ХОЛОДИЛЬНИК-ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Холодильник-излучатель относится к области космической техники, а конкретнее к устройствам отвода тепла от систем космических аппаратов.
В первых устройствах холодильников-излучателей систем термостабилизации космических летательных аппаратов (КЛА) использовались трубчатые излучатели. Они применялись для излучения в космическое пространство низкопотенциального тепла из энергоустановки и системы обеспечения требуемого температурно-влажностного режима в герметичных отсеках. Далее появились более эффективные капельные холодильники-излучатели (КХИ) в которых, вместо охлаждения в трубчатых излучателях, теплоноситель пропускают через специальный генератор капель, представляющий собой камеру высокого давления с большим числом отверстий микрометрового размера, выводится в виде струек, разбиваемых под действием вибрации на капли, непосредственно в космическое пространство. Направленный поток капель падает на коллектор капель. Тепло посредством излучения от капель отводится на участке между генератором и коллектором капель. В коллекторе капель капли объединяются в единый поток жидкости, который с помощью насоса возвращается в замкнутую систему. Переход от трубчатых излучателей к капельным привел к уменьшению массы единицы поверхности излучателя на порядок. Капельный излучатель компактен и нечувствителен к попаданию микрометеороидов. Имеются предложения по использованию в качестве излучателя подвижной ленты. С поверхности ленты происходит излучение тепла, которое подводится к ней либо нагретыми валиками, либо путем протяжки ленты через камеру с жидкостью. Информация по КХИ и ленточному излучателю взята из источника [Проблемы освоения космоса», Гришин С.Д., Чекалин С. В. Москва: издательство Знание, 1988. - 64 с, ил. - (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; №1).].
Но в настоящий время с целью освоения внешнего космического пространства (полеты на Луну, Марс и т.д.) обсуждаются и разрабатываются проекты космических ядерных энергоустановок с мощностями порядка мегаватт и выше для обеспечения электропитания электрических ракетных двигателей. Еще более сложную проблему представляет сброс использованного тепла в космическое пространство для таких мощных реакторов с длительным ресурсом работы. В этом случае количество тепловой энергии, которое необходимо излучить в космос, многократно увеличивается и будет, составляет порядка 0,5МВт и выше. Это, как видим, для КХИ колоссальный объем энергии. Таким образом, применение классического подхода утилизации тепла энергетической системы с ядерным реактором приведет к значительному увеличению массы и габаритов холодильников-излучателей. Кроме этого, для увеличения КПД энергоустановки необходимо, согласно формуле Карно, стремиться уменьшить температуру теплоносителя холодильника-излучателя, но это приводит к тому, что эффективность теплоизлучения резко падает. В самом деле, согласно закону Стефана-Больцмана [Курс физики. Изд. 2-е, перераб. и доп. Учеб. пособие для педагогических институтов. Москва, «Высшая школа», 1975. - 464 с. с ил.
]: интегральная лучеиспускательная способность Е абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры Т:
,
σ-постоянная Стефана-Больцмана.
Интегральная лучеиспускательная способность тела Е - величина энергии, испускаемая с единицы площади поверхности тела за 1 секунду. Эта величина характеризует интенсивность теплового излучения при данной температуре во всем диапазоне испускаемых длин волн.
Возникает противоречие: с увеличением КПД энергоустановки эффективность холодильника-излучателя падает и, наоборот - с увеличением эффективности холодильника-излучателя уменьшается КПД энергоустановки. Таким образом, очевидно, есть определенная компромиссная температура теплоносителя холодильника-излучателя, которая при достаточном КПД энергоустановки может обеспечить достаточную способность холодильника-излучателя излучать избыточную теплоту. Такой компромисс не обеспечивает оптимальные качества эксплуатации энергоустановки и холодильника-излучателя.
В качестве прототипа предлагаемому устройству может быть принят российский патент №2401778 «КАПЕЛЬНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК-ИЗЛУЧАТЕЛЬ», МПК B64G 1/50, F28D 21/00. Этот КХИ как наиболее эффективный в сравнении с трубчатыми (радиаторными) холодильниками-излучателями, используется в современных космических системах (орбитальных станциях). КХИ успешно охлаждают внутренние помещения космических станций от перегрева от работающего оборудования и аппаратуры, тепловыделений человека и радиационного обогрева солнца благодаря излучению тепловой энергии в космос. Данный прототип имеет недостатки, заключающиеся в том, что он рассчитан на утилизацию низкопотенциального тепла от системы КЛА с невысокой мощностью теплоизлучения, а при использовании его в высокоэнергетических установках возникает упомянутое в предыдущем абзаце противоречие.
Задачей данного изобретения является уменьшение безвозвратных потерь тепловой энергии, т.е. увеличение КПД энергоустановки КЛА, а также одновременное увеличение эффективности охлаждающей системы. Поставленная задача решается тем, что теплоноситель холодильника-излучателя получает тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата через, систему связанных между собой тепловых машин, работающих по обратному термодинамическому циклу, установленных таким образом, что такая система связанных между собой тепловых машин, работающих по обратному термодинамическому циклу, имеет возможность принимать тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата и передавать тепло теплоносителю холодильника-излучателя. В известных системах охлаждения КЛА теплоноситель холодильника-излучателя получает тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации КЛА через обычный теплообменник. В предлагаемом устройстве вместо теплообменника располагается система тепловых машин, работающих по обратному термодинамическому циклу. Согласно источнику [Техническая термодинамика: Учебник для вузов / Под ред. В.И. Крутова - 2-е изд., перераб. и доп. Москва, «Высшая школа», 1981. - 439 с, ил.] обратными называются термодинамические циклы, в которых подвод теплоты к термодинамической системе происходит при более низкой температуре рабочего тела, чем отвод теплоты. Наиболее часто обратные циклы рассматриваются применительно к холодильным машинам, тепловым насосам, термотрансформаторам. Устройства, в которых обратный цикл используется для искусственного охлаждения, называют холодильными машинами. Тепловым насосом называют машину, работающую по обратному термодинамическому циклу и предназначенную для передачи более нагретому телу теплоты, отбираемой от менее нагретого (за счет затраты работы цикла). Термотрансформаторами называют устройства, предназначенные для переноса теплоты с одного уровня на другой и сочетающие в себе прямой и обратный термодинамические циклы. Таким образом, под тепловой машиной, работающей по обратному термодинамическому циклу (далее будем называть сокращенно - ТМОТЦ), здесь и далее понимается холодильная машина, тепловой насос, термотрансформатор или другая тепловая машина, которая осуществляет передачу теплоты (тепловой энергии) забирая тепло у менее нагретого теплоносителя и отдавая тепло более нагретому теплоносителю.
Понятие «система связанных между собой ТМОТЦ» означает, что между соседними ТМОТЦ имеется возможность теплопередачи от предыдущего к следующему. Передача теплоты между соседними ТМОТЦ может осуществляться, как минимум, посредством одного из видов теплопередачи: излучением, теплопроводностью, конвекцией. Система связанных между собой ТМОТЦ, имеет возможность принимать тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата и передавать тепло теплоносителю холодильника-излучателя так же как минимум, посредством одного из видов теплопередачи: излучением, теплопроводностью, конвекцией. Из перечисленных видов теплопередачи наиболее эффективным и применяемым является конвекционный теплообмен в теплообменниках с принудительной циркуляцией теплоносителя с помощью насоса. Обычно каждый ТМОТЦ в своей работе забирает теплоту от внешнего теплоносителя с помощью теплообменника, при этом внешний теплоноситель охлаждается. Такой теплообменник будем называть далее холодным теплообменником (в парокомпрессионных ТМОТЦ он соответствует испарителю). Передачу тепла другому внешнему теплоносителю ТМОТЦ осуществляет через другой теплообменник, который при этом нагревает этот внешний теплоноситель. Данный теплообменник далее будем называть горячим теплообменником (применительно к парокомпрессионным ТМОТЦ - это конденсатор). Здесь и далее под энергоустановкой понимается система, состоящая из источника тепловой энергии (например, ядерный реактор) и машин, преобразующих тепловую энергию в другой вид энергии (например, в электрическую). Под системой термостабилизации КЛА понимается система, обеспечивающая заданный температурный режим внутри жилых и нежилых помещений КЛА. Для краткости под энергосистемой будем понимать энергоустановку и(или) систему термостабилизации КЛА. ТМОТЦ, соединенный непосредственно с энергосистемой, будем считать первым, следующий за ним - вторым и т.д. по ходу теплопередачи. В предлагаемом устройстве теплоноситель энергосистемы через холодный теплообменник первого ТМОТЦ отдает ему свое низкопотенциальное тепло. Далее первый ТМОТЦ через свой горячий теплообменник отдает тепло через промежуточный теплоноситель холодному теплообменнику второго ТМОТЦ. Промежуточный теплоноситель движется с помощью своего насоса по замкнутому контуру между горячим теплообменником одного ТМОТЦ и холодным теплообменником соседнего ТМОТЦ, обеспечивая между ними теплопередачу. Таким же образом тепло передается от второго ТМОТЦ к третьему и так далее. Последний ТМОТЦ со своего горячего теплообменника передает тепло теплоносителю холодильника-излучателя. В системе связанных между собой ТМОТЦ может быть как минимум один ТМОТЦ, максимальное число не ограничено. Наличие промежуточных теплоносителей между ТМОТЦ не обязательно. В этом случае горячий теплообменник одного ТМОТЦ и холодный теплообменник соседнего ТМОТЦ совмещаются в одном теплообменнике и осуществляют в нем взаимную теплопередачу через теплопередающую поверхность данного теплообменника. Использование системы последовательно (каскадно) соединенных ТМОТЦ благодаря переносу (перекачиванию) ими тепла от теплоносителя энергосистемы к теплоносителю холодильника-излучателя понижает температуру теплоносителя энергосистемы, что приводит к увеличению КПД энергоустановки, а с другой стороны увеличивает температуру теплоносителя холодильника-излучателя, что приводит к увеличению интенсивности излучения тепла теплоносителем холодильника-излучателя. Кроме того, возникает дополнительный эффект. Поскольку КПД энергоустановки увеличивается, то доля первоначального тепла, которая не превратилась в полезную работу, а пройдя через тепловую машину, в виде теплового отброса направляется низшему источнику теплоты, а именно в холодильник-излучатель, уменьшается, уменьшая тем самым тепловую нагрузку на холодильник-излучатель.
Внутри системы связанных между собой ТМОТЦ могут располагаться нагреватели элементов конструкции, системы термостабилизации, регулирования для обеспечения требуемого температурного режима теплоносителей и обеспечения безотказной работы холодильника-излучателя.
ц
0
ц
ц
Важнейшими особенностями обратных термодинамических циклов являются отнятие с помощью термодинамической системы теплоты в количестве Q′ от менее нагретого теплоносителя и передача теплоты в количестве Q″ более нагретому теплоносителю. Благодаря работы цикла |L|, нагреваемому теплоносителю передается теплота, равная сумме теплоты Q′=Q, отнятой у менее нагретого теплоносителя, и работы цикла |L|, т.е. Q″=Q′+|L|. Поскольку, при переносе с помощью ТМОТЦ тепла объем его несколько увеличивается оценим эффективность предлагаемого устройства на примере, когда в качестве ТМОТЦ используются тепловые насосы. Эффективность обратного термодинамического цикла теплового насоса характеризуется коэффициентом преобразования, представляющего собой отношение полезного эффекта - теплоты, передаваемой более нагретому теплоносителю, - к затраченной энергии - работе цикла:
В случае равновесного обратного цикла Карно коэффициент преобразования определяется так:
0
1
Здесь Т - абсолютная температура менее нагретого теплоносителя, 7 - абсолютная температура более нагретого теплоносителя.
0
1
tK
Из последней формулы видно, что чем меньше разница температур Т и 7, тем выше коэффициент преобразования φ теплового насоса. Поэтому в предлагаемом устройстве предпочтительным является использование не одного теплового насоса или ТМОТЦ с большой разностью температур горячего и холодного теплообменников, а цепь последовательно связанных ТМОТЦ или многоступенчатые ТМОТЦ, в которых имеются несколько ступеней преобразования теплоты с высоким коэффициентом преобразования.
Преобразуя формулу (2), получим
t
0
ц
φ=1+Q/|L|.
отсюда следует
ц
0
t
|L| = Q/(φ-1)
0
ц
0
t
t
или, Q″=Q+|L| = Q· φ/(φ-1)
Применительно к циклу Карно, используя формулу (3), после некоторых преобразований получим
4
Закон Стефана-Больцмана, применительно к неабсолютному черному телу (теплоносителю) имеет вид Е=α·σ·Т,
где α - коэффициент поглощения.
0
1
0
1
Из закона Стефана-Больцмана следует, что при изменении температуры теплоносителя холодильника-излучателя с Т на 7 интегральная лучеиспускательная способность его изменится с E на E:
0
1
Сравнив формулы (4) и (5), можно сделать вывод, что благодаря применению предлагаемого устройства с изменением температуры теплоносителя холодильника-излучателя с Т на Т интегральная лучеиспускательная способность его изменится пропорционально четвертой степени, а количество утилизируемого тепла увеличится пропорционально первой степени отношения температуры теплоносителя холодильника-излучателя после повышения и до повышения его температуры. Таким образом, с повышением температуры теплоносителя холодильника-излучателя его интегральная лучеиспускательная способность растет намного быстрее, чем количество утилизируемого тепла. Эффект очевиден.
В одном из вариантов предлагаемого устройства система связанных между собой ТМОТЦ может быть выполнена в виде каскада (цепи) нескольких тепловых насосов у которых испаритель крайнего в цепи теплового насоса получает тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата, а конденсатор другого крайнего в цепи теплового насоса отдает тепло теплоносителю холодильника-излучателя. А между собой тепловые насосы соединены так, что конденсатор одного теплового насоса передает тепло испарителю соседнего теплового насоса через промежуточный теплоноситель (п.2 формулы изобретения).
В другом варианте предлагаемого устройства система связанных между собой ТМОТЦ представляет собой холодильную установку для сжижения газов (например, по методу Линде, работающую по замкнутому циклу) и один или несколько тепловых насосов. При этом теплоноситель энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата передает тепло сжиженному газу в холодильной установке, а тепло от холодильной установки передается испарителю крайнего в цепи (первого) теплового насоса и пройдя через цепь тепловых насосов далее тепло от конденсатора крайнего в цепи (последнего) теплового насоса передается теплоносителю холодильника-излучателя. А между собой холодильная установка и тепловые насосы соединены так, что конденсатор холодильной установки или теплового насоса передает тепло испарителю соседнего теплового насоса через промежуточный теплоноситель (п.3 формулы изобретения). Холодильная установка для сжижения газов может работать и по другим принципам. Использование в предлагаемом устройстве холодильной установки для сжижения газов может обеспечить понижение температуры теплоносителя энергоустановки до криогенных температур порядка сотен градусов абсолютной температуры, что приведет к росту КПД энергоустановки до значений порядка 80-90% и снизит, благодаря этому, объем утилизируемой энергии.
Данное изобретение поясняется фиг.1, где изображена функциональная схема предлагаемого устройства по п.2 формулы изобретения.
Устройство содержит систему связанных между собой ТМОТЦ в виде двух парокомпрессионных тепловых насосов №1 и №2. Тепловые насосы состоят из испарителей поз.1 и 5, компрессоров поз.2 и 6, конденсаторов поз.3 и 7, и регулирующих вентилей поз.8 и 9. Конденсатор поз.3 теплового насоса №1 и испаритель поз.5 теплового насоса №2 связаны между собой замкнутым контуром, в котором циркуляция теплоносителя осуществляется насосом поз.4. Испаритель поз.1 теплового насоса №1 входит в контур теплоносителя энергосистемы, а конденсатор поз.7 теплового насоса №2 входит в контур теплоносителя капельного холодильника-излучателя. В тепловых насосах №1 и №2 имеются регулирующие вентили поз.8 и 9 для осуществления дросселирования холодильных агентов до давления испарения перед входом в испаритель поз.1 и 5 соответственно. Стрелками показаны направления движения холодильных агентов в тепловых насосах и теплоносителей в контурах теплообмена.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Испарение холодильного агента теплового насоса №1 в испарителе поз.1 происходит за счет теплоты, отбираемой от теплоносителя энергосистемы подаваемой насосом энергосистемы. Охлажденный в испарителе поз.1 теплоноситель энергосистемы возвращается в энергосистему. Для восприятия теплоты при конденсации сжатого в компрессоре поз.2 холодильного агента теплового насоса №1 используется теплоноситель промежуточного контура теплообмена. Нагретый в конденсаторе поз.3 теплоноситель перекачивается насосом поз.4 в испаритель поз.5 теплового насоса №2. В испарителе поз.5 теплового насоса №1 за счет теплоты, получаемой от конденсатора поз.3 теплового насоса №1, происходит испарение холодильного агента теплового насоса №2. Далее после сжатия холодильного агента теплового насоса №2 в компрессоре поз.6 в конденсаторе поз.7 происходит передача теплоты теплоносителю контура КХИ. Насос КХИ перемещает теплоноситель, нагретый в конденсаторе поз.7 теплового насоса №2, в генератор капель. Далее, как и в прототипе, теплоноситель КХИ на участке между генератором капель и коллектором капель, излучая избыточную теплоту в космос, охлаждается и снова направляется в конденсатор поз.7. На рисунке контур теплоносителя КХИ показан схематично (обозначены только основные элементы).
На фиг.2 изображена функциональная схема предлагаемого устройства по п.3 формулы изобретения.
Устройство содержит систему связанных между собой ТМОТЦ в виде одной холодильной установки для сжижения газа работающей по методу Линде (коротко холодильная установка) и один парокомпрессионный тепловой насос. В холодильной установке холодильным агентом может быть любой газ, например, водород, гелий, азот, воздух и т.д. Холодильная установка и тепловой насос включают в себя компрессоры поз.2 и 6, испаритель поз.5, конденсатор поз.7, регулирующие вентили поз.8 и 9, теплообменник поз.10, сосуд-теплообменник поз.11, холодильник поз.12. Холодильник поз.12 холодильной установки и испаритель поз.5 теплового насоса связаны между собой промежуточным контуром теплообмена, в котором циркуляция теплоносителя осуществляется насосом поз.4. Сосуд-теплообменник поз.11 холодильной установки входит в контур теплоносителя энергоустановки, а конденсатор поз.7 теплового насоса входит в контур теплоносителя капельного холодильника-излучателя. В холодильной установке и тепловом насосе имеются регулирующие вентили поз.8 и 9 для осуществления дросселирования (понижение давления) холодильных агентов перед входом в сосуд-теплообменник поз.11 и испаритель поз.5 соответственно. Стрелками показаны направления движения холодильных агентов в холодильной установке и тепловом насосе, а также теплоносителей в контурах промежуточного теплообмена, энергоустановки и КХИ.
Работа устройства по п.3 формулы изобретения осуществляется следующим образом.
После сжатия в компрессоре поз.2 газ попадает в холодильник поз.12, в котором газ отдает тепло теплоносителю промежуточного контура теплообмена. Далее в теплообменнике поз.10 газ охлаждается до еще более низкой температуры. Роль охлаждающего агента в нем играет холодный газ низкого давления, движущийся в обратном направлении (на фиг.2 показано пунктиром) из сосуда-теплообменника поз.11. В регулирующем вентиле поз.8 давление и температура газа падают, достигая значения соответствующих состоянию влажного пара. Образующиеся при этом двухфазная смесь поступает в сосуд-теплообменник поз.11, в котором теплоноситель энергоустановки, отдавая свое тепло газу, охлаждается и возвращается обратно в энергоустановку. Получив эту теплоту, влажный пар в сосуде-теплообменнике поз.11 становится сухим и поступает в теплообменник поз.10. где он подогревается и в перегретом состоянии возвращается в компрессор поз.2. Для восприятия теплоты газа, поступающего в холодильник поз.12 холодильной установки, используется теплоноситель промежуточного контура теплообмена. Нагретый в холодильнике поз.12 теплоноситель перекачивается насосом поз.4 в испаритель поз.5 теплового насоса. В испарителе поз.5 теплового насоса за счет теплоты, получаемой от холодильника поз.12 холодильной установки, происходит испарение холодильного агента теплового насоса и охлаждение теплоносителя промежуточного контура теплообмена. Далее после сжатия холодильного агента теплового насоса в компрессоре поз.6 в конденсаторе поз.7 происходит передача теплоты теплоносителю контура КХИ. Насос КХИ перемещает теплоноситель, нагретый в конденсаторе поз.7 теплового насоса, в генератор капель. Далее, как и в прототипе, теплоноситель КХИ на участке между генератором капель и коллектором капель, излучая избыточную теплоту в космос, охлаждается и снова направляется в конденсатор поз.7. На рисунке контур теплоносителя КХИ показан схематично (обозначены только основные элементы).
Термодинамический процесс холодильной установки для сжижения газа работающей по методу Линде описан в источнике [Техническая термодинамика: Учебник для вузов / Под ред. В.И. Крутова - 2-е изд., перераб. и доп. Москва, «Высшая школа», 1981. - 439 с, ил.].