Теплосъемник испаритель

(5 ЕННОЕ СССР СССР) НТНОЕ ГОСУДАРС ВЕДОМСТВ (ГОСПАТЕН ЕНИЯ(21) 483870 (22) 20,04.9 (46) 15.02,9 (75) Е. С, Я (56) Авто рс К. 1000725 (54) ТЕПЛО (57) Испол приборов и испарител По Исходя из в ритерия сравн писанных контр лотности тепло яжен ности) теп го поперечного тот комплекс и тв с изнно, ид но-ф-габаритн аллические радиат мощных электрии тиристоров, оздух, Возможнопроводностью ма аритный критерий й части их можно отношениями для,. сточниками тепла пло,подводимое по руется в объеме ц о длинера Л - коэффициент иала, Отсюда мощкритерий МО= ОПИСАНИЕ ИЗОБРК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 8/0603. Бюл, М. 6ценкокое свидетельство СССР, кл. Р 28 О 15/02, 1981,СЪ ЕМ НИ К-И СПАРИТЕЛ Ььзование: системы охлажденияаппаратуры с использованиемьно-конденсацйонных циклов Изобретение относится к теплотехнике, в частности к элементам устройств, работающих по замкнутому испарительно-конденсационному циклу - тепловых труб и термосифонов.Повышение мощностных и ма ритных характеристик современ ройств, например, элементовэлектроники (тиристоров) влечет за собои необходимость разработки систем их охлажденйя, соответствующих им по указанным параметрам.Одной из особенностей компактизации является необходимость теплоотвода в длинных узких щелях, труднодоступных для прокачки жидкого теплоносителя, но в то же время обладающих большим тепловыделением, например, матриц и пуансонов для горячего прессования, шкафов с силовым оборудованием с плотной укладкой элементов, рубашек охлаждения,Кроме того, к теплосъемным устройствам предьявляются требования по прочности, позволяющей прижимать их к охлаждаемым объектам. Так, для создания удовлетворительных тепловых контактов между тиристором и радиатором необходимо обеспечивать усилие прижатия 200 кг,Сущность изобретения: в корпусе 1 вь лнена продольная полость 3, На ее стенках размещен крупнодисперсный слой металлического войлока, На внутренней поверхности слоя расположен мелкодисперсный слой спеченного металлического порошка в виде замкнутой по периметру продольной оболочки, В крупнодисперсном слое выполнены паровые каналы в виде отверстий. 5 3. и. ф-лы, 4 ил,ышеуказанного, в каче ения выбран комплек ольных величин, а име вого потока р, длины лосъемного устройств размера (или толщинь менуется ниже как мо критерий МО= Известны цельнометторы для отвода тепла оческих вентилейрассеивающие тепло всти их ограничены теплтериала. Мощностно-габсобственно теплосъемноценить, пользуясь состенки с внутренними(см, фиг. 1), считая, что теповерхности (с), генери- , Перепад температу теплопроводности матерноетно-габаритный .а2 АЬТт 10 Па, что нецелеПринимая допусккаемый перепадтемпе- ку при этом составляет 0альное использорэт ры ЬТсп 50 К, 1 0,1 м, получим для сообразно, Кроме того, реальное ии Л =380 Вт/м К) Мб= 4 10 Вт/м . вание таких каналов невозможно еще иИзвестны жидкостные охладители, в ко- потому, то5 фильт ом для жидкости и быстро забьютсяторых зона теплосъема имеет полости для Ф ри, Наи к ляции внутри нее жидкости. ощност.М щност- взвешенными в жидкости частицами, апрактике минимальный размер каналов дляно-габа итный критерий их выше, чем уно- р, О с ф- проточных систем охлаждения составляетцельнометаллических, Он ограничен коэфт вн т еиней по- несколько мм, чему соответствует гидравлифициентомотеплоотдачи от внутренней поМб=10 8 /м а тепверхности к. жидкости, гидравлическим 1 ческоеог аничение на =т м;6 гсопротивлением каналов и теплоемкостью ловое Мб=10 Вт/м .ти, Мб - к итерий можно оценить как От этого недостатка свободны системыс замкнутой циркуляций теплоносителя саЛТ 1оэффцен теп использованием его фазовых превращений.аЛж 15 Известны охладители на основе термосифолоотдачи, а = Мо - " - критерии Нуссельтэ нов и тепловых труб. Геплосъемная часть ихсНо= 4 (т. к. для узких каналов движение содержит полость, внутри которой происхоблизко к лэминарному), ж - к), Л - оэффициент дит испарение жидкости. Для сепарациии кости, с - диаметр жидкости и пара в них используют капилтеплопроводности жидкости, - диканала. Для рассматриваемого демого диапазона 20 лярные покрытия. Подача жидкости к поверразмеров 0 см, см и и и10, г 1 с. ользова- хиости испарения осуществляется путемния воды Мб = 10 Вт/м . Уменьшение с растекания ее по покрытию вдоль тракта.и иводит к увеличению , однако иМб ако при Мб-критерий ограничен, во-первых, кризир д у.сом кипения и, во-вторых, гидравлицескимэтом возрастают гидравлические потери,о ность на прокачку, по сопротивлением тракта, Для наилуцшегоследовательно, мощит ля - во ы - и едельная плотскольку необходимо поддерживать расход теплоносителя - воды - ри сти- ность теплового потока при кипении в больтеплоносителя, соответствующии допусти 15 10 Вт/м (5,6).его например, д= 15 К, шом объеме составляет 1,5съ мника линой 1 Ограничение Мб гидравлическими потеря- Следовательно, для тепло ъе дми можно оценить по формулеф рмуле Ь Р= 0 10 см и диаметром с 1 см Мб= 1,5 10Вт/м . В стесненных условиях предельная- , где- коэффициенттрения, плотность теплового потока меньше, т. е.ия пло снабжение удаленных участков поверхности жидкостью затрудняется вследствиеизапариванияп капиллярной с руктурыр/Г где Г площадьпоперечногосечения ьшения эФФективного проходного секанала, = , и, Е = г 1, и считая= - (для цения. Увеличение Мб-критерия за счет изКеменения соотношения между 1 и спомин ар ного режимаг, где де=- , д - ограничено гидра адически ми потерями,и 40 Они равны сумме потерь для жидкости икоэффициент динамической вязкости жид 32 6пара. чит. С ая движение ламинарным, ихкости, получим Лр = -- +-, При турбу можно оценить какрблентном движении ЛР будет больше, а Мб,329 Яи 1 ясоответственно, меньше, Расход б долже 45н ЬРу +Р гобеспечивать теплосъем с внутренней по 32 6,1 пверхности С 1= г л АЙ 1 при заданном подогреве теплоносителя дТ, т. е, О= бс д Т,рп Р г 1р,ад где б - массовый расход,откУда б= - . ПодставлЯЯ это в фоР " - коэффициент динамической вязкоС Тмулу для потерь давления, получим сти,г е - пористость,М 5: -- , Напор на прокачку р - ппоцГадь проходного сечения,32 л,и 12имеет порядок величины 10 Па. Он равенР б55 ж - иЬР, Подставляя цисленные значения дляводы, получим = т м,д, у Мб=2 10 В /, Размер г г - гидравлический диаметр(для жидкодля которого тепловое и гидравлическое ог- сти - р рти - азме капилля ра ак).Мб авны, составляет 0,1 мм. При петлевой схеме движения и равенствераиичения равны, соПри этом = т м,Мб=10 В /, Напор на прокач ж=1 п выражение можно преобраз уц лс 11тем подстановки С= -- , где - плот- .гность теплового потока, ЛО 1 - площадь теплоподвода, г - удельная теплота парообразования, к виду 5 Лр с)1 1 б 7 т 1/сж + О г 0 Я О 2 Движущий перепад давления создается капиллярными силами и гравитацией, Они имеют по рядок 10 Па. Для кап илля ров разМером 0,1 мм и вышеприведенных разме 1 зов М 6=10 Вт/м, причем уменьшениегДиаметра канала не приводит к увеличению МО,Так,приОммМ 6=6 10 Втlм,чему причиной является уменьшение гидравлиЧеского диаметра для парового потока, Попытка применения мелкодисперсного покрытия (например, спеченного порошка) приведет также к снижению МС-критерия, т. к, напор является линейной функцией от 1/д, а потери - квадратичной, П ригленение же грубой капиллярной структуры (Ок 1 мм) вузком канале(О 1 мм) практически невозМожно,Очевидно, что улучшение параметров теплосьемника возможно путем изменения способа орошения поверхности жидкостью, Во всяком случае, необходимо исключить жесткую взаимосвязь между принимаемостью капиллярной структуры и ее капиллярнЫм напором,Наиболее близким техническим решением является зона испарения тепловой трубы в виде корпуса с выполненной внутри н 9 го протяженной полостью, на стенках котОрой размещена комбинированная капиллрно-пористая структура, состоящая из сг 1 оев металлического войлока и спеченного мфталлического порошка, Металлический войлок по своей структуре является крупнодг 1 сперсным, а спеченный порошок выполнен более мелкодисперсным по сравнению с войлоком. С поверхностью полости непос редственно контактирует крупнодисперсньй слой войлока, мелкодисперсный слой расположен на крупнодисперсном и контактирует непосредственно с ним по его внутренней поверхности.Испарение происходит на стыке мелко- и крупнодисперсных слоев, Расположение слОев позволяет сочетать высокий капиллярный напор с небольшими гидравлическими потерями, поскольку генерация напора происходит в мелкодисперсном слое, э движение теплоносителя - в основном в крупнодисперсной структуре и лишь на очень малом участке - по мелкодисперсной. а именно попер , м лкодпсперсногослоя.Эти огобенносги создают высокие потенциальные возможности для работы встесненных условиях,Целью настоягцего изобретения является улучшение массо-габаритных характеристик, а именно, уменьшение поперечногоразмера.10 Недостатками описанного устройства,мешающими достижению поставленной цели, являются следующие конструктивныеособенности.Конкретное исполнение капиллярной15 структуры прототипа представляет собойжгуты, содержащие описанные крупно-имелкодисперсные слои, Жгуты укрепленына внутренней поверхности стенки тепловой трубы. Свободное пространство между20 жгутами образует паровой канал, Гидравлические потери в нем значительно ниже, чеглпри движении пара в крупнодисперсномслое. Поэтому уменьшение поперечного габарита устройства возможно за счет умень 25 шения поперечного сечения канала доразмера, при котором за счет уменьшенияпоперечного сечения канала до размера,при котором гидравлические потери в немприблизятся к таковым в крупнодисперс 30 ном слое, Как показывает расчет, этот размер имеет порядок толщиныкрупнодисперсного слоя, Однако при сужении парового канала капиллярные жгутыприближаются друг к другу, не позволяя су 35 щественно уменьшить его размер, При соприкосновении их(см. фиг. 2) паровой каналразделяется на центральный, составленныйиз вершин жгутов, и на щели между жгутами. От центрального канала можно отка 40 заться,если выполнитьщели размером столщину крупнодисперсного слоя, Далее,совокупное сечение жгутов также можетбыть существенно уменьшено, поскольку поним движетсяжидкость и гидравлические45 потери в них малы. Поэтому жгуты можнообъединить в единый канал для жидкости.Безусловно необходимо, чтобы мелкодисперсные слои жгутов обьединились в единый мелкодисперсный слой, т. к, в50 противном случае давление пара будет передаваться в жидкость.Исходя из сказанного, поставленнаяцель может быть решена (см. фиг, 3) путемвыполнения мелкодисперсного слоя в виде55 замкнутой по периметру протяженной оболочки 2, заполняющей большую часть полости 3, за исключенИем кольцевогопристеночного участка с крупнодисперсным слоем 4. Оболочка установлена вдольоси полости, Паровой канал выполнен л ви 17 гж 254де по-крайней мере одного отверстия 5 в крупнодисперсном слое. Возможно и большее количество отверстий,Устройство работает следующим образом. При воздействии теплового потока на корпус 1 в полости 3 возникает петлевая схема движения теплоносителя; из тракта тепловой трубы внутрь оболочки 2 всасывается жидкость, фильтруется через стенку ее и испаряется при переходе в крупнодисперсный слой 4. Образующийся пар вытесняется из полости 3 по паровым каналам 5.Тепловое ограничение на МО-критерий такого теплосъемника зависит от предельной плотности теплового потока, а здесь она того же порядка, что и при кипении в большом объеме, т. к. процессу испарения активно способствуют капиллярные силы, и достигает 3 10 . Следовательно,б ВтмМб=З 10 Втlм, а для диаметра канала7 2порядка единиц мм тепловое ограничение нэ Мб составит 3 10" Вт(м, Гидравлическое сопротивление ограничивает МО примерно в той же степени. Действительно, сумма гидравлических потерь равнз 32 Ыри22 и ив дл рж Гж д Е рк д ддо2 2 32 бь дГ 2 32 Оип 1я рп лАо дно,ип Рп дггде первое слагаемое описывает потери придвижении жидкости внутри оболочки, Гк-д; второе - при движении жидкости черезг,стенку оболочки толщиной д, и размеромкапилляров ее структуры до, третье - потерипри движении парэ по крупнодисперсномуслою до парового канала, (длина пути д/2),дщ - толщина крупнодисперсного слоя, дм- размер его капилляров; четвертое - потери при гдвикении пара по паровому каналу,Г, -д . Подставляя в выражение 6=2 ц,тд- , получимгЛРгр". -- у - Х32 Л 1г съ ч.яж ол чл и ч. яп2 р,22,7 ГРп И ОЮЕ р 2 Для размеров до -1 мкм, додю 0,1 мм значения слагаемых в скобках при исполь 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 зовании воды будут равны соответственно 0,03; 0,3; 0,05; 3, Для капилляров размером 1 мкм капиллярный напор имеет порядок -10 Па. Следовательно, Мб-критерий равен 3 10 Бт/м .В зависимости от условий эксплуатации возможны различные модификации,еплосъемника, Так, наиболее эффективными формами корпуса являются, во-первь 1 х, стержень с одной полостьо, ориентированной вдоль оси стеркня (см. фиг, За) и, во-вторых, пластина с несколькими раздельнь 1 ми полостями, ориентированными вдоль ее поверхности(см, фиг, Зб), Оболочки могут быть сквозными и глухими. Глухие оболочки позволяют, изменив несколько схему движения теплоносителя, стабилизировать работу теплосъемника, облегчить запуск его нэ рабочий режим и, наконец, упростить конструкцию и условия эксплуатации, позволив, во-первых, подавать с одной стороны только жидкость, а с другой отводить только пар (см, фиг. 4 а), и, во-вторых, осуществлять подвод-отвод теплоносителя только с одной стороны, выполнив сами полости с той же ориентацией глухого и открытого концов, что и у оболочки (см, фиг, 4 б),Оптимизация теплосьемникэ может осуществляться в направлении профилирования диаметров полости и оболочки, Так, вследствие убывания расхода жидкости через поперечное сечение оболочки в направлении заглушенного торца сечение можно сделать убывающим. П ри постоя н ном сечении полостей в прямоточном теплосъемнике (см, фиг, 4 а) это позволяет увеличивать соответственно толщину крупнодисперсного слоя, что отвечает возрастанию расхода пара через него, Для одностороннего подвода-отвода теплоносителя (см. фиг, 4 б) целесообразно также профилировать и сечение полостей, так чтобы оно убывало от открытого конца к глухому, соответствуя расходам пара и жидкости по ним,В заключение необходимо отметить, что предлагаемая конструкция позволяет минимизировать поперечное сечение полости примерно в 3 - 5 раз, поскольку оболочку из мелкодисперсного слоя технически возможно выполнить диаметром порядка единиц мм. Примерно того же порядка будут и размеры корпуса. Выполнить же и разместить в таком корпусе кап иллярную структуру по схеме прототипа - невозмокно, 1795254 ОФормула изобретения Теплосъемник-испаритель, содержащий корпус с выполненной внутри него по крайней мере одной продольной полостью, на стен ках которой размещены. круп нодисперсный слой металлического войлока и мелкодисперсный слой спеченного металлического порошка. контактирующий со слоем войлока по его внутренней поверхности, причем внутри полости размещен также паровой канал,отл ича ю щийся тем, что, с целью улучшения мэссогабариных характеристик, мелкодисперсный слой выполнен в виде замкнутой по периметру проДольной оболочки и установлен по оси полости, а паровой канал выполнен в виде по краиней мере одного отверстия в крупнодисперсномслое,2, Теплосъемник-испаритель по и. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что корпус выполнен в виде пластины с несколькими полостями,оси которых параллельны поверхности пластины. 3. Теплосъемник-испаритель по и, 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что оболочка заглушена с одного торца.4, Теплосъемник-испаритель по пп, 1, 3, от л и ч а ю щ и й с я тем, что корпус заглушен на торце с той же стороны, что и оболочка.5. Теплосъемник-испаритель по пп. 1, 3, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что оболочка выполнена с площадью поперечного сечения, убывающей в направлении ее заглушенного торца.6. Теплосъемник-испаритель по пп, 1, 4, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что полость выполнена с площадью а поперечного сечения, убывающей в направлении заглушенного торца корпуса.1795254 ректор С.Лисина едактор оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1 аз 421ВНИИП оставитель Е.Яценехред М,Моргентал Тираж Подписноеарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5