Испарительный теплообменный аппарат

 

Использование: в космических летательных аппаратах. Сущность изобретения: испарительный теплообменный аппарат содержит корпус, в котором размещены по меньшей мере один активный контур циркуляции охлаждаемой жидкости, трубки, отделенные друг от друга, объединенные в секции и сообщающиеся с зонами входа и выхода испаряемой среды из корпуса, заслонки, установленные в межтрубном пространстве, а также средство регулирования площади проходного сечения зоны выхода испаряемой среды из корпуса в зависимости от температуры поступающей в корпус охлаждаемой жидкости. Средство регулирования может быть выполнено в виде перегородки с отверстиями, перекрывающей зону выхода испаряемой среды из корпуса. Часть отверстий перегородки могут быть снабжены крышками с биметаллическими пружинами, которые имеют управляющие элементы и выполнены в термическом контакте с последними, через которые протекает часть охлаждаемой жидкости. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение касается испарительного теплообменного аппарата в соответствии с ограничительной частью пункта I формулы изобретения.

У космических летательных аппаратов, которые находятся в стадии подъема или спуска через атмосферу земли или которые на околоземной орбите подвержены экстремальным термическим нагрузкам, необходимо наверняка и надежно отводить образующееся тепло. Для этой цели среди прочего используются испарительные теплообменные аппараты.

Основополагающим принципом подобного рода теплообменных аппаратов является то, что охлаждаемая среда активного жидкостного циркуляционного контура для отвода тепла приводится в теплопередающий контакт с испаряемой средой, которая хранится в имеющемся резервуаре и которая затем в виде пара отводится от космического летательного аппарата в окружающую среду.

Чтобы оптимально использовать испаряемую среду путем по возможности полного испарения, важным является то, чтобы обеспечить по возможности хороший термический контакт и тем самым по возможности полный переход тепла между охлаждающей жидкостью с одной стороны и испаряемой средой с другой стороны.

В известном классе подобного рода теплообменных аппаратов, который описан, например, в патенте ФРГ N 3718873, охлаждающая жидкость протекает по отдельным каналам через технологическое пространство, в которое через впускной клапан каплями впрыскивается испаряемая среда. Во втором классе испарительных теплообменных аппаратов, к которому также можно отнести изобретение, охлаждающая жидкость напротив протекает открыто через технологическое пространство, в то время как испаряемая среда направляется через это пространство по отдельным, расположенным, как правило, в виде секций каналам. При этом охлаждающая жидкость дополнительно с помощью расположенных в технологическом пространстве заслонок принудительно направляется в виде меандрового потока.

В подобного рода испарительном теплообменном аппарате, если в нем в качестве охлаждающей жидкости используется вода, существует опасность оледенения. Чтобы предотвратить эту опасность, при известных обстоятельствах может быть необходимым воздействовать на температуру испарения испаряемой среды, в качестве которой часто используется аммиак.

Задачей изобретения является выполнение испарительного теплообменного аппарата в соответствии с родовым понятием таким образом, чтобы он предоставлял простую и одновременно надежную с точки зрения функционирования возможность для регулирования температуры испарения испаряемой среды.

Изобретение решает эту задачу с помощью теплообменного аппарата с отличительными признаками пункта I формулы изобретения. При этом в соответствии с изобретением на давление испарившейся среды влияют путем изменения поперечного сечения выпускного отверстия и таким образом одновременно влияют на температуру испарения таким образом, что опасность оледенения надежно исключена. Особенно простым способом это происходит благодаря тому, что поток пара разделяется на несколько частных потоков, которые соответственно направляются с помощью отдельных выпускных заслонок. Путем целенаправленного открывания или закрывания отдельных этих заслонок можно тогда простым способом влиять на давление испарения. При этом в другом варианте выполнения изобретения открывание или закрывание может осуществляться с помощью нагруженного температурой впуска охлаждающей жидкости регулирующего устройства, в простейшем случае с помощью биметаллической пружины. (Это, в частности, возможно тогда, когда поток пара разделяется на основной поток, заслонка которого постоянно остается открытой, а также, по меньшей мере, на три дополнительных паровых потока. Даже если в случае неисправности в подобного рода системе одна из дополнительных заслонок остается закрытой, температура испарения лишь незначительно возрастает выше заданной величины и наоборот. В обоих случаях система остается полностью работоспособной.

Сущность изобретения поясняется ниже, чертежами, на которых показано: фиг.1 продольный разрез первого испарительного теплообменного аппарата; фиг.2 вид сбоку системы в соответствии с фиг.1; фиг.3 вид системы в соответствии с фиг.1 сверху; фиг. 4-6 вертикальные разрезы различных зон изображенной на фиг.1 системы, фиг.7 принципиальный эскиз второго испарительного теплообменного аппарата; фиг.8 разрез теплообменного аппарата в соответствии с фиг.7; фиг.9 разрез зоны выпуска изображенного на фиг.7 теплообменного аппарата и фиг.10 разрез частичной зоны показанной на фиг.7 системы.

На чертеже одинаковые конструктивные элементы обозначены одинаковыми условными обозначениями.

Изображенный на фиг.1 испарительный теплообменный аппарат состоит из цилиндрического корпуса 1, в котором в технологическом пространстве 2 расположена секция однотипных трубочек 3, которые проходят параллельно продольной оси корпуса и которые, как в частности, показывает изображение поперечного разреза на фиг.4, равномерно распределены по всему поперечному сечению технологического пространства. При этом удаление отдельных трубочек 3 друг от друга выбрано, по меньшей мере, равным удалению, которое имеет воображаемая кромка секции трубочек от внутренней стенки корпуса 1. Корпус 1 имеет соответственно на концах присоединительный фланец 4 или 5, с помощью которых корпус 1 соединен с двумя концевыми телами 6 и 7, конструкция которых ниже поясняется более подробно.

Левое на фиг.1 концевое тело 6 имеет центральное впускное пространство 8 для испаряемой среды, в случае описанного здесь примера выполнения изобретения аммиака (NH₃), которое сужается в направлении к впускному клапану 9 конусообразно. Размер радиуса открытого к технологическому пространству 2 впускного пространства 8 выбран таким образом, что это пространство охватывает внутреннюю группу трубочек 3, причем их количество составляет примерно 50 процентов от общего количества имеющихся трубочек 3. Эти трубочки выступают через пластину с отверстиями 10, которая образует непосредственный запор технологического пространства 2, внутрь впускного пространства 8. Остальные 50 процентов трубочек секции, которые образуют внешнее кольцо этой секции, также выступают через пластину с отверстиями 10 в кольцевое пространство 11, которое окружает впускное пространство 8 и которое оснащено в целом четырьмя входными отверстиями 12-15 для испарившейся среды, расположенными со смещением относительно друг друга на 10^o.

При этом два из этих выходных отверстий 12-15, которые скрыты в изображении на фиг.1, можно видеть на фиг.3. На этом изображении, повернутом относительно изображения в соответствии с фиг.1 на 90^o, можно видеть кроме того выход 16, а также вход 17, которые предусмотрены для охлаждающей жидкости, в данном случае воды, и которые соединены непосредственно с технологическим пространством 2. В то время как выход 16 расположен в зоне увеличенного диаметра корпуса 1, вход 17 находится в частичной цилиндрической зоне правого на чертеже концевого тела 7.

Через это, названное последним концевое тело 7, как видно из фиг.1, содержащие испаряемую среду трубочки 3 проведены до сборного пространства 18, которое ограничивает внутреннюю полость концевого тела 7 и через которое группа внутренних трубочек 3, которые соединены с впускным пространством 8, соединена с группой расположенных снаружи трубочек 3. Наконец, соответственно, попеременно, внутри технологического пространства 2 расположены два различных вида отклоняющих заслонок. В случае с этими отклоняющими заслонками речь идет, во-первых, о заслонках 19 с отверстиями, как они представлены на фиг.5, и при которых в середине технологического пространства 2 остается отверстие 20. Во-вторых, речь идет о кольцевых заслонках 21, которые освобождают отверстие в форме кольцевого зазора в технологическом пространстве 2. Наконец, вся система смонтирована на несущем элементе 22.

Принцип действия описанной выше системы необходимо пояснить с помощью второго примера выполнения изобретения, который прежде всего представлен с помощью упрощенного принципиального эскиза на фиг.7. На этом принципиальном эскизе по соображениям наглядности отказались от изображения имеющегося между отдельными, направляющими испаряемую среду трубочками 33 технологического пространства. Как видно из изображения поперечного сечения этого теплообменного аппарата на фиг.8, в этом случае расположенные внутри корпуса 31 в технологическом пространстве 32 трубочки 33 объединены в целом в три группы: центральную группу 34, состоящую примерно из 20-30 трубочек, расположенных в центре секции, промежуточную группу 35 примерно с таким же количеством трубочек, а также краевую группу, состоящую примерно из 30-40 трубочек.

На обоих концах технологического пространства 32 эти группы трубочек соединены друг с другом с помощью сборных пространств, а именно, группы 34 и 35 с помощью центрального сборного пространства 37, а группы 35 и 36, на стороне впуска испаряемой среды, с помощью кольцевого сборного пространства 38, которое окружает впускное отверстие 39 для подачи испаряемой среды. Наконец, испарившаяся среда собирается в выпускном пространстве. Последнее закрыто с помощью изображенной на фиг.9 пластины 52, в которой расположено несколько заслонок с отверстиями 52-56. Из этих заслонок заслонка 53, расположенная в центре, является неизменяемой, в то время как заслонки 54-56 соответственно могут закрываться с помощью механизма, который изображен на фиг. 10.

Этот механизм состоит из крышки 57, которая удерживается на биметаллической пружине 58, которая в свою очередь вставлена между двумя трубочками 59 и 60. Последние относятся к петле, через которую протекает часть охлаждающей жидкости, поступающей в технологическое пространство 32.

В этом испарительном теплообменном аппарате также в попеременной последовательности предусмотрены отклоняющие заслонки 49 и 51. Впускное и выпускное отверстия для протекающей через технологическое пространство охлаждающей жидкости в этом изображении опущены. Направления движения жидкости, в данном случае вновь воды, и испаряемой среды, аммиака, соответственно обозначены стрелками.

Охлаждающая жидкость поступает в правую на чертеже часть технологического пространства с входной температурой, которая в случае описанного здесь примера выполнения находится в пределах примерно от 24 до 67^oС. Затем охлаждающая жидкость протекает между трубочками с испаряемой средой, причем она большей частью передает содержащееся в ней тепло этой среде, прежде чем она не будет выходить из технологического пространства с температурой примерно 5-6^oС. При этом расположенные попеременно в технологическом пространстве отклоняющиеся заслонки, как видно из фиг.6, способствует созданию меандрового потока охлаждающей жидкости, что приводит к постоянно новому перемешиванию и тем самым к очень гомогенному распределению температуры протекающих между трубочками потоков охлаждающей жидкости.

На другой стороне в центральную группу трубочек подается испаряемая среда с входной температурой около -10^oС. При протекании по трубочкам она нагревается до температуры испарения и возможно уже начинается испарение. На конце трубочек она попадает в общее для всех трубочек центральные группы, по которым она протекает, сборное пространство, которое находится на выпускном конце, откуда она отклоняется и направляется в трубочки промежуточной группы. При этом в результате отклонения на 180^o она перемешивается.

Тем самым во всех центральных трубочках преобладают одинаковые условия протекания. Теперь аммиак протекает в том же направлении, что и охлаждающая жидкость, со стороны выпуска аммиака к стороне подачи аммиака, и при этом почти полностью испаряется. При этом, так как конец центральных трубочек расположен на стороне выхода воды теплообменного аппарата, испаряемая среда перегревается максимум до температуры выхода (6^oС). Она протекает во второе сборное пространство, где при новом отклонении на 180^o вновь создаются почти гомогенные условия протекания для следующего участка протекания аммиака.

Наконец, аммиак, нагруженный небольшим количеством оставшихся капель, вновь протекает против направления потока воды по краевым трубочкам к сторону поступления воды и выпуска аммиака теплообменного аппарата. При этом она нагревается до разности остаточной температуры: примерно от 5 до 10^oС относительно температуры воды на выходе, которая в зависимости от нагрузки находится в пределах 24-67^oС и затем поступает в ограниченное пластиной 52 выпускное пространство 40. Путем открывания и закрывания одной или нескольких заслонок 54-56 теперь можно регулировать давление испарения таким образом, что исключается опасность оледенения для охлаждающей жидкости. При этом изменение открывания заслонок осуществляется в зависимости от температуры охлаждающей жидкости на выходе, так что в любое время обеспечено оптимальное рабочее состояние.

Формула изобретения

1. Испарительный теплообменный аппарат для отвода тепла в космических летательных аппаратах в условиях невесомости, а также при различных ускорениях, содержащий корпус, в котором размещен по меньшей мере один активный контур циркуляции охлаждаемой жидкости, трубки, отделенные друг от друга и объединенные в секции и сообщающиеся с зонами входа и выхода испаряемой среды из корпуса, и заслонки, установленные в межтрубном пространстве, в котором протекает охлаждаемая жидкость, отличающийся тем, что аппарат снабжен средствами регулирования площади проходного сечения зоны выхода испаряемой среды из корпуса в зависимости от температуры поступающей в корпус охлаждаемой жидкости.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что средство регулирования установлено в зоне выхода испаряемой среды из корпуса после последней секции трубок и выполнено с возможностью по меньшей мере частичного закрытия в зависимости от температуры.

3. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что средство регулирования выполнено в виде перегородки с отверстиями, перекрывающей зону выхода испаряемой среды из корпуса.

4. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что по меньшей мере часть отверстий перегородки снабжены крышками и выполнены с возможностью закрытия.

5. Аппарат по п. 4, отличающийся тем, что крышки снабжены биметаллическими пружинами.

6. Аппарат по п.5, отличающийся тем, что биметаллические пружины снабжены управляющими элементами и выполнены в термическом контакте с последними, через которые протекает часть подаваемой в межтрубное пространство охлаждаемой жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10