RU2183310C1 - Heat setting device - Google Patents
Heat setting device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2183310C1 RU2183310C1 RU2000127255/06A RU2000127255A RU2183310C1 RU 2183310 C1 RU2183310 C1 RU 2183310C1 RU 2000127255/06 A RU2000127255/06 A RU 2000127255/06A RU 2000127255 A RU2000127255 A RU 2000127255A RU 2183310 C1 RU2183310 C1 RU 2183310C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- adsorbent
- working fluid
- heat
- paragraphs
- capillary pump
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам для поддержания постоянной температуры (термостатирования) рабочих объектов и может быть использовано, например, в электронике, атомной энергетике, холодильной технике, фармацевтике, в системах очистки газов, на транспорте и в агротехнологиях хранения продуктов и т.п. The invention relates to devices for maintaining a constant temperature (temperature control) of working objects and can be used, for example, in electronics, nuclear energy, refrigeration, pharmaceuticals, gas purification systems, transport and agricultural technologies for food storage, etc.
Известны устройства термостатирования на основе так называемых тепловых труб и тепловых насосов, обеспечивающих подвод или отвод тепла от рабочих объектов с помощью рабочего тела, помещенного в замкнутый контур и претерпевающего фазовые изменения в процессах охлаждения и нагрева, протекающих при этом с большой интенсивностью, что и обеспечивает высокую эффективность таких устройств. Известна, в частности, тепловая труба, содержащая герметичный корпус, выложенный изнутри капиллярным фитилем, соединяющим во внутренней полости участки теплоподвода (испарения) и теплоотвода (конденсации), расположенные на противоположных концах корпуса. Для повышения возможностей терморегулирования внутрь полости корпуса в зоне участка теплоподвода введен дополнительный герметичный объем, заполненный неконденсирующимся газом и способный к расширению и сжатию при изменении давления рабочего тела, заполняющего основную полость, тем самым регулируя объем рабочего тела и его тепловые параметры (температуру и давление), противодействуя их отклонениям от заданных рабочих значений (патент CШA 4799537, с приоритетом от 13 октября 1987 г., MKИ F 28 D 15/02). Known thermostatic devices based on the so-called heat pipes and heat pumps, providing the supply or removal of heat from work objects using a working fluid placed in a closed loop and undergoing phase changes in the processes of cooling and heating, proceeding with great intensity, which provides high efficiency of such devices. Known, in particular, is a heat pipe containing a sealed housing, lined with a capillary wick from the inside, connecting in the inner cavity sections of heat supply (evaporation) and heat sink (condensation) located at opposite ends of the body. To increase the possibilities of thermoregulation inside the body cavity in the area of the heat supply section, an additional sealed volume is introduced, filled with non-condensing gas and capable of expanding and contracting when the pressure of the working fluid filling the main cavity is changed, thereby regulating the volume of the working fluid and its thermal parameters (temperature and pressure) , counteracting their deviations from the specified operating values (patent USA 4799537, with priority of October 13, 1987, MKI F 28 D 15/02).
Известная конструкция требует создания хорошей герметизации между основной полостью и дополнительным объемом. Кроме того, дополнительный объем способен регулировать давление в основной полости с достаточной эффективностью только при отсутствии разнонаправленных температурных изменений в основной и дополнительной полостях, что может возникнуть в силу запаздывания термовыравнивания при колебаниях внешней тепловой нагрузки устройства. The known design requires the creation of good sealing between the main cavity and the additional volume. In addition, the additional volume is able to regulate the pressure in the main cavity with sufficient efficiency only in the absence of multidirectional temperature changes in the main and additional cavities, which can occur due to the delay of thermal equalization due to fluctuations in the external thermal load of the device.
Известна также тепловая труба, в которой регулирование объема внутренней полости происходит путем присоединения дополнительной полости, расположенной внутри упругого сильфона, пружинящее действие которого противодействует отклонению давления рабочего тела, а значит и его рабочей температуре фазового изменения (патент США 4387762, с датой приоритета 22 мая 1980 г., МКИ F 28 D 15/00). Недостатком этого устройства также является слабая чувствительность к изменениям давления рабочего тела, а также возможность потери упругих свойств сильфона при температурном отжиге в процессе эксплуатации. A heat pipe is also known in which the regulation of the volume of the internal cavity occurs by attaching an additional cavity located inside the elastic bellows, the spring action of which counteracts the deviation of the pressure of the working fluid, and hence its working temperature of the phase change (US patent 4387762, with priority date May 22, 1980 city, MKI F 28 D 15/00). The disadvantage of this device is also the low sensitivity to changes in the pressure of the working fluid, as well as the possibility of losing the elastic properties of the bellows during temperature annealing during operation.
Известна также тепловая труба, выход за пределы допустимого диапазона рабочих значений температуры которой предотвращается за счет подбора рабочих тел в составных элементах устройства такими, что при достижении минимального уровня температуры рабочее тело переходит в твердофазное состояние (замерзает), что останавливает циркуляцию рабочего тела и функционирование устройства, а при достижении максимально допустимой температуры происходит плавление и включение тем самым в процесс теплоотвода еще одного рабочего тела, что увеличивает отбор тепла и снижает возможность перегрева устройства (патент США 5195575, с приоритетом от 9 апреля 1991 г., МКИ F 28 D). В этом устройстве принятое техническое решение реализуется путем выбора рабочего тела по его температуре фазового перехода (солидус или ликвидус), что не всегда совпадает с выбором рабочего тела по критерию наиболее эффективной передачи тепла. Это противоречие, в свою очередь, ухудшает рабочие характеристики устройства, увеличивая его габариты и материалоемкость, снижает производительность. A heat pipe is also known, the exceeding of the permissible range of operating temperature values of which is prevented by the selection of working fluids in the constituent elements of the device such that, when the minimum temperature level is reached, the working fluid goes into solid-phase state (freezes), which stops the circulation of the working fluid and the functioning of the device , and when the maximum allowable temperature is reached, melting occurs and, thereby, the inclusion of another working fluid in the heat removal process, which increases heat removal and reduces the possibility of overheating of the device (US patent 5195575, with priority of April 9, 1991, MKI F 28 D). In this device, the adopted technical solution is implemented by selecting the working fluid according to its phase transition temperature (solidus or liquidus), which does not always coincide with the choice of the working fluid according to the criterion of the most efficient heat transfer. This contradiction, in turn, worsens the performance of the device, increasing its dimensions and material consumption, and reduces productivity.
Известна также тепловая труба, в которой вероятность ее повреждения при замерзании рабочего тела, вызываемого охлаждением окружающего пространства, уменьшается путем добавления в состав рабочего тела низкокипящих компонентов, в частности при использовании в качестве рабочего тела воды добавлением 1-7.5% этанола (патент США 4664181, с приоритетом от 23 декабря 1985 г., МКИ F 28 D 15/00). В этом устройстве также решение задачи терморегулирования путем изменения состава рабочего тела приводит к ухудшению тепловой производительности устройства при рабочих условиях. A heat pipe is also known in which the probability of its damage during freezing of the working fluid caused by cooling of the surrounding space is reduced by adding low-boiling components to the working fluid, in particular when water is used as the working fluid by adding 1-7.5% ethanol (US Pat. No. 4,664,181, with priority of December 23, 1985, MKI F 28 D 15/00). In this device, also solving the problem of thermal control by changing the composition of the working fluid leads to a deterioration in the thermal performance of the device under operating conditions.
Известно также устройство термостабилизации, содержащее заполненный рабочим телом герметичный корпус, с расположенными на противоположных концах которого участками теплоотвода и теплоподвода, соединенными капиллярным насосом, выполненным в виде многослойного пористого фитиля с различными размерами пор в слоях, рабочее тело содержит компонент, способный переходить из жидкой фазы в газообразную при рабочих температуре и давлении (патент США 4108239, с датой приоритета 22 марта 1976 г., МКИ F 28 D 15/00). A thermal stabilization device is also known that contains a sealed housing filled with a working fluid, with heat sink and heat supply sections located at its opposite ends and connected by a capillary pump made in the form of a multilayer porous wick with different pore sizes in the layers, the working fluid contains a component that can transfer from the liquid phase gaseous at operating temperature and pressure (US patent 4108239, with priority date March 22, 1976, MKI F 28 D 15/00).
Это устройство обладает возможностью выбора эффективного рабочего тела и обеспечения повышенной производительности устройства при рабочей температуре за счет снижения возможности блокировки капиллярного насоса образующимися при кипении рабочего тела пузырями. This device has the ability to choose an effective working fluid and to provide increased productivity of the device at operating temperature by reducing the possibility of blocking the capillary pump by bubbles formed during boiling of the working fluid.
В этой конструкции возможности термостабилизации ограничены в связи с относительно низкой тепловой инерцией устройства, что снижает устойчивость поддержания заданных рабочих значений температуры рабочего объекта при колебаниях его тепловой нагрузки (нагрев или охлаждение) или при изменении температуры сброса или подвода тепла. In this design, the possibilities of thermal stabilization are limited due to the relatively low thermal inertia of the device, which reduces the stability of maintaining the set operating temperature of the working object when its heat load fluctuates (heating or cooling) or when the temperature of the discharge or supply of heat changes.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - обеспечение высокой устойчивости к колебаниям тепловых условий работы устройства, расширение возможностей его применения. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to provide high resistance to fluctuations in the thermal conditions of the device, expanding the possibilities of its use.
Для достижения указанного технического результата в известном устройстве термостабилизации, содержащем заполненный рабочим телом герметичный корпус, с расположенными на его противоположных концах участками теплоотвода и теплоподвода, соединенными капиллярным насосом, выполненным в виде многослойного пористого фитиля с различными размерами пор в слоях, причем рабочее тело содержит компонент, способный переходить из жидкой фазы в газообразную при рабочих температуре и давлении, согласно изобретению по крайней мере один из слоев капиллярного насоса выполнен в виде адсорбента рабочего тела. To achieve the specified technical result in a known thermal stabilization device containing a sealed housing filled with a working fluid, with heat removal and heat supply sections located at its opposite ends, connected by a capillary pump made in the form of a multilayer porous wick with different pore sizes in the layers, and the working fluid contains a component capable of passing from a liquid phase to a gaseous phase at operating temperature and pressure, according to the invention, at least one of the layers of the drop The lllar pump is made in the form of an adsorbent of the working fluid.
Адсорбент может быть размещен в участке теплоотвода. The adsorbent can be placed in the heat sink.
Адсорбент может быть размещен в участке теплоподвода. The adsorbent can be placed in the heat supply area.
Адсорбент может быть размещен между участками теплоподвода и теплоотвода. The adsorbent can be placed between the areas of heat supply and heat removal.
Адсорбент может быть выполнен из материала, выбранного из группы, включающей активированный уголь, или природный цеолит, или синтетический цеолит, или силикагель, или из материалов молекулярных сит. The adsorbent may be made from a material selected from the group consisting of activated carbon, or natural zeolite, or synthetic zeolite, or silica gel, or from molecular sieve materials.
Адсорбент может быть размещен в участках теплоотвода и теплоподвода, причем на разных участках адсорбент может быть образован из материалов, обладающих различной поглощающей способностью по отношению к рабочему телу. The adsorbent can be placed in the areas of heat removal and heat supply, moreover, in different areas of the adsorbent can be formed from materials having different absorption capacity with respect to the working fluid.
Адсорбент может быть выполнен в виде слоя, нанесенного на металлическую основу. The adsorbent can be made in the form of a layer deposited on a metal base.
Адсорбент может быть выполнен гидроизолированным от примыкающего к нему слоя капиллярного насоса, насыщаемого жидкой фазой рабочего тела. The adsorbent can be waterproofed from the adjacent layer of the capillary pump, saturated with the liquid phase of the working fluid.
Один из компонентов рабочего тела может быть выбран с более высоким значением поглощения в адсорбенте. One of the components of the working fluid can be selected with a higher absorption value in the adsorbent.
Рабочее тело может быть выбрано из группы, включающей воду, или аммиак, или этанол, или метанол, или диоксид серы, или углеводороды, или фторуглероды, или диоксид углерода. The working fluid may be selected from the group consisting of water, or ammonia, or ethanol, or methanol, or sulfur dioxide, or hydrocarbons, or fluorocarbons, or carbon dioxide.
Герметичный корпус может быть выполнен составным и включать элементы различной формы. The sealed housing can be made integral and include elements of various shapes.
За счет применения указанного устройства термостабилизации, а также его выполнения из заполненного рабочим телом герметичного корпуса, с расположенными на его противоположных концах участками теплоотвода и теплоподвода, соединенными капиллярным насосом, выполненным в виде многослойного пористого фитиля с различными размерами пор в слоях, рабочего тела, содержащего компонент, способный переходить из жидкой фазы в газообразную при рабочих температуре и давлении, выполнения по крайней мере одного из слоев капиллярного насоса в виде адсорбента рабочего тела удалось решить поставленную задачу с достижением технического результата. Due to the use of this thermal stabilization device, as well as its implementation from a sealed enclosure filled with a working fluid, with heat removal and heat supply sections located at its opposite ends, connected by a capillary pump made in the form of a multilayer porous wick with various pore sizes in the layers, the working fluid containing a component capable of passing from the liquid phase to the gaseous phase at operating temperature and pressure, performing at least one of the layers of the capillary pump in the form of ads the working body orbent managed to solve the problem with the achievement of the technical result.
Преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения приведенных ниже лучших вариантов осуществления изобретения со ссылкой на чертеж. Advantages, as well as features of the present invention will become apparent during a subsequent review of the following best embodiments of the invention with reference to the drawing.
На чертеже изображено устройство термостабилизации. The drawing shows a thermal stabilization device.
Устройство термостабилизации содержит герметичный корпус 1 с расположенными на его противоположных концах участками теплоотвода 2 и теплоподвода 3, соединенными капиллярным насосом 4, выполненным в виде многослойного пористого фитиля с различными размерами пор в слоях, рабочее тело (не показано) и адсорбент 5, выполненный в виде слоя капиллярного насоса 4 и размещенный в данном варианте между участками теплоотвода 2 и теплоподвода 3. Участки теплоотвода 2 и теплоподвода 3 находятся в тепловом контакте соответственно с внешней охлаждающей емкостью 6 и рабочим объектом 7. The thermal stabilization device comprises a sealed housing 1 with sections of heat sink 2 and heat supply 3 located at its opposite ends, connected by a capillary pump 4, made in the form of a multilayer porous wick with different pore sizes in the layers, a working fluid (not shown) and adsorbent 5 made in the form layer of the capillary pump 4 and placed in this embodiment between the sections of heat sink 2 and heat supply 3. The sections of heat sink 2 and heat supply 3 are in thermal contact, respectively, with external cooling e bone 6 and 7, the working object.
Слой адсорбента 5 может быть помещен вместе с капиллярным насосом 4 внутрь герметичного корпуса 1 как в насыщенном рабочим телом состоянии, так и обезгаженным. В обоих случаях в корпус 1 заправляется заданное количество рабочего тела заданного состава либо в жидкой фазе, либо в виде газа, после чего корпус 1 герметизируется. The adsorbent layer 5 can be placed together with the capillary pump 4 inside the sealed housing 1 both in a saturated working fluid state and degassed. In both cases, a predetermined amount of a working fluid of a given composition is charged into the housing 1 either in the liquid phase or in the form of gas, after which the housing 1 is sealed.
На чертеже показана также слоистая структура капиллярного насоса 4, обеспечивающая подачу жидкой фазы рабочего тела к участку теплоподвода 3, где происходит кипение рабочего тела, сопровождающееся отбором тепла от рабочего объекта 7. The drawing also shows the layered structure of the capillary pump 4, ensuring the supply of the liquid phase of the working fluid to the heat supply section 3, where the working fluid boils, accompanied by heat removal from the working object 7.
В представленной на чертеже конструкции слой адсорбента 5 не участвует непосредственно в процессах кипения рабочего тела в участке теплоподвода 3 и конденсации паров рабочего тела в участке теплоотвода 2, хотя возможны и варианты размещения адсорбента 5 в одном из перечисленных выше или в обоих участках. В последнем случае целесообразно выбрать материал адсорбента с различной поглощающей способностью слоев адсорбента, размещаемых в различных участках. При этом могут различаться также и толщина слоев, их плотность и пористость. In the design shown in the drawing, the adsorbent layer 5 is not directly involved in the processes of boiling of the working fluid in the heat supply section 3 and condensation of the working fluid vapor in the heat removal section 2, although it is possible to place the adsorbent 5 in one of the above or in both sections. In the latter case, it is advisable to choose an adsorbent material with different absorbing capacity of the adsorbent layers placed in different areas. In this case, the thickness of the layers, their density and porosity may also vary.
Целесообразно также выполнить адсорбент 5 гидроизолированным от примыкающего к нему слоя капиллярного насоса 4, насыщаемого жидкой фазой рабочего тела, подаваемой капиллярными силами в участок теплоподвода 3. В таком варианте адсорбент 5 поглощает только паровую фазу рабочего тела, что снижает влияние адсорбента 5 на гидравлические характеристики капиллярного насоса 4. It is also advisable to make the adsorbent 5 waterproofed from the adjacent layer of the capillary pump 4, saturated with the liquid phase of the working fluid supplied by capillary forces to the heat supply section 3. In this embodiment, the adsorbent 5 absorbs only the vapor phase of the working fluid, which reduces the effect of adsorbent 5 on the hydraulic characteristics of the capillary pump 4.
Герметичный корпус 1 может быть выполнен составным и включать элементы различной формы, что, в частности, позволяет вписывать устройство термостабилизации в сложные конструкции рабочего объекта 7 (например, электронные приборы) и/или сложные коммуникации внешней охлаждающей емкости 6. Целесообразно также снабдить внешние стенки корпуса 1 различного рода интенсифицирующими теплообмен элементами (ребра, соты и т.д.) и/или нанесенными пористыми металлическими или керамическими покрытиями (не показаны). The sealed housing 1 can be made integral and include elements of various shapes, which, in particular, allows the thermal stabilization device to be integrated into the complex structures of the working object 7 (for example, electronic devices) and / or complex communications of an external cooling tank 6. It is also advisable to provide the external walls of the housing 1 of various kinds of heat-intensifying elements (fins, honeycombs, etc.) and / or applied porous metal or ceramic coatings (not shown).
Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.
В режиме хранения, например, на складе изотермичность внешних условий и отсутствие теплового контакта с выделяющим тепло рабочим объектом не вызывают фазовых изменений рабочего тела и, следовательно, его циркуляции внутри корпуса 1. In the storage mode, for example, in a warehouse, the isothermal nature of the external conditions and the absence of thermal contact with the heat generating work object do not cause phase changes in the working fluid and, therefore, its circulation inside the housing 1.
При этом давление и температура рабочего тела могут быть как выше (например, если рабочие параметры соответствуют криогенному рабочему объекту), так и ниже рабочих значений. В первом случае рабочее тело в режиме хранения находится в газовой фазе, во втором случае - в жидкой фазе. В первом случае возможно и целесообразно часть рабочего тела или его соответствующий компонент сорбировать в адсорбенте 5, предотвращая избыточное давление газовой фазы криогенного рабочего тела и снижая тем самым толщину стенок корпуса 1 и его материалоемкость. Физические свойства рабочего тела, особенно теплота испарения, поверхностное натяжение, плотность и вязкость жидкости, определяют теплоотводящую способность устройства. Так как эти свойства зависят от температуры, то и характеристики устройства, работающего с заданным составом рабочего тела, также зависят от температуры, поэтому конкретная жидкость будет наиболее эффективно работать в определенном температурном диапазоне. Подбором компонентов рабочего тела и состава адсорбента 5 можно выбрать наибольшую производительность устройства для заданных рабочих значений. Тепловой поток определяется и ограничивается предельной способностью по всасыванию структуры капиллярного насоса 4 (фитиля), конфигурацией его ячеек и свойствами жидкости. Капиллярный насос 4 может быть выполнен из спекаемых частиц, тканых сеток, стеклянных волокон, сочетания продольных, спиральных и других канавок или путем комбинации указанных структур
Конструктивно адсорбент 5 может фиксироваться в капиллярном насосе 4 с помощью сетки, например, аналогичной капиллярной сетке, либо в виде спеченных керамических элементов, либо в виде засыпки мелких гранул между пористыми стенками и другими известными техническими решениями.In this case, the pressure and temperature of the working fluid can be both higher (for example, if the operating parameters correspond to a cryogenic working object) and lower than the operating values. In the first case, the working fluid in the storage mode is in the gas phase, in the second case - in the liquid phase. In the first case, it is possible and advisable to absorb a part of the working fluid or its corresponding component in the adsorbent 5, preventing excessive pressure of the gas phase of the cryogenic working fluid and thereby reducing the wall thickness of the housing 1 and its material consumption. The physical properties of the working fluid, especially the heat of vaporization, surface tension, density and viscosity of the liquid, determine the heat-transfer ability of the device. Since these properties depend on temperature, the characteristics of a device working with a given composition of the working fluid also depend on temperature, so a particular liquid will work most effectively in a certain temperature range. The selection of the components of the working fluid and the composition of the adsorbent 5, you can choose the highest productivity of the device for a given operating values. The heat flux is determined and limited by the ultimate ability to absorb the structure of the capillary pump 4 (wick), the configuration of its cells and the properties of the liquid. The capillary pump 4 can be made of sintered particles, woven nets, glass fibers, a combination of longitudinal, spiral and other grooves, or by a combination of these structures
Structurally, the adsorbent 5 can be fixed in the capillary pump 4 using a grid, for example, similar to a capillary grid, either in the form of sintered ceramic elements, or in the form of filling small granules between porous walls and other known technical solutions.
Термическое сопротивление устройства определяется не только интенсивностью процессов в участках теплоотвода 2 и теплоподвода 3, но и крутизной линии насыщения рабочего тела dР/dT, где Р - давление, Т - температура, при заданном температурном уровне, которая связывает внешнее гидравлическое сопротивление контура с разностью температур между впитывающей и испаряющей поверхностями капиллярного насоса 4. Значение этого фактора особенно возрастает при малоинтенсивном подводе тепла, характерном для терморегулирования электронных рабочих объектов. Максимальное значение dP/dT имеет рабочее тело вблизи критической точки, где резко уменьшается поверхностное натяжение рабочего тела и исчезает движущая сила - капиллярное давление. Разрешить это противоречие можно как за счет выполнения капиллярного насоса 4 из слоя мелкопористой структуры с размерами пор менее 1 мкм (см. Кисеев В.М., Погорелов Н. П. Контурные тепловые трубы: анализ и нерешенные проблемы. В сб.: Труды 2-й Российской национальной конференции по теплообмену. М.: изд-во МЭИ, 1998, т.5, с.203), так и путем выполнения отдельного слоя капиллярного насоса 4 в виде адсорбента 5. Выбор пары адсорбент 5 - рабочее тело (сорбат) для заданных рабочих условий снижает движущий температурный напор вдали от критической точки, то есть без ухудшения всасывающих характеристик капиллярного насоса 4. The thermal resistance of the device is determined not only by the intensity of the processes in the areas of heat sink 2 and heat supply 3, but also by the steepness of the saturation line of the working medium dР / dT, where Р is the pressure, Т is the temperature, at a given temperature level, which connects the external hydraulic resistance of the circuit with the temperature difference between the absorbing and evaporating surfaces of the capillary pump 4. The value of this factor increases especially with low-intensity heat supply, characteristic for thermal regulation of electronic working volumes such as are for. The maximum value of dP / dT has a working fluid near the critical point, where the surface tension of the working fluid sharply decreases and the driving force — capillary pressure — disappears. This contradiction can be resolved both by performing the capillary pump 4 from a layer of finely porous structure with pore sizes less than 1 μm (see Kiseev V.M., Pogorelov N.P. Contour heat pipes: analysis and unsolved problems. Sat: Transactions 2 -th Russian national conference on heat transfer. M: publishing house MPEI, 1998, v.5, p.203), and by performing a separate layer of the capillary pump 4 in the form of adsorbent 5. Selecting a pair of adsorbent 5 - working fluid (sorbate ) for given operating conditions reduces the driving temperature head away from the critical point, i.e. without deterioration of the suction characteristics of the capillary pump 4.
Проведенные эксперименты для пары "активированный уголь - СО2" при уровне сорбционной насыщенности сорбента а, равной 13 ммоль/г, повышение температуры на 30 К (с 233 до 263 К) приводит к росту равновесного давления с 0.2 до 0.6 МПа, т.е. в 3 раза, в то время как без адсорбента давление изменилось бы лишь на 10-15%.The experiments performed for the activated carbon – CO 2 pair at a sorbent saturation level a equal to 13 mmol / g, an increase in temperature by 30 K (from 233 to 263 K) leads to an increase in equilibrium pressure from 0.2 to 0.6 MPa, i.e. . 3 times, while without adsorbent pressure would change only by 10-15%.
Изостера адсорбции (уравнение зависимости давления сорбции Р от температуры Т при постоянном насыщении адсорбента сорбатом а) записывается как:
(In P= -A/T+В)а_, где А и В - константы конкретной пары сорбент-сорбат, (см. Столяревский А. Я. Аккумулирование вторичной энергии. В сб.: Атомно-водородная энергетика и технология, вып.4, Энергоиздат, 1982 г., с.95).Adsorption isosteres (the equation of the dependence of the sorption pressure P on temperature T with constant saturation of the adsorbent with sorbate a) is written as:
(In P = -A / T + B) a_, where A and B are the constants of a specific sorbent-sorbate pair, (see Stolyarevsky A. Ya. Accumulation of secondary energy. In collection: Atomic-hydrogen energy and technology, vol. 4, Energy Publishing House, 1982, p. 95).
Пара адсорбент-сорбат характеризуется также изотермой сорбции, согласно которой при росте давления Р скорость сорбции da/dP падает, выходя на насыщение. Тем самым адсорбент 5 при падении давления служит источником увеличения участвующего в теплопередаче рабочего тела за счет десорбции рабочего тела, сорбированного при высоком давлении, препятствуя тем самым отклонению от рабочих параметров и повышая устойчивость терморегуляции. Важным свойством адсорбента 5 при этом служит его селективность по сорбции различных компонентов, позволяющая направленно изменять состав рабочего тела (например, вводя или выводя из процесса высоко- или низкокипящие компоненты) и тем самым улучшать производительность устройства. The adsorbent – sorbate pair is also characterized by the sorption isotherm, according to which, with increasing pressure P, the sorption rate da / dP decreases, reaching saturation. Thus, when the pressure drops, adsorbent 5 serves as a source of increase in the working fluid participating in the heat transfer due to desorption of the working fluid adsorbed at high pressure, thereby preventing deviation from the operating parameters and increasing the stability of thermoregulation. An important property of the adsorbent 5 in this case is its selectivity for the sorption of various components, which allows one to directionally change the composition of the working fluid (for example, introducing or removing high or low boiling components from the process) and thereby improve the performance of the device.
Дополнительным фактором служит теплота сорбции, выделяющаяся при сорбции и поглощаемая при десорбции сорбата из адсорбента. Это явление также позволяет повысить устойчивость терморегуляции за счет разнонаправленности процессов роста сорбции при снижении температуры системы адсорбент-сорбат и происходящего при этом выделения тепла сорбции и соответствующего нагрева, препятствующего снижению температуры и тем самым предотвращающего отклонение параметров устройства от рабочей точки процесса. Аналогично действует адсорбент при увеличении температуры, которое вызывает десорбцию, сопровождаемую поглощением тепла, что также повышает устойчивость терморегуляции. В зависимости от того какие внешние условия (температура внешней охлаждающей емкости 6 или тепловая нагрузка, вызываемая рабочим объектом 7) претерпевают наибольшие колебания, размещение адсорбента 5 выбирают в участках, где это изменение условий работы устройства оказывает наибольшее влияние. An additional factor is the heat of sorption, which is released during sorption and absorbed during desorption of the sorbate from the adsorbent. This phenomenon also makes it possible to increase the stability of thermoregulation due to the multidirectional nature of the sorption growth processes with a decrease in the temperature of the adsorbent-sorbate system and the resulting evolution of sorption heat and corresponding heating, which prevents a decrease in temperature and thereby prevents deviation of the device parameters from the process operating point. The adsorbent acts similarly with increasing temperature, which causes desorption, accompanied by heat absorption, which also increases the stability of thermoregulation. Depending on what external conditions (the temperature of the external cooling tank 6 or the thermal load caused by the working object 7) undergo the greatest fluctuations, the placement of the adsorbent 5 is chosen in areas where this change in the operating conditions of the device has the greatest impact.
Для улучшения тепловой связи адсорбента 5 с окружающими его элементами возможно и целесообразно выполнить адсорбент в виде слоя, нанесенного на металлическую основу, например, по технологии, изложенной в патенте CШA 4169362, с датой приоритета 3 июля 1978 г. To improve the thermal bond of the adsorbent 5 with the elements surrounding it, it is possible and advisable to perform the adsorbent in the form of a layer deposited on a metal base, for example, according to the technology described in US Pat. No. 4169362, with a priority date of July 3, 1978.
Для уменьшения влияния адсорбента 5 на гидравлические характеристики капиллярного насоса 4 целесообразно гидроизолировать адсорбент от примыкающих слоев, по которым жидкая фаза подается к участку теплоподвода 3. To reduce the effect of adsorbent 5 on the hydraulic characteristics of the capillary pump 4, it is advisable to waterproof the adsorbent from adjacent layers, through which the liquid phase is supplied to the heat supply section 3.
При уменьшении температуры устройства до уровня, при котором возможно образование твердой фазы рабочего тела, способной вызвать необратимые повреждения рабочих элементов устройства, например, при использовании воды как рабочего тела, адсорбент 5 предотвратит это опасное явление как за счет выделения тепла при сорбции, так и за счет сорбционного поглощения конденсата (жидкой фазы рабочего тела) и перевода его в сорбированное состояние, не вызывающего опасных последствий. By reducing the temperature of the device to a level at which the formation of a solid phase of the working fluid is possible, which can cause irreversible damage to the working elements of the device, for example, when using water as a working fluid, adsorbent 5 will prevent this dangerous phenomenon both due to heat generation during sorption, and for due to the sorption absorption of the condensate (liquid phase of the working fluid) and its transfer to a sorbed state that does not cause dangerous consequences.
Обобщая вышеизложенные свойства адсорбента 5, проявляемые им при работе устройства, можно охарактеризовать результирующий эффект как придание системе, образованной устройством, повышенной инерционности в реакции на изменение внешних условий. Такая инерционность сглаживает резкие изменения условий работы устройства и, в конечном счете, защищает рабочий объект 7 от нарушения работоспособности, вызываемого, например, термонапряжениями или деформацией рабочих характеристик. Summarizing the above properties of the adsorbent 5, manifested by him during the operation of the device, it is possible to characterize the resulting effect as giving the system formed by the device increased inertia in response to changing external conditions. This inertia smoothes out sudden changes in the operating conditions of the device and, ultimately, protects the working object 7 from a malfunction caused by, for example, thermal stresses or deformation of performance.
Рассмотрим значение этого фактора при использовании устройства для термостабилизации рабочего объекта - полупроводникового энерговыделяющего прибора, например тиристора. При выполнении устройства термостабилизации в виде трубчатой конструкции длиной 1 м и диаметром 40 мм, при удельном потоке тепла на участке теплоподвода 3, равном 25 кВт/м2, и поверхности данного участка 40 см2 средний уровень отводимой тепловой мощности составляет 100 Вт. Использование деионизованной воды в качестве рабочего тела достигается заправкой в корпус 1 устройства 400-500 г этого вещества с последующим вакуумированием внутреннего объема корпуса 1 до давления 2-3 кПа и его герметизацией. Капиллярный насос 4 образован слоями тонкой сетки из меди или фосфористой бронзы с различными размерами пор по толщине вдоль тракта подачи воды к участку теплоподвода 3. Слои толщиной 5-8 мм могут быть образованы также спеченными из металлических порошков фитилями, выполненными из титана, или никеля, или другого совместимого с рабочим телом материала. Размеры пор целесообразно выбрать меньшего размера в участке теплоподвода 3 (где происходит испарение рабочего тела) предпочтительно в диапазоне 0.5-2.0 мкм с увеличением до 1.5-3 мкм в следующем слое и наибольшим размером пор в участке теплоотвода 2 предпочтительно 3.0-7.0 мкм. Такая анизотропия капиллярного насоса 4 увеличивает, как описано выше, капиллярное давление и соответствующие тепловые потоки.Consider the value of this factor when using a device for thermal stabilization of a working object - a semiconductor energy-emitting device, such as a thyristor. When performing the thermal stabilization device in the form of a tubular structure 1 m long and 40 mm in diameter, with a specific heat flux in the heat supply section 3 equal to 25 kW / m 2 and the surface of this section 40 cm 2, the average level of heat output is 100 W. The use of deionized water as a working fluid is achieved by filling 400-500 g of this substance into the housing 1 of the device, followed by evacuation of the internal volume of the housing 1 to a pressure of 2-3 kPa and its sealing. The capillary pump 4 is formed by thin mesh layers of copper or phosphor bronze with various pore sizes in thickness along the water supply path to the heat supply section 3. Layers 5-8 mm thick can also be formed by wicks made of metal powders made of titanium or nickel, or other material compatible with the working fluid. It is advisable to choose a pore size of a smaller size in the heat supply section 3 (where the working fluid evaporates), preferably in the range of 0.5-2.0 μm with an increase of up to 1.5-3 μm in the next layer and the largest pore size in the heat sink 2 is preferably 3.0-7.0 μm. Such anisotropy of capillary pump 4 increases, as described above, capillary pressure and corresponding heat fluxes.
Адсорбент 5 размещен в отделенной от капиллярных слоев, но проницаемой для рабочего тела оболочке, которая может быть снабжена выходящими наружу и/или вовнутрь оболочки ребрами, улучшающими механическую устойчивость оболочки и ее тепловую связь с окружающими элементами, а также фильтрующими уплотнениями для удержания адсорбента внутри оболочки и/или для гидравлической изоляции адсорбента 5 от жидкой фазы рабочего тела, подаваемой по капиллярному насосу 4. Такое техническое решение может использовать конструктивные детали, описанные, например, в патенте CШA 6125650, с датой публикации 3 октября 2000 г. Материалом адсорбента 5 может быть цеолит (например, типа NaA), или алюмогель, или силикагель, или галогенид лития, или любой другой материал, обладающий высоким поглощением водяных паров при рабочих давлениях и температурах. Для устройства, в котором рабочим телом выбран аммиак, эффективным сорбентом может быть бромид стронция. The adsorbent 5 is placed in a shell separated from the capillary layers, but permeable to the working fluid, which can be equipped with ribs extending outward and / or inside the shell, improving the mechanical stability of the shell and its thermal connection with the surrounding elements, as well as filter seals to hold the adsorbent inside the shell and / or for hydraulic isolation of the adsorbent 5 from the liquid phase of the working fluid supplied through a capillary pump 4. Such a technical solution can use the structural parts described for example, in US Pat. No. 6,125,550, with publication date October 3, 2000. The adsorbent material 5 may be zeolite (for example, NaA type), or aluminum gel, or silica gel, or lithium halide, or any other material that has a high absorption of water vapor during working pressures and temperatures. For a device in which ammonia is selected as the working fluid, strontium bromide can be an effective sorbent.
В рассматриваемом примере используются характеристики цеолита типа NaA, сорбирующего около 0.38 г Н2О на 1 г адсорбента при давлении выше 4 кПа и температуре 25oС, насыщенность которого по изотерме сорбции при 50oС лежит на 0.15-0.20 г/г ниже. Такая зависимость дает высокую эффективность термостабилизации. Заполненная адсорбентом 5 оболочка имеет толщину 5 мм и суммарный объем 500 мл, при котором оболочка наполнена массой адсорбента, равной 250 г.In this example, we use the characteristics of a NaA type zeolite adsorbing about 0.38 g of Н 2 О per 1 g of adsorbent at a pressure above 4 kPa and a temperature of 25 o С, the saturation of which is 0.15-0.20 g / g lower by sorption isotherm at 50 o С. This dependence gives high efficiency of thermal stabilization. The shell filled with adsorbent 5 has a thickness of 5 mm and a total volume of 500 ml, in which the shell is filled with an adsorbent mass of 250 g.
Уже при повышении температуры адсорбента на 1oС, вызываемой, например, увеличением теплоподвода на 10%, отклонение от равновесного состояния 250 г адсорбента 5 приведет к десорбции примерно 1.5 г водяного пара, на что расходуется около 7.5 кДж согласно экспериментальным данным по изостерической теплоте адсорбции водяного пара в цеолите NaA. Поскольку дополнительный поток испаренной в участке теплоподвода 3 воды составит при увеличении теплоподвода на 10 Вт около 5 мг/с, то в период разбаланса в состоянии адсорбента около 3 г водяного пара сконденсируется на поверхности адсорбента 5 для компенсации теплопотребления, расходуемого на десорбцию, вызываемую отклонением температуры на 1oС. Это означает, что в течение примерно 300 с (5 мин) указанное тепловое возмущение не приведет к адекватному росту теплоотвода на участке 2, что создает, таким образом, дополнительную устойчивость системы, резко сглаживая или в ряде случаев практически устраняя колебания температурного поля рабочего объекта 7, что особенно важно для полупроводниковых приборов. Для характеристики динамических возможностей адсорбента 5 достаточно указать, что масса водяного пара, заполняющего промежуток между участками 2 и 3, составляет всего 80 мг (при условиях пара насыщенного при 50oС с давлением 12.2 кПа), т.е. при указанных выше теплофизических условиях может быть полностью сконденсирована примерно за 1.5 с. Таким образом, инерционность системы повышается более чем на порядок.Already with an increase in the temperature of the adsorbent by 1 ° C, caused, for example, by an increase in heat supply by 10%, a deviation from the equilibrium state of 250 g of adsorbent 5 will lead to desorption of about 1.5 g of water vapor, which consumes about 7.5 kJ according to experimental data on the isosteric heat of adsorption water vapor in zeolite NaA. Since the additional flow of water evaporated in the heat supply section 3 will amount to about 5 mg / s when the heat supply increases by 10 W, then during the imbalance in the state of the adsorbent about 3 g of water vapor is condensed on the surface of the adsorbent 5 to compensate for the heat consumption spent on desorption caused by temperature deviation 1 o C. This means that for about 300 s (5 minutes) the above thermal disturbance will not result in an adequate increase in heat removal section 2 that generates, so additional stability ICI emy sharply smoothing or in some cases substantially eliminating fluctuations of the temperature field of the working of the object 7, that is especially important for semiconductor devices. To characterize the dynamic capabilities of adsorbent 5, it suffices to indicate that the mass of water vapor filling the gap between sections 2 and 3 is only 80 mg (under conditions of steam saturated at 50 ° C with a pressure of 12.2 kPa), i.e. Under the above thermophysical conditions, it can be completely condensed in about 1.5 s. Thus, the inertia of the system increases by more than an order of magnitude.
Важно отметить, что изобретение может быть использовано для термостабилизации не только греющихся рабочих объектов, что требует отвода тепла от них, но и с объектами, в которых необходимо предотвратить или замедлить их остывание. В последнем случае, который может реализоваться на транспорте для перевозки в зимних условиях продуктов, охлаждение которых приводит к нежелательному изменению их свойств, например резкому увеличению вязкости мазута в цистернах, тепло, выделяемое при конденсации рабочего тела в участке 2, служит для покрытия полезной тепловой нагрузки, а от внешнего источника тепло подводится к участку испарения 3. It is important to note that the invention can be used for thermal stabilization of not only warming working objects, which requires heat removal from them, but also with objects in which it is necessary to prevent or slow down their cooling. In the latter case, which can be implemented in vehicles for transportation of products in winter conditions, the cooling of which leads to an undesirable change in their properties, for example, a sharp increase in the viscosity of fuel oil in tanks, the heat generated during condensation of the working fluid in section 2 serves to cover the useful heat load , and from an external source, heat is supplied to the evaporation section 3.
Изобретение может быть использовано, например, в электронике, атомной энергетике, холодильной технике, фармацевтике, в системах очистки газов, на транспорте и в агротехнологиях хранения продуктов и т.п. The invention can be used, for example, in electronics, nuclear energy, refrigeration, pharmaceuticals, gas purification systems, transport and agricultural technologies for food storage, etc.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000127255/06A RU2183310C1 (en) | 2000-10-31 | 2000-10-31 | Heat setting device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000127255/06A RU2183310C1 (en) | 2000-10-31 | 2000-10-31 | Heat setting device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2183310C1 true RU2183310C1 (en) | 2002-06-10 |
Family
ID=20241568
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000127255/06A RU2183310C1 (en) | 2000-10-31 | 2000-10-31 | Heat setting device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2183310C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2460955C2 (en) * | 2006-07-18 | 2012-09-10 | Эрбюс Операсьон (Сас) | Heat energy overflow device |
| RU2465531C2 (en) * | 2006-07-18 | 2012-10-27 | Эрбюс Операсьон (Сас) | Heat removal device |
-
2000
- 2000-10-31 RU RU2000127255/06A patent/RU2183310C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2460955C2 (en) * | 2006-07-18 | 2012-09-10 | Эрбюс Операсьон (Сас) | Heat energy overflow device |
| RU2465531C2 (en) * | 2006-07-18 | 2012-10-27 | Эрбюс Операсьон (Сас) | Heat removal device |
| US9310145B2 (en) | 2006-07-18 | 2016-04-12 | Airbus Operations S.A.S. | Heat flow device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Saha et al. | Solar/waste heat driven two-stage adsorption chiller: the prototype | |
| US4759191A (en) | Miniaturized cooling device and method of use | |
| US5048301A (en) | Vacuum insulated sorbent driven refrigeration device | |
| KR19990067267A (en) | Even adsorption chiller | |
| EP0505381A1 (en) | Cooling device with improved waste-heat handling capability | |
| US5018368A (en) | Multi-staged desiccant refrigeration device | |
| US5217063A (en) | Thermal storage heat pipe | |
| US3777811A (en) | Heat pipe with dual working fluids | |
| RU2183310C1 (en) | Heat setting device | |
| JP2009139005A (en) | Cooler and cooling apparatus including the cooler | |
| JP2005156011A (en) | Thermosiphon | |
| US3884296A (en) | Storable cryogenic heat pipe | |
| Petit et al. | Adsorption-based antifreeze system for loop heat pipes | |
| Critoph | Adsorption refrigerators and heat pumps | |
| US6843071B1 (en) | Preparation of refrigerant materials | |
| JP6757613B2 (en) | Heat storage system, heat storage container, heat storage device using heat storage container, and warming device using heat storage device | |
| JP2002543358A (en) | Preparation of refrigerant material | |
| US7621149B2 (en) | Method for producing cold and installation therefor | |
| CN1128964C (en) | Absorptive refrigerating circulation system | |
| JP2010078182A (en) | Adsorption type heat pump | |
| JP2018146162A (en) | Heat storage system | |
| JP2018128190A (en) | Heat storage device | |
| JP4043655B2 (en) | Hydraulic fluid for heat pipes and heat pipes | |
| Vasiliev et al. | Sorption Heat Pipe-A New Thermal Control Device for Space Applications | |
| JP2001173898A (en) | Hydrogen supplying device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20041101 |