Результат интеллектуальной деятельности: Теплотрубная матрешка

Предлагаемое изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для транспортировки тепловой энергии по тепловым трубам.

Известна тепловая труба космического аппарата, содержащая корпус, имеющий испарительный, транспортный и конденсационный участки, причем фитиль тепловой трубы выполнен в виде продольных канавок на внутренней поверхности корпуса, а доза теплоносителя, заправленного во внутреннюю полость корпуса, выбрана из условия, учитывающего возможные ежегодные утечки теплоносителя из внутренней полости корпуса и погрешность заправки. Кроме того, это условие учитывает максимальное и минимальное значения доз теплоносителя при перепаде температур между участками испарения и конденсации ТТ, не превышающем минимально допустимого. [Патент РФ №2353881, МПК F28D 15/04, B64G 1/50, 2009].

К основным недостаткам известной тепловой трубы космического аппарата относятся малое расстояние передачи тепловой энергии от источника к потребителю, ограниченное длиной трубы, выполнение транспортного участка в виде продольных канавок на внутренней поверхности трубы и непосредственный контакт пара с конденсатом в канавках, что снижает эффективность известного устройства.

Более близкой к предлагаемому изобретению является тепловая труба, содержащая, обогреваемый в зоне испарения и охлаждаемый в зоне конденсации герметичный корпус, внутри которого у внутренней стенки корпуса установлена капиллярная структура, по крайней мере, часть которой в исходном состоянии заполнена рабочим телом [Патент РФ №2208209, МПК F28D 15/04, 2003].

К основным недостаткам известной тепловой трубы относятся малое расстояние передачи тепловой энергии от источника к потребителю, ограниченное длиной трубы и непосредственный контакт пара с фитилем по всей длине транспортного участка, что снижает эффективность известного устройства.

Задача, решаемая изобретением, является повышение эффективности теплотрубной матрешки.

Технический результат достигается тем, что теплотрубная матрешка включает в себя n тепловых труб, вставленных друг в друга, каждая из которых состоит из цилиндрического корпуса, заглушенного с одного торца стенкой и прикрытого с другого торца периферийным кольцом, внутренняя поверхность корпуса каждой тепловой трубы покрыта слоем фитиля, частично заполненного рабочей жидкостью, покрытого, в свою очередь, цилиндрической обечайкой, диаметром меньшим, чем наружный диаметр периферийного кольца, на величину 2Δ₁ с созданием у торцов кольцевых зазоров шириной Δ₂ каждый, образуя испарительный, транспортный и конденсационный участки, причем торцевые стенки всех тепловых труб размешены на расстоянии Δ₃ друг от друга, несколько большим, чем Δ₂, каждая тепловая труба имеет одинаковую длину, диаметр наружных стенок меньше диаметра обечайки предыдущей теплой трубы на величину 2Δ₁, причем последняя тепловая труба вместо периферийного кольца закрыта глухой торцевой стенкой, а открытый торец цилиндрического корпуса первой тепловой трубы снабжен откидной крышкой, закрывающей его в сложенном состоянии.

В основе работы предлагаемой теплотрубной матрешки лежит высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, обусловленная высокими значениями коэффициента теплопередачи в процессах испарения и конденсации [А.Н. Плановский, П.И. Николаев. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1987, с. 146], которые делятся на три участка: зона испарения (подвода теплоты), адиабатная зона (переноса теплоты) и зона конденсации (отвода теплоты), покрытых изнутри фитилем и частично заполненных рабочей жидкостью-переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, жидкие металлы т. д. При этом, в зависимости от конструкции, тепловая труба при передаче теплоты позволяет увеличивать или уменьшать плотность передаваемого теплового потока [В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с. 106].

На фиг. 1 представлен общий вид теплотрубной матрешки (ТТМ), на фиг. (2-7) - основные узлы и разрез ТТМ, на фиг. 8, 9 - развернутая (рабочее состояние) ТТМ при работе в двух режимах: 1) увеличенная плотность теплового потока; 2) уменьшенная плотность теплового потока.

Теплотрубная матрешка (ТТМ) включает n тепловых труб, вставленных друг в друга, наружная (первая) тепловая труба, состоит из цилиндрического корпуса 1₁, заглушенного с одного торца стенкой 2₁ и прикрытого с другого торца периферийным кольцом 3₁, внутренняя поверхность корпуса 1₁ покрыта слоем фитиля 4₁, частично заполненного рабочей жидкостью, покрытого, в свою очередь, цилиндрической обечайкой 5₁, диаметром меньшим, чем наружный диаметр периферийного кольца 3₁, на величину 2Δ₁ с созданием у торцов кольцевых зазоров 6₁, 7₁ шириной Δ₂ каждый, образуя испарительный 8₁, транспортный 9₁ и конденсационный 10₁ участки первой тепловой трубы, внутрь цилиндрической обечайки 5₁ на расстоянии Δ₃ от торцевых стенок 2_i несколько большим, чем Δ₂ помещены последующие тепловые трубы ТТМ, устроенные аналогично I-й ступени, одинаковой длины, но меньших диаметром, диаметр наружных стенок 2_i которых меньше диаметра обечайки 5_i на величину 2Δ₁, причем n-я (последняя) тепловая труба вместо периферийного кольца 3_i закрыта глухой торцевой стенкой 11, а открытый торец цилиндрического корпуса 1₁ первой тепловой трубы ТТМ снабжен откидной крышкой 12, закрывающей его в нерабочем (сложенном) состоянии.

ТТМ работает следующим образом. Предварительно, перед началом работы из полостей n тепловых труб ТТМ (n - количество тепловых труб, зависит от рода тепловой жидкости, требуемой плотности теплового потока и расстояния, на которое требуется передать тепло) удаляют воздух и закачивают рабочую жидкость, которую выбирают в зависимости от температурного потенциала холодной и горячей сред и расстояния, на которое нужно передать тепло (штуцера для удаления воздуха и подачи рабочей жидкости на фиг. 1-9 не показаны), в количестве достаточном для заполнения объема пор фитилей 4_i. При передаче повышенной плотности теплового потока (фиг. 8) корпус 1₁ ТТМ устанавливают по направлению передачи требуемой плотности теплового потока таким образом, чтобы торцевая стенка 2₁ контактировала с горячей средой (источником тепла), а торцевая стенка 10 n-й тепловой трубы контактировала с холодной средой (потребителем), после чего откидывают крышку 12.

В результате нагрева поверхности стенки 2₁, на ее противоположной поверхности происходит испарение рабочей жидкости, поступающей из фитиля 4₁ и в полости между ней и стенкой 2₂ собирается пар, температура и давление которого повышаются до величин t₁ и Р₁, после чего, в результате воздействия этого давления и температуры на поверхность стенки 2₂, которая одновременно нагревается, 2-я тепловая труба начинает двигаться подобно поршню в цилиндре, который образует цилиндрическая обечайка 5₁, до периферийного кольца 3₁ к кромке которого прижимаются кромки стенки 2₂. По окончании движения 2-й тепловой трубы на поверхности стенки 2₂ происходит испарение рабочей жидкости, поступающей из фитиля 4₂ и в полости между ней и стенкой 2₃ собирается пар, температура которого повышается до t₁, а давление повышается до величины Р₂, после чего, в результате воздействия этих температуры и давления на поверхность стенки 2₃, которая одновременно нагревается, начинает перемещаться 3-я тепловая труба, в которой происходят процессы аналогичные вышеописанному. Последняя, n-я тепловая труба при перемещении до конца, в отличие от предыдущих тепловых труб, наружной поверхностью стенки 2_n контактирует непосредственно с холодной средой (потребителем тепла), передавая ей тепло повышенной плотности теплового потока (превышение плотности теплового потока можно приближенно оценить, отношением площадей 2₁/2_n). При этом, в результате механических и тепловых потерь при испарении и транспортировке рабочей жидкости, сжатие и транспортировке пара и его конденсации, величина конечных температуры и давления пара t_n и P_n в последней n-й тепловой трубе меньше чем в первой (температуры и давления в тепловых трубах зависят от температуры источника теплоты, потребностей потребителя, характера рабочей жидкости и определяются расчетно-экспериментальным путем).

При передаче пониженной плотности теплового потока (фиг. 9) корпус 1₁ ТТМ устанавливают по направлению передачи требуемой плотности теплового потока таким образом, чтобы торцевая стенка 2₁ контактировала с холодной средой (потребителем), а торцевая стенка 10 n-й тепловой трубы контактировала с горячей средой (источником тепла), после чего откидывают крышку 12.

В результате нагрева поверхности стенки 11 на ее противоположной поверхности происходит испарение рабочей жидкости, поступающей из фитиля 4_n и в полости n-й тепловой трубы собирается пар, температура которого повышается до t_n, а давление повышается до величины P_n, после чего, в результате воздействия этого давления и температуры на поверхность стенки 2_n, которая одновременно нагревается, начинает двигаться (n-1)-я тепловая труба подобно поршню в цилиндре, который образует цилиндрическая обечайка 5_(n-2), упираясь кромкой периферийного кольца 3_(n-1) к кромке стенки 2₂. По окончании движения (n-1)-й тепловой трубы на поверхности стенки 2_n-2 происходит испарение рабочей жидкости, поступающей из фитиля 4₂ и в полости между ней и стенкой 2_n-3 собирается пар, температура и давление которого повышаются и дальнейшие процессы происходят аналогично вышеописанному, в результате чего в первой тепловой трубе температура и давление пара повышаются до t₁. Последняя, в данном случае, первая тепловая труба при перемещении до конца, в отличие от предыдущих тепловых труб, наружной поверхностью стенки 2₁ контактирует непосредственно с холодной средой (потребителем тепла), передавая ей тепло пониженной плотности теплового потока (понижение плотности теплового потока можно приближенно оценить, отношением площадей 2_n/2₁).

При этом, в результате механических и тепловых потерь при испарении и транспортировке рабочей жидкости, сжатии и транспортировки пара и его конденсации, величина конечных температуры и давления пара t₁ и Р₁ в последней (первой) тепловой трубе меньше чем в n-й тепловой трубе (температуры и давления в тепловых трубах зависят от температуры источника теплоты, потребностей потребителя, рабочей жидкости и определяются расчетно-экспериментальным путем). В зависимости от параметров источника тепла и требуемых характеристик тепла для потребителя в тепловых трубах ТТМ могут использоваться разные рабочие жидкости.

Таким образом, предлагаемая теплотрубная матрешка обеспечивает надежное и эффективное перемещение тепловой энергии на расстояние, значительно превышающее длину одной тепловой трубы с одновременным изменением плотности теплового потока.