Теплопередающее устройство

 

Изобретение относится к теплопередающим устройствам и может быть использовано в области теплотехники, в частности в системах отопления или теплового кондиционирования помещений различного назначения. Теплопередающее устройство выполнено в виде замкнутого двухфазного контурного термосифона, включающего испаритель и конденсатор, частично заполненные рабочей жидкостью, находящейся в них на одном уровне, соединенные паропроводом и расположенным ниже него конденсатопроводом, полностью заполненным рабочей жидкостью, испаритель и конденсатор выполнены в виде отдельных камер, верхние части которых сообщаются посредством паропровода, а нижние - посредством конденсатопровода, причем конденсатопровод расположен ниже уровня рабочей жидкости в испарителе и конденсаторе. Техническим результатом является обеспечение надежности работы теплопередающего устройства и упрощение его заправки рабочей жидкостью при сохранении высокой теплопередающей способности в горизонтальном направлении и возможности реверсирования теплового потока. 9 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к теплопередающим устройствам и может быть использовано в области теплотехники, в частности в системах отопления или теплового кондиционирования помещений различного назначения.

Известен замкнутый двухфазный термосифон [1], состоящий из вакуумированного корпуса, частично заполненного рабочей жидкостью. При подводе тепла к испарительной зоне, которая размещается ниже конденсаторной, теплоноситель кипит, а образовавшийся пар устремляется из испарительной зоны в конденсаторную, где конденсируется вследствие отвода тепла, и под воздействием сил тяжести возвращается обратно в виде пленки жидкости, стекающей по стенкам корпуса.

Основным недостатком такого термосифона является уменьшение количества передаваемого тепла при горизонтальном или близком к нему исполнении. Другим недостатком является снижение количества передаваемого тепла вследствие торможения стекающей по стенкам пленки конденсата при встречном движении пара. Кроме того, недостатком является неспособность обычного термосифона работать в реверсивном режиме, когда источник и сток тепловой нагрузки меняются местами, а положение термосифона остается неизменным.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является двухфазный термосифон П-образной формы с сифонной трубкой для возврата конденсата в зону испарения [2].

Этот термосифон содержит П-образную трубку, один из вертикальных участков которой служит испарителем, а второй - конденсатором. Горизонтальный участок является паропроводом. Нижние части испарителя и конденсатора соединены сифонной трубкой П-образной формы, расположенной ниже паропровода, горизонтальный участок которой находится выше уровня рабочей жидкости в испарителе и конденсаторе.

При подводе тепла к испарителю рабочая жидкость в нем кипит. Образовавшийся пар под действием разности давлений устремляется в конденсатор, где, конденсируясь, отдает тепло внешнему приемнику тепла. Образовавшийся конденсат за счет разности плотностей пара и жидкости, а также разности уровней жидкости в испарителе и конденсаторе, которая вытекает при работе термосифона, движется в сторону испарителя. Таким образом, достигается возможность эффективной передачи тепла в горизонтальном направлении при отсутствии трения между встречными потоками пара и конденсата, а также возможность реверсирования теплового потока.

Основным недостатком П-образного термосифона является его низкая надежность из-за большой вероятности разрыва жидкости в сифонной трубке, особенно в местах перехода горизонтального участка в вертикальный. Такой разрыв возможен вследствие проскока пара в сифонную трубку, образования в ней газового пузыря, удара или вибраций, нагрева до температуры насыщения, а также при снижении давления в процессе вакуумирования и резких охлаждений. Кроме того, недостатком является весьма сложная процедура заполнения сифонной трубки, особенно при достаточно большой длине устройства, поскольку заполнение осуществляется путем соответствующих наклонов термосифона в сторону испарителя и конденсатора.

В основу изобретения положена задача обеспечения надежности теплопередающего устройства и упрощения его заправки рабочей жидкостью при сохранении высокой теплопередающей способности в горизонтальном направлении и возможности реверсирования теплового потока.

Поставленная задача решается тем, что в теплопередающем устройстве, выполненном в виде замкнутого двухфазного контурного теплосифона, включающего испаритель и конденсатор, частично заполненные рабочей жидкостью, находящейся в них на одном уровне, как в сообщающихся сосудах при отсутствии тепловой нагрузки, соединенные паропроводом и расположенным ниже него конденсатопроводом, целиком заполненным рабочей жидкостью, испаритель и конденсатор выполнены в виде отдельных камер, верхние части которых сообщаются посредством паропровода, а нижние - посредством конденсатопровода. Причем конденсатопровод на всем протяжении расположен ниже уровня рабочей жидкости в испарителе и конденсаторе.

Испаритель и конденсатор могут быть снабжены капиллярно-пористой структурой (фитилем), размещенной на их внутренней боковой поверхности.

Испаритель и конденсатор могут быть дополнительно снабжены поперечной капиллярно-пористой вставкой, размещенной со стороны конденсатопровода.

Испаритель и конденсатор расположены преимущественно горизонтально, могут иметь цилиндрическую форму. В этом случае фитиль целесообразно выполнять в виде мелкой винтовой нарезки на внутренней боковой поверхности испарителя и конденсатора, а паропровод и конденсатопровод подключить соответственно к их верхней и нижней боковой поверхности.

Паропровод и конденсатопровод, подключенные к верхней и нижней боковой поверхности испарителя и конденсатора, могут быть смещены к одному из их торцов и расположены напротив друг друга.

По крайней мере, одна из камер теплопередающего устройства может быть выполнена в виде сосуда плоской формы, высота боковой поверхности которого меньше одного из размеров торцевой поверхности. В некоторых случаях целесообразно подключить паропровод и конденсатопровод к ближайшим краям испарителя и конденсатора.

По крайней мере, одна из камер устройства может быть выполнена в виде цилиндра, снабженного рубашкой для текучей среды, охватывающей его боковую поверхность, и внутренней полостью, сообщающейся с окружающей средой. Указанная полость может быть предназначена для другой текучей среды или для размещения нагревающего или охлаждающего устройства.

По крайней мере, одна из камер теплопередающего устройства может быть выполнена в виде пучка параллельных оребренных трубок, верхние концы которых сообщаются с паровым коллектором, а нижние - с жидкостным коллектором этой камеры.

По крайней мере, одна из камер теплопередающего устройства может быть выполнена в виде плоского трубчатого змеевика, сопряженного с плоским оребренным радиатором.

По крайней мере, одна из камер теплопередающего устройства может быть выполнена в виде спирального трубчатого змеевика.

На фиг.1 представлена схема теплопередающего устройства; на фиг. 2 - схема теплопередающего устройства, испаритель и конденсатор которого снабжены капиллярно-пористой структурой; на фиг. 3 - схема теплопередающего устройства, испаритель и конденсатор которого снабжены капиллярно-пористой поперечной вставкой; на фиг. 4 - схема теплопередающего устройства, испаритель и конденсатор которого выполнены в виде горизонтально расположенных цилиндров, снабженных капиллярно-пористой структурой в виде винтовой нарезки на их внутренней поверхности с паропроводом и конденсатопроводом, подсоединенными соответственно к верхней и нижней части боковой поверхности испарителя и конденсатора; на фиг. 5 - схема теплопередающего устройства, паропровод и конденсатопровод которого смещены к одному из торцов испарителя и конденсатора и расположены напротив друг друга; на фиг. 6 - схема теплопередающего устройства, испаритель и конденсатор которого выполнены в виде сосудов плоской формы, высота боковой поверхности которых меньше любого из размеров торцевой поверхности; на фиг.7 - схема испарителя (конденсатора), снабженного рубашкой и внутренней полостью; на фиг. 8 - схема конденсатора (испарителя), выполненного в виде пучка оребренных трубок; на фиг.9 - схема конденсатора (испарителя), выполненного в виде плоского трубчатого змеевика; на фиг.10 - схема конденсатора (испарителя), выполненного в виде спирального трубчатого змеевика.

Теплопередающее устройство, выполненное в виде двухфазного контурного термосифона, содержит испаритель 1 и конденсатор 2, частично заполненные рабочей жидкостью 3. При этом верхние части испарителя и конденсатора соединены паропроводом 4, а нижние - посредством конденсатопровода 5. Конденсатопровод 5 расположен ниже уровня рабочей жидкости 3 в испарителе 1 и конденсаторе 2 (фиг.1).

Испаритель 1 и конденсатор 2 могут быть дополнительно снабжены капиллярно-пористой структурой - фитилем 6 и 7, размещенной соответственно на внутренней боковой поверхности испарителя 1 и конденсатора 2 (фиг.2).

Испаритель 1 и конденсатор 2 могут быть дополнительно снабжены поперечной капиллярно-пористой вставкой 8 и 9, размещенной со стороны конденсатопровода 5 (фиг.3).

Испаритель 1 и конденсатор 2 могут быть выполнены в виде горизонтально расположенных цилиндров, каждый из которых снабжен соответственно фитилем 10 и 11 в виде винтовой нарезки на их внутренней поверхности, с паропроводом 4 и конденсатопроводом 5 подсоединенными соответственно к верхней части боковой поверхности испарителя 1 и нижней части боковой поверхности конденсатора 2 (фиг.4).

Паропровод 4 и конденсатопровод 5 такого теплопередающего устройства могут быть смещены к одному из торцов испарителя 1 и конденсатора 2 и расположены напротив друг друга (фиг.5).

Испаритель 1 и конденсатор 2 могут быть выполнены в виде сосудов плоской формы, высота боковой поверхности 12 и 13 которых меньше любого из размеров торцевой поверхности 15 и 14 (фиг.6).

Испаритель 1 (конденсатор 2) может быть снабжен рубашкой 16 для прокачки внешней текучей среды, охватывающей его боковую поверхность, и внутренней полостью 17, сообщающейся с окружающей средой (фиг.7).

Испаритель 1 (конденсатор 2) может быть выполнен в виде пучка оребренных трубок 18, верхние концы которых сообщаются с паровым коллектором 19 или жидкостным коллектором 20 (фиг.8).

Конденсатор 2 (испаритель 1) может быть выполнен в виде плоского трубчатого змеевика 21, соединенного с оребренной радиационной панелью 22 (фиг.9).

Конденсатор 2 (испаритель 1) может быть выполнен в виде спирального трубчатого змеевика 23 (фиг.10).

Основным рабочим положением теплопередающего устройства является такое, при котором осуществляется передача тепла в горизонтальном направлении. При этом испаритель 1 и конденсатор 2 могут располагаться как вертикально (фиг. 1-3 и фиг.7-10), так и горизонтально (фиг.4, 5). При отсутствии тепловой нагрузки уровень рабочей жидкости 3 в испарителе 1 и конденсаторе 2 одинаков, а конденсатопровод 5 целиком заполнен рабочей жидкостью 3.

Теплопередающее устройство работает следующим образом.

При подводе тепловой нагрузки к испарителю 1 рабочая жидкость 3 в нем кипит, а образовавшийся пар по паропроводу 4 устремляется в конденсатор 2, где, конденсируясь, отдает тепло внешнему приемнику тепла. Движение пара из испарителя 1 в конденсатор 2 осуществляется за счет разности давлений, возникающей в результате нагрева испарителя 1 и охлаждения конденсатора 2. Эта же разность давлений способствует установлению более высокого уровня жидкости h₂ в конденсаторе 2 по сравнению с уровнем жидкости h₁ в испарителе 1.

Благодаря разности уровней h₂-h₁ возникает гидростатический напор:
ΔP = (ρ_ж-ρ_п)g(h₂-h₁),
где ρ_ж, ρ_п - плотность жидкости и пара,
g - ускорение свободного падения,
h₁, h₂ - высота уровней в испарителе и конденсаторе,
который обуславливает движение жидкости из конденсатора в испаритель.

Поскольку движение пара и жидкости происходит по гладкостенным, разделенным трубопроводам, потери давления в них минимальны и не требуется большой разности давлений между испарителем и конденсатором. Таким образом, возможна передача достаточно больших тепловых потоков на расстояние до нескольких десятков метров в горизонтальном направлении при относительно небольшой разности температур между источником и стоком тепла. При этом обеспечивается надежная работа устройства, поскольку нижнее положение рабочей жидкости в конденсатопроводе 5 является наиболее устойчивым и разрыв потока не приводит к нарушению работоспособности. При этом заправка устройства рабочей жидкостью производится после его вакуумирования и не требуется никаких дополнительных манипуляций.

Реверсирование теплового потока в теплопередающем устройстве такого типа, когда происходит изменение направления передачи тепла на противоположное, при котором испаритель становится конденсатором, а конденсатор испарителем, осуществляется без изменения положения устройства.

Для повышения эффективности работы испарителя 1 необходимо, чтобы степень его заполнения (уровень жидкости) соответствовала величине обогреваемой поверхности. Обогреваться должна та часть поверхности испарителя 1, которая находится в контакте с рабочей жидкостью 3, поскольку в отличие от обычных термосифонов, в данном случае пленка конденсата, стекающая по стенкам, практически отсутствует.

В то же время для повышения эффективности работы конденсатора 2 необходимо иметь максимальную поверхность конденсации, свободную от жидкости. Достичь этого без увеличения размеров конденсатора 2 можно путем уменьшения степени его заполнения жидкостью. Однако при реверсировании теплового потока, когда конденсатор 2 начнет выполнять роль испарителя 1, количество жидкости в нем окажется недостаточным. Для того чтобы устройство было эффективным при минимальном количестве рабочей жидкости 3 в нем, целесообразно снабдить испаритель 1 фитилем 6, размещенным на его внутренней поверхности. Капиллярный потенциал такого фитиля 6 должен быть достаточным лишь для подпитки той части внутренней поверхности испарителя 1, которая не находится в непосредственном контакте с рабочей жидкостью 3. Если предполагается использование устройства в реверсивном режиме, то целесообразно также снабдить таким же фитилем 7 конденсатор 2.

В тех случаях, когда необходимо обеспечить надежную работу теплопередающего устройства при его наклонах относительно вертикальной плоскости, целесообразно снабдить испаритель 1 и конденсатор 2 капиллярно-пористой поперечной вставкой 8 и 9 толщиной 3-5 мм, размещенной со стороны конденсатопровода 5. Пористая проницаемая вставка 8 и 9 не создает значительного гидравлического сопротивления для жидкости вследствие малой толщины и практически не снижает теплопередающей способности устройства, но в то же время надежно предотвращает проникновение пара в конденсатопровод 5 и нарушение тем самым работоспособности устройства.

В тех случаях, когда преимущественным рабочим положением испарителя 1 и конденсатора 2 является горизонтальное, целесообразно паропровод 4 и конденсатопровод 5 подсоединить к верхней и нижней части испарителя 1 и конденсатора 2 соответственно. Если при этом предполагается необходимость погружать и вынимать испаритель 1 и конденсатор 2 соответственно из нагревающей или охлаждающей среды или объекта, то целесообразно сместить паропровод 4 и конденсатопровод 5 к одному из концов испарителя 1 и конденсатора 2 и разместить их напротив друг друга. При этом также целесообразно использовать испаритель 1 и конденсатор 2 цилиндрической формы, снабженные мелкой винтовой нарезкой 10 и 11 на их внутренней поверхности. Капиллярный потенциал канавок такой нарезки должны обеспечить подпитку рабочей жидкостью 3 верхней части внутренней поверхности испарителя 1.

В тех случаях, когда нагревающий или охлаждающий объект имеет плоскую контактную поверхность, целесообразно использовать испаритель 1 и конденсатор 2 в виде сосудов, имеющих плоскую форму, у которых высота боковой поверхности 12 и 13 меньше, чем любой из размеров торцевой поверхности 14 и 15.

В тех случаях, когда предполагается использование теплопередающего устройства в системе теплового кондиционирования воздуха в помещении, целесообразно одну из камер снабдить рубашкой 16 для прокачки внешней греющей или охлаждающей среды и внутренней полостью 17 для размещения нагревателя или охладителя. Использование нагревающей среды или нагревателя производится тогда, когда камера выполняет роль испарителя 1. При использовании охлаждения эта же камера выполняет роль конденсатора 2.

Если другая камера теплопередающего устройства располагается в кондиционируемом помещении, то целесообразно эту камеру выполнить в виде пучка оребренных параллельных трубок 18, верхние концы которых сообщаются с паровым коллектором 19 и жидкостным коллектором 20. Такая камера имеет достаточно большую теплообменную поверхность, поскольку теплообмен с окружающим воздухом является менее интенсивным, чем теплообмен путем вынужденной конвекции с жидкой греющей или охлаждающей средой или кондуктивный теплообмен.

В холодный период времени одна из камер устройства, выполняющая роль испарителя 1, получает тепло от какого-либо источника тепла, которое передается другой камере, выполняющей роль конденсатора 2 и размещенной в обогреваемом помещении. Тепло от конденсатора 2 с развитой внешней поверхностью теплообмена передается окружающему воздуху путем естественной или вынужденной конвекции. В теплый период времени теплый воздух в помещении отдает свое тепло этой же камере, которая в данном случае играет роль испарителя 1 с развитой внешней поверхностью. Тепло от испарителя 1 передается другой камере, которая охлаждается и выполняет роль конденсатора 2.

В тех случаях, когда передаваемые тепловые потоки относительно малы, испаритель и/или конденсатор с целью упрощения конструкции могут быть выполнены в виде плоского трубчатого змеевика 21, сопряженного с оребренной радиационной панелью 22 или в виде трубчатого спирального змеевика 23.

Источники информации
1. А.А.Худенко (НИИ строительных производств Госстроя УССР). Применение тепловых труб для систем отопления "Водоснабжение, санитарная техника". 1975, 4, с. 81-85.

2. В. Ф. Степанчук и А.И.Стрельцов. Анализ работы П-образного испарительного термосифона. "Известия высших учебных заведений. Энергетика". 1974, 4, с. 81-85.

Формула изобретения

1. Теплопередающее устройство, выполненное в виде двухфазного контурного термосифона, включающего испаритель и конденсатор, частично заполненные рабочей жидкостью, находящейся в них на одном уровне, соединенные паропроводом и расположенным ниже него конденсатопроводом, полностью заполненным рабочей жидкостью, отличающееся тем, что испаритель и конденсатор выполнены в виде отдельных камер, верхние части которых сообщаются посредством паропровода, а нижние - посредством конденсатопровода, причем конденсатопровод расположен ниже уровня рабочей жидкости в испарителе и конденсаторе.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что испаритель и конденсатор дополнительно снабжены капиллярно-пористой структурой, расположенной на их внутренней поверхности.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что испаритель и конденсатор дополнительно содержат поперечную капиллярно-пористую вставку, размещенную со стороны конденсатопровода.

4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что испаритель и конденсатор расположены горизонтально, имеют цилиндрическую форму, капиллярно-пористая структура выполнена в виде мелкой винтовой нарезки, а паропровод и конденсатопровод подсоединены к противоположным сторонам боковой поверхности испарителя и конденсатора.

5. Устройство по любому из пп. 1, 2, 4, отличающееся тем, что паропровод и конденсатопровод смещены к одному из торцов испарителя и конденсатора и расположены напротив друг друга.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна из его камер выполнена в виде сосуда плоской формы, высота боковой поверхности которого меньше любого из размеров торцевой поверхности.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна из камер снабжена рубашкой для прокачки внешней текучей среды, охватывающей ее боковую поверхность, и внутренней полостью, сообщающейся с окружающей средой.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна из камер выполнена в виде пучка оребренных параллельных трубок, верхние концы которых сообщаются с паровым коллектором, а нижние - с жидкостным коллектором этой камеры.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна из камер выполнена в виде плоского трубчатого змеевика, сопряженного с радиационной панелью.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна из камер выполнена в виде винтового трубчатого змеевика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10