Теплотрубная матрешка
HEAT-PIPE NESTING FORMATION

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для транспортировки тепловой энергии по тепловым трубам.
Известна тепловая труба космического аппарата, содержащая корпус, имеющий испарительный, транспортный и конденсационный участки, причем фитиль тепловой трубы выполнен в виде продольных канавок на внутренней поверхности корпуса, а доза теплоносителя, заправленного во внутреннюю полость корпуса, выбрана из условия, учитывающего возможные ежегодные утечки теплоносителя из внутренней полости корпуса и погрешность заправки. Кроме того, это условие учитывает максимальное и минимальное значения доз теплоносителя при перепаде температур между участками испарения и конденсации ТТ, не превышающем минимально допустимого. [Патент РФ №2353881, МПК F28D 15/04, B64G 1/50, 2009].
К основным недостаткам известной тепловой трубы космического аппарата относятся малое расстояние передачи тепловой энергии от источника к потребителю, ограниченное длиной трубы, выполнение транспортного участка в виде продольных канавок на внутренней поверхности трубы и непосредственный контакт пара с конденсатом в канавках, что снижает эффективность известного устройства.
Более близкой к предлагаемому изобретению является тепловая труба, содержащая, обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого у внутренней стенки корпуса установлена капиллярная структура, по крайней мере, часть которой в исходном состоянии заполнена рабочим телом [Патент РФ №2208209, МПК F28D 15/04, 2003].
К основным недостаткам известной тепловой трубы относятся малое расстояние передачи тепловой энергии от источника к потребителю, ограниченное длиной трубы и непосредственный контакт пара с фитилем по всей длине транспортного участка, что снижает эффективность известного устройства.
Задача, решаемая изобретением, является повышение эффективности теплотрубной матрешки.
1
2
3
2
1
Технический результат достигается тем, что теплотрубная матрешка включает в себя n тепловых труб, вставленных друг в друга, каждая из которых состоит из цилиндрического корпуса, заглушенного с одного торца стенкой и прикрытого с другого торца периферийным кольцом, внутренняя поверхность корпуса каждой тепловой трубы покрыта слоем фитиля, частично заполненного рабочей жидкостью, покрытого, в свою очередь, цилиндрической обечайкой, диаметром меньшим, чем наружный диаметр периферийного кольца, на величину 2Δ с созданием у торцов кольцевых зазоров шириной Δ каждый, образуя испарительный, транспортный и конденсационный участки, причем торцевые стенки всех тепловых труб размешены на расстоянии Δ друг от друга, несколько большим, чем Δ, каждая тепловая труба имеет одинаковую длину, диаметр наружных стенок меньше диаметра обечайки предыдущей теплой трубы на величину 2Δ, причем последняя тепловая труба вместо периферийного кольца закрыта глухой торцевой стенкой, а открытый торец цилиндрического корпуса первой тепловой трубы снабжен откидной крышкой, закрывающей его в сложенном состоянии.
В основе работы предлагаемой теплотрубной матрешки лежит высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, обусловленная высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации [А.Н. Плановский, П.И. Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, с. 146], которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты), покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью-переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т. д. При этом, в зависимости от конструкции, тепловая труба при передаче теплоты позволяет увеличивать или уменьшать плотность передаваемого теплового потока [В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с. 106].
На фиг. 1 представлен общий вид теплотрубной матрешки (ТТМ), на фиг. (2-7) - основные узлы и разрез ТТМ, на фиг. 8, 9 - развернутая (рабочее состояние) ТТМ при работе в двух режимах: 1) увеличенная плотность теплового потока; 2) уменьшенная плотность теплового потока.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
3
i
2
i
i
1
i
1
Теплотрубная матрешка (ТТМ) включает n тепловых труб, вставленных друг в друга, наружная (первая) тепловая труба, состоит из цилиндрического корпуса 1, заглушенного с одного торца стенкой 2 и прикрытого с другого торца периферийным кольцом 3, внутренняя поверхность корпуса 1 покрыта слоем фитиля 4, частично заполненного рабочей жидкостью, покрытого, в свою очередь, цилиндрической обечайкой 5, диаметром меньшим, чем наружный диаметр периферийного кольца 3, на величину 2Δ с созданием у торцов кольцевых зазоров 6, 7 шириной Δ каждый, образуя испарительный 8, транспортный 9 и конденсационный 10 участки первой тепловой трубы, внутрь цилиндрической обечайки 5 на расстоянии Δ от торцевых стенок 2 несколько большим, чем Δ помещены последующие тепловые трубы ТТМ, устроенные аналогично I-й ступени, одинаковой длины, но меньших диаметром, диаметр наружных стенок 2 которых меньше диаметра обечайки 5 на величину 2Δ, причем n-я (последняя) тепловая труба вместо периферийного кольца 3 закрыта глухой торцевой стенкой 11, а открытый торец цилиндрического корпуса 1 первой тепловой трубы ТТМ снабжен откидной крышкой 12, закрывающей его в нерабочем (сложенном) состоянии.
i
1
1
ТТМ работает следующим образом. Предварительно, перед началом работы из полостей n тепловых труб ТТМ (n - количество тепловых труб, зависит от рода тепловой жидкости, требуемой плотности теплового потока и расстояния, на которое требуется передать тепло) удаляют воздух и закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред и расстояния, на которое нужно передать тепло (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг. 1-9 не показаны), в количестве достаточном для заполнения объема пор фитилей 4. При передаче повышенной плотности теплового потока (фиг. 8) корпус 1 ТТМ устанавливают по направлению передачи требуемой плотности теплового потока таким образом, чтобы торцевая стенка 2 контактировала с горячей средой (источником тепла), а торцевая стенка 10 n-й тепловой трубы контактировала с холодной средой (потребителем), после чего откидывают крышку 12.
1
1
2
1
1
2
1
1
2
2
2
3
1
2
3
n
1
n
n
n
В результате нагрева поверхности стенки 2, на ее противоположной поверхности происходит испарение рабочей жидкости, поступающей из фитиля 4 и в полости между ней и стенкой 2 собирается пар, температура и давление которого повышаются до величин t и Р, после чего, в результате воздействия этого давления и температуры на поверхность стенки 2, которая одновременно нагревается, 2-я тепловая труба начинает двигаться подобно поршню в цилиндре, который образует цилиндрическая обечайка 5, до периферийного кольца 3 к кромке которого прижимаются кромки стенки 2. По окончании движения 2-й тепловой трубы на поверхности стенки 2 происходит испарение рабочей жидкости, поступающей из фитиля 4 и в полости между ней и стенкой 2 собирается пар, температура которого повышается до t, а давление повышается до величины Р, после чего, в результате воздействия этих температуры и давления на поверхность стенки 2, которая одновременно нагревается, начинает перемещаться 3-я тепловая труба, в которой происходят процессы аналогичные вышеописанному. Последняя, n-я тепловая труба при перемещении до конца, в отличие от предыдущих тепловых труб, наружной поверхностью стенки 2 контактирует непосредственно с холодной средой (потребителем тепла), передавая ей тепло повышенной плотности теплового потока (превышение плотности теплового потока можно приближенно оценить, отношением площадей 2/2). При этом, в результате механических и тепловых потерь при испарении и транспортировке рабочей жидкости, сжатие и транспортировке пара и его конденсации, величина конечных температуры и давления пара t и P в последней n-й тепловой трубе меньше чем в первой (температуры и давления в тепловых трубах зависят от температуры источника теплоты, потребностей потребителя, характера рабочей жидкости и определяются расчетно-экспериментальным путем).
1
1
При передаче пониженной плотности теплового потока (фиг. 9) корпус 1 ТТМ устанавливают по направлению передачи требуемой плотности теплового потока таким образом, чтобы торцевая стенка 2 контактировала с холодной средой (потребителем), а торцевая стенка 10 n-й тепловой трубы контактировала с горячей средой (источником тепла), после чего откидывают крышку 12.
n
n
n
n
(n-2)
(n-1)
2
n-2
2
n-3
1
1
n
1
В результате нагрева поверхности стенки 11 на ее противоположной поверхности происходит испарение рабочей жидкости, поступающей из фитиля 4 и в полости n-й тепловой трубы собирается пар, температура которого повышается до t, а давление повышается до величины P, после чего, в результате воздействия этого давления и температуры на поверхность стенки 2, которая одновременно нагревается, начинает двигаться (n-1)-я тепловая труба подобно поршню в цилиндре, который образует цилиндрическая обечайка 5, упираясь кромкой периферийного кольца 3 к кромке стенки 2. По окончании движения (n-1)-й тепловой трубы на поверхности стенки 2 происходит испарение рабочей жидкости, поступающей из фитиля 4 и в полости между ней и стенкой 2 собирается пар, температура и давление которого повышаются и дальнейшие процессы происходят аналогично вышеописанному, в результате чего в первой тепловой трубе температура и давление пара повышаются до t. Последняя, в данном случае, первая тепловая труба при перемещении до конца, в отличие от предыдущих тепловых труб, наружной поверхностью стенки 2 контактирует непосредственно с холодной средой (потребителем тепла), передавая ей тепло пониженной плотности теплового потока (понижение плотности теплового потока можно приближенно оценить, отношением площадей 2/2).
1
1
При этом, в результате механических и тепловых потерь при испарении и транспортировке рабочей жидкости, сжатии и транспортировки пара и его конденсации, величина конечных температуры и давления пара t и Р в последней (первой) тепловой трубе меньше чем в n-й тепловой трубе (температуры и давления в тепловых трубах зависят от температуры источника теплоты, потребностей потребителя, рабочей жидкости и определяются расчетно-экспериментальным путем). В зависимости от параметров источника тепла и требуемых характеристик тепла для потребителя в тепловых трубах ТТМ могут использоваться разные рабочие жидкости.
Таким образом, предлагаемая теплотрубная матрешка обеспечивает надежное и эффективное перемещение тепловой энергии на расстояние, значительно превышающее длину одной тепловой трубы с одновременным изменением плотности теплового потока.