Гравитационная тепловая труба

Изобретение предназначено для теплообмена и может быть использовано в теплотехнике. Гравитационная тепловая труба, содержащая герметичный частично заправляемый теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной и расположенный в корпусе теплоотводящий элемент для циркуляции охлаждающего агента. Теплоотводящий элемент расположен в транспортной зоне. Изобретение обеспечивает повышение теплопередающей способности тепловой трубы. 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к теплотехнике, более конкретно - к теплопередающим устройствам, а именно к гравитационным тепловым трубам.

Известна принципиальная конструктивная схема гравитационной тепловой трубы, представляющей собой герметичный частично заправляемый теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной. В тепловой трубе происходит движение пара вверх за счет разности давлений насыщенного пара в зонах испарения и конденсации, а обратное движение жидкости осуществляется под действием силы тяжести (Политехнический словарь, М., "Советская энциклопедия", 1989, с.524). Такая тепловая труба передает теплоту, поглощенную теплоносителем и отдаваемую им при конденсации, только во внешнюю среду, непосредственно контактирующую с наружной поверхностью трубы в зоне конденсации. Это ограничивает интенсивность отвода тепла и, следовательно, теплопередающую способность трубы.

Для уменьшения влияния отмеченного ограничения известная тепловая труба по авт. св. СССР №1010436 (опубл. 11.01.82), содержащая герметичный частично заправляемый теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной, дополнительно снабжена теплоотводящим элементом, размещаемым в зоне конденсации. Наличие такого элемента для циркуляции по нему охлаждающего агента способствует повышению теплопередающей способности трубы.

Техническое решение по авт. св. СССР №1010436 является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

В условиях, когда возможно повышение температуры среды, охлаждающей внешнюю стенку корпуса, эффективность теплоотводящего элемента в трубе по авт. св. СССР №1010436 снижается из-за того, что часть хладопроизводительности теплоотводящего элемента затрачивается на охлаждение стенки корпуса в зоне конденсации. Это, в свою очередь, ведет к снижению теплопередающей способности тепловой трубы. Подобная ситуация может иметь место, например, при использовании тепловой трубы, конденсатор которой охлаждается окружающим воздухом, для замораживания грунта - летом температура воздуха становится положительной и превышает температуру в зоне испарения, т.е. температуру грунта.

Предлагаемое изобретение, относящееся к гравитационной тепловой трубе, направлено на решение задачи по получению технического результата, заключающегося в повышении теплопередающей способности тепловой трубы. Ниже при раскрытии частных случаев выполнения предлагаемой гравитационной тепловой трубы будут названы и другие конкретные виды технического результата, большинство из которых, в конечном счете, связано с повышением теплопередающей способности тепловой трубы.

Предлагаемая гравитационная тепловая труба, как и указанная выше известная, наиболее близкая к ней, содержит герметичный частично заправляемый теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной и расположенный в корпусе теплоотводящий элемент для циркуляции охлаждающего агента.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемой гравитационной тепловой трубе, в отличие от наиболее близкой к ней известной, теплоотводящий элемент расположен в транспортной зоне.

Размещение теплопередающего элемента не в зоне конденсации, а в транспортной зоне позволяет снизить потери холода от циркулирующего по теплопередающему элементу агента, затрачиваемого на охлаждение стенки корпуса в зоне конденсации, и тем самым повысить эффективность тепловой трубы.

Кроме того, предлагаемая тепловая труба может быть снабжена средством для отключения движения циркулирующего агента по теплоотводящему элементу при температуре окружающей среды в зоне конденсации ниже заданной величины и для включения указанного движения при температуре окружающей среды в зоне конденсации выше заданной величины.

Благодаря наличию такого средства достигается сокращение затрат энергии на обеспечение движения циркулирующего агента при функционировании тепловой трубы в случае понижения температуры среды, отбирающей теплоту от конденсатора.

Корпус в зоне конденсации может быть выполнен в виде одного или нескольких оребренных патрубков, соединенных с отверстиями в боковой поверхности корпуса в транспортной зоне, причем теплоотводящий элемент расположен ниже указанных отверстий, а над ними установлена заглушка, через которую проходят входной и выходной патрубки теплоотводящего элемента.

Такое выполнение корпуса в зоне конденсации способствует повышению теплопередающей способности тепловой трубы за счет лучшей теплоотдачи в окружающую среду.

Теплоотводящий элемент может иметь различное выполнение, например в виде набора прямолинейных труб, расположенных вдоль оси корпуса и подсоединенных своими концами к входной и выходной трубам-коллекторам, либо в виде змеевика с U-образными изгибами и вертикально ориентированными прямолинейными участками, или в виде змеевика спиралевидной формы. Предпочтительным является выполнение теплоотводящего элемента в виде змеевика, имеющего витки, образующие спираль с вертикальной осевой линией. Такое выполнение уменьшает гидравлическое сопротивление перемещению хладагента и более технологично, а также позволяет получить наибольшую поверхность теплообмена.

Корпус предлагаемой гравитационной тепловой трубы может иметь изгиб под углом 90°+α в части, расположенной между зоной испарения и транспортной зоной. При этом угол α составляет один или несколько градусов.

Такое выполнение целесообразно при необходимости охлаждения залегающих примерно на одной и той же глубине масс грунта, когда корпус установлен с вертикальной ориентацией в транспортной зоне и зоне конденсации, а зона испарения ориентирована почти горизонтально, с небольшим уклоном на угол α вниз в сторону, противоположную месту изгиба.

При выполнении теплоотводящего элемента в виде змеевика, имеющего витки, образующие спираль с вертикальной осевой линией, змеевик может быть расположен выше или может опираться на дно кольцевого непрерывного или снабженного перегородками углубления в кольцеобразной вставке в нижней части корпуса в транспортной зоне. При этом на указанной вставке выполнены радиальные канавки, сообщающиеся с кольцевым углублением или его частями, образованными перегородками. Канавки имеют выход вблизи стенки корпуса и переходят в щелевидные каналы, образованные стенкой корпуса и срезом боковой поверхности вставки либо вертикальными углублениями в ней.

Кроме того, возможно такое выполнение кольцеобразной вставки, при котором по ее периферии под упомянутыми радиальными канавками установлены изогнутые упругие элементы, например пластины, касающиеся корпуса.

Такие упругие элементы обеспечивают увеличение площади контакта конденсата с поверхностью стенки корпуса в зоне подвода тепла, поскольку препятствуют отеканию конденсата из радиальных канавок без контакта со стенкой корпуса. Это способствует дополнительному увеличению теплопередающей способности тепловой трубы. Без указанных элементов стекание конденсата без контакта со стенкой корпуса было бы возможно вследствие отличия реальной формы корпуса в поперечном сечении от круглой, приводящего к большим зазорам между боковой поверхностью вставки и корпусом.

Кольцеобразная вставка может быть закреплена, например, на продольных стержнях, верхней своей частью закрепленных на упомянутой заглушке.

Во всех описанных частных случаях выполнения и установки вставки ее наличие способствует более равномерному распределению стекающего конденсата по поверхности стенки корпуса и благодаря этому - увеличению поверхности испарителя, смоченной конденсатом, и, следовательно, увеличению теплопередающей способности тепловой трубы.

Между соседними витками теплоотводящего элемента и между его витками и стенкой корпуса может быть размещена, по меньшей мере, одна скоба, выполненная из изогнутой круглой проволоки или круглого прутка. При этом на нижнем витке скоба или скобы расположены в углублении кольцеобразной вставки или над ним.

Указанные скобы обеспечивают зазор между витками для движения пара, и по ним стекает конденсат вниз от витка к витку, что позволяет разделить поток конденсата на части и тем самым способствует дальнейшему равномерному распределению потока конденсата элементами кольцеобразной вставки по поверхности зоны подвода тепла. В конечном счете, это способствует повышению теплопередающей способности тепловой трубы.

Предлагаемая гравитационная тепловая труба может быть выполнена также с расширением корпуса в той части транспортной зоны, где размещен теплоотводящий элемент. Расширенная часть корпуса, выполненная, например, в виде цилиндрической обечайки, имеет диаметр, превышающий диаметр расположенной ниже части корпуса. Между указанными обечайкой и расположенной ниже нее частью корпуса имеется кольцеобразный переходник, на который опирается или над которым расположен теплоотводящий элемент.

Размещение теплоотводящего элемента в обечайке, поперечный размер которой больше поперечного размера расположенной ниже части корпуса, увеличивает площадь поперечного сечения парового канала и уменьшает гидравлическое сопротивление перемещению пара из области испарения в область конденсации, а следовательно, обеспечивает повышение теплопередающей способности тепловой трубы

Указанный переходник может иметь кольцеобразное непрерывное или разделенное перегородками углубление и сообщающиеся с ним или его частями, образованными перегородками, радиальные канавки, имеющие выход возле внутренней стенки корпуса.

Наличие выполненного указанным образом переходника способствует более равномерному распределению стекающего конденсата по поверхности стенки корпуса и благодаря этому - увеличению поверхности испарителя, смоченной конденсатом, и, следовательно, увеличению теплопередающей способности тепловой трубы.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показаны:

- на фиг.1 - тепловая труба с изогнутым корпусом и теплоотводящим элементом в виде змеевика;

- на фиг.2 - фрагмент змеевика внутри части корпуса в транспортной зоне;

- на фиг.3 - вертикальная тепловая труба с кольцеобразной вставкой;

- на фиг.4 - фрагмент транспортной зоны со змеевиком и вставкой, имеющей сплошное кольцеобразное углубление и упругие элементы;

- на фиг.5 - фрагмент транспортной зоны со змеевиком и вставкой, имеющей разделенное на части кольцеобразное углубление и упругие элементы;

- на фиг.6 - фрагмент транспортной зоны со змеевиком и вставкой, закрепленной на корпусе с помощью прерывистого сварного шва;

- на фиг.7 - вертикальная тепловая труба со змеевиком, размещенным в расширенной части корпуса, соединенной с частью меньшего диаметра с помощью кольцеобразного переходника;

- на фиг.8 - фрагмент расширенной части корпуса со змеевиком в месте ее соединения с частью меньшего диаметра с помощью переходника, имеющего непрерывное кольцеобразное углубление;

- на фиг.9 - фрагмент расширенной части корпуса со змеевиком в месте ее соединения с частью меньшего диаметра с помощью переходника, имеющего разделенное на части кольцеобразное углубление.

Гравитационная тепловая труба, изображенная на фиг.1, имеет изогнутый герметичный корпус 1, частично заправленный теплоносителем 2. Корпус имеет зону испарения 4, зону конденсации 3 и расположенную между ними транспортную зону 5 с размещенным в последней теплоотводящим элементом в виде змеевика 6, охлаждаемого циркулирующим агентом.

Зона конденсации 3 выполнена в виде оребренных патрубков 7, исходящих из боковой поверхности корпуса транспортной зоны. При этом теплоотводящий элемент - змеевик 6 расположен ниже отверстий в корпусе, через которые патрубки 7 сообщаются с внутренней полостью корпуса в транспортной зоне. Выше этих отверстий расположена заглушка 8 с патрубками 9 для подачи и вывода охлаждающего агента из змеевика. Змеевик 6 имеет витки, образующие спираль с вертикальной осевой линией. Витки змеевика отделены друг от друга и корпуса с помощью скоб 10, размещенных в показанном на фиг.2 случае тремя рядами, расположенными на угловом расстоянии 120°. В рабочем положении части трубы, соответствующие транспортной зоне 5 и зоне конденсации 3, установлены вертикально. При этом часть, соответствующая зоне испарения 4, имеет небольшой наклон относительно горизонтали, соответствующий показанному на фиг.1 углу α, составляющему один или несколько (до 7) градусов. Охлаждающий агент циркулирует по змеевику 6 (элементы, обеспечивающие циркуляцию агента, не показаны). Циркуляция может быть прекращена или возобновлена под управлением не показанных на чертежах средств, реагирующих на температуру окружающей среды, омывающей зону конденсации 3. Циркуляция прекращается, когда эта температура становится ниже заданной величины, и возобновляется, когда эта температура становится выше заданной величины. Заданная величина температуры прекращения циркуляции устанавливается в зависимости от конкретных условий эксплуатации тепловой трубы и с учетом требуемой в этих условиях температуры охлаждения, незначительно отличаясь от нее. Заданная величина температуры возобновления циркуляции может быть такой же, как и для прекращения циркуляции, либо несколько выше. Неодинаковые значения указанных заданных величин могут быть установлены для предотвращения слишком частого переключения режимов циркуляции. При выборе температуры прекращения циркуляции (т.е. первой из упомянутых заданных величин) исходят из желаемой температуры охлаждения и разности между нею и температурой окружающей среды, при которой происходит отключение циркуляции. Конкретный выбор указанных заданных значений температур не влияет на конструктивное выполнение предлагаемой гравитационной тепловой трубы, а реализация такого принципа управления возможна с помощью датчика температуры и простейшего релейного устройства и даже вручную.

Пусть, например, выбранная разность между требуемой температурой охлаждения и температурой окружающей среды, при которой происходит отключение циркуляции охлаждающего агента по змеевику 6, составляет 4°С. В этом случае при требуемой температуре охлаждения -5°С первая из указанных заданных величин (т.е. температура прекращения циркуляции) должна быть установлена равной -9°С. Когда температура среды, например воздуха, омывающей зону конденсации 3, ниже требуемой температуры среды в окрестности зоны испарения на 4°С или более, т.е. ниже -9°С, как при описанном выше выборе, циркуляция охлаждающего агента в теплоотводящем элементе - змеевике 6 выключена. Теплоноситель 2 кипит внутри трубы в зоне испарения 4, пар поднимается в зону конденсации 3, там конденсируется на стенке патрубков 7, стекает под действием силы тяжести в зону испарения, и цикл повторяется.

Как было отмечено, заданная величина температуры возобновления циркуляции может быть такой же, как и для прекращения циркуляции, либо несколько выше. Например, при сделанном выше выборе температуры прекращения циркуляции (-9°С) заданная величина температуры возобновления циркуляции может быть установлена равной от -8,5 до -9°С. Поэтому, когда температура среды, отбирающей теплоту от конденсатора, оказывается в интервале от -8,5 до -9°С или более высокой, теплоотводящий элемент включается в работу. При этом вследствие того, что теплоотводящий элемент - змеевик 6 расположен в транспортной зоне, т.е. удален от нагретого конденсатора, потери холода циркулирующего агента незначительны. В этом случае пар из зоны испарения омывает змеевик 6 со всех сторон, проходя через зазоры, образованные скобами, конденсируется на витках змеевика, стекает по ним и скобам вниз и дальше по наклонной части трубы - в зону испарения.

Описанная работа предлагаемой гравитационной тепловой трубы соответствует частному случаю ее выполнения, когда она снабжена средством для отключения циркуляции охлаждающего агента в теплоотводящем элементе. Такое выполнение позволяет оптимизировать работу трубы и снизить затраты энергии на ее эксплуатацию. Однако наличие указанного средства не является обязательным, так как и при непрерывном функционировании теплоотводящего элемента эффективность работы предлагаемой трубы увеличивается благодаря тому, что вследствие размещения упомянутого элемента в транспортной зоне снижаются потери холода от циркулирующего по теплопередающему элементу агента, затрачиваемого на охлаждение стенки корпуса в зоне конденсации.

На фиг.3 изображена вертикальная гравитационная тепловая труба с теплоотводящим элементом - змеевиком 6, расположенным в транспортной зоне 5 и опирающимся на дно углубления в кольцеобразной вставке 11 (фиг.4). Вставка может быть закреплена на стержнях 12 (фиг.3-5) или на стенке корпуса, например, с помощью прерывистого сварного шва 18 (фиг.6). Углубление 13 во вставке может быть непрерывным (фиг.4, 6) или разделенным на части 14 перегородками 15 (фиг.5).

Вставка имеет радиальные канавки 16, сообщающиеся с углублением 13 или его частями 14. Канавки 16 направлены к периферии вставки 11. Каждая канавка имеет выход вблизи стенки корпуса и переходит в щелевидный канал 19, образованный стенкой корпуса и вертикальным углублением в боковой поверхности вставки, либо стенкой корпуса и непосредственно срезом боковой поверхности вставки, без выполнения специальных углублений в ней.

Кроме того, как показано на фиг.4 и 5, возможно такое выполнение кольцеобразной вставки 11, при котором по ее периферии под радиальными канавками 16 установлены изогнутые упругие элементы 17, касающиеся корпуса. Эти элементы имеют следующее назначение. Обычно вставка в корпусе всегда расположена с зазором, обусловленным эллиптичностью реального трубчатого корпуса и допусками на изготовление внешней цилиндрической поверхности вставки. А так как вставка практически круглая, зазор имеет неодинаковую ширину по ее периметру. Там, где этот зазор велик, конденсат может не коснуться стенки корпуса, а стечет по каналу 19 и будет капать на дно трубы, что крайне нежелательно. Пластины элементов 17 должны быть упругими, чтобы при установке вставки в корпус компенсировать различную ширину зазора между вставкой и стенкой корпуса. В тех местах, где зазор велик и конденсат не смочил стенку у выхода канавки 16, он стечет по вставке в зазоре между нею и корпусом и попадет на изогнутый элемент 17, плотно прижатый своим концом благодаря упругости к стенке корпуса, и обязательно ее коснется и смочит.

Таким образом, упругие элементы 17 обеспечивают увеличение площади контакта конденсата с поверхностью стенки корпуса в зоне подвода тепла, что способствует увеличению теплопередающей способности тепловой трубы, особенно в случае отличия формы корпуса от круглой в поперечном сечении.

Упругие элементы 17 изготавливают изогнутыми на угол 45-80 градусов и в таком виде крепят на вставку. При установке вставки в корпус упругие элементы дополнительно изгибают, чтобы вставка вошла в корпус, а упругие элементы надежно контактировали с корпусом с определенным усилием прижатия благодаря их упругости.

В случае, показанном на фиг.6, щелевидные каналы 19 образованы стенкой корпуса и срезом боковой поверхности вставки 11 благодаря разрывам в сварочном шве 18.

В том случае, когда температура среды, омывающей конденсатор, выше температуры испарителя и включен в работу теплоотводящий элемент, гравитационная тепловая труба работает следующим образом. Пар из испарителя поднимается к теплоотводящему элементу - змеевику 6, проходит через зазоры, образованные стержнями 12 и скобами 10 между витками змеевика 6 и внутренней стенкой корпуса 1. Пар конденсируется на витках змеевика, а конденсат стекает по виткам и скобам вниз, попадает в углубление 13 кольцеобразной вставки 11 или части 14 этого углубления и далее по радиальным канавкам 12, щелевидным каналам 19 и упругим элементам 17 попадает на стенку корпуса 1 разделенным на несколько потоков. Последние далее стекают по стенке корпуса 1 в нижнюю часть трубы - зону испарения 4. При своем движении вдоль корпуса 1 в зоне испарения 4 конденсат частично превращается в пар, и процесс повторяется.

Гравитационная тепловая труба, представленная на фиг.7, в транспортной зоне 5 в месте расположения теплоотводящего элемента - змеевика 6 имеет расширение корпуса с помощью обечайки 20. Соединение этой части трубы с расположенной ниже частью корпуса 1, имеющей меньший диаметр, осуществлено с помощью кольцеобразного переходника 21. Теплоотводящий элемент - змеевик 6 своим нижним витком со скобой 10 опирается на дно углубления в 22 (фиг.8) в переходнике 21 или на дно части 23 такого углубления, как показано на фиг.9, где углубление разделено на части перегородками 24. Из углубления 22 переходника 21 или частей 23 углубления выходят радиальные канавки 25, направленные к продольной оси трубы и имеющие выход на внутренней стенке корпуса 1.

Работа данной гравитационной тепловой трубы аналогична работе трубы, иллюстрируемой фигурами 3-6, с той лишь разницей, что поднимающийся пар, попадающий в расширенную часть, образованную обечайкой 20, испытывает меньшее сопротивление.

Предлагаемая гравитационная тепловая труба наиболее эффективна при использовании для замораживания грунта с целью укрепления фундаментов и опор различных сооружений, а также для предотвращения деформирования насыпей автомобильных и железных дорог.

1. Гравитационная тепловая труба, содержащая герметичный частично заправляемый теплоносителем корпус с зонами испарения, конденсации и транспортной зоной и расположенный в корпусе теплоотводящий элемент для циркуляции охлаждающего агента, отличающаяся тем, что теплоотводящий элемент расположен в транспортной зоне.

2. Тепловая труба по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена средством для прекращения движения циркулирующего агента по теплоотводящему элементу при температуре окружающей среды в зоне конденсации ниже заданной величины и для включения указанного движения при температуре окружающей среды в зоне конденсации выше заданной величины.

3. Тепловая труба по п.1 или 2, отличающаяся тем, что теплоотводящий элемент для циркуляции охлаждающего агента выполнен в виде змеевика, имеющего витки, образующие спираль с вертикальной осевой линией.

4. Тепловая труба по п.3, отличающаяся тем, что между соседними витками змеевика и между витками змеевика и стенкой корпуса размещена, по меньшей мере, одна скоба, выполненная из круглой проволоки или круглого прутка.

5. Тепловая труба по п.1 или 2, отличающаяся тем, что корпус в зоне конденсации выполнен в виде одного или нескольких оребренных патрубков, соединенных с отверстиями в боковой поверхности корпуса в транспортной зоне, при этом теплоотводящий элемент расположен ниже указанных отверстий, а над ними установлена заглушка, через которую проходят входная и выходная трубки теплоотводящего элемента.

6. Тепловая труба по п.5, отличающаяся тем, что теплоотводящий элемент для циркуляции охлаждающего агента выполнен в виде змеевика, имеющего витки, образующие спираль с вертикальной осевой линией.

7. Тепловая труба по п.6, отличающаяся тем, что между соседними витками змеевика и между витками и стенкой корпуса размещена, по меньшей мере, одна скоба, выполненная из круглой проволоки или круглого прутка.

8. Тепловая труба по п.4 или 7, отличающаяся тем, что корпус выполнен с изгибом под углом 90°+α в части, расположенной между зоной испарения и транспортной зоной, при этом угол α составляет один или несколько градусов.

9. Тепловая труба по п.4 или 7, отличающаяся тем, что в нижней части корпуса в транспортной зоне установлена кольцеобразная вставка со сплошным или разделенным перегородками на части кольцевым углублением и радиальными канавками, сообщающимися с этим углублением и имеющими выход вблизи стенки корпуса, при этом змеевик расположен выше или опирается на дно указанного кольцевого углубления.

10. Тепловая труба по п.9, отличающаяся тем, что по периферии кольцеобразной вставки под радиальными канавками установлены изогнутые упругие элементы, касающиеся корпуса.

11. Тепловая труба по п.9, отличающаяся тем, что кольцеобразная вставка закреплена на продольных стержнях, верхней своей частью закрепленных на указанной заглушке.

12. Тепловая труба по п.11, отличающаяся тем, что по периферии кольцеобразной вставки под радиальными канавками установлены изогнутые упругие элементы, касающиеся корпуса.

13. Тепловая труба по п.4 или 7, отличающаяся тем, что она выполнена с расширением корпуса в той части транспортной зоны, где размещен теплоотводящий элемент для циркуляции охлаждающего агента, при этом расширенная часть корпуса выполнена в виде цилиндрической обечайки с диаметром, превышающим диаметр расположенной ниже части корпуса.

14. Тепловая труба по п.13, отличающаяся тем, что между указанными обечайкой и расположенной ниже нее частью корпуса установлен кольцеобразный переходник, который имеет кольцевое непрерывное или разделенное перегородками углубление и сообщающиеся с последним радиальные канавки, имеющие выход возле внутренней стенки корпуса, при этом змеевик расположен над кольцеобразным переходником или опирается на него.