ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании систем охлаждения энергетических установок (ЭУ), преимущественно космических и ядерно-энергетических.

Известна жидкометаллическая система охлаждения (СО) космической ядерно-энергетической установки (ЯЭУ) "Топаз" в виде циркуляционного контура с жидкометаллическим теплоносителем - эвтектическим сплавом NaK с температурой плавления минус 11^oС [1]. Запуск ЯЭУ с такой СО возможен лишь в случае, если в процессе вывода и до пуска ЯЭУ теплоноситель будет в жидком состоянии. Поэтому для обеспечения надежного запуска ЯЭУ теплоноситель на стартовом комплексе разогревается от наземного источника электроэнергии, а запуск ЯЭУ в космосе должен быть проведен в течение ограниченного времени, пока теплоноситель не замерз.

Близка к изобретению по технической сущности СО на основе жидкометаллического контура (ЖМК) космических ЯЭУ с литиевым теплоносителем [2]. Так как температура плавления лития 181^oС, то в такой ЯЭУ доставка ЯЭУ на орбиту функционирования производится с замороженным теплоносителем (литием), а на рабочей или промежуточной орбите пуска ЯЭУ производится сначала расплавление лития, а потом пуск ЯЭУ.

Для расплавления лития ЖМК снабжен специальной пусковой системой, выполненной, например, на основе незамерзающего теплоносителя - газа гелия или эвтектического сплава NaKCs. Для расплавления лития в СО встроен пусковой контур с NaKCs, например, в виде трубы с незамерзающим теплоносителем внутри трубопроводов с Li. Подняв мощность реактора на относительно небольшой уровень, тепло из реактора с помощью пускового контура разносится по ЖМК СО, постепенно расплавляя литий. После расплавления лития пусковая система отключается, включается насос МЖК СО, и тепло уже переносится литиевым теплоносителем, а пусковой контур отключается.

Однако такая жидкометаллическая СО с рассмотренной пусковой системой достаточно сложна, требует прохождения элементов пускового контура во всех агрегатах ЖМК, включая насос, компенсаторы объема и т.п.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является жидкометаллическая СО энергетической установки, предложенная в [3]. СО содержит трубопроводы, часть которых размещена внутри источника тепла (в виде реактора энергетической установки), насос и арматуру с размещенным внутри них теплоносителем, например литием, изначально находящимся в замороженном состоянии, причем на наружной поверхности расположенных вне источника тепла трубопроводов, насоса и арматуры размещено устройство для расплавления теплоносителя. Устройство для расплавления теплоносителя выполнено в виде размещенного через слой электроизоляции электропроводника, снабженного клеммами для подключения к источнику электропитания.

Однако такая жидкометаллическая СО с рассмотренным устройством для расплавления теплоносителя (пусковой системой) требует больших затрат электроэнергии и соответсвенно большой массы пусковых источников тока, например аккумуляторных батарей.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является снижение энергозатрат на расплавление теплоносителя путем обеспечения расплавления теплоносителя и пуска источника тепла без затрат электроэнергии. Тем самым обеспечивается уменьшение массы пусковых источников электроэнергии и, следовательно, массы всей установки.

Указанный технический результат достигается в жидкометаллической СО, содержащей трубопроводы, часть которых размещена внутри источника тепла, насос и агрегаты контура с размещенным внутри них теплоносителем, изначально находящимся в замороженном состоянии, причем у наружной поверхности расположенных вне источника тепла трубопроводов, насоса и агрегатов контура размещено устройство для расплавления теплоносителя, которое выполнено в виде тепловой трубы (ТТ), зона испарения которой размещена внутри источника тепла, а расположенные вне источника тепла трубопроводы, насос и агрегаты контура проложены вдоль зоны конденсации тепловой трубы, причем зона конденсации ТТ и расположенные вне источника тепла трубопроводы, насос и агрегаты контура окружены общей теплоизоляцией. В качестве рабочего тела ТТ могут быть использованы щелочные металлы - натрий, калий или литий. Общая теплоизоляция может быть выполнена экраной или экранно-вакуумной.

На фиг. 1 в качестве примера приведена схема, а на фиг.2-4 - поясняющие фрагменты жидкометаллической СО теплотехнического модуля с литиевым теплоносителем системы охлаждения энергоустановки с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) и холодильником-излучателем (ХИ). В качестве источника тепла используется макет кассеты реактора, в котором тепловыделяющие элементы (твэлы) заменены на электронагреватели (ЭН). Во всем остальном макетируется модуль системы охлаждения энергоустановки с литиевым теплоносителем.

Жидкометаллическая СО представляет собой циркуляционный контур в виде по крайней мере двух размещенных вне источника тепла 1 трубопроводов 2 и 3, насоса 4, агрегатов 5 контура, например, компенсатора объема. В состав циркуляционного контура СО входят также участки трубопроводов, например, в виде межтрубного пространства 6 источника тепла 1, входной 7 и выходной 8 коллекторы теплоносителя источника тепла 1 и коллектор 9 системы 10 сброса тепла, например холодильника-излучателя. Источник тепла 1 содержит нагреватели 11 в виде электронагревателей (ЭН) или твэлов реактора, например термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС). В состав СО входит устройство для расплавления теплоносителя, выполненное в виде тепловой трубы (ТТ) с зоной испарения 12, адиабатической зоной 13 и зоной конденсации 14. Внутри тепловой трубы размещены гидравлически соединенные между собой капиллярные структуры 15, 16 и 17 зон испарения, адиабатической и конденсации соответственно. Зона испарения 12 ТТ размещена внутри источника тепла 1, а вдоль зоны конденсации 14 ТТ размещены расположенные вне источника тепла 1 трубопроводы 2 и 3, насос 4 и агрегаты 5 контура. Размещенные внутри ТТ гидравлически соединенные между собой капиллярные структуры 15, 16 и 17 зон испарения, адиабатической и конденсации соответственно заполнены жидким рабочим телом, в качестве которого могут быть использованы щелочные металлы - натрий, калий или литий. Внутри капиллярных структур 15, 16 и 17 ТТ находятся участки 18, 19 и 20 так называемого свободного объема зон испарения 15, адиабатической 16 и конденсации 17 соответственно. В исходном состоянии (до начала работы) участки 18, 19 и 20 свободного объема отвакуумированы, а в рабочем состоянии заполнены паром рабочего тела. Зона конденсации 14 ТТ и расположенные вне источника тепла трубопроводы 2 и 3, насос 4 и агрегаты 5 контура могут быть окружены общей теплоизоляцией 21, которая может быть выполнена экраной или экранно-вакуумной. Внутри трубопроводов 2 и 3, насоса 4, агрегатов 5, входного 7 и выходного 8 коллекторов источника тепла 1 и коллектора 9 системы 10 сброса тепла, а также в межтрубном простанстве 6 находится теплоноситель 22, например натрий или литий, который в исходном состоянии находится в замороженном состоянии (в твердом виде).

Жидкометаллическая СО работает следующим образом.

До вывода на рабочий уровень мощности источника тепла 1 теплоноситель 22 в виде натрия или лития как в межтрубном пространстве 6 источника тепла 1, так и в трубопроводах 2 и 3, насосе 4, агрегате 5, коллекторах 7, 8 и 9 находится в замороженном (твердом) состоянии. Рабочее тело ТТ, например натрий, калий или литий, как правило, находится в гидравлически соединенных между собой капиллярных структурах 15, 16 и 17 в жидком или твердом состоянии. После соответствующих проверок подается команда на подъем тепловой мощности источника тепла 1 до некоторого промежуточного уровня мощности. Включаются ЭН 11 (если это ЯЭУ, то производится подъем мощности реактора как источника тепла 1 до некоторого промежуточного уровня). За счет выделения тепла в ЭН 11 (или твэлах, например ЭГС, реактора) источника тепла 1 тепло передается находящемуся в межтрубном пространстве 6 замороженному теплоносителю 22, в результате чего он плавится внутри источника тепла 1 (например, в активной зоне ТРП). Постепенно за счет процессов теплопроводности расплавляется теплоноситель 22 и в коллекторах 7 и 8. Одновременно происходит нагрев находящейся в источнике тепла 1 зоны испарения 12 ТТ. Рабочее тело ТТ, в качестве которого может быть использован один из щелочных металлов, например натрий, калий или литий, нагревается и испаряется с поверхности капиллярной структуры 15 зоны испарения 12 внутрь свободного объема 18 зоны испарения 12 ТТ. Пар через свободный объем 19 адиабатической зоны 13 пар перемещается в свободный объем 20 зоны конденсации 14, снаружи которого расположены трубопроводы 2 и 3 с замороженным теплоносителем. Здесь пар рабочего тела ТТ конденсируется на капиллярной структуре 17, отдавая ей тепло (теплоту конденсации), а кондесат (рабочее тело в жидком состоянии) за счет капиллярных сил капиллярных структур 17, 16 и 15 возвращается в капиллярную структуру 15 зоны испарения 12. Тепло с наружной поверхности зоны конденсации 14 ТТ передается трубопроводам 2 и 3, а затем насосу 4, агрегату 5, коллектору 9 с находящимся внутри них замороженным теплоносителем. Замороженнй теплоноситель сначала нагревается, а затем, после достижения температуры плавления, плавится. В теплоносителе 22 сначала в трубопроводах 2 и 3 образуется так называемая граница зоны плавления. После расплавления части теплоносителя в трубопроводах 2 и 3 граница зоны плавления перемещается в сторону насоса 4. Одновременно происходит дальнейшее плавление теплоносителя 22 в трубопроводах 2 и 3 с постепенным перемещением границы плавления в сторону насоса 4. Наконец граница плавления теплоносителя достигнет насоса 4, где произойдет плавление находящегося внутри теплоносителя 22. Аналогичным образом граница плавления теплоносителя достигнет сначала агрегата 5 (например, компенсатора объема), а затем и коллектора 9, где также произойдет плавление теплоносителя. Наконец, весь теплоноситель 22 в межтрубном пространстве 6 и коллекторах 7 и 8 источника тепла 1, во всех участках трубопроводов 2 и 3, насосе 4, агрегате 5, коллекторе 9 будет расплавлен, т.е. во всем циркуляционном контуре теплоноситель будет в жидком состоянии. Наличие теплоизоляции 21, окружающей зону испарения 14 ТТ с трубопроводами 2 и 3, насосом 4 и агрегатом 5, позволяет экономить тепло и тем самым сократить время расплавления теплоносителя в циркуляционном контуре жидкометаллической СО. После расплавления теплоносителя 22 (изначально находящегося в замороженном состоянии) во всем циркуляционном контуре жидкометаллической СО запускается насос 4, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя 22 в циркуляционном контуре СО. Мощность источника тепла 1 поднимается до рабочего значения, тепло из источника тепла 1 с помощью циркуляции теплоносителя 22 передается в коллектор 9 системы сброса тепла 10, например холодильнику-излучателю космической ЯЭУ, с которого тепло излучается.

С помощью рассматриваемой системы расплавления теплоносителя в виде ТТ может быть произведено санкционированное замораживание теплоносителя во всех агрегатах циркуляционного контура жидкометаллической СО (например, при останове энергетической установки). Для этого понижают тепловую мощность источника тепла 1 до уровня, при которой был включен насос 5 при запуске циркуляционного контура. Насос выключают, после чего тепло из источника тепла 1 к системе 10 сброса тепла доставляется лишь ТТ в результате описанных выше процессов испарения рабочего тела ТТ в зоне испарения 12 и конденсации пара рабочего вещества в зоне конденсаии 14. Для замораживания теплоносителя производят дальнейшее постепенное понижение тепловой мощности ЭН 11. В результате при снижении мощности понижается температура зоны испарения 12, уменьшается расход рабочего тела ТТ, вследствие чего понижается температура и зоны конденсации 14. Давление пара рабочего тела в свободных объемах 18, 19 и 20 понижается. Так как после этого тепла в коллектор 9 поступает мало, а в то же время тепло сбрасывается системой 10 сброса тепла, то температура теплоносителя в коллекторе 9 понижается, а при достижении температуры плавления теплоносителя теплоноситель 22 в коллекторе 9 замерзает, т.е. перходит из жидкого состояния в замороженное твердое. При дальнейшем понижении тепловой мощности ЭН 11 давление рабочего тела (пара натрия, калия или лития) в свободных объемах 18, 19 и 20 еще понижается, Соответственно, из-за непоступления тепла сначала в агрегат 5, а затем в насос 4 и премыкающие к источнику тепла 1 участки трубопроводов 2 и 3 и в то же время имеющихся неизбежных тепловых потерь теплоноситель в них охлаждается, а затем и замерзает. После этого ЭН 11 полностью выключают, и за счет тепловых потерь с наружной поверхности источника тепла 1 и коллекторов 7 и 8 в них также замерзает теплоноситель 22. Таким образом теплоноситель циркуляционного контура жидкометаллической СО снова находится в замороженном состоянии.

Аналогичным образом обеспечивается повторный запуск с замороженным состоянием теплоносителя.

Источники информации
1. Богуш И.П., Грязнов Г.М., Жаботинский Е.Е. и др. Космическая термоэмиссионная ЯЭУ по программе "Топаз". Принципы конструкции и режимы работы. Атомная энергия, т.70, вып.4, 1991 г., с.211-214.

2. Агеев В.П., Быстров П.И., Визгалов А.В. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экпедиционного комплекса. Ракетно-космическая техника. Научн-техн. сб. , вып.1 (134), ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП 1992, с.25-31.

3. Патент RU 2090466 С1, МКИ 6 В 64 G 1/42. Система охлаждения космической энергетической установки / В.К. Гришин, В. В. Синявский // 20.09.97. Бюл. 26.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании систем охлаждения энергетических установок. Жидкометаллическая система охлаждения содержит трубопроводы, часть которых размещена внутри источника тепла, насос и агрегаты контура с размещенным внутри них теплоносителем, изначально находящимся в замороженном состоянии. У наружной поверхности расположенных вне источника тепла трубопроводов, насоса и агрегатов контура размещено устройство для расплавления теплоносителя, выполненное в виде тепловой трубы. Зона испарения тепловой трубы размещена внутри источника тепла, а расположенные вне источника тепла трубопроводы, насос и агрегаты контура проложены вдоль зоны конденсации тепловой трубы. Зона конденсации тепловой трубы и расположенные вне источника тепла трубопроводы, насос и агрегаты контура окружены общей теплоизоляцией, выполненной, например, экранной или экранно-вакуумной. В качестве рабочего тела газонаполненной тепловой трубы могут быть использованы щелочные металлы - натрий, калий, литий. Использование изобретения позволит снизить энергозатраты на расплавление теплоносителя путем обеспечения расплавления теплоносителя и пуска источника тепла без затрат электроэнергии. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Жидкометаллическая система охлаждения, содержащая трубопроводы, часть которых размещена внутри источника тепла, насос и агрегаты контура с размещенным внутри них теплоносителем, изначально находящимся в замороженном состоянии, и устройство для расплавления теплоносителя, отличающаяся тем, что устройство для расплавления теплоносителя выполнено в виде тепловой трубы, зона испарения которой размещена внутри источника тепла, а расположенные вне источника тепла трубопроводы, насос и агрегаты контура проложены вдоль зоны конденсации тепловой трубы, причем зона конденсации тепловой трубы и проложенные вдоль нее расположенные вне источника тепла трубопроводы, насос и агрегаты контура окружены общей теплоизоляцией. 2. Жидкометаллическая система охлаждения по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела тепловой трубы применен один из щелочных металлов - натрий, калий или литий. 3. Жидкометаллическая система охлаждения по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что общая теплоизоляция выполнена экранной или экранно-вакуумной.