Регулируемая контурная тепловая труба

Полезная модель относится к области теплотехники и может быть использована при создании теплопередающих устройств, которые обеспечивают стабилизацию температуры тепловыделяющих объектов, в частности, в составе систем обеспечения теплового режима научного и служебного оборудования космических аппаратов.
Известны теплопередающие устройства, построенные на базе контурных тепловых труб (КТТ) [RU 1196665, F28D 15/02], которые частично заполнены теплоносителем и содержат соединенные между собой с помощью паропровода и конденсатопровода испаритель и конденсатор. Фитильная структура в виде капиллярно-пористой вставки в КТТ присутствует только в испарителе, а транспорт пара и жидкости осуществляется по раздельным каналам (например, изготовленным из трубок), таким образом, организуется двухфазный циркуляционный контур. Конденсатор, паро- и конденсатопровод выполнены пустотелыми и гладкостенными, что позволяет придавать им разнообразную конфигурацию, а также выполнять сложную, в отличие от обычных тепловых труб, трассировку транспортных каналов и конденсатора. Уникальные свойства контурной тепловой трубы позволили расширить функциональные возможности различных теплопередающих устройств, создаваемых на их основе.
В космической технике получили распространение теплопередающие агрегаты на базе КТТ, которые имеют название «теплопровод радиатора» (ТПР) [В.В. Альтов, В.М. Гуля, Р.М. Копяткевич и др. Тепловое проектирование и пофрагментная наземная отработка СТР КА негерметичного исполнения на базе сотопанелей с тепловыми трубами. Космонавтика и ракетостроение №3(60), ЦНИИМАШ, Королев, 2010, с. 33-41]. В ТПР испаритель контактирует с тепловыделяющим оборудованием, а конденсатор встраивается в конструкцию панели радиатора, что обеспечивает высокотеплопроводное соединение данного оборудования с радиатором, рассеивающим тепло в окружающее пространство. Подобные радиаторы имеют высокий коэффициент эффективности, т.к. конденсатор КТТ, встроенный в излучающую панель ТПР, позволяет равномерно распределить по ней тепловой поток [RU 2346862, B64G 1/50, F28D 15/04].
Поскольку, при обеспечении теплового режима требуется не только отводить тепловой поток, но и стабилизировать температуру тепловыделяющего объекта, которая может варьировать при изменении тепловой нагрузки и условий отвода тепла - для регулирования уровня температуры испарителя КТТ, последние оснащают так называемым трехходовым клапаном [F. Bodendleck, R. Schlitt, O. Romberg, K. Goncharov, V. Buz, U. Hildebrand. Precision temperature control with a loop heat pipe, SAE # 2005-01-2938, Rome, ITALY, 2005], показанным на фиг. 1. Такой клапан может соединять вход и выход испарителя через байпасную линию, либо перекрывать ее, а также открывать или закрывать поток пара из испарителя в конденсатор, который идет по паропроводу для решения основной задачи - переноса тепла от испарителя к конденсатору. Регулирование температуры осуществляется следующим образом.
Когда клапан находится в открытом положении (именно это положение показано на фиг. 1), пар из испарителя работающей КТТ беспрепятственно поступает в конденсатор. В таком состоянии КТТ может с минимальным термическим сопротивлением передавать тепло от испарителя к конденсатору, как если бы эта КТТ была нерегулируемой. Сконденсировавшийся пар в виде жидкой фазы теплоносителя возвращается к испарителю. Если абсолютное давление внутри КТТ падает ниже давления аргона, который окружает сильфон снаружи, тогда клапан закрывается. Происходит это благодаря тому, что сильфон перемещает шток клапана вправо, отчего верхние отверстия золотника сдвигаются и перекрывают сквозной проход (в паропровод), а отверстия снизу (фиг. 1) совмещаются и полностью открывают проход пара в байпасную линию. При таком положении клапана, которое (для КТТ) называют «закрытым», пар будет идти сразу от генерирующей пар поверхности капиллярно-пористой вставки испарителя к всасывающей ее стороне (т.е. от выхода испарителя, сразу, к входу). Движущая разность давлений, которую создает испаритель, понизится, либо совсем исчезнет. Циркуляция при таком положении клапана гарантированно прекратится, прежде всего потому, что выход в паропровод полностью закроется. Когда нет циркуляции теплоносителя в КТТ, ее термическое сопротивление имеет «бесконечную» величину, а тепловой поток к конденсатору не передается. Таким образом, с помощью трехходового клапана расход теплоносителя, проходящего через конденсатор, можно увеличивать до максимума, либо предельно уменьшать, за счет чего и осуществляется стабилизация температуры испарителя.
Занимая промежуточные положения, шток клапана обеспечивает поддержание давления и связанной с ним температуры испарителя КТТ на заданном уровне, а вместе с температурой испарителя стабилизируется и температура тепловыделяющего оборудования. Заданный уровень давления обеспечивается за счет соответствующего наддува инертным газом (аргоном) герметичной полости снаружи сильфона.
Наиболее близким аналогом к заявленной регулируемой контурной тепловой трубе, реализующим описанный принцип регулирования и выбранным в качестве прототипа, является регулируемая контурная тепловая труба [RU 2757740, F28D 15/02], содержащая испаритель, конденсатор, паропровод, конденсатопровод, трехходовой клапан, содержащий корпус и размещенные внутри корпуса сильфон, шток и золотник клапана, установленные соосно с возможностью обеспечения перемещения золотника клапана посредством возвратно поступательного движения штока клапана, и байпасную линию, причем выход испарителя соединен через вход трехходового клапана с внутренней полостью сильфона, первый выход клапана через паропровод подсоединен к входу в конденсатор, а второй выход клапана через байпасную линию подсоединен к входу в испаритель, при этом выход конденсатора посредством конденсатопровода подсоединен к входу испарителя.
Давление настройки клапана в прототипе обеспечивается путем наддува сильфона инертным газом, аргоном (до заданного давления). [F. Bodendleck, R. Schlitt, O. Romberg, K. Goncharov, V. Buz, U. Hildebrand Precision temperature control with loop heat pipe, SAE # 2005-01-2938, Rome, ITALY, 2005].
Важным преимуществом теплопередающего устройства на базе регулируемой КТТ, оснащенной клапаном, в котором сильфон заправлен инертным газом, является то, что данное устройство является полностью пассивным, т.е. не требует затрат энергии на регулирование.
Однако указанный прототип имеет существенный недостаток, который выражен в том, что процедура настройки клапана на заданную температуру является, в технологическом плане, крайне сложной и трудоемкой. Настройка клапана требует очень точной заправки заданным количеством аргона внутренней полости сильфона, имеющей весьма малый объем. Данная работа выполняется посредством подсоединения сильфона клапана через штуцер к внешней (громоздкой и сложной) установке, которая должна обеспечивать контролируемую подачу аргона и которую необходимо применять совместно со стендом контроля характеристик КТТ.
3
6
3
6
Рассмотрим на конкретном примере условия соотношения давлений и сил для открытого и для закрытого положений клапана, сильфон которого снаружи наддут инертным газом, аргоном. Пусть КТТ заправлена пропиленом (СН), а температура регулирования установлена на уровне 10°С. Абсолютное давление в контуре, фактически определяемое давлением насыщения СН в испарителе, при указанной температуре составляет ~7.88⋅105 Па. Давление «наружной» среды (снаружи сильфона), в качестве которой применяют аргон, должно иметь такую же величину, чтобы золотник клапана устойчиво сохранял «открытое» положение. Сильфон в этом положении пассивен и не создает усилия. Тогда из уравнения Клапейрона имеем
Ar
Здесь m - масса аргона, заправленного в (герметично закрытое) пространство вокруг сильфона, имеющее объем V. Эта масса не изменяется, а изменение объема V, т.е. полости в которой находится инертный газ, пренебрежимо мало, поскольку сильфон в процессе работы смещается незначительно, следовательно, давление аргона можно рассматривать как функцию только температуры.
2
Два последовательно соединенных сильфона 14-10-0,12-12Х18Н10Т по ГОСТ21482-76 (сильфоны объединяют, чтобы увеличить эффективную площадь) имеют эффективную площадь АС=20 см. Величина эффективной площади позволяет по разности давлений снаружи и внутри сильфона определить возникающее осевое усилие. Жесткость сильфона составляет 190 н/мм, следовательно, по закону Гука, в закрытом положении (которое обеспечивается ходом штока в 1,5 мм) осевое усилие, создаваемое сильфоном, составит 285 Н. Устойчивое положение клапана в закрытом состоянии будет обеспечено следующим балансом сил на оси сильфона
5
3
3
L
V
Левая и правая части уравнения являются линейными функциями, отражающими влияние температуры на осевое усилие F=f(T). Эти функции построены на фиг. 2, соответственно, как линии «а» и «b». Для пропилена принято: давление и температура насыщения, соответственно, Ps=7.88⋅10 Па и Ts=283К (~10°С, она же температура регулирования/стабилизации), плотности жидкости и пара ρ=530 кг/м и ρ=15,8 кг/м, теплота фазового перехода r=3,62⋅105 Дж/кг. Величина отклонения давления насыщения при уходе от температуры Ts к Т выражена в правой части формулы с помощью уравнения Клазиуса-Клапейрона.
Точка «X» в месте пересечения линий «а» и «b» является решением, при котором выполняется баланс сил (выраженный уравнением (2) и это решение означает, что при понижении температуры насыщения в контуре с 10°С до 2°С клапан должен полностью закрыться.
Теперь, вместо аргона используем пружину, имеющую жесткость 56 Н/мм. Данная пружина, сжатая на 28 мм, способна оказать осевое усилие на сильфон, которое будет компенсировать противонаправленное усилие, возникающее в результате воздействия давления насыщенных паров пропилена.
Пренебрегая влиянием температуры (применительно к нашей задаче температура оно незначительно) на жесткость пружины определяем, что пружина вместе с сильфоном создадут следующее осевое усилие, когда клапан перейдет из открытого состояния в закрытое
1576-285 - 1.5⋅56=1207Н.
Здесь 1576Н - усилие от действия насыщенных паров пропилена, 285Н - усилие от сильфона, 56Н/мм - жесткость пружины. При этом считаем, что среда у наружной стенки сильфона - вакуум. На рисунке 2 характеристика пружины (упирающейся в сильфон) отражена горизонтальной прямой «с». Точка «Y» пересечения прямых «с» и «а» показывает, что клапан закроется, если температура насыщения в контуре понизится с 10°С до 1°С.
атм
с
5
Кривая «d» показывает, как изменится усилие со стороны пружины и сильфона, если снаружи сильфона будет действовать атмосферный воздух, а не вакуум. Вклад от атмосферного воздуха в осевое усилие составляет 200Н (Р⋅А=10⋅0.002). Именно настолько уйдет вверх точка «Z» относительно «Y». Соответственно, температуры закрытия и открытия клапана (по оси абсцисс) сместятся, по этой же причине, примерно на 5К «вправо», т.е. повысятся.
Таким образом, задача открытия и закрытия клапана с целью регулирования температуры КТТ может быть решена с помощью сжатой пружины определенной упругости.
Технической проблемой, решаемой с помощью предлагаемой полезной модели, является упрощение конструкции клапана, а также удешевление операций связанных с его настройкой, что позволит повысить надежность и расширить диапазон (область) применения регулируемых КТТ.
Указанная техническая проблема решается за счет того, что в отличие от известной регулируемой контурной тепловой трубы, содержащей испаритель, конденсатор, паропровод, конденсатопровод, трехходовой клапан, содержащий корпус и размещенные внутри корпуса сильфон, шток и золотник клапана, установленные соосно с возможностью обеспечения перемещения золотника клапана посредством возвратно поступательного движения штока клапана, и байпасную линию, причем выход испарителя соединен через вход трехходового клапана с внутренней полостью сильфона, первый выход клапана через паропровод подсоединен к входу в конденсатор, а второй выход клапана через байпасную линию подсоединен к входу в испаритель, при этом выход конденсатора посредством конденсатопровода подсоединен к входу испарителя, в предлагаемом устройстве корпус клапана выполнен разъемным и негерметичным по отношению к внешней среде, при этом клапан снабжен пружиной сжатия, воздействующей на свободный торец штока клапана, причем усилие сжатия пружины превосходит заданную величину давления теплоносителя, обеспечивая закрытое положение клапана при давлении теплоносителя внутри КТТ менее заданной величины.
Кроме того, трехходовой клапан снабжен регулирующим устройством, выполненным в виде винта, установленного соосно штоку клапана со стороны свободного торца корпуса клапана с возможностью воздействия на пружину для изменения ее усилия сжатия.
Кроме того, разъемные части корпуса клапана соединены посредством резьбового соединения.
Кроме того, разъемные части корпуса снабжены фиксатором их положения.
Выполнение корпуса клапана разъемным позволяет упростить конструкцию клапана и процесс его сборки.
Устранение требования обеспечения герметичности по отношению к корпусу клапана и снабжение клапана пружиной сжатия, воздействующей на свободный торец штока клапана, у которой усилие сжатия превосходит заданную величину давления теплоносителя, обеспечивая закрытое положение клапана при давлении теплоносителя внутри КТТ менее заданной величины, позволяет повысить надежность клапана при сохранении точности его настройки, а также упростить конструкцию и процесс изготовления регулируемой КТТ.
Снабжение клапана регулирующим устройством, выполненным в виде винта, установленного соосно штоку клапана со стороны свободного торца корпуса клапана с возможностью воздействия на пружину для изменения ее усилия сжатия, позволяет повысить точность регулировки клапана и его надежность, а также упростить процесс регулировки.
Соединение разъемных частей корпуса клапана соединены посредством резьбового соединения, позволяет упростить процесс сборки клапана и его регулировки.
Снабжение разъемных частей корпуса фиксатором их положения повышает надежность клапана.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - эскиз пассивного трехходового клапана КТТ с сильфоном, заполненным инертным газом (клапан прототипа регулируемой КТТ);
фиг. 2 - диаграммы, дающие сравнение характеристик клапана КТТ с сильфоном наддутым инертным газом и с сильфоном, снабженным пружиной сжатия;
фиг. 3 - эскиз регулируемой КТТ, снабженной трехходовым клапаном с пружиной сжатия.
В соответствии с фиг. 3, предлагаемая регулируемая КнТТ содержит испаритель (1), а также соединенный с испарителем с помощью паропровода (2) и конденсатопровода (3) конденсатор (4), встроенный в радиатор (5), отводящий тепло в окружающее пространство. Распределение расходов циркулирующего в КнТТ теплоносителя обеспечивается с помощью трехходового клапана (6) и байпасной линии (7). Клапан имеет золотник (8), возвратно-поступательное движение которого обеспечивается с помощью сильфона (9) и штока (10). При этом золотник (8) сообщается с внутренней полостью КТТ и теплоносителем, а сильфон (9) обеспечивает герметичность внутренней полости КТТ. Отверстия золотника (8) при различном их совмещении позволяют направлять пар, выходящий испарителя (1): либо в конденсатор (4), либо минуя его, через байпасную линию (7), на вход испарителя (1). Циркуляционный контур регулируемой КТТ организован так, что выход испарителя (1) соединен с входом (11) трехходового клапана, первый выход (12) которого подсоединен к входу в конденсатор (4), а второй выход (13) - к байпасной линии (7). Выход конденсатора (4) посредством конденсатопровода (3), подсоединен к входу испарителя (1) и через байпасную линию (7) - выходу (13) трехходового клапана (5). Шток (10), который должен перемещать золотник (8), свободным торцом упирается в пружину сжатия (14). Пружина устанавливается, а затем сжимается (до заданного усилия) с помощью съемной части корпуса (15), которая имеет резьбовое соединение с несъемной частью корпуса (16). Дополнительную регулировку усилия сжатия пружины позволяет выполнять винт (17), упирающийся в пружину с противоположной от штока (10) стороны. Для того чтобы исключить смещение съемной (15) и несъемной (16) частей корпуса относительно друг друга, в месте их соединения может быть установлен фиксатор (18), например, маленький стопорный винт. Для того чтобы корпус клапана был негерметичным в нем выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие (19). Когда КТТ помещают в вакуум, благодаря наличию отверстия (19), внутри корпуса клапана и, соответственно, в полости, которая окружает сильфон (9), устанавливается вакуум.
Регулируемая контурная тепловая труба работает следующим образом.
Тепло, подводимое от тепловыделяющего оборудования к испарителю (1) КТТ, инициирует испарение теплоносителя и его циркуляцию, которая может осуществляться через конденсатор (4) и, параллельно, через байпасную линию (7). Когда клапан имеет открытое положение (т.е. золотник (8) - в крайнем левом положении), вместе с потоком пара, тепловой поток начинает передаваться от испарителя (1) к конденсатору (4), где рассеивается в окружающую среду. Давление пара в КТТ, при этом уравновешивает усилие пружины (14) так, что положение золотника и его отверстия обеспечивают поток пара через первый выход (12) клапана на вход в конденсатор (4). Если насыщенный теплоноситель в испарителе (1) охладится ниже заданного значения (т.е. ниже регламентированной температуры стабилизации КТТ), тогда давление паров теплоносителя упадет и пружина (14), давя на шток (10) сдвинет золотник (8) в положение «закрыто». Отверстия золотника, открывающие байпасную линию (7), совместятся и поток пара, минуя конденсатор (4), через второй выход (13) клапана направится на вход испарителя (1). В результате, термическое сопротивление КТТ возрастет, а испаритель начнет нагреваться, т.к. тепло от него перестанет отводиться к конденсатору (4).
Нагрев насыщенного теплоносителя в испарителе приведет к росту давления в КТТ. Шток (10) клапана под действием паров теплоносителя сместится так, что пружина (14) сожмется и тогда золотник (8) вновь встанет в положение «открыто». Теперь пар, генерируемый в испарителе (1), опять может направляться в конденсатор (4), отводя там тепло в окружающую среду, и КТТ начнет охлаждаться. Таким образом, цикл регулирования температуры в КТТ будет повторяться. Из практики известно, что открытое и закрытое положения клапана могут меняться относительно быстро, а кроме того, золотник может принимать такие промежуточные положения, при которых термическое сопротивление КТТ постепенно достигает значений, обеспечивающих поддержание заданной температуры для совокупности внешних условий в конденсаторе и тепловой мощности, подводимой к испарителю.
При необходимости, можно дополнить ручную настройку клапана, осуществляемую с помощью винта (17), дистанционной настройкой, для чего достаточно снабдить клапан шаговым электродвигателем, воздействующим на винт. Дистанционная настройка винта (17) будет полезной при проведении тепловакуумных испытаний КТТ, в составе КА, а также в процессе штатной эксплуатации КТТ.
Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить пассивное регулирование температуры тепловыделяющего оборудования с помощью регулируемой КТТ, а также обеспечить необходимую точность регулировки клапана, повысить его надежность, упростить конструкцию клапана, процесс его сборки и настройки.