УСТРОЙСТВО БАЛЛАСТНОЕ (ВАРИАНТЫ)
BALLAST DEVICE (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области конструирования нагрузочных резисторов и систем, их объединяющих, для использования в силовых цепях энергоустановок. Широкое применение нагрузочные резисторы получили в качестве балластных устройств при электрическом торможении подвижного состава электрофицированных железных дорог. В автономных энергоустановках электрическая мощность обычно равна или несколько превышает суммарную мощность потребителей. Во многих типах автономных энергоустановок (солнечные батареи, установки на термодинамических циклах Брайтона, Стерлинга с нагревателем - ядерным реактором, термоэмиссионные ядерные установки и прочее) изменение мощности происходит с большой постоянной времени, значительно превышающей длительность процессов электрической коммутации потребителей. В таких установках необходимо иметь системы нагрузочных резисторов, заменяющих собой отключаемые потребители и поглощающих избыточную электрическую мощность. В аварийных случаях, например, для предотвращения теплового разрушения ядерного реактора, должна быть предусмотрена утилизация всей электрической мощности автономной энергоустановки на длительный период времени.
Известны нагрузочные резисторы из литого чугуна в форме «змейки» с проушинами для крепления на изолированных шпильках и монтажа электрической схемы [А.И. Смирнов, А.Н. Стукалкин. Сопротивления в электрических цепях электровозов. М.: Транспорт, 1965, с. 7-10, рис. 1, 2, 3, с. 30-31, рис. 22, 23]. Из-за тяжеловесности, громоздкости и хрупкости элементов они были вытеснены ленточными резисторами из нихрома и фехраля. Лента применялась в виде «гармошки» [авторское свидетельство SU 519770, МПК H01C 3/10, Н01С 1/08, B60L 7/02, опубл. 30.06.1976] или в виде спирали «на ребро» [авторское свидетельство SU 1647665, МПК Н01С 3/00, опубл. 07.05.1991] и размещалась на изоляторах, установленных в крепежной раме. Эти технические решения при усложнении исполнения обладали значительной суммарной массой и объемом, а у спиралей дополнительно появляется заметная индуктивность.
Известно техническое решение [патент РФ №2195034, МПК Н01С 3/00, B60L 7/00, опубл. 20.12.2002], в котором в качестве нагрузочных резисторов применены трубчатые электронагреватели (ТЭНы). Устройство скомпоновано в виде модулей нагрузочных резисторов, содержащих кроме ТЭНов крепежные блоки, теплоотводящие радиаторы, собранные из теплорассеивающих панелей с фигурным профилем в поперечном сечении, установочные изоляторы. Тепло, образуемое в токопроводящих элементах ТЭНов, последовательно проходит через изолирующую массу внутри ТЭНа, далее через металлическую стенку оболочки ТЭНа, через термосопротивление контактного перехода к материалу теплоотводящего радиатора, далее по материалу теплорассеивающих панелей до их внешних поверхностей, с которых снимается набегающим потоком воздуха. При этом разность температур по отношению к окружающей среде последовательно от названных элементов уменьшается, что значительно снижает эффективность теплосброса на последнем элементе.
Известно устройство - мощная импульсная линейная эквивалентная нагрузка [CN 101944414 А, опубл. 12.01.2001, МПК Н01С 3/10]. Оно выбранно в качестве прототипа предлагаемой группы изобретений. Устройство содержит резистор, патрубки на его концах, изолирующую крепежную раму. Резистор имеет зигзагообразную форму и размещается внутри изолирующей рамы с набором дистанционирующих изоляторов на прямых участках. Концы резистора подсоединены к патрубкам, которые выступают за габариты изолирующей рамы для подключения к электрической сети энергоустановки. Образуется узкая, линейная конструкция на базе рамы. Это устройство не отвечает требованиям по эффективности и надежности работы. Сброс выделяющегося на резисторе тепла происходит с его поверхности, а доля его излучающей во вне поверхности мала по сравнению с занимаемой боковой площадью изолирующей рамы. При нарушении целостности зигзагообразной трубки резистор выходит из строя, так же как и все устройство.
Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений, является значительное увеличение эффективности энергосброса и надежности функционирования балластного устройства при одновременном уменьшении занимаемых удельных площадей, объемов и массы.
Указанный технический результат по первому варианту балластного устройства достигается следующим образом. Оно содержит нагрузочные резисторы, изоляторы, крепежную раму, выводные шины. При этом нагрузочные резисторы образованы дистанционно друг от друга послойно расположенными токопроводящими пластинами, каждая пластина имеет вырезы с образованием зигзагообразной ленты с параллельными продольными, поворотными и концевыми участками. Пластины в поперечном направлении сдвинуты относительно друг друга так, чтобы выполнялось соотношение:
где n - количество пластин в нагрузочном резисторе,
i - порядковый номер пластины в нагрузочном резисторе,
а - ширина параллельного продольного участка ленты в пластинах,
b - ширина зазора между параллельными продольными участками ленты в пластинах,
i
c - ширина зазора между проекциями параллельных продольных участков лент i-той пластины и (i+1)-вой пластины нагрузочного резистора на плоскость, параллельную плоскостям пластин нагрузочных резисторов в балластном устройстве.
При этом с внешней стороны крайних параллельных продольных участков ленты каждой пластины расположены проушины подвода и отвода электротока, а концевые и поворотные участки лент пластин нагрузочного резистора размещены в краевых изоляторах; нагрузочные резисторы объединены в группы соединением изоляторов с образованием не менее двух несущих ферм. Фермы групп нагрузочных резисторов установлены на крепежной раме, по которой проложены коммутационные шины.
Сконструированное таким образом устройство позволяет совместить в одном элементе - нагрузочном резисторе - шесть функций:
1) функция выделения энергии в виде тепла при прохождении электрического тока;
2) функция теплосброса путем конвективного теплообмена и излучения;
3) функция несущего элемента, поскольку пластины и краевые изоляторы образуют пространственно-объемную конструкцию;
4) функция уменьшения массы, поскольку проушины подвода и отвода электротока не требуют соединительных шин, а накладываются друг на друга у соседних нагрузочных резисторов;
5) функция повышения надежности - при совмещении функций 1, 2, 3, 4 значительно повышается надежность функционирования в условиях внешних механических воздействий для заявленного балластного устройства;
6) функция повышения эффективности:
i
- приближением теплосбрасывающей суммарной боковой поверхности всех продольных участков пластин нагрузочного резистора к равенству с занимаемой общей геометрической боковой поверхностью зоны продольных участков нагрузочного резистора (а при c=0, как видно на фиг. 1, площади этих поверхностей равны друг другу),
- образованием наиболее эффективного поверхностного теплосброса с обеих сторон для всех пластин,
- образованием зазоров для конвективного теплосброса и излучения (без затенения друг друга, так как максимум излучения лежит по направлению вертикали от излучающей поверхности, а угловое распределение  соответствует косинусоиде),
- отсутствием посредников в передаче тепла - пластины греются электротоком и сами сбрасывают тепло со своей поверхности.
Нагрузочные резисторы объединяются в группы соединением краевых изоляторов в фермы, которые устанавливают на крепежной раме, по которой прокладываются коммутационные шины к свободным внешним проушинам крайних пластин. Электрическое соединение проушин резистивных элементов нагрузочных резисторов производится в соответствии с задаваемой электрической схемой соединений балластного устройства.
Проведенное обсуждение отличительных особенностей предлагаемого технического решения по первому варианту показывает достижение заявленного технического результата - повышение эффективности энергосброса и надежности функционирования балластного устройства при одновременном уменьшении занимаемых удельных площадей, объемов и массы.
Дополнительно устройство может иметь следующие конструктивные решения, позволяющие повысить эффективность энергосброса и надежность его функционирования.
Все проушины отвода электротока пластин одного нагрузочного резистора могут быть соединены со всеми проушинами подвода электротока пластин соседнего нагрузочного резистора с образованием последовательно-параллельного электрического соединения, когда перегорание ленты в одной пластине не приводит к выходу из строя нагрузочного резистора и в целом всего устройства (при n=2 происходит дублирование элементов, при n=3 - троирование), что резко и значительно повышает надежность функционирования.
Каждая пластина в поперечном сечении нагрузочного резистора расположена со сдвигом в одну сторону на половину своей толщины от ее положения, соответствующего продольной осевой симметрии 2-го порядка, с образованием при этом двух различающихся положений нагрузочного резистора «аверс» и «реверс», с возможностью бездеформационного соединения проушин при объединении нагрузочных резисторов друг с другом в группы с чередованием их положения «аверс» и «реверс». Продольная осевая симметрия 2-го порядка предполагает, что при повороте вокруг продольной оси на 180° поперечное сечение нагрузочного резистора совмещается само с собой (БСЭ, т. 23, с. 396). Однако при сдвиге пластин в одну сторону на половину своей толщины от симметричного расположения у нагрузочных резисторов появляется два разных положения; сдвиг вверх - положение «аверс», после поворота на 180° сдвиг вниз - положение «реверс». При объединении нагрузочных резисторов в группы проушины соседних резисторов без деформаций соприкасаются друг с другом при условии, что нагрузочные резисторы объединяют в группы с чередованием их отличия: положение «аверс» и положение «реверс». Для пластин из жестких хромистых сплавов или из углерод-углеродных композиционных материалов данное отличие устраняет необходимость деформации проушин при сборке или устраняет существование упругих напряжений при последующем использовании, что повышает надежность устройства в целом.
Сечение ленты на поворотном участке превышает в два и более раз сечение ленты на параллельном продольном участке. При этом тепловыделение в материале пластин соответственно уменьшается в два и более раз, что благоприятно влияет на размещение этих участков в краевых изоляторах при более низкой температуре, нежели у параллельных продольных участков, что также повышает надежность устройства в целом.
С обеих сторон крепежной рамы присоединены поперечно направленные к общей приведенной плоскости рамы и нагрузочных резисторов тепловые экраны, к внешним краям которых прикреплены электропроводящие сетки, которые снабжены шиной для электрического соединения с корпусом энергоустановки. Тепловые экраны перехватывают доли излучения с плоской поверхности пластин, идущие под большими углами от вертикали, но которые при этом могли бы попадать на энергоустановку. Кроме того, экраны несут на себе электропроводящие сетки, имеющие «зануление» с корпусом энергоустановки, чем решается задача электробезопасности при эксплуатации, и также повышается надежность устройства, так как исключается случайное замыкание пластин от внешних проникновений.
Предлагаемое устройство может быть снабжено средствами обеспечения принудительной конвекции для интенсификации процессов теплосброса в газовой среде.
При применении устройства на космическом аппарате крепежная рама устройства снабжена узлом крепления к космическому аппарату с возможностью расположения общей приведенной плоскости рамы и нагрузочных резисторов в меридиональной плоскости на внешней стороне космического аппарата, так как при двустороннем излучении с обеих сторон пластин данное положение обеспечивает минимальную подсветку энергоустановки и космического аппарата.
Пластины, выполненные из высокотемпературного углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), в вакууме позволяют повысить эффективную температуру излучения до пределов своей допустимой температуростойкости, достигающей 3000°С. Это в свою очередь позволяет резко уменьшить требуемую площадь излучения для балластного устройства, так как по закону Стефана-Больцмана поток излучения с поверхности нагретого тела пропорционален значению температуры в четвертой степени. Применение УУКМ совместно с вышеперечисленными отличительными особенностями позволяет реализовать недостижимые ранее удельные показатели балластного устройства: площади, объемы и массы, приходящиеся на 1 кВт рассеиваемой мощности, особенно при больших мощностях балластного устройства. При этом, соответственно, изоляторы выполняют с применением высокотемпературных электроизоляционных керамических волокон, тепловые экраны - с применением высокотемпературных теплоизоляционных керамических волокон. Тепловые экраны выполняют многослойными.
Таким образом, совокупность указанных выше отличительных признаков обеспечивает получение заявленного технического результата - значительное увеличение эффективности энергосброса и надежности функционирования балластного устройства при одновременном уменьшении занимаемых удельных площадей, объемов и массы.
Заявленный технический результат достигается по второму варианту балластного устройства, содержащего нагрузочные резисторы, изоляторы, крепежную раму, выводные шины, в котором нагрузочные резисторы образованы дистанционно друг от друга послойно расположенными резистивными элементами. Резистивные элементы в поперечном направлении сдвинуты относительно друг друга так, чтобы выполнялось соотношение:
где n - количество резистивных элементов в нагрузочном резисторе,
i - порядковый номер резистивного элемента в нагрузочном резисторе,
d - ширина резистивного элемента в нагрузочном резисторе,
е - ширина зазора между резистивными элементами одного слоя
соседних нагрузочных резисторов,
- ширина зазора между проекциями i-того резистивного элемента и (i+1)-вого резистивного элемента на плоскость, параллельную плоскостям расположения нагрузочных резисторов в балластном устройстве.
На концах резистивных элементов расположены проушины подвода и отвода электротока. Резистивные элементы размещены в краевых изоляторах. Нагрузочные резисторы объединены в группы соединением изоляторов с образованием не менее двух несущих ферм. Фермы групп нагрузочных резисторов установлены на крепежной раме, по которой проложены коммутационные шины. Техническое решение по второму варианту балластного устройства ориентировано на энергоустановки с относительно малыми значениями электрического выходного напряжения, но с большими токами. Поэтому резистивные элементы имеют большое сечение и малую длину. Электрическое соединение проушин резистивных элементов нагрузочных резисторов производится в соответствии с задаваемой электрической схемой соединений балластного устройства.
Дополнительно устройство может иметь следующие конструктивные решения, позволяющие повысить эффективность энергосброса и надежность его функционирования.
Все проушины отвода электротока резистивных элементов одного нагрузочного резистора могут быть соединены со всеми проушинами подвода электротока резистивных элементов соседнего нагрузочного резистора, с образованием последовательно-параллельного электрического соединения, что приводит при n=2 к дублированию элементов, при n=3 к троированию, с резким повышением надежности функционирования устройства в целом.
Резистивные элементы в поперечном сечении нагрузочного резистора в области проушин расположены в соответствии с продольной осевой симметрией 2-го порядка и с расстоянием между проушинами соседних слоев резистивных элементов, равным толщине проушины резистивного элемента, для бездеформационного соединения проушин при объединении резистивных элементов и нагрузочных резисторов.
Сечение резистивного элемента в области проушин и краевых изоляторов превышает в два раза сечение резистивного элемента на продольном участке.
С обеих сторон крепежной рамы присоединены поперечно направленные к общей приведенной плоскости рамы и нагрузочных резисторов тепловые экраны, к внешним краям которых прикреплены электропроводящие сетки, которые снабжены шиной для электрического соединения с корпусом энергоустановки.
Устройство может быть снабжено средствами обеспечения принудительной конвекции.
Крепежная рама снабжена узлом крепления к космическому аппарату с возможностью расположения общей приведенной плоскости рамы и нагрузочных резисторов в меридиональной плоскости на внешней стороне космического аппарата.
Резистивные элементы выполнены из высокотемпературного углерод-углеродного композиционного материала.
На фигурах с 1 по 11 приведены схемы и рисунки по предлагаемым вариантам балластного устройства.
На фигуре 1 приведена схема фрагмента поперечного сечения нагрузочного резистора, образованного из трех пластин, по первому варианту балластного устройства.
На фигуре 2 представлен общий вид пластины нагрузочного резистора по первому варианту балластного устройства.
На фигуре 3 изображен общий вид нагрузочного резистора, образованного из двух пластин, по первому варианту балластного устройства.
На фигуре 4 показан общий вид группы из десяти нагрузочных резисторов, содержащих по две пластины, по первому варианту устройства.
На фигуре 5 представлена электрическая схема соединений группы нагрузочных резисторов, содержащих по две пластины, по первому варианту устройства.
На фигуре 6 приведен общий вид балластного устройства, содержащего семь групп нагрузочных резисторов по первому варианту устройства.
На фигуре 7 показана схема бездеформационного соединения проушин пластин при объединении нагрузочных резисторов в группы с чередованием их положения «аверс» и «реверс» по первому варианту балластного устройства.
На фигуре 8 изображена схема поперечного сечения нагрузочного резистора, содержащего три резистивных элемента, по второму варианту балластного устройства.
На фигуре 9 представлен эскиз нагрузочного резистора, образованного из двух резистивных элементов, по второму варианту балластного устройства.
На фигуре 10 показана группа из пяти нагрузочных резисторов, образованных из двух резистивных элементов каждый, с общими краевыми изоляторами, по второму варианту балластного устройства.
На фигуре 11 приведен общий вид балластного устройства, содержащего две группы по пять нагрузочных резисторов, образованных из двух резистивных элементов каждый, по второму варианту балластного устройства.
По первому варианту балластного устройства на Фиг. 1 представлен фрагмент схемы поперечного сечения нагрузочного резистора, на котором показано его образование из дистанционно друг от друга послойно расположенных токопроводящих пластин, например, трех пластин: №1, №2, №3. Общий вид одной пластины приведен на Фиг. 2. Каждая пластина имеет вырезы с образованием зигзагообразной ленты с параллельными продольными участками 1, например, двадцатью; с концевыми участками 2 и поворотными участками 3. Пластина снабжена проушинами 4 подвода и отвода электротока, которые расположены с внешней стороны крайних параллельных продольных участков 1 ленты. Пластины в поперечном отношении сдвинуты относительно друг друга (Фиг. 1) так, чтобы выполнялось соотношение:
где n - количество пластин в нагрузочном резисторе,
i - порядковый номер пластины в нагрузочном резисторе,
а - ширина параллельного продольного участка ленты в пластинах,
b - ширина зазора между параллельными продольными участками ленты в пластинах,
i
c - ширина зазора между проекциями параллельных продольных участков лент i-той пластины и (i+1)-вой пластины нагрузочного резистора на плоскость, параллельную плоскостям пластин нагрузочных резисторов в балластном устройстве.
1
2
Общий вид нагрузочного резистора при n=2 и c=с=0 показан на Фиг. 3; при этом сдвиг пластин в поперечном направлении равен а=b (Фиг. 1). Краевые изоляторы 5 при размещении в них концевых 2 и поворотных 3 участков лент пластин фиксируют расстояния между пластинами 7.1 и 7.2 и сдвиги в поперечном направлении между пластинами 7.1 и 7.2 относительно друг друга. Возможно применение промежуточных изоляторов 6. Следует отметить, что нагрузочные резисторы могут быть образованы и из одной пластины (n=1).
Нагрузочные резисторы 8.1÷8.10 (Фиг. 4) объединены в группы соединением краевых изоляторов 5 объединяемых в группу нагрузочных резисторов 8.1÷8.10 с образованием не менее двух несущих ферм 9; при наличии промежуточных изоляторов 6 образуются три и более ферм 9, 10. На Фиг. 4 показана группа, состоящая из десяти нагрузочных резисторов и содержащая 20 пластин. Если все проушины 4 отвода электротока пластин одного нагрузочного резистора 8.1 соединены со всеми проушинами 4 подвода электротока пластин соседнего нагрузочного резистора 8.2 и т.д., то их электрическая схема соединений представлена на Фиг. 5. Видно, что в целом образовано последовательно-параллельное включение пластин нагрузочных резисторов, обладающее дублированием электрических элементов R1/R2÷R19/R20 для повышения надежности функционирования балластного устройства.
Фермы 9, 10 каждой группы нагрузочных резисторов установлены на крепежной раме 12 (Фиг. 6), по которой проложены коммутационные шины. На Фиг. 6 показан общий вид балластного устройства, содержащего 7 групп 11.1÷11.7, каждая из которых состоит из 10 нагрузочных резисторов 8.1÷8.10, которые образованы каждый из двух пластин 7.1 и 7.2 (Фиг. 3).
Пластины в поперечном сечении нагрузочного резистора расположены со сдвигом в одну сторону на половину своей толщины от ее положения, соответствующего продольной осевой симметрии 2-го порядка. На Фиг. 7 на примере нагрузочного резистора с одной пластиной, имеющей четыре параллельных продольных участка, показано в поперечном сечении образование положений «аверс»/«реверс» и бездеформационное соединение проушин пластин соседних нагрузочных резисторов:
а) положение продольной симметрии 2-го порядка;
б) положение после поворота положения а) на 180° вокруг продольной оси О - заштрихованные сечения четырех параллельных продольных участков совмещаются сами с собой;
в) положение с односторонним сдвигом вверх на половину толщины пластины от ее положения а) - образовано положение «аверс» нагрузочного резистора;
г) положение после поворота положения в) на 180° вокруг продольной оси О - образовано положение «реверс» нагрузочного резистора;
д) бездеформационное соединение двух проушин пластин соседних нагрузочных резисторов с чередованием положения «аверс» и «реверс».
Сечение ленты на поворотном участке 3 (Фиг. 2) в два и более раз превышает сечение ленты на параллельном продольном участке 1.
С обеих сторон крепежной рамы 12 (Фиг. 6) присоединены поперечно направленные к общей приведенной плоскости рамы и нагрузочных резисторов тепловые экраны 13, к внешним краям которых прикреплены электропроводящие сетки 14, снабженные шиной 15 для электрического соединения с корпусом энергоустановки.
Устройство может быть снабжено средствами обеспечения принудительной конвекции. Это могут быть осевые вентиляторы, центробежные воздуходувки, устанавливаемые с возможностью сквозной продувки нагрузочных резисторов.
Крепежная рама 12 снабжена узлом 16 крепления к космическому аппарату с возможностью расположения общей приведенной плоскости рамы и нагрузочных резисторов в меридиональной плоскости на внешней стороне космического аппарата, а все пластины 7.1 и 7.2 (Фиг. 3) выполнены из высокотемпературного углерод-углеродного композиционного материала.
По второму варианту нагрузочные резисторы образованы дистанционно друг от друга послойно расположенными резистивными элементами. Схема поперечного сечения нагрузочного резистора, содержащего три резистивных элемента, приведена на Фиг. 8. Резистивные элементы в поперечном направлении сдвинуты относительно друг друга так, чтобы выполнялось соотношение:
где n - количество резистивных элементов в нагрузочном резисторе,
i - порядковый номер резистивного элемента в нагрузочном резисторе,
d - ширина резистивного элемента в нагрузочном резисторе,
е - ширина зазора между резистивными элементами одного слоя соседних нагрузочных резисторов,
- ширина зазора между проекциями i-того резистивного элемента и (i+1)-вого резистивного элемента на плоскость, параллельную плоскостям расположения нагрузочных резисторов в балластном устройстве.
Эскиз нагрузочного резистора, образованного из двух резистивных элементов, приведен на Фиг. 9. Резистивные элементы 17.1, 17.2 имеют большое поперечное сечение на продольном участке для пропускания больших токов энергоустановки, работающей при низких выходных напряжениях. Краевые изоляторы 18 фиксируют расстояния и сдвиги между резистивными элементами. Проушины 19 подвода и отвода электротока расположены по концам резистивных элементов и имеют за счет дополнительных накладок удвоенное сечение. Нагрузочные резисторы могут объединяться в группу соединением изоляторов 18. На Фиг. 10 показана группа из пяти нагрузочных резисторов 20.1÷20.5, образованных из двух резистивных элементов каждый, с общими краевыми изоляторами 18. При наличии большего числа нагрузочных резисторов краевые изоляторы 18 объединяемых в группу нагрузочных резисторов образуют не менее двух несущих ферм 21 (Фиг. 11). Фермы 21 групп нагрузочных резисторов установлены на крепежной раме 22, по которой проложены коммутационные шины.
Все проушины 19.1 отвода электротока резистивных элементов одного нагрузочного резистора 20.1 соединены со всеми проушинами 19.2 подвода электротока резистивных элементов другого соседнего нагрузочного резистора 20.2 и т.д., при этом образуется электрическое последовательно-параллельное соединение резистивных элементов, обладающее дублированием для повышения надежности функционирования.
Резистивные элементы 17.1, 17.2 в поперечном сечении нагрузочного резистора в области проушин (Фиг. 10) расположены в соответствии с продольной осевой симметрией 2-го порядка и с расстоянием между проушинами 19 соседних слоев резистивных элементов, равным толщине проушины резистивного элемента, для бездеформационного соединения проушин 19.1 отвода электротока резистивных элементов 17.1 одного нагрузочного резистора 20.1 между собой и со всеми проушинами 19.2 подвода электротока резистивных элементов 17.2 соседнего нагрузочного резистора 20.2 с помощью соединительного элемента 23, имеющего сечение, равное сечению проушины 19.
С обеих сторон крепежной рамы 22 (Фиг. 11) присоединены поперечно направленные к общей приведенной плоскости рамы и нагрузочных резисторов тепловые экраны 24, к внешним краям которых прикреплены электропроводящие сетки 25, для электрического соединения с корпусом энергоустановки посредством шины 26.
Балластное устройство может быть снабжено средствами обеспечения принудительной конвекции для интенсификации теплосброса в атмосфере или газовой среде.
Крепежная рама 22 снабжена узлом 27 крепления к космическому аппарату с возможностью расположения общей приведенной плоскости рамы и нагрузочных резисторов в меридиональной плоскости на внешней стороне космического аппарата, а резистивные элементы 17.1, 17.2 выполнены из высокотемпературного углерод-углеродного композиционного материала.
Балластное устройство по предложенным двум вариантам работает следующим образом. При подаче электрического напряжения и мощности от системы автоматического регулирования и управления электроток разогревает нагрузочные резисторы, которые сбрасывают выделяющееся тепло либо конвекцией и излучением в атмосфере или газовой среде, либо только излучением - в вакууме или космическом пространстве. Нагрузочные резисторы выполняют из жестких хромистых сплавов или углерод-углеродных композиционных материалов, которые сохраняют несущую способность при высоких рабочих температурах, что позволяет при проектировании балластных устройств минимизировать их массу.
Отличительные особенности всех предлагаемых вариантов, такие как: образование пространственно-объемной конструкции из пластин 7.1, 7.2 или резистивных элементов 17.1, 17.2, и из краевых изоляторов и ферм из них, соответственно 5, 9 или 18, 21; отсутствие соединительных электрических шин при сборке нагрузочных резисторов 8.1÷8.10 в группы; образование несущих ферм 9 или 21 при объединении в группы нагрузочных резисторов из краевых изоляторов 5 или 18,  обеспечивают термомеханическую прочность балластного устройства в целом, что повышает, в итоге, надежность его функционирования.
Соединение всех проушин 4 отвода электротока пластин 7.1 и 7.2 одного нагрузочного резистора 8.1 со всеми проушинами 4 подвода электротока пластин другого соседнего нагрузочного резистора 8.2 и т.д. (первый вариант устройства) или соединение всех проушин 19.1 отвода электротока резистивных элементов одного нагрузочного резистора 20.1 со всеми проушинами 19.2 подвода электротока резистивных элементов другого соседнего нагрузочного резистора 20.2 и т.д. (второй вариант устройства) создает последовательно-параллельное электрическое соединение, что дополнительно повышает надежность функционирования из-за дублирования электрической цепи в нагрузочных резисторах.
Отличительные особенности двух вариантов группы изобретений, касающиеся взаимного расположения пластин 7.1, 7.2 (Фиг. 3) или резистивных элементов 17.1, 17.2 (Фиг. 9) обеспечивают при объединении нагрузочных резисторов в группы бездеформационное соединение проушин 4 (Фиг. 7 - для первого варианта) или соответственно проушин 19.1, 19.2 (Фиг. 10 - для второго варианта). Отсутствие предварительной гибки проушин для монтажа или отсутствие остаточных напряжений в проушинах пластин после сборки также увеличивает надежность последующего функционирования для обоих вариантов балластного устройства.
i
Эффективность функционирования балластного устройства обеспечивается в первую очередь тем, что параллельные продольные участки 1 разных пластин 7.1, 7.2 (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 1) или резистивные элементы 17.1, 17.2 (Фиг. 9, Фиг. 10, Фиг. 8) сдвинуты друг относительно друга в поперечном отношении так, что не препятствуют максимальному тепловому излучению с поверхности друг друга. При этом теплосбрасывающая суммарная боковая поверхность всех параллельных продольных участков 1 разных пластин 7.1, 7.2 (Фиг. 3) или всех резистивных элементов 17.1, 17.2 (Фиг. 10) приближается к занимаемой общей геометрической боковой поверхности зоны параллельных продольных участков или зоны всех резистивных элементов. При c=0 или =0, как видно из Фиг. 1 и Фиг. 8, площади этих поверхностей равны друг другу.
Кроме того, эффективность функционирования обеспечивается:
- образованием поверхностного наиболее эффективного теплосброса с двух сторон для всех пластин или резистивных элементов (Фиг. 3 и Фиг. 10);
- образованием зазоров для конвективного теплосброса и излучения (без затенения друг друга);
- отсутствием посредников в передаче тепла - пластины 7.1, 7.2 (Фиг. 3) и резистивные элементы 17.1, 17.2 (Фиг. 10) греются электротоком и сами сбрасывают тепло со своей поверхности.
Приведем примеры реализации балластного устройства.
2
2
Пример 1. Устройство балластное по первому варианту изобретения изготовлено с применением УУКМ. Каждая пластина (Фиг. 2) имеет толщину 1,5 мм, при этом ширина параллельных продольных участков 1 и зазоров между ними равна 2 мм. Размеры пластины: 78×360 мм, в области проушин 4 ширина пластины 100 мм. Нагрузочный резистор состоит из двух пластин 7.1 и 7.2 (Фиг. 3) и имеет размеры 78(100)×380 мм. Расстояние между двумя пластинами 7.1 и 7.2 выполнено минимальным 5 мм, так как электрические потенциалы точек при параллельном соединении пластин соответствуют друг другу. Толщина краевых изоляторов 5 равна 20 мм. Группа из десяти нагрузочных резисторов 8.1÷8.10 (Фиг. 4) имеет размеры 380÷900 мм. При этом образовано параллельно-последовательное соединение всех пластин (Фиг. 5), обладающее эффектом дублирования. Балластное устройство (Фиг. 6) содержит семь групп нагрузочных резисторов 11.1÷11.7, каждая группа содержит по 10 нагрузочных резисторов 8.1÷8.10, всего 140 пластин, и имеет размеры 960×2700 мм; с узлом 16 крепления к космическому аппарату размер составляет 960×2750 мм. По тепловым экранам 13 и сеткам 14 толщина балластного устройства равна 130 мм. Одна пластина рассчитана на ток 4,5 А и напряжение 450 В. Один нагрузочный резистор рассчитан на 9 А и 450 В, одна группа - на 9 А и 4500 В. При этом все балластное устройство рассчитано на 63 А и 4500 В. Одна пластина принимает электрическую мощность 2,025 кВт, один нагрузочный резистор - 4,05 кВт, одна группа - 40,5 кВт, все балластное устройство - 283,5 кВт. При этом удельная мощность теплосброса излучением равна 283,5 кВт/2,6 м или 109 кВт/м.
2
По закону теплового излучения Стефана-Больцмана максимальный удельный тепловой поток при двустороннем излучении и средней температуре излучающих поверхностей балластного устройства не более 1000 К (727°С) равен 113 кВт/м. Таким образом, коэффициент использования боковой площади балластного устройства согласно изобретению k=109/113=0,96≈1,0, что подтверждает высокую эффективность энергосброса. При этом температуростойкость материала УУКМ более 2500°С, а керамики - более 1800°С. Такие запасы по термостойкости дополнительно повышают надежность функционирования балластного устройства.
Балластное устройство данного примера имеет семь параллельных групп, рассчитанных на полное напряжение 4500 В каждая. Регулировка (выравнивание) значений электрического сопротивления нагрузочных резисторов и их групп после монтажа легко выполняется постановкой, передвижением и закреплением ползунков, перемыкающих зазор между двумя соседними параллельными продольными участками лент у пластин. При изготовлении каждая пластина нагрузочного резистора проверяется на термическую прочность электрическим разогревом в ванне с газообразным аргоном (аргон тяжелее воздуха) при атмосферном давлении до температуры, превышающей рабочую. Процедура легко осуществима, так как эксплуатационное напряжение 450 В постоянного тока получается на мостовом выпрямителе с фильтром из промышленного номинала 380 В трехфазного переменного тока. Пластины, прошедшие электрическое испытание, далее выравниваются по электросопротивлению регулировкой, описанной выше, и подаются на сборку.
При разогреве пластин во время испытаний или работы в составе балластного устройства разница в температурах пластин выравнивается автоматически, так как с ростом температуры некоторой пластины увеличивается ее электрическое сопротивление из-за роста удельного электрического сопротивления материала пластины, и тем самым уменьшается ее энергопотребление. При использовании системы управления энергоустановки с режимом ограничения тока изменение температуры пластин в холодном состоянии и в рабочем состоянии не оказывает влияние на рабочий процесс.
Номинал балластного устройства в примере 1 таков, что балластное устройство может принять при аварии в потребителях электроэнергии всю электрическую мощность энергоустановки, не допуская теплового разрушения (расплавления) ядерного реактора.
Нагрузочный резистор (Фиг. 3), кроме того, является унифицированным изделием, пригодным для использовании в балластных устройствах различного назначения и номинала по электрическому напряжению, начиная с 380 В и выше, и по мощности, начиная с 4 кВт и выше.
Пример 2. Устройство балластное отличается от примера 1 только электрической коммутацией пластин в соответствии с задаваемой электрической схемой соединений. При этом отдельные нагрузочные резисторы или пластины могут быть смонтированы в группах с поворотом в поперечном отношении на 180 градусов, так чтобы проушины 4 соседних нагрузочных резисторов (Фиг. 4) или пластин (Фиг. 3) оказались в разных концах у несущих балок 9 (Фиг. 4) или краевых изоляторов 5 (Фиг. 3). Все геометрические размеры, эффективность функционирования и надежность полностью совпадают с примером 1.