Теплообмінник

1 Теплообмінник, що містить теплопровідну основу з оребренням, що утворює канали, які мають виходи в оточуюче середовище, який відрізняється тим, що на оребренні теплопровідної основи і в тепловому контакті з ним розташовано шар теплопровідного капілярно-пористого матеріалу, по периметру якого приєднано патрубок для проходження охолоджуючого середовища 2 Теплообмінник по п 1, який відрізняється тим, що оребрення виконано з утворенням пустотілих каналів, внутрішні стінки якого містять шар теплопровідного капілярно-пористого матеріалу Винахід відноситься до галузі теплотехніки, зокрема до забезпечення теплових режимів радіоелектронних пристроїв Відомо пристрій для охолодження, одним з конструктивних елементів якого є капілярно-пориста структура, яка виконує роль розвиненої поверхні у конвективному теплообмінні (А с N 198590, HO U 23/ОЗЗвід 06 02 84 -Коллектор СВЧ-прибора) При продуванні такої поверхні ефективність конвективного теплообміну спостерігається тільки на ДІЛЯНЦІ входу капілярно-пористої поверхні, що обумовлено зростанням гідравлічного опору Відома значна інформація про компактні теплообмінники з пластинчато-ребристими поверхнями широкого спектру конструкторського оформлення (Справочник по теплообменникам, т 2, М Энергоатомиздат, 1987,сс 89-91, 97), які мають основу, поєднану з ребрами різноманітної конфігурації, в тому числі у вигляді штирків, профілів із щільними каналами або з перфорованими стінками Інтенсивність конвективного теплообміну в таких теплообмінниках сягає величин 1800Вт/м2 К - для рідини і 40 - 60Вт/м2 К - для газових теплоносіїв Подальше розвинення конвективної поверхні за рахунок збільшення коефіцієнтів оребрення поверхонь, пов'язаних з утоншням товщин ребер до 0,25 - 0,1мм, наштовхується на значні технологічні труднощі і несуттєво підвищують коефіцієнти теплообміну газової (повітряної) конвекції Тради ційні компактні теплообмінники не забезпечують теплових режимів сучасних пристроїв з високими тепловими потужностями і щільностями теплових ПОТОКІВ Відомо теплообмінник (патент США N 4909319, 4F 28D 1/04 от 90 03 20, Т1112, N3 РЖ ИСМ N 5-6, вып 79, 1991), в якому ребра, що омиваються повітрям, контактують з трубками - каналами, по яким рухається рідинний теплоносій Інтенсифікація теплообміну по газовій стороні забезпечується збільшенням турбулізації газового потоку за рахунок отворів, розташованих зігзагообразно в пластинчатих ребрах і невеличких подвійних розрізів, КІНЦІ яких виступають в напрямку перпендикулярному руху газового потоку Ця конструкція не передбачає наявності теплосприймаючоі від джерела тепла поверхні - основи, що звужує сферу застосування цього теплообмінника, окрім того баланс теплопідводу рідинним носієм і тепловідводу повітрям забезпечується, переважно, великою поверхнею ребер, а не суттєвою інтенсифікацією конвективного теплообміну газового потоку За прототип прийнятий радіатор для охолодження радіоелементів (А с N 1725423, Н05К 7/20, БИ N 13, 05 04 92), в якому між основою і кришкою розташовані паралельно одне одному ребра (з капілярно-пористого матеріалу), що утворюють замкнені паралельні канали із колекторними пода (О 47769 чею і відводом охолоджуючого повітря Для реалізації цієї схеми передбачені непроникненні гідравлічні заглушки, вставлені поперемінно на торцях каналів, які виходять в колектори Повітря в цьому радіаторі через колектор подається у відкриті канали і фільтрується через пори нагрітих від основи ребер, в канали, що гідравлічне з'єднані з колектором відводу повітря Недоліком цього радіатора є те, що заглушки, які спрямовують повітря через пористі ребра, практично, не приймають участь у теплопередачі теплового потоку від основи до ребра, торкаючись тільки його краю і забезпечуючи гідравлічний затвор, КІЛЬКІСТЬ їх визначається КІЛЬКІСТЮ каналів і ніяк не пов'язана із структурною теплопровідністю пористого ребра, яке приєднано до основи В цьому випадку температурний напір по його висоті буде суттєво знижуватись ВІДПОВІДНО зменшуючи ефективність тепловіддачі між потоком повітря і ребром Окрім того, конструкція прототипу передбачає паралельність каналів , що пов'язано з паралельністю розташування на основі самих пористих ребер Але паралельність каналів, в тому числі і утворених пористими ребрами, по яких рухається повітряний потік, сприяє виникненню пристінних пограничних шарів повітря, які на достатній відстані від входу повітряного потоку, можуть з'єднуватись між собою, погіршуючи гідравлічні характеристики потоку і зменшуючи ефективну поверхню теплообміну капілярної структури В основу винаходу поставлено задачу підвищення інтенсифікації теплообмінних процесів у теплообміннику, розширення сфери його застосування та забезпечення його функціональної надійності шляхом удосконалення конструкцій і форм розвинених поверхонь теплообмінника Поставлена задача вирішується тим, що у теплообміннику, що містить теплопровідну основу з оребренням, яке утворює канали, які мають виходи в оточуюче середовище, згідно винаходу, на оребренні теплопровідної основи і в тепловому контакті з ним розташовано шар теплопровідного капілярно-пористого матеріалу, по периметру якого приєднано патрубок для проходження охолоджуючого середовища Крім того, оребрення виконано з утворенням пустотілих каналів, внутрішні стінки якого містять шар теплопровідного капілярно пористого матеріалу Така конструкція дозволяє не тільки забезпечувати теплові режими радіоелектронних елементів, а також застосовувати такі теплообмінники в системах утилізації теплової енергії і використовувати в системах споживання поновлюємих джерел енергії, наприклад, сонячної енергії На кресленнях (фіг 1 - 4) відображено варіанти конструкцій теплообмінника, де на фіг 1,2,3 наведені конструктивні схеми теплообмінника, в яких застосовані різні конструкції оребрення (ігольчате, прямокутне, циліндричне) На фіг 4 зображена конструкція теплообмінника, аналогічно схемі фіг 3, з оребренням у вигляді пустотілого теплопровідного ребра, що утворює канал для пропускання парорідинного теплоносія Запропонована конструкція теплообмінника включає теплопровідну основу 1 з оребренням 2 Для варіантів фіг 1,2,3 оребрення виконується із суцільного матеріалу, для варіанта на фіг 4 - пустотілою побудовою, наприклад, трубка) До поверхні оребрення, віддаленого від основи, приєднано з надійним тепловим контактом (припікання або пайка) шар капілярно-пористої структури 3, наприклад, з металовойлоку, по периметру якого приєднано патрубок 4 для проходження потоку 5 охолоджуючого середовища Стрілками показана його можлива реверсивність На фіг 4 пустотілі теплопровідні ребра 2, які можуть бути представлені, наприклад, у вигляді "зммвіка" із трубки з двома штуцерами 6 для приєднання до системи парорідинної циркуляції (яка на фіг не показана) Внутрішня поверхня трубки включає шар капілярної структури 7 Працює теплообмінник-радіатор наступним чином Тепловий потік "Q" від джерела, наприклад, ЛІНІЙКИ лазерних ДІОДІВ, передається основі 1 і далі по оребренню 2 у шар капілярно-пористого матеріалу 3 ВІДВІД тепла забезпечується потоком повітря або іншого охолоджуючого газу (аргон, азот та ш) 5, яке може нагнітатись, або відсмоктуватись через патрубок 4 Для випадку "відсмоктування" оточуюче повітря через відкриті входи каналів, що утворені теплопровідною основою 1 з оребренням 2 і шаром капілярно-пористої структури 3, потрапляє в патрубок 4, омиваючи ці поверхні і поступово через шар капілярно-пористого матеріалу активно відбираючи на своєму шляху тепло за рахунок конвекції При цьому, за рахунок послідовного зменшення площі каналу по ходу повітряного потоку з ВІДПОВІДНИМ відводом його частки через шар капілярно-пористого матеріалу забезпечуються умови збереження рівномірності швидкості потоку, практично, по всій його довжині Працездатність теплообмінника, приведеного на фіг 4, співпадає з описом, наведеним вище Ця конструкція відрізняється тим, що оребрення виконано з утворенням пустотілих каналів, внутрішні стінки якого містять шар теплопровідного капілярно-пористого матеріалу По каналам цього оребрення може циркулювати парорідинний теплоносій Для цього штуцера 6 приєднуються до будьякого рідинного контуру і рідина, рухаючись по каналам відбирає тепло від основи 1 Наведена конструкція дозволяє використання, як мінімум, трьох режимів теплообміну У випадку першого режиму відбір тепла від основи 1 повітряною конвекцією уже розглянуто вище Другий режим реалізується при одночасному функціонуванні, при відборі тепла від основи 1-повітряною конвекцією і рідиною, яка подається в пустотілі канали оребрення 2, через штуцери 6 Рідинний ПОТІК через стінку оребрення 2, яка контактує з основою 1, відбирає тепло, при цьому також можливі режими конвективного кипіння або мішані режими відбору тепла рідиною Для запобігання умовам виникненню так званих "снарядних" режимів, "висиханню" стінки каналу, в ньому конструктивно створюється шар капілярної структури, яка окрім підвищення коефіцієнтів тепловіддачі при КИПІННІ, затягує процеси осушення, тобто сприяє стабілізації процесу теплообміну при КИПІННІ рідини Третій режим передбачає тільки рідинне охолодження 47769 основи 1 Це підвищує надійність збереження теплового режиму, наприклад, електронного приладу, навіть у випадку відключення повітряної конвекції (вихід З ладу вентилятора) Окрім цього, використання такої схеми дозволяє розширити діапазон застосування теплообмінника, наприклад, для систем енергозбереження або використання поновлюємих джерел, таких як Сонце Якщо уявити, що тепловий потік "Q" сприймається основою 1 від сонячного концентратора, то в цьому випадку, можна частину теплової енергії, що сприймається рідинною в каналі ребер 2 транспортувати до теплового акумулятора, а частину теплового потоку направляти повітряною конвекцією в приміщення Після закінчення сонячного нагріву (вечір-ніч-ранок) рідина може переносити тепло в зворотному напрямку від теплового акумулятора до теплообмінника для його подальшого відбору повітряною конвекцією і спрямовування до приміщення Розглянуті конструктивні рішення, що застосовані в теплообміннику, суттєво відрізняються від існуючих і забезпечують позитивний ефект використання теплообмінника ФІГ. 1 ФІГ. 2 47769 Фіг. З ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71