ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР ДЛЯ НАГРЕВА РАБОЧЕГО ТЕЛА
HEAT ACCUMULATOR FOR WORKING MEDIUM HEATING

Изобретение относится к устройствам для нагрева газового потока с использованием аккумулирования тепловой энергии. В частности, в энергодвигательных установках космических летательных аппаратов требуется тепловой аккумулятор (ТА) для периодического накопления тепловой энергии с последующим нагревом протекающего через ТА рабочего тела, например водорода. На режиме накопления тепловой энергии ТА может использовать сконцентрированную энергию солнечного излучения или омические нагреватели, питающиеся от бортового источника электроэнергии.
Известен ТА для нагрева рабочего тела, содержащий осесимметричный теплоаккумулирующий блок с продольными каналами в виде радиальных пазов. В каждом канале установлен защитный элемент, выполненный в виде тонкостенного полого вкладыша, повторяющего форму паза, внутри которого протекает рабочее тело (см. патент РФ №2172450, МКИ 7 F24H 7/00, опубл. 20.08.2001 г.. бюлл. №23). Конструкция трактов ТА по рабочему телу требует применения на входе и выходе герметичных фасонно-сварных коллекторов с тонкостенными вкладышами радиальных каналов из тугоплавких материалов, например вольфрама, рения или молибдена. При этом металлические коллекторы и вкладыши не участвуют в процессе накопления и отдачи тепла к рабочему телу из-за своей малой теплоемкости, однако их масса соизмерима с массой теплоаккумулирующего вещества.
Известен ТА для нагрева рабочего тела, содержащий теплоаккумулирующий блок, составленный из набора теплоаккумулирующих модулей с образованием центральной полости для подвода тепловой энергии, в котором теплоаккумулирующие модули выполнены осесимметричными и состоящими из соизмеримых по массе внешнего и внутреннего элементов, между которыми образована кольцевая щель для протока рабочего тела, а каналы подвода рабочего тела подсоединены к входному коллектору, каналы отвода рабочего тела подсоединены к выходному несущему коллектору (см. патент РФ №2244187, МПК 7 F24H 7/00, опубл. 20.02.2004 г., бюлл. №5). При этом модули и коллектор вывода могут быть выполнены из графита, на внутренние стенки каналов для протока рабочего тела могут быть нанесены защитные покрытия. Указанное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому и принято за прототип.
Недостатками прототипа является следующее. Каждый модуль крепится к коллектору вывода посредством шести резьбовых стяжек, которые в силу требуемых температур нагрева рабочего тела ~2000 К выполнены из молибдена. При первоначальном разогреве ТА и его термобароциклировании при работе (охлаждение при продувке водородом при рабочем давлении - нагрев при накоплении тепла при окружающем вакууме) происходит ослабление и циклическое изменение усилия стягивания из-за различных коэффициентов термического расширения материалов - графита и молибдена. Ослабление и изменение усилия стягивания графитовых деталей приводит к более легкому доступу горячего водорода к уплотнительным элементам, особенно при их больших радиальных размерах, и возможному более быстрому разъеданию последних при ресурсном функционировании ТА. За время работы в космосе, например, при переходе с низкой опорной орбиты на геостационарную, ТА может реализовывать до 300 циклов с разогревом - охлаждением и изменением давления в тракте. Сквозное разъедание любого из уплотнительных элементов приводит к разгерметизации водородного тракта и выходу ТА из строя.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение безотказности и надежности ресурсного функционирования ТА с одновременным уменьшением его массы.
Для решения поставленной задачи предложен ТА, который содержит теплоаккумулирующий блок, составленный из набора теплоаккумулирующих модулей с уплотнительными элементами, коллектор и патрубки ввода рабочего тела, коллектор и патрубок вывода рабочего тела, теплоизоляцию, силовую раму. Каждый теплоаккумулирующий модуль и соответствующее ему посадочное гнездо в коллекторе вывода рабочего тела снабжены направляющим участком и резьбой, расположенными перед уплотнительным элементом со стороны коллектора вывода рабочего тела. При этом зазоры между каждым модулем и соответствующим ему посадочным гнездом в коллекторе вывода рабочего тела на направляющих участках и резьбах заполнены клеем. Клей выбирается с термостойкостью, которая превышает температуру нагрева рабочего тела.
Коллектор вывода рабочего тела может быть выполнен в виде диска, в котором все посадочные гнезда для модулей соединены внутренними каналами с посадочным гнездом для патрубка вывода рабочего тела.
Силовая рама ТА может быть выполнена в виде каркасной конструкции из низкотеплопроводного термостойкого материала и соединена с коллектором вывода рабочего тела со стороны патрубка вывода рабочего тела.
Патрубок вывода рабочего тела и соответствующее ему посадочное гнездо в коллекторе вывода рабочего тела могут быть снабжены направляющим участком и резьбой, расположенными перед уплотнительным элементом со стороны коллектора вывода рабочего тела, при этом зазор между патрубком вывода и соответствующим ему посадочным гнездом в коллекторе вывода рабочего тела на направляющем участке и резьбе заполнен клеем, термостойкость которого превышает температуру нагрева рабочего тела.
Каждая заглушка внутреннего канала, выходящего на внешнюю поверхность коллектора вывода рабочего тела, и соответствующее ей посадочное гнездо в коллекторе вывода рабочего тела могут быть снабжены направляющим участком и резьбой, расположенными перед уплотнительным элементом со стороны коллектора вывода рабочего тела, при этом зазоры между каждой заглушкой и соответствующим ей посадочным гнездом в коллекторе вывода рабочего тела на направляющих участках и резьбах заполнены клеем, термостойкость которого превышает температуру нагрева рабочего тела.
Уплотнительные элементы теплоаккумулирующих модулей, патрубка вывода рабочего тела, заглушек внутренних каналов коллектора вывода рабочего тела могут быть выполнены из терморасширенного графита.
Теплоаккумулирующие модули, коллектор и патрубок вывода рабочего тела, заглушки внутренних каналов коллектора вывода рабочего тела могут быть выполнены из материалов, обладающих близкими значениями коэффициента термического расширения.
Теплоаккумулирующие модули, коллектор и патрубок вывода рабочего тела, заглушки внутренних каналов коллектора вывода рабочего тела могут быть выполнены из силицированного графита.
Повышение безотказности и надежности ресурсного функционирования ТА обеспечивают замоноличиванием собираемой конструкции теплоаккумулирующего блока с помощью термостойкого клея. Соединение каждой пары: модуль-коллектор вывода рабочего тела, выполняют с помощью резьбы и направляющего участка. Усилие стягивания остается постоянным, не изменяющимся при начальном разогреве ТА и его термобароциклировании во время работы. Герметичность обеспечивают уплотнительные элементы. Доступ горячего водорода к уплотнительным элементам затруднен, так как все зазоры между каждым модулем и соответствующим ему посадочным гнездом в коллекторе вывода рабочего тела на направляющих участках и резьбах заполнены клеем. Даже если в клее останется свищ, то во время продувки ТА из тракта горячего водорода сквозь свищ будет проникать значительно меньшее количество горячего водорода, чем через все поперечное сечение зазора в месте соединения каждого модуля с коллектором вывода рабочего тела. При 100%-ном заполнении каждого зазора клеем эффект защиты уплотнительных элементов усиливается дополнительно.
Выполнение выходного коллектора в виде диска позволяет уменьшить количество мест стыковки и уплотнений по тракту вывода горячего водорода, так как отпадает необходимость в поперечной коллекторной пластине, что также повышает надежность ТА.
Выполнение патрубка вывода рабочего тела, заглушек внутренних каналов коллектора вывода рабочего тела и самого коллектора с тем же набором отличительных конструктивных элементов, что и при соединении модулей с коллектором вывода рабочего тела, также повышает надежность ТА. Однако из-за меньших радиальных размеров и, в некоторых случаях, по эксплуатационным требованиям и патрубок, и заглушки могут быть выполнены по-иному.
Выполнение всех уплотнительных элементов из терморасширенного графита повышает надежность ТА. Это происходит не только за счет лучшей герметизации внутреннего тракта ТА из-за наличия у терморасширенного графита остаточной микроупругости в готовом изделии, но и за счет того факта, что горячий водород, проникая сквозь свищ в клее к уплотнительному элементу, образует с графитом метан, и последний препятствует дальнейшему поступлению новых партий водорода сквозь свищ в зону реагирования.
Выполнение модулей, коллектора и патрубка вывода рабочего тела, заглушек внутренних каналов коллектора вывода из материалов, обладающих близкими значениями коэффициента термического расширения, повышает надежность ТА, т.к. при разогреве ТА и его термоциклировании возникающие термические напряжения из-за разности линейных удлинений в соединяемых парах: модуль-коллектор вывода, заглушка-коллектор вывода, патрубок и коллектор вывода, будут минимальными.
Выполнение модулей, коллектора и патрубка вывода рабочего тела, заглушек внутренних каналов коллектора вывода из силицированного графита сводит до нуля все термические напряжения в соединяемых парах и, кроме того, значительно повышает безотказность и надежность ресурсного функционирования ТА вследствие своей повышенной стойкости в горячем водороде, достаточной для вырабатывания заданного ресурса ТА.
Одновременно с повышением безотказности и надежности ресурсного функционирования ТА происходит уменьшение массы ТА, что также имеет положительное значение для аппаратов космического применения. Уменьшение массы ТА происходит за счет следующего: отказ от молибденовых болтов при стягивании графитовых элементов конструкции ТА; отказ от шестигранных приливов под резьбовые гнезда в нижней части каждого модуля; отказ от поперечной пластины коллектора вывода рабочего тела; выполнение силовой рамы в виде каркасной конструкции, т.е. отказ от молибденовых фланцев и болтов на верхнем конце стоек, от стальных бобышек, гаек и листовой сварной рамы на нижнем конце стоек.
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется чертежами: на фиг.1 представлен продольный разрез ТА, на фиг.2 - вид снизу ТА, на фиг.3 - узел I фиг.1, на фиг.4 - узел II фиг.1, на фиг.5 - узел III фиг.1.
Теплоаккумулирующий блок ТА (см. фиг.1 и 2) составлен из набора осесимметричных теплоаккумулирующих модулей 1 с образованием центральной полости 2 для подвода тепловой энергии (на чертеже она занята электрическим нагревателем). Теплоаккумулирующий модуль 1 состоит из внутреннего 3 и внешнего 4 элементов, между которыми образована кольцевая щель 5 для протока рабочего тела. Трубопроводы 6 подвода рабочего тела подсоединены к входному коллектору 7 с патрубком 8 ввода рабочего тела. Теплоаккумулирующие модули 1 крепятся к коллектору 9 вывода рабочего тела, к которому с другой стороны присоединен патрубок 10 вывода рабочего тела. В коллекторе 9 вывода рабочего тела выполнены внутренние каналы 11 с заглушками 12 со стороны внешней поверхности коллектора 9. Силовая рама 13 выполнена в виде каркасной конструкции и соединена с коллектором 9 вывода рабочего тела во стороны патрубка вывода 10. Теплоизоляция 14 окружает с внешней стороны теплоаккумулирующий блок ТА.
На фиг.3 каждый модуль 1 (3-4-5) и соответствующее ему посадочное гнездо 15 в коллекторе 9 вывода рабочего тела снабжены направляющим участком 16 и резьбой 17, расположенными перед уплотнительным элементом 18 со стороны коллектора 9 вывода рабочего тела. Зазор между каждым модулем 1 (3-4-5) и соответствующим ему посадочным гнездом 15 в коллекторе 9 вывода рабочего тела на направляющем участке 16 и резьбе 17 заполнен клеем 19.
На фиг.4 патрубок 10 вывода рабочего тела и соответствующее ему посадочное гнездо 20 в коллекторе 9 вывода рабочего тела снабжены направляющим участком 21 и резьбой 22, расположенными перед уплотнительным элементом 23 со стороны коллектора 9 вывода рабочего тела. Зазор между патрубком 10 вывода рабочего тела и соответствующим ему посадочным гнездом 20 в коллекторе 9 вывода рабочего тела на направляющем участке 21 и резьбе 22 заполнен клеем 24.
На фиг.5 каждая заглушка 12 внутреннего канала 11, выходящего на внешнюю поверхность коллектора 9 вывода рабочего тела, и соответствующее ей посадочное гнездо 25 в коллекторе 9 вывода рабочего тела снабжены направляющим участком 26 и резьбой 27, расположенными перед уплотнительным элементом 28 со стороны коллектора 9 вывода рабочего тела. Зазор между каждой заглушкой 12 и соответствующим ей посадочным гнездом 25 в коллекторе 9 вывода рабочего тела на направляющем участке 26 и резьбе 27 заполнен клеем 29.
Функционирование предлагаемой конструкции ТА происходит следующим образом (см. фиг.1). Тепловая энергия из центральной полости 2 распространяется между модулями 1. При этом происходит накопление тепловой энергии с подъемом температуры всех модулей 1 до заданного значения. Теплоизоляция 14 и силовая рама 13 из низкотеплопроводного термостойкого материала препятствуют потерям тепловой энергии. (Это режим заряда ТА). Затем включается подача рабочего тела через патрубок ввода 8 и коллектор ввода 7 и начинается продувка ТА рабочим телом, которое нагревается до заданной температуры, проходя сквозь модули 1. С течением времени продувки температура рабочего тела начинает снижаться одновременно со снижением температуры ТА до допустимых пределов в конце продувки. Нагретое рабочее тело через коллектор вывода 9 и патрубок вывода 10 поступает, например, в двигательную установку космического аппарата. (Это режим разряда ТА). Циклы повторяются по заданной программе.
Во время продувки ТА водородом поднимается давление во внутреннем тракте ТА до рабочего значения. В этот момент горячий водород через возможные мелкие свищи проникает сквозь клей 19 в резьбе 17 и на направляющем участке 16 к уплотнительному элементу 18, изготовленному из терморасширенного графита. Взаимодействуя с графитом, водород образует микродозу метана, который далее препятствует проникновению следующих порций водорода, поскольку, с одной стороны, метан удерживается уплотнительным элементом 18, с другой стороны, мелкие свищи в клее 19 заполнены водородом. Далее во времени водород может только посредством диффузии проникать в метановую зону, в которой давление метана начинает превышать давление водорода в тракте ТА - каналы 11 и кольцевые щели 5.
При конкретном исполнении ТА модули 1, коллектор 9 и патрубок 10 вывода рабочего тела, заглушки 12 изготавливают из силицированного графита, обладающего повышенной стойкостью в горячем водороде, достаточной для обеспечения требуемого ресурса ТА. Уплотнительные элементы 18, 23, 28 изготавливают из терморасширенного графита, обладающего остаточной микроупругостью в готовом изделии. Эти элементы обеспечивают герметичность теплоаккумулирующего блока. При сборке зазоры 19, 24, 29 заполняют клеем, стойким до 2000°С. Клей обеспечивает замоноличивание теплоаккумулирующего блока и одновременно затрудняет доступ горячего водорода к уплотнительным элементам 18, 23, 28. При этом герметичность по клею не требуется.
Проработка конструкции ТА сравнительно с прототипом тех же параметров: энергоемкость 270 МДж, расход водорода 13 г/с, продолжительность продувки водородом 900 с, давление водорода 1,0 МПа, средняя температура водорода за время продувки 2000 К, количество модулей 18, масса одного модуля 8 кг при длине теплообменного участка 700 мм, дает заметное снижение массы ТА по сравнению с прототипом. При этом экономится 7,2 кг за счет отказа от молибденовых болтов M10×70 мм для стягивания модулей и пластин коллектора вывода, 16,0 кг при отказе от поперечной коллекторной пластины, 1,1 кг за счет удаления шестигранных приливов под резьбовые гнезда в нижней части каждого модуля, 3,2 кг за счет применения силовой рамы в виде каркасной опорной конструкции, изготовленной из углерод-углеродного материала, с отказом от молибденовых фланцев и болтов и стальных бобышек и гаек. Суммарное снижение массы ТА по сравнению с прототипом равно 27,5 кг, что составляет заметную величину, например, от массы всех 18 модулей, равной 144 кг.
Таким образом, предложенная конструкция теплового аккумулятора позволяет повысить безотказность и надежность ресурсного функционирования ТА при одновременном снижении массы ТА.