Лекция 3 Компактные теплообменные аппараты

Для радиоэлектронной, вычислительной и криогенной техники, авиации и космонавтики характерно использование особого типа теплообменных аппаратов – компактных, таких как тепловые трубы, матричные, капельные (смесительные теплообменные аппараты (СМ ТОА) и струйно-капельные излучатели (СКИ)) и др. При их создании и расчете необходимо учитывать не только особенности, характерные для данного типа теплообменника, но и условия, в которых теплообменник работает.

В качестве поверхности теплообмена в таких ТОА используются монодисперсные потоки капель, в которых капли должны иметь одинаковые размеры, скорости, интервал между каплями и они должны двигаться в одном направлении. Монодисперсность потока обеспечивает равномерность охлаждения потока капель и делает более простыми и предсказуемыми методы расчета капельных ТОА, но в то же время предъявляет более жесткие требования к конструкции генераторов капель таких теплообменников.

Особенности теплообмена в космосе. Космический летательный аппарат – сложное устройство, предназначенное для автономного функционирования в очень жестких тепловых условиях космического пространства. Одним из труднейших вопросов при решении проблемы космического летательного аппарата – сброс теплоты в космос. Энергетические системы Земли способны использовать текущие массы воздуха или воды для отвода и рассеяния отработанной энергии. В космосе таких текущих масс не существует и единственным механизмом для отвода теплоты является излучение. Излучатели в зависимости от источника теплоты (экипаж, аппаратура или энергоустановка) могут применяться для обеспечения следующих основных задач:

А) регулирования или поддержания необходимого температурного режима в приборных отсеках или в кабине экипажа (температурный интервал 290..450 К);

Б) отвода отработанной теплоты из цикла энергетических установок (470..1070 К);

В) отвода теплоты из системы охлаждения наиболее напряженных узлов двигательных установок (1250 К и более).

Излучатели для задач типа «А» будут более низкотемпературными, а для задач типа «В» - наиболее высокотемпературными. От области применения зависит также положение излучателя по отношению к направлению солнечных лучей. Так, для задач типа «А» это положение решающее, поскольку для систем теплоотвода от жизнеобеспечивающих и приборных устройств тепловые потоки в излучателе имеют порядок солнечного, поэтому учет солнечного облучения и ориентировка излучателя к Солнцу очень важны.

Существенным недостатком излучателей трубчато-пластинчатого типа с поверхностью в десятки и сотни квадратных метров остается опасность их метеоритного повреждения. Для снижения её в излучателях обычно предусматриваются следующие меры: увеличение толщины стенок каналов, экранирование их дополнительными оболочками, уменьшение площади поверхности автономной секции излучателя, введение резервных секций для замены поврежденных в процессе эксплуатации летательного аппарата.

Струйно-капельный излучатель. Наряду с СМ ТОА в некоторых конструктивных схемах, отводящих теплоту, отказываются от заключения рабочей жидкости внутри кожуха или системы труб. Вместо этого нагретая жидкость непосредственно выводится в космическое пространство, где она охлаждается вследствие процессов излучения без участия конвекции и теплопроводности. Это может привести, как и в случае СМ ТОА, к уменьшению массы единицы теплообменной поверхности излучателя и к повышению компактности теплообменного аппарата.

Рисунок – Схема струйно-капельного излучателя

1 – теплообменник; 2 – теплоноситель; 3 – генератор капель; 4 – капли; 5 – коллектор; 6 – насос.

Теплоноситель 2 прокачивается через теплообменник 1 и подается в генератор капель 3, который представляет собой камеру высокого давления с большим числом отверстий микронного размера. Жидкость в виде струек вытекает из отверстий. Под воздействием вибрации эти струйки разбиваются на капли 4 определенного диаметра с равными промежутками между ними. Разбиение обеспечивает максимальную свободную поверхность капли при заданном объеме. Путем ориентации отверстий создается направленный поток капель, падающий в коллектор 5. Отвод теплоты происходит на участке между генератором и коллектором только излучением. В коллекторе капли объединяются в единый поток, который с помощью насоса 6 возвращается в теплообменник 1.

Преимущества:

1. Удельная масса, т.е. масса, приходящаяся на единицу площади поверхности теплообмена примерно в 50 раз меньше удельной массы трубчато-пластинчатых излучателей;

2. Излучающая поверхность СКИ нечувствительна к воздействию потоков микрометеоритов (исключая возможность пробоя);

3. Обеспечивается достаточная простота развертывания СКИ в космосе при помощи раздвижного устройства;

4. В сложенном положении СКИ занимает малый объем в грузовом отсеке транспортного корабля или ракеты-носителя;

5. В течение длительного периода времени СКИ могут работать в заданном температурном интервале.

При выполнении теплового расчета СКИ можно отметить следующие основные задачи:

1) Определение параметров СКИ и проведение тепловых расчетов для сравнения различных вариантов и выбора оптимального;

2) Выбор теплоносителя, его расход, запас для компенсации потерь за счет испарения;

3) Определение необходимой площади радиационных поверхностей (размеров капель и капельного листа, параметров генератора и коллектора капель);

4) Определение скорости и времени полета капель от генератора до коллектора капель.

Главной проблемой СКИ является обеспечение минимальных потерь капельной жидкости за счет испарения.

Теплоносители для капельных ТОА. Размеры капельных ТОА зависят от диаметра капель, их скорости и теплофизических свойств теплоносителя.

Поскольку часть теплоносителя во время работы СКИ все же испаряется, то выбор теплоносителя для данного интервала температур во многом определяется требованием обеспечения минимальных потерь капельной жидкости за счет испарения. Следовательно, теплоноситель должен иметь низкое давление паров насыщения и оставаться жидким во всем требуемом диапазоне температур. При этом небольшой перегрев теплоносителя не должен приводить к его катастрофическим потерям из-за испарения, и в то же время капли не должны замерзать при всех условиях эксплуатации в космосе. Для того, чтобы потери массы от испарения при длительной эксплуатации СКИ были минимальны, необходимо, чтобы давление насыщенных паров не превышало 10^-5 Па.

Лучшими теплоносителями для СКИ являются:

при температурах излучения 250..350 К – силиконовые жидкости и вакуумные масла;

для среднего интервала температур 350..500 К – эвтектики (олово, свинец, висмут);

при высоких температурах излучения – олово.

В диапазоне температур 460..525 К наиболее приемлемым является литий, однако при температурах, больших 525 К, у лития резко увеличиваются потери на испарение.

Аналогичные теплоносители рекомендуется использовать и в СМ ТОА, хотя проблема потерь теплоносителя за счет испарения в них стоит не так остро.

Дата добавления: 2014-01-04