СОСТАВНОЙ ТЕРМОСИФОН

Составной термосифон относится к теплотехнике, а именно - к двухфазным термосифонам (тепловым трубам), особенно при их применении для замораживания грунта на большую глубину, под фундаментами зданий или для извлечения тепла из глубоких скважин в грунте в геотермальных областях или передаче теплового потока на большие расстояния в любых других случаях.
Известен составной термосифон, содержащий систему двухфазных термосифонов с трубчатым герметичным корпусом у каждого, заполненным дозой теплоносителя (И.Л.Пиоро, В.А.Антоненко, Л.С.Пиоро. Эффективные теплообменники с двухфазными термосифонами. - Киев, Наукова Думка, 1991 г, сс.170, 171).
Недостатком известного составного термосифона является узкая область применения, что обусловлено тем, что двухфазные термосифоны не присоединены один к другому, а расположены на общей подложке (крыше) с зазором между ними, чем вызвано большое значение термического сопротивления и невозможность передачи общего теплового потока в составном термосифоне.
Наиболее близким техническим решением является составной термосифон, содержащий систему двухфазных термосифонов с трубчатым герметичным корпусом у каждого, заполненным дозой теплоносителя, при этом по крайней мере часть двухфазных термосифонов выполнена с последовательным присоединением их корпусов один к другому по боковой поверхности с образованием участков передачи теплового потока (М.Н.Ивановский, В.П.Сорокин и др. Технологические основы тепловых труб. - М., Атомиздат, 1980 г., сс.37-39). Это техническое решение принято за прототип.
Недостатком известного технического решения является узкая область применения, что обусловлено, во-первых, принципиальным технологическим ограничением на длину (не более 12 м) каждого двухфазного термосифона и, соответственно, низкой эффективностью передачи общего теплового потока в случае большого числа двухфазных термосифонов, например, при замораживании грунта на большую глубину, в фундаментах зданий (на Севере), или при извлечении тепла из глубоких скважин в грунте или передаче теплового потока длинными (30 м и более) составными термосифонами в геотермальных областях, а также в системах отопления зданий и т.д..
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение области применения составного термосифона за счет возможности значительного увеличения расстояния для передачи теплового потока при сохранении ее высокой эффективности (т.е. низкого значения термического сопротивления составного термосифона), экономии материалов и возможности оптимизации главных параметров.
Задача решается за счет того, что в составном термосифоне, содержащем систему двухфазных термосифонов с трубчатым герметичным корпусом у каждого, заполненным дозой теплоносителя, при этом по крайней мере часть двухфазных термосифонов выполнена с последовательным присоединением их корпусов один к другому по боковой поверхности с образованием участков передачи теплового потока, составной термосифон по крайней мере на своей части выполнен с участками передачи теплового потока, имеющими последовательно увеличивающуюся длину в направлении передачи теплового потока. При этом корпуса двухфазных термосифонов могут быть присоединены один к другому через промежуточные элементы, сопряженные с их наружными поверхностями. Кроме того, отношение длин соседних участков передачи теплового потока может быть определено соотношением:
где: К - коэффициент, учитывающий материал корпусов двухфазных термосифонов, причем 0,6≤К≤1,0;
N - количество последовательно присоединенных двухфазных термосифонов;
n - номер двухфазного термосифона в интервале 2≤n≤N-1;
n,n-1
L - длина участка передачи теплового потока от n-го двухфазного термосифона к (n-1)-му;
n+1,n
L - то же от (n+1)-го двухфазного термосифона к n-му.
Технический эффект, обеспечиваемый данным составным термосифоном заключается в расширении области применения за счет повышения эффективности передачи теплового потока (т.е. обеспечение низкого значения термического сопротивления) при одновременном достижении экономии материалов при замораживании грунта на большую глубину, например, в котлованах, плотинах, фундаментах зданий и других сооружений больших размеров, а также при извлечении тепла из глубоких скважин в грунте в геотермальных областях, в тепловых насосах, в системах отопления и т.д. с возможностью оптимизации параметров задачи.
На фиг.1 показан составной термосифон с непосредственным присоединением корпусов двухфазных термосифонов; на фиг.2 - сечение по АА на фиг.1; на фиг.3 - составной термосифон с присоединением корпусов двухфазных термосифонов через промежуточные элементы; на фиг.4 - сечение по ВВ на фиг.3.
9
10
10
9
Составной термосифон содержит систему двухфазных термосифонов с трубчатыми корпусами 1, 2 и 3, последовательно присоединенными один к другому или непосредственно (фиг.1, 2) или через промежуточные элементы 4 и 5 (фиг.3, 4). В первом варианте каждый корпус выполнен с плоской полкой 6, во втором - цилиндрическим. Корпус 1 снабжен ребристым радиатором 7. Корпуса 1, 2 и 3 могут быть присоединены один к другому болтовыми соединениями через полки 6 (фиг.2) или с помощью хомутов 8 (фиг.4). Участки присоединения корпусов 1, 2 и 3 образуют участки 9 и 10 (с границами 11 и 12) передачи теплового потока между смежными двухфазными термосифонами (фиг.1, 3). Длина L превышает длину L участка 10, т.е. L<L. Длины участков 9 и 10 однозначно определены совпадением осей 13 и 14 (фиг.2, 4) отверстий под крепежные элементы (болты), что обеспечивает совмещение границ 11 и 12 смежных корпусов 1, 2 и 2, 3 (нанесены краской). Тепловой поток от окружающей среды (грунт, бетон и т.д.) может подводиться по всей длине каждого корпуса 1, 2 и 3. На участках 9 и 10 плотность теплового потока максимальна, при этом очевидно, что тепловой поток на участке 9 превышает таковой на участке 10. Количество двухфазных термосифонов и величина последовательного увеличения длин участков передачи теплового потока зависит от условий эксплуатации и конструкции самих термосифонов. При замораживании грунта радиатор 7 может быть расположен над грунтом и отдавать тепло или в окружающий воздух (осень, зима, весна) или промежуточному теплоносителю в теплообменнике (не показан). При извлечении тепла из грунта необходим теплообменник, от которого тепловой поток может транспортироваться к объектам его потребления.
Составной термосифон работает следующим образом.
При подводе тепла к корпусам 1, 2 и 3 через двухфазные термосифоны передается последовательно возрастающий тепловой поток, который отводится радиатором 7, при этом последовательное возрастание длины участков 9, 10 передачи теплового потока обеспечивает минимальное термическое сопротивление составного термосифона, т.е. максимальную эффективность теплопередачи. В зависимости от тепловых условий в грунте и материала корпусов 1, 2 и 3 появляется возможность выбора оптимальных режимов работы составного термосифона при соответствующем соотношении длин участков 9, 10 передачи теплового потока, определяемом формулой
При извлечении тепла из грунта, тепловой поток через радиатор 7, заключенный в теплообменник, транспортируется к объектам его потребления. При замораживании грунта у фундаментов зданий корпуса 1, 2 и 3 могут быть установлены под малым углом к горизонту.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет значительно расширить область применения составных термосифонов за счет возможности эффективного замораживания грунта (извлечения тепла из грунта) на больших глубинах, замораживания грунта под фундаментами с большими линейными размерами (50 м и более), а также в трассах систем отопления зданий и других сооружений.