ГРАВИТАЦИОННАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА

Полезная модель относится к теплотехнике, более конкретно - к средствам для охлаждения грунта, а именно к гравитационной тепловой трубе.
Известны гравитационные тепловые трубы, содержащие герметичный частично заполненный теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной (см., например, патенты Российской Федерации на изобретение №2327940 (опубл. 27.06.2008) [1] и на полезную модель №68108 (опубл. 10.11.2007) [2]). Указанные известные гравитационные тепловые трубы имеют жесткий корпус и, следовательно, фиксированную геометрическую форму, определяемую формой корпуса. В частности, труба по патенту [1] - прямая, а труба по патенту [2] - изогнута под углом, близким к прямому. Такие гравитационные тепловые трубы неудобны для транспортирования, особенно когда зона испарения является протяженной и может иметь длину несколько десятков метров.
Известна также гравитационная тепловая труба по патенту Российской Федерации на изобретение №2387937 (опубл. 27.04.2010) [3]. В этой гравитационной тепловой трубе корпус в зоне испарения и в транспортной зоне или в какой-либо одной из этих зон имеет одну или несколько вставок, выполненных в виде сильфона, заключенного в эластичный металлический чулок. При этом 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. Такая конструкция позволяет изготавливать трубу в заводских условиях и транспортировать на стройку в сложенном состоянии, не требуя использования транспортных средств, предназначенных для перевозки грузов с особо крупными габаритами. При установке устройства на объекте корпус трубы раскладывают, а на сильфоны устанавливают футляры для придания корпусу требуемой формы.
Однако наличие в данной тепловой трубе сильфонов и устанавливаемых на них футляров конструктивно усложняет ее, повышает стоимость и снижает эксплуатационную надежность. Размеры секций корпуса, между которыми установлены вставки в виде сильфонов, фиксированы, что накладывает ограничения на выбор тары для транспортировании данной тепловой трубы, либо приводит к необходимости подбирать размеры секций корпуса при проектировании и изготовлении трубы, ориентируясь на доступные тару и транспортные средства. Кроме того, недостатком этой гравитационной тепловой трубы, как и труб по патентам [1], [2], является невысокая интенсивность теплосъема с охлаждаемого участка, что приводит к необходимости увеличивать число труб для обеспечения требуемого теплового режима охлаждаемого объекта.
Известная гравитационная тепловая труба по патенту [3] наиболее близка к предлагаемой.
Техническое решение по предлагаемой полезной модели направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении тепловой эффективности гравитационной тепловой трубы и распространения области ее применения на объекты с большим локальным (на единицу площади или объема) тепловыделением. Достигаемым техническим результатом является также упрощение конструкции гравитационной тепловой трубы, повышение ее эксплуатационной надежности и обеспечение более удобного транспортирования. Ниже при раскрытии сущности предлагаемой гравитационной тепловой трубы и описании частных случаев ее выполнения будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Гравитационная тепловая труба по предлагаемой полезной модели, как и наиболее близкая к ней известная тепловая труба по патенту [3], имеет герметичный корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной между ними, выполненный с возможностью заправки теплоносителем и изогнутый в зоне испарения.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемой гравитационной тепловой трубе, в отличие от указанной наиболее близкой к ней известной, корпус в зоне испарения, выполнен из легкодеформируемого металла и имеет форму спирали.
Спиральная форма корпуса, которая может быть получена благодаря выполнению его из легкодеформируемого металла, допускает наличие большого количества расположенных близко друг к другу участков корпуса в зоне испарения, что обеспечивает большой локальный теплосъем и позволяет использовать на объектах с большим локальным тепловыделением. При этом конкретная форма может быть придана корпусу трубы в зоне испарения непосредственно как при изготовлении, так и перед установкой трубы на объекте. Перед транспортированием трубы ее корпусу в зоне испарения также может быть придана желаемая форма, в зависимости от имеющейся тары. Эта форма не обязательно должна быть такой же, как форма в рабочем состоянии на объекте. Поэтому наряду с повышенной тепловой эффективностью труба может быть весьма компактной в транспортном состоянии. Одновременно она имеет простую конструкцию и технологична, благодаря чему более надежна.
Технологичность изготовления трубы наиболее высока, когда весь ее корпус (а не только в зоне испарения) выполнен из легкодеформируемого металла.
Спираль, в форме которой выполнен корпус в зоне испарения, может быть, в частности, с концентрическими витками, расположенными в горизонтальной плоскости, змееобразной, расположенной в горизонтальной или вертикальной плоскости, цилиндрической с вертикальной осью, конической с вертикальной осью. Разнообразие возможных реализации спиральной формы зоны испарения дополнительно расширяет область применения предлагаемой гравитационной тепловой трубы, позволяя осуществить наиболее целесообразный выбор в зависимости от конкретных условий эксплуатации.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых показаны:
- на фиг.1-4 - гравитационная тепловая труба при различных реализациях спиральной формы корпуса в зоне испарения:
- на фиг.1 - с концентрическими витками, расположенными в горизонтальной плоскости;
- на фиг.2 - цилиндрической с вертикальной осью;
- на фиг.3 - конической с вертикальной осью;
- на фиг.4 - змееобразной с расположением спирали в вертикальной плоскости;
- на фиг.5 и фиг.6 - форма корпуса трубы в транспортном положении (два примера).
На всех фигурах 1 - 4 показана гравитационная тепловая труба, имеющая корпус с зоной 1 испарения, зоной 2 конденсации и расположенной между ними транспортной зоной 3. Корпус, имеющий указанные зоны, герметичен и в рабочем состоянии частично заполнен теплоносителем, (элементы, необходимые для заправки теплоносителем, на чертежах не показаны). Заправка теплоносителем может осуществляться как на предприятии-изготовителе, так и непосредственно на объекте, где будет использоваться гравитационная тепловая труба. В зоне 2 конденсации корпус имеет оребрение 6. В качестве легкодеформируемого металла для изготовления корпуса в зоне 1 испарения (или во всех трех зонах) может быть использован, например, алюминиевый сплав АД-00.
Все представленные на фиг.1-4 частные случаи выполнения спиралевидной формы корпуса в зоне 1 испарения характеризуются близким расположением соседних витков, что позволяет увеличить площадь теплообменной поверхности в единице объема охлаждаемой среды и получить большой локальный теплосъем, то есть увеличить тепловую эффективность гравитационной тепловой трубы.
В процессе работы предлагаемой гравитационной тепловой трубы при температуре в зоне 2 конденсации ниже температуры в зоне 1 испарения происходит более интенсивная конденсация паров теплоносителя в зоне 2 конденсации, жидкая фаза 4 теплоносителя под действием силы тяжести стекает по участку корпуса, являющемуся транспортной зоной 3, в зону 1 испарения. На выносках I чертежей фиг.1 - фиг.4 показано в укрупненном масштабе поперечное сечение 5 корпуса в зоне испарения. В этой зоне жидкая фаза 4 занимает нижнюю часть просвета корпуса, поскольку витки спиралевидного корпуса в зоне 1 испарения либо горизонтальны (фиг.1), либо имеют наклон к горизонту (фиг.2 - фиг.4). Пар, образующийся в зоне испарения, под действием перепада давления движется в верхней части 7 просвета корпуса по спирали к транспортной зоне 3 и далее - в зону 2 конденсации, после чего цикл повторяется. Переносимое теплоносителем тепло из зоны 1 испарения в зону 2 конденсации выделяется в окружающую среду в зоне конденсации, снабженной радиатором в виде оребрения 6.
Конструкция трубы с цилиндрическим спиралевидным корпусом в зоне 1 испарения (фиг.2) может быть применена для термостабилизации грунта вокруг свай и опор линии электропередачи с тем, чтобы обеспечить их устойчивость, например, на пучинистых грунтах в районах распространения вечной мерзлоты. Спиралевидную часть корпуса размещают вокруг нижней части сваи или железобетонной опоры. Благодаря высокой тепловой эффективности вокруг сваи или опоры намораживается большой объем грунта, что позволяет сохранить грунт в мерзлом состоянии до конца лета. Аналогично может быть использована конструкция трубы с коническим спиралевидным корпусом в зоне 1 испарения при небольшом угле при вершине конуса (фиг.3).
В показанном на фиг.1 случае упомянутая горизонтальность плоскости размещения витков спирали должна быть выдержана достаточно точно, чтобы жидкая фаза 4 теплоносителя заполняла нижнюю часть просвета корпуса в зоне 1 испарения. В этом отношении, если необходимо охлаждение вблизи некоторой горизонтальной плоскости в толще грунта, предпочтительно вместо трубы по фиг.1 использовать трубу с конической зоной 1 испарения, аналогичную изображенной фиг.3, но с большом (близким к 180°) углом при вершине конуса.
Трубу по фиг.4 целесообразно использовать, когда необходимо охлаждение вблизи некоторой вертикальной плоскости в толще грунта.
То обстоятельство, что для изготовления корпуса предлагаемой гравитационной тепловой трубы (по меньшей мере, в зоне испарения) используется легкодеформируемый металл (это необходимо для придания корпусу спиралевидной формы), одновременно облегчает транспортирование трубы, поскольку корпус легко может быть деформирован для размещения в подходящей таре. Например, на фиг.5 показано, какая форма может быть придана при транспортирования корпусу трубы по фиг.1, а на фиг.6 - корпусу трубы по фиг.4.
Предлагаемая гравитационная тепловая труба может быть использована как средство замораживания грунта и может найти применение при строительстве фундаментов и оснований различных сооружений, возводимых в районах распространения вечной мерзлоты.
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.
3. Патент Российской Федерации на изобретение №2387937, опубл. 27.04.2010.