ТЕПЛОВАЯ ТРУБА ПЕРЕМЕННОЙ МОЩНОСТИ
HEAT PIPE OF VARIABLE POWER

Изобретение относится к области теплотехники.
Известно изобретение «Гравитационная тепловая труба» (см. Абросимов А.И., Гвоздик В.И., Минкин М.А. Гравитационная тепловая труба, Патент на ИЗ RU №2387937, МПК F28D 15/02, Опубл. 27.04.2010, Бюл. №12), содержащая герметичный частично заполненный жидким теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной, причем корпус в зоне испарения и в транспортной зоне или в какой-либо одной из этих зон имеет, по меньшей мере, одну вставку, выполненную в виде сильфона, соединенного цилиндрическими наконечниками с секциями корпуса, между которыми расположена вставка, сильфон заключен в эластичный металлический чулок, концы которого закреплены на указанных наконечниках, вставка снабжена также жесткой съемной обоймой для фиксации взаимного положения секций корпуса, между которыми находится вставка, выполненной с возможностью размещения вокруг указанного чулка и крепления ее к примыкающим к вставке секциям корпуса. Технический результат - конструкция трубы обеспечивает лучшую технологичность производства, транспортирования и установки ее в рабочее положение на объекте использования.
Недостатком данного изобретения является: отсутствие регулирования мощности тепловой трубы в широком диапазоне значений.
Известно изобретение «Плоская тепловая труба» (см. Кисеев В.М., Белоногов А.Г., Беляев А.А. Плоская тепловая труба, Авт. св. СССР №1377561, МПК F28D 15/02, Опубл. 29.02.1988, Бюл. №8), относящееся к теплопередающим устройствам и работающее при любой ориентации тепловой трубы в гравитационном поле. Капиллярный щелевой канал корпуса сообщен с обводным каналом, при тепло- и массепереносе через трубу в канале возникает снарядный режим течения парожидкостной среды. Снабжение конденсатом участков канала в зонах подвода тепла осуществляется из специальных каналов.
Недостатком данного изобретения является: отсутствие регулирования мощности тепловой трубы в широком диапазоне значений.
Известно изобретение «Регулируемая тепловая труба» (см. Каландаришвили А.Г., Михеев В.К. Регулируемая тепловая труба, Авт. св. СССР №1227928, МПК F28D 15/02, Опубл. 30.04.1986, Бюл. №16), содержащая корпус с зонами испарения, транспорта и конденсации, и установленную в нем с зазором заслонку, имеющую возможность осевого перемещения, причем с целью упрощения конструкции заслонка выполнена в виде поршня, а зазор - капиллярным, при этом на стенках корпуса в зоне транспорта установлены ограничители хода поршня.
Недостатками данного изобретения являются: сложность конструкции, регулирование мощности происходит при помощи поршня без возможности регулирования температуры кипения теплоносителя в зоне испарения.
Наиболее близким по технической сущности является изобретение «Электродинамическая телповая труба» (см. Шкилев В.Д. Электродинамическая тепловая труба, Авт. св. СССР №909545, МПК F03D 15/02, Опубл. 28.02.82), содержащая корпус, в виде замкнутого контура с восходящей и нисходящей ветвями, в первой из которых рамещены испаритель, ионизатор, подключенный к источнику высокого напряжения, сопло, коллектор электрических зарядов, во второй - кондесатор; причем конденсатор снабжен сборником части конденсата, сообщенным посредством диэлектрической трубки с соплом, а ионизатор установлен в выходном участке трубки, введеном вовнутрь сопла по его оси и обращенном в сторону коллектора.
Недостатком данного изобретения является: отсутствие регулирования температуры кипения теплоносителя и мощности тепловой трубы в широком диапазоне значений.
Решаемой задачей заявляемого изобретения является создание эффективной тепловой трубы с гибкой и надежной системой регулирования мощности.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в улучшении эксплуатационных характеристик тепловой трубы с возможностью изменения температуры кипения теплоносителя внутри для изменения требуемой мощности тепловой трубы.
Технический результат достигается тем, в тепловой трубе переменной мощности, содержащей корпус, область испарения, область конденсации, транспортную область, трубку для конденсата, сборник части конденсата, находится раствор, образованный растворителем и растворенным веществом и закипающий при определенной температуре внутри корпуса тепловой трубы в области испарения при определенной концентрации растворенного вещества; имеется система регулирования температуры кипения и объема раствора, применяя сборник части конденсата, соединенный с корпусом тепловой трубы при помощи трубки сбора конденсата и сливного канала, на которых установлены вентили; причем тепловая труба переменной мощности может содержать автоматическую систему регулирования температуры кипения и объема раствора в области испарения при помощи блока управления тепловой трубой, блока контроля температуры в области конденсации, блока контроля температуры области испарения, уровнемера, причем блоки контроля температур содержат термопары для измерения температуры, блок управления тепловой трубой соединен с вентилями, блоками контроля температур и уровнемером посредством каналов подачи сигналов.
Для пояснения технической сущности предлагаемого изобретения рассмотрим фиг. 1, где: 1 - область испарения, 2 - корпус тепловой трубы, 3, 14, 23, 27 - вентили, 4 - патрубок подвода раствора, 5 - транспортная область, 6 - пленка конденсата, 7 - пары, 8 - блок контроля температуры области конденсации, 9, 10 - термопары, 11 - область конденсации, 12, 15, 16, 21, 24, 25, 26 - каналы подачи сигнала, 13 - трубка сбора конденсата, 17 - уровнемер, 18 - конденсат, 19 - сборник части конденсата, 20 - блок управления тепловой трубой, 22 - канал слива конденсата, 28 - канал слива раствора, 29 - блок контроля температуры области испарения, 30, 31 - термопары, 32 - раствор.
На фиг. 1 термопары 9, 10 относятся к блоку контроля температуры 8 области конденсации, термопары 30, 31 - к блоку контроля температуры 29 области испарения. Корпус тепловой трубы 2 может быть выполнен из металлического стального сплава. В качестве кипящего теплоносителя внутри тепловой трубы используется раствор 32, который может быть образован пресной водой в качестве растворителя и солью NaCl в качестве растворенного вещества (при необходимости можно подобрать более подходящие растворители и соли). Термопара 9 находится на поверхности корпуса тепловой трубы 2 в области конденсации 11, термопара 10 - внутри для измерения текущей температуры конденсата. Термопара 30 находится на поверхности корпуса тепловой трубы 2 в области испарения 1, термопара 31 - внутри для измерения текущей температуры раствора 32. Каналы подачи сигнала 12, 15, 16, 21, 24, 25, 26 могут быть выполнены в виде металлических проводов с изоляцией снаружи. Регулирование вентилей 3, 14, 23, 27 может осуществляться вручную или автоматически, в последнем случае могут применяться специальные электродвигатели небольшой мощности (в описании и на фиг. не показаны), подключенные к блоку управления тепловой трубой (БУТТ) при помощи соответствующих каналов подачи сигнала.
Работа тепловой трубы переменной мощности:
Тепловая труба работает следующим образом. Вначале при открытом вентиле 3 по патрубку подвода раствора 4 в корпус тепловой трубы 2 подается раствор, содержащий пресную воду и соль (или несколько солей), до достаточного уровня внутри тепловой трубы, вентиль 27 - в закрытом положении. Далее вентиль 3 перекрывается. При подводе теплоты Q от источника тепла (например, горячей жидкости в качестве внешнего теплоносителя) в область испарения 1 раствор 32 может закипеть при температуре кипения при данном давлении внутри тепловой трубы. Горячие пары 7 испаряются и поднимаются вверх. Далее пары 7 охлаждаются в области конденсации 11 (с другой стороны области конденсации находится холодный теплоноситель, который необходимо нагреть, в описании и на фиг. 1 не обозначен), выделяется тепло Q'. На стенках области испарения 11 появляются капли конденсата, который затем объединяются и под влиянием силы гравитации жидкий конденсат 18 стекает вниз по внутренней стенке корпуса тепловой трубы 2, образуя пленку конденсата 6. Тем самым, в транспортной области 5 происходят два основных процесса: движение паров вверх и стекание конденсата вниз. Таким образом, происходит основная работа тепловой трубы.
При необходимости возможно изменять температуру кипения раствора 32. Для повышения температуры кипения раствора 32 необходимо перевести вентиль 14 в открытое положение, тем самым, большая часть конденсата будет стекать по трубке сбора кондесата 13 в сборник части конденсата 19, где при помощи уровнемера 17 возможно измерять текущий уровень конденсата 18. Таким образом, объем раствора 32 в области испарения 1 будет меньше, а концентрация соли (или нескольких солей при необходимости) - выше, т.е. температура кипения раствора 32 становится выше, а значит возможно снизить тепловой поток Q, отнимаемый у горячего теплоносителя.
Аналогичным образом возможно понизить температуру кипения раствора 32: вентиль 23 переводится в открытое положение, часть конденсата 18 подается из сборника части конденсата 19 в область испарения 1, в которой объем раствора 32 увеличивается, а концентрация соли (или нескольких солей при необходимости) уменьшается, понижается температура кипения раствора 32, тепловой поток Q, отнимаемый от горячего теплоносителя, повышается.
Тепловая труба может функционировать не только в ручном, но и в автоматическом режиме. В этом случае вся текущая информация попадает в БУТТ посредством каналов подачи сигналов 12, 15, 16, 21, 24, 25, 26.
БУТТ может быть выполнен в виде автоматического вычислительного блока, содержащего процессор, электропровода, блоки охлаждения и питания, необходимые устройства ввода и вывода информации, устройство хранения информации, например, в виде жесткого диска или флеш-карты и т.п.(в описании и на фиг. 1 не приведены).
БУТТ выдает команды на регулирование концентрации раствора 32 и температуры кипения в области испарения 1 в соответствии с заложенными алгоритмами и необходимой требуемой мощностью тепловой трубы. Например, для повышения температуры кипения раствора 32 и снижения мощности тепловой трубы БУТТ по каналу подачи сигнала 15 выдает команду вентилю 14 на открытие трубки сбора конденсата 13, по которой конденсат будет подаваться в сборник части конденсата 19. Получение сигнала от уровнемера 17 по каналу подачи сигнала 16 позволит БУТТ скорретировать объем конденсата 18, переведя на время вентиль 14 в закрытое положение. При закрытом вентиле 23 конденсат не сможет попасть обратно внутрь корпуса тепловой трубы 2, а значит концентрация соли в области испарения 1 возрастет, что повлечет за собой повышение температуры кипения и снижение теплового потока Q. Блок контроля температуры области конденсации 8 и блок контроля температуры области испарения 29 при помощи соответствующих термопар 9, 10, 30, 31 производят замеры температур и посылают сигналы в БУТТ. При необходимости слива раствора 32 БУТТ подает команду через канал подачи сигнала 26 на открытие вентиля 27, раствор 32 покидает корпус тепловой трубы 2. Аналогичным образом при подаче сигнала от БУТТ посредством канала подачи сигнала 21 вентиль 3 переходит в открытое положение и при разности давлений свежая порция раствора 32 поступает внутрь корпуса тепловой трубы 2 в область испарения 1.
Известно, что тепловой поток Q может быть вычислен по формуле теплообмена (см. Савин И.К. Теоретические основы теплотехники (Краткий курс). Ч.П. Теплопередача: Учеб. пособие / И.К. Савин. - Петрозаводск: Изд-во Петр-ГУ, 2008. - 172 с.):
2
2
где F - площать теплосъема, м; α - коэффициент теплоотдачи, [Вт/м⋅К]; Δt - разность температур, [°С], в случае развитового пузырькового кипения:
w
s
t - температура стенки, t - температура насыщения жидкости.
Если жидкостью является пресная вода, то коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении при данном давлении р [бар] можно подсчитать по формуле (см. Болгарский А.В., Голдобеев В.И., Идиатуллин Н.С., Толкачев Д.Ф., Сборник задач по термодинамике и теплопередаче. Учебн. пособие для авиационных вузов. - М.: Высшая школа, 1972. - С. 214.):
s
При увеличении объема конденсата 18 в сборнике части конденсата 19 снижается объем раствора 32 в области испарения 1, тем самым, уменьшается площадь контакта жидкого раствора 32 со стенками корпуса тепловой трубы 2, т.е. площадь F становится меньше; увеличивается концентрация соли (соль не содержится в конденсате), что ведет к увеличению температуры кипения, т.е. температуры максимального насыщения раствора t, что приводит к снижению разности температур Δt, исходя из этого по формулам (1), (3) снижается тепловой поток Q (при неизменном давлении р), а значит и общая мощность тепловой трубы.
Достоинства данного устройства:
1) Отсутствие дополнительных движущихся элементов в виде поршней и т.п., что повышает надежность;
2) Гибкая система регулирования температуры кипения раствора и общей мощности тепловой трубы;
3) Нет необходимости изменения температуры кипения раствора путем изменения давления внутри тепловой трубы, т.е. данное техническое устройство более просто в изготовлении и эксплуатации;
4) Тепловая труба может функционировать в ручном и автоматическом режимах.
Данное техническое устройство может эффективно применяться, например, когда необходимо поддерживать температуру нагрева второго теплоносителя, контактирующего со стенками тепловой трубы со стороны области конденсации, на определенном уровне при изменении температуры первого горячего теплоносителя.
Таким образом, новая тепловая труба переменной мощности является надежным и простым устройством передачи тепла между теплоносителями с разной температурой и может применяться в промышленности и в быту в качестве теплообменного аппарата.