№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 629.78.085
© 2013 г. КОРОТЕЕВ А.А.1
ОБОБЩЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАПЕЛЬНЫХ ХОЛОДИЛЬНИКОВ-ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НИЗКО-И СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНОГО ДИАПАЗОНОВ
По результатам теплового расчета капельного холодильника-излучателя устанавливаются обобщенные закономерности, связывающие основные характеристики бескаркасных систем отвода низкопотенциального тепла в космосе.
Приводятся рекомендации, направленные на повышение эффективности и увеличение тепловой мощности капельных холодильников-излучателей.
Введение. Основные подходы, позволяющие провести расчет и оптимизацию параметров капельных холодильников-излучателей (КХИ), как устройств, предназначенных для отвода низкопотенциального тепла в циклах мощных космических энергетических установок нового поколения, рассмотрены в [1—3]. В настоящей работе сделана попытка обобщения тепловых характеристик КХИ, функционирующих в диапазоне мощности от сотен киловатт до 2,5 мегаватт, и установления закономерностей, связывающих геометрические размеры излучателя с величиной отводимой тепловой мощности в заданном температурном диапазоне.
Объектом исследования является система упорядоченно движущихся в условиях микрогравитации и глубокого вакуума монодисперсных капель жидкого сверхвысоко-вакуумного теплоносителя космической энергетической установки, представляющая собой так называемую пелену космического КХИ. В процессе свободного распространения в космосе капли отдают часть своей энергии в окружающее космическое пространство за счет излучения.
Факторы, осложняющие достижение указанных значений отводимой мощности:
— ограничение размеров капельной пелены (площади поверхности теплоотвода), обусловленное компоновочной схемой космического летательного аппарата, а в случае использования ядерного источника энергии — необходимостью обеспечения упорядоченного движения капель внутри конуса тени радиационной защиты ядерной энергетической установки;
— сравнительно невысокий уровень температур эксплуатационного диапазона излучателя, обусловленный ограничениями по термостойкости и испаряемости разработанных для КХИ рабочих тел;
— интенсивное взаимное переоблучение между многочисленными каплями в пелене, приводящее к снижению эффективности отвода тепловой энергии.
Исследование характеристик мелкодисперсных капельных потоков на различных режимах эксплуатации в космосе проводилось с использованием метода, основанного на расчете коэффициента взаимного переоблучения в системе параллельных капельных плоскостей. В его основу заложен расчет полных коэффициентов переоблучения
1Центр "Новые космические технологии" МАИ.
Подсекция генератора № 3
Подсекция генератора № 2
Направление движения капель
Подсекция Подсекция
генератора № 1 генератора № 4
Подсекции гидросборника капель
Рис. 1. Общий вид пелены капельного холодильника-излучателя
отдельной капли с диспергированной пеленой или какой-либо рассматриваемой ее частью.
Общий вид пелены представлен на рис. 1.
Исходные данные для теплового расчета. Исходные данные для расчета КХИ:
— исполнение — схема "крест" с четырьмя раскладывающимися попарно взаимно перпендикулярными подсекциями генераторов и гидросборников капельной пелены, закрепленных на основной несущей ферме космического летательного аппарата;
— рабочее тело — пентафенилтриметилтрисилоксан или иные специально синтезированные радиационностойкие и низкоиспаряющиеся жидкости, обеспечивающие поддержание рабочих характеристик бескаркасных систем отвода низкопотенциального тепла в течение длительного времени активного существования;
— длина подсекции генератора капель и гидросборника (1/4)/^, = (5,5^7) м;
— длина пролета капель между генератором и гидросборником /х = 22 м (с возможностью увеличения до 30 м);
— диапазон значений отводимой тепловой мощности N = 1^2,5 МВт;
— номинальный радиус капель гк = 0,2 мм (распределение радиуса капель по толщине капельной пелены находится в результате оптимизации для обеспечения отвода максимальной тепловой мощности при условии равномерного температурного профиля в поперечном сечении пелены);
— скорость движения капель и = 2 м/сек (определяется как минимально допустимая скорость, при которой обеспечивается устойчивая генерация капельной пелены методом вынужденного капиллярного распада);
— плотность теплоносителя р = 1093 кг/м3;
— средняя теплоемкость теплоносителя в рабочем диапазоне температур с = = 1680 Дж/(кг • К);
— интегральный коэффициент излучения теплоносителя б = 0,8;
— схема расположения центров капель в пределах капельной плоскости — "квадрат", т.е. Sy/rк = ¿г/гк = 4,76, где ¿у, — соответственно, расстояния между центрами капель в направлении координатных осей у, г;
Рис. 2. Зависимость отношения тепловых мощностей, отводимых капельной пеленой, генерируемой идентичными подсекциями, функционирующими в условиях отсутствия внешнего солнечного облучения и его наличия, от температуры капель в окрестности генератора для различных температур капель, собираемых гидросборником
— расстояния между соседними капельными плоскостями (1^ — для подсекций генератора капель № 1 и № 3; 5у — для подсекций генератора капель № 2 и № 4) находятся в результате оптимизации, направленней на обеспечение отвода максимальной тепловой мощности при условии поддержания равномерного температурного профиля в поперечном сечении пелены;
— минимальная температура теплоносителя в генераторе капельной пелены — Т0 = = 360 К;
— минимальная температура теплоносителя, собираемого в гидросборнике — Тс = = 310 К.
Результаты теплового расчета КХИ. Для снижения суммарной длины подсекций КХИ необходимо использовать несколько излучающих капельных плоскостей в каждой подсекции и, одновременно, обеспечить профилирование размеров капель по сечению пелены с целью достижения равномерного температурного профиля в поперечном направлении. Результаты расчетных исследований свидетельствуют о том, что оптимальное количество используемых капельных плоскостей для различных геометрий и тепловых режимов КХИ может изменяться от четырех до восьми.
С целью проведения анализа влияния внешнего солнечного облучения на величину отводимой подсекцией КХИ тепловой мощности вводится параметр к, определяемый как
к = Nт 0 / Nт ,
1 0' 1солн '
где Nт 0, N тсолн — соответственно, значения отводимой тепловой мощности от капельных потоков подсекций, функционирующих в условиях отсутствия внешнего солнечного облучения (ВСО) и его наличия при одинаковых размерах подсекций и структуре генерируемой ими мелкодисперсной капельной пелены.
Зависимость к от температуры капель в окрестности генератора для различных температур капель, собираемых гидросборником, приведена на рис. 2, здесь могут быть выделены четыре характерных области: 1 — область температурных режимов функционирования низкотемпературных КХИ; 2 — промежуточная область; 3 — область эффективного функционирования подсекций, находящихся в условиях внешнего солнечного облучения; 4 — область высокоэффективного функционирования подсекций, находящихся в условиях внешнего солнечного облучения.
Отсутствие в настоящее время известных сверхвысоковакуумных жидких веществ, отличающихся пренебрежимо малой испаряемостью в вакууме при температурах, превышающих 400 К, обусловливает низкую эффективность функционирования облучаемых Солнцем подсекций низкотемпературных излучателей: отводимая ими тепловая мощность оказывается в 1,8—2,24 раза ниже, чем у идентичных подсекций, находящихся в тени. Особенно снижается эффективность излучения на солнечной стороне при приближении температуры собираемых капель к равновесному значению температуры капли, находящейся под воздействием внешнего солнечного излучения, и "нижнее" значение температурного диапазона излучателя, равное 310 К, не является оптимальным.
К области 2 относятся сочетания температур капель в окрестности генератора и гидросборника капельной пелены, которым соответствуют значения параметра к, находящиеся в диапазоне от 1,5 до 1,75. В эту область попадают кривые, построенные для температур сбора капель, равных 310 и 320 К, но при больших значениях температур генерации, превышающих 400 К.
Область 3 — характеризуется значениями к от 1,2 до 1,5 и заметно меньшим различием значений тепловой мощности, отводимой пеленой, находящейся на солнечной и теневой сторонах. Следует отметить, что значения к = 1,5 можно добиться даже при Т0 = 400 К, однако значение температуры капель в окрестности гидросборника в этом случае должно быть выше 350 К.
Различие в значениях отводимой тепловой мощности капельной пеленой, генерируемой "солнечными" и "теневыми" подсекциями, практически исчезает в области 4, в которой к < 1,2. Минимальное значение температуры генерируемых капель для этой области составляет 500 К (при этом Тс > 450 К). Для Тс = 400 К значение Т0 не должно быть ниже 550 К.
Таким образом, для повышения эффективности функционирования подсекций генератора капельной пелены в условиях внешнего солнечного облучения должны учитываться свойства используемого рабочего тела, возможности повышения значений обеих границ температурного диапазона, общий КПД проектируемой космической энергетической установки и осуществляться поиск оптимального решения, основанного на компромиссе между ними.
На рис. 3 приведены графики зависимости отводимой КХИ тепловой мощности от температуры генерируемых капель для различных температур капель в окрестности гидросборника капельной пелены. На графиках выделяются две характерные области: 1 — область температур использования высокоочищенного пентафенилтриметилтри-силоксана; 2 — область использования перспективных сверхвысоковакуумных жидкостей. Помимо этого выделяется область значений отводимой тепловой мощности в диапазоне от 1 до 2,5 МВт.
Область допустимых эксплуатационных значений температуры пентафенилтриме-тилтрисилоксана и гексафенилтетраметилтетрасилоксана заметно сужается с повышением температуры генерации капель. Максимальное значение отводимой тепловой мощности при температуре сбора капель, равной 310 К (рис. 3а), соответствующее
Рис. 3. Зависим
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.