СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B64G1/58 G21C11/08 

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

Вследствие возможности отвода непреобразованной теплоты термодинамического цикла в космосе лишь излучением, в космических энергетических установках используются высокотемпературные жидкометаллические системы охлаждения.

Известна система охлаждения (СО) космической ядерно-энергетической установки (ЯЭУ) "Топаз" в виде циркуляционного контура с теплоносителем в виде жидкого металла - эвтектического сплава NaK с температурой плавления минус 11^oС [1]. В качестве конструкционного материала этой СО используется нержавеющая сталь или хромоникелевые сплавы. Наземные испытания ЯЭУ с такой СО проводились в вакуумной камере. Используемые конструкционные материалы СО нечувствительны к параметрам остаточного вакуума испытательной камеры.

Однако использование в качестве конструкционных материалов СО нержавеющей стали или хромоникелевых сплавов ограничивает максимальную рабочую температуру СО, в результате чего поверхность холодильника - излучателя космической ЯЭУ - получается относительно большой.

Близка к изобретению по технической сущности СО на основе жидкометаллического контура (ЖМК) космических ЯЭУ с литиевым теплоносителем и конструкционным материалом в виде ниобиевого сплава [2]. Рабочая температура такой литий-ниобиевой СО вследствие использования высокотемпературного конструкционного материала в виде ниобиевого сплава может быть существенно выше, чем в СО с натрий-калиевым теплоносителем и нержавеющей сталью в качестве конструкционного материала. Так как температура плавления лития 181^oС, то для расплавления лития СО снабжена 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 литием. Подняв мощность реактора на относительно небольшой уровень, тепло из реактора с помощью пускового контура разносится по СО, постепенно расплавляя литий. После расплавления лития пусковая система отключается, включается насос СО и тепло уже переносится литиевым теплоносителем, а пусковой контур отключается.

Однако ресурсоспособность СО с литием и конструкционным материалом в виде ниобиевого сплава зависит от парциального давления кислорода вакуумной среды снаружи СО. При эксплуатации ЯЭУ с такой СО в космосе на высотах до 500 км влияние кислорода вследствие заметного парциального давления существенно. При наземной отработке при остаточном вакууме в вакуумной испытательной камере не хуже 10^-6 мм рт. ст. парциальное давление кислорода не должно превышать порогового значения в 10^-9 мм рт. ст. Однако возможны аварийные ситуации, например разгерметизация вакуумной камеры, когда даже при незначительном повышении парциального давления кислорода в вакуумной камере возможно заметное сокращение ресурса испытываемой литий-ниобиевой СО или даже разгерметизация контура СО вследствие превышения содержания кислорода в ниобиевом сплаве порогового значения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является СО энергетической установки, предложенная в [3]. СО содержит циркуляционный жидкометаллический контур из изготовленных из ниобия или ниобиевого сплава трубопроводов, часть которых размещена внутри источника тепла (например, в реакторе энергетической установки или устройстве с электронагревом) и арматуры, с размещенным внутри них теплоносителем, например литием, который изначально может находиться в замороженном состоянии. На наружной поверхности расположенных вне источника тепла трубопроводов и арматуры может быть размещено устройство для расплавления теплоносителя. Устройство для расплавления теплоносителя выполнено в виде размещенного через слой электроизоляции электропроводника, снабженного клеммами для подключения к источнику электропитания. Это устройство, расположенное снаружи контура и арматуры, одновременно является защитным экраном, в том числе от кислорода вакуумной среды.

Однако защитный экран из изоляции и металлического проводника не является герметичным и не препятствует попаданию кислорода вакуумной среды к наружной поверхности контура и арматуры. Поэтому если это литий-ниобиевая СО, т. е. с литиевым теплоносителем и конструкционным материалом контура в виде ниобия или ниобиевого сплава, то ресурсоспособность такой СО с циркуляционным контуром и арматурой будет зависеть от парциального давления кислорода вакуумной среды снаружи контура СО. При эксплуатации ЯЭУ с такой СО в космосе на высотах до 500 км влияние кислорода вследствие заметного парциального давления существенно. При наземной отработке при остаточном вакууме в вакуумной испытательной камере не хуже 10^-6 мм рт. ст. парциальное давление кислорода не должно превышать порогового значения в 10^-9 мм рт. ст. Однако возможна (чаще всего кратковременная) разгерметизация вакуумной камеры, в результате чего даже при незначительном повышении парциального давления кислорода в вакуумной среде камеры возможно заметное сокращение ресурса испытываемой литий-ниобиевой СО или даже разгерметизация контура СО вследствие превышения содержания кислорода в ниобиевом сплаве допустимого (порогового) значения. Наиболее характерными являются локальные источники кислорода, например обмазка электронагревателей, когда измеряемое парциальное давление кислорода в вакуумной среде испытательной камеры не повышается, а в тоже время возможно локальное выделение кислорода и также локальное попадание его на относительно небольшой участок контура литий-ниобиевой СО. В этом случае ресурс этого участка будет меньше, чем основной части контура.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение длительной работоспособности СО с литиевым теплоносителем и конструкционным материалом контура в виде ниобия или ниобиевого сплава, в условиях эксплуатации в вакуумной среде, в том числе в космосе и при наземных испытаниях СО или ее фрагментов в вакуумной камере, за счет защиты наружной поверхности циркуляционного контура и арматуры как от постоянного, так и от кратковременного и локального попадания кислорода вакуумной среды при эксплуатации СО при рабочих температурах.

Указанный технический результат достигается в системе охлаждения, содержащей предназначенный для эксплуатации во внешней вакуумной среде циркуляционный контур с литиевым теплоносителем из изготовленных из ниобия или ниобиевого сплава трубопроводов, часть которых размещена внутри источника тепла, и агрегатов контура, причем часть трубопроводов, размещенных вне источника тепла, и агрегаты окружены защитным экраном, в которой защитный экран выполнен в виде эластичной ленты из геттерно-активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла, на наружную поверхность которой нанесен слой материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, причем лента плотно размещена на наружной поверхности части трубопроводов, размещенных вне источника тепла, и агрегатов. В качестве геттерно-активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла может быть выбран титан или его сплав, или ниобий или его сплав, или тантал или его сплав, а в качестве материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, может быть выбрана хромоникелевая шпинель (состава NiCr₂O₄).

На фиг. 1 в качестве примера приведена схема СО; на фиг.2 - поясняющий фрагмент СО энергоустановки.

СО представляет собой циркуляционный контур в виде по крайней мере двух размещенных вне источника тепла 1 трубопроводов 2 и 3, и агрегатов, например насоса 4, компенсатора объема теплоносителя 5. В состав контура входят также участки трубопроводов, например, в виде межтрубного пространства 6, источника тепла 1, входного 7 и выходного 8 коллекторов теплоносителя источника тепла 1 и коллектора 9 системы 10 сброса тепла, например холодильника-излучателя. Все агрегаты контура изготовлены из ниобия или ниобиевого сплава, например НбЦУ. Внутри трубопроводов 2 и 3, насоса 4, компенсатора 5, входного 7 и выходного 8 коллекторов источника тепла 1 и коллектора 9 системы 10 сброса тепла, а также в межтрубном пространстве 6 находится литиевый теплоноситель 11, который в исходном состоянии находится в замороженном состоянии (в твердом виде).

Источник тепла 1 содержит нагреватели 12 в виде электронагревателей (ЭН) или твэлов реактора, например, термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС).

Снаружи выполненных из ниобия или ниобиевого сплава трубопроводов 2 и 3, насоса 4, агрегата 5, входного 7 и выходного 8 коллекторов источника тепла 1 и коллектора 9 системы 10 сброса тепла вплотную размещен защитный экран 13. Защитный экран 13 выполнен в виде эластичной ленты 14 из геттерно-активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла, на наружную поверхность которой нанесен слой 15 материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, причем лента размещена вплотную на наружной поверхности части трубопроводов, размещенных вне источника тепла, и агрегатов. В качестве геттерно-активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла может быть выбран титан или его сплав, или ниобий или его сплав, или тантал или его сплав, а в качестве материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, может быть выбрана хромоникелевая шпинель состава NiCr₂О₄.

Вся СО находится во внешней вакуумной среде 16, например внутри вакуумной камеры 17, снабженной системой вакуумирования 18. Для расплавления теплоносителя 11 предусмотрена так называемая пусковая система, например, в виде электронагревателей, размещенных снаружи трубопроводов и агрегатов контура (не показана).

СО работает следующим образом.

До вывода на рабочий уровень мощности источника тепла 1 литиевый теплоноситель 11 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. После соответствующих проверок подают команду на подъем тепловой мощности источника тепла 1 до некоторого промежуточного уровня мощности. Включают ЭН 12 (если это ЯЭУ, то производят подъем мощности реактора как источника тепла 1 до некоторого промежуточного уровня). За счет выделения тепла в ЭН 12 (или твэлах, например ЭГС, реактора) источника тепла 1 тепло передается находящемуся в пространстве 6 замороженному литиевому теплоносителю 11, в результате чего он плавится внутри источника тепла 1 (например, в активной зоне ТРП). Одновременно включают электронагреватели пусковой системы (не показаны).

Постепенно за счет процессов теплопроводности расплавляется теплоноситель 11 и в коллекторах 7 и 8.

Одновременно с помощью нагревателей пусковой системы (не показаны) происходит нагрев трубопроводов 2 и 3, агрегатов 4 и 5 с замороженным теплоносителем. Тепло передается трубопроводу 2, трубопроводу 3, насосу 4, агрегату 5 с находящимся внутри них замороженным литиевым теплоносителем. Замороженный литиевый теплоноситель сначала нагревается, а затем после достижения температуры плавления плавится. Наконец весь литиевый теплоноситель 11 в межтрубном пространстве 6 и коллекторах 7 и 8 источника тепла 1, во всех участках трубопроводов 2 и 3, насосе 4, компенсаторе 5, коллекторе 9 будет расплавлен, т.е. во всем циркуляционном контуре литиевый теплоноситель будет в жидком состоянии. Наличие защитного экрана 13, окружающего трубопроводы 2 и 3, насоса 4 и компенсатора 5 позволяет экономить тепло и тем самым сократить время расплавления литиевого теплоносителя в циркуляционном контуре литий-ниобиевой СО. После расплавления теплоносителя 11 во всем циркуляционном контуре литий-ниобиевой СО запускают насос 4, который обеспечивает циркуляцию теплоносителя 11 в циркуляционном контуре СО. Мощность источника тепла 1 поднимают до рабочего значения, тепло из источника тепла 1 с помощью циркуляции литиевого теплоносителя 11, работающего при рабочей температуре, например 600-1000^oС, передают в коллектор 9 системы сброса тепла 10, например холодильнику-излучателю космической ЯЭУ, с которого тепло излучается.

В таком режиме происходит эксплуатация литий-ниобиевой СО, например, в составе космической ЯЭУ или в составе макета энергетической установки при испытаниях в вакуумной камере.

При эксплуатации литий-ниобиевой СО в космосе, например в составе термоэлектрической или термоэмиссионной ЯЭУ, на относительно невысоких орбитах (до 500 км) существует набегающий поток атомарного кислорода. При попадании этого кислорода на поверхность контура, изготовленного из ниобия или ниобиевого сплава и работающего при высоких рабочих температурах, он будет поглощаться материалом контура и после достижения порогового значения (примерно 0,4% объемного) может произойти разгерметизация контура. Однако при наличии защитного экрана 13 этого не произойдет. Так как наружная поверхность экрана 13 выполнена из нанесенного слоя 15 из материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, например хромоникелевой шпинели состава NiCr₂О₄, то доступ кислорода вакуумной среды к внешней поверхности трубопроводов и агрегатов контура будет затруднен. Если же в слое 15 появятся трещины или другие разрушения, то кислород внешней вакуумной среды попадет на металлическую ленту 14 из геттерно-активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла, например титана или его сплава, ниобия или его сплава, тантала или его сплава, и он будет поглощен материалом металлической ленты 14. Так как лента 14 выполнена эластичной, то она может быть нанесена на наружную поверхность трубопроводов и агрегатов контура даже сложной формы достаточно плотно. В результате зазор между наружной поверхностью трубопроводов и агрегатов контура и лентой будет намного меньше длины свободного пробега молекулы или атома кислорода внешней вакуумной среды (более метра). Поэтому при первом же столкновении молекулы или атома кислорода с внутренней стенкой ленты 14 он будет поглощен материалом ленты.

Таким образом, затрудненный доступ кислорода внешней вакуумной среды к контуру и наличие ленты из металла, обладающего геттерными свойствами по отношению к кислороду, обеспечивают защиту материала контура от кислорода, в результате чего будет обеспечен высокий ресурс литий-ниобиевой СО.

При эксплуатации литий-ниобиевой СО на высоких орбитах (более 800 км) парциальное давление кислорода, и, следовательно, влияние на ресурс атомарного кислорода незначительно. Однако при длительной эксплуатации СО в космосе возможна встреча с микрометеоритами и мелкими частицами "космического мусора". При столкновении СО с такими частицами, обладающими большими относительными скоростями, а следовательно, и большим значением кинетической энергии, произойдет разгерметизация контура и отказ СО. Однако наличие экрана 13, установленного снаружи трубопроводов 2 и 3, насоса 4, агрегата 5 приведет к тому, что кинетическая энергия частицы выделится в месте столкновения с экраном 13, часть которого испарится. Благодаря этому не произойдет разрушения трубопроводов 2 и 3, насоса 4, агрегата 5, т.е. литий-ниобиевая СО останется работоспособной в течение длительного времени несмотря на вероятность столкновения с микрометеоритами и мелким мусором.

При наземных испытаниях или эксплуатации литий-ниобиевой СО или ее фрагментов в вакуумной камере 17 с системой вакуумирования 18 экран 13 защитит ниобиевую поверхность контура от случайной кратковременной разгерметизации вакуумной камеры или случайных локальных источников кислорода. Появившийся в этих случаях кислород будет поглощен материалом слоя 14 экрана 13, обладающего повышенными геттерными свойствами по отношению к кислороду. Тем самым будет обеспечен высокий ресурс литий-ниобиевой СО при наземной отработке.

Таким образом, использование изобретения позволяет обеспечить длительный ресурс литий-ниобиевой системы охлаждения как в условиях эксплуатации в космосе, так и при наземных испытаниях в вакуумной камере.

Литература
1. Богуш И. П. и др. Космическая термоэмиссионная ЯЭУ по программе "Топаз". Принципы конструкции и режимы работы. Атомная энергия, т.70, вып.4, 1991г., с.211-214.

2. Агеев В.П. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного 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. N 26.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании систем охлаждения энергетических установок (ЭУ), преимущественно космических и ядерно-энергетических. Система охлаждения содержит предназначенный для эксплуатации во внешней вакуумной среде циркуляционный контур с литиевым теплоносителем из изготовленных из ниобия или ниобиевого сплава трубопроводов, часть которых размещена внутри источника тепла, и агрегатов контура. Часть трубопроводов, размещенных вне источника тепла, и агрегаты окружены защитным экраном, который выполнен в виде эластичной ленты из геттерно-активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла, на наружную поверхность которой нанесен слой материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды. Лента размещена вплотную на наружной поверхности части трубопроводов, размещенных вне источника тепла, и агрегатов. В качестве геттерно-активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла может быть выбран титан или его сплав, или ниобий или его сплав, или тантал или его сплав, а в качестве материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, может быть выбрана хромоникелевая шпинель. Технический результат - обеспечение длительной работоспособности системы охлаждения с литиевым теплоносителем и материалом контура в виде ниобия или его сплава в условиях эксплуатации в вакуумной среде. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Система охлаждения, содержащая предназначенный для эксплуатации во внешней вакуумной среде циркуляционный контур с литиевым теплоносителем из изготовленных из ниобия или ниобиевого сплава трубопроводов, часть которых размещена внутри источника тепла, и агрегатов контура, причем часть трубопроводов, размещенных вне источника тепла, и агрегаты окружены защитным экраном, отличающаяся тем, что защитный экран выполнен в виде эластичной ленты из геттерно-активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла, на наружную поверхность которой нанесен слой материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, причем лента плотно размещена на наружной поверхности части трубопроводов, размещенных вне источника тепла, и агрегатов. 2. Система охлаждения по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве геттерно-активного по отношению к кислороду внешней вакуумной среды металла выбран титан или его сплав, или ниобий или его сплав, или тантал или его сплав. 3. Система охлаждения по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве материала, обладающего малой пропускной способностью кислорода внешней вакуумной среды, выбрана хромоникелевая шпинель.