Терморегулирующее нагревательное устройство на базе контурной тепловой трубы

Полезная модель относится к области теплотехники и может быть использована при создании регулируемых теплопередающих устройств для обогрева оборудования автоматических КА, в частности посадочных КА, работающих в условиях дефицита солнечной энергии, а также в автономных теплотехнических устройствах, функционирующих в суровых климатических условиях.
Известна система терморегулирования приборного отсека в советских автоматических самоходных аппаратах «Луноход-1» и «Луноход-2», где циркулирующий через герметичный приборный отсек газ при необходимости направлялся по соответствующим газоходам, либо в место установки радиоизотопного источника тепла (РИТ), когда требовался нагрев газа, либо в радиатор, когда требовалось охлаждение газа. [А.П. Виноградов Передвижения лаборатория на луне ЛУНОХОД-1, М.: «Наука», 1971, с. 30-33, 128 с.]. Таким образом, в заполненном газом герметичном приборном отсеке Лунохода можно было поддерживать заданный температурный режим при включенном и выключенном оборудовании, а также при низкой ночной и высокой дневной температуре, которая повышалась в результате воздействия на Луноход солнечного теплового излучения. Если обогрев оборудования был не нужен, циркуляция газа осуществлялась в обход РИТ, и тогда сам РИТ, который невозможно было «отключать» в процессе работы Лунохода, нагревался до температуры существенно выше (на десятки градусов) температуры обогреваемого объекта, что позволяло РИТ (в «холостом» режиме) сбрасывать практически все тепло в окружающую среду.
2
Благодаря существенной разнице температуры РИТ в холостом режиме и в режиме нагрева циркулирующего газа, возникает возможность использовать часть генерируемого тепла РИТ для обогрева приборного отсека. Например, РИТ, имеющий эффективную поверхность излучения 0,1 м (это м.б. открытая наружу часть корпуса РИТ) при температуре 250°С способен диссипировать в окружающую среду тепловую мощность около ~420 Вт. При отборе (с помощью циркулирующего газа) тепла от РИТ и снижении его температуры, например, до 50°С, рассматриваемая поверхность будет отводить лишь ~60 Вт, следовательно, разность двух названных мощностей может быть использована как полезная тепловая мощность для нагрева стороннего объекта, в данном случае приборного отсека, температура которого ниже 50°С.
Распределение потоков газа в СТР в режимах охлаждения и обогрева приборного отсека Луноходов осуществлялось при помощи заслонок, положение которых автоматически задавалось блоком управления (БУ) и, таким образом, поддерживалась заданная температура газа в приборном отсеке, а также установленного в нем оборудования.
Как правило, для КА, применяемых на поверхности Луны, обогрев оборудования от РИТ выполнялся лунной ночью, поскольку на борту КА в этот период продолжительное время не функционируют солнечные батареи. Следовательно, в Луноходах даже лунной ночью необходимо было обеспечивать циркуляцию газа, для чего требовалось обеспечить непрерывную работу вентилятора и БУ и, соответственно, иметь необходимый запас электроэнергии в бортовом аккумуляторе (примерно на две земных недели). Это являлось существенным недостатком данного технического решения, поскольку снижало надежность КА и сокращало время его активного существования.
Указанные недостатки частично устраняются в терморегулирующем нагревательном устройстве, разработанном для китайских посадочных лунных КА серии «Чанъэ», где также с помощью РИТ 1, Фиг. 1 осуществляется «ночной» обогрев приборных панелей 2 [Jianyin Miao, Qi Zhong, Qiwei Zhao, Xin Zhao Spacecraft Thermal Control Technologies, 2020, Springer, 372 p.].
В этом нагревательном устройстве используется тот же принцип применения РИТ, что и в Луноходах, т.е. рабочая температура РИТ поддерживается на двух предельных уровнях: низкотемпературном, когда РИТ обогревает приборные панели, и высокотемпературном, когда тепло на приборные панели не поступает и рассеивается непосредственно в окружающую среду. Однако, в качестве теплоносителя здесь применяется не газ, а двухфазный аммиак, циркулирующий в замкнутом испарительно-конденсационном контуре. Принципиальное отличие данной системы от системы терморегулирования «Лунохода» состоит в том, что для обеспечения циркуляции двухфазного теплоносителя в контуре системы обогрева приборных панелей не используется механический нагнетатель (т.е. ни насос, ни вентилятор). Циркуляция теплоносителя происходит за счет разности высот в местах установки испарителя 3 и конденсатора 4 на КА, т.е. в условиях лунной гравитации используется напор столба жидкости. Жидкость испаряется в зоне установки РИТ (здесь расположен испаритель), затем пар конденсируется в конденсаторе, установленном выше испарителя (на приборных панелях), далее, конденсат (т.е. жидкий аммиак) стекает в проточный резервуар 5, а из него - возвращается в испаритель. Таким образом, циркуляция и перенос тепла обеспечиваются «в пассивном режиме», без затрат электроэнергии бортового аккумулятора КА.
Для того, чтобы прекратить нагрев приборных панелей лунным днем, выходной патрубок из проточного резервуара перекрывают с помощью электромагнитного клапана 6, поэтому вся жидкость, имеющаяся в контуре, постепенно, собирается в проточном резервуаре, а испаритель полностью осушается. При «осушенном» испарителе РИТ может отдавать тепло только посредством его излучения в окружающую среду и поэтому он нагревается до температур 200-300°С. Лунной ночью клапан открывают и жидкость начинает стекать вниз «самотеком» в испаритель, поскольку резервуар расположен выше него. В итоге, контур возобновляет свою работу, циркуляция двухфазного аммиака восстанавливается, а температура РИТ опускается до нормальных значений, соизмеримых с допустимой температурой приборных панелей.
Достоинством технического решения, разработанного в проекте «Чанъэ», является энергонезависимость работы двухфазного контура в период лунной ночи и относительная простота решения. Однако для подачи команды на включение и выключение контура обогрева (с помощью электроклапана) в «Чанъэ» все равно требуется наличие оператора или автоматического блока управления, что снижает надежность устройства. Кроме того, на этапе перелета и при нахождении КА на орбитах небесных тел в условиях невесомости, приборные панели посадочного КА также нуждаются в обогреве, что требует наличия электронагревателей и, соответственно, приводит к увеличению потребной мощности бортовой системы электроснабжения и росту массы КА.
Таким образом, основными недостатками данного технического решения являются сохранение зависимости от бортового комплекса управления включения/выключения режима обогрева, а также необходимость наличия гравитации для обеспечения работы устройства.
Наиболее близким аналогом к заявленному терморегулирующему нагревательному устройству, выбранным в качестве прототипа, является терморегулирующее устройство, позволяющее обеспечить пассивное регулирование обогрева приборного отсека/панели с помощью автономного теплопередающего устройства, выполненного на базе РИТ и контурной тепловой трубы (КТТ) [РФ №2474780, F28D 15/02, 2013]. Устройство включает испаритель 7, содержащий капиллярно-пористую вставку (КПВ) 8 и контактирующий с постоянно работающим генератором тепла 9, два конденсатора 10, 11, контактирующих, соответственно, с термостатируемым оборудованием 12 и радиатором 13 и трехходовой клапан 14 с сильфоном 15, заполненным инертным газом. Испаритель с конденсаторами соединен с помощью паропровода 16 и конденсатопровода 17. В техническом решении по патенту РФ №2474780 не используется принцип поддержания двух существенно отличающихся температурных потенциалов РИТ (как в «Луноходах» и в КА «Чанъэ»). Температура РИТ всегда находится в пределах рабочих температур испарителя КТТ. При этом устройство одновременно (при заданном соотношении мощностей) может обогревать приборную панель и диссипировать тепло в окружающую среду, с возможностью передачи до 100% тепловой энергии, как приборной панели, так и окружающей среде. Распределение циркулирующих потоков двухфазного теплоносителя осуществляется трехходовым клапаном, который является полностью пассивным устройством и способен поддерживать заданную температуру приборной панели. Основным недостатком данного нагревательного устройства являются его относительно большие массогабаритные характеристики, т.к. для обеспечения диссипации тепла РИТ в окружающую среду при низкой температуре нужен специальный РТО, который имеет существенные габариты, требует наличия «подходящего места» в составе КА и обладает массой.
Технической проблемой, решаемой с помощью предлагаемой полезной модели, является снижение массы и габаритов терморегулирующего нагревательного устройства на базе КТТ и РИТ, обеспечивающего регулируемый обогрев оборудования без затрат электроэнергии на управление и функционирование нагревательного устройства.
Указанные задачи обеспечиваются тем, что в известном терморегулирующем нагревательном устройстве на базе контурной тепловой трубы, содержащем испаритель с капиллярно-пористой вставкой (КПВ), контактирующий с генератором тепла, конденсатор, контактирующий с термостатируемым оборудованием, паропровод, конденсатопровод и клапан с сильфоном, заполненным инертным газом, новым является то, что клапан выполнен двухходовым и установлен в конденсатопроводе на выходе из конденсатора с возможностью регулирования и прекращения циркуляции теплоносителя, при этом внутренний объем конденсатора превышает объем циркулирующего теплоносителя, исключая самопроизвольное поступление теплоносителя (самотеком) из конденсатора в испаритель, при перекрытом конденсатопроводе, а все элементы испарителя, включая КПВ, выполнены из одного материала.
Кроме того, корпус испарителя и капиллярно-пористая вставка выполнены из никеля.
Кроме того, в качестве теплоносителя используется двухфазный аммиак.
Кроме того, внутренняя полость конденсатора со стороны выхода имеет углубление, емкость которого превышает объем циркулирующего теплоносителя.
Кроме того, клапан нагревательного устройства, при установке устройства на борту посадочного КА, дополнительно снабжен стопорным механизмом, обеспечивающим фиксацию клапана в открытом положении до посадки КА на поверхность небесного тела.
Введение в состав устройства двухходового клапана позволяет обеспечить регулирование циркулирующего теплоносителя и полное перекрытие циркуляции в зависимости от давления паров двухфазного теплоносителя в конденсаторе без подачи управляющих команд.
Установка клапана на выходе из конденсатора позволяет при закрытии клапана прекратить циркуляцию теплоносителя в контуре лунной ночью и собрать весь жидкий теплоноситель в конденсаторе.
Превышение внутреннего объема конденсатора объема циркулирующего теплоносителя позволяет исключить самопроизвольное стекание теплоносителя из конденсатора в испаритель через паропровод при перекрытом конденсатопроводе.
Применение одинакового материала, для составных частей испарителя позволяет избежать повреждений и разгерметизации КТТ возможных в результате термодеформации испарителя.
Выполнение корпуса испарителя и капиллярно-пористой вставки из никеля позволяет получить оптимальное сочетание теплофизических и прочностных характеристик составных частей испарителя.
Использование аммиака в качестве двухфазного теплоносителя обеспечивает возможность продолжительного функционирования нагревательного устройства в условиях многократных периодических осушений испарителя с повышениями его температуры выше допустимой температуры жидкого теплоносителя.
Наличие во внутренней полости конденсатора со стороны выхода, углубления, емкость которого превышает объем циркулирующего теплоносителя, позволяет не вводить в конструкцию конденсатора резервуар в виде отдельного элемента для сбора жидкости. При этом, если только часть конденсатора выполняет функции резервуара, упрощается трассировка конденсатора на приборной панели с установленным термостатируемым оборудованием.
Дополнительное снабжение клапана нагревательного устройства, при установке устройства на борту посадочного КА, стопорным механизмом, обеспечивающим фиксацию клапана в открытом положении до посадки КА на поверхность небесного тела, позволяет обеспечить постоянную работоспособность КТТ в невесомости.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 - принципиальная схема двухфазного контура обогрева приборных панелей КА «Чанъэ» в активном режиме (лунной ночью);
Фиг. 2 - принципиальная схема двухфазного контура обогрева приборных панелей КА «Чанъэ» в пассивном режиме (лунным днем);
Фиг. 3 - принципиальная схема прототипа нагревательного устройства (патент РФ 2474780);
Фиг. 4 - терморегулирующее нагревательное устройство в режиме циркуляции теплоносителя и нагрева оборудования;
Фиг.5 - терморегулирующее нагревательное устройство в режиме отсутствия циркуляции теплоносителя и останова нагрева оборудования;
Фиг. 6 - клапан терморегулирующего нагревательного устройства со стопорным механизмом.
Нагревательное устройство на базе контурной тепловой трубы и РИТ содержит испаритель 18, имеющий тепловой контакт с постоянно работающим генератором тепла (т.е. РИТ) 19. Испаритель 18 оснащен капиллярно-пористой вставкой 20, которая в КТТ выполняет функции капиллярного насоса, гидрозатвора, теплового затвора и парогенератора. Выход испарителя посредством паропровода 21 подсоединен ко входу конденсатора 22, предназначенного для нагрева оборудования КА. Выход конденсатора 23 через двухходовой клапан 24 с сильфоном 25 соединен со входом в испаритель с помощью конденсатопровода 26. Двухходовой клапан 24 либо направляет теплоноситель в испаритель, либо останавливает циркуляцию, а также может обеспечить переходные, промежуточные состояния. При этом, сильфон 25 является исполнительным механизмом, обеспечивающим соответствующее положение штока клапана 27. Внутренняя полость сильфона 25 заправлена инертным газом и не имеет непосредственного контакта с теплоносителем КТТ. Давление газа в сильфоне определяет температуру регулирования, поскольку уравновешивает давление насыщенных паров в конденсаторе. В условиях невесомости (на этапе доставки КА к небесному телу) КТТ может работать как обычная нерегулируемая КТТ. Для этого, либо температуру настройки клапана выбирают выше температуры оборудования на этапе доставки, либо устанавливают стопорный механизм 28, который обеспечивает открытое положение клапана.
Предлагаемое теплопередающее устройство работает следующим образом. В активном режиме тепло РИТ от испарителя 18 передается к конденсатору 22 за счет конденсации в нем пара, поступающего из испарителя. Конденсат беспрепятственно возвращается в испаритель, через конденсатопровод 26, поскольку клапан 24, установленный в конденсатопроводе, открыт. Открытое положение клапана обеспечивается его температурой настройки, которая (в активном режиме) выше, чем температура оборудования. Таким образом, происходит циркуляция теплоносителя и осуществляется обогрев (неработающего) оборудования. В активном режиме устройство работает ночью, когда в зоне нахождения КА длительное время нет солнечного света и возникает дефицит бортовой электроэнергии.
Днем, при наличии солнечного света, оборудование приступит к работе и температура панели с установленным оборудованием превысит заданное значение соответствующее температуре настройки клапана, тогда устройство перейдет в пассивный режим. Соответственно, вырастет и давление насыщения в конденсаторе КТТ, сильфон 25 изменит положение штока 27 и закроет выход 23 из конденсатора 22. Жидкость начнет собираться в конденсаторе и через некоторое время циркуляция остановится, т.к. испаритель осушится, а обогрев оборудования прекратится. РИТ 19 нагреется до максимальной температуры, при которой все его тепло будет рассеиваться в окружающую среду.
При снижении температуры внешней среды или при снижении тепловыделения от оборудования его температура начнет падать, давление насыщения в конденсаторе снизится, сильфон «разожмется», переместит шток и, в результате, выход из конденсатора откроется. За счет стекания жидкости (из конденсатора в испаритель) циркуляция теплоносителя возобновится, испаритель получит подпитку жидким теплоносителем и начнется обогрев оборудования. Таким образом, достигается регулируемый (циклический) обогрев, причем управление работой клапана осуществляется по фактической температуре конденсатора, которая наиболее близка к температуре самого оборудования.
В условиях невесомости, на этапе доставки к небесному телу, КТТ работает как обычная нерегулируемая КТТ, если это необходимо. Этот режим может быть обеспечен стопорным механизмом 28.
Представленное техническое решение позволяет создать теплопередающее устройство, обеспечивающее регулируемый подогрев оборудования в зависимости от его фактической температуры в условиях изменения окружающей температуры или изменения тепловыделения от оборудования. При этом регулирование осуществляется пассивными средствами, а КТТ способна работать и в условиях гравитации и, если необходимо, как обычная нерегулируемая КТТ в условиях невесомости.