ГРАВИТАЦИОННАЯ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ (ВАРИАНТЫ)
GRAVITATIONAL HEAT PIPE WITH THERMOELECTRIC CONVERTERS (VERSIONS)

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплопередающим устройствам, более конкретно - к двум вариантам конструктивного выполнения гравитационной тепловой трубы, предназначенной для замораживания и предотвращения оттаивания грунта под сооружениями, возводимыми в зоне вечной мерзлоты.
Известны конструкции тепловых труб, в которых используются термоэлектрические преобразователи (см., например, патент Российской Федерации №2035673, опубл. 20.05.1995 [1]; патент Российской Федерации №2373472, опубл. 20.11.2009 [2]).
Гравитационная тепловая труба по патенту [1] имеет герметичный корпус с зонами испарения, транспорта и конденсации, выполненный с возможностью заправки теплоносителем, причем корпус в зоне конденсации имеет переменное сечение с сужением. В области сужения установлены термоэлектрические преобразователи, контактирующие холодными поверхностями со стенкой корпуса, а горячими поверхностями - с установленными на них радиаторами. Такое размещение термоэлектрических преобразователей выбрано с целью интенсификации теплообмена, так как в области сужения скорость паров теплоносителя должна увеличиваться. Вместе с тем наличие сужения корпуса в зоне конденсации приводит к увеличению гидравлического сопротивления движению паров от зоны испарения к поверхности конденсации и поэтому отрицательно сказывается на теплопередающей способности трубы. Кроме того, имеет место теплоперенос от радиаторов на корпус в зоне конденсации, который тем выше, чем больший температурный напор обеспечивают применяемые термоэлектрические преобразователи. Этот теплоперенос дополнительно усиливается наличием свободных наружных поверхностей стенки корпуса между поверхностями, с которыми контактируют термоэлектрические преобразователи. Влага, содержащаяся в наружном воздухе, охлаждающем радиаторы, имеет в данной конструкции возможность конденсироваться на корпусе в зоне конденсации и других холодных элементах, что также ведет к снижению теплопередающей способности тепловой трубы.
К предлагаемой гравитационной тепловой трубе по обоим вариантам ее выполнения наиболее близка известная тепловая труба по патенту [2]. Эта труба имеет в своем составе выполненный с возможностью заправки теплоносителем герметичный корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной, а также термоэлектрические преобразователи, холодные поверхности которых имеют тепловой контакт с наружной поверхностью стенки корпуса в зоне конденсации, а горячие поверхности - с радиаторами. При этом корпус выполнен с наружной поверхностью стенки, имеющей в поперечном сечении в зоне конденсации прямоугольную форму при не изменяющемся по длине корпуса внутреннем поперечном сечении в этой зоне. Термоэлектрические преобразователи установлены на всех четырех сторонах наружной поверхности стенки корпуса, а радиаторы, являющиеся общими для всех термоэлектрических преобразователей, установленных на одной и той же стороне стенки корпуса, выполнены в виде оребренных пластин таким образом, что они образуют охватывающую корпус полость. Свободный внутренний объем последней заполнен материалом с низкой теплопроводностью и малым коэффициентом водопоглощения.
Особенностью конструкции данной известной трубы является то, что сборка узлов, содержащих термоэлектрические преобразователи вместе с элементами крепления и элементами, обеспечивающими тепловой контакт термоэлектрических преобразователей с корпусом трубы и оребренными пластинами радиатора, может быть осуществлена только непосредственно на корпусе трубы вместе с указанными пластинами, общими для всех термоэлектрических преобразователей, установленных на одной и той же стороне стенки корпуса. Поэтому заполнение упомянутой выше полости материалом с низкой теплопроводностью и малым коэффициентом водопоглощения, который после полимеризации представляет собой плотную структуру и прочно склеивается с корпусом трубы, делает практически невозможной замену вышедшего из строя термоэлектрического преобразователя, в результате чего в такой ситуации оказывается пришедшей в негодность вся тепловая труба.
Предлагаемое изобретение по первому варианту направлено на достижение технического результата, заключающегося в более простом и удобном техническом обслуживании гравитационной тепловой трубы и повышении ее надежности. Ниже при изложении сущности предлагаемого изобретения по первому варианту и описании частных случаев его выполнения будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемая гравитационная тепловая труба по первому варианту, как и указанная наиболее близкая к ней известная труба по патенту [2], содержит выполненный с возможностью заправки теплоносителем герметичный корпус с зоной испарения, транспортной зоной и зоной конденсации, имеющий в этой зоне не изменяющееся по ее длине внутреннее поперечное сечение. На указанном корпусе в зоне конденсации установлены термоэлектрические преобразователи и предназначенные для их охлаждения радиаторы, а также элементы, обеспечивающие тепловой контакт термоэлектрических преобразователей с предназначенными для их охлаждения радиаторами и корпусом трубы.
Для достижения названного технического результата в предлагаемой гравитационной тепловой трубе по первому варианту, в отличие от наиболее близкой к ней известной, каждый термоэлектрический преобразователь и элементы, обеспечивающие его тепловой контакт с предназначенным для его охлаждения радиатором и корпусом трубы, заключены в кожух и вместе с предназначенным для охлаждения данного термоэлектрического преобразователя радиатором, закрепленным на указанном кожухе, образуют установленный на корпусе трубы съемный теплоотводящий модуль. Свободный объем внутри указанного кожуха заполнен отвержденным при изготовлении съемного теплоотводящего модуля водонепроницаемым теплоизоляционным материалом.
Такая конструкция позволяет осуществлять сборку теплоотводящих модулей отдельно от корпуса трубы. Это упрощает их установку на корпус трубы, так как совокупность всех элементов теплоотводящего модуля, включая предназначенный для охлаждения термоэлектрического преобразователя радиатор, конструктивно образует единое целое. Одновременно исключается возможность прилипания к поверхности корпуса трубы водонепроницаемого теплоизоляционного материала, так как он может быть отвержден при изготовлении съемного теплоотводящего модуля. В совокупности отмеченные особенности не только упрощают установку теплоотводящего модуля на корпус трубы, но и обеспечивают удобство при демонтаже и замене вышедшего из строя модуля или переносе его на другую трубу. Выход из строя теплоотводящего модуля, даже если он единственный, не приводит к потере гравитационной тепловой трубы в целом, чреватой необходимостью установки новой трубы в грунт, так как отказавший теплоотводящий модуль легко может быть заменен на резервный.
Целесообразно такое выполнение предлагаемой тепловой трубы, когда указанные съемные теплоотводящие модули установлены на корпусе трубы попарно, с разных сторон корпуса трубы симметрично по отношению друг к другу и имеют в каждой паре общее средство для их фиксации на корпусе трубы.
Предпочтительно также, чтобы корпус трубы в транспортной зоне и в промежутках между съемными теплоотводящими модулями был покрыт теплоизоляцией. В этом случае корпус становится защищенным от конденсации водяных паров из окружающего воздуха, что повышает эффективность тепловой трубы. Такая защита особенно важна вблизи съемных теплоотводящих модулей.
Зона конденсации предлагаемой тепловой трубы может быть выполнена, по меньшей мере, с двумя участками, на одном или нескольких из которых, но не на всех, установлены указанные съемные теплоотводящие модули, а остальные участки зоны конденсации снабжены радиаторами, контактирующими непосредственно с корпусом трубы.
Такое выполнение позволяет осуществлять работу трубы в двух режимах: с работающими и не работающими термоэлектрическими преобразователями в составе указанных теплоотводящих модулей, в зависимости от того, имеется ли необходимость дополнительного охлаждения зоны конденсации при данной температуре окружающего воздуха. Этим обеспечивается достижение наряду с указанным выше дополнительного технического результата, заключающегося в большей энергоэффективности предлагаемой тепловой трубы за счет работы с выключенными термоэлектрическими преобразователями и в возможности использования этой трубы в более широком диапазоне внешних условий.
При этом указанные участки зоны конденсации могут принадлежать как общему для них прямолинейному корпусу трубы, так и разным его частям, на которые разветвляется корпус трубы на границе транспортной зоны и зоны конденсации. Выполнение по первому из названных случаев может быть использовано, когда для находящейся над поверхностью грунта частью тепловой трубы нет ограничения по высоте, а второй - когда такое ограничение есть.
Для предлагаемого изобретения по второму варианту наиболее близким известным техническим решением, как и для первого варианта, является гравитационная тепловая труба по патенту [2].
Наряду с описанной выше при рассмотрении первого варианта особенностью наиболее близкой к предлагаемой известной тепловой трубы по патенту [2], обусловливающей ее названные выше недостатки, необходимо отметить также, что принцип действия и конструкция этой трубы предусматривают ее нормальную работу только с функционирующими термоэлектрическими преобразователями. Принципиально при понижении температуры окружающего воздуха было бы возможно использование этой трубы и при выключенных термоэлектрических преобразователях. Однако из-за того, что корпус в зоне конденсации окружен слоем теплоизолирующего материала, заполняющего полость, образованную оребренными пластинами радиаторов, и из-за того, что между радиаторами и корпусом трубы установлены термоэлектрические преобразователи и другие промежуточные элементы, теплообмен с окружающей средой при неработающих термоэлектрических преобразователях затруднен. Необходимость постоянного использования термоэлектрических преобразователей, в том числе и в условиях, когда можно было бы обойтись и без них, снижает энергоэффективность эксплуатации трубы.
Таким образом, в совокупности конструктивные особенности наиболее близкой к предлагаемой известной гравитационной тепловой трубы по патенту [2] ограничивают диапазон условий, в которых возможно ее использование, а также снижают ее надежность и ухудшают ремонтопригодность, затрудняя техническое обслуживание.
Предлагаемое изобретение по второму варианту направлено на достижение технического результата, совпадающего с таковым для первого варианта, т.е. заключающегося в более простом и более удобном техническом обслуживании гравитационной тепловой трубы и повышении ее надежности, а также на достижение дополнительного к указанному результата, заключающегося в обеспечении большей энергоэффективности предлагаемой тепловой трубы и возможности ее использования в более широком диапазоне внешних условий. Ниже при изложении сущности предлагаемого изобретения по второму варианту и описании частных случаев его выполнения будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемая гравитационная тепловая труба по второму варианту, как и указанная наиболее близкая к ней известная труба по патенту [2], содержит выполненный с возможностью заправки теплоносителем герметичный корпус с зоной испарения, транспортной зоной и зоной конденсации, имеющий в этой зоне не изменяющееся по ее длине внутреннее поперечное сечение. На указанном корпусе в зоне конденсации установлены термоэлектрические преобразователи и предназначенные для их охлаждения радиаторы, а также элементы, обеспечивающие тепловой контакт термоэлектрических преобразователей с предназначенными для их охлаждения радиаторами и корпусом трубы.
Для достижения названного технического результата в предлагаемой гравитационной тепловой трубе по второму варианту, в отличие от наиболее близкой к ней известной, зона конденсации выполнена с двумя или более участками. При этом указанные термоэлектрические преобразователи и радиаторы для их охлаждения, а также элементы для обеспечения теплового контакта каждого термоэлектрического преобразователя с радиатором для его охлаждения и корпусом трубы установлены на одном или нескольких из указанных участков, но не на всех, а остальные участки зоны конденсации снабжены радиаторами, контактирующими непосредственно с корпусом трубы. Каждый термоэлектрический преобразователь и элементы, обеспечивающие его тепловой контакт с предназначенным для его охлаждения радиатором и корпусом трубы, заключены в кожух и вместе с предназначенным для охлаждения данного термоэлектрического преобразователя радиатором, закрепленным на указанном кожухе, образуют установленный на корпусе трубы съемный теплоотводящий модуль. Свободный объем внутри указанного кожуха заполнен отвержденным при изготовлении съемного теплоотводящего модуля водонепроницаемым теплоизоляционным материалом.
Описанная конструкция предлагаемой тепловой трубы по второму варианту позволяет осуществлять сборку теплоотводящих модулей отдельно от корпуса трубы, что исключает возможность прилипания водонепроницаемого теплоизоляционного материала к поверхности корпуса трубы и упрощает установку модулей на корпус трубы, так как совокупность всех элементов теплоотводящего модуля, включая предназначенный для охлаждения термоэлектрического преобразователя радиатор, конструктивно образует единое целое. Одновременно обеспечивается удобство при демонтаже и замене вышедшего из строя модуля или переносе его на другую трубу. Выход из строя теплоотводящего модуля, даже если он единственный, не приводит к потере гравитационной тепловой трубы в целом, чреватой необходимостью установки новой трубы в грунт, так как отказавший теплоотводящий модуль легко может быть заменен на резервный. Благодаря выполнению трубы с зоной конденсации, имеющей участки двух указанных выше видов, становится возможным ее функционирование как с работающими, так и с выключенными термоэлектрическими преобразователями, содержащимися в указанных модулях. Это позволяет, в конечном счете, использовать трубу при внешних условиях, изменяющихся в более широком диапазоне.
Возможны частные случаи выполнения предлагаемой тепловой трубы, в одном из которых указанные участки зоны конденсации принадлежат общему для них прямолинейному корпусу трубы, а в другом - разным частям корпуса, на которые разветвляется корпус трубы на границе транспортной зоны и зоны конденсации.
Выполнение тепловой трубы по первому из названных случаев может быть использовано, когда для находящейся над поверхностью грунта части тепловой трубы нет ограничения по высоте, а по второму - когда такое ограничение есть.
Целесообразно такое выполнение предлагаемой тепловой трубы, когда указанные съемные теплоотводящие модули, размещенные на указанных одном или нескольких участках зоны конденсации, установлены на корпусе трубы попарно, с разных сторон корпуса трубы симметрично по отношению друг к другу и имеют в каждой паре общее средство для их фиксации на корпусе трубы.
Предпочтительно, чтобы корпус трубы в транспортной зоне и в промежутках между съемными теплоотводящими модулями был покрыт теплоизоляцией. В этом случае корпус становится защищенным от конденсации водяных паров из окружающего воздуха, что повышает эффективность тепловой трубы. Такая защита особенно важна вблизи теплоотводящих модулей.
Техническое решение по предлагаемому изобретению поясняется примерами его осуществления, иллюстрируемыми чертежами, на которых показаны:
- на фиг.1 - предлагаемая гравитационная тепловая труба с прямым корпусом, в зоне конденсации которого установлены несколько пар съемных теплоотводящих модулей;
- на фиг.2 - в укрупненном масштабе часть корпуса предлагаемой гравитационной тепловой трубы, на которой установлена пара симметрично размещенных относительно корпуса съемных теплоотводящих модулей;
- на фиг.3 - предлагаемая гравитационная тепловая труба с прямым корпусом, имеющим в зоне конденсации участок с установленными съемными теплоотводящими модулями и участок с радиатором, контактирующим непосредственно с корпусом трубы;
- на фиг.4 - предлагаемая гравитационная тепловая труба с корпусом, имеющим разветвление на границе транспортной зоны с зоной конденсации, одна из ветвей которой образует участок зоны конденсации с установленными съемными теплоотводящими модулями, а другая - участок с радиаторами, контактирующими непосредственно с корпусом трубы;
- на фиг.5 и 6 - полученные путем компьютерного моделирования изображения одного съемного теплоотводящего модуля и двух таких модулей, прижатых друг к другу.
Гравитационная тепловая труба, представленная на фиг.1, выполнена в соответствии с предлагаемым изобретением по первому варианту.
Гравитационные тепловые трубы и по фиг.3, и по фиг.4 соответствуют предлагаемому изобретению по первому варианту только в частных случаях его выполнения, когда труба характеризуется дополнительными признаками, выражающим наличие в зоне конденсации указанных выше участков двух видов.
Одновременно гравитационные тепловые трубы по фиг.3 и фиг.4 соответствуют предлагаемому изобретению по второму варианту, в котором признаки, выражающие наличие в зоне конденсации указанных участков двух видов, являются обязательными для всех случаев осуществления изобретения.
Для обоих вариантов предлагаемого изобретения гравитационные тепловые трубы по фиг.3 и фиг.4 различаются признаками, характеризующими конструктивное выполнение указанных участков.
Гравитационная тепловая труба, представленная на фиг.1, имеет заправленный (частично заполненный) жидким теплоносителем 1 корпус 2 с зонами 3 испарения, транспортной зоной 4 и зоной 5 конденсации. Для осуществления заправки теплоносителем труба имеет не изображенный на данном и других чертежах штенгель. Заправка производится перед началом эксплуатации трубы. На фиг.1 (а также на фиг.3 и фиг.4) труба показана с зоной 3 испарения, погруженной в грунт, подлежащий охлаждению. Размер внутреннего поперечного сечения корпуса трубы в зоне 5 конденсации постоянен. При этом внешнее поперечное сечение корпуса может иметь круглую или прямоугольную форму. В зоне 5 конденсации размещены несколько пар установленных на корпусе трубы съемных теплоотводящих модулей 6 (в показанном на фиг.1 конкретном случае - три пары, т.е шесть теплоотводящих модулей). Два модуля каждой пары размещены на одной и той же высоте симметрично по отношению друг к другу с разных сторон корпуса трубы. В случае, показанном на фиг.1, каждые два съемных теплоотводящих модуля, образующих пару, механически соединены друг с другом и корпусом трубы. Оба теплоотводящих модуля в каждой паре имеют одинаковую конструкцию, иллюстрируемую фиг.2. На ней представлен в укрупненном масштабе фрагмент I фиг.1, содержащий теплоотводящие модули 6, один из которых установлен с левой (по чертежу), а другой - с правой стороны корпуса 2 трубы. В правой части фиг.2 теплоотводящий модуль 6 показан в разрезе.
Съемный теплоотводящий модуль 6 содержит последовательно установленные и прижатые друг к другу элемент 8 для обеспечения теплового контакта термоэлектрического преобразователя с корпусом трубы, сам термоэлектрический преобразователь 9, а дистанционную прокладку 10 и контактную пластину 11, выполняющую вместе с дистанционной прокладкой 10 роль упомянутого выше при раскрытии сущности изобретения элемента для обеспечения теплового контакта термоэлектрического преобразователя 9 с радиатором. Наличие дистанционной прокладки 10 целесообразно для увеличения расстояния между горячим радиатором и холодным корпусом трубы с целью уменьшения обратных натечек тепла, т.е. для повышения хладопроизводительности модуля. Перечисленные элементы конструкции съемного теплоотводящего модуля 6 заключены в кожух 7, прикрепленный винтами 22 к контактной пластине 9 и имеющий напротив нее отверстие, через которое с этой пластиной контактируют оребренные элементы 14 радиатора, прикрепленные к ней винтами 21. При показанном на фиг.2 выполнении радиатор имеет два таких элемента - верхний и нижний. Свободное внутреннее пространство кожуха 7 залито водонепроницаемым теплоизоляционным материалом 13, который в изготовленном теплоотводящем модуле, предназначенном для установки на корпус 2 трубы, представляет собой твердый монолит.
Упомянутое выше прижатие к термоэлектрическому преобразователю 9 элементов 8 и 10 с пластиной 11 и их всех вместе с термоэлектрическим преобразователем 9 и заполненным теплоизоляционным материалом кожухом 7 - к корпусу 2 трубы при показанном на фиг.1 и фиг.2 выполнении производится одновременно для обоих съемных теплоотводящих модулей 6, входящих в состав пары, шпильками 15 с гайками 16 через коромысла 12, упирающиеся в пластины 11 каждого их двух модулей 6 данной пары. Указанные коромысла и шпильки с гайками в совокупности образуют общее для пары съемных теплоотводящих модулей средство их фиксации на корпусе трубы.
Для корпуса 2 трубы, имеющего круглое поперечное сечение, его тепловой контакт с термоэлектрическим преобразователем 9 осуществляется через предназначенный для этого элемент 8 теплоотводящего модуля, имеющий цилиндрическую поверхность, обращенную к корпусу 2. Такая же форма при изготовлении теплоотводящего модуля 6 придана поверхности теплоизоляционного материала 13 в области его контакта с корпусом 2 трубы. В случае, когда корпус 2 трубы имеет прямоугольное внешнее поперечное сечение, обе упомянутые поверхности являются плоскими.
На корпус трубы в транспортной зоне 4 и в зоне 5 конденсации снизу и сверху от съемных теплоотводящих модулей 6 целесообразно устанавливать теплоизоляцию 20 таким образом, чтобы она контактировала с кожухами 7 теплоотводящих модулей.
Описанное выше выполнение, предусматривающее объединение теплоотводящих модулей в пары, является предпочтительным, но не обязательным. Теплоотводящие модули могут быть и не сгруппированы в пары, причем в частном случае труба может иметь только один съемный теплоотводящий модуль. При установке непарных модулей на корпус трубы, в отличие от описанного выше выполнения, отсутствующие второй модуль (например, левый по фиг.2) и коромысло 12 заменяются скобой, охватывающей корпус трубы со стороны, противоположной устанавливаемому модулю, а шпильки 15 пропускаются через отверстия этой скобы.
При работе тепловой трубы по фиг.1 образующийся в зоне 3 испарения пар теплоносителя, которым заправлен корпус 2, поднимается вверх по транспортной зоне 4 корпуса и достигает зоны 5 конденсации. Здесь он отдает стенке корпуса теплоту, которая передается далее к холодной поверхности термоэлектрического преобразователя 9 через элемент 8, предназначенный для обеспечения теплового контакта термоэлектрического преобразователя с корпусом трубы. Холодная поверхность термоэлектрического преобразователя 9 остужает элемент 8 и стенку корпуса, с которой этот элемент контактирует. Термоэлектрический преобразователь 9 "перекачивает" полученную им теплоту к радиатору с оребрением 14 через дистанционную прокладку 10 и контактную пластину 11. Далее теплота отдается в окружающую среду через оребренные элементы 14 радиатора. Пар, отдающий теплоту стенке трубы в местах размещения съемных теплоотводящих модулей 6, конденсируется. Образовавшийся конденсат под действием силы тяжести стекает вниз в зону испарения, где конденсат вскипает под действием теплоты окружающего грунта, после чего описанный цикл повторяется. В результате происходит перенос тепла от грунта к окружающей зону конденсации воздушной среде, и грунт охлаждается.
Термоэлектрические преобразователи 9 теплоотводящих модулей 6 могут работать как постоянно, так и с заданной цикличностью, или вообще быть выключенными, в зависимости от температуры окружающей среды в зоне конденсации. При необходимости управление ими легко может быть автоматизировано, для чего устройство в целом может быть оснащено соответствующими средствами. Для повышения надежности работы трубы такие средства могут быть выполнены независимыми для разных теплоотводящих модулей 6. Ввиду простоты логики их функционирования они могут быть выполнены в виде блоков 23 небольших габаритов и размещены непосредственно во внутреннем пространстве кожухов 7. Питающее электрическое напряжение в каждый из теплоотводящих модулей 6 может подаваться через его электрический разъем 19, а для отображения информации о наличии этого напряжения и функционировании теплоотводящего модуля 6 он может быть оснащен соответствующими индикаторами 17, 18.
При описанной конструкции для того, чтобы снять неисправный теплоотводящий модуль с целью его замены достаточно освободить два коромысла 12, сняв гайки 16 со шпилек 15. Операция по замене может быть произведена настолько быстро, что при этом не происходит заметного отепления грунта и уменьшения несущей способности фундамента сооружения, возведенного на охлаждаемом грунте.
Фиг.3 иллюстрирует выполнение предлагаемой гравитационной тепловой трубы, отличающееся от показанного на фиг.1 тем, что труба в зоне 5 конденсации имеет два участка 5.1 и 5.2.
Один из них (5.1), как и в случае, иллюстрируемом фиг.1, содержит установленные на корпусе съемные теплоотводящие модули 6. На фиг.3 показаны только два таких модуля, образующих, как и на фиг.1, пару. Фрагмент I фиг.3, содержащий съемные теплоотводящие модули 6, один из которых установлен с левой (по чертежу), а другой - с правой стороны корпуса 2 трубы представлен на фиг.2. В правой части фиг.2 съемный теплоотводящий модуль 6 показан в разрезе.
К съемным теплоотводящим модулям 6 трубы по фиг.3 относится все сказанное выше о таких модулях трубы по фиг.1, показанных на фиг.2, в том числе об их конструкции, возможном количестве таких модулей и их группировании, простоте замены и др.
Другой участок (5.2) зоны конденсации имеет оребренный радиатор, контактирующий непосредственно с корпусом трубы.
При таком выполнении по сравнению с представленным на фиг.1 обеспечивается достижение дополнительного технического результата, а именно возможности работы в более широком диапазоне внешних условий. Благодаря наличию участка 5.2 зоны конденсации, снабженного радиатором, при понижении температуры окружающей среды ниже некоторого значения работа трубы становится возможной при выключенных термоэлектрических преобразователях 9 модулей 6 в соответствии с традиционным принципом функционирования гравитационной тепловой трубы.
Следует заметить, что такая работа принципиально возможна и для трубы по фиг.1, но эффективность трубы будет ниже, чем в случае, представленном на фиг.3, поскольку выключенные термоэлектрические преобразователи 9 вместе с обслуживающими их элементами 8, 10, 11 представляют заметное тепловое сопротивление, ухудшающее теплопередачу к элементам 14 радиатора. Поэтому для нормальной работы трубы по фиг.1 при выключенных термоэлектрических преобразователях 9 необходима более низкая температура окружающей среды, чем для трубы по фиг.3. Ввиду наличия упомянутого теплового сопротивления существуют ситуации, когда режим работы трубы по фиг.1 при выключенных термоэлектрических преобразователях вообще не может быть реализован, несмотря на достаточно низкую внешнюю температуру. Необходимость в таких ситуациях сохранения термоэлектрических преобразователей во включенном состоянии не позволяет снизить энергопотребление трубы.
При использовании же трубы по фиг.3 в аналогичных ситуациях такой режим функционирования при выключенных термоэлектрических преобразователях 9 возможен. При работающих термоэлектрических преобразователях 9 теплоотводящих модулей 6 конденсация паров теплоносителя происходит, в основном, на участке 5.1 размещения модулей 6, а до участка 5.2 пары могут не доходить. При неработающих термоэлектрических преобразователях 9 модулей 6 конденсация паров теплоносителя происходит, в основном, на участке 5.2, имеющем радиатор, контактирующий непосредственно с корпусом трубы. Частично конденсация может происходить и на участке 5.1 с теплоотводящими модулями (как и в трубе по фиг.1 при неработающих термоэлектрических преобразователях), поскольку каждый из них имеет радиатор. Однако интенсивность конденсации на этом участке невелика по изложенной выше причине, связанной с тем, что радиатор контактирует с корпусом трубы не непосредственно, а через ряд элементов теплоотводящего модуля, создающих тепловое сопротивление.
Таким образом, выполнение предлагаемой трубы по фиг.3 при сохранении всех положительных свойств, присущих трубе по фиг.1, дополнительно способствует снижению энергопотребления за счет возможности отключения термоэлектрических преобразователей и расширяет диапазон температур окружающей среды, когда обеспечивается такое снижение.
Переход к режиму работы с выключенными термоэлектрическими преобразователями может осуществляться как "вручную", так и автоматически при соответствующем программировании блоков 23 по фиг.2, если теплоотводящие модули 6 оснащены ими, и учете показаний датчиков температуры.
Такой же, как и в трубе по фиг.3, принцип действия может быть реализован в имеющей иное конструктивное выполнение трубе по фиг.4. В этой трубе, как и в трубе по фиг.3, зона конденсации имеет два участка, на одном из которых (5.3) установлены съемные теплоотводящие модули 6, а другой участок (5.4) зоны конденсации имеет оребрение, образующее обычный радиатор, контактирующий непосредственно с корпусом. Выполнение пары съемных теплоотводящих модулей 6 иллюстрируется фиг.2, на которой представлен фрагмент I фиг.4, содержащий съемные теплоотводящие модули 6. К съемным теплоотводящим модулям 6 трубы по фиг.4 относится все сказанное выше о таких модулях.
Особенностью выполнения трубы по фиг.4 является то, что участки 5.3 и 5.4 зоны конденсации принадлежат не традиционному прямолинейному корпусу (как на фиг.3), а двум частям корпуса, на которые он разветвляется на границе транспортной зоны и зоны конденсации. Корпус может иметь в зоне конденсации не только две, но и большее число ветвей, соответствующих указанным участкам. При этом соотношение количеств ветвей, имеющих установленные на них съемные теплоотводящие модули, и ветвей, оснащенных обычными радиаторами, контактирующими непосредственно с корпусом, может быть различным. Однако в любом случае должна иметься хотя бы одна ветвь, представляющая участок с установленными на корпусе теплоотводящими модулями, и хотя бы одна ветвь, представляющая участок с радиатором, контактирующим непосредственно с корпусом трубы.
Логика работы трубы по фиг.4 аналогична логике работы трубы по фиг.3. Соответствующее фигуре 4 выполнение тепловой трубы предпочтительно, в частности, в случае, когда она должна быть расположена под сооружением, например, в проветриваемом подполье. В такой ситуации прямая труба по фиг.3 занимала бы по высоте значительную часть проветриваемого подполья и иногда вообще не могла бы быть в нем размещена. В этом случае труба в зоне конденсации выполняется, по меньшей мере, из двух ветвей, как показано на фиг.4.
В результате рассмотрения приведенных выше примеров осуществления предлагаемого изобретения можно заключить, что использование гравитационной тепловой трубы по фиг.1 предпочтительно, когда простой конденсатор в виде оребренной трубы не эффективен, например, в климатической зоне с небольшими отрицательными температурами воздуха в зимние месяцы или в слабо продуваемом из-за больших размеров сооружения подполье. В этом случае термоэлектрические преобразователи, входящие в состав съемных теплоотводящих модулей, включены в работу постоянно и работают по температурным уставкам в циклическом режиме.
Использование гравитационной тепловой трубы по фиг.3 или по фиг.4 предпочтительно, когда возможно изменение условий ее работы от таких, как указано выше, до таких, при которых может быть достигнута приемлемая эффективность работы простого конденсатора в виде оребренной трубы. В зависимости от конкретных условий, работа трубы может происходить как при включенных, так и при выключенных термоэлектрических преобразователях, входящих в состав съемных теплоотводящих модулей. Такое чередование режимов может быть характерно, например, при расположении конденсатора в хорошо проветриваемом подполье. При этом в случае наличия ограничения по высоте предпочтительно использование трубы по фиг.4.
Общей особенностью для обоих вариантов предлагаемой тепловой трубы, присутствующей во всех рассмотренных и других возможных частных случаях ее выполнения и использования, является наличие в конструкции трубы легко устанавливаемых и легко заменяемых теплоотводящих модулей. На фиг.5 представлено полученное путем компьютерного моделирования изображение съемного теплоотводящего модуля 6 без заполнения внутреннего пространства кожуха 7 водонепроницаемым теплоизоляционным материалом. Элемент 8 в представленном на этой фигуре случае имеет цилиндрическую поверхность для обеспечения теплового контакта с корпусом трубы, имеющим в поперечном сечении круглую форму. На фиг.6 показаны два съемных теплоотводящих модуля, расположенные по отношению друг к другу так, как они должны быть расположены, будучи установлены на корпусе гравитационной трубы. Видны два коромысла 12 и одно из отверстий 40 для шпильки 15.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации №2035673, опубл. 20.05.1995.
2. Патент Российской Федерации №2373472, опубл. 20.11.2009.