ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам с промежуточным теплоносителем, в которых теплоноситель испаряется и конденсируется, и может быть использована в качестве устройства для отвода тепла от различных нагретых поверхностей, в частности для охлаждения компонентов высокопроизводительных вычислительных систем, в том числе центрального процессора ЭВМ.
Известна пароротационная холодильная машина периодического действия (Патент RU 2170890, МКИ F25В 3/00. Опубл. 20.07.2001), состоящая из испарителя и конденсатора, жестко соединенных между собою термоизолирующим элементом, выполненная с возможностью переноса рабочим телом теплоты испарения из испарителя в конденсатор при вращении, причем расположенный под конденсатором испаритель, конденсатор и термоизолирующий элемент выполнены цилиндрической формы с возможностью вращения вокруг центральной общей оси, диаметр конденсатора больше диаметра испарителя в 10-12 раз, диаметр испарителя больше диаметра термоизолирующего элемента в 1,5-2 раза, а дно конденсатора выполнено в виде усеченного конуса с углом наклона 1,5-3 градуса с возможностью периодического слива рабочего тела в виде конденсата без переноса теплоты конденсации в испаритель, причем боковые стенки испарителя и конденсатора имеют внешнее оребрение, а конденсатор снабжен радиальными пластинами.
Вращение всей конструкции устройства требует высоких затрат энергии и сопровождается повышенным шумом работы, а периодичность действия холодильной машины влечет дополнительные затраты времени на производственный процесс, что является недостатками данного устройства, снижает его эффективность охлаждения.
Известно радиоэлектронное устройство (Патент RU 2066518, МКИ Н05К 7/20. Опубл. 10.09.1996), содержащее корпус, рабочий объем которого
частично заполнен легкокипящей жидкостью с образованием над уровнем жидкости свободного пространства рабочего объема корпуса для пара, монтажные платы с электронными компонентами, установленные в рабочем объеме и погруженные в жидкость ниже ее уровня в рабочем объеме, конденсатор и разделительные пластины, размещенные в рабочем объеме корпуса, причем конденсатор расположен над уровнем жидкости, а разделительные пластины установлены одними концами ниже уровня жидкости, а другими выше уровня жидкости с образованием канала для направленного движения конденсирующегося пара, который сообщен со свободным пространством рабочего объема корпуса для пара, причем разделительные пластины могут быть установлены так же параллельно стенкам корпуса и под углом к стенкам корпуса.
Недостатками данного устройства является то, что подача конденсата осуществляется в верхнюю область объема жидкости, сопровождаемая образованием застойных термических зон в нижней части корпуса, а охлаждение пара пассивное, что приводит к ухудшению эффективности охлаждения устройства.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является теплообменный аппарат для охлаждения тепловыделяющих тел (Патент US 6005772, МКИ Н05К 7/20. Опубл. 21.12.1999), содержащий корпус, состоящий из частично заполненного жидкостью резервуара, жестко соединенного парой полых элементов параллельно с конденсатором, образуя замкнутый контур для пара, при чем конденсатор представлен множеством охлаждающих трубок, параллельно расположенных с фиксированными промежутками, а каждый полый элемент объединяет одно отверстие резервуара с одним отверстием конденсатора, при этом устройство снабжено крыльчаткой с возможностью вращения, расположенной параллельно над трубками.
Недостатками такого теплообменного аппарата являются повышенный шум работы, вследствие наружного размещения крыльчатки, сложность конструкции и недостаточная эффективность охлаждения.
Задачей полезной модели является создание конструкции теплообменного аппарата для отвода тепла от различных нагретых поверхностей, обеспечивающего пониженный уровень шума работы и высокую эффективность охлаждения.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении полезной модели, является высокая эффективность охлаждения нагретых поверхностей, достигаемая созданием вихревого потока пара внутри корпуса теплообменного аппарата, и низкий уровень шума работы, обеспеченный расположением крыльчатки внутри устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем корпус, внутренний объем которого частично заполнен жидкостью с образованием над уровнем жидкости свободного пространства для пара, и крыльчатку, жестко закрепленную на валу с возможностью вращения, корпус выполнен в виде цилиндра, сопряженного с усеченным конусом, переходящим в цилиндр большего диаметра, при этом на внешней боковой поверхности корпуса равномерно закреплены вертикальные теплоотводящие ребра с образованием каналов для охлаждающей среды, причем аппарат снабжен пароотводом, жестко закрепленным концентрично с зазором внутри корпуса, состоящим из цилиндрической части, частично погруженной в жидкость, и расширяющейся по мере движения пара конической части, расположенной над уровнем жидкости, при этом крыльчатка размещена в конической части пароотвода, концентрично корпусу и перпендикулярно его оси.
Сущность устройства в том, что при вращении крыльчатки в конической части пароотвода создается вихревой поток пара, вследствие центробежной силы возникает радиальный градиент давления, зависящий от угловой скорости вращения вала с крыльчаткой. Таким образом, давление в
приосевой области пароотвода понижается, а на боковых стенках корпуса повышается. Если температура поверхности боковой стенки корпуса равна или ниже равновесной при данном давлении, то пар будет конденсироваться. При этом в охлаждающую среду через теплоотводящие ребра корпуса аппарата выделяется теплота конденсации. Соответственно при понижении давления над уровнем жидкости в пароотводе теплоноситель будет интенсивно испаряться и отводить большее количество теплоты от нагретой поверхности. При этом размещение крыльчатки внутри устройства позволяет обеспечить низкий уровень шума работы, т.к. часть звуковых волн будет поглощаться корпусом аппарата.
На фиг.1 изображен теплообменный аппарат предлагаемой конструкции, общий вид, разрез; на фиг.2 - вид сверху.
Теплообменный аппарат содержит корпус 1, внутренний объем которого частично заполнен жидкостью 2 с образованием над уровнем жидкости 2 свободного пространства для пара, и крыльчатку 3, жестко закрепленную на валу 4 с возможностью вращения с угловой скоростью ω, причем корпус 1 выполнен в виде цилиндра, сопряженного с усеченным конусом, переходящим в цилиндр большего диаметра, при этом на внешней боковой поверхности корпуса 1 равномерно закреплены вертикальные теплоотводящие ребра 5 с образованием каналов для охлаждающей среды, причем аппарат снабжен пароотаодом 6, жестко закрепленным концентрично с зазором внутри корпуса 1, состоящим из цилиндрической части, частично погруженной в жидкость 2, и расширяющейся по мере движения пара конической части, расположенной над уровнем жидкости 2, при этом крыльчатка 3 размещена в конической части пароотвода 6, концентрично корпусу 1 и перпендикулярно его оси.
Стрелками на чертеже показаны подвод тепла к нижней части аппарата, отвод тепла через теплоотводящие ребра и вращение вала с крыльчаткой.
Устройство работает следующим образом. Тепло от нагретой поверхности (на чертеже не показана) передается через основание корпуса 1 теплообменного аппарата жидкости 2, которая начинает активно испаряться. Вращаясь, крыльчатка 3 закручивает и одновременно втягивает поток образовавшегося в пароотводе 6 пара, что вызывает снижение давления над жидкостью 2, вызывая тем самым более интенсивное испарение, сопровождаемое снижением температуры жидкости 2. Вследствие центробежной силы, в верхней цилиндрической части корпуса 1 теплообменного аппарата возникает радиальный градиент давления, в результате чего давление на боковой стенке корпуса 1 повышается, а при температуре стенки равной или ниже равновесной при данном давлении пары жидкости 2 будут конденсироваться. В свою очередь, полученный конденсат стекает под действием силы тяжести в нижнюю часть корпуса 1 аппарата, охлаждаясь до более низкой температуры посредством передачи тепла внешней охлаждающей среде через теплоотводящие ребра 5 корпуса 1. Нижний слой стекшей жидкости 2, обладающий меньшей температурой, проходя под нижней частью пароотвода 6, попадает в область интенсивного нагрева. Таким образом, теплоноситель циркулирует в полости корпуса 1 аппарата, активно отводя тепло от нагретой поверхности и передавая его охлаждающей внешней среде.
Теплообменный аппарат предлагаемой конструкции позволяет обеспечить высокую эффективность охлаждения нагретых поверхностей и низкий уровень шума работы, за счет создания вихревого потока пара вращающейся крыльчаткой в полости корпуса аппарата.