RU2646273C1 - Thermosyphon - Google Patents

Abstract

FIELD: heating system.

SUBSTANCE: thermosyphon contains a body whose working volume of the lower chamber is filled with liquid, a funnel that fences with a gap the lower chamber with a vapor pipeline for steam transportation, an upper chamber, a valve for dropping air outwards. In the upper chamber, a capacitor body is input, filled to a predetermined level with a liquid and connected to a vapour pipeline connected to a syphon whose end is located in the capacitor liquid. In the casing of capacitor holes are made and additional funnel is introduced with gap with respect to the casing, located at the level of its liquid, and the upper part of the body is equipped with a valve. The syphon can be made in the form of an inverted glass above the vapor pipeline, and an annular fine-celled filler made of metal can be placed in the evaporating zone.

EFFECT: increase the efficiency of evaporation of the liquid.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в устройствах для передачи тепловой энергии.The invention relates to heat engineering and can be used in devices for the transfer of thermal energy.

Известны устройства аналогичного назначения, например, «Термогравитационная тепловая труба» [1], которая содержит вертикальный корпус с зонами испарения и конденсации, а также коаксиально расположенную в нем разделительную вставку, нижний ее конец размещен в зоне испарения и выполнен с зубчатыми кромками, причем внутри верхнего участка вставки, размещенной в зоне конденсации, установлены теплоотводящие стержни, выведенные другими концами наружу.Known devices for a similar purpose, for example, “Thermogravity heat pipe” [1], which contains a vertical housing with zones of evaporation and condensation, as well as a separation insert coaxially located therein, its lower end is placed in the evaporation zone and made with serrated edges, and inside the upper portion of the insert located in the condensation zone, heat-removing rods are installed, brought out to the other ends.

Недостатком данного устройства является низкая термодинамическая эффективность, обусловленная малой испарительной поверхностью на нижнем торце с зубчатой кромкой и малой конденсационной поверхностью на концах теплопроводящих стержней в зоне конденсации.The disadvantage of this device is the low thermodynamic efficiency due to the small evaporation surface at the lower end with a serrated edge and a small condensation surface at the ends of the heat-conducting rods in the condensation zone.

Кроме того, в данном устройстве не предусмотрено принудительное удаление конденсирующихся газов.In addition, this device does not provide for the forced removal of condensing gases.

Известна также «Тепловая труба» [2], содержащая герметичный корпус с зонами испарения, конденсации и транспортирования пара и установленный по оси трубы стакан с отверстиями на боковой поверхности, прикрепленный открытым концом к торцу зоны конденсации, причем днище стакана выполнено глухим, с диаметром больше диаметра стакана и имеет на периферии буртик, обращенный в зону конденсации, а отверстия расположены на участках, примыкающих к зонам конденсации.Also known is the "Heat pipe" [2], which contains a sealed housing with zones of evaporation, condensation and transportation of steam and a glass mounted along the axis of the pipe with holes on the side surface, attached with an open end to the end of the condensation zone, and the bottom of the glass is blind, with a diameter larger the diameter of the glass and has a periphery on the periphery facing the condensation zone, and the holes are located in areas adjacent to the condensation zones.

Недостатком данного устройства является низкая термодинамическая эффективность из-за малых испарительных и конденсационных поверхностей - только на внутренних поверхностях трубы, а также неэффективная система отбора и удаления неконденсирующихся газов.The disadvantage of this device is the low thermodynamic efficiency due to small evaporation and condensation surfaces - only on the inner surfaces of the pipe, as well as an inefficient system for the selection and removal of non-condensable gases.

Известен «Термосифон» [3], содержащий цилиндрический корпус с зонами испарения, конденсации и транспорта, установленную внутри корпуса соосную вставку с открытыми торцами и резервную емкость, выполненную в виде отдельного сосуда, размещенного вне корпуса на кольцевой полости, имеющей с корпусом общую стенку, причем резервная емкость соединена с внутренней полостью вставки посредством каналов.Known "Thermosiphon" [3], containing a cylindrical body with zones of evaporation, condensation and transport, a coaxial insert with open ends installed inside the body and a reserve tank made in the form of a separate vessel placed outside the body on an annular cavity having a common wall with the body, moreover, the reserve capacity is connected to the internal cavity of the insert through channels.

Этот термосифон имеет повышенную теплопередающую способность за счет того, что избыток теплоносителя в жидкой фазе заполняет резервную емкость, обеспечивая увеличение интенсивности теплообмена в зоне конденсации.This thermosiphon has an increased heat transfer ability due to the fact that the excess coolant in the liquid phase fills the reserve tank, providing an increase in the heat transfer intensity in the condensation zone.

Недостатком термосифона является малая испарительная поверхность и наличие неконденсирующихся газов, резко снижающих термодинамическую эффективность подобных устройств.The disadvantage of a thermosiphon is its small evaporation surface and the presence of non-condensable gases, which sharply reduce the thermodynamic efficiency of such devices.

Ближайшим аналогом (прототипом) является «Термосифон» [4] Института теплофизики СО РАН.The closest analogue (prototype) is “Thermosiphon” [4] of the Institute of Thermophysics SB RAS.

Устройство состоит из верхней камеры, имеющей форму цилиндра с крышкой, нижней камеры, которая перегорожена воронкой для сбора пара, имеющей по краям небольшие отверстия для перетока сконденсированной жидкости в нижнюю камеру, паропровода и клапана для выпуска неконденсирующихся газов.The device consists of an upper chamber, in the form of a cylinder with a cover, a lower chamber, which is blocked by a funnel for collecting steam, which has small openings at the edges for the flow of condensed liquid into the lower chamber, a steam line and a valve for the release of non-condensable gases.

Недостатком этого термосифона является малая испарительная поверхность зоны конденсации (крышка цилиндра и его боковые стенки), а также неполный отвод неконденсирующихся газов, которые оттесняются парами жидкости из верхней в нижнюю камеру, где частично, при обслуживании термосифона, могут быть удалены наружу.The disadvantage of this thermosiphon is the small evaporative surface of the condensation zone (cylinder cover and its side walls), as well as the incomplete removal of non-condensable gases, which are pushed by liquid vapor from the upper to the lower chamber, where they can be partially removed during servicing of the thermosiphon.

Задачей предлагаемого изобретения является создание однотрубного термосифона с высокой термодинамической эффективностью (КПД).The task of the invention is the creation of a single-tube thermosiphon with high thermodynamic efficiency (COP).

Поставленная задача решается тем, что в термосифоне, содержащем корпус, рабочий объем нижней камеры которого заполнен жидкостью, воронку, перегораживающую с зазором нижнюю камеру с паропроводом для транспортировки пара, верхнюю камеру, клапан для сбрасывания воздуха наружу, в верхнюю камеру введен корпус конденсатора, заполненный до заданного уровня жидкостью и соединенный с паропроводом, подключенным к сифону, конец которого размещен в жидкости конденсатора, причем в корпусе конденсатора выполнены отверстия и введена с зазором относительно корпуса дополнительная воронка, расположенная на уровне его жидкости, а верхняя часть корпуса конденсатора оснащена клапаном.The problem is solved in that in a thermosiphon containing a housing, the working volume of the lower chamber of which is filled with liquid, a funnel blocking with a gap the lower chamber with a steam line for transporting steam, the upper chamber, a valve for venting air outward, a condenser body filled to a predetermined level by a liquid and connected to a steam line connected to a siphon, the end of which is placed in the condenser liquid, and holes are made in the condenser body and introduced with a gap of In addition to the housing, an additional funnel located at the level of its liquid, and the upper part of the condenser housing is equipped with a valve.

Термосифон также может быть выполнен с сифоном в виде перевернутого стакана над паропроводом, причем его нижняя кромка размещена в жидкости корпуса конденсатора.The thermosiphon can also be made with a siphon in the form of an inverted glass above the steam line, and its lower edge is placed in the liquid of the condenser body.

В термосифоне в нижней камере испарительной зоны ниже ее воронки может быть размещен кольцевой мелкоячеистый наполнитель из металла.In a thermosiphon in the lower chamber of the evaporation zone below its funnel, an annular fine-mesh filler of metal can be placed.

Технический результат предлагаемого решения заключается в следующем:The technical result of the proposed solution is as follows:

- увеличена термодинамическая эффективность за счет полной конденсации паров, пропускаемых через сконденсированную жидкость в корпусе конденсатора верхней камеры термосифона;- increased thermodynamic efficiency due to the complete condensation of the vapors passed through the condensed liquid in the condenser housing of the upper chamber of the thermosiphon;

- увеличена термодинамическая эффективность за счет использования в нижней камере термосифона воронки, соединенной с паропроводом, препровождающим пар в конденсатор верхней камеры, а также использования дополнительной воронки в конденсаторе, расположенной в месте с отверстиями на уровне сконденсированной жидкости;- increased thermodynamic efficiency due to the use of a funnel in the lower chamber of the thermosiphon connected to the steam line, forwarding steam to the condenser of the upper chamber, as well as the use of an additional funnel in the condenser located in the place with holes at the level of the condensed liquid;

- увеличена термодинамическая эффективность за счет введения в нижнюю камеру кольцевого мелкоячеистого наполнителя из металла, усиливающего эффект пленочного испарения жидкости;- increased thermodynamic efficiency due to the introduction into the lower chamber of an annular fine-meshed filler of metal, enhancing the effect of film evaporation of the liquid;

- увеличена термодинамическая эффективность за счет размещения клапана для удаления неконденсирующихся газов в верхней части корпуса конденсатора.- increased thermodynamic efficiency due to the placement of the valve to remove non-condensable gases in the upper part of the capacitor housing.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующих описываемый «Термосифон» нами не обнаружена. Таким образом, по нашему мнению, предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новое».As a result of a search by the sources of patent and scientific and technical information, we did not find a set of features characterizing the described “Thermosiphon”. Thus, in our opinion, the proposed technical solution meets the criterion of "new".

На основании сравнительного анализа предложенного решения с известным уровнем техники можно утверждать, что между совокупностью отличительных признаков, выполняемых ими функций и достигаемой задачи, предложенное техническое решение не следует явным образом из уровня техники и соответствует, по нашему мнению, критерию охраноспособности «изобретательский уровень».Based on a comparative analysis of the proposed solution with the prior art, it can be argued that between the set of distinctive features, their functions and the task achieved, the proposed technical solution does not follow explicitly from the prior art and, in our opinion, meets the eligibility criterion of “inventive step”.

Предлагаемый «Термосифон» изображен на чертежах, где на фиг. 1 представлена конструкция с трубным перевернутым сифоном, требующая для этого увеличения диаметра корпуса термосифона, а на фиг. 2 сифон выполнен в виде перевернутого над паропроводом стакана, что уменьшает габариты корпуса конденсатора и, соответственно, диаметр корпуса термосифона.The proposed "Thermosiphon" is depicted in the drawings, where in FIG. 1 shows a design with an inverted pipe siphon, requiring an increase in the diameter of the thermosiphon case for this, and FIG. 2, the siphon is made in the form of a glass turned upside down over the steam line, which reduces the dimensions of the condenser body and, accordingly, the diameter of the thermosiphon case.

«Термосифон» содержит (фиг. 1) корпус 1 с нижней испарительной камерой 2 «+Q» и верхней конденсирующей «-Q» камерой 3, которые соединены паропроводом 4 с воронкой 5, имеющей кольцевой зазор 6 или отверстия между воронкой и корпусом. В верхнюю камеру, заполненную частично сконденсированной жидкостью, введен корпус конденсатора 7, вовнутрь которого пропущен паропровод, соединенный с перевернутым сифоном 8, причем верхняя часть сифона находится в воздушной зоне конденсатора, а его конец размещен в жидкости. В корпусе конденсатора выполнены отверстия 9 и размещена под ними на уровне сконденсированной жидкости дополнительная воронка 10, имеющая с корпусом кольцевой зазор 11 или отверстия между нею и корпусом.A “thermosiphon” contains (Fig. 1) a housing 1 with a lower evaporation chamber 2 “+ Q” and an upper condensing “-Q” chamber 3, which are connected by a steam line 4 to a funnel 5 having an annular gap 6 or an opening between the funnel and the housing. A condenser body 7 is introduced into the upper chamber, filled with partially condensed liquid, inside of which a steam pipe is connected, connected to an inverted siphon 8, the upper part of the siphon located in the air zone of the condenser and its end placed in the liquid. Holes 9 are made in the capacitor housing and an additional funnel 10 is located below them at the level of the condensed liquid, having an annular gap 11 with the housing or openings between it and the housing.

В верхней части корпуса конденсатора установлен клапан 12, а в нижнюю испарительную камеру введен кольцевой мелкоячеистый наполнитель 13 с высокой теплопроводностью, плотно прилегающий к внутренней стенке корпуса и расположенный ниже воронки паропровода.A valve 12 is installed in the upper part of the condenser casing, and an annular fine-mesh filler 13 with high thermal conductivity, tightly adjacent to the inner wall of the casing and located below the steam funnel, is introduced into the lower evaporation chamber.

Чтобы не увеличивать сопротивление движению пара из паропровода в сифон, диаметр последнего должен быть таким же, как в паропроводе или больше, что обуславливает применение для корпуса термосифона трубы большего размера.In order not to increase the resistance to the movement of steam from the steam line to the siphon, the diameter of the latter should be the same as in the steam line or more, which leads to the use of a larger pipe for the thermosiphon case.

На фиг. 2 сифон выполнен в виде перевернутого над паропроводом стакана 14, опущенного в жидкость конденсатора, что создает лучшие условия для заполнения паром воздушной зоны стакана и его последующей конденсации, при этом предоставляется возможность уменьшить диаметр корпуса термосифона.In FIG. 2, the siphon is made in the form of a cup 14 turned over the steam line, lowered into the condenser liquid, which creates better conditions for the vapor to fill the air zone of the cup and its subsequent condensation, while it is possible to reduce the diameter of the thermosiphon case.

«Термосифон» работает следующим образом (фиг. 1)."Thermosiphon" works as follows (Fig. 1).

При нагреве «+Q» нижней испарительной камеры 2 до кипения жидкости пары ее, ограниченные зоной воронки 5, поступают в паропровод 4 и далее через сифон 8 передаются в жидкость корпуса 7 конденсатора, конденсируясь в последнем «-Q». Поскольку пары в сифоне проходят «пробулькивая» через жидкость, то это гарантирует их полную конденсацию, а высвободившиеся несконденсированные газы накапливаются в верхней части корпуса конденсатора и удаляются через клапан 12.When heating “+ Q” of the lower evaporation chamber 2 to a boiling liquid, its vapors, limited by the zone of the funnel 5, enter the steam line 4 and then are transferred through the siphon 8 to the liquid of the condenser body 7, condensing in the last “-Q”. Since the vapors in the siphon pass “bubbling” through the liquid, this ensures their complete condensation, and the released non-condensed gases accumulate in the upper part of the condenser body and are removed through valve 12.

Увеличивающийся объем жидкости конденсата через отверстия 9 в корпусе поступает на дополнительную воронку 10 конденсатора и далее через зазоры 11 на внутреннюю стенку корпуса 1 термосифона, стекая по ней через зазоры 6 до кольцевого мелкоячеистого наполнителя 13 нижней испарительной камеры 2.The increasing volume of condensate liquid through the openings 9 in the housing enters an additional funnel 10 of the condenser and then through the gaps 11 to the inner wall of the thermosyphon housing 1, flowing through it through the gaps 6 to the annular fine-mesh filler 13 of the lower evaporation chamber 2.

Мелкоячеистый наполнитель 13, выполненный из металла, обладает высокой теплопроводностью для передачи жидкости внешней тепловой энергии и усиливает пленочное испарение за счет большой испарительной поверхности. Пленочное распределение жидкости в теплообменных поверхностях получило широкое распространение в технике [6].The fine-mesh filler 13, made of metal, has a high thermal conductivity for transferring liquid external thermal energy and enhances film evaporation due to the large evaporation surface. The film distribution of liquid in heat-exchange surfaces has become widespread in technology [6].

При попадании пленки жидкости на мелкоячеистый наполнитель происходит ее перемешивание за счет сетчатой структуры наполнителя и создается волновой режим течения пленки. В работе [7] указывается, что при волновом режиме течения теплопередача на 20% больше, чем при гладком ламинарном течении.When a liquid film gets on a fine-mesh filler, it is mixed due to the network structure of the filler and a wave mode of film flow is created. In [7], it is indicated that in the wave mode of the flow, heat transfer is 20% higher than in a smooth laminar flow.

Таким образом, наличие мелкоячеистого наполнителя 13 в нижней испарительной камере 2 приводит к возникновению дополнительного теплового потока, обусловленного поперечным течением жидкости.Thus, the presence of a fine-meshed filler 13 in the lower evaporation chamber 2 leads to the appearance of an additional heat flow due to the transverse flow of liquid.

На фиг. 2 сифон 14 выполнен в виде перевернутого стакана над паропроводом 4, при этом площадь кольцевого зазора между внутренним диаметром стакана и внешним диаметром паропровода больше площади отверстия паропровода, поэтому пар жидкости свободно перемещается и конденсируется внутри кольцевого зазора. Это создает условия для уменьшения габаритов термосифона за счет использования трубы для его корпуса меньшего размера.In FIG. 2, the siphon 14 is made in the form of an inverted glass above the steam line 4, while the area of the annular gap between the inner diameter of the glass and the external diameter of the steam line is larger than the area of the hole of the steam line, so the liquid vapor freely moves and condenses inside the ring gap. This creates the conditions for reducing the dimensions of the thermosiphon by using a pipe for its smaller body.

В дальнейшем функционирование термосифона с сифоном в виде перевернутого стакана происходит аналогично вышеописанному.In the future, the operation of a thermosiphon with a siphon in the form of an inverted glass occurs similarly to the above.

Предлагаемый высокоэффективный термосифон может найти широкое применение в теплотехнике для передачи тепловой энергии по протяженным каналам.The proposed high-performance thermosiphon can be widely used in heat engineering for transferring thermal energy through long channels.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Чарыев А., Нурыев С. Термогравитационная тепловая труба. Авторское свидетельство СССР №637614, МПК F28D 15/00 (аналог).1. Charyev A., Nuryev S. Thermogravitational heat pipe. USSR copyright certificate No. 637614, IPC F28D 15/00 (analogue).

2. Кухарский М.П., Илюшин К.А. Тепловая труба. Авторское свидетельство СССР №624102, МПК F28D 15/00 (аналог).2. Kuharsky M.P., Ilyushin K.A. Heat pipe. USSR copyright certificate No. 624102, IPC F28D 15/00 (analogue).

3. Дорман Е.И., Алешина Е.Л. и др. Термосифон. Авторское свидетельство СССР №731261, МПК F28D 15/00 (аналог).3. Dorman E.I., Aleshina E.L. et al. Thermosiphon. USSR author's certificate No. 731261, IPC F28D 15/00 (analogue).

4. Чиннов Е.А., Кабов О.А. Термосифон. Патент РФ №2373473, МПК F28D 15/02 (прототип).4. Chinnov EA, Kabov OA Thermosiphon. RF patent No. 2373473, IPC F28D 15/02 (prototype).

5. Щеклеин С.Е., Попов А.И. Кольцевой регулируемый термосифон. Патент РФ №2608794, МПК F28D 15/00 (аналог).5. Scheklein S.E., Popov A.I. Ring adjustable thermosiphon. RF patent №2608794, IPC F28D 15/00 (analogue).

6. Тананайко Ю.М., Воронцов Е.Е. Методы расчета и исследования пленочных процессов. Киев, 1975.6. Tananayko Yu.M., Vorontsov E.E. Methods of calculation and research of film processes. Kiev, 1975.

7. Капица П.Л., Капица С.П. ЖЭТФ. Т. 19, 1949, №2, с. 105-120.7. Kapitsa P.L., Kapitsa S.P. JETP. T. 19, 1949, No. 2, p. 105-120.

8. Патент США №3598178, Кл. 165-105, 1971 (аналог).8. US Patent No. 3598178, Cl. 165-105, 1971 (analog).

9. Патент Великобритании №1488662А, 1971 (аналог).9. British patent No. 1488662A, 1971 (analogue).

10. Патент США №3965970, кл. 165-105, 1976 (аналог).10. US Patent No. 3965970, cl. 165-105, 1976 (analog).

11. Горелов В.Л. Термосифон с клапаном. Патент на полезную модель РФ №123508, МПК F28D 13/00 (аналог).11. Gorelov V.L. Thermosiphon with valve. Patent for utility model of the Russian Federation No. 123508, IPC F28D 13/00 (analogue).

Claims (3)

1. Термосифон, содержащий корпус, рабочий объем нижней камеры которого заполнен жидкостью, воронку, перегораживающую с зазором нижнюю камеру с паропроводом для транспортировки пара, верхнюю камеру, клапан для сбрасывания воздуха наружу, отличающийся тем, что в верхнюю камеру введен корпус конденсатора, заполненный до заданного уровня жидкостью и соединенный с паропроводом, подключенным к сифону, конец которого размещен в жидкости конденсатора, причем в корпусе конденсатора выполнены отверстия и введена с зазором относительно корпуса дополнительная воронка, расположенная на уровне его жидкости, а верхняя часть корпуса конденсатора оснащена клапаном.1. A thermosiphon containing a housing, the working volume of the lower chamber of which is filled with liquid, a funnel blocking with a gap the lower chamber with a steam line for transporting steam, the upper chamber, a valve for venting air outward, characterized in that a condenser body is filled into the upper chamber, filled up to a predetermined level by a liquid and connected to a steam line connected to a siphon, the end of which is placed in the condenser liquid, and holes are made in the condenser body and introduced with a gap relative to the body to a filling funnel located at the level of its liquid, and the upper part of the condenser body is equipped with a valve. 2. Термосифон по п. 1, отличающийся тем, что сифон выполнен в виде перевернутого стакана над паропроводом, причем его нижняя кромка размещена в жидкости корпуса конденсатора.2. Thermosiphon under item 1, characterized in that the siphon is made in the form of an inverted glass above the steam pipe, and its lower edge is placed in the liquid of the condenser body. 3. Термосифон по п. 1, отличающийся тем, что в нижней камере испарительной зоны ниже ее воронки размещен кольцевой мелкоячеистый наполнитель из металла.3. Thermosiphon according to claim 1, characterized in that in the lower chamber of the evaporation zone below its funnel there is an annular fine-mesh filler of metal.

Images