ГРАВИТАЦИОННАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА
GRAVITY-ASSISTED HEAT PIPE

Изобретение относится к области теплотехники, более конкретно к тепловым трубам, а именно к гравитационным тепловым трубам, применяемым преимущественно при замораживании грунта для укрепления фундаментов и оснований различных сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах.
Известны гравитационные тепловые трубы, содержащие герметичный частично заполненный теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной (см., например, патент Российской Федерации на изобретение №2327940, опубл. 27.06.2008 [1]; патент Российской Федерации на полезную модель №68108, опубл. 10.11.2007 [2]).
Известные гравитационные тепловые трубы имеют жесткий корпус и, следовательно, фиксированную геометрическую форму. В частности, труба по патенту [1] прямая, а труба по патенту [2] изогнута под углом, близким к прямому.
При увеличении длины этих труб возникают трудноразрешимые технологические проблемы как при изготовлении (поскольку требуются протяженные помещения), так и при транспортировании труб и установке их в вертикальные скважины. Кроме того, возникают трудности при укладке зоны испарения на строительной площадке, например, между уже установленными сваями фундамента. Следует принять во внимание, что осуществлять сварку, проверять сварочные швы на герметичность, а также производить заправку трубы теплоносителем в условиях Крайнего Севера трудно и дорого. Поэтому трубы должны изготавливаться в надлежащих производственных условиях и доставляться к месту их эксплуатации в готовом к установке и использованию виде.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении технологичности производства, транспортирования и установки гравитационных тепловых труб в рабочее положение на объекте использования.
Наиболее близкой к предлагаемой является гравитационная тепловая труба по патенту [2].
Предлагаемая гравитационная тепловая труба, как и указанная наиболее близкая к ней известная, содержит герметичный частично заполненный жидким теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемой тепловой гравитационной трубе, в отличие от наиболее близкой к ней известной, корпус в зоне испарения и в транспортной зоне или в какой-либо одной из этих зон имеет, по меньшей мере, одну вставку, выполненную в виде сильфона, соединенного с секциями корпуса, между которыми она расположена, цилиндрическими наконечниками. Сильфон заключен в эластичный металлический чулок, концы которого закреплены на указанных наконечниках. Кроме того, вставка снабжена жесткой съемной обоймой для фиксации взаимного положения секций корпуса, между которыми расположена вставка. Жесткая съемная обойма выполнена с возможностью размещения вокруг указанного чулка и крепления ее к примыкающим к вставке секциям корпуса.
Благодаря наличию вставок в виде сильфона, установленных в указанных более протяженных зонах корпуса, и благодаря выполнению жестких обойм съемными предлагаемая тепловая труба при транспортировании может быть сложена, например, в виде "змейки". При этом сильфоны упомянутых вставок изогнуты на 180 градусов, и находящиеся между вставками секции корпуса располагают в таре параллельно друг другу. Поэтому размеры тары и транспортного средства по длине могут быть в несколько раз меньше общей длины тепловой трубы. При изготовлении тепловой трубы, имеющей предлагаемую конструкцию, нет необходимости располагать в одну линию все секции корпуса, между которыми устанавливаются вставки в виде сильфона, благодаря чему исключается необходимость в протяженных производственных помещениях.
Эластичный металлический чулок, в который заключен сильфон, обеспечивает его механическую защиту, без которой невозможны ни транспортирование, ни эксплуатация тепловой трубы в тех реальных условиях, для которых она предназначена.
Жесткие съемные обоймы, находящиеся в процессе транспортирования тепловой трубы в снятом состоянии, при установке трубы в рабочее положение крепятся к секциям корпуса и обеспечивают, в зависимости от того, что является необходимым в конкретных условиях, прямолинейность или фиксированный угол изгиба осевых линий секций корпуса и сильфонов, установленных между ними.
Отмеченные особенности в совокупности обеспечивают лучшую технологичность производства, транспортирования и установки предлагаемой тепловой трубы в рабочее положение на объекте использования. Очевидно, что возможность достижения такого технического результата существует при размещении хотя бы одной вставки в какой-либо одной из указанных зон корпуса, являющейся наиболее протяженной, однако предпочтительно наличие нескольких вставок как в зоне испарения, так и в транспортной зоне.
Жесткая съемная обойма, предназначенная для вставки, расположенной в зоне испарения, может иметь перфорацию. В этом случае она может быть выполнена, например, в виде стержней, установленных с зазором друг относительно друга и закрепленных своими концами на примыкающих к вставке секциях корпуса в местах их соединения со вставкой.
Наличие перфорации, в том числе при описанном выполнении жесткой обоймы в виде стержней, обеспечивает возможность заполнения пространства между нею и чулком, окружающим сильфон, грунтом или песком для уменьшения теплового сопротивления теплопередаче к сильфону.
Изобретение иллюстрируется чертежами:
- на фиг.1 изображена прямолинейная гравитационная тепловая труба со вставками в виде сильфона в зоне испарения и в транспортной зоне (позиция "а"), только в зоне испарения (позиция "б") и только в транспортной зоне (позиция "в");
- на фиг.2 представлена изогнутая гравитационная тепловая труба с несколькими вставками в виде сильфона в зоне испарения, располагаемой в рабочем положении под небольшим углом к горизонту;
- на фиг.3 дан продольный разрез А-А тепловой трубы по фиг.1 в области вставки в виде сильфона;
- на фиг.4 представлен поперечный разрез Б-Б вставки, изображенной на фиг.3;
- на фиг.5 показана предлагаемая гравитационная тепловая труба, сложенная "змейкой" для транспортирования.
Предлагаемая гравитационная тепловая труба содержит герметичный корпус 1 (фиг.1, 2) с зонами испарения 2, конденсации 3 и транспортной зоной 4. Корпус частично заполнен жидким теплоносителем 5. В зоне испарения 2 (фиг.1б, фиг.2) или в транспортной зоне 3 (фиг.1в) либо в обеих этих зонах (фиг.1а) труба имеет вставку 6 (см. также фиг.5). Вставка 6 содержит (см. фиг.3) гибкий элемент в виде сильфона 9 с цилиндрическими наконечниками 10. Посредством последних сильфон 9 соединен с примыкающими к нему секциями корпуса 1. Сильфон 9 заключен в металлический плетеный чулок 11, концы которого закреплены на наконечниках 10. Вокруг гибкого элемента в виде сильфона 9 с чулком 11 размещена жесткая обойма 8. Обойма 8 выполнена съемной. Для этого она может, например, состоять из показанных на фиг.4 двух полуколец 12, к которым приварены своими концами стержни 13. Указанные части обоймы с помощью болтового соединения 14 крепятся на корпусе в местах соединения его секций с цилиндрическими наконечниками сильфонов.
Расположение стержней 13 с зазором друг относительно друга может обеспечить наличие перфорации. Последняя полезна, когда вставка с сильфоном 9 установлена в зоне испарения. Зазоры позволяют заполнить пространство между чулком 11 и стержнями 13 грунтом или песком для уменьшения теплового сопротивления теплопередаче от земли к сильфону.
В процессе изготовления тепловой трубы обойма, охватывающая гибкий элемент вставки 6 (сильфон 9, заключенный в чулок 11), не устанавливается. При транспортировании тепловая труба находится в сложенном "змейкой" состоянии (фиг.5). При этом секции корпуса 1 уложены параллельно друг другу путем изгибания вставок 6 на угол 180 градусов. Перед установкой на объекте тепловую трубу распрямляют, вокруг вставок 6 устанавливают обоймы 8, которые обеспечивают нахождение осей секций корпуса и сильфона на одной линии (как на фиг.1) либо обеспечивают фиксированный изгиб продольной оси корпуса (как крайняя левая обойма 6 на фиг.2). В последнем случае, если обойма выполнена в соответствии с фиг.4, стержни 13 должны иметь необходимый изгиб. Обоймы 8 выполняют свою функцию как в процессе строительно-монтажных работ, так и при эксплуатации объекта.
В вертикальную скважину погружение предлагаемой тепловой трубы производят посекционно. После погружения первой секции корпуса вертикально устанавливают вторую секцию, закрепляют обойму, погружают вторую секцию и т.д. При этом отпадает необходимость в громоздких подъемно-транспортных устройствах.
Если часть корпуса с зоной конденсации тяжелая или должна быть расположена высоко над уровнем земли, то вначале в рабочее положение устанавливают на объекте часть корпуса с зоной испарения и транспортной зоной. При этом часть корпуса с зоной конденсации благодаря гибкому элементу вставки, расположенной в транспортной зоне, находится в сложенном состоянии. Затем часть корпуса с зоной конденсации поднимают наверх, распрямляют гибкий элемент указанной вставки, после чего на него накладывают обойму.
Функционирование предлагаемой гравитационной тепловой трубы осуществляется традиционным для таких труб образом. В ней происходит движение пара вверх за счет разности давлений насыщенного пара в зонах испарения и конденсации, а обратное движение жидкости осуществляется под действием силы тяжести. Тепловая труба передает теплоту Q (фиг.1, 2), поглощенную теплоносителем и отдаваемую им при конденсации во внешнюю среду.
Преимущества предлагаемой гравитационной трубы перед известными заключаются в том, что ее проще изготавливать, транспортировать и устанавливать на объекте. При транспортировании труба может быть сложена в обычный размер трейлеров и железнодорожных вагонов "змейкой", как показано на фиг.5. Здесь секции корпуса 1 уложены параллельно друг другу путем изгибания вставок 6 на угол 180 градусов. Таким же образом могут быть расположены секции корпуса при соединении их со вставками в процессе изготовления трубы, а также при испытаниях ее на герметичность. Кроме того, преимущество заключается в более дешевом способе погружения трубы в вертикальные скважины, так как в данном случае не требуется громоздкого подъемно-транспортного оборудования, доставка которого на объекты Крайнего Севера в ряде случаев просто невозможна. На объекте такая труба может быть уложена с изгибом около препятствия, например уже забитой в грунт сваи.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации на изобретение №2327940 (опубл. 27.06.2008).
2. Патент Российской Федерации на полезную модель №68108 (опубл. 10.11.2007).