Испаритель
VAPORIZER

Техническое решение относится к теплотехнике и может быть использовано преимущественно в системах охлаждения тепловыделяющих приборов ракетно-космического применения.
Требования к таким системам включают: минимальный объем, простоту и надежность конструкции, способность эффективно отводить тепло в условиях внешних механических воздействий при любой ориентации в гравитационном поле.
Известны устройства охлаждения - испарители и испарительные камеры контурных тепловых труб, насосы-испарители, предназначенные для охлаждения тепловыделяющей аппаратуры [RU 2286526, RU 2170401, RU 2224967, RU 2098733, RU 2112191].
Указанные устройства содержат корпус с капиллярно-пористой насадкой, прилегающей к нагреваемой термоконтактной поверхности корпуса, различной формы каналы для отвода паровой фазы теплоносителя в паровой коллектор, полость для аккумулирования жидкой фазы теплоносителя.
По технической сущности наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является испарительная камера контурной тепловой трубы [RU 2101644].
Основное отличие этой испарительной камеры от аналогов состоит в наличии дополнительной крупнопористой насадки, расположенной в зазоре со стороны конденсатопровода и находящейся в контакте с основной насадкой.
Функционирующие в составе герметичных двухфазных теплопередающих устройств - как правило контурных тепловых труб, известные устройства охлаждения эффективно осуществляют передачу тепловой нагрузки от источника тепла к охладителю.
Однако перечисленные известные устройства имеют существенные недостатки при работе в ряде случаев, когда отсутствует охладитель или условия для охлаждения конденсатора контурной тепловой трубы. В подобных условиях функционируют приборы ракетно-космической техники. При этом утилизация тепла возможна путем аккумуляции тепла или испарения в окружающую среду отсека летательного аппарата. Очевидно, что при высоком уровне тепловыделения и длительного времени работы приборов теплопоглощение аккумулированием неприемлемо из-за необходимости значительного объема и массы рабочего вещества.
В таких условиях перечисленные известные устройства не могут решать задачи охлаждения.
Необходимо отметить, что существенным недостатком всех конструкций испарительных камер, в которых подвод тепла осуществляется к наружной стенке, является необходимость иметь относительно толстый слой капиллярно-пористой насадки, разделяющий ее испаряющую поверхность от впитывающей. Этот факт обуславливает значительное сокращение предоставляемого под теплоноситель объема испарительной камеры, т.к. пористость современных материалов капиллярно-пористой насадки (фитиля) составляет 50-60%.
Актуальной технической задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание эффективно отводящего тепловой поток испарителя простой конструкции с пониженным термическим сопротивлением в зоне теплообмена, функционирующего при любой ориентации в пространстве по разомкнутой схеме (на запасах хладагента), имеющего минимальный объем конструкции с максимальным объемом хладагента.
Поставленная задача решается тем, что в испарителе, содержащем плоский корпус, расположенные внутри крупнопористую насадку и капиллярно-пористую насадку, прилегающую к охлаждаемой поверхности корпуса и сообщающуюся с паровым коллектором и полостью для размещения рабочей жидкости, корпус выполнен в виде плоского основания и кожуха с расположенными на противоположных боковых стенках заправочным и пароотводящим штуцерами, при этом во внутреннем объеме кожуха выполнены продольные ребра с отверстиями, жестко контактирующие с капиллярно-пористой насадкой, а паровым коллектором является объем, ограниченный ближним к боковой стенке крышки кожуха с пароотводящим штуцером сплошным ребром с этой боковой стенкой, при этом капиллярно-пористая насадка выполнена в виде двухслойной сетки, состоящей из спеченных внутреннего и внешнего слоев, при этом контактирующий с рабочей жидкостью внутренний слой сетки выполнен из многослойного мелкоячеистого сетчатого материала, а внешний слой выполнен из крупноячеистой сетки, сопряженной с внутренней нагреваемой поверхностью основания, при этом капиллярно-пористая насадка расположена на всей поверхности основания за исключением поверхности под паровым коллектором, кроме того, во внутренних межреберных полостях кожуха расположена крупнопористая насадка в виде металлического войлока.
Дополнительно испаритель может быть выполнен с установкой обратного клапана на пароотводящем штуцере.
В условиях ограничения объема конструкции, необходимости функционировать при любой ориентации в пространстве по разомкнутой схеме, (т.е. на запасах рабочего вещества - хладагента), предложенная конструкция испарителя позволяет эффективно организовать охлаждение нагреваемой поверхности корпуса (термоконтактной поверхности) за счет, во-первых, наличия во внутреннем объеме кожуха продольных ребер, которые обеспечивают плотный контакт, а значит и минимальное термическое сопротивление капиллярно-пористой насадки с термоконтактной поверхностью.
Во-вторых, выполнение капиллярно-пористой насадки в виде двухслойной сетки, состоящей из спеченных внутреннего и внешнего слоев, значительно сокращает объем насадки, т.к. общая толщина сетки не превышает нескольких миллиметров (не более 2-4 мм), и тем самым под хладагент предоставляется больший объем.
При этом выполнение сетки двухслойной с внешним крупноячеистым слоем, в котором происходит процесс парообразования и отвод паров, позволяет отказаться от развитой системы канавок для отвода пара в паропровод, что значительно упрощает конструкцию основания корпуса испарителя. В предложенной конструкции выход паров происходит через торцевую поверхность слоя крупноячеистой сетки, поэтому достаточно расположить капиллярно-пористую насадку только на границе парового коллектора - под сплошным ребром кожуха.
Расположенные на противоположных боковых стенках заправочный и пароотводящий штуцеры предназначены, соответственно, для заправки испарителя хладагентом и отвода его паров.
Выполненные во внутреннем объеме кожуха продольные ребра служат для образования небольших объемов для размещения дозированных масс крупнопористой насадки в виде металлического войлока, выполненного из тонкой проволоки (1-10 мкм). В предложенной конструкции металлический войлок занимает по объему не более 5-10%, что предоставляет больший объем под хладагент. Функции войлока заключаются в подпитывании капиллярно-пористого слоя сетки при различных ориентациях испарителя в пространстве. Также металлический войлок служит для демпфирования колебаний удерживаемого им жидкого хладагента при воздействии внешних механических нагрузок.
Отверстия в продольных ребрах крышки необходимы для заправки хладагента и его равномерной выработки при испарении.
Испаритель для функционирования в некоторых случаях, например, при пониженном окружающем давлении среды может быть снабжен обратным клапаном на пароотводящем штуцере. Обратный клапан выполнен таким образом, чтобы он создавал в паровом коллекторе определенный заранее перепад давления, т.е. повышенное давление. Это необходимо для исключения слишком низкой температуры кипения хладагента и его экономичного расхода.
Следует отметить, что для предложенной конструкции испарителя, используемого в системах охлаждения тепловыделяющих приборов ракетно-космического применения, предпочтительными теплоносителями в рабочем диапазоне температур от 20 до 80°С являются жидкости с относительно высокой температурой кипения, типа вода, водно-спиртовые раствор и т.п. и достаточно низкими давлениями пара.
При использовании в качестве хладагента жидкости с высоким давлением пара при рабочей температуре, например, аммиака, имеющего давление 10 атм при температуре 60°С, необходимо усиление конструкции испарителя, что приведет к увеличению толщины стенок, массы конструкции.
При разработке испарителя габариты и хладагент определяются из условий для конкретного применения - с учетом необходимой температуры термостатирования, внешнего давления, механических нагрузок и т.п.
Сущность предложенного технического решения поясняется фиг. 1 и 2, на которых схематически изображен испаритель.
На фигурах введены следующие обозначения:
1 - кожух;
2 - основание;
3 - перфорированные ребра;
4 - сплошное ребро;
5 - заправочный штуцер;
6 - пароотводящий штуцер;
7 - паровой коллектор;
8 - крупнопористая насадка (металлический войлок);
9 - капиллярно-пористая насадка;
10 - мелкоячеистый сетчатый слой капиллярно-пористой насадки;
11 - крупноячеистый слой капиллярно-пористой насадки;
12 - обратный клапан.
Испаритель представляет собой герметичный объем прямоугольной формы, образованный кожухом 1 и основанием 2, в который устанавливаются крупнопористая насадка 8, выполненная в виде металлического войлока, и капиллярно-пористая насадка 9, плотно прижимаемая к основанию 2 ребрами 3, 4.
Капиллярно-пористая насадка 9 выполнена в виде двухслойной сетки, состоящей из многослойного мелкоячеистого сетчатого материала 10 и крупноячеистой сетки 11.
Для заправки и равномерного распределения рабочей жидкости при испарении ребра 3 выполнены с перфорацией. Ребро 4 - сплошное, без перфорации, оно обеспечивает разделение жидкостной фазы от газообразной и образует паровой коллектор 7. На двух противоположных боковых стенках кожуха расположены заправочный 5 и пароотводящий 6 штуцера.
Предложенный испаритель работает следующим образом.
В заправленном состоянии испарителя рабочая жидкость находится в объеме крупнопористой насадки 8, капиллярно-пористая насадка 9 смочена. Под воздействием тепловой нагрузки от основания 2 рабочая жидкость, находящаяся в крупноячеистой сетке 11, вскипает. Образовавшийся пар, двигаясь по крупноячеистой сетке 11, попадает в паровой коллектор 7 и утилизируется через пароотводящий штуцер 6 из испарителя. На место испарившейся рабочей жидкости многослойный мелкоячеистый сетчатый материал 10 капиллярно-пористой насадки подводит новую порцию хладагента, находящегося в металлическом войлоке 8, который расположен в объемах между ребрами 3.
Предложенный испаритель работает при любой ориентации в пространстве. При нахождении основания 2 испарителя внизу капиллярно-пористая насадка 9 и многослойный мелкоячеистый сетчатый материал 10 всегда смочены рабочей жидкости, которая поступает в крупноячеистую сетку 11, где происходит парообразование и, соответственно, охлаждение основания 2 испарителя.
При расположении основания 2 испарителя в вертикальном положении, т.е. охлаждаемый объект находится сбоку, многослойный мелкоячеистый сетчатый материал 10 за счет капиллярных сил постоянно подпитывается рабочей жидкостью, которая равномерно распределяется по всей его поверхности и поступает в крупноячеистую сетку 11.
Для варианта расположения основания 2 вверху рабочая жидкость, находящаяся в металлическом войлоке (крупнопористой насадки) 8 за счет его капиллярных сил подпитывает сетчатый материал 10. Однако в случае высокого уровня тепловой нагрузки подача рабочей жидкости происходит с незначительным расходом и основной процесс парообразования происходит в металлическом войлоке 8, который нагревается теплопроводностью и от сетчатого материала 10 и от ребер 3. При этом образовавшийся пар проходит через капиллярно-пористую насадку 9, т.е. через многослойный мелкоячеистый сетчатый материал 10 и крупноячеистую сетку 11 и поступает в паровой коллектор 7. При такой ориентации испарителя по сравнению с предыдущими двумя интенсивность охлаждения основания 2 изменяется незначительно, т.к. из-за плотного прижатия капиллярно-пористой насадки 9 к основанию 2 ребрами 3, 4 термическое сопротивление между зоной испарения и охлаждаемой поверхностью минимальное, а образующийся внутри межреберного пространства пар также поступает и двигается в крупноячеистой сетке 11.
Совокупность новых признаков предложенного технического решения: конструкция корпуса в виде плоского основания и кожуха с продольными ребрами с отверстиями, жестко контактирующие с капиллярно-пористой насадкой, которая выполнена в виде двухслойной сетки, состоящей из спеченных внутреннего слоя - из многослойного мелкоячеистого сетчатого материала, и внешнего - крупноячеистой сетки, расположение во внутренних межреберных полостях кожуха крупнопористой насадки в виде металлического войлока, позволяет получить новый, обусловленный взаимосвязью признаков, технический результат, заключающийся в создании эффективно отводящего тепловой поток испарителя с упрощенной конструкцией, работоспособного при любой ориентации в поле сил тяжести.