КОНТУР ТЕПЛОПЕРЕНОСА Российский патент 1996 года по МПК F25B19/00 F24F5/00 

Изобретение относится к системам охлаждения, в частности, к замкнутым контурам переноса тепла с двухфазным теплоносителем, предназначенным для использования в системах терморегулирования космических аппаратов и наземных установок.

Известен контур теплопереноса, имеющий испаритель конденсатор с пористой структурой, переохладитель, циркуляция теплоносителя в котором осуществляется механическим насосом (Патент США N 4470450). Недостатком такого контура является то, что вся энергия, необходимая для циркуляции теплоносителя, полностью подводится извне к механическому насосу. Для обеспечения постоянства температуры кипящего теплоносителя в испарителе при различной тепловой нагрузке используются три регулятора давления, гидроаккумулятор с упругим элементом или газовой полостью. Наличие многих электромеханических узлов снижает надежность системы, а использование теплообменников с пористой структурой делает их чувствительными к механическим и газовым примесям в теплоносителе.

Известен также контур теплопереноса энергоустановки, имеющий две петли, по одной из которых осуществляется циркуляция теплоносителя через испаритель струйным сепарационным насосом, а по другой, через конденсатор-механическим насосом. В этом контуре только часть работы необходимой для циркуляции теплоносителя подводится в механическом насосе, а большая часть производится в самом контуре за счет осуществления прямого термодинамического цикла. Однако этот контур не имеет устройств, стабилизирующих температуру в испарителе при переменной тепловой нагрузке (Eletr. MHD. 1968, Vol.3. PP 2019-2033. Circulation of liquids for MHD power generation. D.J. Cerini).

Указанные недостатки частично устраняются в контуре теплопереноса с вращающимся устройством разделения жидкости (ВУРЖ), имеющем две петли, по одной из которых осуществляется циркуляция теплоносителя через испарители, а по другой, включающей пассивный клапан регулирования давления (КРД), через конденсаторы (Myron D. L. Development of a prototype two-phase thermal bus system for Space Station. AIAA-87-1628). Используются теплообменники проточного типа, нечувствительные к газовым и твердым примесям в теплоносителе. Контур имеет гидроаккумулятор с сильфоном и жидкостной полостью, подсоединенной к ВУРЖ, и паровой полостью, соединенной с линией подачи пара в конденсаторы. Стабилизация давления и температуры в испарителях осуществляется КРД. Регулирование количества жидкости в контуре с помощью гидроаккумулятора, подсоединенного к ВУРЖ. Стабилизация расхода теплоносителя через отдельные испарители при переменной нагрузке кавитирующими трубками Вентури. Подводимая к ВУРЖ энергия расходуется не только для прокачки теплоносителя по обеим петлям контура, но и для выполнения других функций ВУРЖ: сепарации двухфазной среды перед подачей пара в испарители, регенерации теплоты, регулирования количества жидкости. В силу этого насосный КПД этого устройства низок (1.2%), надежность и ресурс всего контура в основном определяется надежностью и ресурсом электромеханического агрегата ВУРЖ.

Изобретение решает задачу создания контура теплопереноса повышенной экономичности, надежности и ресурса по сравнению с известными.

Сущность изобретения состоит в том, что в контуре теплопереноса, содержащем клапан регулирования давления (КРД) две петли циркуляции теплоносителя с единым устройством разделения теплоносителя на различные состояния, гидроаккумулятор с жидкой и паровой полостями, при этом одна петля включает испаритель, вторая последовательно расположенные клапан регулирования давления, конденсатор и переохладитель, а гидроаккумулятор соединен паровой полостью с клапаном регулирования давления, во второй петле циркуляции теплоносителя между переохладителем и устройством разделения жидкости дополнительно размещен механический насос, а устройство разделения жидкости выполнено в виде струйного аппарата, включающего жидкостное и двухфазное сопла, сепаратор, два диффузора и выходной патрубок, при этом выход механического насоса соединен с жидкостным соплом, выход испарителя с двухфазным соплом, один диффузор подключен к входу испарителя, другой диффузор к жидкостной полости гидроаккумулятора, а выхлопной патрубок к жидкостной полости гидроаккумулятора.

Выполнением в струйном аппарате дополнительного диффузора и соединением его байпасной жидкостной линией со входом в переохладитель, решается задача расширения диапазона работоспособности контура при переменных тепловых нагрузках и условиях теплоотвода.

Установка в петле теплоносителя между конденсатором и переохладителем дополнительного эжектора, к которому подсоединяется байпасная жидкостная линия, повышает надежность работы механического насоса.

Повышение надежности работы испарителей, выполненных в виде параллельно включенных отдельных теплообменников достигается тем, что диффузор струйного аппарата изготавливается многосекционным, причем каждая секция последовательно подсоединяется к одному теплообменнику, а все теплообменники выходом соединяются с двухфазным соплом единой линией петли теплоносителя.

На фиг. 1 приведена схема заявляемого контура теплопереноса; на фиг. 2 - вариант контура с дополнительной байпасной жидкостной линией и дополнительным диффузором в струйном аппарате; на фиг. 3 вариант контура с эжектором, установленным между конденсатором и переохладителем; на фиг. 4 вариант контура с несколькими параллельно установленными испарителями и секционированным диффузором струйного аппарата.

Контур на фиг. 1 содержит механический насос 1, струйный аппарат, состоящий из жидкостного сопла 2, двухфазного сопла 3, сепаратора 4, диффузоров 5 и 6, выхлопного патрубка 7, испарителя 8, конденсатора 9, переохладителя 10, гидроаккумулятора 11 с сильфоном, жидкостной и паровой полостью, клапана регулирования давления (КРД) 12.

Контур на фиг. 2 дополнительно содержит байпасную жидкостную линию 13, а струйный аппарат дополнительный диффузор 14.

Контур на фиг. 3 дополнительно содержит эжектор 15.

Контур на фиг. 4 содержит несколько параллельно включенных испарителей 8 и секционированный диффузор струйного аппарата.

Рассмотрим работу контура теплопереноса.

Циркуляция теплоносителя по петле, содержащей конденсатор 9 и переохладитель 10, происходит за счет энергии, подводимой к механическому насосу 1. Насос 1 подает переохлажденную жидкость в сопло 2, струя жидкости истекает в сепаратор 4, где обменивается теплом и импульсом с двухфазной струей, поступающей из сопла 3. Отсепарированный пар через патрубок 7 и клапан регулирования давления (КРД) 12 движется к конденсатору 9, конденсируется и далее переохлаждается в переохладителе 10, после чего поступает на вход в механический насос 1. Таким образом, замыкается петля контура, содержащая конденсатор. Отсепарированный в сепараторе 4 высокоскоростной поток жидкости, имеющий температуру близкую к насыщению, с примесью пара поступает в диффузор 5, где восстанавливает свое давление. При этом включения пара конденсируются из-за повышения давления. Далее жидкость движется к испарителю 8. Двухфазный поток после испарителя расширяется в сопле 3 и истекает в сепаратор 4. Таким образом, замыкается петля контура, содержащая испаритель, циркуляция теплоносителя в котором осуществляется за счет работы струйного аппарата. На эти цели используется полезная работа термодинамического цикла, реализуемого при протекании теплоносителя по контурам или частично энергия, подводимая в механическом насосе. Регулирование количества жидкости в контуре происходит с помощью гидроаккумулятора 11, имеющего жидкостную и паровую полости, разделенные подпружиненным сильфоном. Гидроаккумулятор находится при температуре, когда пар в нем немного перегрет, а жидкость недогрета. При избытке жидкости в контуре поток отсепарированной жидкости полностью не попадает в диффузор 5, часть его поступает в диффузор 6 и отводится в гидроаккумулятор. При недостатке жидкости, она вытекает из гидроаккумулятора через диффузор 6 в контур. КРД 12 поддерживает постоянное давление в сепараторе 4, а значит и близкие к постоянным уровни давления и температуры в испарителе.

При наличии байпасной жидкостной петли 13 и дополнительного диффузора 14 (фиг. 2) часть жидкого теплоносителя циркулирует по этой петле, что позволяет оставаться работоспособным контуру вплоть до нулевой тепловой нагрузки.

В эжекторе 15 (фиг. 3) происходит повышение давления конденсата за счет энергии активной струи жидкости, циркулирующей по петле 13, что повышает кавитационный запас на входе в насос 1.

Так как в диффузор струйного аппарата 5 попадает двухфазная смесь пара и жидкости, причем в результате восстановления давления жидкости пар конденсируется, диффузор работает на критическом режиме, т.е. в некотором диапазоне противодавлений расход теплоносителя через диффузор не изменяется. Изготавливая диффузор 5 многосекционным (фиг. 4) и подсоединяя каждую секцию к одному параллельно установленному испарителю 8 можно стабилизировать расход через каждый испаритель при переменной тепловой нагрузке в них. В этом случае секции диффузора 5 выполняют функции регуляторов расхода теплоносителя через испарители подобно кавитирующим трубкам Вентури в прототипе контура.

Выполняя практически те же функции, что и ВУРЖ, струйный аппарат и эжектор не содержат электромеханических узлов и поэтому значительно надежнее, а их ресурс соизмерим с ресурсом применяемых конструкционных материалов. Ресурс механического насоса, который к тому же легко дублируется, следует ожидать выше ресурса ВУРЖ в силу имеющегося большого опыта его конструирования и эксплуатации, меньшей энергонапряженности. Предлагаемый контур экономичнее, так как энергия, подводимая извне, расходуется только для поддержания циркуляции в контуре конденсатора. Испытан прототип предлагаемого контура, показана его работоспособность. ЫЫЫ2

Использование: в системах терморегулирования космических аппаратов и наземных установок. Сущность изобретения: одна петля циркуляции теплоносителя содержит испаритель, вторая - последовательно расположенные клапан регулирования давления, конденсатор и переохладитель. Гидроаккумулятор соединен паровой полостью с клапаном регулирования давления. Вo второй петле между переохладителем и устройством разделения жидкости размещен механический насос. Устройство выполнено в виде струйного аппарата, содержащего жидкостное и двухфазное сопла, сепаратор, два диффузора и выходной патрубок. Выход механического насоса соединен с жидкостным соплом, выход испарителя - с двухфазным соплом. Один диффузор подключен к входу испарителя, другой - к жидкостной полости гидроаккумулятора, выхлопной патрубок - к жидкостной полости гидроаккумулятора. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Контур теплопереноса, содержащий две петли циркуляции теплоносителя с единым устройством разделения теплоносителя на различные состояния, гидроаккумулятор с жидкостной и паровой полостями, при этом одна петля включает испаритель, другая последовательно расположенные клапан регулирования давления, конденсатор и переохладитель, а гидроаккумулятор соединен паровой полостью с клапаном регулирования давления, отличающийся тем, что во второй петле циркуляции теплоносителя между переохладителем и устройством разделения жидкости дополнительно размещен механический насос, а устройство разделения жидкости выполнено в виде струйного аппарата, включающего жидкостное и двухфазное сопла, сепаратор, два диффузора и выходной патрубок, при этом выход механического насоса соединен с жидкостным соплом, выход испарителя с двухфазным соплом, один диффузор подключен к входу испарителя, другой диффузор к жидкостной полости гидроаккумулятора, а выхлопной патрубок к жидкостной полости гидроаккумулятора. 2. Контур теплопереноса по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит байпасную жидкостную линию и диффузор струйного аппарата, при этом последний соединен байпасной линией с входом в переохладитель. 3. Контур теплопереноса по п. 2, отличающийся тем, что байпасная линия соединена с входом в переохладитель через дополнительный эжектор, размещенный в петле теплоносителя после конденсатора. 4. Контур теплопереноса по пп. 1 3, отличающийся тем, что испаритель выполнен в виде отдельных теплообменников, подключенных последовательно к диффузору, при этом последний содержит отдельные секции, каждая из которых соединена с одним теплообменником, причем все теплообменники выходом соединены с двухфазным соплом единой линией петли теплоносителя.