ТРУБА ТЕПЛОВАЯ САМОРЕГУЛИРУЮЩАЯСЯ
SELF-REGULATING HEAT PIPE

Изобретение относится к терморегулирующим устройствам многоцелевого назначения, не требующим для своего функционирования специальных компонент электронного или иного характера и дополнительных источников энергии.
Они могут быть использованы для выращивания микроорганизмов в ферментерах для поддержания воздуха в помещении, обогреваемом приборами центрального отопления, в комфортных температурных условиях и др. В качестве структурного элемента они содержат известные тепловые трубы (ТТ), частично заполненные неконденсирующимся газом («газом»).
Известны регуляторы температуры, например, РТК-2216, предназначенные для автоматического поддержания заданной температуры в отапливаемых помещениях за счет регулирования секундного расхода теплоносителя [Манюк В.И. и др. «Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник» 3-е изд. М., Стройиздат, 1988. Указанные типы регуляторов характеризуются:
- нестационарным характером течения теплоносителя в приборах и опасностью возникновения автоколебательных процессов;
- физическим контактом теплоагента с термостабилизируемой средой, что для, например, биохимических технологических процессов недопустимо;
- отложением технологических солей, растворенных в теплоагенте, на взаимоперемещаемых поверхностях, например седла и клапана.
Предлагаемая ниже конструкция лишена отмеченных недостатков.
Существуют саморегулирующиеся тепловые трубы (СРТТ), известные также как газорегулируемые (ГРТТ), обладающие способностью стабилизировать (регулировать) температуру стенки ТТ при переменных тепловых нагрузках на испарителе и конденсаторе. См., например, Bienert W.Dynatherm Corp., Cockeysville, Proc. 4-th IECEC, 1969, p.1033. Русский пер.: Бинерт «Применение тепловых труб для регулирования температуры». В сб. «Тепловые трубы», пер. с англ. и нем. М., «Мир», 1972. С.349…370.
В этих ТТ эффект термостабилизации достигают благодаря различному типу зависимости от температуры давления насыщенного пара и газа: экспоненциальная и соответственно близкая к линейной. Вследствие этого меняются активная поверхность теплообмена конденсатора, осевая тепловая нагрузка и, как следствие, стабилизируется температура.
Для усиления эффекта терморегулирования ТТ обычно соединяют с сильфоном, наполненным неконденсирующимся газом. Подобный эффект оказывает и внутренняя вставка в паровом канале.
Приводимое ниже описание тепловой трубы саморегулирующейся в отличие от известных конструкций обладает свойством терморегулирования объекта сплошной среды (газа, жидкости др.) за счет компенсации нерегламентированных (случайных) потерь тепла Q(t) этим объектом. Свойство «саморегулирования» для данной конструкции имеет тот смысл, что термическое сопротивление ТТ меняется автоматически вследствие изменения температуры объекта, контактирующего с конденсатором. Это достигают благодаря системе сильфонов, специальным образом взаимодействующих с ТТ, а именно тем, что труба тепловая саморегулирующаяся с обогреваемым наружным теплоносителем испарителем, с конденсатором в тепловом контакте с объектом сплошной среды (газом, жидкостью и др.), с капиллярной системой, обеспечивающей возврат конденсата в испаритель, с емкостью переменного объема, заполненной неконденсирующимся газом, например сильфоном, «газовым» сильфоном, соединенным с концом конденсатора, с образованием системы сообщающихся сосудов «тепловая труба - газовый сильфон» содержит регулирующий блок из трех различных механически взаимодействующих сильфонов, размещенных в вертикальном несущем перфорированном цилиндре («цилиндре»), один из которых, газовый сильфон, соединенный с конденсатором капиллярной трубкой, фиксируют в «нижнем» основании цилиндра, другой сильфон фиксируют в «верхнем» основании цилиндра и через фланец сильфона капиллярной трубкой соединяют с началом испарителя, «конденсатный» сильфон с образованием трехемкостной системы сообщающихся сосудов - «конденсатный сильфон - тепловая труба - газовый сильфон»; третий сильфон предварительно заполняют специально подобранной рабочей жидкостью, герметизируют («автономный» сильфон) и механически сопрягают с газовым и конденсатным сильфонами, причем «верхним» фланцем автономный сильфон с помощью кольца фиксируют в цилиндре на высоте, не превышающей нижнего положения дна при расширении конденсатного сильфона, а сильфоны автономный и газовый соединяют с помощью кольца, на котором устанавливают передаточные стойки, пропускают их через отверстия в диске, фиксирующем фланец автономного сильфона, и закрепляют на другом диске, сопряженном, с дном конденсатного сильфона, например, при помощи пайки.
Для автоматического достижения задаваемой температуры автономный сильфон заполняют рабочей жидкостью, угол наклона кривой насыщения пара которой к температурной оси превышает аналогичную величину для рабочей жидкости в тепловой трубе.
Для задания температуры объекта регулирования между диском, сопряженным с дном конденсатного сильфона, и верхним основанием цилиндра в местах крепления передаточных стоек устанавливают пружины задатчика, работающих на сжатие и растяжение, с вынесенными за пределы цилиндра подстроенными винтами.
Для усиления терморегулирующих свойств капиллярную трубку между конденсатным сильфоном и началом испарителя прокладывают внутри парового канала.
ТТ в качестве промежуточного теплоносителя при определенных конструктивных и режимных параметрах могут быть более эффективными, чем, например, проточные теплообменники [См. Верников Е.М. и др. «Исследование и метод расчета относительной эффективности тепловых труб и проточных теплообменников». - Сушильные аппараты и печи для химических производств. Сб. «Химическое машиностроение»] М.: НИИхиммаш, 1981, с.153…161. Можно утверждать, что встраивание в регулирующее устройство ТТ между теплоносителем и терморегулируемым объектом при определенных условиях не ухудшает интенсивности теплопередачи.
Схема устройства приведена на Фиг.1.
Конструкция состоит из ТТ и терморегулирующего блока (ТРБ), выполненного из трех разнофункциональных сильфонов, размещенных в несущем вертикальном перфорированном цилиндре («цилиндре») и специальным образом взаимодействующих с паровым каналом. Перфорация цилиндра предназначена для уменьшения тепловой инерции устройства.
Поверхность испарителя 1 обогревают проточным теплоносителем, а тепло от конденсатора 2 передают ограниченному объему окружающей сплошной среды.
Термостабилизируемый объект Г (стабобъект Г) ограничен полупроницаемой поверхностью (пунктирная линия Г) и находится в хорошем тепловом контакте с поверхностью конденсатора, например, за счет интенсивного перемешивания среды.
Сильфон 5, с неконденсирующимся газом, «газовый» сильфон (ГС-5), соединен с паровым каналом капиллярной трубкой 4. ГС-5 сопрягают с дном сильфона 7, предварительно заполненным специально подобранной рабочей жидкостью и герметично закрытым, с «автономным» сильфоном (АС-7).
Фланец АС-7 с кольцом 10 фиксируют в цилиндре 6 на некотором расстоянии от верхнего основания цилиндра, которое указано ниже.
Состыкованные ГС-5 и АС-7 соединяют кольцом 8, свободно перемещающемся в цилиндре 6. На этом кольце укрепляют «стойки-тяги» 9, пропускают их через специальные отверстия в неподвижном кольце 10 и фиксируют на другом подвижном кольце 11, совмещенном с дном третьего, «конденсатного» сильфона 13 (КС-13). Стойки-тяги 9 обеспечивают передачу механических усилий «сжатия-растяжения» от АС-7 и деформацию КС-13.
Фланец КС-13 фиксируют в верхнем основании 12 цилиндра 6 и капиллярной трубкой 14 соединяют с началом испарителя 1. Трубку 14 прокладывают внутри парового канала; она одновременно служит «внутренней вставкой», повышающей терморегулирующие свойства конструкции, как отмечалось выше.
Кольцо 10 в цилиндре 6 укрепляют на высоте, обеспечивающей максимальный размах отклонения дна КС-13. Между кольцом 11 и основанием цилиндра 12 в местах крепления тяг-стоек 9 размещают пружины 15 задатчика стабилизируемой температуры. Винты задатчика с регулировочными гайками 16 устанавливают снаружи цилиндра 6. Пружины 15 задатчика используют и на сжатие и растяжение.
Для ТТ рабочая жидкость выбирается из требований удовлетворительной теплопередачи между наружным теплоносителем и стабобъектом Г. Особенностью данной конструкции, обеспечивающей автоматический выход на заданную стабилизируемую температуру, является превышение угла наклона кривой давления насыщенного пара к температурной оси для АС-7 аналогичной величины для пара в ТТ.
4
2
6
b
h
Сила, действующая на дно сильфона, определяется как давлением насыщенного пара, так и площадью поперечного сечения (дна) сильфона. На Фиг.2 в качестве примера приведена зависимость давления от температуры и силы, действующей на дно сильфона для четыреххлористого углерода (ССl) в ТТ (пунктирная линия) и этанола (СНО) в АС-7 (серия из трех сплошных линий). Линии 'b' и 'h' задают давление пара, т.к. площадь дна сильфонов для них равна (S_=S_=l кв.см (кривые 'b' и 'h'). Они являются линейной аппроксимацией экспоненциальных зависимостей, взятых из: «Теплотехнический справочник», Изд.2, т.1, M., «Энергия», 1975, 744 с. (Рис.5-7. «Зависимость давления насыщения пара некоторых жидкостей от температуры». Табл.5-51, с.198. «Температура насыщенного пара неорганических веществ»).
b
b
a
b
c
Сплошные линии 'а' и 'с' представляют зависимости сил давления на дно сильфонов с площадью, большей S_ (кривая 'а') и меньшей S_ (кривая 'с'). Для кривой 'h' S_b=1 кв.см. Множество точек пересечения линий пунктирной и серии сплошных (в частности, h_, h_ и h_) дает возможность конструктивного выбора температуры стабобъекта Г.
Оценить зависимость диаметров сильфонов, температуру и давление насыщенного пара можно из уравнения баланса сил взаимодействующих сильфонов
a
a
g
g
Fa=Fg+Fc; Fa=Php(Sg+Sc)+Xk+Xk+Xckc±X(t)kt,
где F, Х - сила взаимодействия и величина деформации сильфонов; Р - давление насыщенного пара; S - площадь дна сильфона; k - упругость сильфона; X(t) - устанавливаемая деформация пружины подстройки температуры.
Индексы: a, g, с - сильфоны автономный, газовый и конденсатный соответственно; hp - паровой канал ТТ; t - пружины подстройки задатчика температуры.
Ра(Та)=[Php(Thp)(Sg+Sc)+X(ka+kg+kc)±X(t)kt]/Sa.
Из-за жесткого сопряжения сильфонов перемещение их дна одинаково и равно X. Здесь принято, что на малых дозвуковых режимах течения пара и, соответственно, малых тепловых нагрузках давление и температура по длине ТТ меняются мало, т.е. значение давления в сильфонах ГС-5 и КС-13 близки.
Примем, что сумма площадей поперечного сечения ГС-5 и КС-13 равна площади дна АС-7, а упругие силы сильфонов уравновешиваются силам подстроечных пружин. Тогда, в соответствии с Фиг.2, температура стабобъекта Г приближенно равна температуре в точке пересечения температурных зависимостей насыщенного пара этанола в АС-7 и четыреххлористого углерода в ТТ, т.е. около 84°С.
Устройство работает следующим образом.
Можно выделить три основных режима работы устройства: пусковой, рабочий квазистационарный и режим «теплового удара». При пуске устройства из «холодного» состояния все компоненты конструкции, как и стабобъекта Г, имеют одинаково низкую температуру, АС-7 находится в сжатом состоянии из-за пониженного давления насыщенного пара. Под его действием ГС-5 растянут, а газ, например атмосферный воздух, и пар равномерно распределены в паровом канале.
4
На этом режиме согласно Фиг.2 давление насыщенного пара четыреххлористого углерода в ТТ и этанола в АС-7 имеют значения ниже точки пересечения кривых, причем давление в ТТ с ССl выше. При нагреве испарителя 1 газ оттесняется в конденсатор, образуя газовую пробку с границей раздела «пар-газ» 3. Одновременно повышается температура стабобъекта Г и по достижении определенного значения в АС-7 начнется испарение жидкости и экспоненциальное повышение давления.
До достижения точки пересечения кривых давление насыщения пара в ТТ превышает давление в АС-7, а фронт «пар-газ» перемещается в направлении ГС-5, вследствие чего поверхность теплообмена конденсатора увеличивается. Одновременно стойки-тяги 9 сжимают КС-13, выдавливая из него конденсат в ТТ и обеспечивая высокую эффективную проводимость ТТ. По достижении состояния, соответствующего точке пересечения кривых, пусковой режим заканчивается. Выше точки пересечения давление в ТТ становится меньше, чем в АС-7. Начинается рабочий режим, состоящий в том, чтобы за счет компенсации нерегулярных, непредсказуемых потерь тепла Q(t) удерживать температуру на заданном уровне. Если по каким-либо причинам температура стабобъекта Г повысилась выше заданной, например, из-за изменения условий на испарителе или по другим причинам, АС-7 расширится, сожмет ГС-5, выталкивая из него газ и блокируя часть конденсатора. Одновременно тяги-стойки 9 заставят расшириться КС-13 с перетеканием в него части конденсата из ТТ, что не даст проявиться эффекту повышения температуры ТТ с уменьшением поверхности теплоотвода на конденсаторе. Можно провести аналогию между предлагаемым устройством и центробежным регулятором, см., например, Понтрягин Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения. Изд. 3, М., «Наука», 1970. Согласно свойству саморегулирующихся систем температура стабобъекта Г будет незначительно колебаться вблизи установленной температуры.
Описанный режим можно назвать квазистационарным, он предполагает интенсивный теплообмен между конденсатором и стабобъектом Г, что можно осуществить, например, благодаря интенсивному гидродинамическому перемешиванию среды стабобъекта Г. По Фиг.2 можно оценить максимальное «отставание» температуры стабобъекта Г от температуры ТТ, в пределах которого давление в АС-7 выше давления в ТТ; оно должно находиться в пределах температурной разности между точками 2 (кривая 'h') и точкой 1 (кривая 'а'). Режим «теплового удара» может реализоваться в том случае, если теплообмен между конденсатором и АС-7 затруднен, низкоинтенсивен. АС-7 будет находиться в сжатом состоянии в связи с недосточной его прогретостью, хотя стабобъект Г уже может иметь температуру выше заданной. В этой ситуации интенсивный нагрев стабобъекта Г будет продолжаться, несмотря на «зашкаливание» его температуры. Однако из-за запаздывания поступления большого количества тепла АС-7 перегреется относительно заданной температуры и работа конструкции выйдет за пределы квазиравновесного процесса, а стабобъект Г может приобрести температуру, близкую обогревающему испаритель 1 теплоносителю. Когда, наконец, разность температур, вследствие прогрева, сократится до величины, достаточной для квазиравновесного режима, температура стабобъекта Г вернется к заданной.