晨怡热管  哈尔滨晨怡热管技术有限公司  晨怡热管技术研究所

晨怡热管 2008-4-12 0:30:34

1.6. ПЕРИОД ПОЯВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ПОЛЕЗНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОДСИСТЕМ

1.6.1. Выявление новых функций и обеспечение их дополнительными подсистемами.

Надсистемные требования, предъявляемые к ТТ при их использовании в других технических системах, носят самый разнообразный характер. Множество частных требований, выдвигаемых конкретными ТС, видоизменяют ТТ в ту или иную сторону (см. раздел 1.4).

Но среди этого множества требований выделились два наиболее общих, характерных для большинства ТС:

• направленная теплопередача,
• регулируемая теплопередача.

Эти новые потребности должны быть обеспечены дополнительными полезными функциями, а значит в ТТ должны появиться дополнительные подсистемы.

Интересна взаимосвязь новых ПФ со свойствами классической ТТ. Напомним основные особенности ее функционирования.

1. В ТТ осуществляется равнопотенциальная теплопередача, т.е. плотность теплового потока (теплопередача через единицу площади) в зоне испарения должна быть равна плотности теплового потока в зоне конденсации. Т.е. приток тепла не должен превышать величину его стока (см. раздел 1.1.). Площадь зоны конденсации в классической ТТ неизменна, поэтому она и лимитирует мощность источника тепла.

    

2. Зоны теплообмена в классической ТТ абсолютно одинаковы, поэтому ТТ безразличны к направлению теплопередачи - она может идти в обе стороны. Т.е. если источник и сток теплоты поменяются местами, то ТТ будет работать также эффективно.

    

3. Теплопередача в классической ТТ нерегулируемая: нельзя по желанию изменить мощность теплопередачи в работающей трубе.

Можно предложить такую обобщенную формулировку классической ТТ: это такая ТТ, в которой осуществляется нерегулируемая равнопотенциальная теплопередача в обе стороны.

Новые ПФ как бы отрицают эти свойства: теплопередача должна быть регулируемой, неравнопотенциальной, в одну сторону.

1.6.1.1. Тепловые выключатели и диоды.

Во многих областях техники (в частности в криогенной) теплопередача должна идти в одном направлении (режим теплового диода), перенос теплоты в обратном направлении должен быть исключен. Для обеспечения однонаправленной теплопередачи существует несколько возможностей, чтобы зона конденсации не превратилась в зону испарения: выключение или экранирование ТТ в целом, перекрытие парового канала, выключение фитиля. Все эти возможности были реализованы в процессе синтеза тепловых диодов (Рис. 59).

ТТ-98. Тепловые выключатели. Брест 0., Шуберт К.П. (1973):

 




Эддлетон В.Н., Хекс К. (1973): Выключатель с заслонкой (магнитный привод) в паровом канале.

См. ТТ-48 - термоконтактор в виде тора с парафином.

ТТ-99. Райс Ж. (1975). Для отключения ТТ замораживают рабочую жидкость с помощью термоэлектрического охладителя.

ТТ-100. А.С. СССР 566 087 (БИ, 27-1977). Тепловой выключатель.




ТТ с регулируемым сопротивлением, содержащая установленную в герметичном корпусе трубку капиллярной структуры, имеющую поперечный разъем с изменяемым зазором, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, по крайней мере один из концов трубки в разъеме выполнен эластичным в продольном направлении, например, в виде поперечного гофра, на нем укреплено кольцо из магнитного материала, а снаружи корпуса - электромагнит для управления величиной зазора в разъеме.

На рис. 46 капиллярная система разомкнута; при перемещении кольца 5 с эластичным участком 4 в крайнее левое положение - капиллярная система включается.

ТТ - 101. Пат. США 3 700 028 (1970). Тепловой диод. Фитиль в зоне конденсации не доходит до стенки, т.е. эта зона не может быть испарительной.

ТТ-102. Пат. США 3 587 725 (1968). Тепловой диод. В зоне испарения фитиль имеет большую толщину, чем в других зонах.

ТТ-103. Тепловые диоды. Киркпетрик Д.Н. (1973)

а) с захватом жидкости.




б) с блокадой жидкости




ТТ-104. А.с. СССР 1 028 998 (БИ, 26-1983, с. 131). ТТ, герметичный корпус с зонами испарения и конденсации и центральная трубчатая вставка с расширяющимся концевым участком, контактирующим с капиллярной структурой, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения термодиодного эффекта - вставка расширяющимся участком обращена в сторону зоны конденсации с образованием между этим участком и торцевой стенкой сопла,
2. ... сопло выполнено сужающимся.
3. ... торцевая стенка зоны конденсации расположена под углом к оси корпуса.

1.6.1.2. ТТ переменной проводимости.

Проблема регулирования (или саморегулирования) теплопередачи в ТТ связана с довольно часто встречающейся потребностью поддерживать постоянной температуру источника тепла, т.е. отводить в каждый момент времени ровно столько излишков тепла, сколько их выделяется на источнике. В терминах ТРИЗ создание такой ТТ - это переход от статичной ТС к динамичной.

В классической ТТ зона испарения принимает температуру источника тепла, а зона конденсации - температуру среды, отводящей тепло. Если повышать температуру источника (предел увеличения - термическая стойкость рабочей жидкости), то может наступить кризис кипения; если понижать температуру охлаждающей среды (предел понижения - точка замерзания рабочей жидкости), то ТТ из режима теплопередачи перейдет в режим "отсоса" тепла от источника, температура которого будет понижаться. Таким образом, соответствующее понижение температуры конденсатора (при внезапном повышении температуры источника), это один из возможных способов регулирования теплопередачи в ТТ. Однако такой способ практически трудно осуществим и поэтому развитие ТТ пошло иным путем.

ТТ-105. Уэйт Т. (ун-т Дж. Хопкинса, США) в 1965 при проведении экспериментов с ТТ для спутника обнаружил новое явление: блокирование части поверхности конденсатора неконденсирующимся газом (водородом), выделившимся при работе ТТ (натрий - нержавеющая сталь).

Само по себе выделение неконденсирующихся газов внутри работающей ТТ является следствием ВПФ-несовместимости материалов. С этим нежелательным явлением для обычных ТТ борются различными способами: подбором совместимых материалов, протравливанием корпуса, очисткой жидкости, вакуумированием и т.д. Заслуга Т.Уэйта в том, что он обратил внимание на новое свойство: неконденсирующийся газ уносился из зоны испарения в зону конденсации, где блокировал (отключал) часть поверхности теплообмена. При этом достигалось некоторое равновесное состояние:




Дальнейшее исследование показало, что между паром и газом существует резкая граница раздела; в зоне, блокированной газом, прекращается всякая передача теплоты; граница раздела перемещается вдоль трубы в зависимости от давления паров (т.е. температуры в зоне испарения). Причем перемещение границы очень чувствительно к температуре; например, давление паров натрия при 800°С изменяется пропорционально десятой степени температуры! Т.е. даже небольшое изменение температуры источника приводит к быстрому изменению площади зоны конденсации. Был сделан вывод о возможности регулирования ("газового регулирования") температуры источника теплоты.

Современные ТТ позволяют изменять мощность теплопередачи в больших пределах.

Несмотря на то, что этот высокоэффективный способ регулирования ТТ был найден уже через год после появления ТТ Гровера, процесс заполнения "промежуточных" точек на плавной кривой развития (от обычной ТТ к ТТ переменной проводимости) продолжается и по сей день. Наиболее характерные точки отражены в последовательно расположенных информационных карточках. Продолжается также процесс развития газорегулируемых ТТ.

ТТ-106. Пат. США 3 603 382 (1969). ТТ - трансформатор теплового потока (см. также ТТ-59 и ТТ-48). Радиальная теплопередача, ТТ в виде кольца. Внутренняя кольцевая стенка - испаритель, внешняя - конденсатор. Это простейший способ увеличения площади зоны конденсации.

ТТ-107. Пат. Великобритании 1 222 310 (1969). Способы регулирования потоков жидкости в ТТ; вентили, полностью заполненные фитилем пространства (перетекает только жидкость) и др. Используется в терморегуляции скафандров.

ТТ-108. А.С. СССР 503 116 (БИ, 6-1976). Тепловая труба, содержащая герметичный корпус и установленный в нем с кольцевым зазором цилиндрический канал с сопловым участком, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения непропорционального регулирования теплового потока, вкладыш выполнен разъемным, а сопловый участок образован разрезной двухслойной втулкой из материалов с различными коэффициентами теплового расширения, закрепленной одним концом в месте разъема вкладыша и имеющей возможность скольжения другим концом по стенке канала.




ТТ-109. А.с. СССР 386 219 (БИ, 26-1973). ТТ, содержащая корпус с КПМ и устройство для термостатического регулирования, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности регулирования, корпус в средней части имеет поперечный разъем. Устройство для термостатического регулирования выполнено в виде сильфона, жестко соединенного с обеими частями корпуса.
2. ... внутренняя полость сильфона заполнена материалом расширяющимся при затвердевании (парафином).
3. ... полость сильфона по напорной линии подключена к источнику давления, на линии установлен клапан, управляемый термодатчиком из зоны нагревания.
5. ... полость сильфона заполнена газом и порошковым адсорбентом, (активным углем).

После появления газорегулируемой ТТ начался поиск газа (или смесей газов) наиболее совместимого с веществами ТС. Водород, с которым было связано открытие нового эффекта, оказался самым неподходящим газом - он хорошо растворяется практически во всех металлах, вызывая водородную коррозию.

ТТ-110. Пат. США 3 525 386 (1969, Гровер). Предложено использовать инертный газ для изменения объема конденсатора.

Для расширения диапазона изменения мощности теплопередачи в газорегулируемой ТТ Уэйта потребовалось бы большое количество газа, а следовательно увеличение размеров ТТ. Первым усовершенствованием этой трубы явилось включение в техническую систему новой подсистемы - специального резервуара для хранения газа.

ТТ-111. Пат. США 3 613 773 (1971). ТТ переменной проводимости с резервуаром для хранения инертного газа со стороны зоны конденсации. Резервуар холодный, без фитиля.




Резервуар (аккумулятор газа) добавлен для обеспечения более тонкого регулирования температуры пара. Кроме того, резервуар мог легко отключаться вентилем, установленным на соединительном патрубке.

Однако уже в первых экспериментах исследователи столкнулись с проблемой диффузии паров рабочей жидкости в резервуар и их конденсации. Для обеспечения возврата конденсата пришлось снабдить фитилем и резервуар.




ТТ-112. ТТ переменной проводимости с холодным резервуаром (Коссон Р. и др., 1973). Мощность 1,2 кВт, длина с резервуаром - 2 м, диаметр - 25 мм Рабочая жидкость - аммиак, газ - азот. КПМ с артериальным фитилем - большая передающая способность по жидкости. В артерии обеспечивалось переохлаждение жидкости для уменьшения размеров пузырьков газа и его поглощения.

Для дальнейшего расширения диапазона регулирования потребовалось смягчить резкое реагирование положения границы пар-газ на изменение температуры. Было предложено выполнять резервуар гибким (с изменением объема) - в виде сильфона.

Но в сильфон нецелесообразно вводить фитиль для возврата конденсата, поэтому в соединительном патрубке появилась полупроницаемая перегородка (мембрана): пропускает газ и не пропускает пар и жидкость.

Другое техническое решение этой проблемы предложил Уэйт: снабдить сильфон электрообогревателем и поддерживать в нем температуру на 1°С выше фазового перехода жидкость - пар, предотвращая тем самым конденсацию попавшей туда жидкости; сильфон топлоизолирован от окружающей среды. Электрообогрев и теплоизоляция позволили бы также исключить вредное влияние изменений температуры окружающей среды, вызывающие довольно сильные скачки давления газа и нарушающие работу ТТ.

ТТ-113. Холодный резервуар в виде сильфона с механическим изменением объема (Тернер Р.К., 1969). Предложено механическое перемещающее устройство для регулирования положения сильфона между двумя точно заданными точками. Недостатки: потребность в электроэнергии для привода, отказы, увеличение веса.

Но главным недостатком этого устройства было, конечно, участие человека в регулировании: перемещение рычага или подача команды исполнительному органу.

Следующим шагом в развитии было введение принципа обратной связи: сначала механической, затем электрической.

ТТ-114. ТТ переменной проводимости с холодным резервуаром - сильфоном (Бинерт У. и др., 1970).
Последовательность работы подсистем:
• изменение температуры источника теплоты,
• изменение давления вспомогательной жидкости,
• перемещение внутреннего сильфона,
• перемещение основного сильфона,
• вытеснение - втягивание газа из (в резервуар),
• изменение положения границы пар-газ,
• изменение теплопередачи ТТ.

Достигнута высокая точность регулирования: ±4°С.

 

См. также ТТ-64 (А.с. СССР 408 114).

ТТ-115. А.с. СССР 492 712 (БИ, 43-1976). Теплопередающее устройство, отличающееся тем, что, с целью регулирования создаваемого перепада температур, к полости основной трубы присоединен сильфон, к днищу которого жестко прикреплена дополнительная тепловая труба, установленная с возможностью осевого перемещения в основной трубе.




ТТ-116. А.с. СССР 1 032 322 (БИ, 28-1983, с. 168). Коаксиальная ТТ, содержащая корпус, размещенный внутри его с кольцевым зазором трубопровод, герметично соединенный с торцами корпуса и выведенный за его пределы, отличающаяся тем что, с целью повышения термодинамической эффективности, по оси трубопровода с помощью дистанционированных элементов установлен стержень, один из концов которого за пределами корпуса снабжен конусной насадкой, обращенной вершиной к его торцу, а трубопровод внутри корпуса выполнен в виде сильфона.

ТТ-117. ТТ переменной проводимости с электрической обратной связью (Бинерт У. и др.,1971)


Достигнуто прецизионное регулирование температуры источника: ±1°С.

ТТ-118. А.с. СССР 1 030 636 (БИ, 27-1983 с. 156). Газорегулируемая ТТ - испаритель с газовым резервуаром и конденсатор, отличающаяся тем, что, с целью повышения эксплуатационной надежности и точности регулирования при периодических пиковых тепловых нагрузках в стенке испарителя выполнена по крайней мере одна полость, заполненная плавящимся веществом.
2. ... полости выполненные в стенках испарителя заполнены плавящимся веществом с различной температурой плавления.

Здесь применена ТТ с горячим резервуаром (расположенным около или внутри зоны испарения, известны с 1971). Дополнительная функция - сглаживания скачков температуры (сначала теп-ло "поймают" плавящимся веществом, а затем медленно "перерабатывают"); подобное решение см. ТТ-50.

ТТ-119. Использование электрического ветра для управления парогазовым фронтом в газонаполненных ТТ ("Электронная обработка материалов", 1980, № 6, с. 35-37). Предложено использовать для изменения положения границы "пар-газ" "электрический ветер" - появляющийся при изменении параметров противоэлектрода в коронирующей системе типа игла-плоскость. Возможно применение внутри газонаполненных ТТ. Описана кольцевая электродинамическая газонаполненная ТТ.

Здесь сделана попытка исключить из системы резервуар. Но какой ценой? - усложнением подсистемы, введением в нее ТС, обслуживающей коронирующую систему. Такое решение "расчищает" оперативную зону и, если не видеть резкого усложнения надсистемы, может показаться близким к идеальному.

Сравним это решение с последними разработками Института прикладной физики АН Молдавской ССР (ТТ-120; ТТ-121) - в них получен действительно заметный качественный скачок. Такой скачок характерен для изобретений, основанных на введении в ТТ нового идеального вещества.

ТТ-120. А.с. СССР 947 614 (БИ, 28-1982). Газорегулируемая ТТ с зонами испарения и конденсации, содержащая корпус с аккумулирующим объемом, расположенным в торце зоны конденсации и снабженным нагревателем, соединенным через блок управления с датчиком температуры, установленным в зоне испарения, отличающаяся тем, что, с целью расширения пределов регулирования, внутренняя поверхность аккумулирующего объема покрыта спеченным порошком гидрида интерметаллида.

В ТТ снова использован водород. Его уникальное свойство хорошо растворяться в металлах, прежде считавшееся "вредным" (см. ТТ-105, ТТ-110), обращено в пользу. Применен материал наиболее "водородолюбивый" - порошок гидрида интерметаллида с общей формулой: АВ5НХ, где А - редкоземельный металл, В - кобальт или никель, Н - водород. Например, можно использовать лантан - никелевый или самарий - кобальтовый гидриды. Применен также еще один металл (палладий) с интересным свойством: свободно пропускает водород и абсолютно непрозрачен для пара.

При изменении температуры в испарителе 1 датчик 9 через блок управления 8 изменяет мощность нагревателя 7, спеченный порошок 6 интенсивно выделяет водород, который проходя через пластину 10 изменяет положение границы пар-газ 11. При снижении мощности 7 порошок 6 поглощает водород.

Использование нового вещества с новым для этой ТС свойством поглощать или выделять водород при изменении температуры и давления позволило резко сократить объем резервуара и ввести его внутрь ТТ.

Это новый шаг к полному поглощению подсистемы "холодный резервуар" идеальным веществом.

ТТ-121. А.с. СССР 1 070 421 (БИ, 4-1984, с. 141). Газорегулируемая ТТ по А.с. СССР 947 614, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества регулирования, пластина из палладия свернута в цилиндр, образующий аккумулирующий объем и разделенный посредством кольцевой прокладки на две части, каждая из которых подсоединена к нагревателю независимо от другой, а спеченным порошком гидрида интерметаллида покрыта внутренняя поверхность лишь одной из них.




При изменении температуры в зоне 2 датчик 8 с помощью блока управления 7 изменяет силу тока, поступающего от 6 независимо к обеим частям цилиндра. При прохождении электрического тока через стенки цилиндра выделяется джоулево тепло, повышается температура стенок, благодаря чему существенно возрастает проницаемость палладия для прохода водорода (проницаемость изменяется по экспоненциальному закону при изменении температуры палладия(. В зависимости от величины вводимой мощности тока покрытие 9 выделяет большее или меньшее количество водорода. Водород, выделенный интерметаллидом, собирается в виде газовой подушки в верхней части 3 и изменяет положение границы пар-газ. Часть цилиндра 4, свободная от покрытия, имеет самостоятельное подключение к 6, который для этой части цилиндра может работать в постоянном режиме. Теплоизоляция 6 - для разделения тепловых потоков по обеим частям цилиндра 4. Для непрерывной работы ТТ необходимо обеспечить как выделение, так и интенсивное поглощение водорода покрытием 9, к которому водород в этом случае проникает через часть 4 свободную от покрытия.

Высокие динамические характеристики регулирования - за счет возможности пропуска водорода в больших количествах и с большой скоростью в обоих направлениях при его выделении и поглощении.

Отметим особенности этого решения:

1. аккумулирующий объем еще больше сократился;

    

2. произошло повышение точности регулирования за счет замены статичного режима работы (или поглощения, или выделения водорода) на динамичный (водород одновременно и выделяется и проникает в цилиндр);

    

3. исчез нагреватель, его функцию выполняет "по совместительству" сам цилиндр (нагреватель поглощен идеальным веществом).

 

Кроме ТТ переменной проводимости тепловые трубы развиваются еще в одном направлении - они начинают превращаться в преобразователи альтернативной энергии: солнечной, геотермальной и т.п. Предложены способы извлечения низкопотенциальной тепловой энергии недр с использованием принципа тепловой трубы, разработаны ТТ с встроенными в корпус концентраторами солнечного излучения. Пока это только транспортеры и трансформаторы тепловой энергии. Легко представить себе совмещение ТТ с преобразователем тепловой энергии в электрическую: достаточно ионизировать пар и использовать принцип МГД - генератора.

В этом направлении уже есть интересные решения:

ТТ-122. А.с. СССР 842 380 (БИ, 24-1981). Предложено применение пористых р- и п-полупроводниковых элементов в качестве капиллярно-пористой структуры ТТ. ТТ превращается в термогенератор низкого напряжения, преобразуя все тепло в электрический ток. Особенно удобно использовать при утилизации сбросного тепла, излишков тепла или любого другого источника. При этом преобразовании нет потерь тепла, не требуется никакого другого оборудования.

В ТТ появляется еще одно идеальное вещество, поглотившее в себя преобразователь энергии и генератор электрического тока⁴.

И, в заключение, еще одна карточка - об использовании эффекта неконденсирующихся газов в технологии изготовления обычных ТТ.

ТТ-123. А.с. СССР 1 020 748 (БИ, 20-198З, с. 128). Способ изготовле-ния ТТ с зонами испарения и конденсации путем заполнения жидким рабочим телом и вакуумирования, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии изготовления вакуумирование осуществляют в процессе работы трубы путем вытеснения воздуха парами рабочего тела через обратный клапан.

责任编辑: banye 参与评论