ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
HEAT STORAGE DEVICE

Изобретение относится к области теплотехники, более конкретно к теплоаккумулирующим устройствам, использующим скрытую теплоту фазовых переходов рабочего вещества для обеспечения комфортных условий дыхания при использовании изолирующих дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде путем охлаждения вдыхаемого воздуха, а также для достижения требуемого теплового режима источников энергии (ИЭ) при их циклической работе, в качестве их защиты от кратковременных воздействий внешних тепловых потоков.
Теплоаккумулирующие устройства обеспечивают тепловой режим радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Для аккумулирования тепла в них наряду с теплоемкостью конструкции корпуса устройства используются обратимые эндотермические процессы плавления рабочих веществ, сопровождающиеся дополнительным поглощением тепла при фазовых превращениях этих веществ из твердого в жидкое состояние после достижения ими температуры фазового перехода. Такие устройства, как правило, представляют собой тонкостенные металлические емкости конечных геометрических размеров с гладкой или оперенной поверхностью, герметичный объем которых заполняется плавящимся рабочим веществом (1. В.А. Алексеев. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. Под ред. А.В. Ревякина, М.: Энергия, 1975. с. 6, 2. С.П. Нечепаев, В.В. Бучок. Разработка конструкции малогабаритного блока РЭА и системы его охлаждения на основе плавящегося вещества. - Ж. Вопросы радиоэлектроники. Серия: Общие вопросы радиоэлектроники (Тепловые режимы, термостатирование и охлаждение радиоэлектронной аппаратуры), выпуск 12, 1987. с. 20-25, 3. И.А. Зеленев, А.Ф. Клишин, В.М. Ковтуненко, А.Ф. Шабарчин. Методы обеспечения теплового режима автоматических межпланетных станций «Венера» в атмосфере планеты. - Ж. Космические исследования, Т.XXVI, выпуск 1, М.: Наука, 1988, с. 33-36.
После окончания работы РЭА или прекращения воздействия пиковых внешних тепловых потоков происходит остывание рабочего вещества и его затвердевание вследствие теплообмена с окружающей средой. Время между повторными включениями РЭА должно быть таким, чтобы рабочее вещество успело полностью затвердеть к началу следующего цикла включения аппаратуры. Плавящееся рабочее вещество в устройстве располагается в емкостях или полостях, которые должны быть герметичными для предотвращения выливания из них расплавленной массы рабочего вещества. Обычно емкость выполняется из металлического корпуса с высокой теплопроводностью (чаще из алюминиевых сплавов), а ИЭ или весь блок с РЭА размещаются снаружи или внутри емкости.
Применительно к использованию в аппаратах для защиты органов дыхания для снижения температуры газовоздушной среды на вдохе из-за ее нагрева при химическом поглощении диоксида углерода и влаги химическим поглотителем из выдыхаемого воздуха, возможны следующие варианты работы устройства:
- охлаждение воздуха в режиме рекуперативного теплообменника, при котором выдыхаемый пользователем воздух охлаждает плавящееся рабочее тело ниже температуры затвердевания и при вдохе охлажденное рабочее тело снижает температуру от регенерированного воздуха до комфортного уровня:
- второй вариант предусматривает охлаждение газовоздушной среды на вдохе исключительно за счет тепла фазового перехода, так как теплосодержание хотя и нагретой, но обезвоженной газовоздушной среды вполне укладывается в весовые характеристики аппарата.
Известна конструкция теплоаккумулирующего устройства, герметичный корпус которого выполнен в виде радиатора из алюминиевого сплава, наполненного плавящимся рабочим веществом (в данном случае парафином). В.А. Алексеев. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. Под ред. А.В. Ревякина, М.: Энергия, 1975, стр. 71-72.
С помощью такой конструкции осуществляется отвод тепла от полупроводниковых приборов.
Известна конструкция теплоаккумулирующего устройства на основе фазопереходного рабочего вещества, представляющая собой корпус с заполненной натрием емкостью, разделенной на несколько герметичных отсеков с плоским основанием, служащим теплоприемником при работе электронного блока, размещенного на нем с хорошим тепловым контактом (США, патент №3328642, кл. 361/705, 1964 г.).
Основными недостатками вышеперечисленных конструкций являются:
- необходимость герметизации и, как следствие, сложная технология изготовления такого рода теплоаккумулирующих устройств, что приводит к ухудшению массогабаритных характеристик аппаратуры, работающей в пиковых режимах включения, и снижению надежности;
- наличие газовых областей во внутренних полостях конструкции, ухудшающих теплообмен.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является тепло-аккумулирующее устройство (пат. РФ №2306494, МПК F24H 7/00, опубл. 20.09.2007) на основе фазопереходного рабочего вещества, для обеспечения требуемого теплового режима источников энергии при их циклической работе, а также в качестве их защиты от кратковременных воздействий внешних тепловых потоков. Устройство содержит корпус, имеющий полости, заполненные теплоаккумулирующим фазопереходным рабочим веществом, в качестве рабочего вещества использована композиция формоустойчивого материала, у которого фазопереходное вещество не вытекает из объема этого материала после расплавления и пребывания в жидком состоянии в процессе перегрева.
Основными недостатками вышеперечисленных конструкций являются:
- необходимость герметизации и, как следствие, сложная технология изготовления такого рода теплоаккумулирующих устройств, что приводит к ухудшению массогабаритных характеристик аппаратуры, работающей в пиковых режимах включения, и снижению надежности.
Задачами изобретения являются уменьшение массы теплоаккумулирующего устройства, упрощение технологии его изготовления, улучшение теплообмена, обеспечение стабильной работы устройства за счет отказа от герметизации корпуса.
Техническими результатами настоящего изобретения являются
- улучшение массогабаритных характеристик, что особенно актуально для бортовой аппаратуры;
- сохранение постоянной величины энтальпии от цикла к циклу;
- повышение надежности.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в тепло-аккумулирующем устройстве, содержащем корпус, имеющий одну или несколько полостей, заполненных теплоаккумулирующим фазопереходным рабочим веществом, фазопереходное рабочее вещество выполнено в виде гидрофобных гранул, содержащих углеродный наноматериал (УНМ) и магнитный дисперсный материал, заключенные в герметичную пленочную оболочку, заполненную гидрофильной жидкостью, сообщающуюся с охлаждаемой средой.
16
36
20
42
Гранулы могут содержать смесь из низкоплавких парафинов из ряда СН-СН с температурой плавления 16,7-36,7°С.
УНМ могут быть выполнены в виде углеродных нанотрубок «Таунит».
Магнитным материалом может служить оксид никеля, заключенный в УНМ в процессе каталитического синтеза УНМ.
В состав гранул может быть также введен дисперсный магнитный порошок из ферромагнетиков, предпочтительно магнетита.
В качестве гидрофильной жидкости могут использоваться гидрогели.
Корпус может быть выполнен из немагнитного материала и содержать снабженный устройством для изменения полярности электромагнит, либо постоянный магнит, установленный с возможностью изменения пространственного положения.
Выполнение фазопереходного рабочего вещества выполнено в виде гидрофобных гранул, содержащих углеродный наноматериал и магнитный дисперсный материал, заключенные в герметичную пленочную оболочку, заполненную гидрофильной жидкостью, сообщающуюся с охлаждаемой средой обеспечивают изменение спина гранул при поглощении тепла, что обеспечивает увеличение скорости теплопереноса выше скорости переноса за счет теплопроводности под действием только градиента тепла.
16
36
20
42
Выполнение гранул содержащими смесь из низкоплавких парафинов из ряда СН-СН с температурой плавления 16,7-36,7°С обеспечивают достижение заданной температуры плавления эвтектики путем подбора двух или более марок парафина.
Использование УНМ в виде углеродных нанотрубок «Таунит» обеспечивает фиксацию температуры плавления смеси, повышение ее теплопроводности и поддержание формы гранул при их разогреве.
Использование в качестве магнитного материала металлоксидного катализатора синтеза УНТ в виде оксида никеля, заключенного в УНТ в процессе каталитического синтеза обеспечивает упрощение технологии изготовления УНТ.
Введение в состав гранул дисперсного магнитного порошка из ферромагнетиков, предпочтительно магнетита, либо железного порошка обеспечивает применения других модификаций УНТ «Таунит» со слабыми магнитными свойствами металлоксидного катализатора, либо вообще без катализатора.
Использование в качестве гидрофильной жидкости гидрогелей обеспечивает возможность изменения спина (разворота) гранул под действием магнитных сил. При этом с охлаждаемой средой будут взаимодействовать разогретые стороны гранул, что увеличивает скорость переноса тепла, создавая при этом дополнительный эффект, заключающийся в возможности уменьшения массы рабочего тела.
Выполнение корпуса из немагнитного материала и снабжение его устройством для изменения полярности электромагнита, либо постоянного магнита, установленного с возможностью изменения пространственного положения, позволяет управлять положением гранул при работе устройства.
Таким образом, обеспечивается стабильная работа теплоаккумулирующего устройства.
Примеры выполнения предлагаемого устройства иллюстрируются чертежами, представленными на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 показан общий вид теплоаккумулирующего устройства при начальном положении теплопоглощающих гранул.
На фиг. 2 показано то же, что на фиг. 1, при развороте гранул на 180 градусов.
Перечень позиций:
1. корпус;
2. вход линии подачи охлаждаемой среды;
3. выход линии подачи охлаждаемой среды;
4. вход охлаждающей среды;
5. выход охлаждающей среды;
6. оболочка;
7. гранула;
8. гидрогель;
9. магнитопровод;
10. катушка электромагнита.
16
36
20
42
Устройство содержит корпус 1, выполненный из немагнитного материала (аустенитная сталь, алюминий) либо пластмассы (полипропилен, поликарбонат и др. Корпус 1 снабжен патрубками: вход линии подачи охлаждаемой среды 2, выход линии подачи охлаждаемой среды 3, вход охлаждающей среды 4 и выход охлаждающей среды 5. В полости корпуса 1 помещена оболочка 6, выполненная из полиэтиленовой, фторопластовой либо полиимидной пленки (определяется характеристиками охлаждаемой среды). В оболочку 6 помещены гранулы 7 из смеси низкоплавких парафинов из ряда СН-СН с температурой плавления 16,7-36,7°С, модифицированной углеродными нанотрубками «Таунит» с магнитным материалом в виде оксида никеля, заключенного в УНТ в процессе каталитического синтеза. В состав гранул может быть введен дисперсный магнитный порошок из ферромагнетиков, предпочтительно магнетита. Пространство между гранулами 7 в оболочке 6 заполнено гидрогелем 8 производства ф. «Гельтек» в виде «Ультрагеля» высокой, средней и пониженной вязкости (бесцветный), предназначенного для ультразвуковых исследований, допплерографии и терапии. На внешней поверхности корпуса 1 закреплен магнитопровод 9, соединенный с катушкой электромагнита 10, соединенного с блоком питания (не показан). Вместо электромагнита может использоваться компактный постоянный магнит, предпочтительно ниобиевый, но его применение требует дополнительного устройства для изменения полярности путем его разворота.
Устройство работает следующим образом.
В качестве примера ниже описан рекуперативный режим работы устройства при использовании в средствах защиты органов дыхания. Выдыхаемый воздух через вход линии подачи охлаждаемой среды 2 поступает в корпус 1 Корпус и расположенный в нем оболочка 6 принимают температуру, близкую к температуре пользователя - около 37°С. Эту температуру принимает и прилегающий к оболочке 6 слой гранул 7 и гидрогель 8. Далее поток газовоздушной смеси через выход линии подачи охлаждаемой среды 3 поступает на химическую регенерацию, в процессе которой он очищается от диоксида углерода и воды и при этом разогревается до температуры выше 60°С. При вдохе газовоздушная смесь через патрубок 3 вновь поступает в полость аппарата 1, в которой отдает избыток тепла через оболочку 6 слою гранул 7 и гидрогелю 8 и охлажденная до комфортной температуры порядка 40-45°С поступает на вдох пользователя. Так как система работает с накоплением тепла, происходит постепенное повышение температуры вдыхаемой газовоздушной смеси. Для снижения температуры на вдохе включается питание катушки электромагнита 10, магнитное поле через магнитопровод 9 воздействует на гранулы 7, которые при взаимодействии с магнитным материалом гранул разворачиваются вокруг своей оси, как показано на фиг. 2. Процесс охлаждения газовоздушной среды повторяется как описано выше, но уже с одновременным отводом тепла через заднюю стенку оболочки 6 за счет охлаждения хладагентом (например, выдыхаемым воздухом) проходящим через патрубки вход охлаждающей среды 4 и выход охлаждающей среды 5. Частота переключений катушки электромагнита 10 зависит от степени нагрузки пользователя и времени защитного действия.
Применительно к блоку РЭА, разогреваемого за счет тепла, получаемого от ИЭ. При разогреве гранул до температуры плавления также меняется полярность катушки электромагнита и процесс охлаждения ведется аналогично вышеописанному. При выключении ИЭ происходит остывание гранул 7 и их затвердевание за счет передачи теплоты от ИЭ и корпуса в окружающую среду за более длительный период времени. При этом выделяется количество теплоты, поглощенное теплоаккумулирующим устройством в период работы ИЭ.
Изобретение обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик, сохранение постоянной величины энтальпии от цикла к циклу; повышение надежности работы устройства.