СИСТЕМА ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ ЖИДКОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к устройствам систем термостатирования компонентов жидкого ракетного топлива и может быть использована в ракетно-космической технике, авиации и др.
Известна система термостатирования жидкого компонента ракетного топлива (см. патент Ru 2291088, C1, МПК B64G 1/50, F25B 21/02, опубликовано 10.01.2007 г.) [1], в которой происходит регулирование температуры продукта за счет теплообменных процессов с теплоносителем, поддерживаемым по температуре термоэлектрическими батареями, радиатором-охладителем и нагнетателем.
Недостатками такой системы являются:
- большие затраты электроэнергии в связи с использованием термоэлектрических элементов;
- необходимость отводить побочные тепловыделения термоэлектрических элементов;
- ограничение площади теплообмена теплообменника.
Известна система термостатирования со встроенным теплообменником (см. книгу Хлыбов В.Ф. Основы теории и разработки заправочного оборудования и систем термостатирования. Учебник. М.: РВСН, 1994. 276 с. рис. 5.1) [2], в которой нагретый или холодный промежуточный теплоноситель прокачивается центробежным насосом по замкнутому контуру из холодильного центра в теплообменник и обратно до тех пор, пока температура жидкости в емкости не достигает заданной величины.
Недостатками такой системы являются:
- необходимость в холодильном центре;
- ограничение площади теплообмена теплообменника;
- сложность проведения плановых и внеплановых ремонтных работ в связи с вредностью и агрессивностью компонентов жидкого ракетного топлива.
Известна система термостатирования с внешним теплообменным аппаратом (см. книгу Хлыбов В.Ф. Основы теории и разработки заправочного оборудования и систем термостатирования. Учебник. М.: РВСН, 1994. 276 с. рис. 5.3) [2], в которой один или два параллельно включенных теплообменника (в зависимости от требуемой тепло- и холодопроизводительности) поочередно подключаются к каждой емкости, и продукт центробежным насосом подается в рекуперативный теплообменник, в котором осуществляется теплообмен.
Недостатками такой системы являются:
- необходимость в холодильном центре;
- необходимость в центробежном насосе, перекачивающем подготовленный теплоноситель через рекуперативный теплообменник.
Известна стационарная система термостатирования с внешним теплообменником (кожухотрубным) и промежуточным теплоносителем (см. книгу Хлыбов В.Ф. Основы теории и разработки заправочного оборудования и систем термостатирования. Учебник. М.: РВСН, 1994. 276 с. рис. 5.4) [2], в которой осуществляется температурная подготовка компонентов жидкого ракетного топлива через рекуперативный теплообмен с теплоносителем. В случае необходимости проведения операции нагрева компонентов жидкого ракетного топлива осуществляется нагрев воды в котельной, затем через встроенный в емкость с промежуточным теплоносителем теплообменник осуществляется нагрев промежуточного теплоносителя. В случае необходимости проведения охлаждения компонентов жидкого ракетного топлива осуществляется охлаждение промежуточного теплоносителя посредством циркуляции последнего через работающие парокомпрессионные холодильные машины.
Недостатками такой системы являются:
- необходимость в котельной;
- необходимость в парокомпрессионных холодильных машинах;
- необходимость в четырех насосах;
- невозможность использовать данную систему как мобильную ввиду большого потребного количества составных частей и соответствующих массово-габаритных характеристик.
Известна система охлаждения продукта жидким азотом (см. книгу Хлыбов В.Ф. Основы теории и разработки заправочного оборудования и систем термостатирования. Учебник. М.: РВСН, 1994. 276 с. рис. 5.9) [2], в которой осуществляется охлаждение компонентов жидкого ракетного топлива через рекуперативный теплообменник, выполненный в виде змеевика. При включении насоса осуществляется циркуляция компонентов жидкого ракетного топлива через трубопроводы и змеевик, расположенный в емкости с жидким азотом, за счет теплообмена в которой осуществляется охлаждение компонентов жидкого ракетного топлива до требуемой температуры.
Недостатками такой системы являются:
- отсутствие возможности использовать данную систему для нагрева компонентов жидкого ракетного топлива;
- ограничение видов компонентов жидкого ракетного топлива в связи с низкой температурой кипения жидкого азота;
- обледенение компонентов жидкого ракетного топлива на внутренней поверхности теплообменника;
- возможное попадание кристаллов компонентов жидкого ракетного топлива в насос, в фильтры систем заправки, в изделие и т.д.
Известна система охлаждения жидкости (см. патент Ru 2323133, С1, МПК B64D 33/10, опубликовано 27.04.2008 г.) [3], в которой осуществляется охлаждение продукта рекуперативным теплообменном с воздухом, имеющим температуру ниже охлаждаемой жидкости.
Недостатками такой системы являются:
- отсутствие возможности использовать данную систему для нагрева жидкости;
- отсутствие возможности регулирования температуры воздуха и, как следствие, температурного напора;
- ограничение площади теплообмена теплообменника;
- невозможность замены охлаждающей среды.
Известна система термостатирования жидкости (см. патент Ru 2216655, С1, МПК F15B 21/04, опубликовано 20.11.2003 г.) [4], в которой осуществляется термостатирование продукта за счет термодатчика, теплообменного устройства, аккумуляторной батареи, таймера и реле времени.
Недостатками такой системы являются:
- отсутствие возможности использовать данную систему для охлаждения компонентов жидкого ракетного топлива;
- возможность использовать данную систему термостатирования лишь для малых доз продукта в связи с особенностями выбранного способа термостатирования;
- продолжительная длительность проведения операции термостатирования продукта.
Известна система термостатирования окислителя для РН «Рокот» на стартовом комплексе космодрома «Плесецк» (см. статью Комлев Д.Е., Соловьев В.И. Охлаждение нафтила методом криогенного барботажа // Новости техники: сб. М.: КБТМ, 2004. с. 137-141. рис. 2) [5]. Система содержит теплоизолированные емкости для компонентов жидкого ракетного топлива и для теплоносителя с установленными на них контрольно-измерительными приборами. Теплоизолированные емкости соединены между собой трубопроводами с запорно-предохранительной арматурой и имеют сливные трубопроводы. Система включает также теплообменные аппараты системы заправки, насос, вентилятор, воздушный теплообменник, газификатор жидкого азота, соединенный через гибкий трубопровод и напорную магистраль подачи азота с теплоизолированной емкостью для теплоносителя. При этом в теплоизолированной емкости для теплоносителя внизу расположены распылитель жидкого азота и трубчатые электронагреватели.
Анализ патентов и научно-технической литературы [1-5] показал, что по технической сущности и достигаемому результату система термостатирования окислителя для РН «Рокот» на стартовом комплексе космодрома «Плесецк» является наиболее близкой к предлагаемой полезной модели и выбрана в качестве прототипа.
К недостаткам прототипа относится следующее:
- наличие теплообменных аппаратов в системе заправки;
- наличие насосной установки в системе термостатирования;
- невозможность осуществления одновременного охлаждения теплоносителя и компонента жидкого ракетного топлива;
- наличие избыточного количества теплоносителя;
- возможность кавитационного режима насосной установки системы термостатирования;
- необходимость в дорогостоящей системе управления ввиду наличия ступенчатого режима работы;
- большие значения массово-габаритных характеристик системы термостатирования.
Техническими результатами полезной модели являются:
- повышение надежности и эффективности работы системы термостатирования за счет исключения теплообменных аппаратов и насосной установки системы заправки;
- проведение одновременного охлаждения теплоносителя и компонента жидкого ракетного топлива за счет установки змеевика в теплоизолированную емкость для теплоносителя;
- исключение избыточного количества теплоносителя за счет размещения стакана в теплоизолированной емкости для теплоносителя;
- исключение кавитационного режима работы насосной установки системы термостатирования за счет установки змеевика в теплоизолированной емкости для теплоносителя;
- удешевление системы управления за счет исключения ступенчатого режима работы;
- достижение меньших значений массово-габаритных характеристик системы термостатирования за счет исключения конструктивных элементов (теплообменных аппаратов и насосной установки системы заправки), а также за счет установки стакана в теплоизолированную емкость для теплоносителя.
Указанные технические результаты достигаются благодаря тому, что система термостатирования компонентов жидкого ракетного топлива содержит теплоизолированные емкости для компонентов жидкого ракетного топлива и для теплоносителя с установленными на них контрольно-измерительными приборами. Теплоизолированные емкости соединены между собой трубопроводами с запорно-предохранительной арматурой и имеют сливные трубопроводы. Система включает также насос, байпасную магистраль, вентилятор, воздушный теплообменник, газификатор жидкого азота, соединенный через гибкий трубопровод и напорную магистраль подачи азота с теплоизолированной емкостью для теплоносителя. При этом в теплоизолированной емкости для теплоносителя внизу расположены распылитель жидкого азота и трубчатые электронагреватели. Кроме того, в теплоизолированной емкости для теплоносителя концентрично установлен стакан, снаружи которого расположен змеевик, соединенный с теплоизолированной емкостью для компонентов жидкого ракетного топлива.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом.
Система термостатирования компонентов жидкого ракетного топлива содержит теплоизолированные емкости для компонентов жидкого ракетного топлива 1 и для теплоносителя 2 с установленными на них контрольно-измерительными приборами 3. Теплоизолированные емкости соединены между собой трубопроводами 4 с запорно-предохранительной арматурой 5 и имеют сливные трубопроводы 6. Система включает также насос 7, байпасную магистраль 8, вентилятор 9, воздушный теплообменник 10, газификатор жидкого азота 11, соединенный через гибкий трубопровод 12 и напорную магистраль подачи азота 13 с теплоизолированной емкостью для теплоносителя 2. При этом в теплоизолированной емкости для теплоносителя 2 внизу расположены распылитель жидкого азота 14 и трубчатые электронагреватели 15. Кроме того, в теплоизолированной емкости 2 для теплоносителя концентрично установлен стакан 16, снаружи которого расположен змеевик 17, соединенный с теплоизолированной емкостью для компонентов жидкого ракетного топлива 1.
Система термостатирования компонентов жидкого ракетного топлива работает следующим образом.
Перед проведением операции термостатирования жидкого ракетного топлива производится заправка теплоизолированной емкости для компонентов жидкого ракетного топлива 1 и теплоизолированной емкости для теплоносителя 2.
Для проведения операции охлаждения жидкого ракетного топлива в газификаторе жидкого азота 11 создается избыточное давление за счет подачи газообразного азота в газовое пространство газификатора жидкого азота 11. Далее осуществляется выдавливание жидкого азота из газификатора жидкого азота 11 в напорную магистраль подачи азота 13 через гибкий трубопровод 12 с захолаживанием их, претерпевающего фазовый переход и выходящего в окружающею среду при помощи запорно-предохранительной арматуры 5. Контроль давления в гибком трубопроводе 12 и напорной магистрали подачи азота 13 осуществляется контрольно-измерительными приборами 3. Для предотвращения возможных повреждений гибкого трубопровода 12 и напорной магистрали подачи азота 13 вследствие превышения допустимого давления, обусловленного вскипанием азота, предусмотрено наличие запорно-предохранительной арматуры 5. По завершению захолаживания гибкого трубопровода 12 и напорной магистрали подачи азота 13 жидкий азот попадает в теплоизолированную емкость для теплоносителя 2, в которой установлен стакан 16, через распылитель жидкого азота 14. Это приводит к вскипанию азота и охлаждению теплоносителя, температура которого фиксируется контрольно-измерительными приборами 3. Вскипевший азот выходит в окружающею среду при помощи запорно-предохранительной арматуры 5. При включении насоса 7 осуществляется циркуляция жидкого ракетного топлива через трубопроводы 4 и змеевик 17, расположенный в теплоизолированной емкости для теплоносителя 2, за счет теплообмена в которой осуществляется охлаждение жидкого ракетного топлива до требуемой температуры, фиксируемой контрольно-измерительными приборами 3.
Для проведения операции нагрева жидкого ракетного топлива включаются трубчатые электронагреватели 15, осуществляющие нагрев теплоносителя в теплоизолированной емкости для теплоносителя 2. При включении насоса 7 осуществляется циркуляция жидкого ракетного топлива через трубопроводы 4 и змеевик 17, расположенный в теплоизолированной емкости для теплоносителя 2, за счет теплообмена в которой осуществляется нагрев жидкого ракетного топлива до требуемой температуры, фиксируемой контрольно-измерительными приборами 3.
Дросселирование расхода жидкого ракетного топлива осуществляется при помощи байпасной магистрали 8, а также запорно-предохранительной арматуры 5. Контроль расхода жидкого ракетного топлива осуществляется контрольно-измерительными приборами 3. По завершению операции термостатирования жидкого ракетного топлива производится его выдача потребителю, а также слив теплоносителя через соответствующие сливные трубопроводы 6.
При помощи воздушного теплообменника 10 и вентилятора 9 осуществляется поддержание температурного режима окружающей среды системы термостатирования компонентов жидкого ракетного топлива.
Сравнительный анализ предлагаемой полезной модели с известными системами термостатирования показал, что предлагаемая полезная модель по техническому уровню и достигаемым результатам превосходит все известные системы термостатирования компонентов жидкого ракетного топлива.
Предлагаемая полезная модель отвечает критериям патентоспособности «существенная новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применяемость».
Предложенная полезная модель может быть использована в составе стартовых и технических комплексов ракет и космических аппаратов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент Ru 2291088, C1, МПК B64G 1/50, F25B 21/02, опубликовано 10.01.2007 г. - аналог.
2. Хлыбов В.Ф. Основы теории и разработки заправочного оборудования и систем термостатирования. Учебник. М.: РВСН, 1994. 276 с. - аналоги.
3. Патент Ru 2323133, С1, МПК B64D 33/10, опубликовано 27.04.2008 г. - аналог.
4. Патент Ru 2216655, С1, МПК F15B 21/04, опубликовано 20.11.2003 г. - аналог.
5. Комлев Д.Е., Соловьев В.И. Охлаждение нафтила методом криогенного барботажа // Новости техники: сб. М.: КБТМ, 2004. с. 137-141. - прототип.