КОНДЕНСАТОР КОНТУРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ

Полезная модель предназначена для применения в теплотехнике и может быть использована в миниатюрных контурных тепловых трубах (КТТ), размещенных в ограниченном пространстве, например в системах охлаждения мобильных компьютеров.
Известен конденсатор контурной тепловой трубы [Патент РФ №2290585]. Указанный конденсатор включает в себя цилиндрический корпус с торцевыми стенками с отверстиями для подключения конденсатопровода и паропровода, с внутренним пространством в форме кольцевой щели и дистанцирующими элементами, представляющими собой направляющие вставки, выполненные в форме спирали из проволоки диаметром равным толщине зазора. Кольцевую щель в конденсаторе формирует корпус и коаксиальная вставка, заглушенная торцевым коническим обтекателем со стороны паропровода.
Недостатком такого конденсатора является цилиндрическая форма, которая плохо сопрягается с существующими радиаторами, имеющими, в основном, плоскую контактную поверхность. Недостатком является также относительно небольшая поверхность теплообмена, увеличение которой при ограниченной длине влечет за собой значительное увеличение диаметра конденсатора, что, в свою очередь, затрудняет размещение конденсатора в стесненных условиях, в которых используются миниатюрные КТТ. При этом интенсифицирующие вставки такого типа закрывают часть поверхности конденсации, тем самым еще больше уменьшая активную поверхность конденсации.
Наиболее близким к заявляемому является конденсатор контурной тепловой трубы [Патент РФ №124377], включающий корпус в форме параллелепипеда, с торцевыми стенками и отверстиями для подключения конденсатопровода и паропровода, с внутренним пространством в форме щели, в которой размещены дистанцирующие элементы, представляющие собой направляющие вставки, расположенные параллельно боковым стенкам корпуса и закрепленные поочередно на противоположных торцевых стенках корпуса, образуя щелевой канал серпантинообразной формы для конденсации пара.
При этом:
- отверстия для подключения паропровода и конденсатопровода могут быть расположены в углах корпуса симметрично его продольной оси;
- отверстия для подключения паропровода и конденсатопровода могут быть расположены в противоположных углах корпуса конденсатора относительно его диагонали;
- длина направляющих вставок меньше длины корпуса;
- направляющие вставки могут иметь круглое сечение;
- направляющие вставки могут иметь прямоугольное сечение.
Такая конструкция конденсатора позволяет повысить интенсивность теплообменных процессов в конденсаторе контурной тепловой трубы за счет интенсификации теплообмена путем турбулизации потока пара при изменении направления его движения и удаления пленки жидкости с поверхности конденсации. Пленка жидкости подтягивается к стержням за счет капиллярных сил, создаваемых менисками жидкости, образующимися на границе контакта стержней с плоской поверхностью конденсатора, и движется в сторону выхода из конденсатора вдоль вставок под действием градиента давления. Сплошность потока жидкости в конденсаторе при этом не нарушается. Интенсифицировать процесс конденсации удается также за счет увеличения длины пробега пара вдоль конденсирующей поверхности конденсатора, которая выражается формулой:
δ=(n+1)l,
где n - число стержней, l - длина конденсатора, δ - длина пробега пара.
За счет этого можно достичь более полной конденсации пара и значительного переохлаждения конденсата, поступающего в конденсатопровод. Увеличение расстояния движения пара в конденсаторе не приводит к существенному росту суммарных потерь давления в контурной тепловой трубе, поскольку вклад гидравлического сопротивления конденсатора в полное гидравлическое сопротивление устройства относительно мал.
Однако такие вставки перекрывают часть площади конденсатора. Увеличение количества вставок такого типа, может привести к существенному снижению площади конденсации, что приведет к резкому увеличению термического сопротивления конденсатора. Изменение направления движения пара, вызванное расположением направляющих вставок, приводит к существенному снижению его скорости, снижению интенсивности теплообмена и увеличению гидравлического сопротивления конденсатора.
В основу полезной модели положена задача повышения интенсивности теплообмена при конденсации и снижения термического и гидравлического сопротивления конденсатора контурной тепловой трубы.
Поставленная задача решается тем, что в конденсаторе контурной тепловой трубы, включающем корпус в форме параллелепипеда с торцевыми стенками и отверстиями для подключения конденсатопровода и паропровода, расположенными вблизи противоположных торцевых стенок конденсатора, с внутренним пространством в форме щели, в которой размещены дистанцирующие элементы, согласно полезной модели дистанцирующие элементы выполнены из тонкой проволоки в форме спиралей, диаметр каждой из которых равен толщине щели, расположенных по периметру щели конденсатора, и их концы заходят в отверстия для подключения конденсатопровода и паропровода, при этом дистанцирующие элементы соединены связующими элементами, также выполненными из тонкой проволоки в форме спиралей, диаметр каждой из которых равен толщине щели.
При этом:
- связующие элементы могут быть расположены параллельно боковым стенкам щели;
- связующие элементы могут быть расположены параллельно диагонали конденсатора;
- в качестве тонкой проволоки используют проволоку диаметром от 0,1 до 0,6 мм;
- расстояние между связующими элементами должно быть не менее 10 мм;
- в качестве материла тонкой проволоки используют медь.
Выполнение дистанцирующих элементов из тонкой, например, медной проволоки диаметром от 0,1 до 0,6 мм в форме спиралей, диаметр каждой из которых равен толщине щели, позволяет создать поверхность, на которой формируются мениски, создающие капиллярное давление, способствующее отсосу пленки конденсата. При этом дистанцирующие элементы позволяют использовать практически всю поверхность конденсатора для конденсации, так как каждый виток спирали касается поверхности конденсации только в точках, количество которых равно количеству витков спирали. Кроме того, такие спирали не создают существенного дополнительного гидравлического сопротивления при движении пара благодаря своей высокой проницаемости.
Расположение дистанцирующих элементов, выполненных в форме спирали, по периметру щели конденсатора обеспечивает удаление пленки вдоль всего периметра конденсатора. Концы дистанцирующих элементов заходят в отверстия для паропровода и конденсатопровода, формируя таким образом поверхность вдоль которой пленка жидкости с поверхности конденсатора непрерывно соединяется с жидкостью в жидкостном канале. В таком случае, образуется непрерывное удаление жидкости из конденсатора в жидкостной канал. Соединение дистанцирующих элементов связующими элементами и выполнение последних в форме спиралей, идентичных спиралям дистанцирующих элементов, позволяет осуществить удаление пленки из центральной части конденсатора. Для эффективной работы конденсатора целесообразно использовать несколько связующих элементов, с таким расчетом, чтобы расстояние между элементами было не менее 10 мм.
Это приводит к увеличению поперечного сечения паровой фазы в конденсаторе и соответствующему снижению его гидравлического сопротивления.
Таким образом, новый технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в увеличении площади поверхности конденсации, путем применения дистанцирующих элементов в форме спирали, которые удаляют пленку конденсата с поверхности конденсации и при этом позволяют использовать всю ее поверхность для конденсации пара, что обеспечивает повышение интенсивности теплообмена и существенное снижение термического и гидравлического сопротивления конденсатора контурной тепловой трубы.
На фиг. 1 представлен общий вид конденсатора;
на фиг. 2 представлено верхнее сечение конденсатора со связующими элементами параллельными диагонали конденсатора;
на фиг. 3 представлено верхнее сечение конденсатора со связующими элементами параллельными боковым стенкам конденсатора;
на фиг. 4 представлено поперечное перпендикулярное сечение конденсатора.
Конденсатор контурной тепловой трубы, включающий корпус 1 в форме параллелепипеда с торцевыми стенками 2 и отверстиями 3 и 4 для подключения паропровода и конденсатопровода соответственно, расположенными вблизи противоположных торцевых стенок 2 корпуса 1 конденсатора с внутренним пространством в форме щели 5, в которой размещены дистанцирующие элементы 6. Дистанцирующие элементы 6 выполнены из тонкой медной проволоки толщиной от 0,1 до 0,6 мм в форме спиралей, диаметр каждой из которых равен толщине щели, и располагаются по периметру щели 5 корпуса 1 конденсатора таким образом, что дистанцирующие элементы 6 заходят в отверстие 4 для подключения конденсатопровода и отверстие 3 для подключения паропровода. Дистанцирующие элементы 6 соединены связующими элементами 7, также выполненными в форме спиралей из тонкой медной проволоки диаметром от 0,1 до 0,6 мм, диаметр каждой из которых равен толщине щели.
При этом связующие элементы 7 могут быть расположены параллельно боковым стенкам конденсатора или параллельно диагонали корпуса конденсатора.
Конденсатор контурной тепловой трубы работает следующим образом. При поступлении пара в корпус 1 конденсатора из отверстия 3 для подключения паропровода он начинает конденсироваться в щели 5. Образовавшаяся пленка конденсата за счет капиллярных сил подтягивается к дистанцирующим элементам 6 и связующим элементам 7 и движется вдоль них в сторону отверстия 4 для подключения конденсатопровода за счет перепада давления, действующего в контурной тепловой трубе. Сплошность потока при этом не нарушается. Таким образом, происходит удаление пленки жидкости из зоны конденсации. Для повышения интенсивности теплообмена количество связующих элементов 7 может быть увеличено, что не приведет к блокировке поверхности конденсации, так как связующие элементы 7 в виде спиралей выполнены из проволоки малого диаметра и касаются поверхности конденсации только в точках, количество которых равно количеству витков спирали. При этом наличие дистанцирующих элементов 6 не создает существенного дополнительного гидравлического сопротивления при движении пара в конденсаторе.
2
2
Были проведены испытания конденсатора с толщиной щели 1 мм, длиной активной поверхности конденсации 80 мм и шириной 40 мм в составе медной контурной тепловой трубы с водой в качестве теплоносителя. Нижняя сторона конденсатора контактировала с холодной плитой, охлаждаемой проточной термостатируемой водой. Температура охлаждения в экспериментах менялась от 60 до 80°C, а тепловая нагрузка изменялась от 50 Вт до максимального значения. Коэффициенты теплоотдачи при конденсации без дистанцирующих элементов изменялись в диапазоне от 5,1 до 29,8 кВт/мK, а с дистанцирующими элементами - от 9,0 до 42,9 кВт/мK. При этом максимальная тепловая нагрузка в случае конденсатора без дистанцирующих элементов составляла 250 Вт, а в случае с дистанцирующими элементами - 500 Вт. Это свидетельствует о том, что использование дистанцирующих элементов в виде проволочной спирали, не только приводит к интенсификации процессов конденсации практически в 2 раза, но и к двукратному увеличению теплопередающей способности контурной тепловой трубы за счет снижения гидравлического сопротивления конденсатора.