Способ снижения термического сопротивления двухфазного термосифона
METHOD FOR REDUCING THE THERMAL RESISTANCE OF A TWO-PHASE THERMOSIPHON

Изобретение относится к области теплообмена, в частности к способам снижения термического сопротивления в двухфазных тепловых трубах и термосифонах за счет интенсификации испарения и кипения в испарителе.
Известен способ передачи тепла в двухфазном термосифоне с помощью испарения теплоносителя (Long E.L. Long thermohile // Proc. Intern. Permafrost Cjnf. USA, 1965, p. 487-491.), согласно которому теплоноситель из-за разности температур испаряется в испарителе термосифона и превращается в пар, который направляется в конденсатор, где передает тепло в окружающую среду и конденсируется, а конденсат стекает в испаритель и замыкает цикл «испарение-конденсация».
Недостатком настоящего технического решения является неполное смачивание поверхности испарителя теплоносителем из-за действия сил гравитации при расположении испарителя в положении, отличном от вертикального.
Известен способ увеличения площади испарения в двухфазной тепловой трубе (патент US №2350348, публ. 06.06.1944, МПК F25D 11/02), согласно которому для улучшения смачивания, транспортировку жидкости в зону испарения осуществляют с помощью капиллярной вставки - фитиля в виде сетки, что увеличивает площадь теплообмена. Фитиль представляет собой пористое тело, изготовленное из металлической сетки или спеченного металлического порошка, например порошка меди. Благодаря фитилю конденсат в трубе распределяется равномерно по всему ее периметру и перемещается под действием капиллярных сил от участка с меньшей температурой к участку с большей температурой, независимо от положения трубы в пространстве. В капиллярных тепловых трубах движение конденсата происходит под действием капиллярных сил, которые не зависят от ориентации в пространстве, а зависят лишь от размера пор фитиля, кроме того, в капиллярных тепловых трубах поверхность смачивания конденсатом равна поверхности фитиля при полном его смачивании.
Недостатком данного технического решения является реверсивный режим работы тепловой трубы - при температуре воздуха большей, чем температура грунта происходит нагрев последнего, что опасно и ненадежно для зданий, построенных на этом грунте.
Известен способ увеличения площади смачивания испарителя двухфазной тепловой трубы с помощью микрочастиц меди (Leonard L. Vasiliev L.P. Grakovich M.I. Rabetskii D.V. Tulin, "Investigation of heat transfer by evaporation in capillary grooves with a porous coating," Journal of Engineering Physics and Thermophysics, vol. 85, no. 2, 2012.), согласно которому на поверхность испарителя термосифона с помощью спекания наносят микрочастицы меди размером от 50 до 100 мкм. Применение данного способа позволяет повысить коэффициент теплоотдачи в 1,2-1,8 раз.
Недостатком данного способа является высокая стоимость нанесения покрытия и сложность технологического процесса из-за необходимости спекания микрочастиц меди.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению способ увеличения площади испарения и снижения термического сопротивления испарителя с помощью покрытия из наночастиц, описанный в статье (K. Rahmatollah, F. Richard, «Heat transfer, flow regime and instability of a nano- and microporous structure evaporator in a two-phase thermosyphon loop,» Int. J. Thermal Sci, т. 49, №7, pp.1183-1192, 2010.) согласно которому предлагается формировать микро- и наноструктуру в испарителе с помощью нанесения частиц меди методом медного анодирования. В испаритель, изготовленный в виде прямоугольного канала, наносят слой микро- и наночастиц меди методом медного анодирования. Для определения влияния покрытия на коэффициент теплоотдачи показания регистрируют мультиметром и термопарами, установленными по контуру испарителя. Согласно представленному способу, с помощью формирования поверхности из микро- и наночастиц можно увеличить коэффициент теплоотдачи в 1,9 раз за счет интенсификации кипения и испарения теплоносителя в испарителе.
Недостатками данного технического решения является низкая площадь испарения и высокая сложность реализации.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение площади испарения теплоносителя в термосифоне с помощью формирования пористой микро- и наноструктуры.
Технический результат заключается в снижении термического сопротивления термосифона без применения технологически сложных операций.
Это достигается тем, что в известном способе снижения термического сопротивления двухфазного термосифона, основанном на формировании в испарителе нано- и микроструктуры, вначале на поверхности испарителя формируют канавки глубиной 0,1-0,5 мм и шириной от 100 до 1000 мкм, затем испаритель закрепляют и вращают по своей оси, и наносят с помощью испарения слой наночастиц оксида алюминия с размером от 10 до 150 нм.
Сущность предлагаемого способа снижения термического сопротивления двухфазного термосифона поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена фотография рельефа поверхности испарителя, на фиг. 2 показано смачивание поверхности испарителя, на фиг. 3 представлена зависимость термического сопротивления от холодопроизводительности для термосифона с покрытием и без, на фиг. 4 показана зависимость термического сопротивления термосифона с покрытием и без от угла наклона.
Способ снижения термического сопротивления термосифона осуществляется следующим образом.
На поверхности круглой трубы испарителя с помощью фрезы формируют канавки глубиной от 0,1 до 0,5 мм, шириной от 100 до 1000 мкм. Канавки могут быть прямоугольной, цилиндрической или конусовидной формы.
Экспериментально установлено, что вырезать канавки меньшего размера и наносить на них слой наночастиц - технологически сложная процедура, а при выборе канавок большего размера при подъеме жидкости уменьшается капиллярное давление.
Трубу испарителя закрепляют и очищают с помощью мелкодисперсного абразива, а затем промывают раствором щелочи для удаления остатков жиров или других загрязнений. Затем готовят раствор наночастиц с размером от 10 до 150 нм и концентрацией частиц от 0,01 до 0,1%. На поверхность трубы испарителя наносят раствор наночастиц оксида алюминия размером от 10 до 150 нм в ацетоне с концентрацией наночастиц от 0,01 до 1%. Трубу испарителя нагревают до температуры испарения наножидкости в интервале от 50 до 150°С и вращают вокруг оси со скоростью не более 5 оборотов / мин. Нагрев осуществляют с помощью подачи тока на медную спираль, которая намотана на трубу, либо вращением трубы с подачей потока нагретого воздуха с воздуходувки. Наножидкость постоянно испаряется при вращении трубы и заполняет спиральные каналы наночастицами. Испарение происходит при атмосферном давлении и не требует создания вакуума или других специальных условий, а нагрев необходим лишь для ускорения процесса испарения, и как следствие, ускорения процесса формирования покрытия. В результате в испарителе формируется капиллярно-пористая структура, содержащая микроструктуру канавок и слой наночастиц оксида алюминия, которая показана на фиг. 1.
Для проверки гидрофильных свойств поверхности ее смачивали дистиллированной водой и ацетоном. Для трубы диаметром 38 мм достигается полное смачивание для этих жидкостей, что показано на фиг. 2. Так как по смачиванию ацетон близок к фреонам, можно утверждать, что теплоносители по типу хладонов будут смачивать всю поверхность испарителя.
По результатам экспериментов установлено, что термическое сопротивление трубы испарителя с предлагаемым покрытием ниже в 3 раза, чем для трубы без покрытия, результаты показаны на фиг. 3, где приведена зависимость термического сопротивления термосифона от холодопроизводительности за период времени (1 год) при различных испарителях: (1) - стальная труба без покрытия, май 2021; (2) - стальная труба с покрытием испарителя, май 2021; (3) - стальная труба без покрытия, май 2022; (4) стальная труба с покрытием испарителя, май 2022.
Таким образом, также наглядно представлена стабильность эффекта смачивания согласно предлагаемому изобретению - с мая 2021 по май 2022 термическое сопротивление термосифона с покрытием не изменилось, что подтверждает стабильность эффекта нанесения покрытия. Также график демонстрирует этот эффект в сравнении с трубой без покрытия.
На фиг. 4 представлены экспериментально полученные данные по зависимости термического сопротивления термосифона от угла наклона испарителя к горизонту: (1) - испаритель без покрытия, (2) - испаритель с покрытием. Для обычных термосифонов (без покрытия) термическое сопротивление возрастает с увеличением угла наклона, но для трубы с покрытием это увеличение не наблюдается.
Использование изобретения позволяет снизить термическое сопротивление двухфазного термосифона без применения технологически сложных методов, таких как спекание микрочастиц или медное анодирование. Испаритель с покрытием можно размещать при различных углах наклона без значительного роста термического сопротивления (фиг. 4). По сравнению с прототипом испаритель обладает высокими капиллярными свойствами, что позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи при кипении и испарении, снизить термическое сопротивление испарителя.