ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ БОГДАНОВА КАПЕЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА - ИЗЛУЧАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК B64G1/50 

Изобретение относится к области космической техники, а конкретнее к системам охлаждения космических энергоустановок.

Наиболее близким аналогом является жидкий теплоноситель капельного теплообменника-излучателя, то есть состоящий из вещества, являющегося жидкостью при температуре входа капельного теплообменника-излучателя. Этот теплоноситель испытывает прямой тепловой контакт с охлаждаемым объектом за счет теплопроводности, забирает у него тепло, выбрасывается генератором капель через сопло в космическое пространство, образуя при этом капли с формой, близкой к сферической, перемещается по направлению к коллектору, радиационно охлаждаясь, при этом захватывается коллектором, и цикл повторяется (Мэттик А. Т. Тауссиг Р.Т. Системы с капельным радиатором для терморегулирования в космической технике.

Недостатками этого теплоносителя является малый коэффициент теплового излучения капли, формируемой из него генератором капель (невозможность формирования из него капель с радиусом меньше 50 микрон), а также малое отношение мощности капельного теплообменника-излучателя, использующего этот теплоноситель, к его весу.

Технической задачей изобретения является увеличение отношения мощности капельного теплообменника-излучателя к его весу.

Задача решается тем, что теплоноситель капельного теплообменника-излучателя, содержащий вещество, являющееся жидкостью при максимальной рабочей температуре капельного теплообменника-излучателя, например, жидкий металл, снабжен твердыми частицами другого вещества, находящегося в нем в виде взвеси, температура плавления которого выше этой температуры и которое не смачивается первым веществом в диапазоне рабочих температур от этой температуры до температуры плавления первого вещества, то есть краевой угол при их контакте превышает 90 градусов, например, он содержит жидкий алюминий и частицы размером 40 микрон диборида циркония, находящиеся в жидком алюминии в виде взвеси, а максимальная рабочая температура составляет 1040 градусов Кельвина. Плотность веществ, составляющих теплоноситель и находящихся в твердой и жидкой фазе при максимальной рабочей температуре, различаются при ней более чем на 5 процентов. Коэффициент теплового излучения твердых частиц превышает аналогичный параметр другой компоненты теплоносителя в диапазоне рабочих температур теплообменника-излучателя. Один из линейных размеров частицы твердого вещества существенно, например, более чем в два раза больше или меньше остальных ее линейных размеров, например, она имеет форму вытянутого стержня или сплюснутой пластины.

Такое выполнение теплоносителя капельного теплообменника-излучателя позволит увеличить коэффициент теплового излучения капель теплоносителя и дополнительно дает возможность отделения от сформированных капель теплоносителя во время их радиационного охлаждения в космическом пространстве отдельных частиц твердого вещества, которые также радиационно охлаждаются, что значительно увеличивает общую, суммарную с каплями поверхность радиационного излучения тепла без увеличения массы теплоносителя. Эти два фактора приводят к увеличению мощности капельного теплообменника-излучателя без увеличения его веса.

Твердые частицы изготавливаются плазменным напылением порошков через маски. Маски изготавливают методом фотолитографии. Частицы изготавливаются такими, чтобы один из их линейных размеров был существенно, например, более чем в два раза больше или меньше остальных их линейных размеров. Например, изготавливаются узкие вытянутые пластины треугольного сечения с размерами: длина 40 микрон, ширина 15 микрон, толщина 5 микрон. Углы пластин сделаны округлыми, сглаженными. В случае, если твердые частицы сильно вытянуты, они могут иметь линейные размеры не только меньше выходного диаметра сопла генератора капель теплообменника-излучателя, но и больше этой величины. В последнем варианте сечение сопла сделано суживающимся по направлению к выходу и на его оси установление перегородка в виде пластины, соединяющей его края. Длина твердой частицы в этом случае не превышает двух диаметров сопла. Оптимальное соотношение по объему присутствующих в теплоносителе первого вещества и твердых частиц выбирается экспериментальным методом последовательного подбора. Ориентировочное соотношение две части первого вещества и одна часть твердых частиц. Частицы твердого вещества находятся в первом веществе в виде взвеси, которая, например, может быть получена перемешиванием этих веществ в центрифуге.

Частицы твердого вещества могут быть также изготовлены из материалов, обладающего эффектом сохранения памяти, выражающегося в том, что при температуре входа теплообменника-излучателя частицы из этого материала, в виде длинных тонких стержней, сворачиваются в виде спирали или пружины, а при понижении температуры распрямляются. Длина частиц в распрямленном состоянии превышает незначительно два диаметра сопла, а в сжатом состоянии несколько меньше радиуса сопла (имеется в виду расстояние между концами пружины или спирали). С одного конца частицы чуть толще или шире при одинаковой толщине, чем с другого (стержень имеет конусность порядка градуса).

Теплоноситель работает следующим образом.

Его нагревают до температуры плавления первого вещества, и когда оно расплавится, теплоноситель заливают в контур охлаждения космической энергоустановки (охлаждаемого объекта), в котором она испытывает с ней прямой тепловой контакт за счет теплопроводности, забирает у нее тепло, охлаждает ее и сам нагревается при этом дополнительно. Из контура охлаждения космической энергоустановки (охлаждаемого объекта) теплоноситель под давлением поступает на генератор капель капельного теплообменника-излучателя, через сопло которого теплоноситель выдавливается в космическое пространство. На расстоянии примерно 4,5 диаметра сопла от него образуется капля теплоносителя диаметров примерно два диаметра сопла, которая за счет вибрации генератора капель отделяется от струи теплоносителя и направляется к коллектору. Некоторая часть твердых частиц внутри капли теплоносителя соприкасается с ее внешней поверхностью и часть их поверхности выходит наружу этой поверхности. Поскольку материала твердых частиц не смачивается первым веществом (краевой угол при их контакте превышает 90 градусов), то на поверхности этих твердых частиц появляется область, свободная от первого вещества. Внутри капли силами поверхностного натяжения первого вещества поддерживается давление, равное:

где
σ коэффициент поверхностного натяжения первого вещества,
r радиус капли.

Область поверхности твердой частицы, вышедшей на поверхность капли и свободной от первого вещества за счет явления несмачиваемости, постепенно увеличивается, на твердую частицу также изнутри капли действует сила давления, вызываемого силами поверхностного натяжения поверхности капли, определяемого выражением (1). Если бы частица находилась полностью внутри капли, то результирующий вектор силы давления был бы равен нулю, но поскольку часть поверхности твердой частицы находится вне первого вещества, то на эту часть поверхности давление не скомпенсировано, и результирующий вектор силы суммарного давления, действующий на твердую частицу, уже не равен нулю и начинает выталкивать твердую частицу за пределы капли. За счет этой силы, а также за счет явления несмачиваемости, твердая частица выходит за пределы капли и отделяется от нее.

Твердые частицы могут быть настолько тонкими, что они будут перемещаться за счет броуновского движения и вращаться вокруг своего центра тяжести при соударениях друг с другом и с молекулами первого вещества. Такие перемещения и вращения твердых частиц увеличивают вероятность выхода участка поверхности твердой частицы на край капли и последующего выталкивания ее из капли. Двигаясь по направлению к коллектору, капли и отделенные от них твердые частицы радиационно охлаждаются, отдавая тепло в космическое пространство в виде теплового излучения. Поскольку отношение площади поверхности твердой частицы на единицу ее веса значительно превышает аналогичную величину для капли, так как у твердой частицы не только меньше размеры, но они и специально подобраны, чтобы эта величина была наибольшей (частица или тонкая или вытянутая), то отделение твердых маленьких частиц от капли резко увеличивает суммарную излучающую поверхность, что ведет к росту мощности излучения тепла без увеличения веса теплоносителя. После прихода капель и отдельных твердых частиц на коллектор они снова смешиваются, поступают в месте на трубопровод и насос, давление вновь смешанного теплоносителя сравнивается с давлением в контуре охлаждения энергоустановки, и все повторяется.

Произойдет или не произойдет отделение твердых частиц от капель, зависит от многих внутренних молекулярных параметров, в первую очередь, от соотношения сил вязкости, давления, обусловленного поверхностным натяжением первого вещества и явлением несмачиваемости твердой частицы первым веществом в жидком состоянии. Если отделения твердых частиц не происходит, то все равно осуществляется увеличение мощности теплоотдачи теплообменником-излучателем за счет того, что на поверхность капли теплоносителя выходит несколько твердых частиц, коэффициент теплового излучения которых в интервале рабочих температур теплообменника-излучателя превосходит аналогичную величину для первого вещества. Например, частица из диборида циркония при температурах от 1100 градусов Кельвина до 1500 градусов Кельвина имеет коэффициент теплового излучения от 0,86 до 0,91 соответственно, в то время как для алюминия эта величина не превосходит 0,1. Увеличить вероятность отделения твердых частиц от капли можно четырьмя способами.

1. Теплообменник-излучатель не содержит устройства, ускоряющего капли во время их движения от генератора капель к коллектору. Имеется два варианта.

1.1. В сопле генератора капель в плоскости оси сопла ставится перегораживающая сопло тонкая перегородка. Сечение сопла по направлению к выходу из него постепенно перед этой перегородкой сужается. Твердые частицы делаются узкими, вытянутыми, их длина превышает радиус выходного отверстия и сопла, но не превышает его диаметр. Поток теплоносителя увлекает твердые частицы за собой и выбрасывает их через сопло. Если твердые частицы движутся так, что их наибольший линейный размер перпендикулярен оси сопла, то около перегородки они с ней сталкиваются и переворачиваются наибольшим линейным размером вдоль оси сопла и спокойно проплывают вдоль оси сопла мимо перегородки по направлению к выходу из сопла.

1.2. Твердые частицы сделаны из материала, обладающего эффектом памяти формы, который подобран так, что при максимальной рабочей температуре (температуре входа) теплообменника-излучателя длинные узкие твердые частицы свернуты в спираль или в пружину, а при понижении температуры распрямляются. В этом случае перед выходным отверстием сопла твердые частицы сворачиваются и спокойно через сопло проходят. Когда капля теплоносителя несколько радиационно охладится, то твердая частица "вспоминает" свою первоначальную форму (или "забывает") и распрямляется. При этом один из концов твердой частицы выходит за пределы капли и ее выталкивает за пределы капли рассмотренным выше физическим механизмом. В случае, если за пределы капли выходят обе конца твердой частицы, то поскольку один из концов сделан толще другого, то на концы будут действовать разные силы, и одна из них наверняка окажется больше другой и вытолкнет твердую частицу.

2. Теплообменник-излучатель имеет устройство, дополнительно ускоряющее капли, например, капли электрически заряжаются и ускоряются по направлению к коллектору электрическим полем. В другом случае теплоноситель содержит ферромагнетик, например содержит ферромагнитную жидкость (первое вещество), или твердые частицы сделаны из ферромагнитного вещества, и капли теплоносителя, притягиваются магнитным полем к коллектору. В частном случае первого примера около генератора капель может быть установлена ускоряющая система электродов.

Могут быть применены первые два варианта (1.1, 1.2), а также третий и четвертый варианты.

2.1. Твердые частицы выполняются из материала, более чем на 5 процентов отличающегося по плотности от первого вещества. Капли некоторое время после отделения от генератора капель движутся ускоренно. На частицы твердого вещества, плавающие в расплавленном первом веществе, действует некоторая инерционная сила, эквивалентная сила тяжести (так как движение ускоренное). Под действием этой силы твердые частицы либо "тонут" в первом веществе, либо, за счет архимедовой силы, "всплывают", соответственно, если их плотности больше или меньше плотности первого вещества. Двигаясь, соответственно, вдоль вектора ускорения или против него. В обоих случаях частицы твердого вещества движутся к поверхности капли, касаются, "прокаливают" ее и выталкиваются из капли, как было описано выше, силой давления поверхностного натяжения капли и явлением несмачивания.

2.2. Теплоноситель содержит твердые частицы из ферромагнитного материала, а первое вещество ферромагнитном не является. В качестве первого вещества может быть использовано какое-нибудь масло. Комбинация жидкий металл - ферромагнетика скорее всего не проходит, поскольку ферромагнетик металл с жидким металлом обычно смачиваются. Исключением может быть стеклоферрит (из этого материала изготавливаются головки магнитофонов), твердые частицы из которого являются ферромагнитными и могут не смачиваться подобранным для них жидким металлом. Ферромагнитные твердые частицы притягиваются магнитным полем коллектора и за счет этого входят из капли теплоносителя.

Выигрыш в отношении мощности капельного теплообменника-излучателя к его весу с применением теплоносителя колеблется от десятков процентов до нескольких раз в зависимости от конкретной конструкции теплообменника-излучателя и состава теплоносителя. Если эта конструкция и состав теплоносителя таковы, что отделения твердых частиц от капель не происходит, то указанное отношение увеличивается на десятки процентов, если отделение в процессе транспортировки от генератора капель к коллектору происходит, то возможно добиться увеличения этого отношения в несколько раз.

Использование: в области космической техники, а конкретнее в системах охлаждения космических энергоустановок. Сущность изобретения теплоноситель капельного теплообменника-излучателя содержит вещество, которое является жидкостью при максимальной рабочей температуре капельного теплообменника-излучателя, например, жидкий металл, в котором в виде взвеси находятся твердые частицы вещества, температура плавления которого выше этой температуры, и которое не смачивается первым веществом в диапазоне температур от этой температуры до температуры плавления первого вещества, то есть краевой угол при их контакте превышает 90 градусов, теплоноситель выполнен из жидкого алюминия и содержит частицы размером 40 микрон диборида циркония, а максимальная рабочая температура составляет 1040 градусов Кельвина. Плотности веществ, составляющих теплоноситель, находящихся в твердой и жидкой фазах при максимальной рабочей температуре, различаются при ней более чем на пять процентов. Коэффициент теплового излучения твердых частиц превышает аналогичный параметр другой компоненты теплоносителя в диапазоне рабочих температур теплообменника-излучателя. Один из линейных размеров твердой частицы существенно, например, более чем в два раза, больше или меньше остальных ее линейных размеров, например, она имеет форму вытянутого стержня или сплюснутой пластины. 3 з.п. ф-лы.

1. Теплоноситель капельного теплообменника-излучателя, содержащий вещество, которое является жидкостью при максимальной рабочей температуре капельного теплообменника-излучателя, например жидкий металл, отличающийся тем, что он снабжен твердыми частицами другого вещества, находящегося в нем в виде взвеси, температура плавления которого выше этой температуры и которое не смачивается первым веществом в диапазоне рабочих температур от этой температуры до температуры плавления первого вещества, то есть краевой угол при их контакте превышает 90^o, например, он содержит жидкий алюминий и частицы размером 40 мкм диборида циркония, находящиеся в жидком алюминии в виде взвеси, а максимальная рабочая температура составляет 1040 К. 2. Теплоноситель по п.1, отличающийся тем, что плотности веществ, составляющих теплоноситель и находящихся в твердой и жидкой фазах при максимальной рабочей температуре, различаются при ней более чем на 5%
3. Теплоноситель по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент теплового излучения твердых частиц превышает аналогичный параметр другой компоненты теплоносителя в диапазоне рабочих температур теплообменника-излучателя. 4. Теплоноситель по п.1, отличающийся тем, что один из линейных размеров твердой частицы существенно, например, более чем в два раза, больше или меньше остальных ее линейных размеров, например, она имеет форму вытянутого стержня или сплюснутой пластины.