ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1998 года по МПК F28D11/02 

Изобретение относится к теплообменнику, в особенности для космических летательных аппаратов, в виде капельного радиатора с генератором капелек, коллектором капелек, а также устройством возврата для охлаждающей жидкости.

Теплообменники этого рода стали известными из статьи Дж. Перссона "Ликвид Дроплет Рэйдиэйтор Ресерч" в ЕWР-1579, ESTEC 1990. Вследствие своей высокой производительности по сравнению с обычными радиаторами той же массы и вследствие меньшей их чувствительности к метеоритным ударам они становятся все более применяемыми в технике космических полетов.

Увеличенная производительность таких теплообменников основана на том, что в капельном радиаторе подлежащее отдаче тепло идет не через обходный путь через материал радиатора, а отдается охлаждающей жидкостью прямо в космос. Вместо обычного радиатора используется свободно движущееся через космос облачко капелек. Эти капельки, которые получают в генераторе капелек, пролетают через участок космоса, отдавая свое тепло, и затем они собираются в коллекторе капелек, чтобы оттуда их подать к месту забора тепла, как правило, с использованием перекачки насосом. Местом забора тепла, как правило, служит обычный теплообменник.

В основе изобретения стоит задача так выполнить теплообменник указанного в начале рода, чтобы он при минимальной массе системы имел бы максимальную эффективность.

Эта задача решается по изобретению теплообменником с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения.

Теплообменник по изобретению похож по своей конструкции на вращающееся колесо, на оси которого создаются капельки и оттуда разбрызгиваются наружу по радиусам, с тем, чтобы потом они были уловлены ободом и оттуда отправлены обратно к месту забора тепла.

Существенные преимущества теплообменника по изобретению, кроме высокой эффективности, хорошая регулируемость и большая гибкость в смысле возможного развития системы.

Высокая эффективность теплообменника по изобретению основана, при этом, прежде всего на использовании центробежной силы как для возврата охлаждающей жидкости, так и для стабилизации коллекторной конструкции.

Добавочные преимущества следуют из развитий теплообменника по изобретению, указанных в подчиненных пунктах формулы изобретения.

Так, хорошая регулируемость коллектора может быть достигнута отключением отдельных секторов генератора капелек без неприятностей для потока. Далее без больших конструктивных усложнений вторичный контур обращения может быть интегрально выполнен в коллекторе. Он, с одной стороны, еще дальше снижает расходы по обратному отводу диспергированной охлаждающей жидкости, а с другой стороны, добавочно повышает стабильность коллектора.

Применение такого вторичного контура обращения имеет притом еще то преимущество, что оно существенно облегчает выбор охлаждающей жидкости для первичного контура обращения, так как снижает требуемую для возврата жидкости мощность насоса. Эта охлаждающая жидкость при рабочих температурах с одной стороны должна иметь малую вязкость, а с другой стороны, малое давление паров. Этим предотвращается слишком сильное испарение охлаждающей жидкости на пути от генератора капелек к коллектору, и снижается требуемая мощность насоса. Так как, однако, вязкость и давление пара в применяемых в качестве хладагентов жидкостях, как правило, изменяются в противоположном направлении, то возникает трудность, которая может быть преодолена вводом вторичного контура обращения и изменением процесса управления в результате этого.

Особо простое, легкое и требующее малого объема для транспортировки исполнение теплообменника по изобретению получается притом, если коллектор образован из пластмассового шланга, который надувается хладагентом второго контура обращения.

Сущность изобретения поясняется ниже чертежами, на которых показаны частичные разрезы различных теплообменников по изобретению.

Показанный на фиг. 1 капельный радиатор имеет форму колеса, в котором внешняя стенка 1 некоторым количеством спиц 2 соединена с приводным валом 3. Приводной вал 3 в случае представленного примера исполнения изобретения на части своей длины одновременно служит генератором капелек 4 из подводимого потока охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость попадает через вход 5 в полую часть приводного вала 3 и в генератор 4. Стенка 1 имеет форму открытого по концам симметричного тела вращения V-образного профиля, в самой глубокой части которого закреплены спицы 2. Эти спицы 2 в описанном здесь примере исполнения одновременно являются трубопроводами обратной подачи, через который собранная в стенке жидкость в виде капель ведется в расположенный в приводном валу 3 трубопровод возврата 6, и через него к насосу. Этот насос, так же как и блок привода во вращение системы, на эскизе не изображены. Устройство завершается теплообменником обычного типа, в котором подлежащее отводу тепло передается на охлаждающую жидкость, и откуда охлаждающая жидкость попадает на вход 5, так что капельный радиатор, насос и этот обычный теплообменник вместе образуют замкнутую систему для охлаждающей жидкости.

Блок привода во вращение через приводной вал 3 все устройство приводит во вращение относительно центральной оси, так что полученные в генераторе 4 капельки под действием центробежной силы летят к коллектору 1.

Отданное в обычном теплообменнике охлаждающей жидкости тепло отдается жидкостью на ее пути от генератора капелек 4 к коллектору 1 в окружающее пространство, в данном случае космическое окружение, которое имеет свободный доступ к капелькам в объеме между спицами 2. Уловленные коллектором 1 капельки под действием центробежной силы вжимаются в образованный спицами 2 отсасывающий трубопровод 6 и подаются также с помощью насоса к месту забора тепла, в данном случае к обычному теплообменнику.

Тогда как в описанном выше устройстве как генератор капелек, так и отсасывающий трубопровод вращаются вместе с коллектором, в изображенном на фиг. 2 примере исполнения только коллектор приводится во вращательное движение, тогда как генератор и отсасывающий трубопровод выполнены неподвижными. Это достигается разделением внешней конструкции генератора капелек, т.е. стенки II, спиц (не показанных здесь), а также приводного вала 13 от генератора капелек 14 и от отсасывающей трубы 17. Отсасывающая труба 17, в свою очередь, через обратный трубопровод 16 соединена с насосом, тогда как генератор 14, выполненный в этом случае кольцевым, соединен с местом забора тепла, т.е. обычным теплообменником, посредством подводящего трубопровода 15.

В схематично показанном на фиг. 3 примере исполнения, наконец, показан вторичный контур обращения, интегрально выполненный в коллекторе капелек. Рубашка коллектора 21 для этой цели выполнена полой внутри, и получившаяся полость составляет часть вторичного контура обращения 28. Возврат охлаждающей среды первичного контура производится в этом примере исполнения аналогично показанному на фиг. 1, через спицы 22 колеса. Само собой понятно, что в рамках изобретения также возможно устройство, показанное на фиг. 2, оборудовать вторичным контуром обращения.

Использование: теплообменник для космических летательных аппаратов. Сущность: теплообменник выполнен в виде радиатора с капельками, причем коллектор капелек имеет форму вращающегося относительно его оси симметрии и симметричного относительно оси тела вращения, предпочтительно колеса, и причем генератор 4 капелек расположен в области оси симметрии. Возврат охлаждающей жидкости производится либо через спицы 2, на которых удерживается коллектор капелек, либо через отдельный отсасывающий трубопровод. Добавочно в коллекторе капелек может быть интегрально выполнен вторичный контур обращения охладителя. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменник предпочтительно для космических летательных аппаратов в виде радиатора с капельками, с генератором капелек, коллектором капелек, а также устройством обратной подачи для охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что коллектор капелек имеет форму открытого по концам симметричного тела вращения, а генератор капелек расположен в области оси симметрии коллектора капелек, причем по меньшей мере коллектор капелек выполнен с возможностью вращательного движения относительно его оси симметрии. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что коллектор капелек выполнен в виде стенки колеса, которая посредством спиц удерживается на приводном валу. 3. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что спицы выполнены в виде возвратного трубопровода для охлаждающей жидкости. 4. Теплообменник по п.2 или 3, отличающийся тем, что генератор капелек выполнен в виде составной части приводного вала. 5. Теплообменник по п.2 или 3, отличающийся тем, что генератор капелек кольцеобразно окружает приводной вал. 6. Теплообменник по одному из пп.1 5, отличающийся тем, что добавочно к первичному контуру обращения охладителя, образованному генератором капелек и коллектором капелек, предусмотрен вторичный контур обращения охладителя. 7. Теплообменник по п.6, отличающийся тем, что вторичный контур обращения охладителя частично расположен внутри выполненного полым коллектора капелек. 8. Теплообменник по п.7, отличающийся тем, что коллектор капелек образован пластмассовым шлангом.