КОНТУРНАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА
HEAT LOOP PIPE

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к контурным тепловым трубам, и может быть использовано в различных системах терморегулирования, в том числе в составе космических аппаратов для эффективного отведения тепловых потоков от твердых тепловыделяющих поверхностей, а также от жидких и газообразных сред.
Известна контурная тепловая труба (КТТ) с испарителем, содержащим корпус с помещенной внутрь капиллярно-пористой насадкой, пропитанной теплоносителем, и компенсационную полость, расположенную со стороны входа в испаритель жидкого теплоносителя (патент US 2009314472 (A1), опубл. 24.12.2009, кл. F28D 15/04), (А.с. СССР №449213, кл. F28D 15/00, опубл. 05.11.1974).
Испаритель КТТ выполняет одновременно четыре функции: парогенератора, капиллярного насоса, гидравлического затвора и теплового затвора. Наличие компенсационной полости позволяет КТТ надежно работать при различном ее положении, а также при изменении относительного объема жидкой фазы заправленного теплоносителя, которое происходит вследствие изменения рабочей температуры.
Наряду с рядом достоинств, которыми обладают контурные тепловые трубы (например, передача больших тепловых нагрузок и уверенная работа в условиях противодействия сил гравитации капиллярным силам) существуют и разного рода ограничения на их применение, возникающие при организации теплоподвода к испарителю. Оптимизация размеров и конфигурации испарителя, как правило, вступает в закономерное противоречие с оптимизацией теплового интерфейса с охлаждаемым объектом.
В силу технологических особенностей, связанных с изготовлением капиллярно-пористой насадки и размещением ее внутри корпуса испарителя, наибольшее распространение получили контурные тепловые трубы, имеющие испаритель цилиндрической формы. Цилиндрические испарители лучше выдерживают внутреннее давление заправленного двухфазного теплоносителя, при этом в них проще обеспечить высокое качество контакта между корпусом и капиллярно-пористой насадкой, а также проще достичь приемлемого уплотнения для обеспечения работы капиллярного гидрозатвора.
Для соединения с плоскими поверхностями цилиндрические испарители снабжают переходными элементами - контактными фланцами из теплопроводного материала, которые обеспечивают эффективную передачу тепла от плоской поверхности к цилиндрической. Однако при работе с высокими тепловыми нагрузками или при отведении тепла от больших поверхностей увеличивать зону теплопередачи приходится, в основном, увеличивая длину цилиндров испарителей. Увеличение диаметра испарителя имеет технологические ограничения, и, кроме того, при одностороннем подводе тепла наращивание диаметра является нерациональным в силу роста радиальной неравномерности теплоподвода. Практика, однако, показала также и невысокую надежность чрезмерно длинных цилиндрических испарителей, протяженные питающие каналы которых могут блокироваться паровыми пузырями с последующим осушением испарителя.
В работе (W.Bienert, D.Wolf, M.Nikitkin etc., The Proof-of-Feasibility of Multiple Evaporator LHPs, ESA-SP-400, 6-th EU Syposium on SECS, NL, 1997) рассмотрен один из способов увеличения поверхности и изменения конфигурации зоны теплоподвода посредством создания контурной тепловой трубы (КТТ) с несколькими испарителями, каждый из которых имеет свою компенсационную полость. Несмотря на то что принципиальная работоспособность данного решения подтверждена, оно не получило широкого распространения, поскольку стабильность работы КТТ, содержащей несколько испарителей, имеет ряд существенных ограничений по заправке, распределению тепловой нагрузки, относительному расположению элементов КТТ и т.п.
Учитывая недостатки описанных выше аналогов, в большинстве случаев, при необходимости увеличения зоны теплоподвода испарителя контурной тепловой трубы, специалисты принимают решение об установке нескольких параллельных КТТ, каждая из которых снабжена одним испарителем, как это сделано, например, для охлаждения аккумуляторной батареи в работе (K.Goncharov, V.Buz, etc. Development of loop heat pipes for thermal control system of nickel-hydrogen batteries of "Yamal" satellite, 13th IHPC, Shanghai, China, 2004) или для отвода тепла от жидкой среды однофазного контура с механическим насосом в работе (D.Tulin, E.Kotlyarov, G.Serov and I.Tulin, The 4000W hybrid single- and two-phase thermal control system for payload and equipment of geostationary communication satellite. AIAA #772668, ICES-40, Barcelona, 2010).
Однако наличие нескольких параллельных, автономных, одновременно работающих КТТ может сопровождаться существенной неравномерностью распределения теплового потока и градиента температур между испарителями. Кроме того, пропорционально количеству КТТ следует наращивать средства регулирования, мониторинга и управления, что является существенным недостатком данного решения при его практической реализации.
К предлагаемому изобретению наиболее близка контурная тепловая труба по патенту РФ №2079081 (опубл. 10.05.1997).
Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в увеличении поверхности зоны теплоподвода испарителя КТТ, при обеспечении ее заданных пропорций, а также в снижении температурного градиента в зоне контакта испарителя с охлаждаемым объектом. При раскрытии сущности предлагаемого изобретения и описании примера его реализации будут названы и другие виды достигаемого результата, с которыми названный выше технический результат имеет причинно-следственную связь.
Предлагаемая контурная тепловая труба, как и наиболее близкая к нему КТТ, содержит соединенные паро- и конденсатопроводом конденсатор и по меньшей мере один испаритель, снабженный капиллярно-пористой насадкой с пароотводными и питающими каналами, компенсационную полость, сообщающуюся с конденсатопроводом, и вспомогательную капиллярную структуру, расположенную внутри питающих каналов и компенсационной полости и соединяющую питающие каналы с компенсационной полостью.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом устройстве, в отличие от указанного наиболее близкого к нему известного, испаритель контурной тепловой трубы выполнен в виде нескольких расположенных рядом цилиндрических корпусов с установленными внутри них капиллярно-пористыми насадками со сквозными питающими каналами, при этом компенсационная полость разделена на две части, сообщающиеся друг с другом через питающие каналы и расположенные с противоположных торцов капиллярно-пористых насадок, а пароотводные каналы выводят пар от каждой капиллярно-пористой насадки в общий паропровод.
Кроме того, цилиндрические корпуса встроены в общий контактный фланец из теплопроводного материала.
Кроме того, цилиндрические корпуса снаружи снабжены ребрами из теплопроводного материала.
Кроме того, цилиндрические корпуса расположены рядами в шахматном порядке.
Предлагаемые конструктивные решения позволяют создать КТТ с испарителем, в котором практически в любой точке связанного объема, образованного двумя частями компенсационной полости и всеми питающими каналами, присутствует теплоноситель в состоянии насыщения, что обеспечивает равномерность температуры и давления, а также одинаковый температурный уровень работы частей испарителя. При этом, варьируя количеством цилиндров и расстоянием между ними можно оптимизировать либо обеспечить заданную конфигурацию зоны передачи тепла от охлаждаемого объекта к испарителю.
Отвод пузырей пара из питающих каналов может происходить в две стороны, а жидкость на подпитку капиллярно-пористой насадки, также может поступать с двух сторон, что существенно повышает надежность испарителя.
Разделение компенсационной полости на две части расширяет возможности применения испарителя, состоящего из нескольких цилиндров, в частности, могут быть сведены к минимуму или сняты ограничения на ориентацию испарителя в поле массовых сил.
Регулирование температурного уровня испарителя и управление КТТ может быть обеспечено известными распространенными способами: с помощью регулятора-нагревателя, регулятора давления, термоэлектрического микрохолодильника (ТЭМХ). При этом количество применяемых средств регулирования, мониторинга и управления, а именно: датчиков, клапанов, нагревателей, ТЭМХ и др. соответствует их количеству, применяемому для КТТ имеющей один испаритель. То есть испаритель в предлагаемой КТТ является не соединением нескольких испарителей в единый блок, а является конструктивно и функционально одним испарителем, состоящим из нескольких секций (частей), обеспечивающих совместную работу в едином режиме.
Для подвода тепла к цилиндрическим корпусам, последние могут быть встроены в общий контактный фланец из теплопроводного материала, который обеспечит передачу тепла от плоской поверхности теплопровода ко всем цилиндрам.
Предлагаемая контурная тепловая труба может быть использована и для теплообмена с текучими средами, например для охлаждения потока газа или жидкости. В этом случае, для развития поверхности наружного теплообмена цилиндры снабжены (например, поперечными) ребрами из теплопроводного материала, или внешняя поверхность самих цилиндров используется для осуществления теплообмена с текучей средой, причем цилиндры могут быть установлены рядами в шахматном порядке аналогично тому, как это делается в кожухотрубчатых теплообменниках.
При описании конкретного выполнения предлагаемого устройства физические эффекты, обусловливающие достижение присущего изобретению технического результата, будут рассмотрены более подробно.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:
- на фиг.1 - общий вид контурной тепловой трубы с испарителем, выполненным из нескольких цилиндрических корпусов, встроенных в общий контактный фланец, разрез испарителя по Д-Д;
- на фиг.2 - разрез испарителя КТТ по А-А на фиг.1;
- на фиг.3 - разрез испарителя КТТ по Б-Б на фиг.1;
- на фиг.4 - разрез испарителя КТТ по В-В на фиг.1;
- на фиг.5 - разрез одного цилиндра испарителя по Г-Г на фиг.4;
- на фиг.6 - общий вид испарителя контурной тепловой трубы (для охлаждения потока жидкости), выполненного из нескольких цилиндрических корпусов, снабженных снаружи ребрами из теплопроводного материала;
- на фиг.7 - общий вид испарителя контурной тепловой трубы (для конденсации внешнего потока пара), выполненного из нескольких цилиндрических корпусов, расположенных рядами в шахматном порядке;
- на фиг.8 - разрез испарителя по Е-Е на фиг.7.
Предлагаемая контурная тепловая труба, показанная на фиг.1, содержит испаритель, состоящий из нескольких цилиндрических корпусов, (1) расположенных рядом друг с другом. Имеющиеся внутри каждого цилиндра капиллярно-пористые насадки (2) уплотнены с торцов так, чтобы две части компенсационной полости (3) через питающие каналы (4) свободно сообщались друг с другом, и в то же время не имели соединения с пароотводными каналами (5). Вспомогательная капиллярная структура (6) обеспечивает капиллярную связь всех питающих каналов с обеими частями компенсационной полости (3). Генерируемый каждой пористой насадкой пар по пароотводящим каналам попадает в общий паропровод (7) Паропровод соединен с входом в конденсатор (8), а выход конденсатора с помощью конденсатопровода (9) соединен с компенсационной полостью для обеспечения возврата жидкого теплоносителя в испаритель.
Для подвода тепла к цилиндрическим корпусам, последние могут быть встроены в общий контактный фланец (10) из теплопроводного материала, который обеспечивает передачу тепла от плоской поверхности теплоподвода к каждому цилиндру испарителя.
На фиг.6 показан вариант применения КТТ для охлаждения жидкой или газовой среды. Для этого цилиндры испарителей снабжены ребрами (11), в данном примере поперечными. Ребра могут быть выполнены из различных теплопроводных материалов (алюминий, сталь, медь, неметаллы) в зависимости от задачи. Принцип подбора количества ребер, их шага и толщины полностью соответствует инженерным методам выбора конструкции рекуперативных теплообменников.
На фиг.7 также показан вариант применения КТТ для охлаждения текучих сред или для конденсации пара, однако здесь нет ребер, а поверхность внешнего теплообмена формируется из внешней поверхности самих цилиндров. Данное решение целесообразно применять в тех случаях, когда плотность теплового потока, попадающего на цилиндры достаточно велика, а требуемое гидравлическое сопротивление потоку (движущейся охлаждаемой среды) необходимо минимизировать.
Контурная тепловая труба работает следующим образом. Жидкость, поступающая из конденсатопровода (9) контурной тепловой трубы в компенсационную полость (3), подпитывает каждую капиллярно-пористую насадку (2) испарителя с помощью вспомогательной капиллярной структуры (6). Формирующиеся вследствие работы испарителя паровые пузыри периодически выходят из питающих каналов (4), не мешая подпитке капиллярно-пористых насадок (2) жидким теплоносителем. Пар, генерируемый в зоне контакта капиллярно-пористых насадок (2) с внутренними стенками цилиндрических корпусов (1) испарителя, через пароотводные каналы (5) выводится в общий паропровод (7), как показано на фиг.1-фиг.4.
Далее контурная тепловая труба работает, как любая другая КТТ, по замкнутому испарительно-конденсационному циклу. Пар из испарителя движется в конденсатор, конденсируется и рекуперативным способом (через герметичную стенку) отдает тепло в окружающую среду или другому объекту системы терморегулирования. Конденсатор КТТ - конденсатор проточного типа, т.е. со стороны входа поступает пар, а на выход в виде жидкости поступает сконденсировавшийся теплоноситель. Жидкий теплоноситель по конденсатопроводу из конденсатора доставляется обратно в испаритель. Циркуляция происходит за счет разности давлений, возникающей на капиллярно-пористых насадках в процессе работы испарителя КТТ.
Использование предлагаемого изобретения существенно расширит возможности применения контурных тепловых труб при охлаждении теплонапряженных платформ с различным оборудованием, в том числе с оборудованием, выделяющим тепло с высокой плотностью, а также для создания на базе испарителя КТТ теплообменников, предназначенных для эффективного охлаждения газовых и жидкостных потоков в различных отраслях промышленности, включая транспортную технику, работа которой сопровождается изменением ориентации объекта и созданием различных перегрузок, а также космическую технику, системы которой должны быть работоспособны при отсутствии гравитации.