CC BY
46уДК 629.78.054-716:532.529
двухфазный контур системы обеспечения теплового режима научно-энергетического модуля. численное моделирование гидравлических характеристик
© 2017 г. Басов А.А., Лексин м.А., прохоров ю.м.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: [email protected]
В работе рассмотрены вопросы конструктивного исполнения системы обеспечения теплового режима нового научно-энергетического модуля Российского сегмента Международной космической станции с использованием двухфазного контура для сброса тепла в окружающее пространство. Приведено описание и логика работы двухфазного контура и входящих в его состав элементов.
Изложены методика проведения и результаты численного моделирования гидравлических характеристик двухфазного контура. Вся система была разбита на отдельные участки. Для каждого из них с учетом гидравлических характеристик конкретных агрегатов, схемной компоновки, длин и диаметров трубопроводов, соединяющих агрегаты между собой, была определена гидравлическая характеристика в зависимости от расхода аммиака или его паров.
Полученные значения гидравлических характеристик на различных участках гидравлической сети позволяют сделать вывод о работоспособности системы выбранной конфигурации и подтвердить поддержание системой обеспечения теплового режима заявленных характеристик.
Ключевые слова: двухфазный контур, система обеспечения теплового режима, космический аппарат, гидравлический расчет, численное моделирование, научно-энергетический модуль.
a two-phase loop of thermal control system of science-power module. numerical simulation of hydraulic characteristics
Basov A.A., Leksin M.A., prokhorov Yu.M.
S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:[email protected]
Issues of a structural design of thermal control system of a new science-power module of the International Space Station Russian Segment using a two-phase loop for heat discharge to the environment are considered. Description and logic of operation of a two-phase loop and elements being a part of it are given.
The simulation procedure and the results of numerical simulation of hydraulic characteristics of a two-phase loop are stated. The whole system was divided into separate sections. For each section a hydraulic characteristic was determined depending on the flow rate of liquid ammonia or its vapour with regard to hydraulic characteristics of specific units, circuit layout, length and diameter of pipelines connecting these units between themselves.
The obtained values of hydraulic characteristics in different sections of the fluid network allow to conclude about operability of the selected configuration system and confirm the stated characteristics provided by thermal control system.
Key words: two-phase loop, thermal control system, spacecraft, hydraulic design, numerical simulation, science-power module.
басов а.а. лексин м.А. прохоров ю.м.
БАСОВ Андрей Александрович — начальник отделения РКК «Энергия», e-mail: [email protected] BASOV Andrey Aleksandrovich — Head of Division at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ЛЕКСИН Максим Александрович — кандидат технических наук, инженер 1 категории РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
LEKSIN Maksim Aleksandrovich — Candidate of Science (Engineering), Engineer 1 category at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ПРОХОРОВ Юрий Максимович — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
PROKHOROV Yury Maksimovich — Candidate of Science (Engineering), Lead research scientist at RSC Energia, e-mail: [email protected]
Введение
Система обеспечения теплового режима космических аппаратов (СОТР КА) является одной из важнейших систем, от работы которой зависит нормальное функционирование КА. Основным способом терморегулирования, применяемым до настоящего времени на КА, является принудительный перенос теплоты с использованием замкнутых конвективных контуров с однофазным теплоносителем. При умеренных тепловых нагрузках до () = 10 кВт такие замкнутые системы с включенными в них насосами, приводящими в движение теплоноситель, и радиаторами, отводящими избыточную теплоту излучением в космическое пространство, оказались достаточно надежными [1]. Они длительно эксплуатируются, например, в модулях орбитальной Международной космической станции (МКС). Принципиальным недостатком однофазных систем является то, что температура теплоносителя значительно изменяется в пределах контура. Разность температур можно уменьшить, повысив расход теплоносителя, что неизбежно ведет к увеличению энергопотребления, диаметров трубопроводов и массы системы в целом. На существующих аппаратах масса активной части СОТР составляет ~10% от массы выводимого груза. Рост энерговооруженности и линейных размеров КА ведет к увеличению доли массы СОТР в суммарной массе объекта.
Система обеспечения теплового режима на основе двухфазных контуров
Альтернативой однофазным контурам является СОТР на основе двухфазных контуров (ДФК) теплопереноса, использующих двухфазный кипящий теплоноситель [2]. В таких теплоносителях теплота аккумулируется в виде скрытой теплоты парообразования, что позволяет переносить значительно большее количество теплоты на единицу массового расхода теплоносителя, чем в случае применения однофазных теплоносителей.
В РКК «Энергия» более 20 лет проводятся исследования с привлечением профильных институтов по разработке оптимальной схемы СОТР с ДФК, которые показывают, что применение двухфазных контуров позволяет снизить массовые характеристики системы в 1,5 раза, а энергопотребление — на порядок.
Потребный расход двухфазного теплоносителя намного меньше расхода теплоносителя в однофазной системе, что ведет к уменьшению габаритов и массы трубопроводов и арматуры, мощности насоса. Использование теплообмена при фазовых превращениях позволяет снизить массу теплообменных агрегатов, а также поддерживать температуру термостатируемых элементов на всей протяженности контура близкой к температуре кипения теплоносителя.
В настоящее время перспективны СОТР, включающие внутренний гидравлический контур (ВГК) с однофазным теплоносителем, который обеспечивает отбор тепла от приборно-агрегатного оборудования (ПАО) герметичного отсека, и ДФК, обеспечивающий сброс тепла при помощи радиационного теплообменника (РТО) в окружающее пространство. Связь между ВГК и ДФК обеспечивается при помощи теплообменника-испарителя (ТИ).
В общем случае в состав двухфазного контура входят электронасосный агрегат (ЭНА) для обеспечения циркуляции теплоносителя, ТИ для передачи тепла от теплоносителя внутреннего контура СОТР к теплоносителю ДФК, регулятор подачи жидкости (РПЖ) на испарение в ТИ, двух-полостный радиационный теплообменник для сброса тепла в окружающее пространство, тепловой гидроаккумулятор (ТГА) для поддержания температуры испарения аммиака в ТИ и дроссель регулирующий (ДрР) для поддержания постоянного перепада давления на РПЖ.
ДФК представляет собой замкнутый паро-жидкостной контур, в котором организовано замкнутое гидравлическое кольцо, объединяющее жидкостные полости теплообменников-конденсаторов (ТК) РТО. От гидравлической магистрали этого кольца отходит патрубок подачи теплоносителя к теплообменнику-испарителю, паровая полость которого соединяется патрубком с паропроводом подачи пара в ТК РТО.
Принципиальная схема двухфазного контура приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема двухфазного контура: ДрР —
дроссель регулирующий; РПЖ — регулятор подачи жидкости; РТО — радиационный теплообменник; ТГА — тепловой гидроаккумулятор; ТИ — теплообменник-испаритель; ЭНА — электронасосный агрегат
Работа ДФК происходит следующим образом. В жидкостном кольце ДФК при помощи ЭНА обеспечивается постоянная
циркуляция жидкого аммиака. Из жидкостного кольца через РПЖ часть жидкого аммиака поступает в ТИ, где он испаряется, отбирая тепло от теплоносителя ВГК. Пары аммиака по паропроводу поступают в паровые полости ТК РТО, где конденсируются. Далее тепло равномерно распределяется по радиационной поверхности РТО и сбрасывается в окружающее пространство. Конденсат через дроссельные элементы поступает в жидкостное кольцо, замыкая парожидкостный цикл.
В стационарном режиме массы испарившейся жидкости и сконденсированного пара равны, и температура испарения устанавливается в соответствии с заданным давлением в ТГА. При увеличении тепловой нагрузки нарушается баланс, количество пара и давление в паровых магистралях ДФК увеличивается, при этом часть жидкости за счет перепада давления в ТГА и паровых магистралях вытесняется из конденсаторов РТО в ТГА, увеличивая активную поверхность конденсации до установления режима равновесия. С другой стороны, уменьшение тепловой нагрузки в ТИ приводит к уменьшению давления в паровой полости ДФК, вытеснению жидкости из ТГА в ДФК, уменьшению активной поверхности конденсации (затоплению части конденсаторов в РТО), а также — к восстановлению равновесия.
Поддержание температуры испарения аммиака в ТИ в заданных пределах обеспечивается ТГА совместно с каналом управления электронагревателями ТГА, работающим по сигналам датчика давления, установленного в паровой магистрали ДФК.
Поддержание температуры теплоносителя внутреннего контура на выходе из ТИ в заданном диапазоне обеспечивается за счет подачи в ТИ с помощью РПЖ жидкого аммиака. Исполнительные элементы РПЖ срабатывают по сигналам датчиков температуры, установленных на трубопроводах на выходе теплоносителя из ТИ.
Наведение заданного расхода теплоносителя на испарение в ТИ обеспечивается путем поддержания постоянного перепада давления на РПЖ за счет изменения гидравлического сопротивления жидкостной петли при помощи ДрР.
В зависимости от режима работы в паровых магистралях ДФК, соединяющих паровую полость ТИ и РТО, возможно течение как сухого пара аммиака (при его полном испарении в ТИ), так и двухфазной среды (при частичном испарении аммиака в ТИ).
Система обеспечения теплового режима научно-энергетического модуля
В качестве объекта моделирования рассматривается СОТР нового научно-энергетического модуля (НЭМ) Российского сегмента МКС.
НЭМ состоит из обитаемого герметичного и негерметичного отсеков.
В связи с отсутствием универсального теплоносителя, способного эффективно снимать тепло как при положительных, так и при отрицательных температурах, в настоящее время для НЭМ рассматривается СОТР, состоящая из активного ВГК с однофазным теплоносителем и активного наружного гидравлического контура (НГК) на основе ДФК комбинированного типа с двухфазным теплоносителем. Связь между ВГК и ДФК обеспечивается при помощи ТИ. Для обеспечения надежности ВГК и ДФК полностью дублированы.
Внутренние гидравлические контуры предназначены для:
• регулируемого охлаждения воздуха жилой и приборных зон герметичного отсека;
• термостатирования корпусов герметичного и негерметичного отсеков;
• сбора тепла, поступающего от бортовой аппаратуры, его перераспределения в пределах НЭМ и транспортировки избыточного тепла к ТИ.
В качестве теплоносителя ВГК используется «Триол». Рабочий диапазон температур теплоносителя —5...+50 °С. Рабочий диапазон давления 0.10 кгс/см2.
Двухфазные контуры предназначены для:
• регулируемого отвода тепла (до 9,0 кВт) от контуров ВГК в ТИ с поддержанием заданных температур теплоносителя ВГК на выходе из ТИ;
• регулируемого отвода тепла (до 3,0 кВт) от ПАО негерметичного отсека при помощи термоплат (ТП) с поддержанием заданных температур теплоносителя на входе в ТП;
• транспортировки собранного тепла к радиационному теплообменнику и сброса тепла в окружающее пространство.
В качестве теплоносителя в ДФК используется аммиак жидкий особой чистоты с содержанием воды не более 0,0001% [3]. Рабочий диапазон температур теплоносителя -80.+50 °С. Рабочий диапазон давления 0.20 кгс/см2.
Отличие ДФК комбинированного типа от типовой схемы заключается во введении в ее жидкостное кольцо дополнительных элементов:
1,5 г/с;
>210 см3/с;
>200 см3/с; 10 °С.
• ТП для охлаждения ПАО;
• охранных нагревателей, предназначенных для предотвращения замерзания теплоносителя при низких тепловых нагрузках контура;
• регулятора расхода жидкости, предназначенного для поддержания температуры теплоносителя на входе в ТИ и ТП ПАО на заданном уровне.
В комбинированном варианте ДФК тепло-съем ДФК составляет не менее 12 кВт (из них 9,0 кВт от ВГК и 3,0 кВт от ТП ПАО) при следующих технических характеристиках: расход жидкого аммиака в ТИ на один кВт передаваемой мощности
расход теплоносителя ВГК через ТИ с температурой на выходе 15 °С расход жидкого аммиака в жидкостной петле температура испарения аммиака
При заданной температуре испарения аммиака давление насыщения составляет 4,38 кгс/см2.
ДФК в комбинированном варианте должен обеспечивать:
• поддержание температуры испарения на заданном уровне с погрешностью ±1,5 °С;
• поддержание температуры теплоносителя ВГК на выходе из ТИ с погрешностью ±2 °С;
• поддержание температуры жидкого аммиака на входе в ТИ и ТП ПАО с погрешностью ±1,5 °С;
• переохлаждение жидкого аммиака на входе в ЭНА на 3-4 °С ниже температуры испарения;
• поддержание температуры жидкого аммиака на выходе из РТО не ниже -75 °С.
В состав ДФК входят следующие основные функциональные элементы: электронасосный агрегат; тепловой гидроаккумулятор; регуляторы подачи жидкости; радиационный теплообменник; блок охранных электронагревателей; теплообменники-испарители; регулируемый дроссель; термоплаты ПАО.
Кроме перечисленных основных агрегатов в состав ДФК входит комплект отсечной и заправочной арматуры, датчики для измерения расхода, давления и перепада давления, жидкостные, паровые магистрали и патрубки, соединяющие перечисленные агрегаты в замкнутый двухфазный гидравлический контур.
Структурная гидравлическая схема комбинированного варианта ДФК НЭМ приведена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная гидравлическая схема комбинированного варианта двухфазного контура СОТР НЭМ
Примечание. РРЖ — регулятор расхода жидкости. Расшифровку остальных обозначений см. в подписи к рис. 1.
описание конструкции основных агрегатов комбинированного дфк
Радиационный теплообменник имеет цилиндрическую форму и состоит из радиационной поверхности из алюминиевого сплава толщиной 2 мм, на которой с шагом ~200 мм установлены с обеспечением гарантированного теплового контакта теплопередающие элементы (ТПЭ) на основе тепловых труб (ТТ).
Радиационная поверхность РТО одновременно выполняет функцию защиты корпусов нового модуля от воздействия микро-метеороидных частиц. На внешней стороне радиационной поверхности нанесено покрытие типа ТР-СО-12.
Ввиду большой необходимой площади (~110 м2) и ограничений по длине ТТ (не более 2,0 м) РТО разбивается на два навесных радиатора, расположенных на внешних поверхностях герметичного и негерметичного отсеков нового модуля.
Для удобства монтажа на объекте РТО разбивается на 26 панелей. Суммарное количество ТПЭ в составе РТО — 224 шт. (от 4 до 16 ТПЭ в составе каждой панели).
ТПЭ состоит из тепловой трубы и теплообменника-конденсатора, установленного на ее конце с обеспечением гарантированного теплового контакта. ТК состоит из двух полостей: одна из них предназначена для охлаждения жидкого аммиака, другая — для конденсации паров аммиака. Паровая
и жидкостная полости ТК соединены капиллярным затвором, предназначенным для удаления сконденсировавшегося аммиака в жидкостную полость и предотвращения попадания пара в жидкостную полость ТК. В составе РТО входные и выходные штуцеры паровой и жидкостной полостей ТК соединены последовательно, образуя жидкостные и паровые кольцевые коллекторы РТО.
На рис. 3 представлена схема движения аммиака в магистралях РТО герметичного отсека.
Регулятор подачи жидкости выполнен в виде ряда параллельных ветвей, включающих электромагнитные клапаны и дроссельные элементы, обеспечивающие заданный расход аммиака.
Теплообменник-испаритель представляет собой пластинчато-ребристый рекуператор, состоящий из трех гидравлически разобщенных полостей. Две полости (первая и вторая) — для прокачки однофазных теплоносителей двух внутренних контуров, третья полость предназначена для испарения аммиака или прокачки жидкого аммиака.
Тепловой гидроаккумулятор состоит из герметичного цилиндрического корпуса со штуцерами входа (выхода) жидкого аммиака и дренажа неконденсирующихся газов. В центральной части корпуса установлена цилиндрическая вставка, а в ней — электронагреватель и ТТ. В кольцевом зазоре между корпусом и цилиндрической вставкой расположены капиллярно-заборные устройства
(КЗу). Для охлаждения ТГА на корпусе установлен змеевик для прокачки через него холодной жидкости.
Рис. 3. Схема движения аммиака в магистралях радиационного теплообменника герметичного отсека (РТО ГО)
Примечание. — направление движения жидкости;
— направление движения пара.
КЗУ предназначены для разделения аммиака на жидкую и паровую фазы с последующим перемещением жидкости за счет капиллярных сил к поверхности электронагревателя и ТТ.
Электронагреватель и ТТ предназначены для подогрева жидкой фазы и конструкции ТГА. Тепло от электронагревателей подводится непосредственно к цилиндрической вставке и передается жидкой фазе. Для предотвращения попадания пара из ТГА в ДФК патрубки отбора жидкости расположены в наиболее холодном месте и снабжены капиллярными затворами в виде мелкоячеистой сетки и пористых пробок.
Объем жидкости, заправляемой в ТГА, составляет ~30 л.
Размещение РТО и базовых элементов ДФК на отсеках НЭМ приведено на рис. 4.
задачи моделирования
Сложность компоновки и конструктивного исполнения различных элементов, многообразие задач, возникающих при анализе
работы и управлении подобной системой, требует разработки компьютерной модели работы СОТР с ДФК и ее верификации на
основе испытаний.
Рис. 4. Размещение радиационного теплообменника (РТО) и базовых элементов ДФК на отсеках научно-энергетического модуля: 1 — РТО герметичного отсека; 2 — рама с основными агрегатами СОТР; 3 — РТО негерметичного отсека
При моделировании процессов тепло-и массообмена в ДФК должны быть решены следующие задачи:
• определены тепловые и гидравлические характеристики ДФК при работе в одно-и двухфазном режимах при различных граничных условиях подвода и сброса тепла;
• определено распределение давления между жидкостными и паровыми магистралями ДФК при различных граничных условиях подвода и сброса тепла;
• подтверждена способность при работе ДФК в стационарном и динамическом режимах регулирования и поддержания в заданном диапазоне следующих параметров:
— температуры испарения аммиака;
— температуры жидкого аммиака на входе в ТИ и термоплат для охлаждения ПАО;
— температуры теплоносителя ВГК на выходе из ТИ;
— перепада давления на РПЖ.
Ввиду сложности поставленной задачи на первом этапе проведено моделирование гидравлических характеристик ДФК при течении сухого пара в паровой магистрали (полное испарение аммиака в ТИ), максимальной тепловой нагрузке и постоянных свойствах жидкого аммиака и его паров. Обусловленность данных допущений определена системой регулирования работы ДФК, которая должна поддерживать расход жидкого аммиака на испарение пропорционально тепловой нагрузке.
моделирование двухфазного контура и принятые допущения
Гидравлический расчет ДФК СОТР производился в программной среде LSM AMESim 14.2 [4] с использованием элементов библиотек Hydraulic, Hydraulic Resistance и Signal, Control.
Внешний вид смоделированной системы представлен на рис. 5.
Рис. 5. Схема модели двухфазного контура системы обеспечения теплового режима НЭМ
Вся система была разбита на отдельные участки, которые на рис. 5 представлены в виде прямоугольников, соединенных линиями связи. Для каждого из участков с учетом гидравлических характеристик конкретных агрегатов, схемной компоновки, длин и диаметров трубопроводов, соединяющих агрегаты между собой, была определена гидравлическая характеристика в зависимости от расхода аммиака или его паров.
Для моделирования увеличения объемного расхода в процессе испарения в ТИ на выходе соответствующего участка был установлен элемент, схема которого представлена на рис. 6.
Рис. 6. Схема элемента, моделирующего увеличение объемного расхода при испарении жидкого аммиака: 1 —
элемент, моделирующий источник потока с объемным расходом Q и давлением P; 2 — элемент, изменяющий входящий сигнал x по заданному закону
Увеличение объемного расхода в процессе испарения описывается формулой:
Рж
V = V ■
п ж
Рп '
где Vж, Vп — объемные расходы жидкости и пара, см3/с; рж, рп — плотности жидкости и пара, кг/м3, соответственно.
Аналогичный элемент установлен на участке конденсации и удаления сконденсированного пара аммиака в жидкостную полость в радиационном теплообменнике. Схема участка РТО с несколькими ТПЭ представлена на рис. 7.
Рис. 7. Схема участка радиационного теплообменника
Построенная таким образом модель позволила описать уменьшение расхода пара в паровой магистрали и увеличение расхода жидкости в жидкостной магистрали РТО при последовательном прохождении ТПЭ. Уменьшение объемного расхода в процессе конденсации описывается формулой:
Р
ж п Рж
Аммиачный насос в системе не моделировался, а был заменен суперкомпонентом, который позволял задавать расход аммиака в системе и определять потери давления.
Построенная таким образом модель позволила определить гидравлическую характеристику контура в целом. Схема этого суперкомпонента представлена на рис. 8.
Рис. 8. Схема суперкомпонента, заменяющего аммиачный насос
результаты моделирования и их обсуждение
Результатом расчета по предложенной модели является распределение давления по всей системе, а также ее общее гидравлическое сопротивление при работе с насосом с заданной напорно-расходной характеристикой. С учетом того, что расчет проводился для максимальной производительности системы, расход аммиака на испарение в этом случае составляет постоянную величину.
Распределения давления по жидкостному кольцу и паровой магистрали при различных эквивалентных диаметрах капиллярного затвора представлены на рис. 9, 10, где по оси Х приведены номера рассматриваемых участков гидравлической сети.
Для паровой магистрали:
• участок «0-1» — падение давления на участках трубопроводов между насосом и входом на регулятор подачи жидкости;
• «1» — падение давления на регуляторе подачи жидкости и теплообменнике-испарителе;
• участок «1-2» — падение давления на участках трубопроводов между выходом из теплообменника-испарителя и входом в первый теплопередающий элемент радиационного теплообменника;
• участок «2-3» — падение давления в радиационном теплообменнике.
4,1
3,9
у- 3,7
А
'3 3,5
ъ 3,3
гЗ
3,1
2,9
Паровая магистраль
Жидкостное кольцо
..........
1 2 /чистки гидравлических магистр ал с]
а)
3,8 3,6 3,4
и
I 3,2 3,0
Паровая магистраль
--___
Жидкостное"
кольцо
0 1 2 3
Учас тки гидран.1 и чески х магис тралей
б)
Рис. 9. Распределение давления по жидкостному кольцу и паровой магистрали при условном диаметре капиллярного затвора: а — 00,1 мм; б — 01,2 мм
Рис. 10. Распределение давления по жидкостному кольцу (1) и паровой магистрали при капиллярном затворе 01,2 мм (2) на участке радиационного теплообменника при различных гидравлических сопротивлениях капиллярного затвора
Для жидкостного кольца:
• участок «0-1» — падение давления на термоплатах и на участках трубопроводов между насосом и входом на дроссель, регулирующий гидравлическое сопротивление жидкостного кольца;
• «1» — падение давления на дросселе в жидкостном кольце и охранных нагревателях;
• участок «1-2» — падение давления на участках трубопроводов между выходом из охранных нагревателей и входом в первый теплопередающий элемент радиационного теплообменника;
• участок «2-3» — падение давления в радиационном теплообменнике.
При диаметре капиллярного затвора 0,1 мм (рис. 9, а) давление в паровой магистрали по всей длине радиационного теплообменника превышает давление в жидкостной магистрали, что позволяет сделать вывод, что во всех теплопередающих элементах сконденсировавшийся аммиак перетекает в жидкостную полость.
При диаметре капиллярного затвора более 0,1 мм (рис. 9, б, 10) давление в паровой магистрали радиационного теплообменника на ее начальном участке оказывается ниже, чем в жидкостной магистрали. Жидкость на этом участке будет перетекать в паровую полость и удаляться в следующий теплопередающий элемент до тех пор, пока давление в паровых полостях не превысит давление в жидкостной магистрали. Для использования в ДФК штатного изделия принят эквивалентный диаметр капиллярного затвора в ТК, равный 1,2 мм, что обеспечивает положительный перепад давления (давление в паровой полости больше давления в жидкостной полости ТК) более чем на 2/3 длины теплообменной поверхности. Размер капиллярного затвора уточняется по результатам моделирования ДФК с учетом тепловых процессов двухфазного течения и экспериментов.
На рис. 11 приведена характеристика гидравлической сети при различных гидравлических сопротивлениях капиллярного затвора и работе с аммиачным насосом.
2 i 1 3 1
i
s 4 ¡\
X i L \ \
- ■ - -г й- — -N л X.
1 -- — — ——
150 170 190 210 230 250 270 290 Расход, смУс
Рис. 11. Характеристика аммиачного насоса и гидравлические характеристики двухфазного контура при различных гидравлических сопротивлениях капиллярного затвора:
1 — капиллярный затвор 01,2 мм; 2 — характеристика насоса; 3 — капиллярный затвор 00,1 мм; 4 — область допустимых значений диаметра капиллярного затвора
Область допустимых значений диаметров капиллярного затвора в ТК подлежит дополнительному определению. При определении гидравлических характеристик двухфазного контура для каждой точки подбиралось гидравлическое сопротивление дросселя
в жидкостном кольце для обеспечения заданных расходов аммиака на испарение и через термоплаты.
При диаметре гидравлического затвора 1,2 мм и эквивалентном диаметре ДрР 5,0 мм обеспечивается:
• расход в жидкостной петле ДФК не менее 250 см3/с;
• расход жидкого аммиака на испарение не менее 15,0 см3/с,
что соответствует предъявляемым требованиям к двухфазным контурам.
заключение
Предложена схема системы обеспечения теплового режима научно-энергетического модуля, отвечающая предъявляемым требованиям и включающая двухфазный контур для сбора тепла от теплоносителя внутреннего контура и сброса его в окружающее пространство.
Численное моделирование гидравлических характеристик двухфазного контура системы обеспечения теплового режима позволило:
• показать принципиальную возможность работы подобной системы;
• подтвердить потребный расход аммиака в жидкостной петле ДФК при работе с насосом с заданной напорно-рас-ходной характеристикой;
• определить параметры капиллярного затвора теплообменника-конденсатора;
• определить характеристику дросселя, регулирующего гидравлическое сопротивление жидкостного кольца для поддержания постоянного расхода аммиака на испарение;
• определить слабые места системы, которые нуждаются в дальнейшем подробном исследовании.
Список литературы
1. Малоземов В.В., Рожнов В.Ф., Правец-кий В.Н. Системы обеспечения экипажей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1986. 584 с.
2. Никонов А.А., Горбенко Г.А., Блинков В.Н. Теплообменные контуры с двухфазным теплоносителем для систем терморегулирования космических аппаратов. М.: ЦНТИ «Поиск». Сер. Ракетно-космическая техника, машиностроение. 1991. 302 с.
ТУ 2114-005-16422443-2003 Аммиак жидкий особой чистоты.
4. Гимадиев А.Г., Грешняков П.И., Синяков А.Ф. LMS Imagine.Lab AME Sim как
эффективное средство моделирования динамических процессов в мехатронных системах. Электрон. учеб. пособие. Самара: Изд-во СамНЦ РАН, 2014. 138 с.
5. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.
6. Варгафтик Н.Б. Справочник по те-плофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Матфизиз, 1963. 708 с.
7. Патент РФ 2117891. Российская Федерация. Устройство для поддержания давления в теплоносителе в контуре системы терморегулирования космического аппарата. Гончаров Б.А., Латышев И.Н., Прохоров Ю.М., Сарычев Л.Н., Семенцов А.Н., Федотов В.К., Цихоцкий В.М., Горбенко Г.А.; заявитель и патентообладатель — ОАО РКК «Энергия»; приоритет от 12.08.1997. Публикация патента 20.08.1998. Статья поступила в редакцию 15.02.2017 г.
Reference
1. Malozemov V.V., Rozhnov V.F., Pravetskii V.N. Sistemy obespecheniya ekipazhei letatel'nykh apparatov [Crew provisioning systems of flight vehicles]. Moscow, Mashinostroeniepubl., 1986. 584p.
2. Nikonov A.A., Gorbenko G.A., Blinkov V.N. Teploobmennye kontury s dvukhfaznym teplonositelem dlya sistem termoregulirovaniya kosmicheskikh apparatov [Heat-exchange loops with a two-phase coolant for thermal control systems of spacecraft]. Moscow, TsNTI «Poisk» publ. Ser. Raketno-kosmicheskaya tekhnika, mashinostroenie, 1991. 302 p.
3. TU 2114-005-16422443-2003 Ammiak zhidkii osoboi chistoty [TU 2114-005-16422443-2003 Liquid ammonia of special cleanliness].
4. Gimadiev A.G., Greshnyakov P.I., Sinyakov A.F. LMS Imagine.Lab AMESim kak effektivnoe sredstvo modelirovaniya dinamicheskikh protsessov v mekhatronnykh sistemakh. Elektron. ucheb. posobie [LMS Imagine. Lab AMESim as the effective modeling aids of dynamic processes in mechatronic systems. Electronic training aids]. Samara, Izd-vo SamNTs RAN publ., 2014. 138 p.
5. Idel'chik I.E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivleniyam [Hydraulic resistance handbook]. Ed. M.O. Shteinberg. Izd. 3-e, pererab. i dop. Moscow, Mashinostroenie publ., 1992. 672 p.
6. Vargaftik N.B. Spravochnik po teplofizicheskim svoistvam gazov i zhidkostei [Handbook of thermophysical properties of gases and liquids]. Moscow, Matfizizpubl., 1963. 708p.
7. Patent RF 2117891. Rossiiskaya Federatsiya. Ustroistvo dlya podderzhaniya davleniya v teplonositele v konture sistemy termoregulirovaniya kosmicheskogo apparata [Device for maintaining pressure in the loop coolant of thermal control system of space vehicle]. Goncharov B.A., Latyshev I.N., Prokhorov Yu.M., Sarychev L.N., Sementsov A.N., Fedotov V.K., Tsikhotskii V.M., Gorbenko G.A.; applicant and the patent owner — OAO RKK «Energiya»; priority of 12.08.1997; publication of the patent 20.08.1998.
