Тепловая труба

Изобретение предназначено для теплообмена и может быть использовано в энергетике. Тепловая труба содержит герметичный корпус с обогреваемой теплоносителем зоной испарения, адиабатической зоной и охлаждаемой зоной конденсации, с размещенной у внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, внутренняя поверхность которой в зоне испарения образует дозвуковое сопло, а в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, образует дозвуковой диффузор. При этом толщина капиллярной структуры выполнена одинаковой вдоль зон испарения, адиабатической и конденсации, а корпус в зоне испарения выполнен в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, в виде дозвукового диффузора. Изобретение обеспечивает возможность реализации в зоне испарения тепловой трубы предельно возможных тепловых потоков с исключением возможности рекуперации тепла вдоль зоны испарения. 1 ил.

 

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.

Известна энергонапряженная ТТ [1], которая содержит обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого размещена капиллярная структура в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана, в которой выполнены отверстия двух размеров, причем большие отверстия выполнены лишь в капиллярной структуре в зоне испарения. 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 числе ядерно-энергетических. 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 тела, испарившегося у края ТТ, сконденсируется не в зоне конденсации ТТ, а в зоне испарения на участках вблизи границы зон испарения и адиабатической.

Также известна ТТ [2], содержащая обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого с зазором относительно внутренней стенки размещена капиллярная структура в виде не менее чем одного слоя сетки или перфорированного экрана. В зоне испарения в зазоре между внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью капиллярной структуры плотно установлены не менее чем две гибкие продольные перегородки, которые позволяют исключить перекрытие канала жидкого потока из-за вскипания теплоносителя и тем самым обеспечить предельно возможные тепловые потоки. Рассмотренная ТТ является энергонапряженной и может служить высокоэффективным теплопередающим устройством, в особенности в условиях невесомости.

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 числе ядерно-энергетических. 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 тела, 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.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является ТТ [3], которая содержит 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 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. В такой ТТ обеспечена возможность реализации в зоне испарения 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).

Однако изготовление ТТ с профилированной капиллярной структурой является достаточно сложной технологической операцией. Эти сложности связаны как с изготовлением собственно капиллярной структуры переменного сечения, так и, в особенности, обеспечением требуемого зазора между капиллярной структурой и внутренней стенкой корпуса при монтаже капиллярной структуры внутри корпуса. Кроме того, в рассматриваемых энергонапряженных и высокотемпературных ТТ для космических ЯЭУ в качестве рабочего тела используется жидкий щелочной металл - калий, натрий или литий, который находится в капиллярной структуре. В нормальных условиях он является твердым и обладает определенной прочностью. При пуске ТТ происходит расплавление рабочего тела. Однако из-за разного сечения капиллярной структуры по длине ТТ прочность различных участков будет различной, что может привести к разрыву капиллярной структуры и выходу ТТ из строя. Особенно велика вероятность разрыва капиллярной структуры при многократных пусках и остановах ТТ соответственно с многократными процессами расплавления-затвердевания рабочего тела в капиллярной структуре ТТ с разным поперечным сечением.

Задачей изобретения является упрощение технологии изготовления ТТ и повышение надежности работы при многократных пусках и остановах ТТ.

Указанная задача реализуется в ТТ, содержащей герметичный корпус с обогреваемой теплоносителем зоной испарения, адиабатической зоной и охлаждаемой зоной конденсации, с размещенной у внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, внутренняя поверхность которой в зоне испарения образует дозвуковое сопло, а в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, внутренняя поверхность капиллярной структуры образует дозвуковой диффузор, в которой толщина капиллярной структуры выбрана одинаковой вдоль зон испарения, адиабатической и конденсации, а корпус в зоне испарения выполнен в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, - в виде дозвукового диффузора.

Техническим результатом 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).

Чертеж продольного сечения ТТ поясняет суть 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, причем толщина капиллярной структуры одинакова вдоль всех зон: испарения 2, адиабатической 4 и конденсации 3. Корпус 1 выполнен профилированным вдоль длины ТТ в зоне испарения и в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения. Корпус в зоне испарения выполнен в виде дозвукового сопла, т.е. с уменьшающимся внутренним диаметром от края 10 ТТ к границе 11 между зонами испарения 2 и адиабатической 4. Корпус 1 в адиабатической зоне выполнен в виде дозвукового диффузора, т.е. с увеличивающимся внутренним диаметром от границы 11 между зонами испарения и адиабатической в сторону зоны конденсации 3. Учитывая, что толщина капиллярной структуры 9 вдоль всей длины ТТ выбрана одинаковой и она, как правило, небольшая относительно внутреннего диаметра корпуса 1, внутренняя поверхность 12 капиллярной структуры в зоне испарения является дозвуковым соплом по паровому объему 13 в зоне испарения с критическим (минимальным) сечением на границе 11 зон испарения и адиабатической. 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 сечение по паровому объему 16 становится равным сечению 17 по паровому объему зоны конденсации 3.

ТТ работает следующим образом.

В исходном состоянии ТТ заполнена рабочим телом, например натрием, жидкая (или твердая) фаза которого располагается в капиллярной структуре 9. В рабочем режиме греющий теплоноситель, например жидкий литий, 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 капиллярной 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, например, излучением в космическое пространство, 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 внутреннее сечение парового потока (внутри капиллярной структуры 9) во всех трех зонах (2-й, 3-й, 4-й) было одинаковым, то по крайней мере 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 корпус в зоне испарения 2 выполнен профилированным таким образом, что внутренняя поверхность 12 капиллярной структуры в этой зоне 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 паровом 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 непрофилированным корпусом.

Предотвратив конденсацию пара в зоне испарения 2 за счет соответствующего постепенного понижения давления и температуры пара в зоне испарения, необходимо с минимальными потерями восстановить рабочие давление и 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 капиллярной структуры профилированной части корпуса адиабатической зоны. При движении пара в паровом пространстве 16 такого диффузора с увеличивающимся сечением 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.

Изготовление ТТ с профилированным корпусом может быть выполнено по известной отработанной технологии с добавлением лишь новой, но простой операции вальцовки корпуса для получения требуемого профиля корпуса. Укрупненно технология изготовления ТТ может выглядеть следующим образом. В цилиндрическую трубу устанавливается капиллярная структура одинаковой толщины по всей длине ТТ. Капиллярная структура 9, например, в виде сетки или одного или нескольких перфорированных экранов с помощью точечной сварки крепится к внутренней поверхности корпуса 1. После этого производится вальцовка корпуса 1 с капиллярной структурой 9 с образованием в зоне испарения 2 дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны 4 - дозвукового диффузора. Далее стандартными операциями приваривается трубка 6 с патрубками 7 и 8 для греющего теплоносителя, производится вакуумирование и заполнение рабочим телом капиллярной структуры 9, герметизация корпуса 1. После этого ТТ готова к функционированию.

Выполнение корпуса ТТ профилированным с внутренней поверхностью в зоне испарения в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, в виде дозвукового диффузора, при одинаковой во всех зонах толщиной капиллярной структуры, упрощает технологию изготовления ТТ при обеспечении возможности реализации в зоне испарения ТТ предельно возможных тепловых потоков за счет исключения 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). Выполнение толщины капиллярной структуры одинаковой во всех зонах ТТ повышает надежность работы при многократных пусках и остановах ТТ с процессами расплавления и затвердевания жидкометаллического рабочего тела за счет исключения участков капиллярной структуры ТТ с разной толщиной, а следовательно, и прочностью затвердевшего жидкометаллического рабочего тела.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить технологию изготовления энергонапряженных тепловых труб с жидкометаллическим рабочим телом и повысить надежность их работы при многократных пусках и остановах при одновременном обеспечении возможности реализации в зоне испарения ТТ предельно возможных тепловых потоков и исключении возможности рекуперации тепла вдоль зоны испарения для практически важного случая, когда нагрев зоны испарения осуществляется теплоносителем, протекающим снаружи корпуса вдоль зоны испарения.

Источники информации

1. Патент РФ №2083940, F28D 15/02, В64G 1/50, 1997.

2. Патент РФ №2219455, F28D 15/02, 2003.

3. Патент РФ №2222757, F28D 15/00, 2004.

Тепловая труба, содержащая герметичный корпус с обогреваемой теплоносителем зоной испарения, адиабатической зоной и охлаждаемой зоной конденсации, с размещенной у внутренней поверхности корпуса капиллярной структурой, внутренняя поверхность которой в зоне испарения образует дозвуковое сопло, а в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, образует дозвуковой диффузор, отличающаяся тем, что толщина капиллярной структуры выполнена одинаковой вдоль зон испарения, адиабатической и конденсации, а корпус в зоне испарения выполнен в виде дозвукового сопла, а в части адиабатической зоны, примыкающей к зоне испарения, в виде дозвукового диффузора.