Теплопередающее устройство

Теплопередающее устройство
Полезная модель относится к области теплопередающих устройств и может быть использована для отвода тепла в различных средах, в частности, для искусственного замораживания грунта при строительстве различных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях, например, в районах распространения вечной мерзлоты. Полезная модель может быть использована в грунтовых тепловых насосах, а также для охлаждения протяженных конструкций, например лазеров, при вертикальном или близком к тому расположении.
Известно теплопередающее устройство, в частности для замораживания грунта основания под сооружением (а.с. СССР № 872640, Е 02 D 3/115, 1981г.). Данное теплопередающее устройство содержит вертикальный конденсатор и заглубленный в грунт с уклоном к горизонту испаритель, выполненный в виде частично заполненных низкокипящим жидким агентом труб, при этом каждая труба выполнена по длине ломаной с чередующимися восходящими и нисходящими участками.
В холодное время года пары низкокипящего жидкого агента конденсируются на внутренней поверхности конденсатора и стекают по ней вниз. Далее конденсат стекает по трубе испарителя до ее первой впадины между нисходящим и восходящим участками, где небольшая нисходящим и восходящим участками, где небольшая порция конденсата
испаряется, а остальная часть стекает до следующей впадины трубы испарителя, в которой испаряется следующая порция конденсата, а остальная часть стекает далее до следующей впадины трубы и т.д. Испарение конденсата низкокипящего жидкого агента сопровождается поглощением тепла, которое берется из грунта основания под сооружением, что сопровождается его охлаждением.
Недостатками этого известного устройства являются то, что испарение происходит в небольшом по высоте слое, поскольку зона испарения трубы расположена почти горизонтально, а также сложность изготовления и неравномерность поля температуры, что снижает эффективность замораживания и затрудняет запуск устройства в работу после отепления конденсатора.
Известно теплообменное устройство - тепловая труба (патент РФ №2083941, МПК: F28D 15/04, опубл. 10.07.97 г.), содержащее частично заполненный рабочей средой секционированный испаритель, парожидкостной коллектор и конденсатор, при этом секции испарителя подключены к коллектору непосредственно, стенки его изнутри снабжены фитильным покрытием, а конденсатор расположен в его полости.
2
нижней секции и верхней секции коллектора и теплоотвод от охлаждаемой среды. Фитиль при этом выполняет, главным образом функции распределителя конденсатора между секциями испарительной поверхности или патрубками, куда стекает конденсат с фитиля верхней секции коллектора. Охлаждающая среда проходит внутри секций конденсатора и, воспринимая тепло конденсации, нагревается.
Недостатком этой конструкции является то, что тепловая труба имеет ограниченную длину и потому не применима в тех случаях, где требуется отвод тепла на более протяженных участках.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является парожидкостное устройство для замораживания грунта (а.с. СССР № 1543007, E02D 3/315, 15.02.90).
Данное устройство обеспечивает течение жидкой фазы теплоносителя от конденсатора к испарителю по тепловой трубе сначала по центральной осевой части трубы, не касаясь стенок трубы, а затем по стенкам трубы. Во внутреннею часть трубы введены конденсатосборник и конденсатораспределитель. Таким образом, внутренняя часть трубы делится на три зоны: зону конденсатора, в которой поток жидкости по стенкам стекает к конденсатосборнику, зону от конденсатосборника до конденсатораспределителя, в которой жидкая фаза перемещается по оси трубы, не касаясь стенок трубы и зону испарителя, где жидкая фаза стекает по стенкам трубы и забирает тепло от грунта. Конденсатосборник выполнен в виде конусной тарелки с осевым сливным патрубком. Конденсатораспределитель выполнен в виде перевернутого стакана-разбрызгивателя с боковыми окнами, опертого на перегородку, установленную с зазором относительно стенки корпуса. Стенка корпуса с перегородкой соединены кольцом, который выполнен из пористого материала. Ниже конденсатораспределителя по внутренней поверхности корпуса размещены кольцевые проточки для выравнивания потока хладагента и его равномерного распределения по внутренней поверхности корпуса.
Данное известное устройство имеет недостаточно высокую эффективность, т.к. теплоносителем смочена небольшая поверхность трубы. Кроме того, оно имеет сложную конструкцию, а запуск его в работу затруднен.
Технической задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является повышение эффективности за счет увеличения поверхности трубы, смоченной теплоносителем. Другими достигаемыми использованием предлагаемой полезной моделью результатами являются упрощение конструкции, а также облегчение запуска устройства в работу.
Поставленная задача решается следующим образом.
Заявляемое теплопередающее устройство, так же как и указанное выше наиболее близкое к нему известное устройство, содержит трубу с зонами конденсации и испарения, заполненную низкокипящим жидким агентом.
4
Заявлено два варианта отличий от известного устройства.
Отличием предлагаемого устройства от известного по первому варианту является то, что на внутренней стенке трубы в зоне испарения выполнены кольцевые карманы, в которых задерживается конденсат, стекающий по внутренней поверхности трубы.
Во втором варианте исполнения теплопередающего устройства отличием является то, что на внутренней стенке трубы в зоне испарения выполнены карманы для задерживания стекающего конденсата, образованные отделенными друг от друга радиальными перегородками частями спиралевидной поверхности, расположенной под острым углом и примыкающей своим нижним краем к внутренней поверхности трубы.
Благодаря этому достигается увеличение поверхности трубы, смоченной теплоносителем, а, следовательно, и повышение эффективности работы устройства. Кроме того, заявляемое устройство является более простым в конструктивном отношении, а также в эксплуатации.
Каждый кольцевой карман по первому варианту может быть образован примыкающей к внутренней стенке трубы боковой поверхностью усеченного конуса, примыкающей большим основанием к внутренней стенке трубы.
Кольцевые карманы могут быть расположены по высоте на столь малом расстоянии один от другого, что в промежутке между ними возникает капиллярный эффект.
Если такие кольцевые карманы сгруппированы попарно таким образом, что расстояние между карманами соседних пар не удовлетворяет указанному условию, то будет иметь место чередование некапиллярных и капиллярных карманов.
Аналогично могут быть выполнены и карманы, образованные спиралевидной поверхностью. Например, при выполнении спиралевидной поверхности с достаточно малым шагом, капиллярный эффект будет иметь место между любыми соседними по высоте витками спирали. В случае выполнения спиралевидной поверхности двухзаходной с малым расстоянием между витками разных заходов и относительно большим шагом капиллярный эффект будет возникать только в малых промежутках между соседними витками, принадлежащими разным заходам. В этом случае будет иметь место чередование капиллярных и некапиллярных карманов.
Благодаря наличию капиллярного эффекта конденсат в соответствующих карманах образует мениск, и поверхность испарения увеличивается, а в карманах, образованных спиралевидной поверхностью, кроме того, уменьшается скорость стекания конденсата.
Во всех случаях объем заправленного теплоносителя должен быть больше объема суммарного объема выполненных на внутренней стенке трубы капиллярных и/или некапиллярных карманов.
На фиг. 2 и фиг. 3 приведены примеры выполнения кольцевых каркарманов.
На фиг. 4 изображено теплопередающее устройство с карманами, образованными частями спиралевидной поверхности.
На фиг. 5 показан вид А теплопередающего устройства, изображенного на фиг. 4.
На фиг. 6 изображено теплопередающее устройство с капиллярными карманами.
На фиг. 7 показан вид А теплопередающего устройства, изображенного на фиг. 6.
Теплопередающее устройство содержит (фиг. 1) содержит трубу 1 с зонами конденсации 4 и испарения 5. Стрелками указано направление подведения тепла Q в зоне испарения и отведения тепла Q в зоне конденсации. Труба заправлена теплоносителем 3. В качестве теплоносителя может быть аммиак или фреон-22. На внутренней поверхности зоны испарения трубы выполнены карманы 5.
Карманы, показанные на фиг.2, иллюстрируют первый вариант теплопередающего устройства и выполнены кольцевыми. Карман образован примыкающей к стенке трубы 6 боковой поверхностью конуса 10, расширяющегося в сторону зоны конденсации, то есть нижнее основание этого конуса больше верхнего и диаметр его равен диаметру внутренней стенки трубы.
В этом случае конденсат 9, стекая по стенке трубы 6, задерживается в карманах равномерно по всей стенке испарителя 5. Испарение конденсата 9 происходит за счет тепла, отбираемого от смежной с испарителем среды. Контактирующая с испарителем среда равномерно охлаждается по всей длине испарителя 5.
Возможны и другие варианты исполнения карманов, названные выше при раскрытии предлагаемого изобретения.
Кольцевой карман, показанный на фиг. 3, образован в трубе, состоящей из тонкого слоя металла 7, например алюминия или стали, с нанесенным на него снаружи по всей поверхности композиционным материалом 6, образующий жесткий каркас. Кольцевой карман в этом случае тоже выполнен в виде примыкающего к стенке трубы конуса 8, расширяющегося в сторону зоны конденсации 4.
Карман, показанный на фиг. 4, иллюстрирует второй вариант теплопередающего устройства. Он образован частью спиралевидной поверхности 11, примыкающей одним своим краем к внутренней поверхности трубы 7 и расположенной к ней под острым углом. Части спиралевидной поверхности 11 отделены друг от друга радиальными перегородками 13, показанными на фиг.5.
Карманы могут быть выполнены капиллярными (фиг. 6), т.е. такими, в которых конденсат лучше заполняет пространство между стенками кармана благодаря силам поверхностного натяжения.
Возможен вариант выполнения чередующихся между собой капиллярных и некапиллярных карманов. В этом случае достаточно выполнение одной радиальной перегородки на виток, образованной, например, стенкой продольного паза 12, выполненного по всей длине трубы (фиг.6).
Если карманы выполнены с небольшим капиллярным напором, то жидкость находится вблизи перегородки в каждой секции спиралевидного кармана. Если же капиллярный напор достаточен, то теплоноситель заполняет всю секцию длиной в один виток.
Устройство работает следующим образом.
Пары теплоносителя 3 поднимаются в зону конденсации 4, конденсируются на стенке трубы и стекают по ней в зону испарения 5. При движении вниз по стенке жидкость заполняет карманы, равномерно распределяясь по поверхности зоны испарения. Испарение конденсата сопровождается поглощением теплоты, забираемой от смежной контактирующей с поверхностью трубы среды. Таким образом, среда, в которую помещается заявляемое теплопередающее устройство, охлаждается. По мере испарения и дальнейшей конденсации карманы вновь пополняются стекающим теплоносителем. Длина трубы, глубина карманов и частота их расположения подбираются в зависимости от необходимой температуры охлаждения среды.
Таким образом, конструкция предлагаемого устройства максимально проста, поскольку его механическая часть отличается от обычной трубы только наличием карманов на ее внутренней стенке. Каких-либо специальных действий для запуска заправленного устройства в работу не требуется.
Устройство может быть использовано для замораживания и нагрева грунта, в грунтовых тепловых насосах, для охлаждения протяженных конструкций, например, лазеров при вертикальном расположении.
ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
1.Теплопередающее устройство, содержащее герметичную трубу с зонами конденсации и испарения, заполненную теплоносителем, отличающееся тем, что на внутренней стенке трубы в зоне испарения выполнены кольцевые карманы для задерживания стекающего конденсата.
2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кольцевой карман образован боковой поверхностью усеченного конуса, примыкающей большим основанием к внутренней стенке трубы.
3.Теплопередающее устройство, содержащее герметичную трубу с зонами конденсации и испарения, заполненную теплоносителем, отличающееся тем, что на внутренней стенке трубы в зоне испарения выполнены карманы для задерживания стекающего конденсата, образованные отделенными друг от друга радиальными перегородками частями спиралевидной поверхности, примыкающей своим нижним краем под острым углом к внутренней стенке трубы.
4.Устройство по любому из п.п. 1-3, отличающееся тем, что, по меньшей мере, некоторые из расположенных один над другим карманов находятся на таком расстоянии, что между их обращенными одна к другой поверхностями имеет место капиллярный эффект.
5.Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в нем имеет место чередование капиллярных и некапиллярных карманов.
Теплопередающее устройство