ДВУХФАЗНЫЙ ТЕРМОСИФОН

Полезная модель относится к теплотехнике, а именно к теплообменным аппаратам с промежуточным теплоносителем в закрытых трубах, проходящих внутри стенок, в которых теплоноситель конденсируется и испаряется, и может быть использована для охлаждения энергонасыщенного авиационного оборудования, систем отопления и других тепловыделяющих устройств.
Известен термосифон [RU 2373473 С1, МПК F28D 15/02 (2006.01), опубл. 20.11.2009], содержащий корпус, рабочий объем нижней камеры которого заполнен жидкостью, воронку, которой перегорожена нижняя камера с паропроводом для транспортировки пара, парогенератор в нижней камере и конденсатор в верхней камере. Конденсатором является охлаждаемая поверхность верхней камеры термосифона. Часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне. В нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу.
Недостатком этого устройства является унос капель жидкой фазы с паром в зону конденсации, что приводит к утолщению пленки жидкости на поверхности верхней камеры термосифона.
Известна тепловая труба [SU 1052828 А2, МПК F28D 15/02, опубл. 07.11.1983], которая представляет собой вертикальный корпус, частично заполненный теплоносителем, с зонами испарения и конденсации и коаксиальную вставку, размещенную внутри корпуса, с образованием в зоне испарения кольцевого канала. Верхний торец вставки выполнен с отбортовкой, плотно прилегающей к стенке корпуса и имеющей на закругленной поверхности сквозные отверстия для отвода образовавшихся в кольцевом канале паров теплоносителя в сторону зоны испарения. Внутри вставки установлен сепаратор, расположенный ниже отверстий.
Недостатком такого устройства является отсутствие клапана для сбрасывания части воздуха наружу и области для скапливания неконденсирующихся примесей, что значительно ухудшает интенсивность конденсации.
Известен двухфазный термосифон [RU 157300 U1, МПК F28D 15/00 (2006.01), опубл. 27.11.2015], выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус, состоящий из соединенных между собой верхней и нижней камер. Корпус выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности. Рабочий объем нижней камеры заполнен жидкостью и перегорожен воронкой с паропроводом для транспортировки пара. Узкая часть воронки соединена с паропроводом в форме витой трубы, внутренняя поверхность которой по всей длине снабжена прямоугольным выступом. Бортовая часть воронки выполнена с отверстиями, равномерно расположенными по окружности. Охлаждаемая поверхность верхней камеры является конденсатором. Часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне. В нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу.
Недостатком двухфазного термосифона является низкая интенсивность теплообмена, что обусловлено пленочной конденсацией в верхней камере термосифона.
Предложенная полезная модель позволяет повысить интенсивность теплообмена в нижней и верхней камерах двухфазного термосифона.
Предложенный двухфазный термосифон, так же как в прототипе, содержит корпус из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, состоящий из двух соединенных между собой верхней и нижней камер, при этом рабочий объем нижней камеры заполнен жидкостью и перегорожен воронкой, узкая часть которой соединена с паропроводом в форме витой трубы, внутренняя поверхность которой по всей длине снабжена прямоугольным выступом, а бортовая часть воронки выполнена с равномерно расположенными по окружности отверстиями, конденсатором является внутренняя поверхность верхней камеры, часть нижней камеры отведена для аккумулирования воздуха и других газообразных примесей, изначально содержащихся в термосифоне, причем в нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу.
Согласно полезной модели верхняя внутренняя поверхность корпуса снабжена одинаковыми, равномерно расположенными, прямоугольными выступами, причем выступы и корпус выполнены из одного материала. Дно нижней камеры изнутри выполнено с цилиндрическими выемками, расположенными равномерно.
Прямоугольные выступы на верхней внутренней поверхности корпуса обеспечивают капельную конденсацию пара, интенсифицируя теплообмен в зоне конденсации двухфазного термосифона. Цилиндрические выемки, выполненные изнутри корпуса, на его дне, обеспечивают условия для возникновения пузырьков воздуха и пара, интенсифицируя процесс кипения жидкости в нижней камере. Таким образом, по сравнению с прототипом, использование предложенного двухфазного термосифона позволяет повысить интенсивность теплообмена в его нижней и верхней камерах.
На фиг. 1 показана конструкция двухфазного термосифона.
На фиг. 2 показана нижняя камера, вид сверху, разрез А-А.
На фиг. 3 показан выносной элемент В - увеличенное изображение внутренней верхней поверхности корпуса.
Двухфазный термосифон содержит цельный корпус 1 (фиг. 1) в виде соединенных между собой верхней 2 и нижней 3, соосно расположенных, вертикальных цилиндрических камер, образующих снаружи, в месте их соединения, кольцевую площадку. Диаметр нижней камеры 3 больше диаметра верхней камеры 2. Дно нижней камеры 3 изнутри выполнено с цилиндрическими выемками 4 (фиг. 2), расположенными равномерно. В нижней камере 3 (фиг. 1), заполненной жидкостью, например, раствором этилового спирта, размещена воронка 5. Узкая часть воронки 5 соединена с паропроводом 6, расположенным в верхней камере 2 и имеющим форму витой трубы, на внутренней поверхности которой по всей ее длине выполнен прямоугольный выступ 7. На внутренней верхней поверхности корпуса 1 выполнены одинаковые, равномерно расположенные, прямоугольные выступы 8 (фиг. 3). Бортовая часть воронки 5 (фиг. 1) соединена с внутренними боковыми поверхностями нижней камеры 3 и выполнена с равномерно расположенными по окружности отверстиями 9. В нижней камере 3, выше уровня заполняющей ее жидкости, расположен выпускной клапан 10.
Корпус 1 и прямоугольные выступы 8 на его внутренней верхней поверхности выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (нержавеющая сталь, медь, латунь). Ширина каждого прямоугольного выступа 8 составляет 0,005 мм, его высота - 0,03 мм. Ширина паза между выступами 8 составляет 0,03 мм. Глубина каждой цилиндрической выемки 4 составляет не более 2 мм, а ее радиус - не более 1 мм. Расстояние между цилиндрическими выемками 4 составляет 4 мм.
Двухфазный термосифон работает следующим образом.
При установке двухфазного термосифона, например, на аккумуляторную батарею, подвод тепла происходит через дно нижней камеры 3. При закипании жидкости, заполняющей нижнюю камеру 3, на равномерно расположенных цилиндрических выемках 4 возникают пузырьки воздуха и пара, при этом осуществляется тепло- и массоперенос с изменением агрегатного состояния жидкости в зонах испарения и конденсации, создавая движущийся напор под действием сил гравитации и естественную циркуляцию в контуре термосифона. Парожидкостная смесь, образованная при кипении жидкости в нижней камере 3, собирается в воронку 5 и проходит по паропроводу в форме витой трубы 6 в верхнюю камеру 2, вытесняя воздух, при этом давление в термосифоне повышается. Капли жидкости задерживаются прямоугольным выступом 7 на внутренней поверхности витой трубы 6. Далее пар направляется на одинаковые, равномерно расположенные, прямоугольные выступы 8 на внутренней верхней поверхности корпуса 1. Происходит капельная конденсация пара, при которой капли 11 располагаются на выступах 8, а пар непосредственно контактирует с верхней стенкой зоны конденсации, при этом интенсивность теплообмена в зоне конденсации повышается, а давление в контуре снижается. По стенкам внутренней поверхности корпуса 1 верхней камеры 2 конденсат стекает вниз в зону испарения, где через отверстия 9 в бортовой части воронки 5 жидкость возвращается в нижнюю камеру 3, в которой скапливаются несконденсированные пары и большая часть воздуха. С увеличением нагрева дна нижней камеры 3 давление в корпусе 1 достигает значения, при котором срабатывает установленный в нижней камере 3 выпускной клапан 10 и часть воздуха удаляется из термосифона.