ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2014 года по МПК G21D5/00 

Изобретение относится к области ядерных энергодвигательных установок (ЯЭДУ), большой мощности (более десятков киловатт), служащих для создания тяги и функционирующих с замкнутым контуром рабочего тела для выработки электроэнергии. Такого типа установки сегодня рассматриваются в качестве нового этапа развития и практического применения атомной энергии в космосе, служат средством создания многоцелевых транспортно-энергетических модулей высокой энерговооруженности.

Известна ЯЭДУ [1], функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, в которой находящееся в замкнутом контуре и нагретое в реакторной установке (ядерном реакторе) рабочее тело направляется на турбину генератора электрической мощности. На выходе из турбины рабочее тело направляется сначала в теплообменник-рекуператор, потом в холодильник, затем в компрессор, обеспечивающий циркуляцию рабочего тела в контуре, после чего вновь в теплообменник-рекуператор, а затем в реакторную установку, и цикл повторяется вновь. Турбина, компрессор и генератор объединены в данной ЯЭДУ в единый агрегат. Вырабатываемая генератором замкнутого контура электрическая энергии направляется на питание бортовых систем космического аппарата, целевых систем и электрических двигателей с соответствующими системами подачи.

Для снятия тепла с рабочего тела, выходящего с турбины, служит теплообменник-рекуператор, который охлаждается встречным потоком охлажденного рабочего тела, а также холодильник, через который прокачивается теплоноситель (охлаждающая среда) с помощью компрессора или насоса. Теплоноситель после прохождения холодильника подается к холодильнику-излучателю, осуществляющему сброс тепла в космическое пространство. После охлаждения в холодильнике-излучателе теплоноситель, следуя также по замкнутому контуру, вновь подается в холодильник.

ЯЭДУ данного типа имеет определенные недостатки. Как известно, для получения приемлемых КПД при преобразовании тепловой энергии в электрическую в космических энергетических установках с замкнутым контуром необходим эффективный отвод тепла вовне от рабочего тела. В условиях космического пространства это тепло может быть сброшено без потери рабочего тела только посредством излучения с панелей холодильника-излучателя. Эффективность этого сброса тепла, согласно закону Стефана-Больцмана, пропорциональна четвертой степени температуры панелей. Поэтому чем выше температура панелей холодильника-излучателя, тем эффективней осуществляется сброс тепла с его панелей, тем меньше массогабаритные характеристики холодильника-излучателя. Это очень существенно для ЯЭДУ, поскольку холодильник-излучатель является самым габаритным элементом конструкции. В [1] сказано, что масса холодильника-излучателя может составлять 60…70% от общей массы ЯЭДУ.

В известной конструкции ЯЭДУ, выполненной в соответствии с [1], температура панелей холодильника-излучателя будет ниже температуры рабочего тела, выходящего из теплообменника-рекуператора после турбины, поскольку, во-первых, всегда будет существовать разность температур между панелью, расположенной на входе в холодильник-излучатель, и теплоносителем, в него поступающим, а во-вторых, за счет того, что температура теплоносителя на выходе из холодильника будет всегда несколько ниже температуры рабочего тела, выходящего из теплообменника-рекуператора после турбины.

В связи с этим в [1] с целью минимизации массы и габаритов холодильника-излучателя было предложено максимально приблизить температуру излучающей поверхности к температуре рабочего тела, выходящего из теплообменника-рекуператора за счет отказа от холодильника, то есть за счет прямой подачи рабочего тела, выходящего из турбины и прошедшего теплообменник-рекуператор, сразу в панели холодильника-излучателя (однако это предложение было сделано без проработки конструкции данного типа ЯЭДУ). Но и в этом случае температура панелей холодильника-излучателя будет несколько ниже температуры рабочего тела, прошедшего через турбину и теплообменник-рекуператор.

При этом чем эффективней будет произведено охлаждение низкотемпературной части потока рабочего тела, тем выше будет КПД ЯЭДУ в целом. В конструкции ЯЭДУ, выполненного в соответствии с [1], такое существенное охлаждение может быть достигнуто только за счет существенного увеличения массогабаритных характеристик холодильника-излучателя, что сопряжено с общим увеличением массогабаритных характеристик ЯЭДУ, поскольку масса холодильника-излучателя составляет большую часть массы ЯЭДУ (см. выше).

Известна вихревая труба Ранка-Хильша [2], работающая на основе вихревого эффекта. Вихревая труба представляет собой цилиндрическую трубу с тангенциальным входом для жидкой или газообразной среды. Тангенциальный вход стыкуется с трубой через так называемую улитку для закручивания потока среды. При втекании среды в трубу под давлением образуется интенсивный закрученный поток среды, при этом приосевые слои закрученной среды заметно охлаждаются, а периферийные слои подогреваются. Среда из этих слоев отводится через трубопроводы, состыкованные с периферийной и приосевой частями вихревой трубы. В периферийной части вихревой трубы, как правило, устанавливается дроссель, который позволяет регулировать уровень давления в трубе, расходы периферийной (горячей) и приосевой (холодной) частей потока, а также соответствующие уровни подогрева и охлаждения этих потоков. Сущность эффекта вихревой трубы Ранка-Хильша заключается в разделении среды на более горячую и менее горячую части по сравнению с входящим в вихревую трубу потоком среды.

Вихревой эффект, разделяющей среду на две части, может быть очень существенен, при этом "горячая" часть потока среды может иметь температуру на 100-150°C большую, чем температура входящего потока [2]. В связи с этим появляется возможность применить эффект вихревой трубы Ранка-Хильша для ЯЭДУ, то есть разработать такое ЯЭДУ, в котором было бы достигнуто новое, неизвестное ранее влияние отличительных признаков известного технического решения (вихревой трубы Ранка-Хильша) на указанный заявителем технический результат.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятым за прототип, является ЯЭДУ [3], функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, в которой находящееся в замкнутом контуре и нагретое в реакторной установке рабочее тело направляется на турбину генератора электрической мощности. После этого рабочее тело направляется в теплообменник-рекуператор, затем в теплообменник-холодильник, где охлаждается, после чего поступает на компрессор. Из компрессора рабочее тело поступает в теплообменник-рекуператор, после чего вновь следует в реакторную установку, и цикл повторяется. Турбина, компрессор и генератор объединены в данном ЯЭДУ в единый агрегат - турбогенератор-компрессор. Вырабатываемая генератором электрическая энергии направляется прежде всего для электропитания электрических двигателей и соответствующих им систем подачи.

Для снятия тепла, выделяемого в теплообменнике-холодильнике рабочим телом, к теплообменнику-холодильнику подведен теплоноситель, который после прохождения теплообменника-холодильника поступает в холодильник-излучатель, осуществляющий сброс тепла в космическое пространство. После охлаждения в холодильнике-излучателе теплоноситель также по замкнутому контуру вновь подается в теплообменник-холодильник.

Данное техническое решение характеризуется невысокой температурой панелей холодильника-излучателя, которая заметно меньше температуры рабочего тела, выходящего после турбины из теплообменника-рекуператора, наличием тракта теплоносителя с теплообменником-холодильником. Все это приводит к значительным массогабаритным характеристикам холодильника-излучателя и, соответственно, значительным массогабаритным характеристикам всей ЯЭДУ в целом, не способствует повышению эффективности и надежности ее работы.

Целями изобретения являются повышение эффективности ЯЭДУ за счет увеличения КПД и улучшения массогабаритных характеристик ЯЭДУ, повышение надежности ее работы.

Технический результат изобретения состоит в существенном повышении температуры панелей холодильника-излучателя.

Этот результат достигается тем, что в ЯЭДУ, содержащем электроракетную двигательную установку, холодильник-излучатель, реакторную установку с рабочим телом, теплообменник-рекуператор и турбогенератор-компрессор, состоящий из турбины, компрессора, генератора электрической энергии, выход из теплообменника-рекуператора охлажденного рабочего тела соединен со входом вихревой трубки Ранка-Хильша, причем выход из вихревой трубки Ранка-Хильша по "горячему" рабочему телу соединен с холодильником-излучателем, а выход по "холодному" рабочему телу - с компрессором, при этом выход холодильника-излучателя соединен со входом в компрессор.

В ЯЭДУ рабочее тело, охлажденное после выхода из турбины в теплообменнике-рекуператоре, поступает в вихревую трубку Ранка-Хильша, в которой разделяется на два потока, причем периферийная "горячая" часть рабочего тела подается непосредственно в холодильник-излучатель, а приосевая "холодная" часть рабочего тела - сразу на вход в компрессор.

Подача "горячей" части рабочего тела непосредственно в холодильник-излучатель позволяет заметно повысить температуру панелей холодильника-излучателя. Это дает возможность значительно улучшить его массогабаритные характеристики, поскольку мощность сброса тепла с панели пропорциональна четвертой степени температуры панели (см. выше). Следует учесть, что только "горячая" часть расхода рабочего тела подается в холодильник-излучатель, что также позволяет сократить число требуемых панелей, выполнить его не столь громоздким, как в конструкции прототипа. Кроме того, это позволяет более эффективно производить охлаждение "горячей" части рабочего тела в холодильнике-излучателе при его умеренных массогабаритных характеристиках.

Подача приосевой "холодной" части рабочего тела сразу на вход в компрессор и смешение ее с эффективно охлажденной ранее в холодильнике излучателе "горячей" частью рабочего тела дает возможность подавать на вход в компрессор и далее в теплообменник-рекуператор эффективно охлажденное рабочее тело. Турбина не позволяет реализовать всю тепловую энергию, приобретаемую рабочим телом в реакторной установке, то есть полностью преобразовать эту энергию в механическую с последующим ее превращением в генераторе в электрическую. Для отбора от рабочего тела части нереализованной в турбине тепловой энергии служит теплообменник-рекуператор. Эта тепловая энергия передается в теплообменнике-рекуператоре охлажденному ранее в холодильнике-излучателе потоку рабочего тела, которое затем направляется в реакторную установку. При этом осуществляется возврат этой части тепловой энергии с последующей частичной ее реализацией на турбине.

Поскольку в заявляемом техническом решении за счет использования трубки Ранка-Хильша в теплообменник-рекуператор подается эффективно охлажденное в холодильнике-излучателе рабочее тело с достаточно низкой температурой, то это позвояет производить более интенсивный отбор тепловой энергии от рабочего тела, выходящего из турбины, и передачу его потоку рабочего тела, направляемого в реакторную установку, то есть обеспечить более полный возврат этой части тепловой энергии с последующей ее реализацией на турбине. Это в целом позволяет повысить эффективность ЯЭДУ за счет увеличения ее КПД.

Следует также отметить, что трубка Ранка-Хильша проста по конструкции и надежна в работе, что заметно упрощает конструкцию ЯЭДУ, повышает надежность ее работы.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на чертеже. ЯЭДУ, функционирующая в двигательно-энергетическом режиме, содержит электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) (на схеме для примера представлено два электроракетных двигателя 1 и 2 с соответствующими системами подачи 3 и 4), реакторную установку 5, турбину 6, компрессор 7, генератор 8, теплообменник-рекуператор 9, вихревую трубку Ранка-Хильша 10, холодильник-излучатель 11. При этом турбина 6, компрессор 7 и генератор 8 объединены в единый агрегат - турбогенератор-компрессор. ЯЭДУ оснащена трубопроводами 12 рабочего тела и электрическими линиями 13, соединяющими генератор 8 и ЭРДУ. Теплообменник-рекуператор 9 имеет так называемые высокотемпературный 14 и низкотемпературный 15 входы рабочего тела, а также высокотемпературный 16 и низкотемпературный 17 выходы рабочего тела.

Выход реакторной установки 5 соединен со входом турбины 6, выход турбины 6 соединен с высокотемпературным входом 14 теплообменника-рекуператора 9. Низкотемпературный выход 15 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в вихревую трубку Ранка-Хильша 10. Вихревая трубка Ранка-Хильша 10 имеет два выхода, один из которых (по "горячему" рабочему телу) соединен с холодильником-излучателем 11, а другой (по "холодному" рабочему телу) соединен со входом компрессора 7. Выход холодильника-излучателя 11 также соединен со входом в компрессор 7. Выход компрессора 7 соединен с низкокотемпературным 15 входом в теплообменник-рекуператор 9. Высокотемпературный выход 16 теплообменника-рекуператора 9 соединен со входом в реакторную установку 5. Таким образом, основные элементы ЯЭДУ связаны между собой единым контуром рабочего тела.

ЯЭДУ работает следующим образом. Нагретое в реакторной установке 5 рабочее тело направляется на турбину 6, которая обеспечивает работу компрессора 7 и генератора 8 турбогенератора-компрессора. Генератор 8 производит генерацию электрической энергии, которая по электрическим линиям 13 направляется к электроракетным двигателям 1 и 2 и их системам подачи 3 и 4, обеспечивая их работу. После выхода из турбины 6 рабочее тело направляется через высокотемпературный вход 14 в теплообменник-рекуператор 9, где осуществляется частичное охлаждение рабочего тела.

Затем из низкотемпературного выхода 17 теплообменника-рекуператора 9 рабочее тело направляется в вихревую трубку Ранка-Хильша 10, внутри которой происходит разделение потока рабочего тела на "горячую" и "холодную" составляющие. "Горячая" часть рабочего тела далее следует в холодильник-излучатель 11, где происходит эффективное охлаждение этой части рабочего тела. "Холодная" часть рабочего тела следует на вход в компрессор 7, туда же следует после охлаждения часть рабочего тела, выходящая из холодильника-излучателя 11.

Компрессор 7 производит подачу охлажденного рабочего тела в теплообменник-рекуператор 9 через низкотемпературный вход 15. Это охлажденное рабочее тело в теплообменнике-рекуператоре 9 обеспечивает частичное охлаждение встречного потока рабочего тела, поступающего в теплообменник-рекуператор 9 из турбины 6 через высокотемпературный вход 14. Далее частично подогретое рабочее тело (за счет теплообмена с встречным потоком рабочего тела из турбины 6) из теплообменника-рекуператора 9 через высокотемпературный выход 16 вновь поступает к реакторной установке 5, цикл вновь повторяется.

Таким образом, находящееся в замкнутом контуре единое рабочее тело обеспечивает непрерывную работу ЯЭДУ, причем использование в составе ЯЭДУ вихревой трубки Ранка-Хильша в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечивает улучшение массогабаритных характеристик ЯЭДУ, повышает надежность ее работы, упрощает ее конструктивную схему и дает возможность повысить эффективность ЯЭДУ в целом.

Источники информации

1. В.Г. Конюхов, Г.В. Конюхов "Теплофизика ядерных энергодвигательных установок", М., "Янус-К", 2009 г.

2. А.П. Меркулов "Вихревой эффект и его применение". М.,"Машиностроение", 1966 г.

3. А.С. Коротеев "Новый этап развития космической техники", Вестник Российской академии наук, Т.82, №4, 2012 г.

Изобретение относится к области ядерных энергодвигательных установок (ЯЭДУ) большой мощности, функционирующих с замкнутым контуром рабочего тела для выработки электрической энергии и создания тяги. ЯЭДУ содержит электроракетную двигательную установку, холодильник-излучатель, реакторную установку с рабочим телом, теплообменник-рекуператор и турбогенератор-компрессор. Последний состоит из турбины, компрессора, генератора электрической энергии. Выход из теплообменника-рекуператора охлажденного рабочего тела соединен со входом вихревой трубки Ранка-Хильша. Выход из вихревой трубки Ранка-Хильша по "горячему" рабочему телу соединен с холодильником-излучателем, а выход по "холодному" рабочему телу - с компрессором, при этом выход холодильника-излучателя соединен со входом в компрессор. Технический результат изобретения состоит в существенном повышении температуры панелей холодильника-излучателя, что улучшает массогабаритные характеристики ЯЭДУ и повышает ее КПД. 1 ил.

Ядерная энергодвигательная установка, содержащая электроракетную двигательную установку, холодильник-излучатель, реакторную установку с рабочим телом, теплообменник-рекуператор и турбогенератор-компрессор, состоящий из турбины, компрессора, генератора электрической энергии, отличающаяся тем, что выход из теплообменника-рекуператора охлажденного рабочего тела соединен со входом вихревой трубки Ранка-Хильша, причем выход из вихревой трубки Ранка-Хильша по "горячему" рабочему телу соединен с холодильником-излучателем, а выход из нее по "холодному" рабочему телу - с компрессором, при этом выход холодильника-излучателя соединен со входом в компрессор.