Система терморегулирования на базе двухфазного теплового контура
THERMAL CONTROL SYSTEM ON THE BASIS OF THE TWO-PHASE THERMAL CIRCUIT

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к системам терморегулирования на базе двухфазного теплопередающего контура в виде замкнутой испарительно-конденсационной системы с капиллярным насосом, и может быть использовано в различных теплопередающих устройствах, применяемых в космической и других областях техники с целью охлаждения оборудования в условиях повышенных требований к расстоянию тепломассопереноса и величине передаваемой тепловой нагрузки.
Известны устройства, применяемые для охлаждения тепловыделяющего оборудования, работа которых построена на принципе действия замкнутых испарительно-конденсационных систем с капиллярным насосом (патент РФ 2474780, приоритет от 18.10.2011).
В конструкциях вышеназванных устройств присутствует не менее одного испарителя и не менее одного конденсатора, а также паропровод, конденсатопровод и резервуар, либо компенсационная полость. Внутри испарителей этих устройств содержится капиллярно-пористая структура (капиллярно-пористая насадка, КПН), которая физически отделяет зону подвода тепла, где генерируется пар, от зоны подпитки испарителя жидким теплоносителем. При этом, любая конструкция испарителя с капиллярно-пористой структурой, должна обеспечивать выполнение четырех функций, а именно: капиллярного насоса, парогенератора, гидравлического затвора и теплового затвора.
Появление контурных тепловых труб (КнТТ) (патент РФ 2079081, приоритет от 08.12.1994) существенно расширило диапазон применения устройств реализующих капиллярные силы для циркуляции теплоносителя. Повышенный капиллярный напор, развиваемый в испарителях КнТТ, позволил эффективно применять эти двухфазные контура для обеспечения работы систем терморегулирования (СТР) при существенном превышении места установки испарителя над конденсатором в условиях гравитации (что бывает необходимо, в частности, для наземной отработки теплопередающих устройств космического назначения), а также стало возможным изготавливать транспортные каналы, не имеющие внутренней капиллярной структуры, различной конфигурации и длины, делать их гибкими и с относительно малым внутренним сечением.
Тем не менее, в существующих СТР на базе двухфазного теплового контура, заправляемых, например, аммиаком (наиболее широко применяемым теплоносителем), капиллярный напор развиваемый испарителем/капиллярным насосом, как правило, не превышает уровня ~0.5атм и, следовательно, для некоторого заданного расхода теплоносителя сумма всех гидравлических потерь при движении теплоносителя в замкнутом циркуляционном контуре не может превысить данной величины. Указанный факт делает неэффективным использование СТР данного типа для передачи тепла на существенные расстояния (например, свыше 10 метров).
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является СТР, в которой механический насос используется в (гибридном) двухфазном контуре для поддержки работы капиллярных насосов на рабочих режимах за пределами их возможностей (патент US Patent №5103897, опубликованный 14.04.1992). При этом, механический насос установлен в линии возврата конденсата. Напор, развиваемый указанным насосом, позволяет повысить предельную передаваемую тепловую нагрузку в циркуляционном контуре и/или увеличить дистанцию между испарителем и конденсатором. Такой насос наиболее эффективен для обеспечения работы испарителя, который расположен выше конденсатора, в условиях гравитации.
Однако известно, что во многих практических случаях применения контуров с капиллярными насосами основная часть гидродинамических потерь, приходятся на паропровод, в связи с чем установкой механического насоса в линии возврата конденсата указанную проблему решить не удается. Установка насоса в конденсатопроводе позволяет компенсировать гидравлические потери в нем, в частности, гидростатическое давление жидкой фазы теплоносителя, однако, потери давления «по пару» с помощью такого насоса не компенсируются, а это не позволит существенно разнести испаритель и конденсатор друг от друга. Решение указанной технической задачи приобретает еще большую актуальность, если необходимо существенно увеличить расстояние между зонами подвода и отвода тепла, либо сделать транспортные участки СТР (паропровод и конденсатопровод) более компактными.
Необходимость удалить друг от друга испаритель и конденсатор возникает, например, в космических аппаратах, у которых место установки тепловыделяющего оборудования, в связи с компоновочными ограничениями, находится на значительном расстоянии от радиационных теплообменников (РТО), рассеивающих тепло в космос. При этом, если охлаждаемое оборудование начинает рассеивать пиковую тепловую нагрузку, например, при включении мощных передатчиков, лазерных устройств и двигательных установок и т.п., располагаемого максимального движущего напора капиллярных насосов может оказаться недостаточно. Необходимость в «поддержке» работы капиллярных насосов может появиться также в соответствующих системах наземного обеспечения теплового режима бортовых изотопных источников энергии, требующих постоянного охлаждения после их установки на космические аппараты (КА).
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение эффективности отвода тепла от охлаждаемого объекта посредством компенсации потерь напора в двухфазном контуре системы охлаждения, увеличение допустимого расстояния тепломассопереноса между зонами подвода и отвода тепла, а также обеспечение возможности использования двухфазного теплопередающего контура в условиях компоновочных ограничений.
Указанная задача обеспечивается тем, что в отличие от известной системы терморегулирования на базе двухфазного теплопередающего контура, содержащей испаритель с капиллярно-пористой насадкой и компенсационной полостью, контактирующий с термостатируемым оборудованием и приборами, у которого выход посредством паропровода подсоединен к входу конденсатора, контактирующего с радиатором-охладителем, а выход конденсатора посредством конденсатопровода соединен с входом испарителя, при этом система снабжена устройством для механической прокачки теплоносителя, новым является то, что устройство для механической прокачки теплоносителя выполнено в виде компрессора, установленного в паропроводе на выходе испарителя, причем управляющий вход компрессора подключен к блоку управления.
Кроме того, система снабжена датчиками давления, установленными на входе и выходе испарителя, и регулируемыми вентилями, установленными в паропроводе на входе и выходе компрессора, при этом выходы датчиков давления и управляющие входы вентилей подключены к блоку управления.
Кроме того, вход компрессора подсоединен к выходу компрессора посредством байпасого трубопровода, в котором установлен регулируемый вентиль, управляющий вход которого подключен к блоку управления
Кроме того, устройство для механической прокачки теплоносителя выполнено в виде инверторного компрессора, обеспечивающего плавную настройку производительности.
Кроме того, система снабжена дополнительным устройством для механической прокачки теплоносителя, выполненным в виде насоса, установленного в конденсатопроводе на входе испарителя.
Кроме того, в конденсатопроводе установлен дроссельный клапан.
Кроме того, в паропроводе установлены дополнительные компрессоры.
Кроме того, параллельно испарителю с капиллярно-пористой насадкой установлен дополнительный проточный испаритель с вентилем, управляющий вход которого подключен к блоку управления.
Применение компрессора, установленного в паропроводе на выходе испарителя, и подключение управляющего входа компрессора к блоку управления, позволяет, при необходимости, по команде блока управления компенсировать все гидравлические сопротивления на пути циркуляции теплоносителя, кроме сопротивления капиллярной структуры самой КПН.
Снабжение системы датчиками давления, установленными на входе и выходе испарителя, и регулируемыми вентилями, установленными в паропроводе на входе и выходе компрессора, у которых выходы датчиков давления и управляющие входы вентилей подключены к блоку управления, позволяет по показаниям датчиков давления осуществлять регулировку давления в системе, посредством изменения оборотов компрессора и пропускной способности вентилей, устанавливая расход и напор в компрессоре таким образом, чтобы разность давлений на входе и выходе испарителя была минимальной (т.е. капиллярный напор используется только для обеспечения движения жидкости в КПН).
Подсоединение входа компрессора к выходу компрессора посредством байпасого трубопровода, в котором установлен регулируемый вентиль, управляющий вход которого подключен к блоку управления, позволяет, при необходимости, отключать и подключать компрессор без нарушения пропускной способности системы, например, при охлаждении импульсного источника мощности, что расширяет регулировочные возможности системы.
Использование инверторного компрессора обеспечивает возможность плавной настройки производительности.
Снабжение системы дополнительным устройством для механической прокачки теплоносителя, выполненным в виде насоса, установленного в конденсатопроводе на входе испарителя, позволяет повысить предельную передаваемую тепловую нагрузку в циркуляционном контуре и/или увеличить дистанцию между испарителем и конденсатором при расположении испарителя выше конденсатора в условиях гравитации.
Установка в конденсатопроводе дроссельного клапана позволяет упростить регулировку пропускной способности системы и обеспечивает возможность применения контура в режиме холодильного цикла.
Установка в паропроводе дополнительных компрессоров позволяет повысить предельную передаваемую тепловую нагрузку в циркуляционном контуре и/или увеличить дистанцию между испарителем и конденсатором, что особенно актуально для условий невесомости.
Снабжение системы дополнительным проточным испарителем (без КПН) с вентилем, управляющий вход которого подключен к блоку управления, и установка указанного испарителя параллельно испарителю с капиллярно-пористой насадкой, позволяет расширить функциональные возможности системы в случае, когда необходимо достичь увеличения холодильного эффекта.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
Фиг. 1 - принципиальная схема системы терморегулирования на базе двухфазного теплового контура с компрессором, установленным в паропроводе;
Фиг. 2 - принципиальная схема системы терморегулирования на базе двухфазного теплового контура с компрессором, установленным в паропроводе, и байпасной линией, дублирующей компрессор;
Фиг. 3 - рабочая диаграмма системы терморегулирования.
Предлагаемая система терморегулирования выполнена на базе двухфазного теплового контура и содержит испаритель 1 с капиллярно-пористой насадкой 2 и компенсационной полостью 3, контактирующий с термостатируемым оборудованием и приборами. Выход испарителя 1 посредством паропровода 4 подсоединен к входу конденсатора 5, контактирующего с радиатором-охладителем 6, а выход конденсатора 5 посредством конденсатопровода 7 соединен с входом испарителя 1 (со стороны компенсационной полости 3). Система снабжена устройством для механической прокачки теплоносителя, выполненным в виде компрессора 8, установленного в паропроводе 4 на выходе испарителя 1. Управляющий вход компрессора 8 подключен к блоку управления 9. Кроме того, система может быть снабжена датчиками давления 10, 11, установленными (соответственно) на входе и выходе испарителя 1, и регулируемыми вентилями 12, 13 для настройки режима работы компрессора, установленными в паропроводе 4 на входе и выходе компрессора 8. Выходы датчиков давления 10, 11 и управляющие входы вентилей 12, 13 подключены к блоку управления 9, с помощью которого, по показаниям имеющихся датчиков давления, автоматически настраивается режим работы компрессора 8. Компрессор может дублироваться байпасным трубопроводом 14, соединяющим вход и выход компрессора, при этом в трубопроводе установлен регулируемый вентиль 15, управляющий вход которого подключен к блоку управления 9. Устройство для механической прокачки теплоносителя может быть выполнено в виде инверторного компрессора, обеспечивающего плавную настройку производительности. Система может быть снабжена дополнительным устройством для механической прокачки теплоносителя, выполненным в виде насоса, установленного в конденсатопроводе на входе испарителя. Кроме того, в конденсатопроводе может быть установлен дроссельный клапан 16, а в паропроводе - дополнительные компрессоры 17. Так же система может быть снабжена дополнительным проточным испарителем 18 с вентилем 19, управляющий вход которого подключен к блоку управления 9, при этом дополнительный испаритель 18 установлен параллельно испарителю 1 с капиллярно-пористой насадкой.
Работа системы начинается с ее настройки, в процессе которой по командам с блока управления, изменяя обороты компрессора и позицию вентилей, регулируют расход и напор теплоносителя в компрессоре, устанавливая их таким образом, чтобы разность давлений на входе и выходе испарителя была минимальной, т.е. капиллярный напор должен использоваться только для поддержки (обеспечения) движения жидкости внутри КПН, а все остальные потери «компенсируются» компрессором. Формально, принцип подбора рабочего режима компрессора можно выразить соотношениями
comp
ν
c
L
КПН
P≈dP+dP+dP и Pc>dP
где
Рс - развиваемый капиллярный напор, Па
comp
P - напор создаваемый компрессором, Па
ν
dP - потери напора в паропроводе, Па
c
dP - потери напора в конденсаторе, Па
L
dP - потери напора в конденсатопроводе, Па
КПН
dP потери напора в КПН, Па
Работу СТР иллюстрирует диаграмма, широко применяемая в литературе для объяснения принципа действия обычных КнТТ (Фиг. 3).
На данной диаграмме рассматривается одна линия Ps=f(Ts) поскольку испарение и конденсация происходят в КнТТ при очень близких уровнях давления и температуры. Ломаная линия условно отражает переход теплоносителя из одного состояния в другое при его циркуляции по контуру. Обозначены участки, которые характеризуют:
«а-b» - потери напора при движении теплоносителя от внешней поверхности капиллярного насоса до всасывающего патрубка компрессора;
«b-c» - напор создаваемый компрессором (перекачивающим пар устройством);
«с-d» - потери напора от выхлопного патрубка компрессора до входа в конденсатор;
«d-е» - потери напора в конденсаторе;
«e-f» - потери напора в конденсатопроводе;
«f» - точка смешения конденсата с насыщенным теплоносителем в резервуаре;
«f-g» - потери напора при движении жидкого теплоносителя в капиллярно-пористой насадке от внутренней поверхности (впитывающей) до внешней поверхности (парогенерирующей);
dP - перепад давлений который рекомендуется минимизировать с помощью компрессора.
comp
Рабочий цикл протекает следующим образом. На поверхности КПН при некотором давлении, которому соответствует точка «a», пар выходит из испарителя. В паропроводе с помощью компрессора давление пара поднимается от точки «b» до точки «c» (на величину развиваемого напора, P), что позволяет покрыть все потери в паропроводе «с-d», конденсаторе «d-е» и почти все в конденсатопроводе «е-f». Задача компрессора держать близкими значения давлений в точке «а» и точке «f». Из компенсационной полости теплоноситель попадает в капиллярно-пористую насадку, где давление понижается до точки «g». Скачок давления «g-а» покрывается рабочим капиллярным напором развиваемым КПН.
Для устойчивого режима работы системы необходимо чтобы расход генерируемого пара соответствовал расходу пара, проходящему через компрессор. При этом, надо обеспечить также заданный напор компрессора. Относительно непростую регулировку режима работы компрессора наиболее эффективно осуществлять, одновременно, с помощью вентилей и с помощью изменения оборотов постоянно работающего компрессора, для чего эффективнее использовать инверторный компрессор.
Поскольку компрессор, установленный в контуре, совершает работу на сжатие и перемещение теплоносителя, эффективная поверхность конденсатора должна быть увеличена, т.е. конденсатор должен отвести тепло подводимое к испарителю, плюс, тепло созданное в результате совершенной работы.
Применение компрессора для поддержки работы капиллярного насоса отличается от применения компрессора в обычном холодильнике. Главным образом, это относится к тому, что конденсат, поступающий в компенсационную полость, должен иметь паросодержание равное нулю, а, кроме того, сконденсированный теплоноситель должен быть переохлажден, т.е. иметь температуру ниже температуры насыщения в испарителе. Учитывая, что установленный в системе компрессор делает напор давлений на КПН минимальным - проникающий тепловой поток из испарителя в компенсационную полость через КПН будет также минимален, поэтому требуемое переохлаждение конденсата в (предлагаемой СТР) будет меньше, чем у традиционных КнТТ.
В целом, условия стабильной работы являются схожими для традиционной КнТТ и для предлагаемой системы, однако, во втором случае появляется возможность задавать геометрические характеристики внешнего контура, опираясь на производительность компрессора, а геометрические характеристики испарителя можно выбирать из расчета того, что весь капиллярный напор можно реализовать для транспорта теплоносителя в КПН.
Одним из вариантов применения предлагаемой СТР может служить обеспечение охлаждения импульсного источника мощности.
При низких значениях мощности такого источника (в дежурном режиме) компрессор выключен и циркуляция осуществляется обычным образом, благодаря наличию в устройстве капиллярного насоса. Для снижения гидравлических потерь, при необходимости, компрессор м.б. «байпасирован» (как показано на Фиг. 2).
Увеличение мощности источника, приводящее к достижению предельного режима работы капиллярного насоса, и дальнейшее повышение этой мощности должно сопровождаться (предварительным) включением компрессора, который фактически будет «помогать» капиллярному насосу на весь период применения повышенной мощности. После возвращения в дежурный режим компрессор может быть выключен.
При определенных расстояниях между источником и стоком тепла решение задачи переноса тепла одним лишь капиллярным насосом не представляется возможным и в этом случае компрессор будет незаменимым средством, обеспечивающим циркуляцию теплоносителя и решение задачи транспорта тепла, в принципе.
Наращивание движущего (теплоноситель) напора с помощью нескольких последовательно установленных капиллярных насосов нереализуемо (т.к. на входе в капиллярный насос нужна жидкость), в то время как последовательная установка (динамических) компрессоров для данной задачи вполне доступна и позволяет дополнительно удалять друг от друга источник и сток тепла, соединенные с помощью транспортных трубопроводов.
Применение насоса в жидкостном канале циркуляционного контура неспособно компенсировать потери напора в паровом канале. В редких случаях (когда компенсационная полость полностью «затоплена» жидкой фазой охлажденного теплоносителя) жидкостной насос позволит компенсировать гидропотери по жидкости, также и в самом капиллярном насосе. Таким образом, одновременное применение насоса и компрессора дополнительно повысит теплотранспортные возможности предлагаемой СТР.
Установка дроссельного клапана (или капиллярной трубки) в конденсатопроводе системы позволяет организовать ее работу в режиме холодильного цикла. Однако, в случае если в испаритель начнет поступать теплоноситель имеющий ненулевое паросодержание подпитка КПН жидкостью может стать нестабильной. Наличие параллельного проточного испарителя, при переключении на него, позволит работать рассматриваемой системе по холодильному циклу в более широком диапазоне.
Предлагаемая система терморегулирования позволяет повысить эффективность отвода тепла от охлаждаемого объекта, а также обеспечивает возможность увеличения допустимого расстояния тепломассопереноса между зонами подвода и отвода тепла, что позволяет использовать разработанную систему терморегулирования в условиях компоновочных ограничений, как в составе КА, так и при проведении наземных испытаний.