№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 629.7.064.039:621.643:621.039
© 2013 г. ГРИБКОВ А.С.1
КРУПНОГАБАРИТНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МЕГАВАТТНОЙ МОЩНОСТИ
Предложена схема космической ЯЭУ с холодильником-излучателем, раскладывающимся в конус радиационной защиты после выведения на орбиту. Предложен принцип выбора конструкции капиллярной структуры для тепловых труб (ТТ) высокой мощности (сотни киловатт). Проведено сравнение ТТ предлагаемой и обычной конструкций. Расчетами показано преимущество ТТ предлагаемой конструкции.
Массовые и габаритные характеристики термоэмиссионной ядерной энергетической установки (ЯЭУ) мегаваттного уровня мощности в значительной мере определяются холодильником-излучателем (ХИ) системы охлаждения (СО). Большая требуемая величина отводимой тепловой мощности термодинамического цикла таких ЯЭУ 4,5...45 МВт [1] (при электрической мощности 0,5...5 МВт) требует значительной излучающей поверхности, несмотря на высокую, до 950°С температуру теплоносителя. Это приводит к таким размерам ЯЭУ, которые при требуемой "жесткой" цилиндрической компоновке ХИ превышают максимально допустимые для размещения в грузовом отсеке ракеты-носителя. Необходимый теплоотвод (при фиксированных габаритах ХИ) может быть сделан за счет увеличения теплоизлучающей поверхности при раскрытии ХИ в угол тени радиационной защиты после вывода ЯЭУ на орбиту.
Наиболее приемлемой для ХИ подобного типа является схема на основе тепловых труб (ТТ). Для снижения длины магистральных трубопроводов СО, следовательно, и ее массы, в ХИ предпочтительнее использовать крупногабаритные ТТ, скомпонованные в отдельные секции. Такое конструктивное оформление позволяет упростить раз-движение секций в конус радиационной защиты и облегчить плавление теплоносителя в процессе запуска ЯЭУ после вывода на орбиту функционирования.
Один из вариантов схемы ЯЭУ мегаваттной мощности с ХИ на основе крупногабаритных ТТ приведен рис. 1.
Для ЯЭУ электрической мощности 0,5.5 МВт тепловая мощность отдельной ТТ находится на уровне сотен киловатт, что предъявляет особые требования к выбору типа капиллярной структуры (КС) таких ТТ.
Применение однородных КС не позволяет обеспечить проектные параметры ТТ в рабочем диапазоне температур из-за большого гидравлического сопротивления КС на участке транспортирования жидкой фазы теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения. Снижение гидравлического сопротивления КС за счет увеличения ее поперечного сечения приводит к увеличению радиального градиента температур в зонах испарения и конденсации, снижению эффективности ТТ и увеличению ее массы. Увеличение развиваемого капиллярного напора за счет уменьшения диаметра пор в КС такого типа приводит к росту их гидравлического сопротивления.
Обеспечение циркуляции значительного расхода теплоносителя при большой длине ТТ требует конструктивного разделения КС по функциональному признаку:
— КС, обеспечивающая высокий капиллярный напор;
1РКК "Энергия" им. С.П. Королёва.
Рис. 1. Конструкция ЯЭУ мегаваттной мощности: 1 — трубопроводы СО; 2 — пусковая система ТТ; 3 — МГД насос СО; 4 — тепловые трубы ХИ; 5 — термоэмиссионный реактор-преобразователь; 6 — радиационная защита
— КС, обеспечивающая низкое гидравлическое сопротивление при транспортировании жидкого теплоносителя.
Предлагаемая конструкция КС, удовлетворяющая перечисленным требованиям, состоит из артерий, транспортирующих жидкую фазу теплоносителя из зоны конденсации (ЗК) в зону испарения (ЗИ), и мелкопористой КС, обеспечивающей сбор теплоносителя с поверхности конденсации в артерии и распределение теплоносителя из артерий по поверхности испарения.
В качестве мелкопористой КС, может быть использован металловойлок, спеченные сетки и другие структуры. Из-за малой длины тракта жидкой фазы теплоносителя (не более половины периметра поперечного сечения ТТ) КС может иметь достаточно большое гидравлическое сопротивление, что позволяет изготавливать ее из материала с малым диаметром пор, обеспечивающих большую величину развиваемого капиллярного напора, и при достаточно малой толщине (0,5...1 мм). Такое конструктивное решение дополнительно снижает радиальный градиент температур, особенно в зоне испарения ТТ.
Артерии, предназначенные для переноса теплоносителя, могут быть различного конструктивного исполнения и компоновки. Но для снижения вероятности перегрева и вскипания теплоносителя в артериях, приводящих их к осушению и отказу ТТ, предпочтительно размещать артерии в паровом канале трубы. Конструкция КС должна отвечать требованиям технологичности при изготовлении, особенно применительно к ТТ большой длины.
Исходя из перечисленных требований, была предложена конструкция ТТ, КС которой представляет мелкопористую структуру, обеспечивающую высокий капиллярный напор и растекание теплоносителя по периметру ТТ в зоне испарения и его сбор в зоне конденсации. Поперечное сечение рассматриваемой конструкции приведено на рис. 2.
Для передачи жидкой фазы теплоносителя из зоны конденсации в зону испарения в паровом канале ТТ размещены несколько артерий, содержащих субартерии. Мелкопористая КС выполнена из металловойлока, стенки артерий и субартерий — из перфорированной фольги или сетки.
Использование нескольких субартерий позволяет сохранять работоспособность ТТ при осушении отдельных из них, т.е. повысить надежность трубы и обеспечить их гарантированное заполнение теплоносителем в процессе заправки. Объединение нескольких субартерий в одну артерию позволяет упростить технологию их изготовления, сборки и стыковки с мелкопористой КС, размещенной по периметру ТТ.
Математическая модель тепловой трубы
Рассматриваемая конструкция ТТ с артериями имеет большое количество геометрических параметров, влияющих на теплопередающие свойства. Для определения влияния ос-
Артерии
Рис. 2. Поперечное сечение артериальной ТТ
новных геометрических размеров рассмотрим простейшую модель, аналогичную описанной в [2]. С использованием этой модели проведено сравнение теплопередающих свойств обычной ТТ и ТТ с артериальным транспортом жидкой фазы рабочего тела.
В стационарном режиме работы капиллярное давление в любом сечении ТТ обусловлено механическим равновесием между паром и жидкостью на искривленной поверхности раздела фаз. Режим работы ТТ будет устойчивым, если разность между капиллярными давлениями в ЗИ и ЗК равна сумме потерь давления в паре и жидкости. В общем случае потери давления в паровой и жидкой фазах теплоносителя в ЗИ и ЗК, обусловленные трением и инерционными силами, определяются решением уравнения движения потока с переменным по длине ТТ массовым расходом.
В упрощенной модели примем следующие допущения:
— течение пара и жидкости ламинарное;
— инерционные потери давления при разгоне и торможении потока не учитываются;
— скорости пара и жидкости при течении потока изменяются линейно;
— поперечное сечение парового канала артериальной ТТ круговое;
— капиллярная структура — составная.
Предлагаемые упрощения снижают общность получаемых результатов, но сохраняют качественные соотношения и позволяют понять, как влияют параметры КС на теплопередающие свойства ТТ.
При указанных допущениях потери давления в паре и жидкости
д Рп = 16 иоь/м2п/п; (1)
А Рж = КиОЬ/4 тй\!ж, (2)
где О — тепловой поток; Ь — длина ТТ; г — теплота испарения; й — эквивалентный гидравлический диаметр канала жидкости или пара; / — площадь поперечного сечения канала; К — коэффициент формы поперечного сечения канала. Индексы: п — пар; ж — жидкость.
Потери давления могут быть выражены формулой одинаковой структуры для пара и жидкости
АР = 1 . . "Ш, (3)
4 ё^Б^ г
где Аф — коэффициент формы поперечного сечения канала; N — количество артерий в КС; Зг — площадь поперечного сечения канала.
Для обычной ТТ коэффициенты имеют значения: Аф = 64; йг = В; = пВ2/4. Для артериальной ТТ: Аф = 96; йг = 28; Зг = пВ8; где В — диаметр парового канала.
Используя условие баланса давлений в парожидкостном контуре циркуляции теплоносителя, получим выражение для расчета максимальной мощности, переносимой ТТ.
Для конструкции ТТ с цилиндрическим корпусом и однородной капиллярной структурой на внутренней поверхности корпуса суммарные потери давления по пару и жидкости составят
АР = ЯЬи . 32 .(_8_ + _3_) , (4)
4г В 4п5
для конструкции артериальной ТТ —
АР = дьи. 32.(_!_ + . (5)
4 г В ^пВ3 пй31
С учетом того, что капиллярный напор можно выразить как
АРкап = 2 а/Я, (6)
передаваемая мощность будет
я _ га. п. ._-_• (7)
и 3 RL 1 + ( 32/3 )(5/D )3'
+
3
q = га . _я . D55___N (8)
арт и 32 RL 1 + n( d/ D f
Введем относительную эффективность артериальной ТТ
/ч3
3
Qapi = .3 (d\3. N. 1 + ( 32/3) ( 5 /D ) 3
QKn 32 W 1 + N(d/D)3
и коэффициент эффективности
' ОаР!^ = log ГD + 3W + log ( N) + log (1 + ( 32/3) ( 5 /D)
(9)
Кэфф = log I= log If.) + 3log (5J + log (N) + log I 1 T . " ^ " ' . u / ^ . J. (10)
v QKJl J v32J V 1 + N( d/ D )3
Отрицательная величина Ж,фф означает, что мощность, передаваемая ТТ классической конструкции, больше мощности артериальной ТТ, положительная величина Ж,фф означает более эффективную работу артериальной ТТ. Очевидно, что использование артериальной конструкции целесообразно, если Ж,фф положителен.
Результаты расчетов
Результаты влияния геометрических параметров, рассчитанные по (10) для различных толщин капиллярного зазора, различных диаметров и количества артерий, приведены на рис. 3.
Диаметр артерии, мм Толщина капиллярного зазора, мм
Рис. 3. Влияние диаметра артерии и капиллярного зазора на относительную эффективность артериальной ТТ: а — зависимость эффективности от диаметра артериий; б — зависимость эффективности от величины капиллярного зазора
Анализ формул (9), (10) и приведенных графиков позволяет сделать следующие выводы:
— увеличение диаметра артерий и толщины капиллярного зазора, увеличивает Д^;
— для увеличения передаваемой тепловой мощности целесообразно увеличивать диаметр и количество артерий, а не толщину капиллярного зазора.
Анализ возможного типоразмера ТТ проводился на о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.