Способ регулирования температурного уровня контурной тепловой трубы

 

Использование: для термостабилизации различных теплонагруженных объектов. Сущность изобретения: регулирование тепловой трубы осуществляют путем управляемого теплового воздействия на теплоноситель в компенсационной полости. Воздействие осуществляют регулируемым по определенному закону нагревом или охлаждением теплоносителя. Мощность регулирующего воздействия можно определить по формуле: Qр = CpQ/L(Tкп2 - Ткп1), где Qр - мощность регулирующего теплового воздействия, Вт, Ср - теплоемкость жидкого теплоносителя, Дж/кг К, Q - тепловой поток, передаваемый тепловой трубой, Вт, L - скрытая теплота испарения теплоносителя, Дж/кг, Ткп1 - температура пара в компенсационной полости, реализующаяся при заданной температуре пара в зоне испарения тепловой трубы или нагреваемой стенки испарителя, К, Tкп2 - температура пара в компенсационной полости, реализующаяся при заданных условиях подвода и отвода тепла в испарителе и конденсаторе тепловой трубы, К, или задать автоматизированной системой с обратной связью по температуре пара в паропроводе или стенке испарителя.

Изобретение относится к области теплотехники, в частности, к контурным тепловым трубам и может быть использовано для термостабилизации различных теплонагруженных объектов.

Известен способ регулирования температуры тепловой трубы путем изменения ее проводимости с помощью резервуара, содержащего неконденсирующийся газ[1] Резервуар сообщен с конденсатором тепловой трубы. Регулирование осуществляется за счет изменения поверхности конденсации, которая, в свою очередь, зависит от давления в тепловой трубе и количества неконденсирующегося газа. Недостатком данного способа регулирования является необходимость введения в рабочее пространство тепловой трубы, помимо собственно теплоносителя, некоторого количества неконденсирующегося газа. В ряде случаев это может привести к диффузии газа из зоны конденсации в транспортную и испарительную зоны тепловой трубы. При этом снижается ее теплопередающая способность, а также могут иметь место нежелательные эффекты, аналогичные тем, что дает газовыделение в тепловой трубе.

Известен также способ регулирования контура с капиллярной прокачкой [2] основанный на использовании специального резервуара жидкостного аккумулятора, подсоединенного к жидкостному транспортному каналу. За счет регулируемого нагрева или охлаждения аккумулятора осуществляют его частичное опорожнение или заполнение жидкой фазой теплоносителя при заданной температуре насыщения, что приводит к соответствующему блокированию или освобождению активной теплоотдающей поверхности конденсатора. Следствием этого является поддержание температуры теплопередающей системы на уровне заданной температуры жидкостного аккумулятора. Недостатками подобной системы являются: во-первых, необходимость выделения в контуре дополнительного объема жидкостного аккумулятора, что в ряде случаев осложняет компоновку теплопередающей системы; и, во-вторых, усложнение запуска контура вследствии необходимости предварительной последовательности операций для полного затопления контура жидкой фазой теплоносителя. Это, в свою очередь, приводит к перегреву жидкости, необходимому для ее вскипания как в зоне испарения, так и со стороны впитывающей поверхности капиллярной структуры испарителя. Последнее обстоятельство значительно увеличивает вероятность незапуска контура.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ регулирования тепловой трубы [3] путем изменения расхода теплоносителя. Изменение расхода теплоносителя осуществляют путем управляемого теплового воздействия на фитиль в конденсатопроводе, за счет чего достигается фазовый переход металл полупроводник, сопровождаемый изменением пористости фитиля. Изменяя величину теплового воздействия в зависимости от температуры испарителя иди конденсатора, можно управлять гидравлическим сопротивлением фитиля и, следовательно, управлять процессом теплопереноса.

Основным недостатком такого способа регулирования является то, что тепловое воздействие осуществляется не только на фитиль, но и на жидкость, которая движется по фитилю в испаритель. Поскольку движение жидкости осуществляется с потерей давления, то дополнительный нагрев ее может достаточно быстро вызвать вскипание. Жидкость, вскипевшая в порах фитиля на транспортном участке, немедленно вызовет его закупорку пузырями пара. Поэтому диапазон регулирования будет существенно ограничен величиной мощности и температуры теплового воздействия.

Другим недостатком данного способа является ограничение в выборе материала капиллярной структуры, обладающего способностью перехода металл - полупроводник и ее капиллярно-транспортных характеристик.

Поэтому данный способ может быть реализован при решении весьма узкого круга задач по тепловому регулированию.

Наконец, в качестве недостатка можно отметить и то, что рассматриваемый способ регулирования осуществляется за счет уменьшения теплопередающей способности тепловой трубы. В то же время при решении целого ряда практических задач, связанных с терморегулированием, данное обстоятельство делает такой способ регулирования неприемлемым.

В основу настоящего изобретения положена задача расширения диапазона внешних условий: подвода и отвода тепла в испарителе и конденсаторе тепловой трубы, при которых возможно ее регулирование без нарушения работоспособности, снижения теплопередающей способности, усложнения запуска за счет выбора элемента контурной тепловой трубы, в котором можно осуществлять указанное регулирование с применением автоматизированной системы управления.

Поставленная задача решается тем, что регулируемый нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляют в компенсационной полости, совмещенной с испарителем. Ее диаметр значительно превосходит диаметр жидкостного канала и плотность регулирующего теплового потока в ней будет относительно невелика. Кроме того, вскипание жидкости в компенсационной полости при тепловом воздействии на нее неопасно, поскольку там уже есть готовый раздел фаз пар - жидкость. Кристаллизоваться в ней теплоноситель также не может из-за перетечек тепла от зоны подвода основной тепловой нагрузки по корпусу испарителя и капиллярной структуры.

Возможность регулирования контурной тепловой трубы посредством воздействия на компенсационную полость может быть обоснована следующим образом. Как показано в [4] значения характерных температур и давлений в испарителе и компенсационной полости тепловой трубы связаны системой уравнений: где: Тп температура пара над испаряющими менисками капиллярной структуры, К; То температура жидкости, поступающей в компенсационную полость, К; DI диаметр центрального канала в капиллярной структуре испарителя, м; D2 наружный диаметр капиллярной структуры испарителя, м; Ср теплоемкость жидкого теплоносителя, Дж/кг·К; Q тепловой поток, передаваемый тепловой трубой, Вт; λэ эквивалентная теплопроводность смоченной капиллярной структуры, Bт/м·K; lкс длина центрального канала капиллярной структуры, м;
L скрытая теплота испарения теплоносителя, Дж/кг;
Ткп температура пара в компенсационной полости, К;
ΣΔPвн' потери давления на транспортных участках, Па. Необходимо отметить, что приведенная система уравнений справедлива только при условии наличия в компенсационной полости свободной поверхности раздела фаз пар - жидкость.

Сюда же можно добавить соотношение,связывающее температуру стенки испарителя с температурой пара:
Q = αи· (Tст-Tп)·S
где: Q тепловой поток, подводимый к испарителю, Вт;
αи коэффициент теплоотдачи в испарителе, Bт/м²·K;
Тот средняя температура стенки испарителя, К;
Тп температура пара над испаряющими менисками капиллярной структуры, К;
S площадь поверхности испарителя, по которой подводится тепло, м².

В итоге систему уравнений (1) и (2) можно преобразовать к виду:

Очевидно, что пар над испаряющими менисками капиллярной структуры находится на линии насыщения. Кроме того, пар в компенсационной полости также является насыщенным, поскольку в ней имеет место свободная поверхность раздела фаз пар жидкость. А разность давлений пара в зоне испарения и компенсационной полости будет определяться только потерями давления во внешнем контуре. Следовательно, можно утверждать, что каждому значению температуры пара в компенсационной полости однозначно соответствует величина температуры пара в зоне испарения капиллярной структуры. Задавая каким-либо образом Ткп, мы, тем самым, задаем и Тп, которая в свою очередь, определяет температуру стенки испарителя Тст.

Мощность и знак регулирующего теплового воздействия Qр на компенсационную полость можно определить, решая систему уравнений (3) для двух случаев:
1 определение Ткп1, реализующейся в компенсационной полости без регулирующего воздействия на нее при заданных условиях подвода и отвода тепла в испарителе и конденсаторе тепловой трубы;
2 определение Ткп2 при заданной Тп или Тст, т.е. при температурах, которые необходимо регулировать.

Наличие разности температур (Ткп2-Tкп1) и будет определять мощность регулирующего теплового воздействия в соответствии с формулой:
Qp=Ср·Q/L(Ткп2-Ткп1)
Подвергая компенсационную полость тепловому воздействию Qp, мы, тем самым, устанавливаем необходимую температуру Тп или Тст в тепловой трубе.

Таким образом, регулирование температурного уровня контурной тепловой трубы в соответствии с предлагаемым способом не связано с использованием, помимо теплоносителя, неконденсирующихся газов, что сохраняет высокую теплопередающую способность тепловой трубы. Конструктивные особенности контурной тепловой трубы определяют наличие в ней готовой поверхности раздела фаз пар жидкость со стороны зоны испарения, что облегчает запуск теплопередающей системы. Кроме того, тепловое воздействие на теплоноситель в компенсационной полости позволяет расширить диапазон внешних условий подвода и отвода тепла в испарителе и конденсаторе, при которых возможно регулирование тепловой трубы без нарушения ее работоспособности. И наконец, предлагаемый способ регулирования не предусматривает каких-либо ограничений в выборе материала пористой структуры.

Техническое исполнение регулятора температуры компенсационной полости может быть различным в зависимости от конкретных условий: проточный жидкостной или газовый теплообменник, радиационный теплообменник, электрический нагреватель, термоэлектрический полупроводниковый преобразователь и т.д.

Как правило, теплопередающие системы работают в достаточно широком диапазоне изменения тепловой нагрузки и условий охлаждения на необслуживаемых автономных объектах. Поэтому производить расчеты Qр и управлять регулирующим воздействием непосредственно в режиме реального времени не всегда возможно. Использование принципа обратной связи управляющего устройства с характерной температурой тепловой трубы позволяет автоматизировать систему регулирования, упрощает связь управляющего устройства о регулятором температуры, устраняет возможность ошибки, связанной с расчетом Qр. В качестве характерней, как правило, выбирают температуру пара в паропроводе или стенки испарителя.

Преимущества предлагаемого изобретения станут более понятны из следующего конкретного примера его выполнения и чертежей, на которых:
Фиг. 1 представлена схема контурной тепловой трубы с регулятором температуры в соответствии с предлагаемым решением по п.2;
Фиг. 2 представлены расчетные значения регулирующего теплового воздействия Qр в зависимости от передаваемого тепловой трубой теплового потока Q;
Фиг. 3 представлены результаты испытаний тепловой трубы в виде зависимости Тп f(Q) при различных заданных Тп.

Пример: контурная тепловая труба, изображенная на фиг.1, содержит испаритель 1, совмещенный с компенсационной полостью 2, раздельные транспортные каналы для пара и жидкости 3 и 4 соответственно, конденсатор - теплообменник 5, регулятор температуры в виде электрического нагревателя 6 на наружной поверхности компенсационной полости, связанный через управляющее устройство 7 с датчиком температуры 8 пара в паропроводе.

Регулирование температурного уровня контурной тепловой трубы осуществляется следующим образом. Теплоноситель под действием подводимой тепловой нагрузки испаряется в испарителе 1 и в виде пара по паропроводу 3 поступает в конденсатор 5, где конденсируется, отдавая свое тепло. Образовавшийся конденсат под действием капиллярных сил возвращается по жидкостному каналу 4 в компенсационную полость 2, откуда транспортируется к греющей стенке испарителя 1. При этом, если температура в характерной точке тепловой трубы 8 не превышает заданную цепь управляющего устройства 7 замкнута и к компенсационной полости 2 посредством электрического нагревателя 6 подводится тепло, которое расходуется на повышение температуры жидкости и пара в компенсационной полости. Нагретый теплоноситель поступает к испаряющим менискам капиллярной структуры. Повышается при этом как температура пара в зоне испарения, так и температура обогреваемой стенки испарителя. Как только температура пара в точке 8 превышает допустимую (заданную управляющим устройством 7), цепь нагревателя размыкается и нагрева компенсационной полости не происходит. Холодный поток конденсата из жидкостного канала 4, поступает в компенсационную полость, уменьшая при этом ее температуру и температуру пара в ней. Следствием этого является снижение температур пара в зоне испарения и нагреваемой стенки испарителя.

На фиг.2 представлены расчетные значения регулирующего теплового воздействия Qр в зависимости от передаваемого тепловой трубой теплового потока для реального случая: длина транспортной зоны тепловой трубы 2 метра, теплоноситель аммиак, труба ориентирована вертикально, охлаждение конденсатора принудительное жидкостное, температура приемника тепла +6^oС. Расчет проведен для случаев стабилизации температуры пара в зоне испарения на уровне: +25; +30;+35 и +40^oС. Из приведенного графика видно, что регулирующее воздействие может быть как положительным, так же отрицательным, а абсолютная величина Qр составляет не более 2% от значения передаваемого тепловой трубой теплового потока.

На фиг. 3 представлены результаты испытаний указанной тепловой трубы с параметрами, соответствующими расчету по фиг.2. В качестве управляющего устройства, в котором задавалась температура на уровне +25;+30;+35;+40 и +45^oС, использовался терморегулятор Ш-4530. Обратной связью для него служила термопара хромель-капель, установленная на наружной поверхности паропровода, температура которого близка к температуре пара. Для сравнения температур в случае регулирования по предложенному способу, проведена серия экспериментов в условиях отсутствия регулирующего воздействия на компенсационную полость (на фиг.2 этому соответствует линия Qp=0). Анализ фиг.3 подтверждает возможность использования предложенного способа для стабилизации температуры пара во всем диапазоне тепловых нагрузок на контурную тепловую трубу, при которых регулирующее воздействие положительно. При отрицательном тепловом воздействии, как показывают расчеты, результаты регулирования будут аналогичны.

Формула изобретения

1. Способ регулирования температурного уровня контурной тепловой трубы путем регулируемого теплового воздействия на теплоноситель, отличающийся там, что тепловое воздействие осуществляют путем нагрева теплоносителя в компенсационной полости до температуры, не превышающей температуру фазового перехода при кипении, или охлаждения до температуры не ниже температуры кристаллизации, причем мощность регулируемого теплового воздействия выбирают в соответствии с формулой

где Q_р мощность регулирующего теплового воздействия, Вт;
C_р теплоемкость жидкого теплоносителя, Дж/кг·К;
Q тепловой поток, передаваемый тепловой трубой, Вт;
L скрытая теплота испарения теплоносителя, Дж/кг;
Т_кп1 температура пара в компенсационной полости при заданных условиях подвода и отвода тепла в испарителе и конденсаторе тепловой трубы, К;
Т_кп2 температура пара в компенсационной полости, реализующаяся при заданной температуре пара в зоне испарения тепловой трубы или нагреваемой стенки испарителя, К.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловое воздействие на теплоноситель осуществляют автоматически по температуре пара в паропроводе или стенки испарителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3