RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 176683 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 305669 (22) Data zgłoszenia: 02.11.1994 (51) IntCl6. F28F 27/00 (54) Sposób regulacji wymiany ciepła (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Świętokrzyska, Kielce, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 13.05.1996 BUP 10/96 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.07.1999 WUP 07/99 (72) Twórcy wynalazku: Borys Afanasjew, Kielce, PL Mieczysław Poniewski, Warszawa, PL Tadeusz M. Wójcik, Kielce, PL (74) Pełnomocnik: Garstka Antoni, Politechnika Świętokrzyska PL 176683 B1 (57) Sposób regulacji wymiany ciepła poprzez utrzymywanie stałej temperatury źródła ciepła, znamienny tym, że pod zadane parametry pracy źródła ciepła - strumień (qn) i temperaturę (Tn)- dobiera się układ struktury kapilarno-porowatej z cieczą wrzącą, wykazujący histerezę wymiany ciepła, prowadzi się ciągły pomiar temperatury i strumienia ciepła wydzielanego przez źródło podlegające regulacji i przy wzroście wartości tego strumienia powyżej wartości zadanej (qn) doprowadza się uzupełniający strumień ciepła (q,j) ze źródła dodatkowego do osiągnięcia sumarycznej wartości strumienia ciepła, wyznaczonej przez krzywą wrzenia układu z histerezą, po czym źródło dodatkowe wyłącza się. Fig. 1
Sposób regulacji wymiany ciepła Zastrzeżenie patentowe Sposób regulacji wymiany ciepła poprzez utrzymywanie stałej temperatury źródła ciepła, znamienny tym, że pod zadane parametry pracy źródła ciepła - strumień (qn) i temperaturę (T )- dobiera się układ struktury kapilarno-porowatej z cieczą wrzącą, wykazujący histerezę wymiany ciepła, prowadzi się ciągły pomiar temperatury i strumienia ciepła wydzielanego przez źródło podlegające regulacji i przy wzroście wartości tego strumienia powyżej wartości zadanej (qn) doprowadza się uzupełniający strumień ciepła (qd) ze źródła dodatkowego do osiągnięcia sumarycznej wartości strumienia ciepła, wyznaczonej przez krzywą wrzenia układu z histerezą, po czym źródło dodatkowe wyłącza się. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób regulacji wymiany ciepła, poprzez utrzymywanie stałej temperatury źródła ciepła, mimo wydzielania przez niego wyższych wartości strumienia ciepła od wartości zadanej. Wynalazek znajduje zastosowanie we wszystkich urządzeniach, w których generowany jest strumień ciepła o dużej gęstości. Do urządzeń takich można zaliczyć układy scalone o wysokiej skali integracji, silniki rakietowe, układy kriogeniczne, układy chłodzące w technice jądrowej. Znane są różne rodzaje histerezy wymiany ciepła występujące w układzie struktura kapilarno-porowata z cieczą wrzącą, przy wzroście, a następnie zmniejszaniu strumienia ciepła. A u- torzy zgłoszenia znaleźli w literaturze przykłady 7 rodzajów krzywych wrzenia q = q(at), gdzie wystąpiły różne zjawiska histerezy wymiany ciepła. Histerezą wymiany ciepła przy wrzeniu uznawana jest w technice za zjawisko bardzo niekorzystne, uniemożliwiające stabilną pracę obiektów wydzielających duże strumienie ciepła. Dotychczas nie jest znane żadne rozwiązanie konstrukcyjne lub sposób, w których zastosowanoby zjawisko histerezy wymiany ciepła przy wrzeniu do sterowania czy stabilizacji temperatury układu generującego ciepło. W znanych rozwiązaniach technicznych proces wrzenia na powierzchniach z pokryciem kapilarno-porowatym jest wykorzystywany w wymiennikach ciepła, zwanych rurami cieplnymi. Stosowane w nich m ogą być tylko układy ciecz wrząca ze strukturą kapilarno-porowatą nie generujące histerezy wymiany ciepła. W przeciwnym razie rura cieplna zmieniałaby swoją charakterystykę w zależności od historii pracy urządzenia, co dla zastosowań technicznych jest nie do przyjęcia. Sposób regulacji wymiany ciepła poprzez utrzymywanie stałej temperatury źródła ciepła, według wynalazku charakteryzuje się tym, że pod zadane parametry pracy źródła ciepła - strumień i temperaturę - dobiera się układ struktury kapilarno-porowatej z cieczą wrzącą, wykazujący histerezę wymiany ciepła, prowadzi się ciągły pomiar temperatury i strumienia ciepła wydzielanego przez źródło podlegające regulacji i przy wzroście wartości tego strumienia powyżej wartości zadanej, doprowadza się uzupełniający strumień ciepła ze źródła dodatkowego do osiągnięcia sumarycznej wartości strumienia ciepła, wyznaczonej przez krzywą wrzenia układu z histerezą, po czym źródło dodatkowe wyłącza się. Podstawą wynalazku jest wykorzystanie, po raz pierwszy, zjawiska histerezy wymiany ciepła przy wrzeniu, nazwanej przez autorów zgłoszonego wynalazku histerezą II rodzaju, dla której charakterystyczny jest wzrost wartości współczynnika przejmowania ciepła przy zmniejszaniu strumienia. Ten rodzaj histerezy opisano dotychczas w pracach: - Afgan N.H. i in., Boiling Heat Transfer from Surfaces with Porous Layers, Int. J. Heat and Mass Transfer (1985), vol. 28, No. 2 str. 415-422;
176 683 3 - Tehver J. H., Gisterezisnyje jaw lenija p ri kipienii n a poristych pokrytiach, Tiepłoeniergie tyka (1990), No. 12, str. 12-14. W trakcie własnych badań zjawisk histerezy wymiany ciepła przy wrzeniu na strukturach kapilarno-porowatych nieoczekiwanie stwierdzono, że: 1) histereza II rodzaju jest zjawiskiem stabilnym i powtarzalnym; 2) histerezę II rodzaju można wykorzystać do utrzymywania stałej temperatury głównego źródła ciepła, jeśli zastosuje się dodatkowe regulowane źródło uzupełniającego strumienia ciepła, załączane okresowo; 3) wykonane wielokrotnie eksperymenty w pełni potwierdziły oba powyższe wnioski. Zaletą wynalazku jest jedynie czasowe stosowanie dodatkowego źródła ciepła, tylko do osiągnięcia wymaganego punktu na krzywej wrzenia, gdyż powrót do zadanej wartości temperatury powierzchni grzejnej odbywa się przy wykorzystaniu zjawiska histerezy II rodzaju. Dzięki zaproponowanemu rozwiązaniu źródło ciepła może utrzymywać stałą (zadaną) temperaturę pracy, mimo zwiększenia generowanego strumienia ciepła, znacznie powyżej wartości zadanej. Zgodnie ze sposobem według wynalazku, do chłodzenia i regulacji temperatury źródła ciepła o zmiennej wartości strumienia, np. układu scalonego, proponuje się zastosowanie chłodzenia zanurzeniowego, w pewnej objętości cieczy wrzącej, przy jednoczesnym pokryciu powierzchni wymiany ciepła strukturą kapilarno-porowatą. Do powierzchni wymiany ciepła należy dołączyć dowolnej konstrukcji grzejnik dodatkowy, np. grzejnik elektryczny. Źródło ciepła, np. układ scalony, jest chłodzone przez ciecz dielektryczną która spełnia rolę upustu ciepła. Należy zaznaczyć, że większość cieczy dielektrycznych (freony, etanol, itd.), które można użyć do bezpośredniego chłodzenia układów elektrycznych, charakteryzuje się małym kątem zwilżania, czyli naturalną skłonnością do wystąpienia zjawiska histerezy wymiany ciepła przy wrzeniu. Sposób według wynalazku jest szczegółowo wyjaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia sposób regulacji wymiany ciepła przy wykorzystaniu histerezy krzywej wrzenia, a fig. 2 - przykład histerezy krzywej wrzenia otrzymanej w wyniku badań rzeczywistej struktury kapilamo-porowatej dla powierzchni grzewczej O 30 mm pokrytej metalową, włóknistą warstw ą porowatą podczas wrzenia etanolu w dużej objętości. Główne źródło ciepła, którego dotyczy regulacja, chłodzone jest poprzez wykorzystanie wrzenia z histerezą II rodzaju na powierzchni pokrytej strukturą kapilarno-porowatą. Charakterystyki układu struktura kapilarno-porowata z cieczą wrzącą dobiera się w taki sposób, aby w trakcie procesu chłodzenia zachodził wymagany rodzaj histerezy. Przy wzroście strumienia ciepła, wydzielanego przez źródło powyżej wartości zadanej qn, (fig. 1, przejście od punktu An na krzywej a do punktu A-j) na podstawie krzywej wrzenia z histerezą II rodzaju wyznacza się wartość uzupełniającego strumienia ciepła qd (fig. 1, punkty A2 i B na krzywej wrzenia a i b) tak, aby po załączeniu dodatkowego źródła ciepła qd uzyskać łączną wartość strumienia ciepła qb = q2 + qd (przejście od punktu A2 do punktu B), po czym źródło dodatkowe qd odłącza się i na skutek histerezy wymiany ciepła przy wrzeniu uzyskuj e się zadaną różnicę temperatur powierzchni grzejnej i nasycenia cieczy AT, przy zwiększonej wartości strumienia ciepła q2 (przejście od punktu B do punktu Cn na krzywej c). Utrzymywanie stałej różnicy temperatur ATn, wobec stałości temperatury nasycenia Ts oznacza stałość temperatury Tn. Sposób regulacji wymiany ciepła wymaga stosowania kolejno następujących po sobie czynności, a mianowicie: 1. Dobór, pod zadane parametry pracy źródła ciepła - strumień qn i temperatura Tn - układu struktura kapilarno-porowata z cieczą w rzącą wykazującego histerezę wymiany ciepła II rodzaju przy wrzeniu. 2. Ciągły pomiar temperatury i strumienia ciepła wydzielanego przez źródło podlegające regulacji i źródło uzupełniającego strumienia ciepła. 3. W chwili wzrostu temperatury i strumienia ciepła powyżej wartości zadanych (fig. 1, punkt A2, strumień q2, różnica temperatur AT2), na podstawie krzywej wrzenia z histerezą II ro-
4 176 683 dzaju dla układu struktura kapilarno-porowata z cieczą wrzącą, wyznaczenie wartości uzupełniającego strumienia ciepła qd (fig. 1, punkty A2 i B na krzywych wrzenia) i załączenie dodatkowego źródła ciepła qd (przejście od punktu A2 do punktu B, fig. 1.). 4. Po osiągnięciu sumarycznej wartości strumienia ciepła qb = q2 + qd, wyznaczonej przez krzywą wrzenia układu z histerezą II rodzaju (punkt B, krzywa b), odłączenie dodatkowego źródła ciepła qd (przejście od punktu B do punktu Cn, krzywa c). Regulacja może być dokonywana w zakresie strumieni ciepła od qmjn, który odpowiada inicjacji procesu wrzenia dla danej cieczy do wartości qmax, która odpowiada kryzysowi wrzenia pęcherzykowego dla układu struktura kapilarno-porowata z cieczą wrzącą, fig. 1. Przykład stosowania metody regulacji wymiany ciepła według wynalazku, dla zadanych parametrów pracy regulowanego źródła ciepła, przedstawiono na fig. 2, gdzie zapełnione prostokąty oznaczają wyniki badań eksperymentalnych, na podstawie których wyznacza się charakterystykę układu struktura kapilarno-porowata z cieczą wrzącą. Zadanie regulacyjne - zadany strumień ciepła qn = 2,1 105 Wm'2; zadana temperatura T n = 357K. Należy utrzymywać temperaturę regulowanego źródła ciepła równą lub niższą od wartości T n, mimo wzrostu strumienia ciepła powyżej zadanej wartości q n. Do tego celu zastosowano układ: miedziana struktura kapilarno-porowata (grubość struktury 5 = 0,2 mm, porowatość n = 40%), ciecz wrząca - etanol 99,8%, cz.d.a., co daje ATn = 6K, bo temperatura nasycenia etanolu T s = 351K. Zadany punkt pracy regulowanego źródła - (qn, ATn) - to punkt An na krzywej a, charakterystycznej dla układu struktura kapilarno-porowata nasycona etanolem, wykazującego histe rezę II rodzaju. Strumień ciepła wydzielany przez regulowane źródło ciepła wzrósł od wartości qn = 2,1 105 Wm-2 do wartości qn = 3 105 Wm-2. Spowodowało to wzrost temperatury źródła ciepła do AT2 = 9 K, co daje T2 = 360 K. Zarejestrowane wartości qn, ATn oraz q2, AT2 przekazywane są do pamięci elementu sterującego, w którym zapisana jest również charakterystyka układu struktura kapilarno-porowata z etanolem. Na podstawie podanych wartości qn, ATn oraz q 2, AT2 z charakterystyki układu wyznaczane jest położenie punktu B i wartość uzupełniającego strumienia ciepła ze źródła dodatkowego qd = 2,8 105 Wm-2. Po załączeniu dodatkowego źródła ciepła generującego qd osiągany jest punkt B, gdzie qb = q2 + qd (krzywa b, fig. 2), po czym dodatkowe źródło ciepła odłącza się. N a skutek histerezy wymiany ciepła następuje wówczas przejście od punktu B do punktu Cn na krzywej c, gdzie qc = q2, a = ATC= ATn.
176 683 Fig. 2.
176 683 Fig. 1. Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 2,00 zł.