КАПЕЛЬНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК-ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК B64G1/50 F28D21/00 

Изобретение относится к области космической техники, а конкретнее к устройствам отвода низкопотенциального тепла от систем космических аппаратов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является космический капельный холодильник-излучатель [1], состоящий из генератора капель с элементом возбуждения акустических колебаний, коллектора капель, перекачивающих насосов и теплоносителя (рабочего тела). Рассматриваемый капельный холодильник-излучатель обеспечивает отвод тепла в космосе при минимальных массогабаритных параметрах и не требует специальной защиты от микрометеоритов. Однако предложенная схема капельного холодильника-излучателя [1] недостаточно эффективна и надежна из-за отсутствия:

- систем, обеспечивающих тепловую стабилизацию режимов работы и уменьшение или исключение потерь теплоносителя и связанного с этим загрязнения теплоносителем поверхности космического аппарата и космического пространства вокруг аппарата (последнее принципиально на режимах запуска и останова);

- решений по обеспечению равномерного профиля температур в поперечном сечении потока капель;

- гарантированного образования на внутренней поверхности коллектора капель устойчивой движущейся пленки теплоносителя, необходимой для эффективного сбора потока капель после отвода от него тепла в космическое пространство в условиях микрогравитации и глубокого вакуума и транспортирования теплоносителя к перекачивающему устройству в замкнутом контуре капельного холодильника-излучателя.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности и надежности работы капельного холодильника-излучателя.

Для достижения этого технического результата в капельный холодильник-излучатель (КХИ), содержащий теплоноситель с системой хранения и подачи, генератор капель с элементом возбуждения акустических колебаний и выходной решеткой, коллектор капель, перекачивающие насосы, нагреватели и трубопроводы, нагреватели входят в систему тепловой стабилизации, включающую средства термостатирования из экранно-вакуумной теплоизоляции на элементах КХИ, байпасный трубопровод между генератором и коллектором капель с компенсатором объемного расширения и электрическим нагревателем и автоматический регулятор температуры, кроме этого в КХИ дополнительно введены гидронакопители на входе генератора капель и на выходе коллектора капель, а каналы выходной решетки генератора капель отличаются друг от друга геометрическими и гидравлическими характеристиками, которые изменяются от центра (оси симметрии) к периферии решетки.

Кроме того, в КХИ коллектор капель может быть выполнен пассивным с внутренней поверхностью, образованной стенками одного или нескольких щелевых каналов.

Одним из основных отличительных признаков предлагаемого решения является введение в устройство КХИ системы тепловой стабилизации, в которую вошли нагреватели теплоносителя и элементов конструкции КХИ, средства термостатирования из экранно-вакуумной теплоизоляции на элементах конструкции КХИ, байпасный трубопровод между генератором и коллектором капель с компенсатором объемного расширения и электрическим нагревателем и автоматический регулятор температуры.

Стационарному режиму работы капельного холодильника-излучателя соответствует определенное тепловое состояние его узлов, обеспечивающее номинальный режим работы. На запуске и при повторных запусках КХИ после длительных перерывов в работе капельного холодильника-излучателя узлы и рабочее тело (теплоноситель) имеют пониженные по сравнению с номинальными значения температуры. При этом у теплоносителя существенно увеличивается вязкость (некоторые из возможных рабочих тел могут затвердевать) и поэтому затрудняется организация его циркуляции в контуре. Задача усложняется тем, что элементы конструкции при этом также имеют пониженные температуры. Затруднена организация не только циркуляции, но невозможно создание в этих условиях потока монодисперсных капель (не номинальный режим работы генератора капель). Система тепловой стабилизации обеспечивает предварительный разогрев теплоносителя (рабочего тела) и основных элементов конструкции (генератор, коллектор, трубопроводы и др.).

На первом этапе проводится нагрев теплоносителя и элементов конструкции с помощью электрических нагревателей без циркуляции рабочего тела. На втором этапе, после предварительного прогрева основных элементов конструкции, продолжается последующий разогрев магистралей до номинальных температур с использованием отводимой тепловой мощности энергетической системы через промежуточный теплообменник отвода тепла и (или) электрического нагревателя при прокачке рабочего тела в контуре с помощью перекачивающих насосов. При этом циркуляция в контуре осуществляется по байпасной ветке, минуя вакуумную трассу пролета капель от генератора до коллектора. Собственно с этого момента включается энергетическая система и начинается ее термостатирование средствами КХИ. После выхода на номинальные параметры по температуре и расходу рабочего тела проводится отключение байпасной ветки с одновременным подключением основной ветки с пролетом и охлаждением капельного потока по вакуумной трассе между генератором и коллектором капель. Для уменьшения тепловых потерь и времени разогрева контура с последующей стабилизацией номинального распределения температур на всех основных элементах конструкции используются пассивные средства термостатирования, а именно экранно-вакуумная теплоизоляция. Необходимым элементом системы тепловой стабилизации является компенсатор объемного расширения теплоносителя, обеспечивающий поддержание допустимого давления в магистралях конструкции при эксплуатационных изменениях температурного уровня теплоносителя.

Термостатирование конструкции на всех этапах эксплуатации обеспечивается регулятором температуры в автономном автоматическом режиме работы электронагревателей по сигналам от соответствующих блоков датчиков температур, закрепленных на этих элементах конструкции, в режиме их опроса “два из трех” при поддержании допустимых уровней температуры в заданном диапазоне пороговых значений.

Использование системы тепловой стабилизации также предотвращает выброс рабочего тела при запуске контура в силу устранения причин “загустения” рабочего тела (резкое увеличение вязкости при пониженных уровнях температур).

Вторым отличительным признаком предлагаемого капельного холодильника-излучателя от известных является введение гидронакопителей на входе генератора капель и на выходе коллектора капель. При останове работы капельного холодильника-излучателя возможен выброс рабочего тела в космическое пространство, соответственно его потеря для рабочего цикла и попадание на поверхности космического аппарата (иллюминаторы, оптические системы и др., что недопустимо). Гидронакопители позволяют создать систему локализации “паразитных” остатков рабочего тела в генераторе и коллекторе капель, которая предотвращает выброс этих остатков рабочего тела в космическое пространство в режиме останова контура. Разделительные мембраны гидронакопителей, которые разделяют полости низкого и высокого давлений, могут выполняться на основе герметичных сильфонов, при необходимости с регулируемым пружинным приводом, увеличивающим собственную жесткость сильфонов. Полость низкого давления гидронакопителей подсоединяется к паразитньм объемам генератора и коллектора капель, а полость высокого давления гидронакопителей подсоединяется к выходной магистрали насоса. Полная перекладка разделительных мембран в крайние положения осуществляется за счет схемного создания необходимого перепада давления в разделительных полостях гидронакопителей. Отбор остатков рабочего тела из полостей генератора капель и коллектора обеспечивается в режиме останова контура, когда перепад давления рабочего тела между полостями высокого и низкого давления в гидронакопителе достигает минимального значения (остановка насоса), при этом остатки рабочего тела “засасываются” и локализуются в расширяющейся полости низкого давления, а рабочие объемы генератора и коллектора капель освобождаются от капельных объемов рабочего тела до уровня смачиваемой пленки на их поверхностях. Обратное вытеснение остатков рабочего тела из гидронакопителей обеспечивается в режиме запуска контура в момент перехода на основной тракт капельного холодильника-излучателя, когда создается максимальное значение перепада давления рабочего тела между полостями высокого и низкого давлений в гидронакопителе и соответственно уменьшается объем локализующей полости гидронакопителя до первоначального значения.

Еще одним отличительным признаком предлагаемого КХИ является то, что каналы выходной решетки генератора капель отличаются друг от друга геометрическими и гидравлическими характеристиками, которые изменяются от центра (оси симметрии) к периферии решетки. В оптически толстых слоях капель происходит экранирование излучения внутренних слоев внешними и, таким образом, от внутренних слоев капель отводится меньше тепла, чем от внешних, при одинаковой начальной температуре и одинаковых скоростях и размерах капель. Это приводит к неравномерности поля температур по сечению потока капель (плоского, осесимметричного) и, как следствие, к сложностям отвода от холодильника-излучателя заданного количества тепла при заданных принятым термодинамическим циклам средних температурах рабочего тела (теплоносителя) на входе и выходе холодильника. С целью получения равномерного поля температур на входе в коллектор капель вводится профилирование геометрических и гидравлических характеристик каналов выходной решетки генератора капель, которые изменяются от центра (оси симметрии) к периферии решетки. При этом реализуются диаметры капель и время их пребывания на заданной траектории движения (от генератора до коллектора капель), обеспечивающие необходимую равномерность поля температур на входе в коллектор.

В КХИ коллектор капель может быть выполнен пассивным с внутренней поверхностью, образованной стенками одного или нескольких щелевых каналов. Сбор капель после их охлаждения на вакуумной трассе пролета осуществляется на поверхности пассивного коллектора капельного холодильника-излучателя с образованием движущейся пленки по направлению к насосу перекачивающему теплоноситель. Движение пленки по поверхности коллектора при эксплуатации в составе космического аппарата неизбежно осуществляется в условиях переменной микрогравитации и глубокого вакуума. При движении пленки теплоносителя по внутренней поверхности коллектора капель происходит его торможение вследствие трения о стенку, что приводит к уменьшению скорости теплоносителя и дополнительному росту толщины пленки и ухудшению условий работы перекачивающего насоса.

Использование пассивных коллекторов капель с внутренней поверхностью, образованной стенками одного или нескольких щелевых каналов, позволяет обеспечить ускорение движения жидкости (компенсируются потери скорости вследствие трения) как на поверхности коллектора, так и на дальнейшей трассе потока вплоть до входа в перекачивающий насос.

В отличие от коллекторов с центробежным ускорителем (использующим вращательное движение коллектора, что существенно усложняет конструкцию и снижает ее надежность) предлагается использование неподвижных щелевых ускорителей, размещенных на поверхности коллектора капель.

Конструктивно ускоритель представляет из себя одну щель или систему специально ориентированных щелей, обеспечивающих формирование несущей пленки на поверхности коллектора в зоне приема капельного потока. Дозированный подвод рабочего тела к системе щелей осуществляется через соответствующие коллектора раздачи, размещенные на внешней поверхности коллектора капель, с учетом необходимого соотношения местных скоростей падающего потока капель и набегающего потока активной несущей жидкой пленки. Размеры (высота щелевого канала) и количество щелей выбираются из условия обеспечения требуемой скорости жидкости на входе в насос теплоносителя (требуемая величина полного давления потока - т.е. динамический напор в условиях пролета капель в глубоком вакууме).

На фиг.1 приведена функциональная схема капельного холодильника-излучателя (КХИ), на фиг.2 схематично представлен предлагаемый коллектор капель.

В состав схемы входят следующие подсистемы и агрегаты КХИ (фиг.1): энергетическая подсистема 1 с промежуточным теплообменником отвода тепла и соединительными трубопроводами 2, капельный поток теплоносителя 3, блок генератора капель 4 с элементом возбуждения акустических колебаний 5, блок коллектора капель 6 с каскадом щелевых ускорителей 7 на его внутренней поверхности с дозированньм подводом рабочего тела (теплоносителя) на формирование несущей пленки, основной насос 8, струйный насос 9 (являющегося вторым каскадом ускорения потока теплоносителя), насосы 8 и 9 входят в состав контура электронасосного агрегата 10 регулирующего дросселя 11 коэффициента инжекции струйного насоса, подсистема тепловой стабилизации, в которую входят байпасный трубопровод 12, электронагреватели 13, 14, 15, 16, 17 и компенсаторы объемного расширения 18, подсистема локализации паразитных объемов теплоносителя, обеспечивающая защиту от паразитных выбросов теплоносителя в космическое пространство при остановках КХИ, в составе соединительных трубопроводов 19 и гидронакопителей 20 и 21, запорно-регулирующая арматура - двухпозиционные электромагнитные клапаны 22, 23, 24, 25, 26, обеспечивающая распределение потоков теплоносителя в схеме КХИ на различных этапах ее эксплуатации, регулирующие дроссели 27, 28, обеспечивающие настройку схемы по распределению расходов теплоносителя в режимах эксплуатации по основной и байпасной веткам схемы.

Коллектор капель (фиг.2) образован стенками 29 щелевых каналов 30. По щелевым каналам подается теплоноситель 31. На вход коллектора капель поступает капельный поток теплоносителя 3.

Капельный холодильник-излучатель работает следующим образом. Капельный поток теплоносителя (3), восприняв тепло, которое необходимо отвести от энергетической системы (1) космического аппарата, по трубопроводам (2) через клапан (22) поступает в генератор капель (4), представляющий собой устройство с решетками отверстий и с элементом возбуждения акустических колебаний (5). Капельный поток теплоносителя (3), истекающий через систему отверстий генератора капель (4) и модулированный акустическими колебаниями, образует поток монодисперсных капель, который движется по прямолинейным траекториям к коллектору капель (6). Во время пролета капли теряют часть тепловой энергии за счет теплообмена и остывают. Капли, попадая на движущуюся несущую пленку теплоносителя, сформированную на внутренней поверхности коллектора, образуют инжектируемый поток теплоносителя и транспортируются к струйному насосу (9). После смешения с инжектирующим потоком в струйном насосе суммарный расход теплоносителя перекачивается через основной насос (8) с повышением давления до рабочего значения. После основного насоса происходит параллельное разделение суммарного расхода теплоносителя на составляющие доли соответственно по линии энергетической системы (1) (собственно капли), через клапан (25) по линии каскада щелевых ускорителей (7) на образование несущей пленки и по линии инжектирующего потока в контуре электронасосного агрегата (10). Далее цикл повторяется.

Преднасос (струйный аппарат) имеет собственный замкнутый контур рабочего потока жидкости (10), обеспечивающей инжектирование потока жидкости за коллектором (6) с использованием регулирующего дросселя (11). В капельном холодильнике-излучателе предусмотрены клапаны (22, 23, 24, 25), позволяющие образовать вспомогательный контур (12), обеспечивающий второй этап разогрева конструкции. Для уменьшения потерь рабочего тела в космическое пространство при останове КХИ используется система локализации (19) с гидронакопителями (20, 21) и клапан (26). Регуляторы расхода (27, 28) обеспечивают заданное распределение расходов рабочего тела (теплоносителя) между основным и байпасным контурами схемы.

Предлагаемый капельный холодильник-излучатель изготовлен и прошел испытания, показав достаточно высокую эффективность и надежность.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. AIAA-87-1537 Liquid DropletRadiator Development Status. K.A. White, NASA Lewis Research Center, Cleveland, ОН. АIАА 22^nd Thermophysics Conference. June 8-10, 1987/Honolulu, Yawaii.

Изобретение относится к системам терморегулирования космических аппаратов и может быть использовано для отвода низкопотенциального тепла от бортовых систем аппаратов. Предлагаемый капельный холодильник-излучатель (КХИ) содержит систему хранения и подачи теплоносителя, генератор капель с элементом возбуждения акустических колебаний, коллектор капель, перекачивающие насосы и трубопроводы. КХИ снабжен системой тепловой стабилизации, в состав которой входят установленные на элементах конструкции КХИ нагреватели и средства термостатирования в виде экранно-вакуумной изоляции этих элементов. Эта система также содержит байпасный трубопровод между генератором и коллектором капель с компенсатором объемного расширения (имеющим электрический нагреватель) и автоматический регулятор температуры, обеспечивающий работу нагревателей по сигналам от соответствующих датчиков. С целью снижения безвозвратного выброса теплоносителя в состав КХИ введены гидронакопители на входе генератора капель и на выходе коллектора капель. Для получения равномерного поля температур по сечению капельного потока каналы выходной решетки генератора капель выполнены с изменяющимися, от оси ее симметрии к периферии, геометрическими и гидравлическими характеристиками. Коллектор капель может быть выполнен пассивным, с внутренней поверхностью, образованной стенками одного или нескольких щелевых каналов, по которым подается теплоноситель для формирования его движущейся несущей пленки. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности и надежности работы КХИ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Капельный холодильник-излучатель, содержащий теплоноситель с системой его хранения и подачи, генератор капель с элементом возбуждения акустических колебаний и выходной решеткой, коллектор капель, перекачивающие насосы, трубопроводы и нагреватели элементов конструкции данного холодильника-излучателя, отличающийся тем, что снабжен системой тепловой стабилизации, в состав которой входят указанные нагреватели, средства термостатирования в виде экранно-вакуумной изоляции на элементах конструкции холодильника-излучателя, байпасный трубопровод между генератором и коллектором капель с компенсатором объемного расширения и его электрическим нагревателем, а также автоматический регулятор температуры, обеспечивающий работу нагревателей по сигналам от датчиков температуры, закрепленных на соответствующих элементах конструкции холодильника-излучателя, причем в состав холодильника-излучателя введены гидронакопители на входе генератора капель и на выходе коллектора капель, а каналы выходной решетки генератора капель выполнены с изменяющимися, от оси ее симметрии к периферии, геометрическими и гидравлическими характеристиками.2. Капельный холодильник-излучатель по п.1, отличающийся тем, что указанный коллектор капель выполнен пассивным, причем его внутренняя поверхность образована стенками одного или нескольких щелевых каналов, по которым подается теплоноситель.