Способ отвода тепла в космических летательных аппаратах и устройство для его осуществления

 

Использование: в космических летательных аппаратах в условиях невесомости, а также при различных ускорениях для отвода тепла. Сущность изобретения: в рабочем пространстве охлаждающая жидкость, циркулирующая по меньшей мере в одном циркуляционном контуре, и испаряемая среда приводятся во взаимный теплопередающий контакт, и тепло вместе с паром выводится в атмосферу, окружающую космический аппарат. Контакт, приводящий к теплопередаче, происходит по меньшей мере в двух пространственно разделенных зонах рабочего объема, причем в этих зонах устанавливаются варьируемые значения давления и температуры, и охлаждающая жидкость и испаряемая среда пропускаются через эти ступени в следующем порядке: охлаждающая жидкость сначала проходит через ступень с наиболее высокими давлением и температурой, а затем через ступени с постепенно уменьшающимися давлением и/или температурой. 2 с.п. ф-лы, 8 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу отвода тепла, а также устройству для осуществления этого способа для космических летательных аппаратов, которые во время пуска и посадки проходят через земную атмосферу или, находясь на околоземной орбите, подвергаются экстремальным термическим нагрузкам и для которых актуальна проблема безопасного и надежного отвода выделяющегося тепла при применении испарительных теплообменников.

Основной принцип теплоотвода при использовании подобных теплообменников заключается в том, что охлаждаемая среда, циркулирующая в активном циркуляционном контуре для реализации теплоотвода приводится в теплообменный контакт с испаряемой средой, которая содержится в находящемся на борту космического аппарата резервуаре и в дальнейшем сбрасывается в виде пара в окружающую атмосферу.

Для того, чтобы оптимальным образом использовать испаряемую среду, достигая максимально полного ее испарения, очень важно добиться возможно более качественного теплового контакта, а следовательно, наиболее полной теплопередачи между охлаждающей жидкостью, с одной стороны, и испаряемой средой, с другой стороны.

Наиболее близким аналогом является испарительный теплообменник, в котором охлаждающая жидкость открыто протекает через рабочее пространство, тогда как испаряемая среда поступает в это пространство через отдельные, как правило упорядоченные в секции, каналы. Охлаждающая жидкость при этом проходит через диафрагмы, расположенные в рабочем пространстве, для создания извилистого потока (1).

Одно из требований, предъявляемых к теплообменникам данного типа, состоит в том, что независимо от количества теплоты, которую необходимо отвести, температура охлаждающей жидкости (воды в рассматриваемом случае) на выходе из теплообменника должна поддерживаться на постоянном уровне, составляющем 6^oC.

В качестве испаряемой среды в рассматриваемом случае выбран жидкий аммиак (NH₃), направляемый в испаритель из соответствующего резервуара через систему впрыска и сбрасываемый после испарения в окружающую среду. Температура аммиака, находящегося в резервуаре, составляет от 0 по 70^oC, давление соответствует давлению насыщенного пара или повышается за счет подачи газообразного азота или гелия через впускной трубопровод из резервуара для хранения этих газов.

При поступлении жидкого аммиака в испаритель давление резко снижается. Поэтому сразу после клапана впрыска испаряется столько аммиака, сколько необходимо для того, чтобы температура поступающей жидкости после клапана соответствовала температуре насыщенного пара, являющейся функцией давления в испарителе.

В отсутствие специального технического устройства давление в испарителе зависит лишь от абсолютного давления окружающей среды, куда сбрасывается испаряющийся аммиаки, и от потерь давления потока аммиака, проходящего через выпускной клапан, и, при известных обстоятельствах, от скачков давления в дросселирующем сечении выпускного канала.

Температура аммиака при его адиабатическом испарении всегда должна быть ниже температуры воды в циркуляционном контуре, чтобы теплопоглощение могло быть реализовано. Однако, ни при каких обстоятельствах она не должна быть настолько низка, чтобы в граничных слоях циркуляционного контура могло произойти локальное обледенение.

Поскольку подобные теплообменники должны эксплуатироваться как в условиях вакуума (около 600 Па), так и при нормальном атмосферном давлении (101,3 кПа) и в связи с широким спектром тепловых нагрузок генерируются потоки парообразного аммиака различной интенсивности, давление при испарении, а следовательно, и температура испарения варьируются в зависимости от нагрузки и заданного режима: при наибольшей нагрузке температура испарения максимальна, при частичной нагрузке она имеет наиболее низкое значение.

Для регулирования давления испарения аммиака и температуры в приведенном выше литературном источнике предлагается на вводе испаряемой среды предусмотреть регулировочный клапан предварительного давления и за счет этого поддерживать давление в испарительном объеме на постоянном уровне вне зависимости от генерируемого количества пара и одновременно от давления окружающей среды. Поскольку предлагаемое техническое решение требует установки регулировочного клапана, то есть дополнительной металлической арматуры, возможность отказа которой не может быть полностью исключена, то, учитывая необходимость создания резервного варианта, потребуется предусмотреть дополнительную установку, по меньшей мере, еще одного клапана и монтаж параллельной ветви с двумя дополнительными клапанами. Такое техническое решение, однако, потребует установки четырех клапанов, что означает существенное увеличение массы и объема конструкции, а также связано с дополнительными затратами.

Технической задачей изобретения является усовершенствование способа таким образом, чтобы просто и без применения дополнительных механических деталей создать возможность поддержания температуры испарения испаряемой среды независимо от нагрузочного давления и противодавления на таком низком уровне, чтобы оказался возможен постоянный отвод требуемого количества тепла и, вместе с тем, температура поддерживалась бы на таком уровне, чтобы была полностью устранена опасность образования льда в граничном слое между охлаждающей жидкостью и деталями узла, предназначенного для испарения среды. Дополнительной целью изобретения является разработка устройства, предназначенного для реализации способа.

Задача решается тем, что в способе отвода тепла, согласно которому в рабочем пространстве во взаимный тепловой контакт вступает охлаждающая жидкость, циркулирующая, по меньшей мере, в одном активном циркуляционном контуре, и испаряемая среда, и тепло передают испаряемой среде, которую затем в виде пара выводят в окружающую атмосферу, контакт осуществляют в двух пространственно разделенных ступенях, в которых устанавливают варьируемые значения давления и температуры, а потоки охлаждающей жидкости и испаряемой среды организованы таким образом, что охлаждающая жидкость сначала проходит через ступень с максимальной температурой и максимальным давлением, а затем через ступени с постепенно снижающимся давлением и/или температурой.

Кроме того, охлаждающую жидкость и испаряемую среду пропускают через отдельные ступени во встречном направлении, охлаждающей жидкостью является вода, а испаряемой средой аммиак (NH₃, при этом значения давления и температуры подобраны так, чтобы в одной из ступеней происходило лишь частичное испарение испаряемой среды. Кроме того, испаряемой средой может быть также и водород (Н₂), а в пределах каждой ступени основное направление потока охлаждающей жидкости совпадает с направлением испаряемой среды.

Задача в части устройства для отвода тепла решается тем, что в устройстве, содержащем испарительный теплообменник, имеющий, по меньшей мере, один активный циркуляционный контур охлаждающей жидкости, в рабочем пространстве которого протекает охлаждаемая жидкость и испаряемая среда, рабочее пространство состоит, по меньшей мере, из двух отделенных друг от друга ступеней, в которых давление и температура различны, а степени соединены друг с другом трубопроводами. Кроме того, между ступенями установлена, по меньшей мере, одна диафрагма, а в каждой из ступеней размещены пучки трубочек для пропускания испаряемой среды, снаружи омываемые потоком охлаждающей жидкости.

На чертеже представлен принципиальный эскиз многоступенчатого (в данном случае трехступенчатого) испарительного теплообменника. Ступени состоят из трех отделенных друг от друга камер 1-3, расположенных в общей раме, которая на рисунке не показана. В каждой из цилиндрических камер 1-3 располагается по пучку ориентированных в продольном направлении трубочек, через которые пропускается испаряемая среда (в рассматриваемой ситуации аммиак) и которые снаружи омываются охлаждающей жидкостью (в описанном примере исполнения водой).

Испаряемая среда впрыскивается через впускной клапан 4 в камеру 1 первой ступени теплообменника, проходит через эту камеру и затем через соединительный трубопровод 5 поступает в камеру 2, представляющую собой вторую ступень. Отсюда она через второй соединительный трубопровод 6 направляется в последующую ступень, то есть в камеру 3, и, наконец, полностью превратившись в пар, сбрасывается в атмосферу через выпускное отверстие 7.

Охлаждающая жидкость, путь течения которой представлен непрерывной, обозначенной цифрой 8, кривой линией, подводится со стороны выпускного отверстия 7 в камеру 3, представляющую собой третью ступень теплообменника. В этой камере она омывает расположенные здесь трубочки, предназначенные для впрыскивания испаряемой среды, поступает через соединительный трубопровод в камеру 2 и, наконец, в камеру 1, откуда она, будучи охлажденной до требуемой температуры, возвращается к охлаждаемым элементам космического летательного аппарата. Для удобства рассмотрения система трубопроводов для охлаждающей жидкости на представленном рисунке не показана.

Если исходить из предположения, что температура охлаждающей жидкости, поступающей в камеру 3, находится в интервале 24-65^oC, и что охлаждающая жидкость должна покидать камеру 1, имея температуру 6^oС, то необходимое для реализации такого режима охлаждения давление аммиака можно приблизительно установить по кривой упругости паров при дополнительном условии, что температура аммиака всегда должна быть ниже температуры подвергаемой охлаждению жидкости. В этом случае давление паров аммиака в первой ступени будет находиться в интервале 335-516 кПа. Поскольку такое давление явно превышает максимально возможное давление наружной атмосферы, представляется предпочтительным в целях регулировки давления в зоне соединительного трубопровода 5 смонтировать диафрагму 9 и предусмотреть в этом месте примерное постоянство объемного потока испаряемой среды. Это означает, с другой стороны, что здесь всегда переносится одинаковое количество тепла, поэтому первая ступень сконструирована для минимальной нагрузки при температуре охлаждающей жидкости на входе около 24^oC.

Таким образом, для второй ступени, в которой температура охлаждающей воды составляет более 24^oC, исходя из аналогичных предпосылок, максимальная температура воды оказывается равной 35^oС, а минимальное давление испаряемой среды около 160 кПа. Для того, чтобы давление в первой ступени не превышало 516 кПа, давление во второй ступени не может превышать примерно 280 кПа.

Наконец, в третьей и последней ступени, перед которой предусматривается установка дополнительной диафрагмы 10, температура охлаждающей жидкости от своего максимального значения, составляющего 65^oC, снижается приблизительно до 35^oC, на основании чего расчетная величина давления испаряемой среды находится в интервале 47-150 кПа.

Приведенные численные характеристики получены, исходя из предположения, что коэффициенты теплопередачи со стороны охлаждающей жидкости и со стороны испаряемой среды одинаковы. При особо благоприятных обстоятельствах оказывается, что для обеспечения необходимой функции испарительного теплообменника, а именно, охлаждения теплоносителя до постоянной температуры, составляющей 6^oC, и полного перевода испаряемой среды в паровую фазу, может оказаться вполне достаточной двухступенчатая система охлаждения, что разумеется, также составляет предмет настоящего изобретения.

Формула изобретения

1. Способ отвода тепла в космических летательных аппаратах в условиях невесомости, а также при различных ускорениях, согласно которому в рабочем пространстве во взаимный тепловой контакт вступают охлаждающая жидкость, циркулирующая по меньшей мере в одном активном циркуляционном контуре, и испаряемая среда, и тепло передают испаряемой среде, которую затем в виде пара выводят в окружающую атмосферу, отличающийся тем, что контакт, необходимый для теплопередачи, осуществляют по меньшей мере в двух пространственно разделенных ступенях, в которых устанавливают варьируемые значения давления и температуры, и потоки охлаждающей жидкости и испаряемой среды организованы таким образом, что охлаждающая жидкость сначала проходят через ступень с максимальной температурой и максимальным давлением, а затем через ступени с постепенно снижающимися давлением и/или температурой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждающую жидкость и испаряемую среду пропускают через отдельные ступени во встречном направлении.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что охлаждающей жидкостью является вода.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что испаряемой средой является аммиак (NH₃).

5. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что значения давления и температуры, а также испаряемая среда подобраны таким образом, чтобы в одной из ступеней происходило лишь частичное испарение испаряемой среды.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что испаряемой средой является жидкий водород (Н₂).

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что в пределах каждой отдельной ступени основное направление потока охлаждающей жидкости совпадает с направлением испаряемой среды.

8. Устройство для отвода тепла в космических летательных аппаратах в условиях невесомости, а также при различных ускорениях, содержащее имеющий по меньшей мере один активный циркуляционный контур охлаждающей жидкости испарительный теплообменник, в рабочем пространстве которого протекает охлаждаемая жидкость и испаряемая среда, отличающееся тем, что рабочее пространство состоит по меньшей мере из двух отделенных друг от друга ступеней, в которых давление и температурные условия различны, и что ступени соединены друг с другом соединительными трубопроводами.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что в соединительных трубопроводах между отдельными ступенями предусмотрена по меньшей мере одна диафрагма.

10. Устройство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что в каждой из ступеней камер установлены пучки трубочек для пропускания испаряемой среды, снаружи омываемые потоком охлаждающей жидкости.

Приоритет по пунктам: 1992 по пп. 1, 5, 6, 8, 9; 1991 по пп. 2, 3, 4, 7, 10.

РИСУНКИ

Рисунок 1