СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ВАКУУМНОГО ТРУБОПРОВОДА МАГНИТОЛЕВИТАЦИОННОГО ТРАНСПОРТА
COOLING SYSTEM OF THE VACUUM PIPELINE FOR MAGNET-LEVITATION VEHICLES

Изобретение относится к системам охлаждения магнитолевитационного транспорта, перемещаемого в разреженной среде.
Вопросы охлаждения и теплоотвода вакуумного транспорта освещены в статье И.А. Воробьев, P.O. Кондратенко, С.Б. Нестеров, А.Н. Белоконев ОАО «НИИВТ им. С.А. Векшинского» IX Международная научно-техническая конференция «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, КВЦ «Сокольники, 2014, 15-17 апреля, с. 247-263, в которой выделено несколько источников тепловой энергии повышающих температуру внутри магнитолевитационной транспортной системы с вакуумным трубопроводом:
- электрические устройства, приводящие в движение транспортные единицы (тяговый линейный двигатель) и обслуживающие его системы;
- тепловыделение в результате аэродинамического сопротивления разреженного газа движению транспортной единицы.
- тепловыделение от транспортной единицы;
- теплопритоки солнечной лучистой тепловой энергии через стенки вакуумного трубопровода, в случае его расположения над поверхностью земли.
Так как в вакуумном трубопроводе практически отсутствует конвективный перенос тепловой энергии, а разреженный воздух обладает низкой теплопроводностью, тепловая энергия будет накапливаться в трубопроводе, и температура отдельных элементов транспортной системы будет расти непрерывно. Отсюда возникает необходимость обеспечения теплоотвода из подобной транспортной системы.
Известен один из способов решения задачи может быть расположение вакуумного трубопровода под землей, где обеспечивается относительно постоянная и стабильная температура окружающей среды, и отсутствует нагрев солнечной радиацией. Один из вариантов системы охлаждения вакуумного трубопровода - это металлическая труба с водяным охлаждением, см. JR-Maglev [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.en.wikipedia.org/wiki/JR-Maglev.
Современный железнодорожный транспорт, в том числе и на основе магнитной левитации, включает много компонентов электронного управления, которые выделяют теплоту в различных количествах. Кроме того, эти компоненты способны выдерживать температуры различных уровней. Проектирование современных железнодорожных составов требует использования соответствующих технических средств. Так, например, известны эффективные теплообменники для тяговых преобразователей железнодорожного транспорта, см. патент РФ №2626041.
В виду того, что в рассматриваемом виде транспорта практически отсутствует конвективный теплообмен, поскольку передача тепловой энергии во внешнюю среду невозможна. В связи с этим целесообразно рассматривать в качестве среды для утилизации избытков тепловой энергии установленные внутри вакуумного трубопровода Система тепловые аккумуляторы, которые состоят из резервуара для хранения (обычно теплоизолированного), аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и разрядки и вспомогательного оборудования.
Известны различные конструкции тепловых аккумуляторов, которые различаются по следующим признакам:
- по характеру проявления накапливаемой теплоты - явной, скрытой, термодинамической, сорбционной;
- по организации теплообмена - прямого и косвенного действия. В первых теплоноситель и рабочая масса находятся в прямом контакте, причем они могут быть как одинакового вида «вода - вода», так и различного вида «вода - парафин» (водяные баки и льдоаккумуляторы). Во-вторых, теплоноситель и рабочая масса разделены поверхностью, не допускающей массообмен (аккумуляторы скрытой теплоты);
- по виду теплоносителя - газовые и жидкостные;
- по направлению движения теплоносителей - прямоточные и противоточные;
- по назначению - буферные (для стабилизации температуры какого-либо объекта) и выполняющие функции вторичного источника теплоты;
- по агрегатному состоянию рабочей массы - твердотельные жидкостные и фазовые (аккумуляторы скрытой теплоты).
Применительно к рассматриваемому виду транспорта с целью упрощения конструкции подходят твердотельные тепловые аккумуляторы или аккумулирование тепловой энергии посредством использования теплоты фазового перехода. Применение жидкостных аккумуляторов тепловой энергии влечет за собой необходимость установки дополнительного оборудования, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя.
При аккумулирование тепла твердыми телами путем увеличения их внутренней энергии, аккумулирующей средой в этом случае служит твердое тело, которое нагревается и охлаждается без фазовых превращений. Тепловая емкость аккумулирования при этом определяется внутренней энергией как составляющей энтальпии. Емкость теплового аккумулирования посредством использования теплоты фазового перехода определяется изменением не температуры, а агрегатного состояния аккумулирующей среды при постоянной температуре. При переходе из жидкого состояния в газообразное аккумулируется наибольшее количество тепла. Однако объемная теплоемкость паровой фазы довольно низка. Поэтому аккумулирование на основе теплоты фазового перехода из жидкого состояния в газообразное не нашло применения.
Под аккумулированием на основе теплоты фазового перехода большей частью понимается аккумулирование теплоты плавления, происходящего обычно с небольшими изменениями объема. Иногда фазовый переход твердое тело - жидкость совмещается с фазовым переходом твердое тело - твердое тело при температуре несколько ниже точки плавления. Часто в дополнение к теплоте фазового перехода предлагается использовать теплоту нагрева (внутреннюю энергию) жидкости и/или твердой фазы. Действительно, это увеличивает емкость аккумулятора, но лишает возможности использовать преимущества теплоснабжения при постоянной температуре.
Известен высокотемпературный теплоаккумулирующий материал, содержащий 10 90 об. теплоаккумулирующего вещества, переходящего из твердой фазы в жидкую и наоборот при температуре от 204 до 1649°С и выбранного из группы, содержащей карбонаты, хлориды, нитраты, фториды, гидроксиды и сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов, металлы, металлические сплавы и их смеси, удерживаемые в порах теплоаккумулирующего материала-носителя, выбранного из группы, содержащей металлические карбиды, нитриды, оксиды, силициды, алюминаты, титанаты и цирконаты, см. пат. США №4512388.
Недостатками этого материала является низкая стойкость при циклических нагревах и охлаждениях, обусловленная большими объемными изменениями при плавлении, и существенными различиями в коэффициентах термического расширения в твердом состоянии.
Известен высокотемпературный теплоаккумулирующий материал, аккумулирующий тепло при плавлении, выполненный в виде гранулы из заэвтектического сплава на основе алюминия с кремнием с керамическим покрытием, см. патент ЕР №0299903.
Этот материя обладает высокими теплоаккумулирующей способностью и стабильностью в условиях циклических нагревов и охлаждений, но его практическое использование для создания тепловых аккумуляторов вызывает определенные трудности. Теплоаккумулирующий элемент, выполненный в виде сборки из таких гранул, может не выдерживать собственного веса при расплавлении заэвтектического сплава алюминия с кремнием в составе гранулы.
Известен теплоаккумулирующий материал по патенту РФ №2096430, содержащий гранулы из плавящегося заэвтектического сплава на основе алюминия с 12,5 90 мас. кремния с керамическим покрытием, отличающийся тем, что гранулы распределены в термостойком носителе при следующем соотношении фаз, об. гранулы с керамическим покрытием 31,6 71,5 термостойкий носитель до 100. Для получения материала используются гранулы с керамическим покрытием с диаметром от 1 до 20 мм. Керамическое покрытие на гранулах состоит, по крайней мере, из двух слоев, первый из которых, соприкасающийся непосредственно с заэвтектическим Аl Si-сплавом, состоит из оксидов алюминия и кремния, последующие слои состоят из огнеупорного материала с коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту термического расширения заэвтектического сплава.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа.
Недостатком известных тепловых аккумуляторов заключается в их недостаточной эффективности при их использовании для охлаждения массивного трубопровода вакуумного магнитолевитационного транспорта, работающего в условиях циклических нагревов и охлаждений и требующих использования как теплоотводящих, так и теплоизолирующих технологий и материалов.
Задачей изобретения является создание эффективной системы охлаждения вакуумного магнитолевитационного транспорта на основе теплоизолирующих и теплоотводящих элементов.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанной выше задачи изобретения.
Система охлаждения вакуумного магнитолевитационного транспорта, включающая тепловые аккумуляторы с теплоаккумулирующей средой, отличающийся тем, что в качестве теплоаккумулирующей среды в тепловых аккумуляторах использован плавящийся теплоаккумулирующий материал, при этом отдельные секции тепловых аккумуляторов размещены в оболочке вакуумного трубопровода магнитолевитационного транспорта и отделены друг от друга секциями с теплоизолирующим материалом.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что применение систем теплоотвода вакуумного трубопровода в совокупности с использованием теплоизоляционных материалов позволит снизить вероятность существенного перегрева трубопровода и снизить возможность возникновения температурных деформаций, а также обеспечить комфортные условия в пассажирских транспортных единицах.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлен поперечный разрез по заявленной системе охлаждения вакуумного магнитолевитационного транспорта, включающей теплоотвод и тепловую изоляцию вакуумного трубопровода.
Система охлаждения вакуумного магнитолевитационного транспорта включает тепловые аккумуляторы с теплоаккумулирующей средой, в качестве которой использован плавящийся теплоаккумулирующий материал. В оболочке вакуумного трубопровода 1 магнитолевитационного транспорта размещены секции тепловых аккумуляторов 1, которые отделены друг от друга секциями 3 с теплоизолирующим материалом.
Заявленная система работает следующим образом. Тепловые аккумуляторы 2 с теплоаккумулирующей средой, в качестве которой использован плавящийся теплоаккумулирующий материал, размещенные в оболочке вакуумного трубопровода 1, обеспечивают предотвращение тепловых деформаций его конструкций.
Такой способ теплоотвода может быть использован по причине наличия нескольких факторов, характерных для вакуумного трубопровода магнитолевитационного транспорта:
1. Нагрев стенок вакуумного трубопровода происходит в основном за счет нагрева солнечными лучами в дневной период;
2. Наличие перепада температур день/ночь могут лежать в пределах 5…15°С, в зависимости от региона расположения транспортной системы.
Применение систем теплоотвода вакуумного трубопровода в совокупности с использованием теплоизоляционных материалов позволит снизить вероятность существенного перегрева трубопровода и снизить возможность возникновения температурных деформаций.