RU146726U1

RU146726U1 - REFRIGERATOR-RADIATOR

Info

Publication number: RU146726U1
Application number: RU2012152582/06U
Authority: RU
Inventors: Асхат Абрарович Гарафутдинов
Original assignee: Асхат Абрарович Гарафутдинов
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-10-20

Abstract

1. Холодильник-излучатель, содержащий систему хранения и подачи теплоносителя, систему излучения теплоносителем избыточного тепла, перекачивающий насос, трубопроводы, систему регулирования, отличающийся тем, что теплоноситель холодильника-излучателя получает тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата через систему связанных между собой тепловых машин, работающих по обратному термодинамическому циклу, установленных таким образом, что такая система связанных между собой тепловых машин, работающих по обратному термодинамическому циклу, имеет возможность принимать тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата и передавать тепло теплоносителю холодильника-излучателя.2. Холодильник-излучатель по п.1, отличающийся тем, что система связанных между собой тепловых машин, работающих по обратному термодинамическому циклу, представляет собой каскад нескольких тепловых насосов, у которых испаритель крайнего в цепи теплового насоса получает тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата, а конденсатор другого крайнего в цепи теплового насоса отдает тепло теплоносителю холодильника-излучателя; между собой тепловые насосы соединены так, что конденсатор одного теплового насоса передает тепло испарителю соседнего теплового насоса через промежуточный теплоноситель.3. Холодильник-излучатель по п.1, отличающийся тем, что система связанных между собой тепловых машин, работающих по обратному термодинамическому циклу, предста�1. The refrigerator-emitter containing the storage system and supply of the coolant, the radiation system of the coolant excess heat, a transfer pump, pipelines, a control system, characterized in that the coolant of the refrigerator-emitter receives heat from the coolant of the power plant and (or) the thermal stabilization system of the spacecraft through a system of interconnected heat engines operating in the reverse thermodynamic cycle, installed in such a way that such a system is interconnected of heat engines operating in the reverse thermodynamic cycle, is able to receive heat from the coolant of the power plant and (or) the thermal stabilization system of the spacecraft and transfer heat to the coolant of the refrigerator-emitter. 2. The refrigerator-emitter according to claim 1, characterized in that the system of interconnected heat engines operating in the reverse thermodynamic cycle is a cascade of several heat pumps in which the evaporator of the outermost heat pump circuit receives heat from the heat carrier of the power plant and / or system thermal stabilization of the spacecraft, and the condenser of the other extreme in the heat pump circuit gives off heat to the coolant of the refrigerator-emitter; the heat pumps are interconnected so that the condenser of one heat pump transfers heat to the evaporator of the adjacent heat pump through an intermediate heat carrier. 3. The refrigerator-emitter according to claim 1, characterized in that the system of interconnected heat engines operating in the inverse thermodynamic cycle is

Description

Холодильник-излучатель относится к области космической техники, а конкретнее к устройствам отвода тепла от систем космических аппаратов.The radiator-radiator belongs to the field of space technology, and more specifically to devices for removing heat from spacecraft systems.

В первых устройствах холодильников-излучателей систем термостабилизации космических летательных аппаратов (КЛА) использовались трубчатые излучатели. Они применялись для излучения в космическое пространство низкопотенциального тепла из энергоустановки и системы обеспечения требуемого температурно-влажностного режима в герметичных отсеках. Далее появились более эффективные капельные холодильники-излучатели (КХИ) в которых, вместо охлаждения в трубчатых излучателях, теплоноситель пропускают через специальный генератор капель, представляющий собой камеру высокого давления с большим числом отверстий микрометрового размера, выводится в виде струек, разбиваемых под действием вибрации на капли, непосредственно в космическое пространство. Направленный поток капель падает на коллектор капель. Тепло посредством излучения от капель отводится на участке между генератором и коллектором капель. В коллекторе капель капли объединяются в единый поток жидкости, который с помощью насоса возвращается в замкнутую систему. Переход от трубчатых излучателей к капельным привел к уменьшению массы единицы поверхности излучателя на порядок. Капельный излучатель компактен и нечувствителен к попаданию микрометеороидов. Имеются предложения по использованию в качестве излучателя подвижной ленты. С поверхности ленты происходит излучение тепла, которое подводится к ней либо нагретыми валиками, либо путем протяжки ленты через камеру с жидкостью. Информация по КХИ и ленточному излучателю взята из источника [Проблемы освоения космоса», Гришин С.Д., Чекалин С. В. Москва: издательство Знание, 1988. - 64 с, ил. - (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»; №1).].The first devices of the refrigerator-emitters of the thermal stabilization systems of spacecraft (KLA) used tubular emitters. They were used to radiate low-grade heat into outer space from a power plant and a system for ensuring the required temperature and humidity conditions in sealed compartments. Then came more efficient drip coolers-radiators (KHI) in which, instead of cooling in tubular radiators, the coolant is passed through a special droplet generator, which is a high-pressure chamber with a large number of micrometer-sized openings, and is discharged in the form of jets, which are split into droplets by vibration directly into outer space. Directional flow of droplets falls onto the droplet collector. Heat through radiation from the droplets is removed in the area between the generator and the droplet collector. In the droplet collector, the droplets are combined into a single fluid stream, which, with the help of the pump, returns to the closed system. The transition from tubular to drip emitters led to an order of magnitude decrease in the mass of a unit surface of the emitter. The drip emitter is compact and insensitive to micrometeoroids. There are suggestions for using a movable tape as an emitter. Radiation of heat occurs from the surface of the tape, which is supplied to it either by heated rollers, or by drawing the tape through a chamber with liquid. Information on the KHI and the tape emitter is taken from the source [Problems of space exploration ”, Grishin SD, Chekalin SV Moscow: publishing house Knowledge, 1988. - 64 p., Ill. - (New in life, science, technology. Ser. "Cosmonautics, astronomy"; No. 1).].

Но в настоящий время с целью освоения внешнего космического пространства (полеты на Луну, Марс и т.д.) обсуждаются и разрабатываются проекты космических ядерных энергоустановок с мощностями порядка мегаватт и выше для обеспечения электропитания электрических ракетных двигателей. Еще более сложную проблему представляет сброс использованного тепла в космическое пространство для таких мощных реакторов с длительным ресурсом работы. В этом случае количество тепловой энергии, которое необходимо излучить в космос, многократно увеличивается и будет, составляет порядка 0,5МВт и выше. Это, как видим, для КХИ колоссальный объем энергии. Таким образом, применение классического подхода утилизации тепла энергетической системы с ядерным реактором приведет к значительному увеличению массы и габаритов холодильников-излучателей. Кроме этого, для увеличения КПД энергоустановки необходимо, согласно формуле Карно, стремиться уменьшить температуру теплоносителя холодильника-излучателя, но это приводит к тому, что эффективность теплоизлучения резко падает. В самом деле, согласно закону Стефана-Больцмана [Курс физики. Изд. 2-е, перераб. и доп. Учеб. пособие для педагогических институтов. Москва, «Высшая школа», 1975. - 464 с. с ил.But at present, in order to develop outer space (flights to the Moon, Mars, etc.), projects are being discussed and developed for space nuclear power plants with capacities of the order of megawatts and above to provide power to electric rocket engines. An even more difficult problem is the discharge of used heat into outer space for such powerful reactors with a long service life. In this case, the amount of thermal energy that needs to be radiated into space increases many times and will be about 0.5 MW and above. This, as we see, is a tremendous amount of energy for KHI. Thus, the application of the classical approach to heat recovery of an energy system with a nuclear reactor will lead to a significant increase in the mass and dimensions of refrigerator emitters. In addition, to increase the efficiency of a power plant, it is necessary, according to the Carnot formula, to strive to reduce the temperature of the coolant of the refrigerator-emitter, but this leads to the fact that the efficiency of heat radiation decreases sharply. In fact, according to the law of Stefan-Boltzmann [Physics course. Ed. 2nd, rev. and add. Textbook manual for pedagogical institutes. Moscow, Higher School, 1975. - 464 p. with silt.

]: интегральная лучеиспускательная способность Е абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры Т:]: the integral emissivity E of a completely black body is proportional to the fourth degree of its absolute temperature T:

,

σ-постоянная Стефана-Больцмана.Stefan-Boltzmann σ-constant.

Интегральная лучеиспускательная способность тела Е - величина энергии, испускаемая с единицы площади поверхности тела за 1 секунду. Эта величина характеризует интенсивность теплового излучения при данной температуре во всем диапазоне испускаемых длин волн.The integral radiation emissivity of the body E is the amount of energy emitted from a unit surface area of the body in 1 second. This value characterizes the intensity of thermal radiation at a given temperature in the entire range of emitted wavelengths.

Возникает противоречие: с увеличением КПД энергоустановки эффективность холодильника-излучателя падает и, наоборот - с увеличением эффективности холодильника-излучателя уменьшается КПД энергоустановки. Таким образом, очевидно, есть определенная компромиссная температура теплоносителя холодильника-излучателя, которая при достаточном КПД энергоустановки может обеспечить достаточную способность холодильника-излучателя излучать избыточную теплоту. Такой компромисс не обеспечивает оптимальные качества эксплуатации энергоустановки и холодильника-излучателя.A contradiction arises: with an increase in the efficiency of the power plant, the efficiency of the refrigerator-emitter decreases and, conversely, with an increase in the efficiency of the refrigerator-emitter, the efficiency of the power plant decreases. Thus, obviously, there is a certain compromise temperature of the coolant of the refrigerator-emitter, which with sufficient efficiency of the power plant can provide sufficient ability of the refrigerator-emitter to radiate excess heat. Such a compromise does not ensure the optimal quality of operation of the power plant and the refrigerator-emitter.

В качестве прототипа предлагаемому устройству может быть принят российский патент №2401778 «КАПЕЛЬНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК-ИЗЛУЧАТЕЛЬ», МПК B64G 1/50, F28D 21/00. Этот КХИ как наиболее эффективный в сравнении с трубчатыми (радиаторными) холодильниками-излучателями, используется в современных космических системах (орбитальных станциях). КХИ успешно охлаждают внутренние помещения космических станций от перегрева от работающего оборудования и аппаратуры, тепловыделений человека и радиационного обогрева солнца благодаря излучению тепловой энергии в космос. Данный прототип имеет недостатки, заключающиеся в том, что он рассчитан на утилизацию низкопотенциального тепла от системы КЛА с невысокой мощностью теплоизлучения, а при использовании его в высокоэнергетических установках возникает упомянутое в предыдущем абзаце противоречие.As a prototype of the proposed device can be adopted by Russian patent No. 2401778 "DROP REFRIGERATOR-RADIATOR", IPC B64G 1/50, F28D 21/00. This KHI, as the most effective in comparison with tube (radiator) coolers, radiators, is used in modern space systems (orbital stations). KHI successfully cool the interior of space stations from overheating from operating equipment and instruments, human heat and radiation from the sun due to the radiation of thermal energy into space. This prototype has drawbacks in that it is designed to utilize low-grade heat from a spacecraft system with low heat radiation power, and when used in high-energy installations, the contradiction mentioned in the previous paragraph arises.

Задачей данного изобретения является уменьшение безвозвратных потерь тепловой энергии, т.е. увеличение КПД энергоустановки КЛА, а также одновременное увеличение эффективности охлаждающей системы. Поставленная задача решается тем, что теплоноситель холодильника-излучателя получает тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата через, систему связанных между собой тепловых машин, работающих по обратному термодинамическому циклу, установленных таким образом, что такая система связанных между собой тепловых машин, работающих по обратному термодинамическому циклу, имеет возможность принимать тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата и передавать тепло теплоносителю холодильника-излучателя. В известных системах охлаждения КЛА теплоноситель холодильника-излучателя получает тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации КЛА через обычный теплообменник. В предлагаемом устройстве вместо теплообменника располагается система тепловых машин, работающих по обратному термодинамическому циклу. Согласно источнику [Техническая термодинамика: Учебник для вузов / Под ред. В.И. Крутова - 2-е изд., перераб. и доп. Москва, «Высшая школа», 1981. - 439 с, ил.] обратными называются термодинамические циклы, в которых подвод теплоты к термодинамической системе происходит при более низкой температуре рабочего тела, чем отвод теплоты. Наиболее часто обратные циклы рассматриваются применительно к холодильным машинам, тепловым насосам, термотрансформаторам. Устройства, в которых обратный цикл используется для искусственного охлаждения, называют холодильными машинами. Тепловым насосом называют машину, работающую по обратному термодинамическому циклу и предназначенную для передачи более нагретому телу теплоты, отбираемой от менее нагретого (за счет затраты работы цикла). Термотрансформаторами называют устройства, предназначенные для переноса теплоты с одного уровня на другой и сочетающие в себе прямой и обратный термодинамические циклы. Таким образом, под тепловой машиной, работающей по обратному термодинамическому циклу (далее будем называть сокращенно - ТМОТЦ), здесь и далее понимается холодильная машина, тепловой насос, термотрансформатор или другая тепловая машина, которая осуществляет передачу теплоты (тепловой энергии) забирая тепло у менее нагретого теплоносителя и отдавая тепло более нагретому теплоносителю.The objective of the invention is to reduce the irretrievable loss of thermal energy, i.e. increase in efficiency of the power plant of the spacecraft, as well as a simultaneous increase in the efficiency of the cooling system. The problem is solved in that the coolant of the refrigerator-emitter receives heat from the coolant of the power plant and (or) the thermal stabilization system of the spacecraft through a system of interconnected heat engines operating in the reverse thermodynamic cycle, installed in such a way that such a system of interconnected heat machines operating in the reverse thermodynamic cycle, is able to receive heat from the coolant of the power plant and (or) the space thermal stabilization system Aircraft and transfer heat to the coolant of the refrigerator-emitter. In known KL cooling systems, the coolant of the refrigerator-emitter receives heat from the coolant of the power plant and (or) the thermal stabilization system of the KL through a conventional heat exchanger. In the proposed device, instead of the heat exchanger, there is a system of heat engines operating in the reverse thermodynamic cycle. According to the source [Technical thermodynamics: Textbook for universities / Ed. IN AND. Krutova - 2nd ed., Revised. and add. Moscow, Vysshaya Shkola, 1981. - 439 s, ill.] Are called reverse thermodynamic cycles in which heat is supplied to the thermodynamic system at a lower temperature of the working fluid than heat removal. Most often, reverse cycles are considered in relation to refrigeration machines, heat pumps, thermal transformers. Devices in which the reverse cycle is used for artificial cooling are called refrigeration machines. A heat pump is a machine operating in the reverse thermodynamic cycle and designed to transfer heat to a more heated body, taken from less heated (due to the cost of the cycle). Thermotransformers are devices designed to transfer heat from one level to another and combining direct and reverse thermodynamic cycles. Thus, a heat engine operating in the reverse thermodynamic cycle (hereinafter referred to as abbreviated as TMOTC), hereinafter refers to a refrigeration machine, heat pump, thermal transformer or other heat engine that transmits heat (heat energy) taking heat from a less heated heat transfer fluid and transferring heat to a warmer heat transfer fluid.

Понятие «система связанных между собой ТМОТЦ» означает, что между соседними ТМОТЦ имеется возможность теплопередачи от предыдущего к следующему. Передача теплоты между соседними ТМОТЦ может осуществляться, как минимум, посредством одного из видов теплопередачи: излучением, теплопроводностью, конвекцией. Система связанных между собой ТМОТЦ, имеет возможность принимать тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата и передавать тепло теплоносителю холодильника-излучателя так же как минимум, посредством одного из видов теплопередачи: излучением, теплопроводностью, конвекцией. Из перечисленных видов теплопередачи наиболее эффективным и применяемым является конвекционный теплообмен в теплообменниках с принудительной циркуляцией теплоносителя с помощью насоса. Обычно каждый ТМОТЦ в своей работе забирает теплоту от внешнего теплоносителя с помощью теплообменника, при этом внешний теплоноситель охлаждается. Такой теплообменник будем называть далее холодным теплообменником (в парокомпрессионных ТМОТЦ он соответствует испарителю). Передачу тепла другому внешнему теплоносителю ТМОТЦ осуществляет через другой теплообменник, который при этом нагревает этот внешний теплоноситель. Данный теплообменник далее будем называть горячим теплообменником (применительно к парокомпрессионным ТМОТЦ - это конденсатор). Здесь и далее под энергоустановкой понимается система, состоящая из источника тепловой энергии (например, ядерный реактор) и машин, преобразующих тепловую энергию в другой вид энергии (например, в электрическую). Под системой термостабилизации КЛА понимается система, обеспечивающая заданный температурный режим внутри жилых и нежилых помещений КЛА. Для краткости под энергосистемой будем понимать энергоустановку и(или) систему термостабилизации КЛА. ТМОТЦ, соединенный непосредственно с энергосистемой, будем считать первым, следующий за ним - вторым и т.д. по ходу теплопередачи. В предлагаемом устройстве теплоноситель энергосистемы через холодный теплообменник первого ТМОТЦ отдает ему свое низкопотенциальное тепло. Далее первый ТМОТЦ через свой горячий теплообменник отдает тепло через промежуточный теплоноситель холодному теплообменнику второго ТМОТЦ. Промежуточный теплоноситель движется с помощью своего насоса по замкнутому контуру между горячим теплообменником одного ТМОТЦ и холодным теплообменником соседнего ТМОТЦ, обеспечивая между ними теплопередачу. Таким же образом тепло передается от второго ТМОТЦ к третьему и так далее. Последний ТМОТЦ со своего горячего теплообменника передает тепло теплоносителю холодильника-излучателя. В системе связанных между собой ТМОТЦ может быть как минимум один ТМОТЦ, максимальное число не ограничено. Наличие промежуточных теплоносителей между ТМОТЦ не обязательно. В этом случае горячий теплообменник одного ТМОТЦ и холодный теплообменник соседнего ТМОТЦ совмещаются в одном теплообменнике и осуществляют в нем взаимную теплопередачу через теплопередающую поверхность данного теплообменника. Использование системы последовательно (каскадно) соединенных ТМОТЦ благодаря переносу (перекачиванию) ими тепла от теплоносителя энергосистемы к теплоносителю холодильника-излучателя понижает температуру теплоносителя энергосистемы, что приводит к увеличению КПД энергоустановки, а с другой стороны увеличивает температуру теплоносителя холодильника-излучателя, что приводит к увеличению интенсивности излучения тепла теплоносителем холодильника-излучателя. Кроме того, возникает дополнительный эффект. Поскольку КПД энергоустановки увеличивается, то доля первоначального тепла, которая не превратилась в полезную работу, а пройдя через тепловую машину, в виде теплового отброса направляется низшему источнику теплоты, а именно в холодильник-излучатель, уменьшается, уменьшая тем самым тепловую нагрузку на холодильник-излучатель.The concept of “a system of interconnected TMOTC” means that there is a possibility of heat transfer between neighboring TMOTC from the previous to the next. Heat transfer between neighboring TMOTC can be carried out, at least by one of the types of heat transfer: radiation, thermal conductivity, convection. The system of interconnected TMOTC has the ability to receive heat from the coolant of the power plant and (or) the thermal stabilization system of the spacecraft and transfer heat to the coolant of the refrigerator-emitter in the same way, at least through one of the types of heat transfer: radiation, heat conduction, convection. Of the listed types of heat transfer, the most efficient and applicable is convection heat transfer in heat exchangers with forced circulation of the coolant using a pump. Usually, each TMOTC in its work takes heat from an external heat carrier using a heat exchanger, while the external heat carrier is cooled. Such a heat exchanger will be called hereinafter a cold heat exchanger (in vapor compression ТМОТЦ it corresponds to an evaporator). Heat transfer to another external heat carrier is carried out by TMOTC through another heat exchanger, which at the same time heats this external heat carrier. This heat exchanger will be called a hot heat exchanger (in relation to the vapor compression ТМОТЦ it is a condenser). Hereinafter, an energy installation is understood to mean a system consisting of a source of thermal energy (for example, a nuclear reactor) and machines that convert thermal energy into another type of energy (for example, into electric). The system of thermal stabilization of a spacecraft is understood to mean a system that provides a given temperature regime inside residential and non-residential premises of a spacecraft. For brevity, by a power system we mean a power plant and / or a system of thermal stabilization of spacecraft. TMPOTC, connected directly to the power system, we will consider the first, the next after it - the second, etc. in the course of heat transfer. In the proposed device, the coolant of the power system through the cold heat exchanger of the first TMOTC gives it its low potential heat. Further, the first TMOTC through its hot heat exchanger transfers heat through an intermediate heat carrier to the cold heat exchanger of the second TMOTC. The intermediate heat carrier moves with the help of its pump in a closed circuit between the hot heat exchanger of one TMOTC and the cold heat exchanger of the neighboring TMOTS, providing heat transfer between them. In the same way, heat is transferred from the second TMOTC to the third and so on. The last TMOTTS from its hot heat exchanger transfers heat to the coolant of the refrigerator-emitter. In a system of interconnected TMOTC there can be at least one TMOTC, the maximum number is not limited. The presence of intermediate heat transfer fluids between TMOTTS is not necessary. In this case, the hot heat exchanger of one heat exchanger and the cold heat exchanger of the neighboring heat exchanger are combined in one heat exchanger and carry out mutual heat transfer through the heat transfer surface of this heat exchanger. The use of a system of series-connected (cascade) connected TMOTCs due to the transfer (pumping) of heat from the heat carrier of the power system to the coolant of the refrigerator-emitter lowers the temperature of the coolant of the power system, which increases the efficiency of the power plant, and on the other hand increases the temperature of the coolant-radiator, which leads to an increase the intensity of heat radiation by the coolant of the refrigerator-emitter. In addition, an additional effect occurs. Since the efficiency of the power plant increases, the fraction of the initial heat, which has not turned into useful work, but passing through the heat engine, is sent to the lower heat source as heat waste, namely to the radiator-radiator, and decreases, thereby reducing the heat load on the radiator-radiator .

Внутри системы связанных между собой ТМОТЦ могут располагаться нагреватели элементов конструкции, системы термостабилизации, регулирования для обеспечения требуемого температурного режима теплоносителей и обеспечения безотказной работы холодильника-излучателя.Inside the system of interconnected TMOTC, heaters of structural elements, thermal stabilization, regulation systems can be located to ensure the required temperature regime of the coolants and ensure trouble-free operation of the refrigerator-emitter.

Важнейшими особенностями обратных термодинамических циклов являются отнятие с помощью термодинамической системы теплоты в количестве Q′ от менее нагретого теплоносителя и передача теплоты в количестве Q″ более нагретому теплоносителю. Благодаря работы цикла |L_ц|, нагреваемому теплоносителю передается теплота, равная сумме теплоты Q′=Q₀, отнятой у менее нагретого теплоносителя, и работы цикла |L_ц|, т.е. Q″=Q′+|L_ц|. Поскольку, при переносе с помощью ТМОТЦ тепла объем его несколько увеличивается оценим эффективность предлагаемого устройства на примере, когда в качестве ТМОТЦ используются тепловые насосы. Эффективность обратного термодинамического цикла теплового насоса характеризуется коэффициентом преобразования, представляющего собой отношение полезного эффекта - теплоты, передаваемой более нагретому теплоносителю, - к затраченной энергии - работе цикла:The most important features of reverse thermodynamic cycles are the removal by means of a thermodynamic system of heat in the amount of Q ′ from the less heated coolant and the transfer of heat in the amount of Q ″ to the warmer coolant. Due to the operation of the cycle | L _c |, the heat transferred to the heated coolant is equal to the sum of the heat Q ′ = Q ₀ taken from the less heated coolant and the work of the cycle | L _c |, i.e. Q ″ = Q ′ + | L _c |. Since, when heat is transferred using ТМОТЦ, its volume slightly increases, we will evaluate the effectiveness of the proposed device using the example when heat pumps are used as ТМОТЦ. The efficiency of the inverse thermodynamic cycle of the heat pump is characterized by a conversion coefficient, which is the ratio of the beneficial effect - the heat transferred to the more heated coolant - to the energy spent - the cycle:

В случае равновесного обратного цикла Карно коэффициент преобразования определяется так:In the case of an equilibrium reverse Carnot cycle, the conversion coefficient is determined as follows:

Здесь Т₀ - абсолютная температура менее нагретого теплоносителя, 7₁ - абсолютная температура более нагретого теплоносителя.Here T ₀ is the absolute temperature of the less heated coolant, 7 ₁ is the absolute temperature of the more heated coolant.

Из последней формулы видно, что чем меньше разница температур Т₀ и 7₁, тем выше коэффициент преобразования φ_tK теплового насоса. Поэтому в предлагаемом устройстве предпочтительным является использование не одного теплового насоса или ТМОТЦ с большой разностью температур горячего и холодного теплообменников, а цепь последовательно связанных ТМОТЦ или многоступенчатые ТМОТЦ, в которых имеются несколько ступеней преобразования теплоты с высоким коэффициентом преобразования.From the last formula it is seen that the smaller the temperature difference T ₀ and 7 ₁ , the higher the conversion coefficient φ _{tK of the} heat pump. Therefore, in the proposed device, it is preferable to use not one heat pump or TMOTC with a large temperature difference between the hot and cold heat exchangers, but a chain of series-connected TMOTC or multistage TMOTC, in which there are several stages of heat conversion with a high conversion coefficient.

Преобразуя формулу (2), получимTransforming the formula (2), we obtain

φ_t=1+Q₀/|L_ц|.φ _t = 1 + Q ₀ / | L _c |.

отсюда следуетthis implies

|L_ц| = Q₀/(φ_t-1)| L _C | = Q ₀ / (φ _t -1)

или, Q″=Q₀+|L_ц| = Q₀· φ_t/(φ_t-1)or, Q ″ = Q ₀ + | L _c | = Q ₀ · φ _t / (φ _t -1)

Применительно к циклу Карно, используя формулу (3), после некоторых преобразований получимIn relation to the Carnot cycle, using formula (3), after some transformations we get

Закон Стефана-Больцмана, применительно к неабсолютному черному телу (теплоносителю) имеет вид Е=α·σ·Т⁴,The Stefan-Boltzmann law, as applied to a non-absolute black body (coolant), has the form E = α · σ · T ⁴ ,

где α - коэффициент поглощения.where α is the absorption coefficient.

Из закона Стефана-Больцмана следует, что при изменении температуры теплоносителя холодильника-излучателя с Т₀ на 7₁ интегральная лучеиспускательная способность его изменится с E₀ на E₁:From the Stefan-Boltzmann law it follows that when the temperature of the coolant of the refrigerator-emitter changes from T ₀ to 7 _{1, its} integral emissivity will change from E ₀ to E ₁ :

Сравнив формулы (4) и (5), можно сделать вывод, что благодаря применению предлагаемого устройства с изменением температуры теплоносителя холодильника-излучателя с Т₀ на Т₁ интегральная лучеиспускательная способность его изменится пропорционально четвертой степени, а количество утилизируемого тепла увеличится пропорционально первой степени отношения температуры теплоносителя холодильника-излучателя после повышения и до повышения его температуры. Таким образом, с повышением температуры теплоносителя холодильника-излучателя его интегральная лучеиспускательная способность растет намного быстрее, чем количество утилизируемого тепла. Эффект очевиден.Comparing formulas (4) and (5), we can conclude that due to the use of the proposed device with a change in the temperature of the coolant of the refrigerator-emitter from T ₀ to T _{1, its} integral emissivity will change in proportion to the fourth degree, and the amount of heat utilized will increase in proportion to the first degree of the ratio the temperature of the coolant of the refrigerator-emitter after increasing and to increase its temperature. Thus, with an increase in the temperature of the coolant of the refrigerator-emitter, its integral emissivity increases much faster than the amount of heat utilized. The effect is obvious.

В одном из вариантов предлагаемого устройства система связанных между собой ТМОТЦ может быть выполнена в виде каскада (цепи) нескольких тепловых насосов у которых испаритель крайнего в цепи теплового насоса получает тепло от теплоносителя энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата, а конденсатор другого крайнего в цепи теплового насоса отдает тепло теплоносителю холодильника-излучателя. А между собой тепловые насосы соединены так, что конденсатор одного теплового насоса передает тепло испарителю соседнего теплового насоса через промежуточный теплоноситель (п.2 формулы изобретения).In one of the options of the proposed device, a system of interconnected TMOTC can be made in the form of a cascade (chain) of several heat pumps in which the extreme evaporator in the heat pump circuit receives heat from the heat carrier of the power plant and (or) the thermal stabilization system of the spacecraft, and the condenser of the other extreme in the heat pump circuit it transfers heat to the coolant of the refrigerator-emitter. And the heat pumps are interconnected so that the condenser of one heat pump transfers heat to the evaporator of the neighboring heat pump through an intermediate coolant (claim 2).

В другом варианте предлагаемого устройства система связанных между собой ТМОТЦ представляет собой холодильную установку для сжижения газов (например, по методу Линде, работающую по замкнутому циклу) и один или несколько тепловых насосов. При этом теплоноситель энергоустановки и(или) системы термостабилизации космического летательного аппарата передает тепло сжиженному газу в холодильной установке, а тепло от холодильной установки передается испарителю крайнего в цепи (первого) теплового насоса и пройдя через цепь тепловых насосов далее тепло от конденсатора крайнего в цепи (последнего) теплового насоса передается теплоносителю холодильника-излучателя. А между собой холодильная установка и тепловые насосы соединены так, что конденсатор холодильной установки или теплового насоса передает тепло испарителю соседнего теплового насоса через промежуточный теплоноситель (п.3 формулы изобретения). Холодильная установка для сжижения газов может работать и по другим принципам. Использование в предлагаемом устройстве холодильной установки для сжижения газов может обеспечить понижение температуры теплоносителя энергоустановки до криогенных температур порядка сотен градусов абсолютной температуры, что приведет к росту КПД энергоустановки до значений порядка 80-90% и снизит, благодаря этому, объем утилизируемой энергии.In another embodiment of the proposed device, a system of interconnected TMOTC is a refrigeration unit for liquefying gases (for example, according to the Linde method, operating in a closed cycle) and one or more heat pumps. In this case, the coolant of the power plant and (or) the spacecraft’s thermal stabilization system transfers heat to the liquefied gas in the refrigeration unit, and the heat from the refrigeration unit is transferred to the last evaporator in the circuit of the (first) heat pump and after passing through the heat pump circuit further heat from the extreme condenser in the circuit ( last) the heat pump is transferred to the coolant of the refrigerator-emitter. And between each other, the refrigeration unit and heat pumps are connected so that the condenser of the refrigeration unit or heat pump transfers heat to the evaporator of the adjacent heat pump through an intermediate heat carrier (claim 3 of the claims). Refrigeration plant for liquefying gases can work on other principles. The use of a refrigeration unit for liquefying gases in the proposed device can provide a decrease in the temperature of the heat carrier of the power plant to cryogenic temperatures of the order of hundreds of degrees of absolute temperature, which will lead to an increase in the efficiency of the power plant to values of about 80-90% and, therefore, reduce the amount of utilized energy.

Данное изобретение поясняется фиг.1, где изображена функциональная схема предлагаемого устройства по п.2 формулы изобретения.The invention is illustrated in figure 1, which shows a functional diagram of the proposed device according to claim 2 of the claims.

Устройство содержит систему связанных между собой ТМОТЦ в виде двух парокомпрессионных тепловых насосов №1 и №2. Тепловые насосы состоят из испарителей поз.1 и 5, компрессоров поз.2 и 6, конденсаторов поз.3 и 7, и регулирующих вентилей поз.8 и 9. Конденсатор поз.3 теплового насоса №1 и испаритель поз.5 теплового насоса №2 связаны между собой замкнутым контуром, в котором циркуляция теплоносителя осуществляется насосом поз.4. Испаритель поз.1 теплового насоса №1 входит в контур теплоносителя энергосистемы, а конденсатор поз.7 теплового насоса №2 входит в контур теплоносителя капельного холодильника-излучателя. В тепловых насосах №1 и №2 имеются регулирующие вентили поз.8 и 9 для осуществления дросселирования холодильных агентов до давления испарения перед входом в испаритель поз.1 и 5 соответственно. Стрелками показаны направления движения холодильных агентов в тепловых насосах и теплоносителей в контурах теплообмена.The device contains a system of interconnected TMOTC in the form of two vapor compression heat pumps No. 1 and No. 2. Heat pumps consist of evaporators pos. 1 and 5, compressors pos. 2 and 6, condensers pos. 3 and 7, and control valves pos. 8 and 9. Condenser pos. 3 of heat pump No. 1 and evaporator pos. 5 of heat pump No. 2 are interconnected by a closed loop in which the coolant is circulated by the pump pos.4. The evaporator pos. 1 of heat pump No. 1 is included in the heat transfer circuit of the power system, and the condenser pos. 7 of heat pump No. 2 is included in the heat transfer circuit of the drip cooler-radiator. In heat pumps No. 1 and No. 2 there are control valves pos. 8 and 9 for throttling refrigerants to the evaporation pressure before entering the evaporator pos. 1 and 5, respectively. Arrows indicate the directions of movement of refrigerants in heat pumps and coolants in heat transfer circuits.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

Испарение холодильного агента теплового насоса №1 в испарителе поз.1 происходит за счет теплоты, отбираемой от теплоносителя энергосистемы подаваемой насосом энергосистемы. Охлажденный в испарителе поз.1 теплоноситель энергосистемы возвращается в энергосистему. Для восприятия теплоты при конденсации сжатого в компрессоре поз.2 холодильного агента теплового насоса №1 используется теплоноситель промежуточного контура теплообмена. Нагретый в конденсаторе поз.3 теплоноситель перекачивается насосом поз.4 в испаритель поз.5 теплового насоса №2. В испарителе поз.5 теплового насоса №1 за счет теплоты, получаемой от конденсатора поз.3 теплового насоса №1, происходит испарение холодильного агента теплового насоса №2. Далее после сжатия холодильного агента теплового насоса №2 в компрессоре поз.6 в конденсаторе поз.7 происходит передача теплоты теплоносителю контура КХИ. Насос КХИ перемещает теплоноситель, нагретый в конденсаторе поз.7 теплового насоса №2, в генератор капель. Далее, как и в прототипе, теплоноситель КХИ на участке между генератором капель и коллектором капель, излучая избыточную теплоту в космос, охлаждается и снова направляется в конденсатор поз.7. На рисунке контур теплоносителя КХИ показан схематично (обозначены только основные элементы).The evaporation of the refrigerant agent of heat pump No. 1 in the evaporator pos. 1 occurs due to the heat taken from the coolant of the power system supplied by the pump of the power system. The coolant of the power system cooled in the evaporator pos. 1 is returned to the power system. For the perception of heat during condensation of the heat pump No. 1 refrigerant compressed in the compressor pos. 2, the heat transfer medium of the intermediate heat exchange circuit is used. The heat carrier heated in the condenser pos. 3 is pumped by the pump pos. 4 to the evaporator pos. 5 of the heat pump No. 2. In the evaporator pos. 5 of heat pump No. 1 due to the heat received from the condenser pos. 3 of heat pump No. 1, the refrigerant agent of heat pump No. 2 evaporates. Then, after compression of the refrigerant of heat pump No. 2 in the compressor pos.6 in the condenser pos.7, heat is transferred to the coolant of the KHI circuit. The KHI pump transfers the heat carrier heated in the condenser pos.7 of heat pump No. 2 to the droplet generator. Further, as in the prototype, the KHI coolant in the area between the droplet generator and the droplet collector, radiating excess heat into space, is cooled and again sent to the condenser pos.7. In the figure, the KHI coolant circuit is shown schematically (only the main elements are indicated).

На фиг.2 изображена функциональная схема предлагаемого устройства по п.3 формулы изобретения.Figure 2 shows a functional diagram of the proposed device according to claim 3 of the claims.

Устройство содержит систему связанных между собой ТМОТЦ в виде одной холодильной установки для сжижения газа работающей по методу Линде (коротко холодильная установка) и один парокомпрессионный тепловой насос. В холодильной установке холодильным агентом может быть любой газ, например, водород, гелий, азот, воздух и т.д. Холодильная установка и тепловой насос включают в себя компрессоры поз.2 и 6, испаритель поз.5, конденсатор поз.7, регулирующие вентили поз.8 и 9, теплообменник поз.10, сосуд-теплообменник поз.11, холодильник поз.12. Холодильник поз.12 холодильной установки и испаритель поз.5 теплового насоса связаны между собой промежуточным контуром теплообмена, в котором циркуляция теплоносителя осуществляется насосом поз.4. Сосуд-теплообменник поз.11 холодильной установки входит в контур теплоносителя энергоустановки, а конденсатор поз.7 теплового насоса входит в контур теплоносителя капельного холодильника-излучателя. В холодильной установке и тепловом насосе имеются регулирующие вентили поз.8 и 9 для осуществления дросселирования (понижение давления) холодильных агентов перед входом в сосуд-теплообменник поз.11 и испаритель поз.5 соответственно. Стрелками показаны направления движения холодильных агентов в холодильной установке и тепловом насосе, а также теплоносителей в контурах промежуточного теплообмена, энергоустановки и КХИ.The device contains a system of interconnected TMOTC in the form of one refrigeration unit for gas liquefaction using the Linde method (short refrigeration unit) and one vapor compression heat pump. In the refrigeration unit, the refrigerant may be any gas, for example, hydrogen, helium, nitrogen, air, etc. The refrigeration unit and the heat pump include compressors pos. 2 and 6, an evaporator pos. 5, a condenser pos. 7, control valves pos. 8 and 9, a heat exchanger pos. 10, a heat exchanger pos. 11, a refrigerator pos. 12. The refrigerator pos.12 of the refrigeration unit and the evaporator pos.5 of the heat pump are interconnected by an intermediate heat exchange circuit in which the coolant is circulated by the pump pos.4. The vessel-heat exchanger pos.11 of the refrigeration unit is included in the coolant circuit of the power plant, and the condenser pos.7 of the heat pump enters the coolant circuit of the drip refrigerator-emitter. The refrigeration unit and the heat pump have control valves pos. 8 and 9 for throttling (lowering the pressure) of refrigerants before entering the heat exchanger vessel pos. 11 and the evaporator pos. 5, respectively. The arrows indicate the directions of movement of the refrigerants in the refrigeration unit and the heat pump, as well as the coolants in the circuits of the intermediate heat exchange, power plant and KHI.

Работа устройства по п.3 формулы изобретения осуществляется следующим образом.The operation of the device according to claim 3 of the claims is as follows.

После сжатия в компрессоре поз.2 газ попадает в холодильник поз.12, в котором газ отдает тепло теплоносителю промежуточного контура теплообмена. Далее в теплообменнике поз.10 газ охлаждается до еще более низкой температуры. Роль охлаждающего агента в нем играет холодный газ низкого давления, движущийся в обратном направлении (на фиг.2 показано пунктиром) из сосуда-теплообменника поз.11. В регулирующем вентиле поз.8 давление и температура газа падают, достигая значения соответствующих состоянию влажного пара. Образующиеся при этом двухфазная смесь поступает в сосуд-теплообменник поз.11, в котором теплоноситель энергоустановки, отдавая свое тепло газу, охлаждается и возвращается обратно в энергоустановку. Получив эту теплоту, влажный пар в сосуде-теплообменнике поз.11 становится сухим и поступает в теплообменник поз.10. где он подогревается и в перегретом состоянии возвращается в компрессор поз.2. Для восприятия теплоты газа, поступающего в холодильник поз.12 холодильной установки, используется теплоноситель промежуточного контура теплообмена. Нагретый в холодильнике поз.12 теплоноситель перекачивается насосом поз.4 в испаритель поз.5 теплового насоса. В испарителе поз.5 теплового насоса за счет теплоты, получаемой от холодильника поз.12 холодильной установки, происходит испарение холодильного агента теплового насоса и охлаждение теплоносителя промежуточного контура теплообмена. Далее после сжатия холодильного агента теплового насоса в компрессоре поз.6 в конденсаторе поз.7 происходит передача теплоты теплоносителю контура КХИ. Насос КХИ перемещает теплоноситель, нагретый в конденсаторе поз.7 теплового насоса, в генератор капель. Далее, как и в прототипе, теплоноситель КХИ на участке между генератором капель и коллектором капель, излучая избыточную теплоту в космос, охлаждается и снова направляется в конденсатор поз.7. На рисунке контур теплоносителя КХИ показан схематично (обозначены только основные элементы).After compression in the compressor pos.2, the gas enters the refrigerator pos.12, in which the gas gives off heat to the coolant of the intermediate heat exchange circuit. Further, in the heat exchanger pos. 10, the gas is cooled to an even lower temperature. The role of the cooling agent in it is played by cold low-pressure gas, moving in the opposite direction (shown in phantom in FIG. 2) from the heat exchanger vessel, item 11. In the control valve pos. 8, the pressure and temperature of the gas drop, reaching a value corresponding to the state of wet steam. The resulting two-phase mixture enters the vessel-heat exchanger pos.11, in which the coolant of the power plant, giving its heat to the gas, is cooled and returned back to the power plant. Having received this heat, the wet steam in the heat exchanger vessel pos.11 becomes dry and enters the heat exchanger pos.10. where it is heated and in an overheated state it returns to the compressor pos.2. To absorb the heat of the gas entering the refrigerator, item 12 of the refrigeration unit, the heat carrier of the intermediate heat exchange circuit is used. The heat carrier heated in the refrigerator pos.12 is pumped by the pump pos.4 to the evaporator pos.5 of the heat pump. In the evaporator pos.5 of the heat pump due to the heat received from the refrigerator pos.12 of the refrigeration unit, the refrigerant of the heat pump evaporates and the coolant of the intermediate heat exchange circuit cools. Then, after the refrigerant of the heat pump is compressed in the compressor pos.6 in the condenser pos.7, heat is transferred to the KHI circuit coolant. The KHI pump transfers the heat carrier heated in the condenser pos.7 of the heat pump to the droplet generator. Further, as in the prototype, the KHI coolant in the area between the droplet generator and the droplet collector, radiating excess heat into space, is cooled and again sent to the condenser pos.7. In the figure, the KHI coolant circuit is shown schematically (only the main elements are indicated).

Термодинамический процесс холодильной установки для сжижения газа работающей по методу Линде описан в источнике [Техническая термодинамика: Учебник для вузов / Под ред. В.И. Крутова - 2-е изд., перераб. и доп. Москва, «Высшая школа», 1981. - 439 с, ил.].The thermodynamic process of a refrigeration unit for gas liquefaction using the Linde method is described in the source [Technical thermodynamics: Textbook for universities / Ed. IN AND. Krutova - 2nd ed., Revised. and add. Moscow, "Higher School", 1981. - 439 p., Ill.].

Claims

1. The refrigerator-emitter containing the storage system and supply of the coolant, the radiation system of the coolant excess heat, a transfer pump, pipelines, a control system, characterized in that the coolant of the refrigerator-emitter receives heat from the coolant of the power plant and (or) the thermal stabilization system of the spacecraft through a system of interconnected heat engines operating in the reverse thermodynamic cycle, installed in such a way that such a system is interconnected of heat engines operating in the reverse thermodynamic cycle, is able to receive heat from the coolant of the power plant and (or) the thermal stabilization system of the spacecraft and transfer heat to the coolant of the refrigerator-emitter.

2. The refrigerator-emitter according to claim 1, characterized in that the system of interconnected heat engines operating in the reverse thermodynamic cycle is a cascade of several heat pumps in which the extreme evaporator in the heat pump circuit receives heat from the heat carrier of the power plant and (or ) systems of thermal stabilization of the spacecraft, and the condenser of the other extreme in the heat pump circuit gives off heat to the coolant of the refrigerator-emitter; The heat pumps are interconnected so that the condenser of one heat pump transfers heat to the evaporator of the adjacent heat pump through an intermediate heat carrier.

3. The refrigerator-emitter according to claim 1, characterized in that the system of interconnected heat engines operating in the reverse thermodynamic cycle is a refrigeration system for liquefying gases, for example, according to the Linde method, operating in a closed cycle, and one or more heat pumps; in this case, the coolant of the power plant and / or the thermal stabilization system of the spacecraft transfers heat to the liquefied gas in the refrigeration unit, and the heat from the refrigeration unit is transferred to the last evaporator in the heat pump circuit, and then the heat passing through the heat pump circuit from the other extreme condenser in the circuit the heat pump is transferred to the coolant of the refrigerator-emitter; the refrigeration unit and the heat pumps are interconnected so that the condenser of the refrigeration unit or heat pump transfers heat to the evaporator of the adjacent heat pump through an intermediate heat carrier.