Испаритель
Полезная модель относится к устройствам теплообмена и может быть использована для отвода тепла от плоских поверхностей теплонагруженных элементов в условиях невесомости. Предлагается устройство для обеспечения эффективного отвода тепла, за счет процессов испарения теплоносителя, от теплонагруженных элементов с одной или двумя плоскими поверхностями теплосъема на протяжении всего времени работы устройства. Испаритель состоит из профиля, представляющего собой круглую в сечении трубку с аксиальными капиллярными канавками, сопряженную с одной или двумя полками. На входе профиля, по внешнему диаметру канавок, выбрана цилиндрическая полость, в которую установлена втулка, перекрывающая своей фронтальной частью центральный канал профиля по внутреннему диаметру капиллярных канавок. Втулка снабжена каналом для подачи конденсата и отверстиями.
Предлагаемое техническое решение касается полезной модели как объекта промышленной собственности и относится к устройствам теплообмена и может быть использовано для отвода тепла от плоских поверхностей теплонагруженных элементов в условиях невесомости. В частности, полезная модель может быть реализована в составе системы обеспечения теплового режима космического аппарата с механической прокачкой двухфазного теплоносителя.
Испарители трубчатого типа используют простейшую форму поверхности теплообмена, и нашли применение в технике уже достаточно давно. В источнике информации [1] приводятся возможные варианты конструкции, а также основные характеристики теплоотдачи и гидравлического сопротивления таких поверхностей. Поскольку поверхность теплоотдачи большинства приборов чаще всего представляет собой плоскость, трубки в испарителе для охлаждения таких устройств обычно представляют собой плоский змеевик или параллельные каналы, соединенные коллекторами. Чаще всего в подобных случаях используются плоские трубки, обращенные своей широкой частью к охлаждаемой поверхности. Для интенсификации теплообмена, трубки могут быть сплющены на отдельных участках. Применение трубчатых испарителей для охлаждения плоских поверхностей связано с необходимостью заполнения объема между наружными поверхностями трубок и охлаждаемой поверхностью теплопроводной пастой, клеем и т.п., поскольку собственная площадь контакта трубок очень не велика. Это придает некоторую неопределенность тепловым характеристикам конструкции, вследствие сложности контроля наличия воздушных пузырьков в полостях заполненных термоинтерфейсом, а также по причине изменения свойств теплопроводящего материала с течением времени.
Недостатком такой конструкции является относительно низкий коэффициент теплопроводности между охлаждаемой поверхностью и теплоносителем в трубках.
Известен испаритель для охлаждающих контуров [2], предназначенный для отвода тепла от плоских поверхностей, представляющий собой пластину из
алюминиевого сплава или стали покрытой алюминиевым сплавом, на которой, методом пайки или сварки закреплена одна или несколько трубок из аналогичных материалов.
Такой подход к конструкции позволяет обойтись без теплопроводящих материалов, роль которых в данном случае выполняют материал трубки и пластины, а в случае паяного соединения еще и материал припоя, что сводит к минимуму неопределенность тепловых характеристик, вызванную неравномерностью распределения теплопроводящего материала и ухудшения его характеристик в процессе эксплуатации. Однако технология крепления трубок и пластин, а также материалы, из которых они изготовлены, не предполагают возможности интенсификации теплоотдачи испарителя методами, применяемыми для простейших трубчатых испарителей, а поскольку в конструкции применяются гладкие трубки, исключается возможность развития внутренней поверхности внесением впадин или бугорков, с целью улучшить теплообмен при неизменной скорости движения теплоносителя. Данная конструкция может быть модифицирована с целью обеспечения возможности охлаждения сразу двух поверхностей, для этого необходимо осуществить закрепление второй пластины с противоположной стороны трубки.
Описанное устройство является наиболее близким, к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и функциональному назначению.
Целью предлагаемого технического решения является обеспечение эффективного отвода тепла, за счет процессов испарения теплоносителя, от теплонагруженных элементов с одной или двумя плоскими поверхностями теплосъема на протяжении всего времени работы устройства.
Поставленная цель достигается тем, что испаритель, выполнен в виде профиля, объединяющего в себе одну или две пластины с трубкой, снабженной внутренними аксиальными капиллярными канавками произвольной формы. На входе в профиль установлена втулка с каналом подачи теплоносителя, ось которой совпадает с осью трубки. Втулка снабжена отверстиями распределения теплоносителя по аксиальным капиллярным каналам.
Предлагаемая конструкция, обеспечивает, во-первых, минимальное тепловое сопротивление и неизменность тепловых характеристик испарителя во времени, поскольку исключено влияние материалов-посредников.
Во-вторых, предлагаемая конструкция обеспечивает увеличение эффективности теплообмена, и снижения гидравлического сопротивления испарителя
за счет принудительного распределения теплоносителя по развитой внутренней поверхности направляющей втулкой и действием капиллярных сил.
При этом достигается эффективный теплосъем при любой пространственной ориентации испарителя в наземных условиях, а также в невесомости.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется иллюстрациями Фиг.1 и фиг.2.
На фиг.1 представлены варианты исполнения профиля с одной и двумя полками.
На фиг.2 представлен разрез места соединения профиля и втулки
Испаритель, согласно предлагаемому техническому решению состоит из профиля 1, представляющего собой круглую в сечении трубку с аксиальными капиллярными канавками, сопряженную с одной или двумя полками. На входе профиля, по внешнему диаметру канавок, выбрана цилиндрическая полость, в которую установлена втулка 2, перекрывающая своей фронтальной частью 3 центральный канал 4 профиля 1 по внутреннему диаметру капиллярных канавок. Втулка снабжена каналом для подачи конденсата 5 и отверстиями 6 для его распределения по капиллярным канавкам. Уплотнение 7 предотвращает проникновение теплоносителя за пределы испарителя.
Испаритель работает следующим образом. В исходном состоянии весь канал испарителя заполнен теплоносителем в жидкой фазе, поступающем из конденсатопровода. При подаче тепловой нагрузки начинается активное испарение теплоносителя на поверхности канавок. Образовавшийся пар выталкивает жидкую фазу из парового канала в паропровод. На установившемся режиме работы испарителя, теплоноситель в жидкой фазе, поступающий через отверстия 6 втулки 2, заполняя полость 9, поступает только в аксиальные канавки профиля 1, через их торцевую часть 8, и удерживается на их поверхности капиллярными силами до момента отрыва в паровой канал вследствие фазового перехода. При снятии тепловой нагрузки испаритель возвращается в исходное состояние.
Источники информации
1. В.М.Кэйс, А.Л.Лондон "Компактные теплообменники", пер. с англ. под ред. Ю.В.Петровского, М., «Энергия», 1967, 224 стр.с илл., стр.112-115.
2. ЕРО патент №0222176 опуб. 20.05.87, "Heat exchanger, particularly evaporator, and method of manufacturing same".
Испаритель, состоящий из пластины соединенной с круглой в сечении трубкой, отличающийся тем, что трубка с одной или двумя пластинами выполнена в виде единого профиля, при этом внутренняя поверхность трубки снабжена аксиальными капиллярными канавками произвольной формы, а на входе в профиль установлена втулка с каналом подачи теплоносителя, ось которой совпадает с осью трубки, кроме того, втулка снабжена отверстиями распределения теплоносителя по аксиальным капиллярным канавкам.
