Возможность использования жидкого водорода одновременно в качестве хладагента и источника энергии для космических транспортных средств Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 62-6

Возможность использования жидкого водорода одновременно в качестве хладагента и источника энергии для космических транспортных средств

гг

Представлены расчётные данные возможности использования водорода в качестве хладагента

и источника энергии для космических транспортных средств, работающих на линиях

космического индустриального ожерелья «Орбита» (КИО «Орбита»). Этот газ обладает

высоким значением удельной теплоёмкости и теплопроводности, а также задействован

при получении электрической энергии в водородных топливных элементах.

В настоящее время основным препятствием применения водорода выступает

его небезопасная эксплуатация, а также сложности с транспортировкой по причине

низкой плотности. Свободный (в виде Н2) водород в жидкой фазе частично решает

указанные проблемы. В связи с этим рассматривается использование

криогенных ёмкостей, выполняющих одновременно функцию баков и испарителей,

в которых водород не только транспортируется, но и испаряется за счёт установки

дополнительного теплообменника в криогенную ёмкость. Авторы делают акцент

на анализе вырабатываемой мощности охлаждения ёмкостей,

используемых для транспортировки жидкого водорода, при применении хладагентов

(в этом качестве могут выступать гелий, метан, пропан, бутан и др.) во вторичном контуре.

A.Э. Юницкии12

доктор философии транспорта

B.Н. Гаранин2

кандидат технических наук В.В.Янчук23

1 ООО «Астроинженерные технологии»,

г. Минск, Беларусь

2 ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь

3 Белорусский национальный технический университет,

г. Минск, Беларусь

Ключевые слова:

безопасность, водород, жидкость, контур, космическое индустриальное ожерелье «Орбита» (КИО «Орбита»), сосуд Дьюара, теплоёмкость, хладагент

UDC 62-6

Possibility of Using Liquid Hydrogen Simultaneously as a Refrigerant and a Source of Energy for Cosmic Vehicles

A. Unitsky12

Ph.D. in Information Technologies (Transport)

V. Garanin2

Ph.D. in Technical Sciences V. Yanchuk23

1 Astroengineering Technologies LLC, Minsk, Belarus

2 Unitsky String Technologies Inc., Minsk, Belarus

3 Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus

rr

The article presents calculated data on the possibility of using hydrogen as a refrigerant and energy source for cosmic vehicles operating on the lines of the Industrial Space Necklace "Orbit" (ISN "Orbit"). This gas has a high value of specific heat capacity and thermal conductivity and is also involved in the generation of electrical energy in hydrogen fuel cells. Currently, the main obstacles to the use of hydrogen are its unsafe operation as well as difficulties with transportation due to its low density. Free hydrogen (in the form of H2) in the liquid phase partially solves these problems. In this connection, this article considers the use of cryogenic tanks that act simultaneously as tanks and evaporators, in which hydrogen is not only transported but is also vaporized due to the installation of an additional heat exchanger into the cryogenic tank. The authors emphasize the analysis of the generated cooling power of tanks used for transportation of liquid hydrogen when refrigerants (helium, methane, propane, butane, etc.) are used in the secondary circuit.

Keywords:

circuit, Dewar vessel, heat capacity, hydrogen, Industrial Space Necklace "Orbit" (ISN "Orbit"), liquid, refrigerant, safety

Введение

Концепция гиперскоростного транспортного средства [1] предусматривает его функционирование в форвакууме или при низком давлении, где передача теплоты возможна только с помощью излучения. В вакууме отсутствуют силы сопротивления среды, что создаёт идеальные с точки зрения кинематики параметры для движения транспорта -вакуумного транспортного средства (ВТС). Однако оно в данном случае вынуждено работать полностью автономно, в том числе и в области обмена энергией. Любую тепловую энергию, которая в ВТС не может быть использована по назначению, необходимо отводить (в обычных условиях она рассеивается в окружающей среде), что требует внедрения специальных систем. При преобразовании энергии (характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД)) из одного вида в другой всегда присутствуют её потери в виде теплоты. Дополнительное применение сбросных (лишних) тепловых потоков можно обеспечить посредством соответствующих устройств - аккумуляторов (утилизаторов) тепла. Чем ниже суммарный КПД преобразования энергии, тем больше избыточной теплоты нужно утилизировать и тем значительнее нагрузка возлагается на системы утилизации тепла в ВТС.

В данной работе оценена нагрузка на систему утилизации тепла в зависимости от КПД преобразования химической энергии газов в электрическую энергию в топливных элементах (ТЭ). Метод исследования основан на расчёте балансовых уравнений для системы охлаждения ВТС.

Утилизация тепловой энергии в космосе

Функционирование общепланетарного транспортного средства (ОТС) будет происходить частично в космосе, т. е. в условиях вакуума [2], что вызовет проблемы с преобразованием энергии, необходимой для разгона и торможения ленточных маховиков, суммарная масса которых может достигать 38 млн тонн [3].

В связи с тем, что КПД всех преобразований в системе линейных электродвигателей на этапах подъёма и спуска ОТС может составить п = 0,973 [3], количество тепла, выделяемого при разгоне/торможении маховиков, на основании закона сохранения энергии может достигать в эквиваленте чуть более 100 млн кВт-ч энергии. Всю полученную тепловую энергию целесообразно аккумулировать для дальнейшего потребления, не оказывая тем самым влияния на земную атмосферу. Таким образом, задействование криогенного водорода в данном случае может быть актуальным.

Изучение вопроса использования теплообмена в космическом пространстве только посредством лучистого теплообмена показало, что из-за изменчивых условий эксплуатации космических объектов невозможно полностью решить проблему обеспечения теплового режима лишь нанесением покрытий с определёнными радиационными характеристиками [4]. Система автоматизации, установленная на борту ВТС, которая при необходимости должна утилизировать лишнее тепло с помощью только внутренних ресурсов, позволит справиться с данной задачей. В подтверждение сказанному в космическом аппарате с тепловыделяющим оборудованием, расположенным в негерметичных отсеках, для передачи большого количества тепла на изолированную радиационную поверхность или для отвода (подвода) тепла от высокомощных источников с большой удельной плотностью тепловыделения используют жидкие теплоносители, циркулирующие в трубопроводах жидкостных контуров [4]. При поддержании температуры теплоносителя в заданных пределах он кроме переноса тепла будет стабилизировать и температуру элементов, имеющих непосредственный тепловой контакт с ним. Так, нуждающиеся в охлаждении приборы устанавливают на термостатируемые платы, через которые циркулирует теплоноситель. В некоторых случаях его подают непосредственно в приборы для охлаждения теплонапря-жённых элементов. В качестве теплоносителей задействуют углеводороды, кремнийорганические жидкости, фреоны, водные растворы этиленгликоля, воду и др.

Как правило, средства обеспечения теплового режима (СОТР) представляют собой совокупность различных устройств, регулирующих внешний и внутренний теплообмен космического аппарата. Обычно в состав СОТР входят:

• комплекс средств активного регулирования тепловых процессов, называемый системой терморегулирования (СТР);

• средства пассивного терморегулирования (СПТР).

СТР - вентиляционное оборудование, жидкостный контур с теплообменными устройствами и средствами регулирования тепловых потоков, активные средства регулирования лучистого теплообмена и др. СПТР - конструктивные элементы, обеспечивающие заданные параметры теплообмена излучением и теплопроводностью (терморегули-рующие покрытия, различного рода тепловая изоляция и теплозащита, термомосты и термосопротивления).

Кроме того, существуют технологии отвода тепла в космосе с помощью гипертеплопроводящих панелей, работа которых аналогична тепловым трубам (рисунок 1) [5].

Корпус

Фитиль

Канал для движения пара

Подвод тепла

Отвод тепла

Рисунок 1 - Схема работы гипертеплопроводящих панелей. Этапы теплового цикла: 1 - испарение жидкости и поглощение тепла; 2 - движение пара к холодной области;

3 - конденсация пара и выделение тепла;

4 - движение жидкости к горячей области

Представленная идея основана на использовании особенностей фазового перехода специальных жидкостей на солнечной и теневой сторонах космических аппаратов. За счёт капиллярных сил фитиля жидкость постоянно возвращается к месту подвода тепла.

Применение тепловых аккумуляторов для отвода кратковременных тепловых потоков повышенной мощности (КТППМ) рассмотрено в [6] (рисунок 2).

Рисунок 2 - Принципиальная схема использования тепловых аккумуляторов: 1 - источник КТППМ; 2 - теплообменник; 3 - насос; ■ резервуар с рабочим телом; 5 - испарительный излучатель

Вещества, которые могут быть задействованы в системах утилизации тепла с использованием сброса рабочего тела, представлены в [6]. Вода является наиболее предпочтительной жидкостью. В качестве теплоаккумулирующего материала также предлагается применять четыре группы веществ: парафины, жирные кислоты, гидраты солей и ряд соединений металлов.

В настоящей работе обращено внимание не только на системы утилизации тепла, но и на системы, функционирующие одновременно как утилизаторы тепла и источники энергии, на чём в дальнейшем будет сделан особый акцент.

В [7] указывается возможность использования водорода в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА). В частности, электрическая энергетическая установка для двигателей БПЛА включает ТЭ и аккумулятор водорода высокого давления. Аккумулятор водорода выполнен в виде мульти-капиллярных объектов, расположенных внутри полых конструкционных элементов БПЛА. В данном случае водород выступает как топливо, а также в качестве подъёмного газа в конструкции корпуса.

Представим математическое обоснование количества энергии, которую необходимо аккумулировать в замкнутом пространстве в зависимости от КПД ТЭ. Обзор некоторых литературных источников показал, что лишнее тепло, которое получает ВТС от внешних или внутренних источников энергии, удобнее утилизировать с помощью специальных жидких или газообразных теплоаккумулирующих материалов [8].

Математическое обоснование использования водорода для утилизации тепла в космосе

Приведём математические расчёты, показывающие возможность использования водорода (как наиболее чистого источника энергии в космосе) в качестве источника энергии и теплоаккумулирующего материала.

На основании [9] химическая реакция кислорода и водорода (в молях) происходит с выделением тепла:

?\\ • О

2Н .0 + 572 кДж,

(1)

т. е. при взаимодействии 4 г водорода с 32 г кислорода образуется 36 г воды и выделяется 572 кДж энергии.

С учётом КПД ТЭ расход водорода 6Н (кг/с), необходимого для получения мощности Р (кВт) электрической энергии, будет выражаться следующей зависимостью:

г 0,004Р 572П '

(2)

Соответственно, расход кислорода Б(к (кг/с) и скорость образования воды бн,, (кг/с) будут выражаться следующими зависимостями:

г 0,032 Р 572П '

г 0,036Р Чи - ■

572 п '

(3)

(4)

Согласно [10] наиболее распространённые ТЭ имеют КПД около 40 %, что на основании представленных выше расчётов даёт возможность определить количество веществ, участвующих в процессе выработки электрической энергии.

Рассмотрим для примера транспортное средство, время поездки которого между конечными пунктами составляет 0,5 ч при перевозке шести пассажиров, а механическая мощность электродвигателя Рш,: равна 100 кВт при механическом КПД 90 % (пмех = 0,9). Электрическая энергия подаётся на электродвигатель от преобразователя, в качестве которого выступает, в частности, водородный ТЭ, имеющий электрический КПД 40 % (птэ = 0,4). Мощность тепловыделения одного пассажира в покое Р„ составляет 0,1 кВт. Мощность тепловыделений бортового оборудования без учёта двигателя принимаем за 1 % от электрической мощности ТЭ, т. е. Рх] = 0,01/Упмех. Данная схема описана в [11] и представлена на рисунке 3.

Для вырабатываемой мощности ТЭ 111 кВт при птэ = 0,4 расход водорода и кислорода в секунду, а также количество получаемой воды составит: GH = 1,94 г/с; Gn = 15,54 г/с; %, = 17,48 г/с.

При повышении КПД ТЭ указанные значения будут уменьшаться (рисунок 4).

Схема утилизатора тепла с использованием криогенных жидкостей представлена на рисунке 5 [11]. Процесс кипения жидкого водорода предлагается реализовывать непосредственно в сосудах Дьюара, которые применяются для его транспортировки. Замкнутый вторичный контур с хладагентом, имеющим температуру перехода в твёрдую фазу ниже температуры кипения жидкого водорода (в качестве такого хладагента можно использовать гелий, который

при температурах жидкого водорода не переходит в твёрдую фазу), обеспечивает циркуляцию потока и подвод тепла для кипения непосредственно в сосуд Дьюара. По мере кипения жидкого водорода его уровень снижается, рабочая часть контура погружения в жидкость уменьшается.

К данному контуру для теплообмена можно подключить вторичные контуры с потоками нагретого воздуха или других хладагентов из салона транспорта, от двигателей и иных элементов, которые требуется охлаждать. Использование вторичных контуров позволит эффективно подготовить хладагенты, циркулирующие в них (например, отделять воду, которая содержится в охлаждаемом воздухе и способна засорить вторичный контур при её замерзании).

Получаемый в результате кипения в сосуде Дьюара газообразный водород попадает в систему питания водородного ТЭ. Эта система имеет возможность запитываться газообразным водородом из отдельного бака либо из магистрали, в которой движется ВТС. Данное решение способствует выработке электроэнергии независимо от наличия газообразного водорода в среде, где функционирует ВТС.

Зададим следующие параметры хладагентов (рисунок 6): на входе в ТЭ температура водорода и кислорода для реакции Гр равна 20 °С; температура жидкого водорода и кислорода в криогенных ёмкостях будет составлять соответственно: Гн = -253 °С; ^ = -183 "С.

На основании рисунка 3 суммарная выделяемая мощность тепла, которую нужно утилизировать, определяется по зависимости:

IP = NP+ Р

1

ПмехПт:

-1-

001

Пмех

(5)

Рисунок 3 - Структура образования тепловой мощности

15

10

ч \

0,4

0,6

0,8

ПТ!

— Водород ■■■■ Кислород — Вода Рисунок 4 - Расход веществ в зависимости от КПД ТЭ

Рисунок 5 - Схема утилизатора тепла с использованием жидкого газа

Так как идеальному ТЭ для выработки 1 кВт-ч электроэнергии согласно (2) необходим водород массой т, равной 25,17 г, то расход водорода (кг/с) и кислорода (кг/с) для создания электрической мощности Р (кВт) будет определяться следующими зависимостями:

ви =

тР

Н! 3600ПтэПмех'

№ •

(6) (7)

Объём жидкого водорода 1/н (м5), требуемый для функционирования ВТС на протяжении времени т (ч), будет выражаться следующей закономерностью:

36006нт

(8)

где рн< - плотность жидкого водорода, кг/м5 (рн = 71 кг/м5).

Необходимый объём жидкого кислорода К„ [м3] будет выражаться следующей зависимостью:

К,

36006мт

(9)

где рГи - плотность жидкого кислорода, кг/м5 (рГ| = 1140 кг/м5).

Тепловая мощность, требуемая для испарения заданных расходов водорода и кислорода, составит соответственно Р] и Ръ (кВт):

р _ ^г

(10)

Водород Д -^

Кислород

20 °С

-253 °С

ТА,

V ТА6

ТА,

Рисунок 6 - Температура хладагентов в контурах: ТА-ТА5 - теплообменные аппараты, охлаждающие вторичный контур; ТА6-ТАЯ - теплообменные аппараты, нагревающие вторичный контур

где гн< - теплота парообразования водорода, Дж/кг [гн = = 460 500 Дж/кг);

/;, - теплота парообразования кислорода, Дж/кг [г1К = = 214 000 Дж/кг).

Мощность тепла, необходимого для нагревания водорода и кислорода до температуры их реакции Гр, соответственно составит Р2 и Р4 (кВт):

Л = ^иД'рЮ,! " /-№ЗЮг|]| (13)

где /р(н<) - удельная массовая энтальпия водорода при Гр, Дж/кг |/р(н] = 3 899 700 Дж/кг);

/рК] - удельная массовая энтальпия кислорода при Гр, Дж/кг (/р(М;) = 400 000 Дж/кг).

Подставив значения в зависимости (4)-(13), можно отметить, что затраченного объёма жидкого водорода и кислорода будет недостаточно, чтобы утилизировать тепло, получаемое

при функционировании ВТС (рисунок 1). С учётом КПД ТЭ (40-100 %) удаётся утилизировать с помощью жидкого водорода и кислорода только 7,7-43 % всего тепла, что в первую очередь обусловлено высокими потерями энергии при преобразованиях в электрической части подвижного состава. Следовательно, дальнейшая работа в направлении использования водорода в ВТС неразрывно связана с повышением КПД ТЭ, а также со снижением потерь на преобразование энергии, затрачиваемой на движение.

Тепловой баланс работы топливного элемента

Для утилизации избыточной тепловой энергии можно задействовать другие вещества, поскольку применяемых для движения ВТС водорода и кислорода, как показывают расчёты, недостаточно. На основании [5] в качестве дополнительного теплоаккумулирующего материала используется переохлаждённый лёд, который в космических условиях может образовываться из воды с помощью, например, гипертеп-лопроводящих панелей. Температура, до которой нужно нагревать воду, равна 80 °С, а температура переохлаждённого льда составляет -100 °С (рисунок 7).

гс

Рисунок7 - Схема теплового баланса утилизатора тепла водородного двигателя в зависимости от КПД ТЭ

■15% запас

На основании вышеуказанных зависимостей представим схему теплового баланса водородного двигателя (рисунок 7). Анализ зависимостей показывает, что при 100 % КПД ТЭ рассматриваемая система образует 7,2 кВт мощности лишней энергии, которая вырабатывается преимущественно за счёт механических потерь, так как около 10 % мощности электродвигателей уходит в тепло. Расчёты представлены в таблице. Механический КПД двигателя пмех = 0,97 позволяет отказаться от применения дополнительного аккумулятора тепла (льда) при использовании идеального ТЭ (пмех = 1).

Таблица - Расчёт мощности хладагентов

Показатель КПДТЭ(п)

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

1 2 3 4 5 6 7 8

Электрическая мощность двигателя, кВт 100

Механический КПД электродвигателя 0,9

Расход водорода на ТЭ при КПД 100 %, г/кВт-ч 25,17

Действительный расход водорода на ТЭ, г/кВт-ч 62,925 50,34 41,95 35,95714 31,4625 27,96667 25,17

Расход водорода на ТЭ (по химической реакции), г/с 1,94 1,55 1,29 1,11 0,97 0,86 0,78

Количество пассажиров, чел. 6

Мощность бортовой электроники, кВт 1,111111

Тепловая энергия, которую требуется утилизировать, кВт 179,4889 123,9333 86,8963 60,44127 40,6 25,1679 12,82222

Тепловая энергия, поглощаемая при испарении водорода, кДж/кг 461

Тепловая энергия, поглощаемая при нагревании водорода в диапазоне 20-293 К, кДж/кг 3438,7

Общий объём тепловой энергии, поглощаемой водородом, кДж/кг 3899,7

Холодильная мощность водородных теплообменников, кВт 7,6 6,1 5 4,3 3,8 3,4 3

Расход кислорода для ТЭ (по химической реакции), г/с 15,53704 12,42963 10,35802 8,878307 7,768519 6,90535 6,214815

Объём тепловой энергии, поглощаемой при испарении и нагревании кислорода, кДж/кг 400

Холодильная мощность кислородных теплообменников, кВт 6,2 5 4,1 3,6 3,1 2,8 2,5

Холодильная мощность льдоаккумулятора, кВт 165,7 112,9 77,7 52,6 33,7 19 7,3

Конечная температура воды, образовавшейся из растаявшего льда, °С 80

Объём тепловой энергии, поглощаемой при нагревании и плавлении льда от -100 °С до 0 °С, кДж/кг 479

Теплоёмкость льда, кДж/(кг- К) 4,2

Исходя из теплового баланса (выделяемая, потребляемая и лишняя тепловая энергия), расход льда, необходимый для аккумулирования лишней тепловой энергии в„ (кг/с) с учётом 15 % запаса, составит:

в_Ш[1Р-РгР2-Ръ-Р^ сл(0-гл] + у>свгНго '

где сл - теплоёмкость льда, Дж/(кг-°С) (сл = 2100 Дж/(кг-°С); св - теплоёмкость воды, Дж/(кг-°С) (св = 4200 Дж/(кг-°С); ул - теплота плавления льда, Дж/кг (ул = 333 500 Дж/кг).

Окончание таблицы

1 2 3 4 5 6 7 8

Объём тепловой энергии, поглощаемой при нагревании и плавлении льда, нагревании воды, кДж/кг 815

Масса льда, требуемого для льдоаккумулятора, кг/с (г/с) 0,203 (203) 0,139 (139) 0,095 (95) 0,064 (64) 0,041 (41) 0,023 (23) 0,009 (9)

Выделение воды, г/с 17,47917 13,98333 11,65278 9,988095 8,739583 7,768519 6,991667

Выделение кислорода, г/с 15,53704 12,42963 10,35802 8,878307 7,768519 6,90535 6,214815

Определение параметров работы водородного утилизатора теплоты

Рассмотрим случай, когда в качестве утилизатора лишней энергии будет выступать только жидкий водород. Определим его количество, требуемое для представленных выше условий. Схема теплообменника показана на рисунке 8.

В предлагаемом варианте утилизации теплоты лишняя энергия идёт на нагревание жидкого водорода перед подачей в водородный ТЭ от температуры Гн = -253 °С, с которой резервуар-испаритель ТА, с жидким водородом устанавливается на транспортное средство, до температуры Гн_ = 20 °С, при которой газообразный водород подаётся в водородный ТЭ.

ТА,

ТА,

ХР = 179,5 кВт

В качестве резервуара-испарителя ТА, возьмём сосуд Дьюара типоразмера СК-40 и номинального объёма ^ = 40 л. Выберем также параметры нагревателя змеевикового теплообменника, помещаемого в резервуар-испаритель:

• количество витков [п= 20);

• шаг витка, мм [а= 8 мм);

• диаметр витка трубки змеевикового теплообменника, мм

(С =60 мм);

• внешний диаметр трубки теплообменника, мм (4 = 4 мм). Суммарная мощность 1Р утилизируемого тепла в ТА,

и ТА4 равна 179,5 кВт (сумма Ръ = Рг| + /> 4 = 1,7 кВт - тепловая мощность, выделяемая пассажирами и электронным оборудованием; Р4 = Рхг + Рх1 = 177,8 кВт - тепловая мощность, выделяемая силовой электроаппаратурой).

Исходя из условий обеспечения жидкой фазы хладагента, во вторичном контуре примем следующие температуры хладагента:

• между теплообменниками ТА, и ТА4: = -5 °С;

• между резервуаром-испарителем ТА, и теплообменником ТА,: Г, = -30 "С.

Температура г, между резервуаром-испарителем ТА, и теплообменником ТА, определяется из соотношения тепловых мощностей:

и=

'р|н,| + гн3

(15)

и

3 899 700 х [-30]+ 460 500 х [-5] 3 899 700 + 460 500

= -27,4 °С.

Температура Г4 между теплообменниками ТА, и ТА4 определяется из соотношения тепловых мощностей:

и

Рисунок 8 - Схема водородного утилизатора теплоты

1'1 Ръ + Р*

(16)

и=

1,7 х [-5] +177,8 х [-30] 1,7 +177,8

= -29,8 °С.

Массовый расход хладагента вторичного контура 61 (кг/с):

Яп - ■

1Р

(17)

где схл - теплоёмкость хладагента, Дж/(кг-°С).

Аналогичное уравнение для массового расхода водорода (кг/с) с учётом (17) будет иметь вид:

в,.

(18)

„ 179 500 х (-27,4-[-30] пп/1 . „ . 460 500х(-5-[-30]) =0-041 кг/с = 41 г/с.

На основании зависимостей (10) и (12) затрачиваемые мощности на кипение и подогрев водорода составят: Р, = 21,2 кВт; Р2 = 158,3 кВт.

Исходя из этого, определяется площадь теплообмена / (м):

/ 7,7мк/ хти1, (19)

f = >/0,008 • п 0,06 х 20п х 0,004 = 0,047 м\

Коэффициент теплопередачи К с учётом обеспечения турбулентного вынужденного движения хладагента (гелия) в жидкой фазе во вторичном контуре (скорость течения жидкости 2 м/с при внутреннем диаметре трубок 3 мм) можно принять равным 400 Вт/(мг-К) (согласно рекомендациям [12]).

Тепловая мощность одного резервуара-испарителя (сосуда Дьюара) Рд (кВт) в таком случае составит:

Р= одж

л-к

(20)

р = 0,001 х 400 х 0,047

[-27,4-(-252,9)]-(-30-[-252,9]]

-27,4-[-252,9]

-30-(-252,9)

= 4,21 кВт.

В соответствии со схемой, представленной на рисунке 8, хладагент вторичного контура должен иметь жидкое агрегатное состояние во всех четырёх точках, т. е. можно использовать жидкости, имеющие температурный диапазон -5... -30 °С.

На основании теплового баланса для утилизации тепловой энергии мощностью 179,5 кВт /урд = 21,2/4,21, т. е. потребуется пять сосудов Дьюара с суммарной выработкой тн (кг) водорода за время движения транспорта 0,5 ч:

Шп = 36006нт,

/77н, = 3600x0,041x0,5 = 73,8 кг.

(21)

Заключение

Представленные расчёты позволяют сделать вывод, что в зависимости от КПД ТЭ можно аккумулировать (утилизировать) с помощью жидкого водорода и кислорода не более 43 % всей тепловой энергии из-за высоких потерь преобразования в электрических частях транспорта. Благодаря повышению КПД ТЭ, а также снижению других потерь энергии на преобразование (например, затрачиваемой на движение транспорта) улучшится показатель эффективности утилизации энергии - приблизится к 100 %.

Анализ зависимостей демонстрирует, что при 100 % КПД ТЭ рассматриваемый транспорт образует 7,2 кВт мощности сбросной теплоты, которая вырабатывается преимущественно за счёт механических потерь (10 % мощности переходит в тепловую энергию во время преобразований). Только при 97 % КПД механической части двигателя можно говорить о полном отказе от использования дополнительного аккумулятора холода (при 100 % КПД ТЭ).

Кроме того, можно утверждать, что на повышение мощности водородного утилизатора тепла в большей степени оказывает влияние площадь теплообмена (что ограничивается габаритами криогенных ёмкостей), чем изменение характеристик жидкого хладагента вторичного контура. По этой причине конструкции сосудов, в которых предполагается как транспортировать жидкий водород, так и обеспечивать теплообмен, следует проектировать с учётом необходимости максимальной площади теплообмен-ных элементов (например, устанавливая теплообменники на стенки и дно используемых сосудов).

Таким образом, результаты исследований показывают возможность применения водорода в качестве энергоносителя и хладагента одновременно, при этом выбор параметров системы аккумулирования теплоты нужно осуществлять в зависимости от режимов работы орбитального транспорта, обеспечивающего полноценное функционирование в условиях вакуума КИО «Орбита», которое в будущем станет одним из грандиозных искусственных сооружений человечества в околоземном космическом пространстве.

Список основных источников

1. Юницкий, A3. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание/A3. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.

2. Юницкий, A3. Использование водорода в космосе: прошлое, настоящее, будущее/A3. Юницкий, В.В. Василевич,

B.Л. Лукша//Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы III меж-дунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 12 сент. 2020 г. / ООО «Астроинженерные технологии», ЗАО «Струнные технологии»; под общ. ред. A3. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2021 - С. 206-219.

3. Юницкий, A3. Создание математической модели общепланетарного транспортного средства: разгон маховиков, прохождение атмосферы, выход на орбиту / A3. Юницкий, Р.А. Шаршов, А.А. Абакумов //Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II между нар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / ООО «Астроинженерные технологии»; под общ. ред. A3. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - С. 77-83.

4. Цаплин, С. В. Теплообмен в космосе: учеб. пособие / СВ. Цаплин, С.А. Болычев, А.Е Романов. - Самара: Изд-во Самарского ун-та, 2018. - 92 с.

5. Когда в космосе жарко [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://scfh.ru/papers/kogda-v-kosmose-zharko/. - Дата доступа: 30.04.2023.

6. Кухтин, А.В. Практические рекомендации по разработке системы обеспечения теплового режима космического аппарата/А.В. Кухтин,А.М. Денисов, Т.Ю.Девяткина// Известия ТулГУ. Технические науки. - 2018. - Вып. 11. -

C. 113-123.

1. Денисов, Э.И. Аккумулятор водорода на основе капиллярных и мультикапиллярных структур для энергетической установки беспилотных летательных аппаратов: пат. RU185789 Ul/З.И. Денисов. - Опубл. 19.12.2018.

8. Рааб, Г. Система утилизации отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания с устройством защиты от замерзания: пат. RU 2 469 204 С2/Г. Рааб. - Опубл. 10.12.2012.

9. Гзльфанд, Б.Е. Водород: параметры горения и взрыва / Б.Е. Гельфанд, О.Е. Попов, Б.Б. Чайванов. - М.: Физматлит, 2008.-284 с.

10. Fuel Cell Membranes - Pros and Cons / £ Ogungbemi let a!.]//Energy. - 2019. - No. 172. - P 155-172.

11. Юницкий, АЗ. Обоснование возможности использования водорода в качестве хладагента в гиперскоростных транспортных средствах / АЗ. Юницкий, В.Н. Гаранин, В.В. Янчук//Безракетная индустриализация ближнего космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы Умежду-нар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 23-24 сент. 2022г./ ООО «Астроинженерные технологии», ЗАО «Струнные технологии»; под общ. ред. АЗ. Юницкого. - Минск: СтройМедиаПроект, 2023. - С. 64-73.

12. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию/под ред. Ю.И Дытневского. -М.: Химия, 1983. -272 с.