компенсатор расширения объема теплоносителя

Формула изобретения

Компенсатор расширения объема теплоносителя, содержащий герметичный корпус с газовым объемом, узлом подсоединения к контуру теплоносителя и капиллярным устройством разделения газ-теплоноситель, гидравлически соединенным с узлом подсоединения к контуру теплоносителя и к газовому объему, отличающийся тем, что компенсатор снабжен размещенным вне корпуса обратным газовым клапаном, соединенным с трубкой, открытый конец которой расположен в центральной части газового объема компенсатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерной, термоядерной и космической технике и может быть использовано в ядерно-энергетических установках (ЯЭУ) с жидкометаллическим теплоносителем, преимущественно космического назначения.

В космических ЯЭУ, где сброс непреобразованного тепла термодинамического цикла возможен лишь излучением в космическое пространство, используют высокотемпературные системы охлаждения с жидкометаллическими теплоносителями (эвтектическим сплавом NaK, Na или Li). Сплав NaK используют в энергоустановках со сбросом тепла при температурах 500-700°С, а литий - при 700-900°С и выше. Нагрев теплоносителя от комнатной до рабочей температуры может проводиться как на стартовой площадке непосредственно перед запуском ракеты-носителя с ЯЭУ в космос, так и после вывода космической ЯЭУ на рабочую или промежуточную орбиту. При нагреве теплоносителя происходит увеличение его объема, поэтому в жидкометаллических контурах систем охлаждения имеется компенсатор расширения объема теплоносителя, часто называемый также компенсационной емкостью.

Известен компенсатор расширения объема теплоносителя контура прототипа космической ЯЭУ с литиевым теплоносителем [1]. Он выполнен в виде так называемого расширительного бака, т.е. герметичного корпуса, часть которого заполнена нейтральным газом. Расширительный бак устанавливается в самой верхней части контура. При нагреве теплоносителя его объем увеличивается, и дополнительный объем теплоносителя выдавливается в расширительный бак. При этом объем газа уменьшается, а его давление увеличивается. При наличии силы тяжести газ всегда находится в верхней части расширительного бака. Поэтому если газ не растворяется в теплоносителе (и не взаимодействует с ним), то никаких специальных устройств для разграничения жидкого теплоносителя и газа не требуется. Компенсаторы расширения объема в виде расширительного бака хорошо работают в наземных условиях.

Однако в космических условиях при отсутствии силы тяжести газ из компенсатора объема может попасть в теплоноситель, так как в условиях невесомости нет силы, удерживающей газ в определенной части объема расширительного бака. Такой компенсатор может работать в космосе при условии создания в системе искусственного силового поля, в котором бы происходило разделение жидкой и газовой фаз.

Известен компенсатор расширения объема теплоносителя [2], содержащий герметичный корпус с газовым объемом и узлом подсоединения к контуру теплоносителя. Такой компенсатор расширения объема может быть установлен в любой части контура. При нагреве теплоносителя контура его объем увеличивается и дополнительный объем через узел подсоединения выдавливается в компенсатор, при этом объем газа в компенсаторе уменьшается, а его давление несколько увеличивается. Такие компенсаторы могут работать в наземных условиях при наличии силы тяжести, при условии, что газ не реагирует с теплоносителем и не растворяется в нем. В этом случае за счет силы тяжести будет четкое разделение газа и жидкого теплоносителя с образованием границы газ - жидкий теплоноситель.

Однако в космических условиях отсутствует сила тяжести, в результате чего газ и жидкий теплоноситель могут перемешиваться, образуя газожидкостную смесь. Такая смесь при термоциклировании может попасть из компенсатора в контур теплоносителя, который может перенести пузырек газа к насосу, что в свою очередь может привести к отказу насоса и соответственно всей ЯЭУ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является компенсатор расширения объема теплоносителя [3], содержащий герметичный корпус с газовым объемом при определенном давлении газа и узлом подсоединения к контуру теплоносителя и устройство разделения газ - теплоноситель, выполненное в виде капиллярной структуры, гидравлически соединенной с узлом подсоединения к контуру теплоносителя и к газовому объему. Между капиллярной структурой и узлом подсоединения к теплоносителю может быть установлен газовый фильтр. Капиллярная структура может быть выполнена в виде рулонов крупноячеистой сетки или фольги с отверстиями или в виде трубок, снабженных отверстиями. Такой компенсатор расширения объема теплоносителя повышает надежность работы контура и всей энергетической установки. Вследствие использования капиллярных сил для создания и поддержания границы газ - теплоноситель, а следовательно, практической нечувствительности к силам гравитации, он также обеспечивает возможность проведения наземных испытаний компенсатора в условиях, близких к условиям эксплуатации в космосе.

Однако в процессе работы в теплоносителе могут образовываться газы, которые будут выделяться в газовый объем компенсатора. Поэтому рассматриваемый компенсатор одновременно обеспечивает возможность удаления газовых примесей из теплоносителя. При этом давление газа в газовом объеме компенсатора будет постепенно повышаться, а следовательно, будет повышаться и давление теплоносителя. Это потребует увеличения толщины стенок трубопроводов и других узлов энергоустановки, что нежелательно, так как приведет к ее утяжелению и другим нежелательным последствиям.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение надежности работы компенсатора и всего контура жидкометаллической системы охлаждения при сохранении возможности проведения наземных испытаний компенсатора в составе контура в условиях, близких к условиям эксплуатации в космосе.

Указанный технический результат достигается в компенсаторе расширения объема теплоносителя, содержащем герметичный корпус с газовым объемом, узлом подсоединения к контуру теплоносителя и капиллярным устройством разделения газ - теплоноситель, гидравлически соединенным с узлом подсоединения к контуру теплоносителя и к газовому объему, компенсатор снабжен размещенным вне корпуса обратным газовым клапаном, соединенным с трубкой, открытый конец которой расположен в центральной части газового объема компенсатора.

На чертеже приведена конструкционная схема компенсатора расширения объема теплоносителя.

Компенсатор содержит корпус 1 и узел 2 подсоединения к контуру теплоносителя. Часть 3 внутреннего объема корпуса является свободной и заполнена газом, например нейтральным (аргоном, гелием и др.), т.е. является газовым объемом компенсатора. Внутри корпуса 1 размещается капиллярная структура, в части 4 которой находится газ (тот же, что и в газовом объеме 3), а в части 5 - теплоноситель. Части 4 и 5 капиллярной структуры условно разделены образующейся в результате действия капиллярных сил границей 6 раздела газ - жидкость (газ - теплоноситель). Капиллярная структура в части 4 гидравлически соединена с газовым объемом 3, а в части 5 - с узлом 2 подсоединения к контуру теплоносителя. У узла 2 может быть размещен газовый фильтр 7, который выполнен, например, в виде мелкоячеистого капиллярного разделителя (капиллярного затвора). Капиллярная структура может быть выполнена в виде рулонов сетки (крупноячеистой) или фольги с отверстиями, а также на основе нескольких открытых с двух сторон трубок, оси которых, например, параллельны оси компенсатора, причем все трубки гидравлически сообщаются друг с другом посредством отверстий, тем самым образуя крупноячеистую пористую капиллярную структуру компенсатора. Капиллярная структура зафиксирована относительно корпуса. В газовом объеме 3, предпочтительно в центральной части, размещена часть трубки 8 с открытым концом 9. Другой конец 10 трубки соединен с обратным газовым клапаном 11, размещенным вне корпуса 1.

Компенсатор расширения объема работает следующим образом. В исходном состоянии теплоноситель в жидкой (или твердой) фазе находится в узле 2 подсоединения к контуру теплоносителя, в газовом фильтре 7 (при его наличии) и занимает часть 5 пористой капиллярной структуры. В газовом объеме 3 и в незаполненной теплоносителем части 4 капиллярной структуры находится газ, обычно нейтральный, например, аргон, гелий или их смесь. Газ находится под давлением, обеспечивающим нормальную работу насоса контура теплоносителя без кавитации, обычно до нескольких атмосфер, например, для лития это от 0,1 до 1 атмосферы. При запуске энергетической установки в космосе проводится расплавление теплоносителя (если он был в твердом состоянии) во всем контуре, включая компенсатор, с помощью специальной пусковой системы (не показана). После расплавления теплоносителя в узле 2, газовом фильтре 7 и в части 5 капиллярной структуры компенсатора находится жидкий теплоноситель. Далее проводится подъем тепловой мощности энергетической установки, например реактора ЯЭУ, что приводит к росту температуры теплоносителя во всем контуре. Это в свою очередь вызывает увеличение объема жидкого теплоносителя в контуре. Увеличение объема в контуре компенсируется выдавливанием жидкого теплоносителя через узел 2, газовый фильтр 7 в часть 5 капиллярной структуры. В результате граница раздела 6 газ - теплоноситель передвигается с увеличением объема части 5 капиллярной структуры, заполненной жидким теплоносителем. При этом давление газа в газовом объеме 3 несколько увеличивается. Так продолжается до достижения номинальной тепловой мощности энергетической установки и соответственно рабочей температуры теплоносителя (обычно от 500-600 до 800-1000°С). За счет капиллярных сил жидкий теплоноситель удерживается в части 5 капиллярной структуры и не происходит смешивания теплоносителя с газом, заполняющим часть 4 капиллярной структуры и свободный объем 3. При уменьшении тепловой мощности происходит уменьшение температуры теплоносителя контура с соответствующим уменьшением его объема, в результате часть теплоносителя из объема части 5 капиллярной структуры поступает через узел 2 в контур, компенсируя уменьшение объема теплоносителя в контуре. Газовый фильтр 7 предохраняет от нерасчетных и аварийных ситуаций, например, при стендовых испытаниях или предстартовых проверках с разгерметизацией контура, когда по каким-либо причинам произойдет такое уменьшение объема теплоносителя, что он уйдет из части 5 капиллярной структуры. Газовый фильтр 7 не позволит в этом случае попасть газу в узел 2 и, соответственно, в контур теплоносителя энергетической установки.

Кроме выполнения основной функции - компенсации температурного изменения объема теплоносителя при нагреве или охлаждении - рассматриваемый компенсатор с негерметичным разделением границы газ - теплоноситель позволяет удалять газ из теплоносителя в процессе эксплуатации энергетической установки. Так, например, в случае литиевого теплоносителя при облучении в ядерном реакторе в нем образуется газообразный радиогенный гелий, который растворяется в литии и затем может нарушить работу насоса контура из-за явлений кавитации на всасывающей линии. В ЯЭУ с реакторами на тепловых и промежуточных нейтронах с гидрид-циркониевым замедлителем (например, термоэмиссионных реакторах-преобразователях типа "Топаз") в процессе эксплуатации гидрид разлагается и водород проникает и накапливается в натрий-калиевом теплоносителе. Рассматриваемый компенсатор позволяет хотя бы часть газа выделить из теплоносителя в газовый объем. Однако при выделении газа из теплоносителя в газовый объем 3 давление в нем будет повышаться, а следовательно, повысится и давление теплоносителя в контуре. Это может повлиять на работоспособность установки и, по крайней мере, потребует при проектировании принятия мер, компенсирующих повышение давления в контуре относительно оптимального, например, соответствующего увеличения толщины трубопроводов и других узлов установки. Наличие трубки 8, один открытый конец 9 которой размещен внутри корпуса 1 в центральной части газового объема 3, а второй конец 10 подсоединен к размещенному вне корпуса обратному газовому клапану 11, устраняет этот недостаток. При повышении давления газа в газовом объеме 3 выше допустимого часть газа будет удалена через трубку 8 и обратный газовый клапан 11, например, в космос или специальный ресивер (не показан). В результате при любом дополнительном количестве газа давление в контуре будет оптимальным.

Таким образом, предлагаемый компенсатор расширения объема теплоносителя повышает надежность работы контура и всей энергетической установки, так как одновременно обеспечивает удаление газовых примесей из теплоносителя без повышения его давления. Вследствие использования капиллярных сил для создания и поддержания границы газ - теплоноситель и, следовательно, практической нечувствительности к силам гравитации он также обеспечивает возможность проведения наземных испытаний компенсатора в условиях, близких к условиям эксплуатации в космосе.

Источники информации

1. Ефимов В.П., Левин М.Н. Методы градуировки и поверки высокотемпературных измерителей расхода и давления теплоносителя систем охлаждения ЯЭУ. Научн.-техн. сборник "Ракетно-космическая техника." Труды РКК "Энергия" им. С.П.Королева. Серия 12: Изд. РКК "Энергия, г.Королев Моск. обл., 1996, вып.2-3: Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРДУ большой мощности, ч. 2., с.226.

2. Доллежаль Н.Н. Ядерные энергетические установки. М., Энергоатомиздат, 1983, с.388-389.

3. Патент РФ №2176828.