Испаритель для системы терморегулирования космического аппарата

Изобретение относится к теплообменным устройствам с разомкнутым циклом, при котором испарение жидкого хладагента происходит непосредственно в окружающую среду (в т.ч. в космос), благодаря чему оно может быть использовано в космической технике. Предлагается испаритель для системы терморегулирования космического аппарата, содержащий корпус с входами и выходами теплоносителя и хладагента. Корпус выполнен в виде цилиндра с коаксиально установленной внутри него цилиндрической теплопроводящей стенкой. На внутренней поверхности стенки выполнены продольные капиллярные канавки с образованием между корпусом и указанной стенкой канала теплоносителя и канала хладагента, ограниченного цилиндрической теплопроводящей стенкой. На внешней поверхности цилиндрической теплопроводящей стенки выполнены в шахматном порядке шипы-ребра. Канал хладагента снабжен электроклапаном для подачи хладагента в импульсном режиме, форсункой для распыления хладагента и выходным патрубком, прикрытым со стороны канала экранирующим отражателем. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности работы ускорителя, как в условиях невесомости, так и при перегрузках, возникающих при входе космического аппарата в атмосферу Земли. 1 ил.

 

Изобретение относится к теплообменным устройствам с разомкнутым циклом, при котором испарение жидкого хладагента (ХА) происходит непосредственно в окружающую среду (в т.ч. в космос), благодаря чему оно может быть использовано в космической технике. В частности, изобретение может быть реализовано в составе системы обеспечения теплового режима пилотируемого космического аппарата (КА), как в орбитальном режиме, так и на участке спуска, где возникают существенные перегрузки, а именно:

- в орбитальных условиях (при невесомости) до выхода радиационного теплообменника (РТО) на рабочий режим и во время нештатных ситуаций, когда невозможно эффективно сбрасывать тепло с КА с помощью РТО;

- на этапе спуска КА до высоты 30-40 км, где перегрузки достигают 5 g, а РТО уже не работает.

Известен испаритель для космических объектов [SU 237913 А1, 27.12.2005], предназначенный для отвода тепла за счет скрытой теплоты парообразования ХА, которая уносится с паром ХА в открытый космос. Принцип работы испарителя - испарение ХА в плоских трубках с гофрированными секционными вставками, образующими капиллярные каналы, шаг гофров которых возрастает от секции к секции по мере их продвижения от входного коллектора к собирающему коллектору.

Недостаток такой конструкции проявляется при наличии перегрузок, когда инерционные силы при соответствующей ориентации испарителя могут подпереть движение ХА, снизив его эффективность.

Известен испаритель из патента Франции №2455720 А1, 28.11.1980. Испаритель содержит цилиндрический корпус с коаксиально установленной внутри него цилиндрической теплопроводящей стенкой, на внутренней поверхности которой выполнены капиллярные канавки, причем между корпусом и указанной стенкой расположен канал теплоносителя, а внутренняя полость, ограниченная цилиндрической теплопроводящей стенкой предназначена для хладагента.

К недостаткам данного технического решения можно отнести то, что данный теплообменник не предназначен для работы в космосе и в невесомости, т.к. в невесомости при кипении фторуглеродного хладоносителя (фреона) на поверхности будет образовываться пленка газообразного фреона, которая может заблокировать дальнейший испарительный процесс, а кроме того теплообменник не является устройством с разомкнутым циклом с выбросом рабочей жидкости во внешнюю среду.

Известен испаритель для космических объектов [SU 266785 А1, 27.02.2006], также предназначенный для отвода тепла за счет скрытой теплоты парообразования хладагента. Принцип работы испарителя - испарение ХА в плоских трубках из пористого материала (изнутри).

Недостатком такой конструкции является, то, что во время работы испарителя пористый материал пропитан жидкостью, и при снятии тепловой нагрузки, жидкость будет продолжать испаряться, во-первых, расходуя нерационально ХА, а во-вторых, переохлаждая объект, что может привести к замерзанию ХА в трубках.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является испаритель, защищенный авторским свидетельством СССР №572638 от 15.09.1977 г., принятый за прототип. Испаритель содержит корпус с коллекторами входа и выхода теплоносителя и ХА, соответственно. Размещенные в корпусе теплообменные элементы в виде плоских трубок. Наружная поверхность со стороны каналов испарения покрыта слоем гидрофильного материала, поджатым к поверхности трубок при помощи проставок. Проставки по ширине каждого канала испарения разделены при помощи фитилей на секции, выполненные в виде гофрированных пластин с продольными по ходу ХА гофрами.

Недостатком прототипа является то, что, во-первых, большой объем фитиля делает работу испарителя инерционной при переменных тепловых нагрузках, а, во-вторых, в месте контакта поверхности теплопередающей стенки с гидрофильным материалом в его порах будут образовываться пузырьки пара ХА, которые будут снижать теплопередачу и, соответственно, эффективность испарителя.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности работы ускорителя, как в условиях невесомости, так и при перегрузках, возникающих при входе космического аппарата в атмосферу Земли.

Для обеспечения технического результата предлагается испаритель для системы терморегулирования космического аппарата, содержащий корпус с входами и выходами теплоносителя и хладагента. Корпус выполнен цилиндрическим с коаксиально установленной внутри него цилиндрической теплопроводящей стенкой, на внутренней поверхности которой выполнены продольные капиллярные канавки с образованием между корпусом и указанной стенкой канала теплоносителя и канала хладагента, ограниченного цилиндрической теплопроводящей стенкой. На внешней поверхности цилиндрической теплопроводящей стенки выполнены в шахматном порядке шипы-ребра. Канал хладагента снабжен электроклапаном для подачи хладагента в импульсном режиме, форсункой для распыла хладагента и выходным патрубком, прикрытым со стороны канала отражателем.

При входе КА в атмосферу Земли возникают перегрузки, при которых начинают действовать инерционные силы, которые на гладкой поверхности канала ХА будут смещать массу осевших капель ХА в ту или другую сторону, уменьшая тем самым площадь теплообмена теплопроводящей стенки. При наличии на внутренней поверхности цилиндрической теплопроводящей стенки продольных капиллярных канавок, благодаря действию капиллярных сил в канавках, которые превосходят инерционные силы, жидкий ХА равномерно распределяется по длине канавки и, соответственно, по всей поверхности теплообмена, не уменьшая площади теплообмена.

Форму и геометрию шипов-ребер подбирают экспериментально для конкретного испарителя в результате оптимизации двух противоречивых требований: с одной стороны - максимум теплопередачи тепла к цилиндрической теплопроводящей стенке за счет увеличения площади ее оребрения, с другой стороны - минимум гидравлического сопротивления канала теплоносителя за счет увеличения его «живого» сечения.

Выполнение испарителя с форсункой и выходным патрубком обеспечивает осуществление испарительного процесса в невесомости с выбросом пара ХА во внешнюю среду.

Электроклапан необходим для регулирования расхода ХА (запас которого на борту ограничен) при переменных тепловых нагрузках на борту. Регулирование обеспечивается за счет изменения режима работы самого электроклапана, который может работать как в импульсном режиме с переменной скважностью, так и в дискретном режиме.

В испарителе имеет место разбрызгивание капель при ударе со стенкой. Появление разбрызгивания характеризует число Вебера, которое представляет собой отношение кинетической энергии капель к энергии деформации капли при ударе. При числах Вебера >80 обычно происходит разбрызгивание жидкой капли, что имеет место в нашем случае. При разбрызгивании происходит дополнительное дробление капель, которые будет уноситься потоком пара через выходное отверстие вместе с молекулами испарившегося ХА во внешнюю среду.

Для предотвращения прямого уноса неиспарившихся капель установлен отражатель, предназначенный для доиспарения капель на поверхности отражателя.

В этом случае по оценкам доля уносимых неиспарившихся капель снижается до 5%.

На фигуре представлен общий вид предлагаемого испарителя.

Испаритель содержит цилиндрический корпус 1, коаксиально установленную внутри него цилиндрическую теплопроводящую стенку 2, на внутренней поверхности которой выполнены продольные капиллярные канавки 3, а на внешней поверхности - шипы-ребра 4. Между корпусом 1 и указанной стенкой 2 расположен канал теплоносителя, а внутренняя полость, ограниченная цилиндрической теплопроводящей стенкой 2 предназначена для ХА. При этом ограниченная цилиндрической теплопроводящей стенкой 2 внутренняя полость образует испарительную камеру 5, снабженную форсункой 6 для распыления ХА, установленную во входном фланце 7, и выходной патрубок 8 для пара ХА, установленный в выходном фланце 9. Перед форсункой 6 установлен электроклапан 18. В испарительной камере 5 перед патрубком 8 установлен отражатель 16 с каналом 15. Отражатель 16 выполнен с дискообразным корпусом, внутри которого установлены S-образные дефлекторы 19, организующие движение потока теплоносителя внутри отражателя в форме буквы «S».

В состав канала теплоносителя входят следующие последовательные участки: входной патрубок теплоносителя 10, который приварен непосредственно к корпусу 1, входной коллектор 11, межтрубный канал 12, выходной коллектор 13, связующий трубопровод 14, который приварен с одной стороны к корпусу 1, а с другой стороны к выходному фланцу 9, канал 15 в отражателе 16, с выполненными в нем S-образными дефлекторами 19. Отражатель снабженным входным 20 и выходным 21 трубопроводами для подачи теплоносителя и патрубком 17 для выхода теплоносителя.

В состав канала ХА входят испарительная камера 5, на поверхности которой происходит испарение капель ХА и выходной трубопровод 8, через который испарившийся ХА в виде пара уходит в окружающее пространство (космос).

Канал теплоносителя испарителя подсоединяется непосредственно к тракту системы терморегулирования (СТР) КА через входной патрубок 10 и выходной патрубок 17. Основное требование к каналу теплоносителя - минимальное падение давления при заданных расходах, реализуемых в СТР КА.

В качестве теплоносителя в испарителе может использоваться тосол (или триол), а в качестве ХА - спиртоводная смесь.

Испаритель работает следующим образом. Через входной патрубок 10 теплоноситель поступает во входной коллектор 11 и далее в межтрубный канал 12, обтекая шипы-ребра 4, после чего посредством связующего трубопровода 14 попадает в канал 15 отражателя 16 и затем поступает в выходной патрубок 17 теплоносителя. ХА в отличие от теплоносителя является расходным веществом. Из накопительной емкости (на фигуре не показана) под воздействием давления ХА проходит через электроклапан 18 на центробежную форсунку 6, предназначенную для распыла жидкого хладагента. На выходе из сопла форсунки 6 под действием центробежных сил образуется тонкая конусообразная пелена жидкости, которая затем распадается на капли. Капли осаждаются на всю внутреннюю поверхность цилиндрической теплопроводящей стенки 2 испарительной камеры 5 и испаряются, испарившийся ХА в виде влажного пара (т.к. в нем присутствует 5% неиспарившихся капель^ выводится через патрубок 8 в окружающую среду (вакуум) со звуковой скоростью, т.к. режим истечения струи пара будет критическим. Время работы испарителя ограничивается запасом ХА на борту КА.

Эффективность предложенного технического решения подтверждена макетными испытаниями на стенде в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша».

Испытания проводились при условиях имитирующих космический вакуум и холод: выходной трубопровод для пара ХА подсоединялся к барокамере, откачиваемой до давления р=1*10-2 мм рт.ст., снабженной криогенными экранами, охлаждаемыми жидким азотом до температуры t = минус 120°С. В качестве ТН использовалась вода (близкий аналог тосолу по теплофизическим параметрам) с расходом GТН=100 мл/с при температуре на выходе из испарителя t=10°С. В качестве ХА использовалась 20-процентная спиртоводная смесь с расходом GXA=3 мл/с. В этих условиях отводимая тепловая мощность испарителя составила Q=3.5 кВт с КПД η=0.95.

Предыдущий вариант испарителя, изготовленный без внутренних продольных капиллярных канавок, при аналогичных режимах показал гораздо меньшую отводимую тепловую мощность - Q=2.8 кВт.

Испаритель для системы терморегулирования космического аппарата, содержащий корпус с входами и выходами теплоносителя и хладагента, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде цилиндра с коаксиально установленной внутри него цилиндрической теплопроводящей стенкой, на внутренней поверхности которой выполнены продольные капиллярные канавки, с образованием между корпусом и указанной стенкой канала теплоносителя и канала хладагента, ограниченного цилиндрической теплопроводящей стенкой, кроме того, на внешней поверхности цилиндрической теплопроводящей стенки выполнены в шахматном порядке шипы-ребра, а канал хладагента снабжен электроклапаном для подачи хладагента в импульсном режиме, форсункой для распыления хладагента и выходным патрубком, прикрытым со стороны канала экранирующим отражателем.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и криогенным системам и может быть использовано в парогенерирующих системах и устройствах. Задачами изобретения являются повышение эффективности работы и устойчивости течения теплоносителя в парогенерирующих каналах.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и криогенным системам и может быть использовано в парогенерирующих системах и устройствах. Задачами изобретения являются повышение эффективности работы и устойчивости течения теплоносителя в парогенерирующих каналах.

Изобретение относится к теплообменным устройствам и может быть использовано в энергетике и транспорте. Теплообменник содержит две концентрически расположенные трубы, в межтрубном пространстве которых, вблизи внешней поверхности внутренней трубы находятся пластины, согнутые в виде элементов трубы с чередующимися просечными отверстиями, расположенными друг за другом, причем отогнутые элементы просечной перфорированной поверхности в форме лепестков расположены под углом к направлению движущегося потока теплоносителя, таким образом, что происходит захват части движущегося потока теплоносителя и его перенаправление во внутреннюю зону между перфорированными просечными пластинами и внешней поверхностью внутренней трубы.

Опорный элемент и способ для контура криогенной текучей среды, включающий множество отверстий (2, 3), предназначенных для пропускания труб, перемещающих криогенную текучую среду, причем вышеупомянутый опорный элемент (1) включает, по меньшей мере, один тепловой путь (4, 5), образованный между двумя соседними отверстиями (2, 3), причем тепловой путь (4, 5) включает слепое отверстие, причем отверстие (4, 5) ограничивается двумя расположенными на расстоянии друг от друга стенками (14, 24; 15, 25), проходящими между двумя концами в продольном направлении, перпендикулярном плоскости отверстий (2, 3), причем две стенки (14, 24; 15, 25) соединяются друг с другом концевой стенкой (34, 25), причем опорный элемент (1) включает первый набор отверстий (2), который окружен первым тепловым путем (5), и второй набор отверстий (3), причем первый тепловой путь (5) располагается между первым набором отверстий (2) и вторым набором отверстий (3), при этом с первым тепловым путем (5) находятся в термическом и механическом сообщении с одной стороны, все отверстия первого набора отверстий (2) и с другой стороны - все отверстия (3) второго набора отверстий (3).

Изобретение относится к теплотехнике и может быть применено в отопительных котлах. У трубы (5) теплообменника отопительного котла (2), имеющей наружную трубу (10), по которой могут протекать уходящие газы топки котла, и которая может быть окружена с наружной стороны греющей водой, и вдвинутую в наружную трубу профильную вставку (11), которая для увеличения внутренней поверхности наружной трубы (10) имеет ребра (14), проходящие в ее продольном направлении (12), и находится в теплопроводящем контакте с наружной трубой (10), первый продольный участок (22) наружной трубы (10) выполнен в виде гладкостенного цилиндра, а второй продольный участок (23) наружной трубы (10) имеет по меньшей мере один элемент (24) для сужения поперечного сечения, сужающий проточное поперечное сечение, при этом профильная вставка (11) распространяется исключительно по первому продольному участку (22) наружной трубы (10).

Изобретение относится к теплотехнике и может быть применено в отопительных котлах. У трубы (5) теплообменника отопительного котла (2), имеющей наружную трубу (10), по которой могут протекать уходящие газы топки котла, и которая может быть окружена с наружной стороны греющей водой, и вдвинутую в наружную трубу профильную вставку (11), которая для увеличения внутренней поверхности наружной трубы (10) имеет ребра (14), проходящие в ее продольном направлении (12), и находится в теплопроводящем контакте с наружной трубой (10), первый продольный участок (22) наружной трубы (10) выполнен в виде гладкостенного цилиндра, а второй продольный участок (23) наружной трубы (10) имеет по меньшей мере один элемент (24) для сужения поперечного сечения, сужающий проточное поперечное сечение, при этом профильная вставка (11) распространяется исключительно по первому продольному участку (22) наружной трубы (10).

Изобретение относится к теплообменникам типа «труба в трубе» для проведения теплообменных процессов между теплоносителями с использованием подвижных каналов (вращающихся труб) и может быть использовано в газовой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в трубчатых теплообменниках пищевой промышленности. Трубчатое устройство для термообработки содержит некоторое количество труб, расположенных в виде некоторого количества групп.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в кожухотрубных теплообменниках. Работающий на ОГ теплообменник (1), в частности для использования в автомобиле, содержащий, по меньшей мере, один направляющий первую текучую среду первый проточный канал (2), концы которого размещены в трубной доске (3), кожух (4), окружающий первый проточный канал (2), причем кожух (4) имеет входное и выходное отверстия и образует второй проточный канал (10) для второй текучей среды, причем через кожух (4) протекает вторая текучая среда, а первый проточный канал (2) обтекается ею, трубные доски (3) установлены в кожухе (4) так, что первый проточный канал (2) герметизирован от второго проточного канала (10), первый диффузор (5.1), подающий первую текучую среду в первый проточный канал (2), и второй диффузор (5.2), выводящий ее из него.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках, применяемых в различных отраслях техники, в частности в регенеративных теплообменниках газотурбинных установок.

Настоящее изобретение относится к устройству и способу испарения жидкостей, содержащих потенциально взрывчатые примеси с более низкой летучестью, чем у указанного жидкого соединения.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, может быть использовано в устройствах дозирования газов, а также может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей и других областях промышленности.

Изобретение относится к холодильному аппарату с испарителем. Испаритель (200) холодильного аппарата содержит носитель (202) и расположенную на носителе (202) трубу (204) для прохождения хладагента.

Группа изобретений относится к холодильному аппарату с испарителем и к способу изготовления такого испарителя для холодильного аппарата. Холодильный аппарат с испарителем (103) для испарения хладагента включает в себя входную трубу (105) для впуска хладагента, в которой образована область (107) трубы с первым поперечным сечением потока и область (109) сужения со вторым поперечным сечением потока.

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Испаритель содержит корпус с встроенным в него трубчатым змеевиком.

Группа изобретений относится к эксплуатации холодильной системы, где холодильная система содержит испаритель, выполненный с возможностью расположения в тепловом контакте с охлаждаемой камерой, компрессор, конденсатор, расширительный элемент и каналы.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных аппаратах испарительного типа. усовершенствованный змеевик в сборе включает в себя предпочтительно змеевидные трубы.

Группа изобретений относится к холодильной технике. Испаритель для холодильного аппарата включает в себя трубу (11) для хладагента, по меньшей мере, одну несущую пластину (7), на которой закреплена труба (11), и расположенную между трубой (11) и несущей пластиной (7) теплораспределительную пластину (12), имеющую выступы (18), которыми зажимается труба (11).

Группа изобретений относится к холодильному аппарату и к испарителю, используемому в таком холодильном аппарате. Испаритель для холодильного аппарата содержит трубу, по которой проходит хладагент.

Изобретение относится к холодильному контуру. Сущность изобретения: холодильный контур (3) для бытовой техники, в частности бытовой техники для охлаждения, такой как холодильники и морозильники, включает первый теплообменник (5), выполненный с возможностью гидравлического сообщения с компрессором (4), обеспечивающий охлаждение проходящей через него охлаждающей текучей среды и ее переход по существу в жидкую фазу.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в конденсаторах. Вертикальный кожухотрубный прямотрубный противоточный конденсатор, в котором конденсирующийся пар протекает по межтрубному пространству конденсатора, а охлаждающая вода в трубном пространстве, является двухходовым как в межтрубном пространстве, так и в трубном пространстве, при этом поверхность нагрева первого хода в межтрубном пространстве образована из труб (9) поверхности нагрева в паровом пространстве (14) этого хода, прикрепленных своими верхними концами к верхней трубной доске (5) и нижними концами к нижней трубной доске (7), через эти трубы протекает охлаждающая вода второго хода трубного пространства, при этом поверхность нагрева второго хода межтрубного пространства образована трубами (10) поверхности нагрева в паровом пространстве (15) второго хода, прикрепленными своими верхними концами к верхней трубной доске (5) и нижними концами к другой нижней трубной доске, через эти трубы протекает охлаждающая вода первого хода трубного пространства, таким образом, упомянутые паровые пространства (14, 15) соединены посредством отверстия (12) между верхним концом (11) разделительной стенки (4, 50), разделяющей пространство оболочки, и верхней трубной доской (5), при этом направление потока пара в паровом пространстве (14) первого хода межтрубного пространства направлено вверх, а в другом паровом пространстве (15) направлено вниз, при этом направление потока охлаждающей воды в трубах (9 и 10) поверхности нагрева обоих ходов является противоточным потоку пара, протекающему снаружи упомянутых труб. Технический результат – получение максимального количества чистого конденсата для повторного использования. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к теплообменным устройствам с разомкнутым циклом, при котором испарение жидкого хладагента происходит непосредственно в окружающую среду, благодаря чему оно может быть использовано в космической технике. Предлагается испаритель для системы терморегулирования космического аппарата, содержащий корпус с входами и выходами теплоносителя и хладагента. Корпус выполнен в виде цилиндра с коаксиально установленной внутри него цилиндрической теплопроводящей стенкой. На внутренней поверхности стенки выполнены продольные капиллярные канавки с образованием между корпусом и указанной стенкой канала теплоносителя и канала хладагента, ограниченного цилиндрической теплопроводящей стенкой. На внешней поверхности цилиндрической теплопроводящей стенки выполнены в шахматном порядке шипы-ребра. Канал хладагента снабжен электроклапаном для подачи хладагента в импульсном режиме, форсункой для распыления хладагента и выходным патрубком, прикрытым со стороны канала экранирующим отражателем. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности работы ускорителя, как в условиях невесомости, так и при перегрузках, возникающих при входе космического аппарата в атмосферу Земли. 1 ил.

Наверх