Испаритель для системы терморегулирования космического аппарата

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 G_ТН=100 мл/с при температуре на выходе из испарителя t=10°С. В качестве ХА использовалась 20-процентная спиртоводная смесь с расходом G_XA=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.