Система терморегулирования энергетической установки на основе водородно-кислородного электрохимического генератора, работающей в условиях гравитации

 

Изобретение относится к системам терморегулирования с замкнутым гидравлическим контуром и предназначено для поддержания температуры рабочих тел, агрегатов, приборов, работающих в условиях гравитации, например, для установки на подводных лодках. Технический результат заключается в повышении надежности системы терморегулирования и безопасности энергетической установки в целом. Достижение результата обусловлено тем, что на входе электронасосного агрегата установлена камера, предназначенная для скапливания нерастворенных в теплоносителе газов. В камере размещен поплавок, обеспечивающий в случае контакта его с торцевой поверхностью выходного патрубка электронасосного агрегата подачу сигналов на закрытие запорных клапанов подачи кислорода и водорода. 1 ил.

Изобретение относится к системам терморегулирования (СТР) с замкнутым гидравлическим контуром и предназначено для поддержания температуры рабочих тел, агрегатов и приборов; работающих в условиях гравитации, и предназначено для установки на подводных лодках.

Известна принятая за аналог, система терморегулирования ЭУ на основе ЭХГ (см. Daubert. P. L., Gross W.H., Graff C.B., Murrel J.B. Power Systems for the Apollo Application Program. Jn: 4th Jntersoc. Energy Conver. Engug Conf, 1969, p. 74-83), содержащая последовательно соединенные кислородный и водородный газо-жидкостные теплообменники-подогреватели, электронасосный агрегат (ЭНА), регулятор расхода теплоносителя; теплообменник сброса тепла и теплообменные поверхности ЭХГ, образующие замкнутый гидравлический контур теплоносителя, запорные клапаны на трубопроводах подачи кислорода и водорода в соответствующие газо-жидкостные теплообменники, систему управления и измерения.

Известна также СТР ЭУ на основе ЭХГ, выбранная в качестве прототипа (см. Подшивалов С. А. и др. "Энергетические установки космических аппаратов, М. Энергоиздат, 1981 г., стр. 98, рис. 4.23).

Система терморегулирования ЭУ на основе ЭХГ содержит последовательно соединенные кислородный и водородный газо-жидкостные теплообменники, предназначенные для подогрева подаваемых в них соответственно водорода и кислорода из системы криогенного хранения до плюсовых температур, при которых возможна химическая реакция, ЭНА, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя, регулятор расхода теплоносителя, обеспечивающий перепуск теплоносителя в теплообменник сброса тепла в зависимости от температуры теплоносителя на входе в теплообменные поверхности в ЭХГ, установленный после регулятора расхода теплоносителя, и теплообменные поверхности ЭХГ, обеспечивающие отвод тепла, выделяемого в процессе химической реакции водорода и кислорода к теплоносителю, образующие замкнутый гидравлический контур теплоносителя, запорные клапаны на трубопроводах подачи кислорода и водорода в соответствующие газо-жидкостные теплообменники, систему управления и измерения.

Аналог и прототип имеют следующие общие недостатки: - не обеспечивают надежного поддержания температуры в требуемом допусковом диапазоне при продолжительной работе ЭУ, это связано с тем, что в замкнутых гидравлических контурах СТР имеются нерастворимые газы, которые с течением времени скапливаются в зоне пониженного давления - на входе в ЭНА, что приводит к постепенному наполнению рабочей полости ЭНА газом и снижению его производительности, это ухудшает теплообмен и может привести к невозможности поддержания температуры в требуемом допусковом диапазоне, в некоторых случаях может произойти прекращение циркуляции теплоносителя в контуре; - не обеспечивают безопасной эксплуатации ЭУ, т.к. в случае нарушения герметичности между полостями реагентов и теплоносителя в газо-жидкостных теплообменниках в контур теплоносителя будет попадать водород или кислород (давление в полостях реагентов существенно выше, чем давление в полости теплоносителя), при достижении определенной концентрации кислорода или водорода в теплоносителе, который обычно представляет водо-спиртовую смесь, может произойти взрыв.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы СТР и обеспечение безопасной эксплуатации СТР и всей ДУ в целом в течение всего заданного срока эксплуатации.

Сущность изобретения заключается в том, что в систему терморегулирования энергетической установки на основе водородно-кислородного ЭХГ, работающей в условиях гравитации, содержащую последовательно соединенные кислородный и водородный газо-жидкостные теплообменники, электронасосный агрегат, регулятор расхода теплоносителя, теплообменник сброса тепла и теплообменные поверхности ЭХГ, образующие замкнутый гидравлической контур теплоносителя, запорные клапаны на трубопроводах подачи кислорода и водорода в соответствующие газо-жидкостные теплообменники, систему управления и измерения, в замкнутый гидравлический контур теплоносителя введена камера с установленным внутри нее поплавком, на днище которого закреплен концевой герметичный выключатель, расположенный соосно с выходным патрубком теплоносителя, при этом камера установлена перед входом теплоносителя в ЭНА, а концевой герметичный выключатель через систему управления и измерения электрически связан с электронасосным агрегатом и запорными клапанами на трубопроводах подачи кислорода и водорода в соответствующие газо-жидкостные теплообменники.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями вновь созданная система терморегулирования повышает надежность работы СТР и обеспечивает безопасность эксплуатации СТР и всей ДУ на основе водородно-кислородного ЭХГ в целом при работе ЭУ в условиях гравитации.

Это достигается благодаря введению в замкнутый гидравлический контур теплоносителя системы терморегулирования ЭУ камеры с установленным внутри нее поплавком, на днище которого закреплен концевой герметичный выключатель, расположенный соосно с выходным патрубком теплоносителя, установки этой камеры перед входом теплоносителя в ЭНА и введению электрических связей концевого герметичного выключателя камеры с ЭНА и запорными клапанами на трубопроводах подачи кислорода и водорода в соответствующие газо-жидкостные теплообменники, которые осуществляются через систему управления и измерения. В результате скапливающиеся в зоне пониженного давления газы будут попадать в камеру, а не в рабочую полость ЭНА, как в известных системах, поэтому ЭНА будет работать с постоянной расчетной производительностью в течение всего заданного срока эксплуатации, что позволит обеспечить требуемый теплообмен и поддержание температуры в заданном допусковом диапазоне. При попадании газа в камеру газ будет вытеснять жидкость из камеры и поплавок с закрепленным на его днище концевым герметичным выключателем будет опускаться, при этом поплавок не опустится до такого уровня, при котором произойдет контакт концевого выключателя с выходным патрубком теплоносителя, если свободный объем камеры будет превышать возможный максимальный объем нерастворенного газа, который обычно не больше 1% от объема замкнутого контура. Поэтому даже после сосредоточения всего нерастворенного газа в камере не произойдет контакта концевого выключателя с выходным патрубком теплоносителя и как следствие выключение ЭНА и закрытие запорных клапанов на трубопроводах подачи реагентов. При нарушении герметичности между полостями реагентов и теплоносителя в газо-жидкостных теплообменниках и попадания водорода или кислорода в теплоноситель этот газ не будет разноситься по всему контуру, а будет накапливаться только в камере. После вытеснения газообразным водородом или кислородом жидкости из камеры до определенного расчетного уровня произойдет контакт концевого выключателя с выходным патрубком, перекрытие сечения выходного патрубка и подача сигнала на блок управления и измерения, и оттуда подача команды на выключение ЭНА и закрытие запорных клапанов на трубопроводах подачи реагентов. Расчетный уровень жидкости в камере, при котором произойдет контакт концевого выключателя с торцевой поверхностью выходного патрубка теплоносителя, должен быть выше уровня торцевой поверхности патрубка, чтобы исключить попадание газа из камеры в контур теплоносителя и, следовательно, исключить возможность воспламенения или взрыва. После выключения ЭНА и закрытия запорных клапанов будет произведен переход на резервную СТР и функционирование ЭУ будет продолжено.

Сущность изобретения поясняется чернтежом, на котором приведена схема системы терморегулирования.

Система включает последовательно соединенные трубопроводом 1 кислородный 2 и водородный 3 газо-жидкостные теплообменники, камеру 4, ЭНА 5, регулятор расхода теплоносителя 6, теплообменник сброса тепла 7, теплообменные поверхности 8 электрохимического генератора 9, образующие замкнутый гидравлический контур, запорные клапаны на трубопроводах подачи кислорода и водорода, соответственно 10, 11, систему управления и измерения 12. Внутри камеры 4 установлен поплавок 13, на днище которого закреплен концевой герметичный выключатель 14, который через электроразъем 15, установленный на корпусе камеры 4, связан электрически (16, 17) с блоком управления и измерения 12. Упомянутый концевой герметичный выключатель 14 расположен соосно с выходным патрубком теплоносителя 18 из камеры 4, при этом торцевая поверхность упомянутого патрубка расположена выше днища камеры. ЭНА 5 и запорные клапаны 10, 11 электрически связаны соответственно (19, 20, 21) с блоком управления и измерения 12. Перед входом теплоносителя в теплообменные поверхности 8 ЭХГ 9 установлен датчик температуры 22, который через блок управления и измерения 12 электрически связан (23, 24) с регулятором расхода теплоносителя 6. Подача подогретых до плюсовых температур кислорода и водорода из газо-жидкостных теплообменников 2, 3 осуществляется по трубопроводам 25, 26, при этом на каждом из них установлены регуляторы давления 27, 28.

Работает система следующим образом.

Циркуляция теплоносителя в замкнутом гидравлическом контуре осуществляется с помощью ЭНА 5. При прохождении теплоносителя через теплообменные поверхности 8 он нагревается за счет подвода к нему тепла, выделяемого в результате реакции электрохимического окисления кислорода и водорода на электродах топливных элементов ЭХГ 9. При этой реакции образуется электроэнергия постоянного тока, вода и тепло. Нагретый теплоноситель, например, до температуры 80^oC подается сначала в кислородный теплообменник 2, в который из системы криогенного хранения подаются кислород при криогенных температурах, например минус 150^oC. Кислород и теплоноситель подаются в разные полости теплообменника, которые разделены между собой теплообменной перегородкой. В результате теплообмена теплоносителя с кислородом температура кислорода повышается до плюсового уровня (при минусовых температурах реакция электрохимического окисления не происходит), а температура теплоносителя понижается. Далее теплоноситель подается в теплообменник 3, в который из системы криогенного хранения подается водород, например, при температуре минус 240^oC. Температура водорода на выходе из теплообменника 3 повышается до плюсовых температур, а температура теплоносителя еще больше понижается, но она всегда больше 0^oC. Таково условие при разработке СТР для ЭУ на основе водородно-кислородного ЭХГ. Затем теплоноситель, пройдя камеру 4 и ЭНА 5, поступает в регулятор расхода теплоносителя 6, который в зависимости от температуры теплоносителя на входе в теплообменник поверхности 8 частично или полностью направляет его в теплообменник сброса тепла 7 или мимо него, чтобы обеспечить реакции в ЭХГ, например, в диапазоне 50-90^oC.

С течением времени при продолжительной работе ЭУ в зоне пониженного давления замкнутого гидравлического контура на входе в ЭНА будут скапливаться нерастворенные в теплоносителе газы, но так как на входе в ЭНА установлена камера 4, то газы будут скапливаться в ней, а не в рабочей полости ЭНА 5, как в известных системах, при этом объем камеры выбирается таким, чтобы при скоплении всех нерастворенных газов, объем которых обычно не превышает 1% объема теплоносителя в замкнутом контуре, не произошло опускание поплавка 13 до уровня, при котором произойдет перекрытие сечения выходного патрубка 18. Поэтому содержащиеся в теплоносителе нерастворенные газы не оказывают влияния на работоспособность системы и СТР будет работать в расчетном режиме и поддерживать температуру в заданном допусковом диапазоне в течение всего требуемого времени функционирования ЭУ. В случае нарушения герметичности между полостями реагентов и теплоносителя в газо-жидкостных теплообменниках 2, 3 в замкнутый контур теплоносителя будет попадать водород или кислород, который будет скапливаться в камере 4 и вытеснять жидкий теплоноситель из камеры, при этом поплавок 13 будет опускаться, но так как уровень жидкости, при котором произойдет контакт концевого герметичного выключателя 14 с торцевой поверхностью выходного патрубка 18 и перекрытие сечения патрубка выбирается такой, что попадание скопившегося в верхней части газа в выходное сечение патрубка 18 не происходит, то в замкнутый контур теплоносителя водород или кислород не попадут, что исключит возможность образования аварийной ситуации. После контакта концевого герметичного выключателя 14 с торцевой поверхностью выходного патрубка 18 произойдет подача сигнала на блок измерения и управления 12 и оттуда подача команд на выключение ЭНА 5 и на закрытие запорных клапанов 10, 11 на трубопроводах подачи кислорода и водорода. После этого будет произведен переход на резервную СТР и функционирование ЭУ будет продолжено, при этом будет сохранена целостность ЭУ, а в известных системах при такой ситуации может быть разрушение энергетической установки.

Таким образом, достигается новый технический результат: повышается надежность работы СТР и обеспечивается безопасность эксплуатации всей ЭУ в целом в течение всего заданного срока.

Формула изобретения

Система терморегулирования энергетической установки на основе водородно-кислородного электрохимического генератора, работающей в условиях гравитации, содержащая последовательно соединенные кислородный и водородный газо-жидкостные теплообменники, электронасосный агрегат, регулятор расхода теплоносителя, теплообменник сброса тепла и теплообменные поверхности электрохимического генератора, образующие замкнутый гидравлический контур теплоносителя, запорные клапаны на трубопроводах подачи кислорода и водорода в соответствующие газо-жидкостные теплообменники, систему управления и измерения, отличающаяся тем, что в замкнутый гидравлический контур теплоносителя введена камера с установленным внутри нее поплавком, на днище которого закреплен концевой герметичный выключатель, расположенный соосно с выходным патрубком теплоносителя, при этом камера установлена перед входом теплоносителя в электронасосный агрегат, а концевой герметичный выключатель через систему управления и измерения электрически связан с электронасосным агрегатом и запорными клапанами на трубопроводах подачи кислорода и водорода в соответствующие газо-жидкостные теплообменники.

РИСУНКИ

Рисунок 1