система обеспечения теплового режима

Формула изобретения

1. Система обеспечения теплового режима спутников при наземных испытаниях, выполненная в виде жидкостного контура, заправленного теплоносителем, содержащая холодильник, датчик температуры, установленный на выходе контура, связанный с пультом управления, нагреватель, электронасосный агрегат, установленный на выходе из холодильника, компенсационное устройство, измеритель расхода теплоносителя, регулируемые дроссели, гибкие трубопроводы, присоединенные к выходу и входу контура, закольцованные через вентиль, концевые вентили, отличающаяся тем, что нагреватель установлен непосредственно на выходе из контура, компенсационное устройство установлено перед нагревателем и выполнено в виде частично заполненной теплоносителем емкости, в которой выше уровня жидкости проходит участок жидкостной магистрали, соединяющей холодильник и нагреватель, а ниже уровня жидкости расположен обогреватель, регулируемый посредством пульта управления.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что перед компенсационным устройством установлен рекуперативный теплообменник, имеющий байпасную линию с регулируемым дросселем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к космической технике, в частности к системе обеспечения теплового режима (СОТР) связных спутников, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.

В настоящее время демонстрация работоспособности и подтверждение требуемых технических характеристик связных спутников (например, типа "Молния") в процессе изготовления и подготовки к пуску проводятся при наземных электрических испытаниях.

Так как в окружающем воздухе космический излучающий радиатор бортовой системы терморегулирования (СТР) не может быть использован, отвод тепла, выделяющегося при работе ретранслятора и аппаратуры спутника, осуществляется в технологическом теплообменном оборудовании, охлаждаемом специальной наземной термостатирующей установкой - СОТР (см. с.138-141, книги под ред. акад. Г.И. Петрова "Моделирование тепловых режимов космических аппаратов и окружающей его среды").

Технологическое теплообменное оборудование монтируется на спутнике, стыкуется с бортовым контуром СТР параллельно радиатору. Оборудование демонтируется после завершения испытаний.

Анализ источников информации патентной и научно-технической литературы показал, что наиболее близким по технической сути прототипом предлагаемого технического решения является СОТР, приведенная в вышеупомянутой монографии на стр.140, фиг.3.17.

Известная СОТР выполнена в виде жидкостного контура, заправленного жидким теплоносителем, включающая: холодильник, электронасосный агрегат, нагреватель, установленный в параллельном холодильнику тракте, регулятор температуры теплоносителя, с датчиками температуры, узел соединения, компенсационное устройство с сильфоном, измеритель расхода теплоносителя, гибкие трубопроводы с гидравлическими разъемами на концах. Управление СОТР осуществляется с помощью пульта управления.

Анализ, проведенный авторами, показал, что использование известной СОТР для испытания изделий требует использования технологического теплообменного оборудования относительно больших размеров. Этот недостаток связан с тем, что при реализации теплообмена от бортового теплоносителя к теплоносителю СОТР по схеме жидкость - жидкость теплообменник должен иметь развитую, с достаточной большой площадью теплообменную поверхность, кроме того в составе теплообменного оборудования требуется наличие компенсационного устройства, соединительных трубопроводов, гидроразъемов. В гидротракте изделия, в свою очередь, должны иметься концевые вентили для обеспечения отстыковки теплообменного оборудования после завершения испытаний.

Анализ показал также, что необходимость отстыковки теплообменного оборудования после завершения полного цикла проверок и испытаний, связанное с прямым вмешательством в бортовой гидротракт, снижает эксплуатационную надежность спутника, а размеры и вес теплообменного оборудования исключают возможность его несъемного исполнения.

Таким образом, существенными недостатками известной СОТР являются ее низкие функциональные характеристики при работе с технологическим теплообменным оборудованием, приводящие к его значительным габаритам, что усложняет работы со спутником, увеличивает продолжительность подготовки к испытаниям, снижает эксплуатационную надежность спутника.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что нагреватель СОТР установлен непосредственно на выходе из контура, компенсационное устройство установлено перед нагревателем и выполнено в виде частично заполненной теплоносителем емкости, над поверхностью жидкости в котором проходит участок жидкостной магистрали, соединяющей холодильник и нагреватель, ниже уровня жидкости установлен обогреватель, регулируемый системой управления, а перед компенсационным устройством установлен рекуперативный теплообменник с байпасной линией, имеющей регулируемый дроссель, что в совокупности обеспечивает кипение теплоносителя при отводе тепловой нагрузки.

В результате проведенного авторами анализа известной патентной и научно-технической литературы не обнаружено признаков, сходных с совокупностью признаков заявляемого объекта.

На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемой СОТР, на фиг.2 изображен прототип; на фиг.3 и 4 графически представлен процесс передачи тепла в технологическом теплообменном оборудовании при использовании прототипа и предлагаемой СОТР соответственно.

Принципиальная схема предлагаемой СОТР изображена на фиг.1. Предлагаемая СОТР (см.фиг.1) выполнена в виде жидкостного контура, заправленного теплоносителем таким образом, что компенсационное устройство заполняется частично (уровень контролируется по уровнемеру). В состав жидкостного контура входят:

- холодильник 1, содержащий жидкостно-жидкостный теплообменник 1.1 и холодильную машину 1.2;

- электронасосный агрегат 2, установленный на выходе из холодильника 1;

- рекуперативный теплообменник 3, по одной полости соединенный с входным, а по другой полости - с выходным трактами холодильника;

- компенсационное устройство 4 в виде емкости с уровнемером 4.1, теплообменным участком магистрали 4.2 в верхней части корпуса и обогревателем 4.3 (регулируемым с помощью системы управления 8) в нижней части корпуса, соединенной с контуром со стороны входа в теплообменный участок магистрали 4.2 трубопроводом с дросселем 19;

- нагреватель 5;

- регулируемый дроссель 6 для регулировки расхода;

- датчик расхода теплоносителя 7, установленный на выходе электронасосного агрегата 2;

- датчик температуры 9 на выходе из контура;

- байпасную линию 21 с регулируемым дросселем 10, соединяющую вход и выход рекуперативного теплообменника 3 по выходному тракту холодильника;

- выходной и входной гибкие трубопроводы 13 и 14, имеющие на концах вентили 15, 16, 17 для осуществления стыковки с теплообменным оборудованием спутника.

- Вентиль 18 и дроссель 19 для осуществления заправки;

- вентиль 20, установленный в кольцевой линии 21 (при штатной работе СОТР вентиль закрыт).

Работа системы происходит следующим образом:

- жидкий теплоноситель из холодильника 1 подается электронасосным агрегатом 2 в нагреватель 5, проходя по пути через рекуперативный теплообменник 3 и теплообменный участок магистрали 4.2 компенсационного устройства 4. В рекуперативном теплообменнике происходит первичный подогрев теплоносителя. В теплообменном участке магистрали 4.2 температура теплоносителя приближается к точке кипения, поскольку данный участок магистрали расположен в паровом пространстве компенсационного устройства;

- поступая в нагреватель 5, поток теплоносителя начинает кипеть и при процентном содержании пара 5 - 10%, поступает в технологическое теплообменное оборудование, где процесс испарения обеспечивает эффективный механизм отвода тепла от спутника;

- расход теплоносителя устанавливается с помощью дросселя 6 так, чтобы при максимальной тепловой нагрузке испарение потока происходило не более чем на 80%, обеспечивая тем самым устойчивость процесса кипения (контроль производится по датчику расхода 7);

- регулирование температуры при работе системы производится посредством регулирования мощности, подводимой обогревателями 4.3 компенсационного устройства, осуществляемого системой управления 8 по показаниям датчика температуры 9; соотношение мощности обогревателя 4.3 и охлаждающей способности участка теплообменного тракта 4.2 определяют рост или снижение температуры и давления в компенсационном устройстве, и соответственно температуры кипения теплоносителя на выходе СОТР;

- соответствие между номинальной мощностью обогревателя и охлаждающей способностью теплообменного участка достигается установкой исходного положения дросселя 10;

- парожидкостный поток отводит тепло в теплообменнике 11 технологического теплообменного оборудования 12, обеспечивая эффективный теплообмен при испарении;

- парожидкостный поток, поступающий из теплообменного оборудования, частично конденсируется в рекуперативном теплообменнике 3, обеспечивая нагрев жидкого теплоносителя, поступающего в компенсационное устройство;

- парожидкостный поток конденсируется в теплообменнике 1.1 холодильника 1, а также переохлаждается для обеспечения необходимого антикавитационного запаса при работе насоса;

- гибкие шланги 13, 14 с концевыми вентилями 15, 16, 17 обеспечивают стыковку с теплообменным оборудованием, при этом предварительная заправка данного оборудования не требуется: достаточно откачать из состыкованной полости воздух через вентиль 17, и далее, закрыв его, открыть вентили 15 и 16, после чего полость оказывается заполнена парами теплоносителя.

Таким образом, предлагаемая схема СОТР обеспечивает такой режим работы, при котором в технологическое теплообменное оборудование подается теплоноситель в парожидкостном состоянии.

Теплообмен при испарении обеспечивает во много раз более высокий коэффициент теплоотдачи, нежели при однофазной конвекции жидкости, что позволяет обеспечить отвод большей тепловой нагрузки при меньшем размере теплообменника.

Для оценки преимуществ предлагаемой системы используем формулу, приведенную на стр.267, книги "Достижения в области теплообмена", сборник статей под ред. В.М. Боришанского, М., Мир, 1970.

Соотношение, полученное для теплоносителя фреон-12 при кольцевом течении двухфазного теплоносителя (средних и высоких паросодержаниях), имеет вид:

где h - коэффициент теплоотдачи при кипении;

h₀ - коэффициент теплоотдачи при однофазной конвекции;

х - паросодержание;

В₀ - фактор, характеризующий кипение жидкости (В₀=q/r G).

Произведем расчет, исходя из тепловой нагрузки Q=3000 Вт.

При площади поверхности теплообмена используемого теплообменника, равной 0,4 м², плотность потока q=7500 Вт/м².

Потребный расход теплоносителя G определим из условия испарения теплоносителя на 70% (испарение не более чем на 80% обеспечивает устойчивость процесса кипения):

G=Q/0,7 r = 0,035 кг/с=35 г/с, где r=140000 Дж/кг - теплота испарения.

Тогда параметр В_о равен:

При паросодержании x = 0.2 получим:

(при более высоком паросодержании коэффициенты теплоотдачи h также выше, что дает теоретический запас по отношению к проводимому расчету).

Учитывая, что вероятная погрешность эксперимента может составлять до 20%, будем считать, что h/h₀= 21.

Учитывая, что расход теплоносителя в однофазных системах G₀ имеет большую величину (около 70 г/с), а также то, что теплофизические характеристики применяемого теплоносителя (на базе изооктана) существенно выше, чем у фреона-12, оценим соотношение,

где h^из₀ - коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции однофазного теплоносителя на базе изооктана.

Исходя из известного уравнения для коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции:

h~ Re^0,8 Pr^0,4,

можно рассчитать

где h^из₀- коэффициент теплоотдачи при однофазной конвекции жидкого теплоносителя на базе изооктана;

параметры жидкостей при температуре 20°С:

=0,08 Вт/м град - теплопроводность фреона-12;

=200 10^-6 Н с/м³ - вязкость фреона-12;

С=966 Дж/кг-град - теплоемкость фреона-12;

^из=0,15 Вт/м град - теплопроводность теплоносителя на базе изооктана;

^из=503 10^-6 Н с/м³- вязкость теплоносителя на базе изооктана;

С^из=1900 Дж/кг град - теплоемкость теплоносителя на базе изооктана.

Тогда

Таким образом, коэффициент теплоотдачи при кипении фреона-12 оценочно в 7 раз выше, чем при однофазной конвекции теплоносителя на базе изооктана.

Подбор двухфазного теплоносителя с лучшими теплофизическими характеристиками, нежели у фреона-12, позволит еще увеличить данную цифру (что также является запасом по отношению к проводимому расчету).

Исходя из полученного результата, коэффициент теплоотдачи в технологическом оборудовании при испарении теплоносителя СОТР:

что по сравнению со случаем вынужденной конвекции жидкости по обеим полостям:

дает повышение коэффициента теплопередачи в 1,75 раза (0,875/0,5=1,75).

Другое преимущество теплопередачи при кипении теплоносителя обусловлено тем, что отвод тепла не сопровождается увеличением температуры охлаждающего теплоносителя, что дает существенный выигрыш по температурному напору.

На фиг.3 и 4 представлены процессы передачи тепла для случая жидкостно-жидкостного и двухфазно-жидкостного механизма теплообмена, полученные исходя из условия равных входных температур подаваемого теплоносителя СОТР и расходной теплоемкости однофазного теплоносителя (на базе изооктана), равной 130 Вт/К.

График на фиг.3 рассчитан применительно к теплообменнику с параметром kF=200 Вт/К. Как можно видеть, для отвода тепла 3000 Вт требуется два теплообменника (среднелогарифмический температурный напор составляет ).

График на фиг.4 построен исходя из того, что kF теплообменника при испарении теплоносителя СОТР составит по величине kF=1,75 200 =350 Вт/К.

Как можно видеть, требуется только один теплообменник. Среднелогарифмический температурный напор составляет 10,5°С, а отводимое тепло при этом более 3600 Вт.

Пунктиром на фиг.4 показано снижение температуры двухфазного теплоносителя вдоль теплообменного тракта с учетом гидродинамических потерь, ведущих к снижению давления, и, следовательно, температуры кипения в потоке. Снижение это может составлять несколько градусов и при прямоточной схеме соединения дает дополнительный выигрыш по температурному напору, что также является запасом по отношению к проведенному расчету.

Подводя итог при использовании предлагаемой системы:

- из конструкции СОТР исключаются: механический регулятор температуры (поз. 22, фиг.2), гидравлические разъемы (поз. 23, 24, фиг.2), узел соединения (поз. 25, фиг.2);

- использование предлагаемой СОТР позволяет вдвое уменьшить количество теплообменников в составе технологического оборудования (исключается теплобменник поз. 11.2, фиг.2);

- не требуется предварительная заправка стыкуемой полости технологического теплообменного оборудования, т.к. достаточно отвакуумировать полость после стыковки для удаления неконденсирующихся газов (воздуха), а затем открыть концевые вентили СОТР, после чего состыкованная полость оказывается заполнена парами теплоносителя;

- не требуется использование гидравлических разъемов (поз.26, 27 фиг.2), гибких трубопроводов (поз.28, 29 фиг.2), компенсационного устройства (поз.30 фиг.2) в составе технологического теплообменного оборудования;

- при несъемном исполнении технологического тепдообменного оборудования не требуется наличие концевых вентилей (поз.31, 32 фиг.2) в составе гидротракта спутника.

Таким образом, в результате реализации СОТР согласно предложенному авторами техническому решению достигается эффективный механизм отвода тепловой нагрузки выделяющейся при испытаниях спутника, упрощаются операции по стыковке технологического теплообменного оборудования с СОТР, а само оборудование сводится к теплообменнику малых размеров, который легко интегрируется в конструкцию спутника в несъемном исполнении, повышающем эксплуатационную надежность спутника, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

В настоящее время предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации НПО прикладной механики, по которому изготавливаются СОТР для обеспечения тепловых режимов спутников новой разработки.