Способ исследования объектов в термобарокамере Советский патент 1992 года по МПК F25D3/10 

Изобретение относится к криовакуум- ной технике, в частности к способам исследования космических и иных объектов в термобарокамерах.

При наземном исследовании космических и иных объектов в условиях вакуума и низких температур (при экспериментальных НИР, испытаниях и технологических процессах) используют термобарокамеры с криоэкранами, заполненными жидким и/или газообразным хладагентом (обычно азотом).

Примером такого устройства может служить вакуумируемая камера с цилиндрическим криоэкраном, в которой подачу жидкого хладагента осуществляют снизу.

Испаряясь под действием теплоприто- ков от стенок криоэкрана, азот выходит из верхней части криоэкрана. По мере охлаждения стенок криоэкрана в условиях продолжающейся подачи жидкого хладагента в его полость уровень жидкой фазы хладагента повышается. При полном заполнении

криоэкрана жидким хладагентом температура криозкрана распределена равномерно, практически равна температуре жидкого хладагента и дальнейшее ее понижение невозможно. Поэтому на практике, с целью снижения расхода хладагента, его подачу, как правило, прекращают. Но поскольку продолжающиеся теплопритоки вызывают постоянное испарение хладагента, его подачу возобновляют во-избежение недопустимого по заданным температурным повышениям температуры криоэкрана и прежде всего его верхней части. Процесс продолжают в течение всего режима исследования объекта, помещаемого в откачиваемый объем.

Известен способ исследования объектов в термобарокамере, включающий размещение объекта в камере, подачу снизу в криоэкран жидкого хладагента и вакуумиро- вание камеры, в котором с целью снижения теплопритоков к объекту и жидкому хладагенту через стенки при одновременном пою

с

VJ ю о

О О

вышении экономичности термобарокамеры выходящие из криоэкрана пары хладагента используют для охлаждения внешних поверхностей стенок термобарокамеры.

Однако известный способ предполагает постоянное (в пределах режима исследования) восполнение испаряющегося хладагента, так как в противном случае понижение уровня жидкой фазы в криоэкране приведет к превышению допустимой температуры стенок криоэкрана по заданным температурным условиям исследования объекта. В то же время, по завершении режима исследования, в большинстве случаев, оставлять полностью заполненный жидкой фазой кри- оэкран нецелесообразно как по соображениям расхода относительно дорогого жидкого хладагента, так и длительности последующего принудительного удаления жидкой фазы из криоэкрана (продувки криоэкрана) и его нагрева выше 273 К для разгерметизации камеры или перехода к теплым режимам исследования объекта. Иначе говоря, известный способ недостаточно экономичен.

Цель изобретения - снижение расхода хладагента при обеспечении заданных температурных условий за счет кратковременного использования эффекта испарения хладагента.

На фиг. 1 изображен пример устройства для осуществления способа исследования объектов в термобарокамере; на фиг. 2 - схема, поясняющая указанный способ и происходящие при нем теплофизические процессы; на фиг. 3 - характер изменения температуры верхней части криоэкрана во времени при вариантах способа; на фиг. 4 - пример экспериментальных аналогичных зависимостей.

Способ осуществляют следующим образом.

Размещают объект исследования в термобарокамере, подают снизу в криоэкран жидкий хладагент, вакуумируют камеру, после частичного испарения хладагента из криоэкрана производят подачу в его нижнюю часть газа под давлением, достаточным для перемешивания жидкого хладагента до понижения температуры криоэкрана в зоне, незаполненной жидким хладагентом.

Для достижения большего положительного эффекта в предлагаемом способе подачу газа в криоэкран осуществляют периодически.

Для осуществления способа может быть использовано устройство (см. фиг. 1), которое содержит термобарокамеру 1 с криоген- ной системой, включающей в себя цилиндрический криоэкран 2 с входным 3 и выходным 4 патрубками, термостатируемый

монтажный стол 5 для фиксации объекта б исследования, источник 7 жидкого хладагента (емкость ТРЖК с жидким азотом), источник 8 сжатого газа (баллон с сухим

воздухом или инертным газом), трубопроводы и вентили 9, 10 для выборочной подачи хладагента или газа под давлением в нижнюю часть криоэкрана 2. Для контроля теплового состояния криоэкрана 2 и оценки

степени заполнения жидкой фазой он снабжен датчиками температуры TL Та, Тз.

Жидкий азот, подаваемый под давлением от источника 7 через открытый вентиль 9 и патрубок 3 в нижнюю часть криоэкрана 2,

постепенно заполняет его полость, постоянно испаряясь (см. фиг. 2а). При размещении объекта 6 на столе 5 (см. фиг. 1) последний экранирует его от нижней части криоэкрана 2, характеризующейся наиболее низкой и

стабильной, в условиях переменного уровня жидкой фазы, температурой ti, а верхняя часть криоэкрана 2 с менее устойчивой температурой ta оказывает существенно большее влияние на тепловой режим объекта 6.

Режим исследования объекта 6 начинают при температуре ts криоэкрана 2 не выше заданной условиями исследования - ts, т.е. в момент TO (см. фиг. 4). Испарение азота в первоначально залитом полностью или частично криоэкрана 2 (см. фиг. 26) под действием теплопритоков через его стенки вызывает постепенное понижение уровня жидкой фазы (см. фиг. 2в) и соответственно рост температуры ta (см. фиг. 3, 4).

Если потери жидкого азота в криоэкране 2 не восполнять новыми порциями от источника 7, то процесс будет протекать согласно пунктирным кривым (t3-2J на фиг. 3, 4 и, начиная с момента тз Tk/tk заданный момент завершения режима), заданное условие ts 13 не будет соблюдаться: ta-2 ts.

Если потери жидкого азота в криоэкране 2 восполнять, например новой порцией

жидкого азота в период с тз по гз-з , то процесс будет протекать согласно штрих- пунктирной кривой ta-з на фиг. 4 и заданное условие ts ta будет соблюдаться за счет расхода жидкого азота: ts-з ts.

в данном способе процесс протекает согласно сплошной кривой (t3-i) на фиг. 3,4. Вентиль 9 оставляют закрытым и в момент г гз открывают вентиль 10, подавая тем самым в нижнюю часть криоэкрана 2 газ под

давлением, достаточным для перемешивания жидкого азота до понижения температуры t3 (период А т1 ). Поступающий в криоэкран газ, интенсивно перемешиваясь с жидкой фазой, вызывает кратковременный эффект интенсификации ее испарения и частичное смывание (выбросы) жидкой фазой стенок криоэкрана 2 выше уровня жидкой фазы, достигнутого к моменту подачи газа (см. фиг. 2г), При достижении температуры ta-i вентиль 10 закрывают. Дальнейшее повышение температуры ta (t3-i). имеющий повышенный темп вследствие уменьшения количества жидкой фазы в криоэкране 2, происходит до момента % при условии ts ta или, в противном случае, до очередной подачи газа в криоэкран 2. При повтортном открытии вентиля 10 понижение ta (t3-0 происходит с меньшим темпом по причине меньшей эффективности описанного процесса перемешивания в условиях сокращенного количества жидкой фазы (период

А т повторной подачи газа).При достижении температуры tЈi вентиль 10 закрывают.

Возможно и большее количество периодов подачи газа (на фиг. 4 показан процесс изменения t3-2 при тройной подаче газа).

Резкое последующее после подачи газа увеличение температуры ta (13-1) и превышение ta ts при т ть , т.е. за пределами режима, не нарушает заданных температурных условий и, более того, способствует оперативной подготовке камеры 1 к разгерметизации и к осуществлению теплых режимов исследования объекта 6. Допускается восполнение потерь жидкого азота в криоэкране 2 до подачи газа.

Экспериментальные данные, представленные на фиг. 4, получены на термовакуумной установке объемом 2 м3, с цилиндрическим криоэкраном диаметром 0,8 м, со стандартными баллонами с инертным газом при комнатной температуре и с редуктором, при условии давления газа на выходе из редуктора 0,5-0,7 атм, продолжи0

5

0

5

0

5

0

тельность периодической подачи газа Дт Дт , А1 , указана на фиг. 4, давление остаточных газов в камере в течение режима не превышало 10 Па.

В общем случае, выбор конкретных параметров способа в рамках совокупности существенных признаков изобретения (выбор газа, давление газа на входе в патрубок

3, момент г1 начала подачи газа, скважность периодической подачи газа, количество периодов подачи и продолжительность каждого периода подачи) индивидуален и зависит от геометрических размеров криоэкрана и других элементов криосистемы термобарокамеры, от степени заполнения криоэкрана жидкой фазой, от интенсивности теплопри- токов к криоэкрану, от заданных температурных условий и т.д.

Формула изобретения

1.Способ исследования объектов в термобарокамере, включающий размещение объекта в камере, подачу снизу в криоэкран. жидкого хладагента, вакуумирование камеры, отличающийся тем, что, с целью снижения расхода хладагента при обеспечении заданных температурных условий за счет кратковременного использования эффекта испарения хладагента, после частичного испарения хладагента из. криоэкрана подают в его нижнюю часть газ под давлением, достаточным для перемешивания жидкого хладагента до понижения температуры криоэкрана в зоне, незаполненной жидким хладагентом.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что подачу газа в криоэкран осуществляют периодически.

/

2. Ч

Использование: научные исследования. Сущность изобретения: способ включает размещение объекта в камере, подачу снизу в криоэкран жидкого хладагента, вакууми- рование камеры. После частичного испарения хладагента из криоэкрана подают в его нижнюю часть газ под давлением. Перемешивают газом жидкий хладагент до понижения температуры криоэкрана в зоне, незаполненной хладагентом. Подачу газа в криоэкран производят периодически. 4 ил.

6 3

хладагент

Фи.2

шдигент

Подача иц&

Подача хладагента

а

Фиг. 3

Режим

-т

460

V Тз-з f Ъ 6 % 7

Фиа.

Подача газа:

Ыача хладагента