Тепловая труба
Изобретение предназначено для применения в энергетике и теплофизике, а также может быть использовано при создании нагреваемых теплоносителем теплопередающих тепловых труб (ТТ), преимущественно энергонапряженных, в том числе для холодильников-излучателей космических энергоустановок. Тепловая труба содержит герметичный корпус с обогреваемой снаружи зоной испарения, адиабатической зоной и охлаждаемой зоной конденсации, с размещенной у внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, причем в зоне испарения и в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, капиллярная структура выполнена профилированной с внутренней поверхностью в зоне испарения в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны - с внутренней поверхностью в виде дозвукового диффузора. Изобретение позволяет обеспечить в зоне испарения ТТ предельно возможные тепловые потоки с исключением возможности рекуперации тепла вдоль зоны испарения в случаях нагрева зоны испарения теплоносителем, протекающим снаружи корпуса вдоль зоны испарения. 1 ил.
Назначение: изобретение относится к энергетике и теплофизике и может быть использовано при создании нагреваемых теплоносителем теплопередающих тепловых труб, преимущественно энергонапряженных, в том числе для холодильников-излучателей космических энергоустановок.
Известно большое количество схемно-конструктивных решений тепловых труб (ТТ).Известна ТТ, описанная в [1]. Она содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки корпуса размещена капиллярная структура в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана. В зависимости от назначения в ТТ может быть и адиабатическая зона. В энергонапряженных ТТ для уменьшения гидравлического сопротивления в качестве капиллярной структуры может использоваться составной фитиль, состоящий из кольцевой щели для прохода жидкости (жидкой фазы рабочего тела) и перфорированного "экрана" тонкостенной перфорированной трубки, обеспечивающего разделение жидкости и пара, причем размер отверстия экрана определяет капиллярный напор, развиваемый ТТ при полностью заполненной жидкостью, кольцевой щели.Рассмотренная ТТ с описанной капиллярной структурой является высокоэффективным теплопередающим устройством, в особенности в условиях невесомости, когда ширина щели в зоне конденсации не ограничена. Однако такие энергонапряженные ТТ характеризуются неустойчивостью режимов работы вследствие принципиальной возможности потери устойчивости режима по механизму вскипания жидкой фазы рабочего тела в зоне испарения.Близкой по технической сущности к изобретению является ТТ, предложенная в [2]. Она содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки корпуса размещена капиллярная структура (фитиль) в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана. В фитиле выполнены отверстия двух типоразмеров, размещенных в шахматном порядке, причем диаметр отверстий меньшего размера составляет 0,08-0,8 диаметра отверстий большего размера, а зазор имеет величину, не превышающую радиус отверстия большого типоразмера.Рассмотренная ТТ с описанной капиллярной структурой является высокоэффективным теплопередающим устройством, в особенности в условиях невесомости, когда ширина щели в зоне конденсации неограничена. Наличие в капиллярной структуре ТТ дополнительных пароотводящих отверстий, которые больше размера отверстий капиллярной структуры, повышает устойчивость энергонапряженных ТТ по механизму вскипания жидкой фазы рабочего тела в зоне испарения.Однако практически одинаковое количество капиллярных и паровыпускных отверстий, размещенных в шахматном порядке, да еще по всей длине ТТ, а также недостаточно жесткие требования к основной капиллярной структуре не позволяют реализовать в такой ТТ предельно возможные тепловые потоки вследствие появления процессов неустойчивости из-за вскипания жидкой фазы рабочего тела. Эффективность такой ТТ резко снижается при нагреве зоны испарения протекающим вдоль этой зоны теплоносителем, например, при использовании ТТ в составе холодильника-излучателя космической энергоустановки с жидкометаллическим теплоносителем.Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является ТТ, предложенная в [3]. Она содержит обогреваемый в зоне испарения снаружи и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого размещена капиллярная структура (фитиль) в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана, в которой выполнены отверстия двух размеров, причем большие отверстия диаметром D выполнены лишь в капиллярной структуре в зане испарения и размещены с относительным шагом Т, выбранным из соотношения Т=(10-20)D<Rтт, где Rтт - радиус тепловой трубы, причем эффективный диаметр D больших отверстий и эффективный диаметр d малых отверстий выбраны из соотношений D>4b, d<2b, где b - зазор между капиллярной структурой и внутренней стенкой корпуса.Рассмотренная ТТ с описанной капиллярной структурой является высокоэффективным теплопередающим устройством, в особенности в условиях невесомости. Наличие в капиллярной структуре зоны испарения ТТ пароотводящих отверстий, которые больше характерного размера капиллярной структуры, повышает устойчивость энергонапряженных ТТ по механизму вскипания жидкой фазы рабочего тела в зоне испарения.Однако эффективность рассматриваемой ТТ резко снижается для практически важного случая, когда нагрев зоны испарения осуществляется теплоносителем, протекающим снаружи корпуса вдоль зоны испарения (от края ТТ к границе зон испарения и адиабатической). Такая схема нагрева зоны испарения ТТ используется в холодильниках-излучателях космических энергетических установок, в том число ядерно-энергетических (ЯЭУ). Снижение эффективности связано с явлением рекуперации внутри зоны испарения ТТ. Так как протекающий вдоль зоны испарения теплоноситель охлаждается, то распределение температур корпуса ТТ и, следовательно, внутренней поверхности капиллярной структуры вдоль зоны испарения будет неравномерным, а именно температура корпуса ТТ у края будет выше, чем у границы зон испарения и адиабатической. В результате пар рабочего тела также будет иметь разную температуру вдоль зоны испарения, а следовательно, по крайней мере часть пара рабочего тола, испарившегося у края ТТ, сконденсируется не в зоне конденсации ТТ, а в зоне испарения на участках вблизи границы зон испарения и адиабатической. Тем самым часть тепла вернется в теплоноситель, т.е. произойдет так называемая рекуперация тепла. В результате при высоких плотностях тепловых потоков от теплоносителя через корпус к капиллярной структуре в зоне испарения (по крайней мере у края ТТ) эффективный коэффициент теплопередачи от теплоносителя ко всей зоне испарения ТТ будет низким. Это потребует увеличения количества ТТ в холодильнике-излучателе для сброса требуемой тепловой мощности энергетической установки.Задачей изобретения является обеспечение возможности реализации в зоне испарения ТТ предельно возможных тепловых потоков с исключением возможности рекуперации тепла вдоль зоны испарения для практически важного случая, когда нагрев зоны испарения осуществляется теплоносителем, протекающим снаружи корпуса вдоль зоны испарения (от края ТТ к границе зон испарения и адиабатической).Указанная задача реализуется в ТТ, содержащей герметичный корпус с обогреваемой снаружи зоной испарения, адиабатической зоной и охлаждаемой зоной конденсации, с размещенной у внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, в которой в зоне испарения и по крайней мере в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, капиллярная структура выполнена профилированной с внутренней поверхностью в зоне испарения в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, в виде дозвукового диффузора.Чертеж продольного сечения ТТ поясняет сущность предложенного решения.ТТ содержит герметичный корпус 1 с зонами испарения 2, конденсации 3 и адиабатической зоны 4. Снаружи корпуса 1 вдоль зоны испарения 2 размещена система обогрева зоны испарения 2 в виде коаксиально размещенной с зазором 5 относительно наружной поверхности корпуса 1 трубки 6, снабженной патрубками 7 и 8 для входа и выхода теплоносителя соответственно. В зазоре 5 в рабочем режиме протекает греющий теплоноситель, например жидкий металл, направление его движения показано стрелками. Внутри корпуса 1 вдоль внутренней стенки размещена капиллярная структура 9, например, в виде сетки, войлока или не менее чем одного слоя перфорированного экрана с отверстиями. Капиллярная структура 9 в зоне испарения 2 выполнена профилированной, а именно с увеличивающейся толщиной от края 10 ТТ к границе 11 между зонами испарения 2 и адиабатической 4. Профилирование толщины капиллярной структуры выполнено таким образом, что внутренняя поверхность 12 в зоне испарения образует дозвуковое сопло по паровому объему 13 в зоне испарения с критическим (минимальным) сечением на границе 11 зон испарения и адиабатической. Профилирование толщины капиллярной структуры выполнено также в части 14 адиабатической зоны 4, причем таким образом, что внутренняя поверхность 15 капиллярной структуры в части 14 адиабатической зоны 4 по паровому объему 16 в части 14 адиабатической зоны образует дозвуковой диффузор с минимальным сечением на границе 11 зон испарения 2 и адиабатической 4. В конце (по ходу пара) части 14 адиабатической зоны толщина капиллярной структуры становится обычной и равной толщине капиллярной структуры 9 в зоне конденсации 3, а сечение по паровому объему 16 становится равный сечению 17 по паровому объему зоны конденсации 3.ТТ работает следующим образом.В исходном состоянии ТТ заполнена рабочий телом, например натрием, жидкая (или твердая) фаза которого располагается в капиллярной структуре 9.В рабочем режиме греющий теплоноситель входит в патрубок 7, движется в зазоре 5 трубки 6, после чего выходит через патрубок 8, как это показано стрелками на чертеже.При движении в зазоре 5 трубки 6 теплоноситель нагревает корпус 1 в зоне испарения 2, при этом сам теплоноситель охлаждается, т.е. его температура максимальна при входе в патрубок 7 и минимальна при выходе из патрубка 8.При нагреве корпуса 1 в зоне испарения 2 тепло передается находящейся в капиллярном структуре жидкой фазе рабочего тела, которое испаряется с поверхности 12 капиллярной структуры 9. Пар рабочего тела в паровом объеме 13 переносится из зоны испарения 2 в паровой объем 16 адиабатической зоны 4 и далее в паровой объем 17 зоны конденсации 3. В зоне конденсации 3 благодаря отводу тепла с внешней стороны ТТ на внутренней поверхности капиллярной структуры 9 происходит конденсация паровой фазы рабочего тела, а выделяющееся при этом тепло отводится с наружной поверхности зоны конденсации 3. Сконденсировавшееся рабочее тело по капиллярной структуре 9 из зоны конденсации 3 через адиабатическую зону 4 возвращается в зону испарения 2, где процесс повторяется снова.Так как протекающий вдоль зоны испарения 2 в зазоре 5 трубки 6 теплоноситель охлаждается, то распределение температур корпуса ТТ и, следовательно, внутренней поверхности 12 капиллярной структуры вдоль зоны испарения будет неравномерным, а именно температура корпуса 1 (и соответственно поверхности 12 капиллярной структуры) у края 10 будет выше, чем у границы 11 зон испарения и адиабатической. В результате испарившийся пар рабочего тела будет иметь не только разную температуру вдоль зоны испарения, но и разное давление насыщения, понижающиеся от края 10 ТТ к границе 11 зон испарения и адиабатической.Если бы толщина капиллярной структуры 9 во всех трех зонах (2-й, 3-й, 4-й) была одинаковой, то по крайней море часть пара рабочего тела, испарившегося на участках зоны испарения вблизи края 10 ТТ, сконденсировалась бы не в зоне конденсации 3 ТТ, а в зоне испарения 2 на участках вблизи границы 11 зон испарения и адиабатической. Тем самым часть тепла вернулась бы в теплоноситель, т.е. произошла бы рекуперация тепла. В результате при высоких плотностях тепловых потоков от теплоносителя через корпус к капиллярной структуре в зоне испарения 2 (по крайней мере на участках у края 10), эффективный коэффициент теплопередачи от теплоносителя ко всей зоне испарения 2 был бы низким.Для исключения процесса рекуперации тепла в зоне испарения 2 и тем самым повышения эффективности ТТ с рассматриваемой схемой нагрева зоны испарения протекающим теплоносителем с потерей температурного напора необходимо понижать температуру пара при движении в паровом объеме 13 вдоль зоны испарения 2 от края 10 к границе 11. Это может быть достигнуто уменьшением сечения парового потока вдоль зоны испарения. Для этого капиллярная структура в зоне испарения 2 выполнена профилированной, т.е. разной толщины таким образом, что внутренняя поверхность 12 капиллярной структуры образует дозвуковое сопло. В таком сопле происходит гидродинамическое ускорение пара с возрастанием скорости его движения от края 10 к границе 11. По закону сохранения энергии с увеличением скорости движения пара снижается его температура, т.е. температура пара при движении в паровой объеме 13 от края 10 до границы 11 будет понижаться. В результате будет наблюдаться одновременное понижение температур как теплоносителя при движении в зазоре 5, так и пара рабочего тела при движении в паровом объеме 13. Следовательно, конденсации пара на участках зоны испарения вблизи границы 11 практически не будет или она будет существенно меньше, чем в ТТ с непрофилированной капиллярной структурой.Предотвратив конденсацию пара в зоне испарения за счет соответствующего постепенного понижения давления и температуры пара в зоне испарения, необходимо с минимальными потерями восстановить рабочие давление к температуру пара в зоне конденсации 3. Для этого на начальном участке 14 адиабатической зоны 4 необходимо установить дозвуковой диффузор, например, в виде образованной поверхностью 15 профилированной капиллярной структуры. При движении пара в паровом пространстве 16 такого диффузора с увеличивающимся сочетанием потока пара его скорость снижается с соответствующим повышением его давления и температуры. В результате температура пара в зоне конденсации 3 будет почти такая же, как на начальном участке (вблизи края 10) зоны испарения 2.Таким образом, выполнение капиллярной структуры профилированной с внутренней поверхностью в зоне испарения в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, в виде дозвукового диффузора за счет исключения рекуперации тепла вдоль зоны испарения обеспечивает возможность реализации в зоне испарения продольно возможных тепловых потоков для практически важного случая, когда нагрев зоны испарения осуществляется теплоносителем, протекающим снаружи корпуса вдоль зоны испарения тепловой трубы.Источники информации1. П.Т. Дан и Д.А. Рей. Тепловые трубы. - М., Энергия, 1979, с.83-90 - аналог.2. Тепловая труба. SU, а.с. № 1011997, F 28 D 15/02, 1983 - аналог.3. Тепловая труба. Патент RU № 2083940, F 28 D 15/02, В 64 G 1/50, 1997 - прототип.Формула изобретения
Тепловая труба, содержащая герметичный корпус с обогреваемой снаружи зоной испарения, адиабатической зоной и охлаждаемой зоной конденсации, с размещенной у внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, отличающаяся тем, что в зоне испарения и в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, капиллярная структура выполнена профилированной с внутренней поверхностью в зоне испарения в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны - с внутренней поверхностью в виде дозвукового диффузора.РИСУНКИ
Рисунок 1