КАПЕЛЬНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК-ИЗЛУЧАТЕЛЬ
DRIP REFRIGERATOR-EMITTER

Изобретение относится к области космической техники, а конкретнее к устройствам отвода низкопотенциального тепла от систем космических аппаратов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является космический капельный холодильник-излучатель (КХИ) [1], содержащий теплоноситель с системой хранения и подачи, генератор капель с элементом возбуждения акустических колебаний и выходной решеткой с отверстиями различных диаметров и гидравлических характеристик, коллектор (заборник) капель, перекачивающие насосы, нагреватели (входящие в систему тепловой стабилизации со средствами термостатирования из экранно-вакуумной теплоизоляции на элементах КХИ), трубопроводы (включая байпасный трубопровод между генератором и коллектором капель с компенсатором объемного расширения), а также гидронакопители на входе генератора капель и выходе из коллектора капель.
В предложенной схеме капельного холодильника-излучателя [1] рассматривается пассивный коллектор капель с внутренней поверхностью, образованной стенками одного или нескольких щелевых каналов для обеспечения ускорения движения жидкости (компенсации потерь скорости вследствие трения) как на поверхности коллектора, так и на дальнейшей трассе потока вплоть до входа в перекачивающий насос. Несмотря на то, что в [1] отмечается необходимость дозированного подвода теплоносителя (рабочего тела) к системе щелей через коллекторы раздачи, размещенные на внешней поверхности коллектора капель, с целью обеспечения требуемой величины полного давления жидкости на входе в основной перекачивающий насос теплоносителя, для обеспечения длительного ресурса системы отвода низкопотенциального тепла в условиях микрогравитации и глубокого вакуума требуется усовершенствование коллектора капель ввиду наличия следующих обстоятельств:
- устойчивое функционирование пассивного коллектора капель в течение длительного периода времени возможно при постоянном выполнении условия полного смыкания границ стекающего по внутренней поверхности коллектора капель потока в окрестности его выходного сечения;
- при отсутствии указанного смыкания в окрестности входного сечения основного перекачивающего насоса в условиях микрогравитации и глубокого вакуума образуется полость с нулевым давлением, возникновение которой препятствует нормальной работе насоса;
- в случае смыкания границ потока до достижения им выходного сечения коллектора капель в условиях микрогравитации и глубокого вакуума возникает опасность потери скоростного напора теплоносителя на входе в насос, приводящей к «закупорке» коллектора капель.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности и эффективности работы капельного холодильника-излучателя за счет обеспечения длительной устойчивой работы коллектора капель.
Для достижения этого технического результата в капельном холодильнике-излучателе, содержащим систему хранения и подачи теплоносителя, генератор капель с элементом возбуждения акустических колебаний и выходной решеткой, пассивный коллектор капель с щелевыми каналами, перекачивающий насос, трубопроводы, нагреватели элементов конструкции и систему тепловой стабилизации, щелевые каналы пассивного коллектора капель снабжены раздельными линиями питания теплоносителем, содержащими каждая двухпозиционный клапан и автоматический регулятор расхода, а перекачивающий насос дополнительно снабжен байпасным контуром с автоматическим регулятором расхода. Автоматические регуляторы расхода, установленные на входах щелевых каналов и в байпасном контуре перекачивающего насоса, а также в контуре генератора капель, соединены через блок регистрации и управления с оптическими датчиками, установленными - один в окрестности горловины коллектора капель, другой на расстоянии от него на величину по крайней мере пятикратного значения расстояния между центрами капель в направлении их движения. Кроме этого угол раскрытия коллектора капель составляет 40-70°.
Для поддержания стационарного режима работы капельного холодильника-излучателя требуется выполнение условия полного смыкания границ стекающего по внутренней поверхности коллектора капель потока теплоносителя (рабочего тела) в окрестности его выходного сечения. Соблюдение этого условия в процессе вывода холодильника-излучателя на расчетный режим, на переходных режимах, а также при наличии малых возмущений, сопровождающих стационарный режим функционирования КХИ, является проблемной задачей, так как массовый расход теплоносителя (рабочего тела), протекающего через энергетическую установку космического летательного аппарата и переносимого в радиационно-охлаждаемом капельном потоке (капельной пелене) КХИ, на стационарном режиме работы является фиксированной величиной, определяемой требуемым уровнем отвода тепловой мощности. Воздействие на величину массового расхода рабочего тела, протекающего через коллектор капель при малых отклонениях от расчетного значения, может осуществляться путем изменения расхода рабочего тела, подаваемого через щелевые каналы коллектора капель и направляемого на формирование вспомогательной несущей пленки.
Отличительным признаком предлагаемого КХИ является то, что пассивный коллектор капель имеет щелевые каналы с раздельными линиями питания теплоносителем для создания вспомогательной несущей пленки. Каждая линия питания содержит двухпозиционный клапан и автоматический регулятор расхода. Динамическое регулирование расхода происходит по результатам обработки сигналов, поступающих от оптических датчиков текущего уровня теплоносителя в блок регистрации и управления. Оптические датчики установлены - один в окрестности горловины коллектора капель, другой на расстоянии от него на величину по крайней мере пятикратного значения расстояния между центрами капель в направлении их движения. Выбор места размещения оптических датчиков в коллекторе капель определяется в каждом конструктивном решении положением сечения, в котором происходит образование сплошного течения теплоносителя в горловине коллектора капель на стационарном режиме работы КХИ.
Дополнительно введен байпасный контур с автоматическим регулятором расхода теплоносителя в цепи перекачивающего насоса, режим работы которого устанавливается блоком регистрации и управления также по сигналам с оптических датчиков. В этом контуре на стационарном режиме работы КХИ циркулирует теплоноситель (рабочее тело) с расходом (0,5-10)% от расхода на стационарном режиме работы коллектора капель (производительность перекачивающего насоса должна обеспечить выполнение этого условия). Кроме этого оптические датчики уровня теплоносителя связаны и с регулятором расхода установленного в контуре генератора капель. Связь оптических датчиков с автоматическими регуляторами расхода обеспечивает оперативное управление суммарным расходом теплоносителя через коллектор капель, стабилизируя работу КХИ в целом, повышая его надежность и эффективность.
Отличительным признаком предлагаемого капельного холодильника-излучателя также является использование оптимального угла раскрытия коллектора капель, определяемого в результате проведения исследований закономерностей движения теплоносителя по внутренней поверхности коллектора капель и выявления условий поддержания стационарного режима сбора капель. Оптимальный угол раскрытия коллектора капель находится в пределах 40-70°. Используемые углы раскрытия коллекторов капель должны соответствовать наибольшим давлениям, реализуемым в горловине отводного канала. Применение коллекторов капель с оптимальными углами раскрытия позволяет упростить конструкцию капельного холодильника-излучателя, отказавшись от использования дополнительного струйного насоса (преднасоса) для основного перекачивающего насоса замкнутой системы теплоотвода.
На Фиг.1 приведена функциональная схема капельного холодильника-излучателя с пассивным коллектором капель.
На Фиг.2 показан пассивный коллектор капель с оптическими датчиками уровня теплоносителя.
КХИ (Фиг.1) включает в себя энергетическую подсистему 1, соединительные трубопроводы 2, капельный поток рабочего тела 3, генератор капель 4 с элементом возбуждения акустических колебаний 5, инициирующих вынужденный капиллярный распад, коллектор капель 6 с щелевыми каналами 7, перекачивающий насос 8, двухпозиционный электромагнитный клапан 9, блок регистрации и управления 10, источник излучения 11, байпасный трубопровод 12, электронагреватели 13-17, компенсатор объемного расширения 18, соединительные трубопроводы 19, гидронакопители 20 и 21, двухпозиционные электромагнитные клапаны 22-26, автоматические регуляторы расхода 27-31 и два оптических датчика текущего уровня 32, 33. На Фиг.2 показана вспомогательная несущая пленка теплоносителя 34 и окна 35 в коллекторе капель для оптических датчиков. Число щелевых каналов в коллекторе капель определяется для каждой конструкции коллектора из условия обеспечения устойчивой работы перекачивающего насоса. На Фиг.1 и Фиг.2 рассматривается коллектор капель с двумя щелевыми каналами.
Капельный холодильник-излучатель работает следующим образом. Нагретый при прохождении энергетической подсистемы 1 космического аппарата теплоноситель по трубопроводам 2 через клапан 22 поступает в генератор капель 4, представляющий собой устройство с решетками отверстий и элементом возбуждения акустических колебаний 5. Капельный поток теплоносителя 3, истекающий через систему отверстий генератора капель 4 и модулированный акустическими колебаниями, образует поток монодисперсных капель, движущихся по прямолинейным траекториям к коллектору капель 6. На пути от генератора к коллектору капли остывают за счет радиационного теплоотвода. Попадая на движущуюся по внутренней поверхности коллектора капель вспомогательную несущую пленку рабочего тела, капли сливаются с пленкой и движутся к горловине коллектора капель и входному сечению перекачивающего насоса 8.
Для поддержания стационарного режима работы капельного холодильника-излучателя необходимо обеспечить выполнение условия полного смыкания границ стекающего по внутренней поверхности коллектора капель потока в окрестности его выходного сечения. Требуемое для этого динамическое регулирование расхода теплоносителя при малых возмущениях стационарного режима осуществляется за счет регулирования массового расхода теплоносителя, подаваемого в щелевые каналы для формирования вспомогательной несущей пленки. Для уменьшения суммарного расхода теплоносителя (рабочего тела) в коллекторе капель 6 по сигналу с оптического датчика уровня 32, предупреждающего о начале чрезмерного заполнения теплоносителем коллектора капель, через блок регистрации и управления 10 автоматический регулятор расхода 29 (в случае необходимости и регулятор 30) уменьшает количество теплоносителя, подаваемого в верхний щелевой канал коллектора капель 6. Одновременно, для обеспечения постоянного массового расхода теплоносителя через энергетическую подсистему 1, с блока регистрации и управления 10 сигнал поступает на автоматический регулятор расхода 31, приоткрывающего байпасный контур перекачивающего насоса 8. Количество теплоносителя, которое циркулирует в байпасном контуре перекачивающего насоса на стационарном режиме работы КХИ, должно составлять (0,5-10)% от расхода через коллектор капель на стационарном режиме работы КХИ.
Увеличение суммарного расхода теплоносителя через коллектор капель происходит по сигналу оптического датчика уровня 33 (предупреждающего об опасности разрыва сплошного течения теплоносителя в окрестности горловины коллектора капель), который через блок регистрации и управления 10 прикрывает автоматическим регулятором расхода 31 байпасный контур перекачивающего насоса 8. При этом сигнал управления с блока регистрации и управления 10 согласует действия автоматических регуляторов расхода 29, 30, 31 с показаниями оптических датчиков, обеспечивая стабильную работу коллектора капель и, следовательно, работу КХИ в целом. При выводе энергетической системы на стационарный режим работы и на переходных режимах работы регулирование расхода теплоносителя по предложенной схеме КХИ осуществляется также с помощью автоматического регулятора расхода 27, который связан с оптическими датчиками.
Оптические датчики текущего уровня теплоносителя (рабочего тела) 32, 33 (Фиг.2) состоят из источников и приемников-анализаторов светового потока (возможно использование лазерного луча), расположенных в окрестности горловины коллектора напротив окон в корпусе коллектора 6. Окна 35 изготовлены из термостойкого стекла. Световой пучок от источников поглощается и рассеивается при прохождении через стекающую по внутренней поверхности коллектора пленку 34 и капельный поток 3 теплоносителя. В нормальном эксплуатационном режиме приемник оптического датчика 33 регистрирует постоянную интенсивность доходящего до него светового потока. Появление пульсаций интенсивности свидетельствует об отсутствии смыкания границ стекающего по стенке потока в окрестности оси симметрии и рассеянии светового потока на дискретных каплях, долетающих до горловины. При возникновении этого режима выдается команда на увеличение расхода рабочего тела. Приемник оптического датчика 32 в нормальном режиме регистрирует пульсирующую величину интенсивности из-за рассеяния света на каплях, движущихся вблизи оси симметрии системы. Наличие пульсаций подтверждает отсутствие смыкания границ стекающего теплоносителя на удалении от горловины. Возникновение смыкания диагностируется по появлению на приемнике оптического датчика 32 сигнала постоянной интенсивности. В этом случае выдается команда на снижение расхода теплоносителя через коллектор.
Источники информации
1. Конюхов Г.В., Коротеев А.А., Нечаев В.Ю., Петров А.И., Железняков А.Г., Баранчиков В.А., Костюк Л.Н. «Капельный холодильник-излучатель». Патент РФ 2247064 (опубл. 27.02.2005 г., Бюл. №6).