ДВУХФАЗНЫЙ ТЕРМОСИФОН
TWO-PHASE THERMAL SIPHON

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплообменным аппаратам с промежуточным теплоносителем в закрытых трубах, проходящих внутри стенок или через стенки каналов, в которых теплоноситель конденсируется и испаряется, и может быть использовано 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 этого двухфазного термосифона является низкая интенсивность теплообмена, что обусловлено пленочной конденсацией на внутренней поверхности верхней камеры и высокой температурой на внешней поверхности.
Задачей изобретения является повышение интенсивности теплообмена в верхней камере 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 изобретению верхняя внутренняя поверхность корпуса снабжена одинаковыми равномерно расположенными прямоугольными выступами для капельной конденсации пара. Корпус и эти выступы выполнены из одного материала. Над корпусом прикреплена пластина, через сквозные равномерно расположенные отверстия которой пропущены силиконовые трубки, одни концы которых через перистальтический насос опущены в бак с дистиллированной водой, а к другим концам силиконовых трубок прикреплены полые иглы так, что они расположены над верхней поверхностью корпуса.
Прямоугольные выступы на верхней внутренней поверхности корпуса обеспечивают капельную конденсацию пара, интенсифицируя теплообмен в зоне конденсации двухфазного термосифона. Капли, падающие из полых игл, охлаждают верхнюю наружную поверхность корпуса термосифона. Таким образом, по сравнению с прототипом, повышается интенсивность теплообмена в верхней камере двухфазного термосифона.
На фиг. 1 представлена конструкция двухфазного термосифона.
На фиг. 2 показан узел А.
Двухфазный термосифон содержит цельный корпус 1 (фиг. 1) в виде соединенных между собой верхней 2 и нижней 3 соосно расположенных вертикальных цилиндрических камер с образованием снаружи, в месте их соединения, кольцевой площадки. Диаметр нижней камеры больше диаметра верхней камеры. В нижней камере 3, заполненной жидкостью, например раствором этилового спирта, размещена воронка 4, узкая часть которой соединена с паропроводом 5, расположенным в верхней камере 2 и имеющим форму витой трубы, на внутренней поверхности которой по всей ее длине выполнен прямоугольный выступ 6. На внутренней верхней поверхности корпуса 1 выполнены одинаковые равномерно расположенные прямоугольные выступы 7 (фиг. 2). Бортовая часть воронки 4 (фиг. 1) соединена с внутренними боковыми поверхностями нижней камеры 3 и выполнена с равномерно расположенными по окружности отверстиями 8. В нижней камере 3, выше уровня заполняющей ее жидкости, расположен выпускной клапан 9.
Над корпусом 1 размещена пластина 10, прикрепленная к нему с помощью приваренного к боковой поверхности корпуса 1 стержня 11. Через сквозные равномерно расположенные отверстия пластины 10 пропущены силиконовые трубки 12, одни концы которых через перистальтический насос 13 (Н) опущены в бак 14 с дистиллированной водой. К другим концам силиконовых трубок 12 прикреплены полые иглы 15 так, что они расположены на расстоянии 5 см над верхней поверхностью корпуса 1.
Корпус 1 и прямоугольные выступы 7 на его внутренней верхней поверхности выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (нержавеющая сталь, медь, латунь). Ширина каждого выступа составляет 5 мкм, его высота - 30 мкм. Ширина паза между выступами - 30 мкм.
Двухфазный термосифон работает следующим образом.
При установке двухфазного термосифона, например, на аккумуляторную батарею, подвод тепла происходит через дно нижней камеры 3, при этом осуществляется тепло- и массоперенос с изменением агрегатного состояния теплоносителя - жидкости. Так как плотности теплоносителя в зонах испарения и конденсации различны, то эта разность в значении плотностей теплоносителя создает движущийся напор под действием сил гравитации, создавая естественную циркуляцию в контуре термосифона. Парожидкостная смесь, образованная при кипении жидкости в нижней камере 3, собирается в воронку 4 и проходит по паропроводу в форме витой трубы 5 в верхнюю камеру 2, вытесняя воздух, при этом давление в термосифоне повышается. Капли жидкости задерживаются прямоугольным выступом 6 на внутренней поверхности витой трубы 5. Далее пар направляется на одинаковые равномерно расположенные прямоугольные выступы 7 на внутренней верхней поверхности корпуса 1. Происходит капельная конденсация пара, при которой капли 16 располагаются на выступах 7, а пар непосредственно контактирует с верхней стенкой зоны конденсации, при этом интенсивность теплообмена в зоне конденсации повышается, а давление в контуре снижается. Через полые иглы 15, расположенные над верхней поверхностью корпуса 1, перистальтическим насосом 13 (Н) из бака 14 с водой по силиконовым трубкам 12, пропущенным через сквозные равномерно расположенные отверстия пластины 10, нагнетаются капли 17, которые, попадая на верхнюю наружную поверхность корпуса 1 термосифона, охлаждают ее. По стенкам внутренней поверхности корпуса 1 верхней камеры 2 конденсат стекает вниз в зону испарения, где через отверстия 8 в бортовой части воронки 4 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 9 и часть воздуха удаляется из термосифона.