RU2665565C1 - Испаритель для системы терморегулирования космического аппарата - Google Patents
Испаритель для системы терморегулирования космического аппарата Download PDFInfo
- Publication number
- RU2665565C1 RU2665565C1 RU2017138942A RU2017138942A RU2665565C1 RU 2665565 C1 RU2665565 C1 RU 2665565C1 RU 2017138942 A RU2017138942 A RU 2017138942A RU 2017138942 A RU2017138942 A RU 2017138942A RU 2665565 C1 RU2665565 C1 RU 2665565C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- refrigerant
- channel
- coolant
- heat
- evaporator
- Prior art date
Links
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 12
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 abstract description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 9
- 230000005484 gravity Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012216 screening Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002528 anti-freeze Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 2
- 241000218657 Picea Species 0.000 description 1
- XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N Trichloroethylene Chemical compound ClC=C(Cl)Cl XSTXAVWGXDQKEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N fluoromethane Chemical compound FC NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 1
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000006200 vaporizer Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B39/00—Evaporators; Condensers
- F25B39/02—Evaporators
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
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.
Description
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.
Claims (1)
- 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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017138942A RU2665565C1 (ru) | 2017-11-09 | 2017-11-09 | Испаритель для системы терморегулирования космического аппарата |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017138942A RU2665565C1 (ru) | 2017-11-09 | 2017-11-09 | Испаритель для системы терморегулирования космического аппарата |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2665565C1 true RU2665565C1 (ru) | 2018-08-31 |
Family
ID=63460116
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017138942A RU2665565C1 (ru) | 2017-11-09 | 2017-11-09 | Испаритель для системы терморегулирования космического аппарата |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2665565C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU186246U1 (ru) * | 2018-09-03 | 2019-01-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Испаритель |
| RU2755365C1 (ru) * | 2020-10-27 | 2021-09-15 | Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Испаритель |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU572638A1 (ru) * | 1976-03-01 | 1977-09-15 | Предприятие П/Я А-1665 | Испаритель |
| SU237913A1 (ru) * | 1967-11-13 | 2005-12-27 | Г.И. Воронин | Испаритель для космических объектов |
| SU266785A1 (ru) * | 1968-02-15 | 2006-02-27 | Г.И. Воронин | Испаритель для систем жизнеобеспечения космических объектов |
-
2017
- 2017-11-09 RU RU2017138942A patent/RU2665565C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU237913A1 (ru) * | 1967-11-13 | 2005-12-27 | Г.И. Воронин | Испаритель для космических объектов |
| SU266785A1 (ru) * | 1968-02-15 | 2006-02-27 | Г.И. Воронин | Испаритель для систем жизнеобеспечения космических объектов |
| SU572638A1 (ru) * | 1976-03-01 | 1977-09-15 | Предприятие П/Я А-1665 | Испаритель |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU186246U1 (ru) * | 2018-09-03 | 2019-01-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Испаритель |
| RU2755365C1 (ru) * | 2020-10-27 | 2021-09-15 | Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Испаритель |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6571569B1 (en) | Method and apparatus for high heat flux heat transfer | |
| US7654100B2 (en) | Method and apparatus for high heat flux heat transfer | |
| US6993926B2 (en) | Method and apparatus for high heat flux heat transfer | |
| US11137183B2 (en) | Phobic/philic structures in refrigeration systems and liquid vapor separation in refrigeration systems | |
| US4585055A (en) | Liquid film evaporation type heat exchanger | |
| CN110062562B (zh) | 具微流道的远程散热模块 | |
| RU2665565C1 (ru) | Испаритель для системы терморегулирования космического аппарата | |
| RU2377462C1 (ru) | Испаритель криогенной жидкости | |
| JPH0221166A (ja) | 吸収サイクルヒートポンプ | |
| CA2976549A1 (en) | Cooling system and method for gas turbine engine | |
| RU2287709C2 (ru) | Теплотрубный двигатель | |
| TWI699505B (zh) | 具微流道的遠端散熱模組 | |
| CN105444467B (zh) | 吸收式热泵 | |
| CN102954718A (zh) | 喷淋式热管换热器及其方法 | |
| JP2642553B2 (ja) | 吸収冷温水機 | |
| JP2009068724A (ja) | 吸収冷凍機 | |
| US20030121515A1 (en) | Counter - thermosyphon loop heat pipe solar collector | |
| JP2023536287A (ja) | 熱エネルギー貯蔵および回収システム並びに方法 | |
| JPS6133483Y2 (ru) | ||
| JPH06241612A (ja) | 吸収式冷房機 | |
| RU2564483C2 (ru) | Мультитеплотрубная паротурбинная установка с капиллярным конденсатором | |
| RU2406945C2 (ru) | Теплотрубная пароэжекторная холодильная машина | |
| EP3669120A1 (en) | Method and system for heat recovery | |
| JP2020159594A (ja) | 熱交換ユニット及び吸収式冷凍機 | |
| TWI699506B (zh) | 三維相變化遠端散熱模組 |