БЕСШУМНАЯ ТЕПЛОТРУБНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ
NOISELESS HEAT-PIPE COOLING SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к теплотехнике, а именно, к теплообменной аппаратуре и может быть использовано для охлаждения различных тепловыделяющих устройств путем испарения рабочей жидкости и конденсации полученного пара без использования внешнего хладоагента.
Известно охладительное устройство, содержащее замкнутый циркуляционный контур с испарителем, в котором размещен охлаждаемый объект, выполненный в форме змеевика с охлаждаемой жидкостью, и конденсатором, соединенными соответственно паропроводом и конденсатопроводом [А.с. СССР №941834, МПК F28D 15/00, 1982].
Недостатком известного охладительного устройства является выполнение испарителя и конденсатора в виде кожухотрубчатых теплообменников, что ограничивает их удельную тепловую эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является кольцевая тепловая трубка с плоским испарителем, содержащим фитиль во внутренней камере, включающая испарительную секцию, состоящую из источника тепла и закрытого контейнера (корпуса), в котором внутренняя поверхность днища покрыта капиллярной структурой (фитилем) и конденсационную секцию, которые снабжены паровыми и жидкостными патрубками, соединенными между собой транспортной секцией, состоящей из полых трубок - паропроводов и конденсатопроводов [Patent US №8016024 B2, IC1 F28D 15/00, 2011].
Основными недостатками известного устройства являются ограниченная площадь наружной поверхности теплообмена корпуса испарителя, сложная конструкция его внутренней камеры и испарительной поверхности, что увеличивает его гидравлическое сопротивление, снижая эффективность теплообмена с источником тепла, необходимость расположения конденсатора выше отметки расположения испарителя, для обеспечения самотечного движения рабочей жидкости в испаритель и потребность для конденсации полученного пара рабочей жидкости в конденсационной секции значительного количества охлаждающего агента, что требует наличия в системе охлаждения механизма для его подачи и перемещения, например, вентилятора для подачи наружного воздуха, является причиной постоянного шума и снижает экологическую и экономическую эффективность устройства.
Техническим результатом, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, является упрощение конструкции, повышение надежности и эффективности работы бесшумной теплотрубной системы охлаждения.
Технический результат достигается в бесшумной теплотрубной системе охлаждения, которая включает в себя источник тепла, размещенный против его теплотрубный испаритель, капиллярный теплотрубный конденсатор-охладитель, соединенные между собой паропроводами, представляющими собой полые трубопроводы и конденсатопроводами, представляющими собой трубопроводы, заполненные пористым материалом (фитилем), причем теплотрубный испаритель содержит плоский прямоугольный корпус, снабженный в его верхнем и нижнем торцах, патрубками входа конденсата и выхода пара, наружная поверхность боковых граней которого, напротив источника тепла покрыта зигзагообразными ребрами, а внутренняя поверхность покрыта решеткой из пористого материала, соединенной своими концами с фитилем-коллектором, примыкающим к внутренней поверхности его боковых и нижнего торцов, который через патрубок входа конденсата соединен с транспортным фитилем, размещенным в конденсатопроводе, а капиллярный теплотрубный конденсатор-охладитель представляет собой плоский прямоугольный корпус с продольными вертикальными сквозными воздушными щелями, снабженный, размещенными в его противоположных торцах, патрубками входа пара и выхода конденсата, разделенный внутри вертикальной перегородкой с вертикальными щелями, примыкающей к торцевым перегородкам воздушных щелей, на паровой коллектор и рабочую камеру, внутренняя поверхность нижней стенки корпуса теплотрубного конденсатора-охладителя покрыта слоем фитиля, на котором в рабочей камере в полостях между боковыми вертикальными стенками двух смежных воздушных щелей размещены секции конденсации и охлаждения, каждая из которых состоит из двух вертикальных перегородок, между которыми устроен вертикальный распределительный паровой канал, сообщающийся с паровым коллектором через вертикальную щель, а между боковыми вертикальными стенками двух смежных воздушных щелей и вышеупомянутыми двумя вертикальными перегородками расположены вертикальные камеры остаточной конденсации, каждая вертикальная перегородка представляет собой несколько вертикальных перфорированных пластин, размещенных с зазором между собой, покрытых слоем гидрофильного материала или изготовленных из него, отверстия в которых выполнены в виде горизонтальных конических капилляров, расположенных таким образом, что малые отверстия конических капилляров предыдущей пластины располагаются против больших отверстий конических капилляров последующей пластины, при этом в полость каждой паровой камеры пластины вертикальных перегородок обращены большими отверстиями конических капилляров, а в полость каждой камеры остаточной конденсации, наоборот, пластины вертикальных перегородок обращены малыми отверстиями конических капилляров, внутренняя поверхность боковых вертикальных стенок вертикальных камер полной конденсации покрыта решеткой из пористого материала, причем все прокладки пористого гидрофильного материала и решетки из пористого материала соединены со слоем фитиля, который, в свою очередь, через патрубок выхода конденсата соединен с транспортным фитилем конденсатопровода.
На фиг.1-10 представлена предлагаемая бесшумная теплотрубная система охлаждения (БСТТСО) (на фиг.1 - принципиальная схема БСТТСО, на фиг.2, 3 - теплотрубный испаритель, на фиг.4-10 - общий вид, разрезы и узлы капиллярного теплотрубного конденсатора).
Бесшумная теплотрубная система охлаждения (БСТТСО) состоит из теплотрубных испарителей И, установленных у источников тепловыделения (на фиг.1-10 не показаны), и капиллярного теплотрубного конденсатора К, соединенных между собой паропроводами П, представляющими собой полые трубопроводы и конденсатопроводами Ж, представляющими собой трубопроводы, заполненные пористым материалом - транспортным фитилем ТФ. Каждый теплотрубный испаритель И содержит плоский прямоугольный корпус 1и, снабженный, размещенными в его верхнем и нижнем торцах, патрубками входа конденсата 2и и выхода пара 3и, наружная поверхность боковых граней которого, параллельных источнику тепла (на фиг.1-10 не показан) покрыта зигзагообразными ребрами 4и, а внутренняя поверхность покрыта решеткой из пористого материала 5и, соединенной своими концами сбоку и снизу с фитилем-коллектором 6и, примыкающим, к внутренней поверхности боковых и нижнего торцов, который через патрубок входа конденсата 2и соединен с транспортным фитилем ТФ, размещенным в конденсатопроводе Ж. Капиллярный теплотрубный конденсатор К представляет собой плоский прямоугольный корпус 1к с продольными вертикальными сквозными воздушными щелями 2к, снабженный, размещенными в его противоположных торцах, патрубками входа пара 3к и выхода конденсата 4к, разделенный внутри вертикальной перегородкой 5к с вертикальными щелями 6к, примыкающей к торцам воздушных щелей 2к, на паровой коллектор 7к и рабочий блок 8к. Внутренняя поверхность нижней стенки корпуса 1 к покрыта слоем пористого материала, образующего фитиль-коллектор 9к, на котором в рабочем блоке 8к в полостях между боковыми вертикальными стенками двух смежных воздушных щелей 2к размещены секции конденсации 10к, каждая из которых состоит из двух конденсационных элементов 11к, представляющих собой вертикальные перегородки, между которыми устроен вертикальный распределительный паровой канал 12к, сообщающийся с паровым коллектором 7к через вертикальную щель 6к, а между боковыми вертикальными стенками двух смежных воздушных щелей 2к и вышеупомянутыми двумя конденсационными элементами 11к расположены вертикальные камеры остаточной конденсации 13к, при этом каждый конденсационный элемент 11к представляет собой несколько вертикальных перфорированных пластин 14к, размещенных с зазорам между собой, в которые помещены прокладки из пористого гидрофильного материала 15к, которыми также покрыта поверхность крайних вертикальных перфорированных пластин 14к, примыкающих к вертикальным камерам остаточной конденсации 13к, отверстия в вертикальных перфорированных пластинах 14к выполнены в виде горизонтальных конических капилляров 16к и размещены таким образом, что малые отверстия конических капилляров 16к предыдущей пластины 14к располагаются против больших отверстий конических капилляров 16к последующей пластины 14к, при этом в полость каждого вертикального распределительного парового канала 12к пластины 14к конденсационных элементов 11к обращены большими отверстиями конических капилляров 16к, а в полость каждой камеры остаточной конденсации 13к, наоборот, пластины 14к конденсационных элементов 11к обращены малыми отверстиями конических капилляров 16к, внутренняя поверхность боковых вертикальных стенок вертикальных камер полной конденсации 13к покрыта решеткой из пористого материала 17к, причем все прокладки пористого гидрофильного материала 15к и решетки из пористого материала 17к соединены со слоем фитиля 9к, который, в свою очередь, через патрубок выхода конденсата 4к соединен с транспортным фитилем ТФ конденсатопровода Ж.
В основу работы предлагаемой БССТСО положены особенности движения жидкости (пара) в конических капиллярах, а именно: движение осуществляется от большего сечения к меньшему, при этом в широкой части капилляра происходит испарение жидкости, в узкой части капилляра - конденсация пара, свойство жидкости создавать в капиллярах капиллярное давление, которое позволяет транспортировать жидкости фитилем из зоны повышенного давления в зону пониженного давления и высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, покрытых изнутри фитилем [Лыков А.В. Тепломассообмен: (Справочник). 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978, с.365, 366; А.с. СССР №№1537979, Мкл. F25B 1/06, 1990; В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с.146; Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М.: 1990, с.106].
1
r1
r1
r2
БСТТСО работает следующим образом (в качестве примера объекта охлаждения принят компьютер). Предварительно радиаторы И устанавливают у источников интенсивного тепловыделения (центрального и графического процессоров, видеокарт и пр.), капиллярный теплотрубный конденсатор встраивают в верхнюю крышку футляра компьютера (на фиг.1-10 не показан), патрубки после чего патрубки входа пара 3к и выхода конденсата 4к, входа пара 3к и выхода конденсата 4к радиаторов И и соединяют паропроводами П и конденсатопроводами Ж, выполненными из гибких трубок. Далее система заполняется теплоносителем (рабочей жидкостью), тип которого выбирают в зависимости от интенсивности тепловыделения в компьютере, средней температуры наружной среды и допустимых температур оборудования компьютера. При этом контур БСТТСО заполняется таким образом, чтобы рабочей жидкостью были заполнены поры пористого материала решеток 5 и, фитилей-коллекторов 6и радиаторов И, фитилей-коллекторов 9к, пористого материала прокладок 15к, решеток 17к капиллярного теплотрубного конденсатора К и транспортного фитиля ТФ. БСТТСО включается в работу автоматически после начала работы компьютера, как только начинает выделяться тепло Q от источников тепловыделения. Выделяющееся тепло воспринимается за счет конвекции наружной поверхностью боковых граней с зигзагообразными ребрами 4и, наличие которых увеличивает теплообменную поверхность теплотрубного испарителя И и нагревает его боковые стенки, внутренняя поверхность которых покрыта решеткой из пористого материала 5и. По мере нагрева боковой поверхности испарителя И теплом Q рабочая жидкость, находящаяся в порах решетки 5и, нагревается и поступает в ячейки между полосами пористого материала, где происходит ее испарение (полосы пористого материала решетки 5и предотвращают образование паровой пленки на внутренней поверхности испарителя И и, таким образом, интенсифицируют процесс испарения), образуется пар, создается давление Р, величина которого определяется свойствами рабочей жидкости и интенсивности тепловыделения. Полученный пар через патрубок выхода пара 3и удаляется из испарителя И и по паропроводу П через патрубок 3к попадает в паровой коллектор 7к капиллярного теплотрубного конденсатора К, из которого через вертикальные щели 6к и вертикальные распределительные паровые каналы 12к поступает в секции конденсации 10к рабочего блока 8к. Из вертикальных распределительных паровых каналов 12к пар поступает в большие отверстия конических капилляров 16к первых пластин 14к конденсационных элементов 11к секций конденсации 10к, в которых под действием капиллярных сил перемещается к их малым отверстиям, где происходит его частичная конденсация с выделением тепла конденсации Q. Мениски образовавшейся жидкости в капиллярах 16к соприкасаются с гидрофильным пористым материалом прокладки 15к, распределяются по его порам, также благодаря капиллярным силам, откуда попадают в большие отверстия капилляров 16к следующих пластин 14к, куда также поступает несконденсировавшийся пар из предыдущих пластин 14к. В больших отверстиях конических капилляров 16к происходит частичное испарение образовавшейся жидкости в конических капиллярах 16к предыдущих пластин 14к, на которое используется тепло конденсации Q предыдущей пластины 14к и тепло самого пара, парожидкостная смесь под действием капиллярных сил перемещается к малым отверстиям конических капилляров 16к, где также происходит частичная конденсация меньшего количества пара с выделением уже меньшего количества тепла Q. Образовавшееся жидкость, как и в первой пластине 16к распределяется в порах прокладки из гидрофильного материала 15к следующих пластин 14к, смешивается с несконденсировавшимся паром, поступающим из конических капилляров 16к предыдущих пластин 14к и процесс повторяется аналогично вышеописанному во всех последующих пластинах 14к. При этом, по мере перемещения парожидкостной смеси в конденсационном элементе 11 к от одной пластины 14к к другой, влагосодержание ее увеличивается за счет уноса части конденсата с паром, а другая часть полученного конденсата остается в пористом материале прокладок 15к. Несконденсировавшийся пар из конических капилляров 16к последней пластины 14к конденсационного элемента 11к попадает в вертикальную камеру остаточной конденсации 13к, в которой происходит окончательная конденсация пара на внутренней поверхности боковых вертикальных стенок воздушных щелей 2к за счет его охлаждения через стенку потоком воздуха, проходящим через щели 2к, и поглощение полученного конденсата пористым материалом решетки 17к. Образовавшийся конденсат из прокладок 15к и решеток 17к под действием капиллярных сил поступает в фитиль-коллектор 9к, откуда удаляется из конденсатора К через патрубок 4к по конденсатопроводу Ж, заполненному транспортным фитилем ТФ, и через патрубок 3и поступает в фитиль-коллектор 6и испарителя И, в котором происходит вышеописанный процесс приема тепла от источника тепловыделения.
Узловым аппаратом, обеспечивающим эффективную работу БСТТСО является капиллярный теплотрубный конденсатор К. Количество пластин 14к в одном конденсационном элементе 11к принимают таким, чтобы обеспечить конденсацию большей части пара, поступившего в конические капилляры 16к первых по его ходу пластин 14к. Ширина зазора между пластинами 14к и материал прокладки 15к зависят от свойств рабочей жидкости и определяются опытным путем.
ri
Количество конденсата, транспортируемого с паром по коническим капиллярам 16к пластин 14к в секциях конденсации 10к капиллярного теплотрубного конденсатора К увеличивается по мере перемещения от одной пластины 14к к другой, а количество пара, соответственно, уменьшается. Аналогично этому количество тепла конденсации Q также уменьшается по мере перемещения парожидкостной смеси от одной пластины 14к к другой, так как энергия большей части этого тепла тратится на распределение жидкости в порах гидрофильной прокладки 15к, пластин 14к, аналогичное образованию ее свободной поверхности, капиллярных сил, взаимное фазовое превращение и преодоление сил трения при перемещении парожидкостной смеси по капиллярам 16к, в связи с чем предлагаемая конструкция капиллярного конденсатора позволяет проводить процесс конденсации большей части пара без использования внешнего хладоагента. Для конденсации остаточного несконденсировавшегося пара в камерах остаточной конденсации 13 к на выходе из конденсационных элементов 11 к достаточно воздуха перемещающегося за счет свободной конвекции через воздушные щели 2к капиллярного теплотрубного конденсатора К.
При этом в предлагаемой БСТТСО функцию насоса выполняют фитили-коллекторы 6и, 9к и транспортный фитиль ТФ, а функцию компрессора и дросселя - капиллярный теплотрубный конденсатор К
Таким образом предлагаемая БСТТСО без вентилятора, компрессора, насоса и дросселя позволяет проводить процесс охлаждения, например, источников тепловыделения в компьютере, без затраты электроэнергии и бесшумно, что обеспечивает эффективную, комфортную и надежную работу его тепловыделяющего оборудования.