способ регулирования термического сопротивления тепловой трубы

Формула изобретения

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ с раздельными паровым и жидкостным каналами, путем регулируемого теплового воздействия в жидкостном канале в зависимости от температуры в испарителе или в конденсаторе, отличающийся тем, что тепловое воздействие осуществляют путем нагрева теплоносителя в жидкостном канале до температуры, не превышающей температуру фазового перехода при охлаждении испарителя или конденсатора и охлаждают до температуры не ниже температуры кристаллизации при нагреве испарителя или конденсатора, причем величину теплового воздействия выбирают в соответствии с формулой

Q_р = gC(RQ+-q/_п)1- -T,

где Q_р - величина регулируемого теплового воздействия, Вт;

g - расход теплоносителя в тепловой трубе, кг/с;

C_р - теплоемкость жидкого теплоносителя, дж/кг К;

R - термическое сопротивление тепловой трубы, К/вт;

Q - тепловой поток, передаваемый тепловой трубой, Вт;

q - плотность теплового потока в испарителе, Вт/м²;

_п - коэффициент теплоотдачи в испарителе, Вт/м² К;

- средняя температура конденсатора, К;

T_ж - температура жидкости на выходе из конденсатора, К;

_п - плотность пара, кг/м³;

L - скрытая теплота испарения, Дж/кг;

P - потери давления в жидкостном и паровом каналах, Па;

- комплекс, определяемый конструктивными параметрами тепловой трубы, теплоносителем и величиной тепловой нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к тепловым трубам (ТТ) - устройства, работающим по замкнутому испарительно-конденсационному циклу с циркуляцией теплоносителя за счет сил поверхностного натяжения, и может быть использовано для стабилизации температуры при охлаждении различного рода теплонагруженных объектов.

Известен способ регулирования термического сопротивления ТТ с помощью резервуара, содержащего неконденсирующийся газ. Резервуар сообщен с конденсатором тепловой трубы. Регулирование осуществляется за счет изменения поверхности конденсации, которая зависит от давления в ТТ и количества неконденсирующегося газа. Недостаток данного способа - необходимость введения в рабочее пространство ТТ помимо собственно теплоносителя некоторого количества неконденсирующегося газа. В ряде случаев это может привести к диффузии газа из зоны конденсации в транспортную и испарительную зоны ТТ. При этом снижается теплопередающая способность ТТ, а также могут иметь место нежелательные эффекты, аналогичные тем, которые дает газовыделение в тепловой трубе.

Известен также способ регулирования термического сопротивления ТТ, заключающийся в воздействии на теплоноситель в транспортной зоне, конкретно - в регулировании гидравлического сопротивления парового канала путем изменения его проходного сечения. Изменение проходного сечения может осуществляться, например, за счет использования регулирующей заслонки. При таком способе регулирования каждому проходному сечению парового канала в месте регулирования соответствует максимальная тепловая нагрузка, определяемая в конечном счете располагаемым капиллярным напором и полным гидравлическим сопротивлением ТТ. Таким образом, для ТТ заданных параметров при заданной тепловой нагрузке определено минимальное проходное сечение парового канала в месте регулирования. Дальнейшее его уменьшение при заданной тепловой нагрузке приводит к тому, что перенос тепла по рабочему пространству ТТ становится невозможным. В таком случае тепло может передаваться лишь по корпусу тепловой трубы за счет теплопроводности последнего. При этом термическое сопротивление тепловой трубы резко возрастает.

В результате данный способ позволяет осуществлять двухпозиционное регулирование термического сопротивления и изменение его по закону

R = (1) где Q - тепловая нагрузка,

Q_max(S_n) - максимальная теплопередающая способность ТТ, зависящая от величины проходного сечения парового канала Sп в месте его регулирования,

R_nom, R_max - термическое сопротивление ТТ работающей в номинальном испарительно-конденсационном режиме и в режиме кондуктивного теплопереноса по корпусу.

Таким образом, недостатком рассмотренного способа является то, что он позволяет придавать термическому сопротивлению ТТ лишь два основных значения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ регулирования термического сопротивления ТТ, заключающийся в управляемом тепловом воздействии на жидкостной канал (конденсатопровод). Последний заполнен капиллярно-пористым материалом (КПМ), обладающим в рабочем диапазоне температур фазовым переходом металл-полупроводник и снабжен регулирующим устройством, имеющим подвижной контакт, соединенный через блок управления с датчиком температуры, установленном на испарителе или конденсаторе. Регулирование осуществляется за счет изменения пористости КПМ, величина которой по замыслу авторов позволяет менять расход теплоносителя в ТТ и тем самым регулировать процесс теплопереноса. В связи с этим необходимо отметить следующее. Расход теплоносителя в тепловой трубе определяется не пористостью вставок из КПМ, а величиной подводимой к испарителю тепловой нагрузки Q:

q Q/L, (2) где L - скрытая теплота парообразования, Дж/кг,

g - расход теплоносителя в ТТ, кг/сек.

Таким образом, величина расхода теплоносителя при неизменной тепловой нагрузке остается практически постоянной и меняется в соответствии с изменением Q. Величина пористости КПМ влияет на гидравлическое сопротивление соответствующего участка, в данном случае конденсатопровода, и в конечном счете - на гидравлическое сопротивление ТТ в целом Р_ТТ.

В то же время известно, что основное условие работоспособности ТТ формулируется следующим образом:

P_TT P_{c max} , (3) где Р_{с max} - максимальный капиллярный напор, развиваемый капиллярной структурой в испарителе, Па.

Тепловая труба остается работоспособной до тех пор, пока выполняется условие. Температурный уровень ТТ определяется главным образом условиями теплосброса в конденсаторе и в общем случае слабо зависит от величины Р_ТТ.

Поэтому, если в ответ на изменение температуры в зоне подвода или отвода тепла изменять пористость и следовательно гидравлическое сопротивление вставки из КПМ в конденсатопроводе, то такое изменение будет регулировать не теплоперенос, а теплопередающую способность ТТ, не оказывая существенного влияния на ее термическое сопротивление до тех пор, пока в условии (3) не будет достигнуто равенство, т.е. Q станет предельной для данного состояния КПМ. После этого работа в режиме ТТ станет невозможной и термическое сопротивление тепловой трубы резко возрастает. Таким образом, и в данном случае имеет место двухпозиционное регулирование термического сопротивления, и поставленная цель - расширение диапазоне регулирования - не достигается.

Эффективное регулирование термического сопротивления в широких пределах без изменения теплопередающей способности ТТ может быть реализовано в контурных тепловых трубах за счет теплового воздействия на теплоноситель в транспортном жидкостном канале путем управляемого нагрева или охлаждения жидкости в данном канале.

На фиг.1 представлена схема контурной тепловой трубы с регулятором термического сопротивления; на фиг.2 - схема конденсатора контурной тепловой трубы; на фиг.3 - результаты расчетов и измерений термического сопротивления контурной ТТ.

Тепловая труба содержит испаритель 1 с капиллярной структурой 2, снабженной системой каналов 3 для отвода образующегося пара, раздельные транспортные гладкостенные каналы для пара и конденсата 4 и 5, конденсатор-теплообменник 6 и устройство 7 для регулирования температуры теплоносителя в жидкостном канале.

Термическое сопротивление тепловой трубы определяется соотношением:

R = (4) где R - термическое сопротивление, К/Вт;

Q - передаваемый ТТ тепловой поток, Вт;

, - средняя по поверхности температура корпуса испарителя и конденсатора соответственно, ^оС.

Рабочая температура пара ТТ Т_п связана с температурой следующим соотношением:

= T_п+q/_п, (5) где q - плотность подводимого к испарителю 1 теплового потока, Вт/м²,

_п - коэффициент теплоотдачи при парообразовании в испарителе, Вт/м²К.

В контурный тепловых трубах конденсатор 6 выполняет двойную функцию собственно конденсатора и теплообменника, и условно может быть разделен на две зоны: зону конденсации теплоносителя и зону переохлаждения образовавшегося конденсата за счет теплового контакта с внешним охладителем (фиг.2).

Поверхность конденсации S_к определяется равенством:

S_к= , (6) где _к - коэффициент теплоотдачи при конденсации, Вт/м²К,

Т_{ст к} - средняя температура стенки конденсатора на участке конденсации, ^оС.

Остальная часть поверхности конденсатора работает на переохлаждение сконденсировавшегося теплоносителя. Температура жидкости на выходе из конденсатора Тж может быть определена из следующей общей зависимости:

Т_ж = Т_п - f (Q, T_охл, _oxл, l_охл, A, B), (7) где Т_охл - температура приемника тепла, оС;

_охл - коэффициент теплоотдачи к приемнику тепла, Вт/м²К;

l_охл - длина участка переохлаждения, м;

А - комплекс, определяемый геометрическими параметрами конденсатора;

В - комплекс, определяемый теплофизическими параметрами теплоносителя.

Очевидно, что минимальное возможное значение Т_ж = Т_охл.

Средняя температура конденсатора определяется по следующей общей формуле:

= T_{ст к}(l_к-l_охл)+)dx, (8) где l_к - длина конденсатора, м;

f - функция, определяемая выражением (7).

Величина температуры пара контурной ТТ определяется целым рядом факторов и физических процессов, при этом справедливо соотношение

(T_п-T_o) (1-)= P_вн, (9) связывающее температуру пара с температурой поступающей в испаритель 1 жидкости То, гидравлическим сопротивлением внешнего относительно капиллярной структуры 2 участка ТТ Р_вн и безразмерной величиной разности температур на внутренней (впитывающей) и внешней (испаряющей) поверхностях капиллярной структуры 2.

Из формулы (9) следует, что Т_п = Т_п(Т_о) и в соответствии с формулой (1) R= R(T_o). Таким образом, имеется принципиальная возможность, воздействуя на величину То, изменять термическое сопротивление контурной ТТ.

Исходя из приведенных выше зависимостей можно получить выражение для величины теплового воздействия на теплоноситель в транспортном жидкостном канале 5, необходимого для обеспечения заданного термического сопротивления R.

Тепловое воздействие величины Q_р пpиводит к изменению температуры жидкости в конденсатопроводе 5 на величину:

T=Q_p/C_pg, (10) где q - расход теплоносителя в ТТ, кг/сек,

С_р - теплоемкость жидкости, Дж/кгК.

При температуре жидкости на выходе из конденсатора 6, равной Тж, температура после регулирующего теплового воздействия станет равной

T_o=T_ж+Q/C_pg. (11) С другой стороны, согласно (9)

T_o= T/(dP/dT) . (12) С учетом соотношения Клайперона-Клаузиуса:

= , где L - теплота испарения, Дж/кг;

_п (Т) - плотность насыщенного пара при температуре Т, кг/м³выражение (12) может быть преобразовано:

T_o= T_п 1- . (13)

Кроме того, исходя из соотношений (4) и (5) имеем:

T_п= RQ+-q/_п .

Тогда соотношение (13) может быть преобразовано к следующему виду

T_о= (RQ+-q/_п) 1- . (14)

Окончательная формула с учетом (10) и (11) приобретает вид:

Q_р= gC_р (RQ+-q/_п)1- -T. (15) Выражение (15) представляет собой зависимость Q_p(R), позволяющую определить величину теплового воздействия, необходимого для обеспечения заданного термического сопротивления контурной ТТ. Уравнение (15) является нелинейным, поскольку в него входит зависимость _п (Т), которая имеет различный вид для разных теплоносителей.

Зависимость (15) является непрерывной, т.е. обеспечивается возможность плавного изменения К за счет задания соответствующего управляющего воздействия Q_p. Значениям Q_p > 0 соответствует нагрев теплоносителя в жидкостном канале 5, Q_p < 0 - охлаждение, Q_p = 0 - отсутствие теплового воздействия.

Исходя из физических принципов ТТ необходимо удовлетворять следующему ограничению:

Т_крист < T_o < T_кип, где Т_кип - температура кипения данного теплоносителя при давлении, соответствующем по линии насыщения Т_п,

Т_крист - температура кристаллизации данного теплоносителя. Данное ограничение связано с необходимостью иметь в жидкостном канале теплоноситель в жидкой фазе.

Кроме того, необходимо обеспечить такие условия работы контурной ТТ, чтобы полость испарителя 1 была частично заполнена жидкостью и имелась свободная поверхность. Уравнение (9) справедливо лишь при наличии такой свободной поверхности.

Термическое сопротивление повышается при увеличении значения Т_о, т.е. в качестве управляющего воздействия используется нагрев и уменьшается при охлаждении.

Таким образом, управляющий нагрев целесообразно применять при охлаждении испарителя или конденсатора, с тем чтобы поднять термическое сопротивление до требуемого значения, а управляющее охлаждение - при нагреве испарителя или конденсатора, когда требуется соответствующее снижение термического сопротивления.

В качестве регулятора температуры жидкости в зависимости от конкретных условий могут использоваться проточный теплообменник, регулируемый нагреватель, экран-радиатор жалюзийного типа с поворотными створками, лазерный излучатель и т.д.

П р и м е р. Контурная тепловая труба, заправляемая аммиаком. Длина транспортной зоны 4 м, тепловая нагрузка 200 Вт, охлаждение принудительное, температура охлаждения 15^оС. Транспортный жидкостной канал 5 на ограниченном участке, примыкающем к испарителю 1, подвергался нагреву или охлаждению так, что температура жидкости менялась от -20 до +60^оС. Результаты измерений и расчетов приведены на фиг.3. Как видно, термическое сопротивление 0,05 до 0,27 К/Вт, т.е. более чем в 5 раз.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет эффективно регулировать термическое сопротивление контурных тепловых труб путем воздействия на теплоноситель в транспортном жидкостном канале.