Система отвода тепла на базе капельного холодильника-излучателя
HEAT REMOVAL SYSTEM BASED ON TRICKLING COOLER-RADIATOR

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области космической техники, а именно к системам отвода низкопотенциального тепла энергетических установок космического назначения, и может найти применение при создании перспективных космических аппаратов с высокой энерговооруженностью.
Уровень техники
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является капельный холодильник-излучатель (КХИ) [1], содержащий генератор капельного потока (ГК), коллектор капель (или заборное устройство – ЗУ), пневмогидравлическую систему с перекачивающими насосами, управляющими клапанами, гидрокомпенсаторами, средствами термостатирования и трубопроводами, а также систему управления. В данной системе теплоотвода используется коллектор капель (заборное устройство) “пассивного типа”, где капельный поток захватывается движущейся несущей пленкой теплоносителя, создаваемой на стенках коллектора капель через щелевые каналы (см. также [2]).
Альтернативным вариантом заборного устройства, пригодного для использования в такой системе теплоотвода, является центробежный коллектор капель [3]. Данное устройство представляет собой вращающуюся приемную емкость конической формы. Капельный поток, попадая на внутреннюю поверхность емкости, под действием центробежной силы поднимается по ее стенкам и поступает в специально профилированный желоб, где происходит забор жидкости насосом через диффузор и приемный шланг. Аналогичный подход к забору капельного потока (активный заборник капель - АЗК) был применен при проведении космического эксперимента “Капля-2” [4].
Основными недостатками обеих схем являются:
- низкие надежность и стабильность работы заборного устройства, что может приводить к нарушению сплошности выходного потока рабочего тела и возникновению кавитационных эффектов;
- низкое выходное давление заборного устройства, что требует использования дополнительного преднасоса для подачи сплошного потока охлажденного теплоносителя обратно в теплообменный контур холодильника-излучателя;
- невосполнимые потери теплоносителя за счет отражения части капель от рабочей поверхности заборного устройства, а также разбрызгивания;
- низкая производительность холодильника-излучателя по рабочему телу, что ограничивает общий уровень тепловой мощности, отводимой КХИ.
Сущность изобретения
В предлагаемом изобретении решается задача создания системы отвода тепла на базе капельного холодильника-излучателя с надежностью, энергетической эффективностью и удельными массовыми характеристиками, соответствующими условиям применения на перспективных космических аппаратах высокой энерговооруженности.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении уровня отводимой системой полной тепловой мощности и точности его регулировки; снижении удельной массы системы; исключении потерь теплоносителя в процессе работы системы; повышении надежности системы теплоотвода.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что система отвода тепла на базе капельного холодильника-излучателя содержит по меньшей мере два блока капельного холодильника излучателя, при этом блоки направлены друг на друга и расположены со смещением относительно друг друга, при чем каждый блок содержит  заборное устройство, выполненное в виде центрального дискового заборного устройства с центробежной блокировкой отраженных капель, обеспечивающего полный захват одновременно нескольких капельных потоков и систему генерации капельной пелены, формирующей одновременно несколько потоков параллельных капельных струй, распределяемых равномерно по полю входного отверстия заборного устройства, при этом заборное устройство каждого блока включает в себя корпус с выходным патрубком; установленное внутри корпуса и приводимое в движение двигателем рабочее колесо с оребрением, укрепленными на рабочем колесе центральным дефлектором, имеющим перепускные окна внутренним отражателем, и внешним отражателем, причем внутренние поверхности отражателей представляют собой обратные конусы.
В частном случае реализации заявленного технического решения система генерации капельной пелены каждого блока содержит по меньшей мере два индивидуальных генератора капель, установленных на общем основании.
В частном случае реализации заявленного технического решения индивидуальные генераторы капель содержат корпус с патрубками подачи теплоносителя и электрическими вводами питания пьезоэлементов; пьезоэлемент возбуждения капиллярного распада струй; фильеру и механизм ориентации.
В частном случае реализации заявленного технического решения механизм ориентации каждого индивидуального генератора капель состоит из двух сферических поверхностей, образованных формой поверхностей корпуса генератора капель и его посадочного места, а также трех юстировочных винтов, обеспечивающих требуемую ориентацию генератора капель.
В частном случае реализации заявленного технического решения рабочее колесо состоит из двух дисков, верхний из которых, обращенный к налетающему капельному потоку, выполнен с центральным отверстием, при этом форма поверхностей центрального дефлектора, внутреннего и внешнего отражателей выбрана так, что капельные струи при соударении с ними отражаются в направлении междисковой щели.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг.1 - пример построения системы теплоотвода по блочной схеме: фрагмент системы, включающий четыре блока КХИ. Направление движения капельных потоков показано пунктирными стрелками;
Фиг.2 - Схема блока КХИ и распределение капельных потоков по полю входного отверстия заборного устройства;
Фиг.3 - Механизм ориентации индивидуальных генераторов капель в разрезе (вверху);
Фиг.4 - 3D вид (внизу) механизма ориентации индивидуальных генераторов капель;
Фиг.5 - принцип работы заборного устройства;
Фиг.6 – рабочее колесо в разрезе.
На фигурах цифрами обозначены следующие конструктивные элементы:
1 – общее основание системы генерации капельной пелены с посадочными местами индивидуальных генераторов капель, 2 – корпус индивидуального генератора капель с патрубком подвода теплоносителя, 3 – фильера, 4 – пьезоэлемент, 5 – юстировочные винты 6 – герметизирующая прокладка; 7 – корпус забороного устройства; 8 – рабочее колесо; 9 – оребрение рабочего колеса; 10, – центральный дефлектор; 11 – внутренний отражатель; 12 – перепускные окна внутреннего отражателя; 13 – внешний отражатель; 14 – выходной патрубок; 15 – верхний диск рабочего колеса; 16 – нижний диск рабочего колеса; 17 – центральное отверстие рабочего колеса; 18 – заборное устройство; 19 – система генерации капельной пелены; 20 – ферма первая; 21 – ферма вторая; 22 – междисковая щель, 23 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 24 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 25 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 26 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 27 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 28 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 29 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 30 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 31 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 32 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 33 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 34 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 35 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 36 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 37 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 38 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 39 – капельный поток от индивидуального генератора капель; 40 – капельный поток от индивидуального генератора капель;  41 – капельный поток от индивидуального генератора капель.
Раскрытие изобретения
Система отвода тепла на базе капельного холодильника-излучателя построена по блочной схеме с использованием необходимого количества подключаемых к общей пневмогидравлической системе одинаковых блоков капельного холодильника излучателя, каждый из которых включает в себя: систему генерации капельной пелены; центральное дисковое заборное устройство с центробежной блокировкой отраженных капель.
Блоки капельного холодильника излучателя располагаются на двух фермах (20 и 21) так, что капельные потоки (23-41) двух соседних блоков распространяются навстречу друг другу (см. Фиг. 1), за счет чего пространство между фермами заполняется капельной пеленой оптимально. Блоки капельного холодильника излучателя подключаются к проложенным на фермах магистралям подачи и забора теплоносителя через отсечные клапаны, что позволяет (например, в случае отказа) независимо выводить любой блок из работы системы теплоотвода.
К преимуществам блочной архитектуры относятся:
- отказоустойчивость, что обеспечивает высокую надежность общей системы теплоотвода за счет введения в работу резервных блоков взамен отказавших (при достаточной избыточности общего количества блоков);
- возможность точного регулирования уровня отводимой системой полной тепловой мощности, т.е. адаптация системы к текущей тепловой нагрузке космического аппарата;
- снижение удельной массы системы за счет использования общих магистралей и общей пневмогидравлической системе в целом;
- высокая технологичность системы за счет возможности проектирования и проведения испытаний индивидуального блока;
- гибкость построения системы теплоотвода для различных космических аппаратов;
- упрощение процесса производства.
Вторым отличительным признаком предлагаемой системы отвода тепла является использование в блоках капельного холодильника излучателя системы (19) генерации капельной пелены, включающей в себя набор индивидуальных генераторов капель, установленных на общем основании. Система (19) генерации капельной пелены производит одновременно несколько потоков параллельных капельных струй, направленных на вход заборного устройства (18). Индивидуальные генераторы капель ориентированы таким образом, что капельные потоки распределены по полю входного отверстия заборного устройства (18) равномерно (Фиг. 2).
Индивидуальные генераторы капель имеют общепринятую конструкцию [5] и включают в себя
- корпус (2) с патрубками подачи теплоносителя и электрическими вводами питания пьезоэлементов;
- пьезоэлемент (4) возбуждения капиллярного распада струй;
- фильеру (3) с герметизирующей прокладкой (6).
Теплоноситель подается под давлением внутрь корпуса (2) капельного генератора через входной патрубок. Струи теплоносителя формируются при его прохождении через фильеру, установленную на корпусе (2) генератора капель с помощью фланцевого соединения с герметизирующей прокладкой. Для формирования капель используется метод вынужденного капиллярного распада струй, в котором механические колебания элемента возбуждения (4) преобразуются в возмущение поверхности струи. С течением времени амплитуда возмущений растет, что приводит к распаду струи на монодисперсные капли.
Прицеливание каждого индивидуального генератора капель осуществляется с помощью механизма ориентации, состоящего из двух сферических поверхностей, образованных формой поверхностей корпуса генератора капель и ее посадочного места на общем основании, а также трех юстировочных винтов (5) (см. Фиг. 3 и Фиг.4). Использование системы генерации капельной пелены позволяет:
- повысить величину полного потока теплоносителя в блоке капельного холодильного излучателя, поскольку в этом случае она определяется общим количеством индивидуальных генераторов капель и ограничена только производительностью заборного устройства;
- повысить надежность блока капельного холодильного излучателя, поскольку выход из строя одного или нескольких индивидуальных генераторов капель не влияет на работоспособность всего блока;
- обеспечить индивидуальную юстировку направления капельных потоков (23-41) от каждого генератора капель;
- сформировать капельную пелену с требуемыми пространственно-геометрическими характеристиками.
Третьим отличительным признаком предлагаемой системы отвода тепла является использование в блоке капельного холодильного излучателя центрального дискового заборного устройства с центробежной блокировкой отраженных капель (см. Фиг. 5). Предлагаемое ЗУ включает в себя
- корпус (7) ЗУ (18) с выходным патрубком (14);
- рабочее колесо (8) с оребрением (9);
- центральный дефлектор (10);
- внутренний отражатель (11), имеющий перепускные окна (12);
- внешний отражатель (13);
- ведущий двигатель.
Рабочее колесо с укрепленными на нем центральным дефлектором и отражателями установлены на вращающемся валу ведущего электродвигателя внутри неподвижного корпуса. Налетающий капельный поток попадает внутрь заборного устройства, захватывается, и в виде сплошного потока теплоносителя подается наружу через выходной патрубок.
Рабочее колесо состоит из двух дисков (16 и 15), верхний из которых, обращенный к налетающему капельному потоку, имеет центральное отверстие (17).  Вращающееся рабочее колесо совместно с неподвижным корпусом образует дисковый (ламинарный) насос [6], где под действием центробежных сил жидкость двигается к периферии и поступает в кольцевую полость с тангенциальным выходным патрубком. Для увеличения выходного напора ЗУ на дисках рабочего колеса имеются ребра.
Центральный дефлектор представляет собой криволинейный конус, ось которого совпадает с осью заборного устройства, установленный на нижнем диске рабочего колеса. Внутренний отражатель представляет собой полый усеченный криволинейный конус, ось которого совпадает с осью ЗУ, также установленный на нижнем диске рабочего колеса. Внутренний отражатель имеет в своей нижней части перепускные окна для подачи теплоносителя в направлении междисковой щели. Внешний отражатель представляет собой полый усеченный криволинейный конус, ось которого совпадает с осью ЗУ, установленный на верхнем диске рабочего колеса. Форма поверхностей центрального дефлектора (10) и внутреннего отражателя (11) выбрана так, что капельные струи при соударении с ними отражаются в направлении междисковой щели (22). Поскольку внутренние поверхности отражателей представляют собой обратные конусы, попадающие на них капли теплоносителя также затягиваются в междисковую щель (22) за счет воздействия центробежных сил (сразу либо через перепускные окна). В целом, предлагаемая структура представляет собой центробежный лабиринт, обеспечивающий полный 100% захват любых капельных струй, попадающих внутрь входного отверстия ЗУ внутри телесного угла, определяемому углом налета α (углом между направлением движения капельного потока и осью ЗУ, см. рис. 4).
Кромка отражателей, обращенная к капельному потоку, должна быть достаточно острой для предотвращения обратного отскока капель, попавших в край кромки. То же самое относится к вершине центрального дефлектора.
При увеличении диаметра входного отверстия ЗУ для обеспечения захвата капельного потока больших поперечных размеров, можно использовать несколько внутренних отражателей.  В этом случае все внутренние отражатели представляют собой соосные полые усеченные криволинейные конусы с эквидистатными поверхностями, установленные на нижнем диске рабочего колеса и отличающиеся только диаметрами оснований.  При этом приведенная выше логика движения капель сохраняется.
Для захвата капельного потока малых поперечных размеров внутренний отражатель можно исключить. При этом отраженные капельные струи направляются в направлении междисковой щели за счет взаимодействия с поверхностями центрального дефлектора и внешнего отражателя.
К основным преимуществам предлагаемого заборного устройства относятся:
- полный 100% захват любых капельных потоков, попадающих во входное отверстие ЗУ как параллельно оси заборного устройства, так и под некоторым углом налета, определяемым конструкцией ЗУ;
- полный 100% захват отраженных капель любого происхождения;
- высокая производительность ЗУ, что позволяет выполнять одновременный захват нескольких индивидуальных капельных потоков;
- высокий выходной напор, что дает возможность подавать сплошной выходной поток теплоносителя обратно в теплообменный контур холодильника без использования преднасоса.
- ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
- [1] Конюхов Г.В., Коротеев А.А. “Капельный холодильник-излучатель”, Патент РФ № 2401778.
- [2] 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.
- [3] “Коллектор для жидкостного капельного холодильника”. Заявка США на изобретение № US 19900486346 А.
- [4] Экспресс-отчет по космическому эксперименту “Исследование гидродинамики и теплопередачи монодисперсных капельных потоков в условиях микрогравитации”, шифр “Капля-2”, №051-12/19-14, ГНЦ ФГУП “Центр Келдыша”, ОАО “РКК “Энергия” им. С.П. Королева, 2014.
- [5] Е.В. Аметистов, А.С. Дмитриев. Монодисперсные системы и технологии. М.: Издательство МЭИ, 2002.
- [6] В.А. Бендерович, Э.Д. Лунаци, А.В. Ноздрин. “Ламинарные насосы и новые технологические возможности”, Экспозиция Нефть Газ 3(49), 2016.