ТЕРМОСИФОН
THERMAL SIPHON

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в качестве теплопередающего устройства для обеспечения работы механических устройств, погруженных в жидкую среду, например масляных выключателей, при низких температурах окружающей среды. Существующие подогревательные устройства, использующие стандартные трубчатые электронагреватели ТЭН, не являются достаточно надежными и могут приводить к возгоранию маломасляных выключателей серии ВМТ.
Известны различные типы термосифонов и тепловых труб, однако практически все они для эффективной работы требуют предварительной откачки воздуха и поддержания высокой герметичности, что приводит к снижению надежности устройств и их высокой стоимости [Справочник по теплообменникам. М., Энергоатомиздат, 1987, Дан П., Рей Д. Тепловые трубы. М., Энергия, 1979, 272 с., Пиоро И.Л., Антоненко В.А., Пиоро Л.С. Эффективные теплообменники с двухфазными термосифонами. Киев. Наукова думка, 1991, 246 с.]. Наличие даже незначительной примеси воздуха во внутренней части термосифонов приводит к резкому снижению коэффициента теплопередачи при конденсации рабочей жидкости.
Значительный интерес представляют устройства, которые обеспечивали бы надежный подвод тепла при любом содержании воздуха в системе.
Известно устройство, в котором используют специальную пластину для образования паровой полости в зоне конденсации, что позволяет исключить влияние проникающего извне воздуха [а.с. №1764199, 1990.03.16, 5 Н05К 7/20]. Однако предложенная конструкция не предотвращает влияние газов, растворенных в самой жидкости, и имеет ряд конструктивных ограничений.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство с погруженной системой охлаждения электронного оборудования, отличительной особенностью которого является наличие направляющей воронки или полости для собирания или направления пара [патент РФ №2066518, 1993.04.05, 6 Н05К 7/20].
Недостатком данного устройства является отсутствие области для скапливания неконденсирующихся примесей, что значительно ухудшает интенсивность конденсации.
В основу настоящего изобретения положена задача повышения эффективности передачи тепла в термосифоне от нагреваемой части к охлаждаемому участку путем интенсификации теплоотдачи при конденсации в условиях высокого содержании воздуха в системе.
Задачу решают тем, что в известном устройстве термосифона, содержащем 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, при этом в нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу (чертеж). Термосифон без воронки с трубопроводом для движения пара может нормально работать только в том случае, если из системы откачен воздух и жидкость тщательно дегазирована. В противном случае наличие примеси инородного газа резко снижает интенсивность процесса конденсации и в результате не обеспечивается передача необходимого потока тепла. Наличие воронки с трубопроводом для движения пара приводит к тому, что чистый пар, возникающий при кипении жидкости на нагревателе, скапливается в воронке и поступает по паропроводу в зону конденсации, оттесняя при этом находящийся там воздух в нижнюю камеру. Использование клапана, расположенного в этой камере, позволяет при достижении определенного давления выбрасывать находящийся в камере воздух в атмосферу, что приводит к улучшению характеристик термосифона и снижению давления в системе. В качестве рабочей жидкости используют раствор изопропилового спирта в воде, что обеспечивает незамерзание рабочей жидкости в условиях низких температур.
Устройство состоит из верхней камеры 1, имеющей форму вертикального цилиндра с крышкой 2, нижней камеры 6, которая перегорожена воронкой 7 с небольшими отверстиями по краям для перетока жидкости, и паропровода 3, клапана 4 и нагревателя 5, чертеж. Цилиндр вставляется в гнездо масляного выключателя серии ВМТ.
Устройство работает следующим образом.
На чертеже показано устройство в режиме работы. В начальный момент нижняя камера термосифона заполнена жидкостью. Уровень заливки определяют из расчета, что находящийся в устройстве воздух будет вытеснен в нижнюю камеру. При включении нагрузки происходит нагрев жидкости в нижней камере. При кипении жидкости пар собирается в воронке, поступает в паропровод и далее, вытесняя воздух, распространяется в верхней камере. Процесс сопровождается повышением давления в системе, в результате чего объем воздуха, изначально содержащийся в термосифоне, уменьшается. Паропровод 3 и крышка цилиндра 2 устроены таким образом, что струя пара направляется на охлаждаемые стенки цилиндра, где происходит конденсация пара. В результате оттеснения воздуха от внутренней поверхности цилиндра интенсивность процесса конденсации увеличивается, а давление в системе снижается. Большая часть воздуха из верхней камеры скапливается в нижней. Если в стадии запуска системы нагрузку постепенно увеличивать до значения, превышающего номинальное, то давление в системе достигнет некоторой величины, при которой сработает установленный в нижней камере клапан и часть воздуха выйдет из термосифона. Рабочее давление снизится, интенсивность конденсации увеличится. Снижение рабочего давления в системе приведет к уменьшению потерь рабочей жидкости, что обеспечит увеличение времени работы термосифона без дозаправки.
Использование предложенного устройства позволяет существенно повысить эффективность передачи тепла в термосифоне от нагреваемой части к охлаждаемому участку, при этом увеличивая время работы термосифона без дозаправки.
Расчеты и экспериментальные исследования [Kabov О.A., Chinnov E.A. Vapor-gas mixture condensation in a two-chamber vertical thermosyphon. Journal of Enhanced Heat Transfer. 2002, Vol.9, pp.57-67] показали, что рассмотренная конструкция термосифона обеспечивает подвод тепла мощностью 2 кВт к выключателю маломасляному серии ВМТ при высоте конденсатора 830 мм и внешнем диаметре 50 мм с использованием в качестве рабочей жидкости воды с 40% по массе добавкой изопропилового спирта.