В. Г. Цихисели,
кандидат технических наук, доцент, Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского, Санкт-Петербург
ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОПРИЁМНИКА ДЛЯ БОРТОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ ХОЛОДОИСПОЛЬЗУЮЩИХ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩИХ СИСТЕМ
Одной из важных проблем, решаемых при создании холодоиспользующих энергопреобразующих устройств (ХИЭПУ) / 1 /, предназначенных для работы в криогенном диапазоне температур, является проблема организации отвода тепла в искусственный (криогенный) теплоприемник. Особенности этого процесса в значительной мере влияют как на эффективность процесса преобразования энергии, так и на массогабаритные характеристики систем хранения криогенных рабочих тел, служащих искусственными теплоприемниками. В силу того, что схемы ХИЭПУ очень разнообразны, а возможности выбора низкотемпературных рабочих тел (НРТ), в особенности, криогенного температурного диапазона, ограничены, практический интерес при определении оптимального варианта искусственного теплопри-емника (или номенклатуры теплоприемников) представляют предельно возможные технические характеристики ХИЭПУ с различными НРТ.
При определении величин предельно возможных технических характеристик бортовых космических ХИЭПУ будем исходить из того, что установка реализует идеальный термодинамический цикл Карно, организованный в диапазоне температур Т Т ,
^ ^ J г нрт вит 1
т. е. для которого теплоотдатчиком является ВИТ, а теплоприемником - НРТ. Перед проведением расчетов примем следующие основные допущения:
■ НРТ представляет собой кипящую криогенную жидкость, давление которой составляет 0,1 МПа;
■ рабочее тело ХИЭПУ является термически и калорически идеальным газом во всем диапазоне температур Т Т . Газовая посто-
^ J ^ нрт вит
янная рабочего тела R = 2078,5 Дж/(кг • град), показатель адиабаты k = 1,67;
■ теплообмен между рабочим телом ХИЭПУ и НРТ осуществляется без температурного напора, т.е. температура рабочего тела ХИЭ-ПУ в процессе изотермического отвода тепла равна температуре кипения НРТ;
■ в ходе подвода тепла из контура ХИЭПУ в НРТ последнее переходит из состояния кипящей жидкости в состояние сухого насыщенного пара (который выводится из контура установки).
Идеальный термодинамический цикл ХИЭПУ, в котором тепло отводится в кипящее НРТ, представлен на рис. 1, где q1 и q2 - подводимое от ВИТ и отводимое в НРТ, соответственно, тепло, отнесенное к 1 кг рабочего тела, циркулирующего в контуре ХИЭПУ; а - k - b - линия насыщения НРТ.
Из условия теплового баланса процессов 4 - 1 и а - b следует:
m As T = -m As T
sn n нрт sh н нрт
(1)
где mn и тн - секундные массовые расходы рабочего тела ХИЭПУ и НРТ, соответственно, кг/с; т = msn/mm - приведенный расход НРТ; Dsn = Sj — s4 - изменение величины удельной энтропии рабочего тела ХИЭПУ в процессе 4 — 1, Дж/(кг • град);
DsH = sb — sa - изменение величины удельной энтропии НРТ в процессе а - b, Дж/(кг • град). На основании сделанных допущений запишем:
As n =-R ln (p Jp 4 )| As = r / T |
н ' нрт
(2)
где fj и р4 - величины давлений рабочего тела ХИЭПУ в состояниях, соответствующих точкам 1 и 4, Па;
^ Т к Г qi
ь а ^__к / 2 1 3 4
q2 У
\ 1 W
Рис. 1. Идеальный термодинамический цикл ХИЭПХ в котором тепло отводится в кипящее НРТ.
Таблица 1. Некоторые технические характеристики ХИЭПУ
№№ п/п НРТ T , K нрт ' 1 - T / T нрт ' вит r, кДж / кг p, кг / M3 Vk ■ 103, м3/ (МВт■ с ) msk , кг / (МВт ■ с )
1 Аммиак 240,000 0,800 1368,00 681,70 0,26807766 0,18274853
2 Этан 184,520 0,846 489,00 546,50 0,67994400 0,37158930
3 Ксенон 165,020 0,862 95,70 2941,00 0,56649700 1,66607000
4 Криптон 119,780 0,900 107,60 2414,00 0,42689650 1,03052800
5 Метан 111,700 0,907 511,00 428,70 0,46852220 0,20085550
6 Кислород 90,200 0,925 213,00 1136,00 0,33589500 0,38157700
7 Аргон 87,290 0,927 160,78 1394,00 0,35001600 0,48792200
8 Фтор 84,950 0,929 175,10 1501,90 0,28969600 0,43509380
9 Окись углер. 81,480 0,932 215,64 789,00 0,42815500 0,33781423
10 Воздух 79,000 0,934 201,40 875,66 0,39960100 0,34991500
11 Азот 77,347 0,936 199,36 807,80 0,42781500 0,34558900
12 Неон 27,090 0,977 86,70 1205,00 0,22107425 0,26639450
13 Параводород 20,268 0,983 443,73 70,78 0,54702500 0,03871700
14 Гелий 4,200 0,996 20,90 125,40 1,34013000 0,16805230
r - удельная теплота испарения НРТ, Дж/кг. Из ( 1 ), используя ( 2 ), получим:
U =
RT нрт ln (p Jp 4 )
Преобразуем ( 3 ) к следующему виду:
/ \
Pi/ Pi = exp
r и
RT
(3)
(4)
Соотношение максимального и минимального давлений рабочего тела в цикле ХИЭПУ, с учетом принятых допущений, а также соотношения ( 4 ), определится следующим образом:
k
P JP 4 =(T вит/ нрт
)k-1 • exp(rи/RTvm)
Удельная работа, производимая ХИЭПУ, определится так:
1 =(T -T )|As I = (T IT -i)rи (6)
ц \ вит нрт } | n\ \ вит / нрт } "
Легко показать, что относительные (отнесенные к величине мощности ХИЭПУ) объемный Vsx и массовый msx расходы НРТ, с учетом ( 1 ) и ( 6 ), определяются следующими соотношениями:
V=
m=
1
Pr (T eum/T нрт -l) 1
r (T eum¡T нрт -l)
(7)
где r - плотность НРТ, кг/м3.
Как видно из ( 7 ), величины V и mx зависят
sx sx
только от теплофизических свойств НРТ, а также от температуры ВИТ.
В таблице 1 представлены некоторые результаты расчетов предельно возможных технических характеристик ХИЭПУ с различными НРТ при Т = 1200 К.
вит
При составлении таблицы 1 использованы данные /2, 3/. Для выявления предпочтительных вариантов НРТ была произведена их ранжировка по значениям параметров V , msK и к. п. д. Карно, после чего определялась «сумма мест» каждого из рассмотренных веществ. НРТ по «суммам мест» распределились следующим образом: 1) неон; 2) водород (параводород); 3) гелий; 4) аммиак, воздух, азот; 5) фтор, окись углерода; 6) кислород; 7) метан; 8) аргон; 9) криптон; 10) этан; 11) ксенон.
Таким образом, установлена степень целесообразности применения в ХИЭПУ различных НРТ с точки зрения обеспечения минимума массогабарит-ных характеристик и максимума к.п.д. Полученные данные можно использовать при анализе и синтезе конкретных схем ХИЭПУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Цихисели В.Г.//Обоснование целесообразности применения в промышленности и на транспорте криоиспользующих преобразователей энергии//Альтернативная энергетика и экология, 2000, вып. 1, сс.184-186.
[2] Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизичес-ким свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972, 720 с.
[3] Справочник по физико-техническим основам криогеники/ М.П. Малков и др.; Под ред. М.П. Малкова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985, 432 с.
© Scientific Technical Centre «TATA»
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.