НАПОРНЫЙ КАПИЛЛЯРНЫЙ НАСОС
PRESSURE CAPILLARY PUMP

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к двухфазным теплопередающим устройствам, работающим по замкнутому испарительно-конденсационному циклу, в которых циркуляция рабочего тела осуществляется под действием капиллярных сил.
Известно устройство передачи тепла (тепловая труба Гровера), содержащее контейнер, имеющий зоны конденсации и испарения. Указанный контейнер содержит конденсирующиеся пары лития, капиллярную структуру (фитиль), покрывающую всю внутреннюю поверхность контейнера за исключением части конденсационной зоны. Количество сконденсированных паров достаточно, чтобы пропитать капиллярную структуру и обеспечить небольшой избыток, причем упомянутая капиллярная структура способна переносить конденсат из более холодной области контейнера в более горячую область (патент US 3229759, опубл. 18.01.1966, кл. F28D 15/04, G21C 15/02, G21C 15/257).
Также известна тепловая труба для несмачивающих жидкостей, содержащая корпус, образующий замкнутую камеру, капиллярную структуру, расположенную так, чтобы обеспечить пространство между указанной капиллярной структурой и стенкой корпуса, и рабочее тело, которое является несмачивающей жидкостью по отношению к упомянутой капиллярной структуре и расположенное в указанном пространстве (патент US 3435889, опубл. 01.04.1969, кл. F28D 15/04).
Также известна контурная тепловая труба, содержащая герметичный корпус с зонами испарения и конденсации, снабженными капиллярно-пористым наполнителем, пропитанным теплоносителем, и соединенными при помощи паропровода и конденсатопровода (А.с. СССР №449213, кл. F28D 15/00, опубл. 05.11.1974).
Как в классической тепловой трубе, так и в контурной тепловой трубе функцию капиллярного насоса, обеспечивающего перенос конденсата из охлаждаемой зоны в нагреваемую зону, выполняет капиллярно-пористая насадка (фитиль), пропитанная теплоносителем. Такой капиллярный насос имеет существенные ограничения по создаваемому им напору жидкости из-за блокировки фитиля образующимися при кипении рабочего тела пузырями.
Задачей настоящего изобретения является создание напорного капиллярного насоса, способного обеспечивать не только циркуляцию рабочего тела в двухфазных теплопередающих устройствах по замкнутому контуру, но и обеспечивать избыток механической энергии потока жидкого рабочего тела для получения полезной работы.
Другой задачей настоящего изобретения является создание капиллярного конденсатора-теплообменника, в котором от пара отводится теплота и насыщенный пар конденсируется на поверхности выпуклых менисков жидкости, при этом давление в жидкости выше давления насыщенного пара.
Поставленная задача решается за счет того, что напорный капиллярный насос содержит герметичный корпус, включающий нагреваемую стенку и охлаждаемую стенку, лиофобную капиллярно-пористую перегородку, которая разделяет внутреннюю полость указанного герметичного корпуса на полость испарителя и полость конденсатора. В полости испарителя размещен фитиль, находящийся в тепловом контакте с внутренней поверхностью нагреваемой стенки. Полости конденсатора и испарителя соединены системой трубопроводов в замкнутый контур. Корпус заполнен однокомпонентным двухфазным рабочим телом, причем жидкая фаза заполняет поровое пространство фитиля, полость конденсатора и систему трубопроводов, а насыщенный пар заполняет пространство между фитилем и лиофобной перегородкой.
Корпус может быть выполнен в виде двух цилиндрических обечаек, размещенных коаксиально с образованием кольцевой полости, причем тепловыделяющий источник размещен по оси корпуса.
Для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую напорный капиллярный насос может содержать, по меньшей мере, один жидкостно-металлический МГД-генератор, при этом корпус заполнен рабочим телом в виде жидкого металла.
Достигаемый технический результат заключается в увеличении напора, создаваемого капиллярным насосом, а также в повышении эффективности преобразования тепловой энергии в механическую энергию потока жидкого рабочего тела.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:
На фиг. 1 схематическое изображение принципа работы напорного капиллярного насоса.
На фиг. 2 принципиальная схема теплоэнергетической установки на основе напорного капиллярного насоса.
На фиг. 3 - фазовая диаграмма состояния однокомпонентной двухфазной системы.
На фиг. 4 - диаграмма термодинамического цикла напорного капиллярного насоса.
Напорный капиллярный насос содержит герметичный корпус 1, включающий нагреваемую стенку 2 и охлаждаемую стенку 3, лиофобную капиллярно-пористую перегородку 4, которая разделяет внутреннюю полость указанного герметичного корпуса на полость испарителя 5 и полость конденсатора 6. В полости испарителя размещен фитиль 7, находящийся в тепловом контакте с внутренней поверхностью нагреваемой стенки 2. Полости конденсатора и испарителя соединены системой трубопроводов 8 в замкнутый контур. Корпус заполнен однокомпонентным двухфазным рабочим телом, причем жидкая фаза заполняет поровое пространство фитиля 7, полость конденсатора 6 и систему трубопроводов 8, а насыщенный пар заполняет пространство между фитилем 7 и лиофобной перегородкой 4.
Корпус 1 может быть выполнен в виде двух цилиндрических обечаек, размещенных коаксиально с образованием кольцевой полости, причем тепловыделяющий источник (условно не показан) размещен по оси корпуса.
Для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую напорный капиллярный насос может содержать, по меньшей мере, один жидкостно-металлический МГД-генератор 10, а также емкости 9 для аккумулирования энергии рабочего тела, находящегося под давлением, при этом корпус 1 заполнен рабочим телом в виде жидкого металла.
1
2
В основе работы предлагаемого напорного капиллярного насоса лежат закономерности термодинамики поверхностных явлений однокомпонентных двухфазных систем «жидкость - пар» с постоянным полным объемом. Жидкость, находящаяся в поровом пространстве фитиля, образует межфазную поверхность со средним радиусом кривизны r<0 (вогнутый мениск). Жидкость, находящаяся в конденсаторе и отделенная от полости испарителя лиофобной капиллярно-пористой перегородкой, образует межфазную поверхность со средним радиусом кривизны r>0 (выпуклый мениск).
Такая система может находиться в механическом равновесии на искривленных межфазовых поверхностях при условии, что температура на границе с вогнутым мениском выше температуры на границе с выпуклым мениском. В противном случае между участками с разной кривизной поверхности возникнет перепад давлений и соответствующие потоки пара (при равенстве температур пар будет испаряться с поверхности, имеющей большую величину, и конденсироваться на поверхности с меньшей кривизной).
2
2
Избыточное гидростатическое давление (капиллярное давление) ΔP, возникающее в жидкости при достижении механического равновесия с собственным насыщенным паром на искривленной межфазовой поверхности, определяется законом Лапласа ΔP=2σ/r, где σ - поверхностное натяжение, r - средний радиус кривизны межфазной поверхности.
V
V
0
m
2
0
m
При определенной температуре T, над искривленной межфазовой поверхностью жидкости устанавливается равновесное давление насыщенного пара P, с достаточной достоверностью определяемое законом (уравнением) Кельвина P=P exp(2σV/rRT), где P - равновесное давление пара над плоской межфазовой поверхностью при температуре T, V - мольный объем жидкой фазы, R - универсальная газовая постоянная.
Фазовый переход между насыщенным паром и жидкой фазой имеет место при строго определенной зависимости между давлением и температурой рабочего тела.
Фазовая диаграмма состояния однокомпонентной двухфазной системы, в осях давление P и температура T, показана на фиг. 3.
Кривая насыщения пара над плоской поверхностью раздела фаз изображена пунктирной линией, соединяющей тройную точку O с критической точкой K.
1
1
1
1
1
1
V
L1
Кривая насыщения пара над вогнутым мениском, средний радиус кривизны которого r, изображена линией, проходящей от критической точки K через точку V, а зависимость давления в жидкости изображена линией, проходящей от критической точки K через точку L. При температуре T насыщенный пар над вогнутым мениском находится в равновесии с жидкостью, если его состояние соответствует точке V, а состояние жидкости соответствует точке L. При этом давление насыщенного пара равно P, а давление в жидкости равно P.
2
2
2
2
2
2
V
L2
Кривая насыщения пара над выпуклым мениском со средним радиусом кривизны r изображена линией, проходящей от критической точки K через точку V, а зависимость давления в жидкости изображена линией, проходящей от критической точки K через точку L. При температуре T насыщенный пар находится в равновесии с жидкостью, если его состояние соответствует точке V, а состояние жидкости соответствует точке L. При этом давление насыщенного пара равно P, а давление в жидкости равно P.
V
1
1
2
2
Если в однокомпонентной двухфазной системе присутствуют два изолированных объема жидкости (т.е. перетекание жидкости из одного объема в другой исключено), а насыщенный пар может свободно перетекать между межфазовыми поверхностями разной кривизны, то система будет находиться в динамическом равновесии только при условии, что давление насыщенного пара над межфазовыми поверхностями будет одинаковым и равно P. Такое равенство давлений насыщенного пара над менисками разной кривизны достигается при установлении соответствующей разницы температур на этих менисках. В условиях динамического равновесия температура насыщенного пара над вогнутым мениском со средним радиусом r будет равна T, а температура насыщенного пара над выпуклым мениском со средним радиусом r будет равна T.
2
1
L1
L2
При охлаждении выпуклого мениска до температуры, меньшей T, и/или нагреве вогнутого мениска до температуры, большей T, пар сразу начнет конденсироваться на выпуклой межфазовой поверхности, одновременно с вогнутого мениска начнется испарение. В результате этого будет осуществляться перенос рабочего тела из объема жидкости с низким давлением P в объем жидкости с высоким давлением P.
1
2
Напорный капиллярный насос работает следующим образом. В исходном состоянии напорный капиллярный насос заполнен однокомпонентным двухфазным рабочим телом, жидкая фаза которого располагается в полости конденсатора 6 и системе трубопроводов 8, а также в поровом пространстве фитиля 7. При наружном подводе тепла от тепловыделяющего источника к нагреваемой стенке 2 корпуса 1пло передается находящемуся в поровом пространстве фитиля 7 жидкому рабочему телу, которое испаряется через межфазную поверхность. По мере уменьшения количества жидкости в поровом пространстве фитиля формируется межфазная поверхность, имеющая отрицательный средний радиус кривизны r<0 (вогнутый мениск). Пар рабочего тела с поверхности испарения поступает в паровой объем полости испарителя 5 и далее, пройдя через капиллярные поры лиофобной перегородки 4, благодаря отводу тепла с охлаждаемой стенки 3 конденсируется на межфазной поверхности в полости конденсатора 6. По мере увеличения количества жидкости в полости конденсатора формируется межфазная поверхность, имеющая положительный средний радиус кривизны r>0 (выпуклый мениск). Выделяющееся при этом тепло (теплота конденсации) отводится с наружной поверхности охлаждаемой стенки 3 путем теплообмена с охлаждающей средой или поверхностным излучением.
Сконденсировавшееся в полости конденсатора 6 жидкое рабочее тело по системе трубопроводов 8 поступает в МГД-генератор 10, в котором совершает работу, и далее возвращается в полость испарителя 5, где процесс повторяется снова.
W
C
D
Представленная на фиг. 4 Р-Т диаграмма наглядно иллюстрирует протекающий при этом циркуляционный процесс. Цикл начинается в точке А, которая соответствует состоянию жидкого рабочего тела, под вогнутым мениском, после сообщения ему тепла в испарителе. Испарение рабочего тела происходит в точке В, при этом на границе двух фаз, разделенных искривленной поверхностью, давление меняется скачком на величину капиллярного давления ΔP. Полученный пар перемещается в конденсатор, где охлаждается до состояния в точке С, которая соответствует состоянию насыщенного пара над выпуклым мениском. Конденсация рабочего тела происходит в точке D, при этом на границе двух фаз, разделенных искривленной поверхностью, давление меняется скачком на величину капиллярного давления ΔP. Сконденсированное рабочее тело несколько переохлаждается в конденсаторе до состояния в точке Е. Жидкое рабочее тело, находящееся под давлением P, может быть использовано для приведения в движение механизмов и машин, преобразования кинетической энергии жидкости в электроэнергию посредством МГД-генератора.
F
F
После дросселирования давление в жидком рабочем теле снижается и рабочее тело подается на вход напорного капиллярного насоса в испаритель в состоянии, соответствующем точке F. Во избежание образования паровых пузырей в системе трубопроводов давление P не должно быть меньше давления насыщенного пара над плоской поверхностью при температуре T. В испарителе при прохождении жидкого рабочего тела по капиллярной структуре фитиля происходит нагрев жидкости и некоторое падение давление рабочего тела до состояния А и рабочее тело возвращается в свое исходное состояние.
Таким образом, напорный капиллярный насос позволяет обеспечивать циркуляцию рабочего тела в двухфазных теплопередающих устройствах по замкнутому контуру, а избыток механической энергии потока жидкого рабочего тела использовать для получения полезной работы.