Теплообменное устройство

 

Использование: в теплообменниках периодического действия. Преимущественно систем обеспечения теплового режима механических устройств для космоса для расширения технических возможностей путем приспособления для работы в вакууме и в невесомости при больших скоростях вращения и любой ориентации в пространстве, обеспечения возможности периодического действия, а также в снижении энергозатрат при функционировании. Сущность изобретения: теплообменное устройство содержит охлаждаемое и охлаждающее тела, выполненные в виде цилиндров, коаксиально установленных с зазором один в другом с возможностью вращения. На внешней поверхности внутреннего цилиндра 1 вдоль его образующих равномерно расположены магниты 3. Внешние их поверхности образуют с внутренней поверхностью цилиндра 2 зазор, заполненный рабочим телом в виде сыпучей ферромагнитной массы. На цилиндре 1 закреплены радиальные ребра 5, разделяющие зазор на секции и изолирующие друг от друга магниты, а массы равномерно распределены по секциям. Цилиндры связаны с приводом их вращения. В режиме "Стоп" и при любой скорости вращения ω₂ масса прилегает к магнитам 3. При ω₁ = ω₂, начиная с заданной "переходной" скорости ω_1п , масса под действием центробежных сил перемещается в зазоре от магнитов к цилиндру 2 и отдает последнему накопленное тепло, снятое с цилиндра 1. При ω₁< ω_1п охлажденная масса под действием магнитных сил притяжения возвращается на магниты 3 и охлаждает цилиндр 1. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, конкретно - к теплообменникам периодического действия, в которых движущийся промежуточный теплоноситель соприкасается последовательно с каждым из двух теплоносителей. Преимущественное назначение - системы обеспечения теплового режима изделий космической техники.

Для работы в вакууме, особенно высоком и сверхвысоком, предпочтительны теплообменные устройства с твердым теплоносителем, не сублимирующим в вакууме. Твердый сыпучий теплоноситель нашел применение, в частности, в регенерируемых теплообменниках для утилизации тепла вторичных энергоресурсов в промышленной теплоэнергетике [1].

Известно теплообменное устройство (тепловая труба), содержащее охлаждаемое и охлаждающее тела, выполненные в виде цилиндров, коаксиально установленных с зазором один в другом с возможностью синхронного вращения, и снабженные приводом вращения, при этом зазор частично заполнен рабочим телом и разделен на секции радиальными ребрами, укрепленными на внутреннем цилиндре [2].

Однако такое устройство имеет ограниченную применимость. Оно требует герметичного исполнения и определенной ориентации в пространстве (горизонтальной), работоспособно только в условиях гравитации и при малых скоростях вращения, при синхронном вращении внешнего и внутреннего цилиндров, недостаточно надежно в условиях вакуума, где жидкое рабочее тело, являющееся промежуточным теплоносителем, при негерметичном выполнении устройства или при непредвиденной разгерметизации будет сублимировать. Известное устройство обладает пониженной экономичностью, связанной с динамикой жидкого рабочего тела (конденсата) в зазорах. При этом во всех режимах эксплуатации осуществляется теплопередача между охлаждаемым и охлаждающим телами через промежуточный теплоноситель. Последнее свойство неприемлемо для теплообменников периодического действия, когда промежуточный теплоноситель должен выполнять свои функции только в одном режиме или в части режимов эксплуатации.

Техническая задача заключается в расширении технических возможностей теплообменного устройства путем его приспособления для работы в вакууме и в невесомости, при больших скоростях вращения и любой ориентации в пространстве, обеспечения возможности относительных скоростей вращения и периодического действия, а также в снижении энергозатрат при его функционировании.

Это достигается тем, что в теплообменном устройстве, содержащем охлаждаемое и охлаждающее тела, выполненные в виде цилиндров, коаксиально установленных с зазором один в другом с возможностью синхронного вращения, и снабженные приводом вращения, при этом зазор частично заполнен рабочим телом и разделен на секции радиальными ребрами, укрепленными на внутреннем цилиндре, на внешней поверхности внутреннего цилиндра вдоль его образующих равномерно расположены магниты, а в качестве рабочего тела использована ферромагнитная сыпучая масса.

Кроме того магниты выполнены постоянными, ребра установлены между магнитами, а ферромагнитная масса равномерно распределена по секциям.

На фиг.1 показан один из возможных вариантов конструктивного выполнения теплообменного устройства, вид сбоку; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Теплообменное устройство содержит охлаждаемое тело 1 и охлаждающее тело (радиатор) 2, которые выполнены в виде цилиндров, коаксиально установленных с зазором один в другом с возможностью вращения. На внешней поверхности внутреннего цилиндра вдоль его образующих равномерно расположены магниты 3, преимущественно постоянные (допускаются также электромагниты 3). Внешние поверхности магнитов 3 образуют с внутренней цилиндрической поверхностью тела 2 зазор δ, частично заполненный рабочим телом 4, в качестве которого использована сыпучая ферромагнитная масса (ферромагнитные порошок, опилки или иные частицы).

На внутреннем цилиндре 1 укреплены радиальные ребра (перегородки) 5, разделяющие зазор δ, на секции. При этом ребра изолируют друг от друга магниты 3 (в преимущественном варианте выполнения устройства), а масса 4 равномерно распределена по секциям.

Пространство между телами 1 и 2 ограничено также их торцовыми элементами 6 и 7 с зазорами, допускающими их вращение друг относительно друга и достаточными для удержания частиц массы 4 в зазоре δ, . Ребра 5 расположены аналогично, с минимальным зазором от тела 2. Во всех указанных зазорах, за исключением δ, могут быть предусмотрены уплотнения (не показаны). Вращение тел 1 и 2 обеспечено их связью с валами 8 и 9 соответственно, имеющими привод по крайней мере синхронного вращения с коробкой передач (вариатором) 10, муфтой 11 и тормозом 12. Привод может обеспечивать, кроме синхронного вращения тел 1 и 2 ( ω₁ = ω₂), режим "Стоп" (ω ₁ = =ω₂ = 0) и относительное вращение ( ω₁ ≠ ω₂).

Теплообменное устройство входит в состав машины (агрегата), преимущественно содержащего привод. В этом случае специальный привод для теплообменного устройства может не требоваться.

Устройство работает следующим образом.

Тело 2, расположенное снаружи и являющееся радиатором, охлаждается в большей степени, чем внутреннее тело 1, особенно в условиях вакуума. При ω₁ = 0 и любом значении ω₂ масса 4 прилегает к магнитам 3. При ω₁ = ω ₂≠ 0, например при ω₂ ≠ 0 и включенной муфте 11, начиная с определенной заданной "переходной" скорости вращения ω_1П (при которой центробежные силы массы 4 превышают магнитные силы ее притяжения к магнитам 3) масса 4 перемещается в зазоре δ от магнитов 3 к цилиндрической поверхности тела 2 и плотно прилегает к ней, отдавая радиатору накопленное тепло, снятое с тела. При ω₁ < ω_1П, в том числе при торможении и остановке устройства тормозом 12, охлажденная масса 4 под действием магнитных сил притяжения возвращается на магниты 3 и начинает охлаждать тело 1.

При циклической работе устройства процесс теплообмена между телами 1 и 2 приобретает соответствующий циклический характер.

Использование изобретения позволяет обеспечить надежный периодический (циклический) теплосъем с тела 1 в широком спектре условий эксплуатации, включая вакуум, отсутствие гравитационного поля, произвольную ориентацию в пространстве, высокие скорости вращения и ограничения в энергопотреблении. Это особенно важно для объектов космической техники.

Формула изобретения

1. ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее охлаждаемое и охлаждающее тела, выполненные в виде цилиндров, коаксиально установленных с зазором один в другом с возможностью синхронного вращения, и снабженные приводом вращения, при этом зазор частично заполнен рабочим телом и разделен на секции радиальными ребрами, укрепленными на внутреннем цилиндре, отличающееся тем, что на внешней поверхности внутреннего цилиндра вдоль его образующих равномерно расположены магниты, а в качестве рабочего тела использована ферромагнитная сыпучая масса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магниты выполнены постоянными.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ребра установлены между магнитами, а ферромагнитная масса равномерно распределена по секциям.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2