Результат интеллектуальной деятельности: Тепловой аккумулятор для нагрева рабочего тела

Изобретение относится к устройствам для нагрева рабочего тела и может быть использовано, в частности, в энергодвигательных установках космических летательных аппаратов, в составе которых требуется специальное устройство - тепловой аккумулятор (ТА) для периодического накопления тепловой энергии с последующим нагревом протекающего через ТА рабочего тела, например водорода. На режиме накопления тепловой энергии ТА может использовать сконцентрированную энергию солнечного излучения или омические нагреватели, питающиеся от бортового источника электроэнергии.

Известен ТА для нагрева рабочего тела, содержащий осесимметричный теплоаккумулирующий блок с продольными каналами в виде радиальных пазов. В каждом канале установлен защитный элемент, выполненный в виде тонкостенного полого вкладыша, повторяющего форму паза, внутри которого протекает рабочее тело (см. патент РФ № 2172450, МКИ 7 F 24 H 7/00, опубл. 20.08.2001, БИ № 23). Толщина стенок вкладышей выбирается из условия обеспечения термического контакта стенок с ответными поверхностями паза под действием давления рабочего тела. Однако конструкция трактов ТА по рабочему телу требует применения на входе и выходе герметичных фасонно-сварных коллекторов с тонкостенными вкладышами радиальных каналов из тугоплавких металлов с высоким удельным весом, например вольфрама или рения. При этом металлические коллектора и вкладыши не участвуют в процессе накопления и отдачи тепла к рабочему телу из-за своей малой теплоемкости, однако их масса соизмерима с массой теплоаккумулирующего вещества.

Известен ТА для нагрева рабочего тела, содержащий корпус с крышками, внутри которого набор секторных элементов образует цилиндрический теплоаккумулирующий блок. Корпус ТА состоит из соединенных между собой герметичного внутреннего и негерметичного наружного корпусов, зазор между которыми заполнен высокотемпературной теплоизоляцией. В секторных элементах равномерно по окружности расположены каналы, в которых по плотной посадке установлены теплообменники в виде трубопроводов, стенки которых прочно скреплены с зерновой засыпкой, концы трубопроводов закреплены герметично в передней и задней крышках с образованием внутри корпуса с помощью двух дополнительных крышек коллекторных полостей ввода и вывода рабочего тела (см. патент РФ № 2176767, МКИ 7 F 24 H 7/00, опубл. 10.12.2001, БИ № 34). Указанное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому и принято за прототип.

Недостатки прототипа состоят в следующем. Масса зерновой засыпки в рабочих каналах, через которые продувается водород, мала по сравнению с массой теплоаккумулирующего блока. Из-за нарушения теплового контакта зерновой засыпки с поверхностями стенок каналов теплоаккумулирующего блока при термоциклировании происходит неравномерное остывание зерновой засыпки в радиальном направлении, что снижает эффективность теплообмена, так как увеличивается доля проходящего недогретого газа, в результате чего температура рабочего тела на выходе из ТА значительно отличается от температуры теплоаккумулирующего блока. Термические напряжения, возникающие вследствие термоудара при подаче холодного рабочего тела в нагретый до максимальной температуры теплоаккумулирующий блок, приводят к растрескиванию секторных элементов в условиях термоциклирования. Кроме того, наружный корпус и крышки практически не участвуют в процессе накопления и отдачи тепла к рабочему телу из-за наличия промежуточной высокотемпературной теплоизоляции, однако их масса соизмерима с массой теплоаккумулирующего вещества.

Задачами предлагаемого изобретения являются повышение эффективности теплообмена, повышение стойкости конструкции к термоударам и снижение массы теплового аккумулятора.

Для решения поставленных задач предложен ТА, который содержит теплоаккумулирующий блок, составленный из набора теплоаккумулирующих модулей, выполненных осесимметричными и состоящими из соизмеримых по массе внешнего и внутреннего элементов, между которыми образована кольцевая щель для протока и нагрева рабочего тела, экранно-вакуумную теплоизоляцию, патрубки ввода и вывода рабочего тела. На торцах каждого модуля имеются каналы подвода и отвода рабочего тела, при этом каналы подвода рабочего тела через трубопроводы подсоединены к вынесенному за пределы экранно-вакуумной теплоизоляции входному коллектору с патрубком ввода рабочего тела, а каналы отвода рабочего тела подсоединены к размещенному под слоем экранно-вакуумной теплоизоляции выходному несущему коллектору с патрубком вывода рабочего тела, при этом выходной несущий коллектор снабжен силовыми стойками, крепящими теплоаккумулирующий блок к силовой раме, вынесенной за пределы экранно-вакуумной теплоизоляции.

В каждый трубопровод подвода рабочего тела может быть установлен жиклер, при этом размер проходного сечения жиклера выбирают из условия обеспечения заданного расхода через каждый теплоаккумулирующий модуль. Трубопроводы подвода рабочего тела могут быть выполнены в продольном направлении по движению рабочего тела из материалов с последовательно увеличивающейся термостойкостью.

На входном торце внутреннего элемента теплоаккумулирующего модуля может быть установлен рассекатель потока рабочего тела.

Выходной коллектор может быть образован присоединенными к теплоаккумулирующим модулям коллекторными пластинами с каналами для протока рабочего тела и поперечно расположенной коллекторной пластиной с патрубком вывода рабочего тела.

Теплоаккумулирующие модули и отводные коллекторы могут быть выполнены из графита, на внутренние стенки каналов для протока рабочего тела при необходимости могут быть нанесены защитные покрытия.

Силовые стойки могут быть выполнены из низкотеплопроводного термостойкого материала.

Повышение эффективности теплообмена в предлагаемом ТА обеспечивается тем, что кольцевой канал для протока рабочего тела образуется между внешним и внутренним элементами модуля, имеющими соизмеримые массы. При этом нагрев рабочего тела осуществляется от обеих горячих поверхностей в течение всего времени цикла протекания рабочего тела. Малые значения гидравлического диаметра кольцевой щели и развитая поверхность теплообмена обеспечивают минимальную разность между температурой рабочего тела на выходе из ТА и температурой теплоаккумулирующего блока.

В отличие от прототипа, предложенный ТА не имеет внутреннего и наружного корпусов и коллекторных крышек, вследствие чего уменьшается общая масса ТА, приближаясь к массе теплоаккумулирующего блока. Термические напряжения, возникающие вследствие термоудара при подаче холодного рабочего тела в разогретый теплоаккумулирующий блок, уменьшаются и выравниваются за счет осесимметричности каждого модуля и уменьшения радиальной толщины внешнего и внутреннего элементов до величин, допустимых прочностньми характеристиками графита.

Кроме того, составление теплоаккумулирующего блока из набора осесимметричных модулей позволяет провести значительный объем работ по отработке технологических и конструктивных решений по ТА на одном теплоаккумулирующем модуле, что приведет к сокращению времени и стоимости разработки ТА.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется чертежами: на фиг.1 представлен продольный разрез ТА, на фиг.2 и 3 - вид сверху и снизу соответственно.

Теплоаккумулирующий блок ТА составлен из набора осесимметричных теплоаккумулирующих модулей 1 с образованием центральной полости для подвода тепловой энергии 2 (на чертеже она занята электрическим нагревателем). Теплоаккумулирующий модуль состоит из внутреннего 3 и внешнего 4 элементов, между которыми образована кольцевая щель 5 для протока рабочего тела. Трубопроводы подвода рабочего тела 6 подсоединены к входному коллектору 7 с патрубком ввода рабочего тела 8, вынесенными за пределы экранно-вакуумной теплоизоляции 9. Теплоаккумулирующие модули 1 крепятся к выходному несущему коллектору, который образован коллекторными пластинами 10, 11, 12 с каналами для протока рабочего тела и поперечно расположенной коллекторной пластиной 13 с патрубком вывода рабочего тела 14. Выходной несущий коллектор снабжен силовыми стойками 15, крепящими теплоаккумулирующий блок к силовой раме 16. На входном торце внутреннего элемента 3 теплоаккумулирующего модуля установлен рассекатель потока рабочего тела 17. В каждый трубопровод 6 установлен жиклер 18.

Функционирование предлагаемой конструкции ТА осуществляется следующим образом. Тепловая энергия из центральной полости 2 распространяется излучением в вакууме между теплоаккумулирующими модулями 1 и происходит накопление тепловой энергии (режим заряда теплового аккумулятора). Все модули и выходной коллектор разогреваются до одной и той же температуры, так как экранно-вакуумная теплоизоляция 9, окружающая теплоаккумулирующий блок, задерживает лучистую тепловую энергию.

В режиме разряда теплового аккумулятора подвод тепловой энергии к теплоаккумулирующим модулям прекращается. Рабочее тело (например, водород) подается в патрубок 8, проходит через входной коллектор 7, жиклеры 18 и по трубопроводам 6 поступает в кольцевые щели 5 между внутренним 3 и внешним 4 элементами модулей. Протекая через кольцевые щели 5, рабочее тело прогревается от внутреннего 3 и внешнего 4 элементов модулей и на выходе имеет температуру, близкую к температуре теплоаккумулирующего блока. Далее рабочее тело по каналам в коллекторных пластинах 10, 11, 12 и 13 поступает в патрубок 14, а из него уходит к потребителю нагретого рабочего тела, например к соплу ракетного двигателя. После нагрева до заданной температуры необходимого количества рабочего тела его подача в тепловой аккумулятор прекращается, и цикл работы ТА на режимах заряда и разряда может повторяться.

Расчеты, выполненные для следующих характерных технических требований к ТА: энергоемкость 270 МДж, рабочее тело - водород, расход рабочего тела 13 г/с, продолжительность режима разряда 900 с, температура рабочего тела на входе в ТА 300 К, давление рабочего тела 1.0 МПа, среднеинтегральная за время режима разряда температура рабочего тела на выходе из ТА 2000 К - показали, что необходимое количество теплоаккумулирующих модулей составляет 18 шт., масса одного теплоаккумулирующего модуля 8 кг, длина теплообменного канала 700 мм, ширина кольцевой щели между внутренним и наружным элементами модуля 2 мм. При этом максимальное значение температуры водорода на выходе из ТА в начале режима разряда составляет 2100 К, а минимальное значение температуры водорода на выходе из ТА в конце режима разряда составляет 1900 К. В течение всего времени режима разряда разница между температурой рабочего тела и температурой теплоаккумулирующего блока на выходе из ТА составляет не более 50 К.

Таким образом, предложенная конструкция теплового аккумулятора позволяет повысить эффективность теплообмена, повысить стойкость конструкции к термоударам, снизить общую массу, сократить время и стоимость разработки ТА.