Контурна теплова труба

Корисна модель відноситься до теплотехнічної галузі, зокрема систем забезпечення теплових режимів пристроїв і транспорту тепла. Відомі теплові труби контурного типу (КТТ), які знайшли застосування у багатьох теплообмінних схемах "джерело"-"сток". Одна з таких конструкцій КТТ наведена у [А. с. №1196665 F28D15/00, №45, 07.12.85]. Вона містить: пароконденсатопроводи, випарювач з пористою насадкою (капілярним насосом) у вигляді полого циліндра, колектора з паровідвідними каналами, компенсаційну порожнину і конденсатор. Компенсаційна порожнина цієї конструкції знаходиться всередині КТТ, цілком охоплюється теплосприймальною поверхнею, що призводить до небажаного притоку тепла через всю поверхню компенсаційної порожнини, підвищення в ній тиску і зменшенню тим самим потенціалу роботи КТТ. Окрім того, зона нагріву цієї конструкції КТТ ефективно відбирає тепло від "джерела" тільки за умов кондуктивного теплообміну, що значно обмежує можливості її використання, наприклад, відводу тепла від газового потоку. Відома інша конструкція контурної теплової труби для мініатюрних теплотранспортних систем [Miniature Heat transfer system with Loop Heat Pipes. IV Minsk International Seminar "Heat Pipes, Heat Pumps, Refrigerators", p.p.15...22, Minsk, Belarus, September 4-7, 2000]. До складу цієї труби входять усі елементи конструкції, які перераховані у попередньому аналогу. Відмінність полягає у застосуванні циліндричної, площинної теплосприймальної поверхні, тепло до якої передається від "джерела" кондуктивним методом. Ця відмінність дещо розширює можливості використання такої конструкції, коли теплонавантажена поверхня "джерела" має площинну геометрію. Притоки тепла в компенсаційну порожнину в цьому випадку відбуваються тільки з одного боку, що підвищує потенціал роботи КТТ. Разом з тим, суттєвим недоліком даної конструкції є обмежена можливість масштабування (збільшення розмірів) КТТ через вплив тиску на плоску поверхню зони нагріву. Крім того, в даній конструкції залишається низька ефективність при відборі тепла від нагрітого газового потоку. За найближчий аналог технічної пропозиції слід вважати конструкцію контурної теплової труби, яка наведена у [патенті №2101644, F28D 15/04, №6, 10.01.1998]. Конструкція КТТ включає: зону нагріву, що складається з циліндричного корпусу з теплосприймальною поверхнею, паровідвідних каналів, колектора, капілярного насосу (капілярно-пористий насадок); компенсаційну порожнину, тр убопроводи пари і конденсату, що з'єднують зону нагріву із зоною конденсації; конденсатор і фланець для з'єднання зони нагріву із джерелом тепла. Наведена конструктивна схема передбачає кондуктивний підвід теплового потоку від "джерела" до теплосприймальної поверхні зони нагріву і, відповідно, до контактуючого з нею капілярно-пористого насадку. На границі цих поверхонь відбувається пароутворення. Пара через паровідвідні канали і колектор поступає у паропровід, по якому переміщується в конденсатор, який охолоджується, наприклад, водою або повітрям. Сконденсований теплоносій по конденсатопроводу повертається до зони нагріву і через компенсаційну порожнину надходить до капілярно-пористого насадку з протилежного боку від поверхні пароутворення. Капілярний насос постійно підживлює конденсатом зону пароутворення і цикл контурної теплової труби повторюється. При кондуктивному теплопідводі ця система функціонує стабільно і достатньо ефективно. Недоліками найближчого аналога, які обмежують діапазон її використання є: - компенсаційна порожнина розташована занадто близько до поверхонь нагріву, що сприяє можливості блокування рідини з конденсатопроводу до капілярно-пористого насадка; - практично, неможливе масштабування такої конструкції в напрямку збільшення її розмірів і збереження задовільних величин співвідношення маси зони нагріву до передаваного теплового потоку. У випадку циліндричних зон нагріву (як у одного з аналогів) збільшення їх діаметрів та довжин також ускладнено виникненням невиправданих об'ємів компенсаційних порожнин, ростом гідравлічного опору, збільшених товщин капілярно-пористих насадок, ускладненням технологічних прийомів; - ефективність роботи такої конструкції забезпечується тільки при кондуктивному теплопідводі до її зони нагріву. В основу корисної моделі поставлена задача створити таку контурну теплову тр убу, яка, шляхом раціонального розміщення компенсаційної порожнини на корпусі КТТ та використання високопористої капілярної структури в зоні нагріву КТТ, підвищує Інтенсивність конвективного теплообміну, технологічність виготовлення та забезпечує її масштабування, розширення сфери її застосування і підвищення ефективності роботи. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в контурній тепловій трубі, що містить зону нагріву, яка складається з циліндричного корпусу з теплосприймальною поверхнею, капілярного насосу, колектора, паровідводних каналів, компенсаційної порожнини, фланець, трубопроводи пари і конденсата, яка відрізняється тим, що компенсаційна порожнина розташована на зовнішній стороні зони нагріву циліндричного корпусу КТТ, а до внутрішньої поверхні зони нагріву КТТ приєднано шар високопористої капілярної структури. Виготовлення такої конструкції зони нагріву КТТ, дозволяє зняти обмеження, пов'язані з масштабуванням зони нагріву. Так, збільшення діаметрів циліндру, або розширення "поясу", не потребує додаткових підсилень елементів, що піддаються тиску, як у середині зони нагріву КТТ так і з боку газового потоку в середині циліндра, на противагу конструкції зони нагріву найближчого аналога. Масштабування не призводить також до необхідності "штучного" збільшення товщини капілярного насосу, як це має місце в аналогах КТТ з циліндричною геометрією зони нагріву. Принцип дії і фізична суть тепломасообмінних процесів корисної моделі ілюструється кресленням. На Фіг.1 представлено переріз зони нагріву КТТ, а на Фіг.2 надана спрощена схема адаптації такої зони нагріву КТТ до теплонапруженого циліндру двигуна Стірлінга. Конструкція зони нагріву контурної теплової труби (Фіг.1, 2) складається з наступних елементів: циліндричного корпусу 2 з теплосприймальною поверхнею, фланця 1, який є елементом зовнішнього корпусу зони нагріву і містить в середині - компенсаційну порожнину 3 частково заповнену теплоносієм; капілярний насос 4, приєднаний до циліндричної поверхні корпуса 2 з паровідвідними каналами 6; паровий колектор 10. В компенсаційну порожнину введено трубопровід конденсату 11, а до парового колектора приєднано трубопровід пари 12. В середині циліндричного корпусу 2, з протилежного боку, але у межах його розташування, приєднана конвективна поверхня 7 з високопористої капілярної структури, яка з внутрішнього боку закрита обичайкою 8 та утворює коаксіальний канал для проходу газового теплоносія 9. На загальній схемі адаптації зони нагріву КТТ на циліндрі (Фіг.2) наведені додаткові позиції, характерні для однієї з конструкцій двигуна Стірлінга: робочий шток 13; мембрана 14 (аналог робочого поршня); витискуючий поршень 15; і зона підводу теплового потоку 16. Елементи зони нагріву КТТ можуть бути виконані з відомих і розповсюджених матеріалів, наприклад: фланець зовнішнього корпусу 1 - з вуглецевої, або легованої сталі; капілярний насос 4 - з мілкодисперсного металевого порошку з діаметром часток 1...10мкм, або з металоповсті на основі монодисперсних відтинків нержавіючого волокна діаметром 10...20мкм і довжиною 3...4мм; конденсатор і паропроводи 11 і 12 - капіляри з нержавіючої сталі діаметром 2...6мм; високо-пориста конвективна поверхня 7-з нержавіючого або мідного волокна діаметром 50...70мкм; обичайка 8 і корпус циліндра 2 - з нержавіючої сталі. Зона нагріву контурної теплової труби працює наступним чином. Тепло від газового потоку 9, рух якого у верхню і нижню зони циліндра, ініціюється переміщенням витискаючого поршня 15, інтенсивно відбирається високо-пористою конвективною поверхнею 7, при цьому обичайка 8 забезпечує прохід газового потоку через пори цієї поверхні, практично, у повному обсязі. Тепловий потік від конвективної поверхні передається кондукцією через стінку корпусу циліндра 2 і нагріває, приєднану до неї, структур у капілярного насосу 4, насичену рідким теплоносієм, наприклад, водою. На границі контакту насосу 4 і стінки корпусу 2 виникає інтенсивне пароутворення обумовлене ефектом випаровування тонких плівок, які формуються в капілярній структурі насосу 4 на границі контакту. Потік пари по паровідвідним каналам 6 перетікає в колектор 10 і далі паропроводом 12 спрямовується в конденсатор (на рисунку не зображено) відомої конструкції, який може бути віднесеним від зони нагріву КТТ за кілька метрів. В конденсаторі відбувається конденсація пари і відповідно відбір тепла, а конденсат (рідина) висмоктується з конденсатора через конденсатопровід 11, компенсаційну порожнину 3, отвори перфорованої пластини 5 - капілярним насосом 4. таким чином, підтримується постійне підживлення рідким теплоносієм парогенеруючої границі насосу 4 і корпусу 2 і цикл завершується. Для випадків коливань потужностей теплового потоку, що відбирається від газового носія 9 у фланці 1 передбачається розташування додаткового об'єму рідкого теплоносія відомого як компенсаційна порожнина 3. її знаходження у, відносно, масивному і віддаленому від пароутворюючих поверхонь зони нагріву КТТ, сприяє мінімізації температури теплоносія, а відтак і стабільності роботи усієї КТТ за рахунок зменшення вірогідності скіпання теплоносія і виникнення парових бульбашок, які б могли "розірвати", або "заблокувати" рідинний потік теплоносія до парогенеруючої зони. Запропонована конструкція зони нагріву КТТ, може бути реалізована засобами звичайних технологій і забезпечити тепловий режим функціонування найбільш "екологічно чистих" двигунів Стірлінга, які не потребують для своєї роботи енергоносіїв нафтового ряду.