When using the proposed device, heat transfer over long distances is possible, while a large amount of cooling heat carrier is not required (when 1 g of water evaporates per second, 2.2 kW of heat is removed) since the system operates in a closed cycle.
3. Кроме того, дополнительное гидравлическое сопротивление, создаваемое благодаря виткам гидрозатвора, не позволяет рабочей жидкости в виде пара попасть в испаритель.3. In addition, the additional hydraulic resistance created by the loops of the hydraulic seal does not allow the working liquid in the form of vapor to enter the evaporator.
4. За счет введения дополнительных гидравлических сопротивлений (витков и поворотов) заявляемое устройство стало обладать способностью к саморегулированию, что повысило надежность и устойчивость устройства при работе в нестационарных условиях при запуске и при изменении уровня тепловой нагрузки на устройство.4. Due to the introduction of additional hydraulic resistances (turns and turns), the claimed device became capable of self-regulation, which increased the reliability and stability of the device when operating in non-stationary conditions at startup and when the level of thermal load on the device changes.
5. Данное устройство обеспечивает стабильную теплопередачу большой мощности в вертикальном и горизонтальном направлении за счет полной компенсации температурного расширения объема рабочей жидкости и устранения условий для возникновения кризиса теплоотдачи в испарителе.5. This device provides stable heat transfer of high power in the vertical and horizontal directions due to the full compensation of the temperature expansion of the working fluid volume and eliminating the conditions for the occurrence of a heat transfer crisis in the evaporator.
6. В заявляемом теплопередающем устройстве не требуется использовать пористые среды в теплообменнике, что снижает себестоимость теплопередающего устройства.6. The claimed heat transfer device does not require the use of porous media in the heat exchanger, which reduces the cost of the heat transfer device.
7. Простота конструкции и минимум соединений повышают надежность и устойчивость работы теплопередающего устройства.7. Simplicity of design and a minimum of connections increase the reliability and stability of the heat transfer device.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION
1. Патент РФ на изобретение №2120592 «Теплопередающее устройство».1. RF patent for invention №2120592 "Heat transfer device".
2. Патент РФ на изобретение №2296929 «Теплопередающее устройство для охлаждения электронных приборов».2. RF patent for invention №2296929 "Heat transfer device for cooling electronic devices".
3. Патент РФ на изобретение №2194935 «Теплопередающее устройство».3. RF patent for invention №2194935 "Heat transfer device".
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021109563A RU2761712C2 (en) | 2021-04-06 | 2021-04-06 | Heat transfer device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021109563A RU2761712C2 (en) | 2021-04-06 | 2021-04-06 | Heat transfer device |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021109563A RU2021109563A (en) | 2021-06-24 |
| RU2021109563A3 RU2021109563A3 (en) | 2021-10-15 |
| RU2761712C2 true RU2761712C2 (en) | 2021-12-13 |
Family
ID=76504648
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021109563A RU2761712C2 (en) | 2021-04-06 | 2021-04-06 | Heat transfer device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2761712C2 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06109382A (en) * | 1992-09-28 | 1994-04-19 | Natl Space Dev Agency Japan<Nasda> | Double phase fluid loop type heat discharging device |
| RU2120592C1 (en) * | 1996-06-06 | 1998-10-20 | Институт теплофизики Уральского отделения РАН | Heat-transfer device |
| RU15386U1 (en) * | 2000-03-16 | 2000-10-10 | Институт теплофизики Уральского отделения РАН | HEATING DEVICE |
| RU2194935C2 (en) * | 2000-03-16 | 2002-12-20 | Институт теплофизики Уральского отделения РАН | Heat-transferring device |
| RU2296929C2 (en) * | 2005-03-09 | 2007-04-10 | Институт теплофизики Уро РАН | Device for cooling electronic instruments |
| JP6109382B1 (en) * | 2016-05-10 | 2017-04-05 | 三登商事株式会社 | Method for producing phosphorescent transfer sheet, phosphorescent transfer sheet, and method for transferring phosphorescent transfer sheet |
| CN110762581A (en) * | 2019-10-10 | 2020-02-07 | 中国科学院上海应用物理研究所 | System for heat pipe provides stable hot water in coordination with medium-high temperature phase change heat storage medium |
-
2021
- 2021-04-06 RU RU2021109563A patent/RU2761712C2/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06109382A (en) * | 1992-09-28 | 1994-04-19 | Natl Space Dev Agency Japan<Nasda> | Double phase fluid loop type heat discharging device |
| RU2120592C1 (en) * | 1996-06-06 | 1998-10-20 | Институт теплофизики Уральского отделения РАН | Heat-transfer device |
| RU15386U1 (en) * | 2000-03-16 | 2000-10-10 | Институт теплофизики Уральского отделения РАН | HEATING DEVICE |
| RU2194935C2 (en) * | 2000-03-16 | 2002-12-20 | Институт теплофизики Уральского отделения РАН | Heat-transferring device |
| RU2296929C2 (en) * | 2005-03-09 | 2007-04-10 | Институт теплофизики Уро РАН | Device for cooling electronic instruments |
| JP6109382B1 (en) * | 2016-05-10 | 2017-04-05 | 三登商事株式会社 | Method for producing phosphorescent transfer sheet, phosphorescent transfer sheet, and method for transferring phosphorescent transfer sheet |
| CN110762581A (en) * | 2019-10-10 | 2020-02-07 | 中国科学院上海应用物理研究所 | System for heat pipe provides stable hot water in coordination with medium-high temperature phase change heat storage medium |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2021109563A (en) | 2021-06-24 |
| RU2021109563A3 (en) | 2021-10-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111642103B (en) | High heat flux porous heat sink flow cooling device | |
| CN112292004B (en) | Pump-driven two-phase cooling system and working method thereof | |
| KR101752160B1 (en) | Thermodynamic machine and method for the operation thereof | |
| US8141362B2 (en) | Closed cycle heat transfer device and method | |
| JP2011208939A (en) | Method for controlling pressure and flow of refrigerant | |
| CN108882654B (en) | Phase change cooling system, cooling system and converter cabinet cooling system | |
| JP2009200472A (en) | Method and apparatus for controlling cooling of variable heat load in heat generator | |
| CN110213934A (en) | A kind of immersion cooling system and immersion liquid cooling source | |
| Zhao et al. | Experimental study of flat-disk loop heat pipe with R1233zd (E) for cooling terrestrial electronics | |
| KR20200098632A (en) | Cooling device, semiconductor manufacturing device and semiconductor manufacturing method | |
| Liu et al. | Experimental study of a novel loop heat pipe with a vapor-driven jet injector and a boiling pool | |
| Wu et al. | Experimental investigation on the start-up performance of a loop heat pipe with three flat disk evaporators combined | |
| RU2761712C2 (en) | Heat transfer device | |
| EA030562B1 (en) | Passive two-phase cooling circuit | |
| Zhou et al. | Effect of heat leakage on the operational characteristics of two-phase loop thermosyphon with a thermal insulation pipe | |
| CN110701934A (en) | Cold subassembly is led to low thermal resistance semiconductor cooler | |
| Fourgeaud et al. | Experimental investigations of a Multi-Source Loop Heat Pipe for electronics cooling | |
| WO2013022937A2 (en) | System and method for cooling photovoltaic cells | |
| Kuznetsov et al. | Comparative analysis of boiling and condensation heat transfer in upflow for freon R-21 in minichannels | |
| Patel et al. | A capillary tube pulsating heat pipe with asymmetric adiabatic channels for thermal management | |
| He et al. | Assessment of the two-phase thermosyphon loop with high filling ratio under anti-gravity | |
| CN110701935A (en) | Cold guide assembly of low-thermal-resistance Stirling refrigerator | |
| KR100518842B1 (en) | Device for prevention dewing of refrigerator | |
| Birajdar et al. | Experimental investigations of pump‐driven closed‐loop thermosyphon system | |
| CN110701932A (en) | High-energy-efficiency-ratio environmental-grade heat exchanger for closed space |