ЭФФЕКТИВНЫЙ КОНДЕНСАТОР ПАРА ДЛЯ УСЛОВИЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ
EFFICIENT VAPOUR CONDENSER FOR MICROGRAVITY CONDITIONS

Изобретение относится к области мини- и микросистем, которые используются в энергетике и на транспорте и могут применятся в устройствах для охлаждения электроники. В последние десятилетия существенное развитие получило использование двухфазных потоков для охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов, таких как компьютерные чипы, силовая электроника (транзисторы, тиристоры), чипы конверторов и инверторов в гибридных автомобилях, мощные лазеры, светодиоды, электроприводы на летательных аппаратах и др. Двухфазные системы и двухфазные потоки используются для управления температурными режимами в аэрокосмической индустрии, в микроэлектромеханических и других микроустройствах, подверженных высоким тепловым нагрузкам. Примерами таких однокомпонентных двухфазных систем являются тепловые трубы и контурные тепловые трубы, где жидкость движется за счет капиллярного давления, создаваемого капиллярными структурами или просто канавками. Основными составными частями таких двухфазных систем являются испаритель, конденсатор пара и капиллярная структура.
Ведутся исследования различных систем, использующих механические насосы для перекачки сред, в которых для охлаждения электронных компонентов используется вынужденное кипение теплоносителя или испарение пленки жидкости, увлекаемой потоком газа в микро- и миниканалах. Изучаются системы охлаждения с орошением электронных компонент потоком микрокапель (спрей) или микроструй. Во всех случаях жидкость движется вдоль электронных компонент, испаряется и отводит тепло, превращаясь в пар.
Данный патент будет касаться случая однокомпонентных двухфазных систем, когда инертный, т.е. неконденсирующийся, газ в системе не используется. В ряде случаев такие системы имеют преимущества вследствие технического упрощения конденсационной системы (не нужен сепаратор газ-жидкость). Кроме того, известно, что присутствие неконденсирующегося газа существенно снижает интенсивность теплообмена при конденсации, на порядок, но действие газа снижается с ростом скорости парогазовой смеси. Это связано с формированием диффузионного сопротивления вблизи поверхности конденсации. Другим примером однокомпонентных двухфазных систем является компрессионный холодильный цикл. Для работы в замкнутом цикле образующийся в процессе испарения пар необходимо сконденсировать, а жидкость необходимо снова направить в испаритель для охлаждения. В большинстве случаев конденсаторы охлаждают водой (используется конструкция типа «труба в трубе») или за счет обдува воздухом. Для космических приложений трубка конденсатора монтируется на радиаторе (пластине из металла или композитных материалов). Радиатор сбрасывает тепло посредством излучения в открытый космос и обеспечивает охлаждение конденсатора. Наиболее распространенным и эффективным способом интенсификации теплообмена при внутритрубной конденсации пара является использование продольных ребер различной формы.
2,
2
2
Необходимо отметить, что в последние десятилетия имеется существенный прогресс в методах интенсификации теплообмена при кипении и испарении. В результате в испарителях при охлаждении электронных компонентов отводятся плотности теплового потока до 1-2 кВт/см при этом коэффициенты теплоотдачи могут достигать значений до 100-300 кВт/Км. В то же время в методах интенсификации теплообмена при конденсации пара достигнут существенно меньший прогресс. Например, при внутритрубной конденсации с интенсификаторами в виде продольных ребер средние коэффициенты теплоотдачи могут достигать значений порядка 10 кВт/Км, т.е. примерно на порядок меньше. Как следствие, конденсатор пара является наиболее крупной частью мини- и микросистем и может на порядок, а в некоторых случаях на два порядка (воздушное охлаждение, влияние неконденсирующихся примесей), превосходить испарительную часть по массе и габаритам.
Известен способ, описанный в статье (Kabov О.Α., Kuznetsov V.V., and Legros J-C., Heat transfer and film dynamic in shear-driven liquid film cooling system of microelectronic equipment, Second Int. Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, June 17-19, 2004, Rochester, NY, ASME, New York, pp. 687-694 (2004)), при котором охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости. Тонкая пленка диэлектрической жидкости FC-72 движется со спутным потоком газа (азота) или собственного пара в микроканале с электронными тепловыщеляющими элементами.
Основным недостатком данного технического решения является низкая интенсивность теплообмена.
Наиболее близкое техническое решение, которое можно рассматривать как прототип, описано в ряде статей (Kabov О.А., Marchuk I.V. and Legros J-C., Conjugated heat transfer at flow condensation in minichannel with longitudinal fins, Second Int. Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, June 17-19, 2004, Rochester, N.Y., ASME, New York, pp. 641-648 (2004)) и широко используется рядом промышленных компаний (Euro Heat Pape S.A.), при котором конденсация происходит в цилиндрическом охлаждаемом конденсаторе (внутритрубный конденсатор) с продольными ребрами различной формы и размера. Ребра располагаются равномерно по периметру. Характерная высота и шаг ребер составляет от 0.2 до 2 мм и зависит от конкретных приложений. Высота ребер, как правило, намного меньше радиуса трубы. Ребра существенно увеличивают поверхность конденсации, а также способствуют неоднородному распределению жидкости по периметру трубы в том числе и за счет действия капиллярных сил. Конденсаторы такого типа используются как в земных условиях, так и в условиях микрогравитации (тепловые трубы, контурные тепловые трубы).
Недостатки описанной выше конструкции:
1. Интенсивность конденсации вдоль трубки очень неоднородна. Трубу условно можно разделить на три секции. В первой имеет место интенсивная конденсация при кольцевом режиме течения. Здесь, как правило, реализуется течение с тонкой пленкой под действием потока пара. Основная часть жидкости аккумулируется в межреберных впадинах и движется вдоль трубы под действием перепада давления и трения на границе пара и жидкости. Во второй области по длине трубы межреберные впадины полностью заполняются. Интенсивность конденсации резко падает. Реализуются снарядный и пузырьковый режимы течения, которые могут приводить к пульсациям давления в системе. В третьей области происходит полная конденсация и имеет место конвективный теплообмен с низким коэффициентом теплоотдачи. Однако такой участок необходим в трубчатых конденсаторах в связи с возможностью пузырькового режима течения. Время жизни пузырьков может быть значительным из-за относительно низкой интенсивности конденсации.
2. Для многих типов систем охлаждения характерно неполное испарение жидкостного потока в испарителе. Таким образом, на вход конденсатора может подаваться пар со значительным количеством жидкости. При подаче такой смеси в обычный оребренный трубчатый конденсатор, интенсивность теплообмена будет существенно снижаться из-за относительно высокого значения средней толщины пленки конденсата с самого начала устройства.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности конденсатора за счет увеличения интенсивности конденсации и оптимизации течения двухфазного потока.
Поставленная задача решается тем, что в конденсаторе пара, содержащем канал для протока пара, образованный поверхностью конденсации, согласно изобретению поверхность конденсации имеет выпуклую криволинейную форму с внутренним продольным ребром, с обеих сторон которого формируются полости для конденсата, при этом R3>R2, где R3 - радиус кривизны поверхности конденсации в верхней части канала конденсатора; R2 - радиус кривизны поверхности конденсации в полости.
Единичное продольное ребро представляет собой выпуклую криволинейную поверхность, обеспечивающую интенсивную конденсацию пара за счет действия капиллярных и гравитационных сил. Длина конденсатора определяется конкретным приложением. Охлаждаться может вся труба либо только ее внутреннее ребро, например, присоединением к радиатору. С обеих сторон внутреннего продольного ребра формируются полости для конденсата. Конструкция позволяет заполнять конденсатом данные полости, оставляя свободным вершину ребра практически до полной конденсации пара, т.е. практически по всей длине конденсатора, и тем самым обеспечивать высокую интенсивность теплообмена по всей длине конденсатора по сравнению с прототипом. Устройство может работать в условиях нормальной гравитации и микрогравитации.
-4
Известно, что при конденсации в тонких пленках жидкости (порядка 1⋅10 м) тепло через жидкость передается практически только теплопроводностью. В результате коэффициент теплоотдачи можно описать следующей зависимостью:
-4
-5
где δ - толщина слоя жидкости (м), λ - коэффициент теплопроводности жидкости (Вт/м⋅К). Зависимость показывает, что снижение толщины пленки на порядок, например, от 1⋅10 м до 1⋅10 м, ведет к интенсификации конденсации на порядок. Поверхность конденсации имеет выпуклую криволинейную форму в виде ребра. За счет действия капиллярных сил давление в пленке конденсата на вершине поверхности повышается по сравнению с гладкой пленкой на величину
1
где R - радиус кривизны поверхности конденсации, σ - поверхностное натяжение жидкости (Н/м). Радиус кривизны поверхности конденсации медленно возрастает вдоль поверхности в направлении к основанию конденсатора. В полости поверхность конденсации имеет вогнутую форму. За счет действия капиллярных сил давление в пленке конденсата в полости снижается по сравнению с гладкой пленкой на величину:
2
-5
где R - радиус кривизны поверхности конденсации в полости. В результате в пленке возникает движение в направлении основания конденсатора под действием капиллярных сил. Конденсатор такого типа может создавать очень тонкие пленки, до 1⋅10 м и менее. В области, близкой к вершине «ребра», практически толщина в меньшую сторону не ограничена и может составлять несколько мкм. Тонкие пленки такого порядка создают очень высокие коэффициенты теплоотдачи, на один-два порядка превышающие типичные средние коэффициенты теплоотдачи во внутритрубном конденсаторе, который используется в прототипе. Толщина пленки может точно регулироваться и достаточно точно рассчитываться с помощью имеющейся математической модели авторов патента (Marchuk I.V., Gluschuk A.V. and Kabov O.A., Vapor condensation on nonisothermal curvilinear fins, Technical Physics Letters, Vol. 32, No. 5, pp. 388-391, 2006; Marchuk I.V., Lyulin Y.V., and Kabov O.A., Theoretical and Experimental Study of Convective Condensation inside Circular Tube, Interfacial Phenomena and Heat Transfer, vol. 1(2), pp. 153-171, 2013). Регулировка мощности конденсатора осуществляется простой регулировкой температуры стенки конденсатора пара, длиной трубы, размером и формой ребра.
На фиг. 1 на фотографиях представлен общий вид внутритрубного конденсатора пара с продольными ребрами различной формы (прототип).
На фиг. 2 представлен поперечный разрез предлагаемого конденсатора пара с малым расходом жидкости.
На фиг. 3 представлен поперечный разрез предлагаемого конденсатора пара с большим расходом жидкости.
На фиг. 4 представлен поперечный разрез предлагаемого конденсатора пара, изготовленного путем деформации цилиндрической трубы без плоского основания.
На фиг. 5 представлен поперечный разрез предлагаемого конденсатора пара, изготовленным путем деформации цилиндрической трубы с плоским основанием.
На фиг. 6 представлен поперечный разрез предлагаемого конденсатора пара, когда ширина полости постоянно сужается от вершины ребра к основанию конденсатора.
На чертежах представлены: 1 - внутреннее продольное ребро, 2 - полость для конденсата, 3 - направление протока пара в канале, 4 - верхняя часть канала конденсатора, 5 - направление течения жидкости на ребре, 6 - конденсат, движущийся в полости, 7 - плоское основание, 8 - направление течения пузыря пара.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы конденсатор охлаждается за счет присоединения внутреннего продольного ребра 1 или плоского основания 7 к радиатору либо охлаждаемой пластине. Такой способ охлаждения, как правило, осуществляется в аэрокосмических приложениях. Конденсатор может охлаждаться как целое, например, с помощью теплообменника типа «труба в трубе» либо путем нанесения ребер на внешнюю поверхность конденсатора и обдувом потока воздуха. В этом случае более интенсивно охлаждается верхняя часть канала конденсатора 4, что интенсифицирует теплообмен. В начальном состоянии в конденсатор подается пар 3, который движется вдоль канала за счет перепада давления вдоль канала. Конденсатор начинает конденсировать и генерировать пленку жидкости 5, которая движется по боковой поверхности ребра 1 в направлении к основанию конденсатора за счет действия капиллярных и гравитационных сил. Пар интенсивно конденсируется на ребре, т.к. конденсат своевременно стекает в полости 2 и тем самым обеспечивается тонкая пленка на основной или, по крайней мере, верхней части ребра. Пленка жидкости так же может увлекаться паром и двигаться некоторое время вдоль ребра, особенно на входе в конденсатор при значительных скоростях пара. На вход конденсатора может подаваться пар со значительным количеством жидкости. При подаче такой смеси конструкция позволяет заполнять конденсатом полости 2, оставляя свободным вершину ребра практически до полной конденсации пара. Парожидкостная смесь движется вдоль канала конденсатора, обедняется паром за счет конденсации. Происходит полная конденсация. Конденсат забирается из конденсатора в области выхода жидкости из конденсатора. Конденсация происходит также и на верхней части канала конденсатора 4. За счет действия капиллярных и гравитационных сил конденсат также стекает в направлении полостей 2 и далее к основанию конденсатора. Однако необходимо выполнить условие
3
2
R>R,
3
где R - радиус кривизны поверхности конденсации на верхней части канала конденсатора. Условие обеспечивает движение конденсата под действием капиллярных сил к основанию конденсатора. В зависимости от конкретных приложений ширина полости может быть одинакова на большей части ее длины. Может реализовываться решение, когда ширина полости постоянно сужается от вершины ребра к основанию полости. Особенно это может быть важно, когда поперечный размер конденсатора значительно превышает капиллярную постоянную жидкости (для воды 2.5 мм), что снижает действие капиллярных сил. Такая конструкция в дополнение позволяет вытеснять пузыри пара 8, образующиеся в полостях, в основной канал конденсатора. Заявляемое изобретение позволяет исключать снарядный и пузырьковый режимы течения, в которых возможны пульсации давления и существование которых нежелательно особенно в космических и транспортных приложениях, где такие пульсации могут приводить к разрушению конструкции. По мере конденсации пара полости 2 почти полностью заполняются жидкостью, но верхняя часть ребра остается свободной от слоя конденсата и обеспечивает высокую эффективность практически до полной конденсации.
Таким образом, изобретение позволяет существенно сократить упомянутую выше, третью, конвективную часть трубчатых конденсаторов в прототипе благодаря отсутствию или минимизации пузырькового режима течения. Роль третьей, конвективной части, во многих приложениях заключается в исключении попадания паровых пузырей в капиллярную структуру либо в насос. Изобретение позволяет также практически полностью исключить неэффективную, упомянутую выше, вторую часть трубчатых конденсаторов в прототипе и позволяет обеспечить более интенсивную, более контролируемую и экономичную конденсацию пара, а, следовательно, снижение веса и габаритов. Для очень точной регулировки мощности охлаждения конденсатора в мини- и микросистемах могут использоваться Пельтье-элементы с последующим их охлаждением водой или воздухом. Устройство может работать в условиях нормальной гравитации и микрогравитации. В условиях микрогравитации ориентация устройства может быть произвольной. В условиях нормальной гравитации рекомендуется положение устройства, когда ось симметрии ребра и направление течения жидкости на ребре 5 примерно совпадают с направлением вектора силы тяжести. При этом будет достигаться максимальная интенсивность конденсации. Однако отклонения от указанного положения на 15-20 градусов практически не будут влиять на качество работы системы. Для конденсаторов с поперечным размером менее капиллярной постоянной жидкости ориентация в пространстве может быть практически любой. Представленный конденсатор пара с одним ребром может успешно применяться на транспортных средствах, пассажирских и транспортных самолетах и в космосе. При тех же объемах конденсата, как и в прототипе, гидравлическое сопротивление конденсатора пара с одним ребром будет существенно ниже из-за практически раздельного движения пара и жидкости и сокращения его длинны. Это в свою очередь приведет к снижению энергозатрат на прокачку пара и жидкости и повышению общей эффективности системы. Кроме того, предложенная конструкция конденсатора практически исключает пульсации давления в системе вследствие различных неустойчивостей, связанных со снарядным и пузырьковым движением пара и жидкости и сменой режимов течения.
Известно, что в условиях микрогравитации длина гладкотрубных конденсаторов должна быть в 2-3 раза больше, чем в земных приложениях. Это связано с реализацией кольцевого режима течения и делает неэффективным использование легких тонкостенных гладких труб в космических приложениях. Изобретение позволяет получить достаточно просто, путем деформации цилиндрической трубы, конденсатор пара с одним ребром и существенно повысить эффективность конденсации. С целью более эффективного охлаждения и присоединения к радиатору к трубе может присоединяться плоское основание 7.