RU2224187C1

RU2224187C1 - Heat accumulator for heating working medium

Info

Publication number: RU2224187C1
Application number: RU2002117931/06A
Authority: RU
Inventors: Ю.М. Кочетков; С.А. Попов; В.В. Коба; Ю.А. Ошев; В.И. Бубнов; А.В. Каревский; А.К. Соловьев
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша"
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-02-20
Also published as: RU2002117931A

Abstract

FIELD: devices for heating working media; power and engine plants of spacecraft. SUBSTANCE: proposed heat accumulator includes heat accumulating unit consisting of set of heat accumulating modules which are axi-symmetrical; they consist of external and internal elements which are compatible by mass; slit formed between these elements is used for flowing and heating of working medium; device is also provided with shield-vacuum heat insulation and working medium inlet and outlet branch pipe. On end face of each module there are passages for delivery and discharge of working medium; working medium supply passages are connected via pipe lines to inlet collector located beyond boundaries of shield-vacuum heat insulation and discharge passages are connected to outlet collector under layer of shield-vacuum heat insulation; outlet collector is provided with load-bearing struts securing the heat accumulating unit to load-bearing frame located beyond boundaries of shield-vacuum heat insulation. EFFECT: enhanced efficiency of heat exchange; enhanced resistance to thermal shocks; reduced mass of heat accumulator. 6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для нагрева рабочего тела и может быть использовано, в частности, в энергодвигательных установках космических летательных аппаратов, в составе которых требуется специальное устройство - тепловой аккумулятор (ТА) для периодического накопления тепловой энергии с последующим нагревом протекающего через ТА рабочего тела, например водорода. На режиме накопления тепловой энергии ТА может использовать сконцентрированную энергию солнечного излучения или омические нагреватели, питающиеся от бортового источника электроэнергии.The invention relates to devices for heating the working fluid and can be used, in particular, in the propulsion systems of spacecraft, which require a special device - a thermal accumulator (TA) for the periodic accumulation of thermal energy with subsequent heating of the working fluid flowing through the TA, for example hydrogen. In the thermal energy storage mode, the TA can use concentrated solar radiation energy or ohmic heaters powered by an onboard power source.

Известен ТА для нагрева рабочего тела, содержащий осесимметричный теплоаккумулирующий блок с продольными каналами в виде радиальных пазов. В каждом канале установлен защитный элемент, выполненный в виде тонкостенного полого вкладыша, повторяющего форму паза, внутри которого протекает рабочее тело (см. патент РФ № 2172450, МКИ 7 F 24 H 7/00, опубл. 20.08.2001, БИ № 23). Толщина стенок вкладышей выбирается из условия обеспечения термического контакта стенок с ответными поверхностями паза под действием давления рабочего тела. Однако конструкция трактов ТА по рабочему телу требует применения на входе и выходе герметичных фасонно-сварных коллекторов с тонкостенными вкладышами радиальных каналов из тугоплавких металлов с высоким удельным весом, например вольфрама или рения. При этом металлические коллектора и вкладыши не участвуют в процессе накопления и отдачи тепла к рабочему телу из-за своей малой теплоемкости, однако их масса соизмерима с массой теплоаккумулирующего вещества.Known TA for heating the working fluid, containing an axisymmetric heat storage unit with longitudinal channels in the form of radial grooves. In each channel, a protective element is installed, made in the form of a thin-walled hollow liner, repeating the shape of the groove, inside which the working fluid flows (see RF patent No. 2172450, MKI 7 F 24 H 7/00, publ. 08.20.2001, BI No. 23) . The wall thickness of the liners is selected from the condition of ensuring thermal contact of the walls with the counter surfaces of the groove under the influence of the pressure of the working fluid. However, the design of TA paths along the working fluid requires the use of sealed shaped-welded collectors with thin-walled liners of radial channels from refractory metals with a high specific gravity, for example, tungsten or rhenium, at the inlet and outlet. In this case, metal collectors and liners do not participate in the process of accumulation and transfer of heat to the working fluid due to their low heat capacity, however, their mass is comparable with the mass of the heat-accumulating substance.

Известен ТА для нагрева рабочего тела, содержащий корпус с крышками, внутри которого набор секторных элементов образует цилиндрический теплоаккумулирующий блок. Корпус ТА состоит из соединенных между собой герметичного внутреннего и негерметичного наружного корпусов, зазор между которыми заполнен высокотемпературной теплоизоляцией. В секторных элементах равномерно по окружности расположены каналы, в которых по плотной посадке установлены теплообменники в виде трубопроводов, стенки которых прочно скреплены с зерновой засыпкой, концы трубопроводов закреплены герметично в передней и задней крышках с образованием внутри корпуса с помощью двух дополнительных крышек коллекторных полостей ввода и вывода рабочего тела (см. патент РФ № 2176767, МКИ 7 F 24 H 7/00, опубл. 10.12.2001, БИ № 34). Указанное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому и принято за прототип.Known TA for heating the working fluid, containing a housing with covers, inside which a set of sector elements forms a cylindrical heat storage unit. Housing TA consists of interconnected sealed inner and non-sealed outer housings, the gap between which is filled with high-temperature thermal insulation. In the sector elements, channels are arranged uniformly around the circumference, in which heat exchangers in the form of pipelines are installed in a tight fit, the walls of which are firmly fixed with grain filling, the ends of the pipelines are hermetically sealed in the front and rear covers with the formation of two additional input manifold cavities inside the housing and the output of the working fluid (see RF patent No. 2176767, MKI 7 F 24 H 7/00, publ. 10.12.2001, BI No. 34). The specified technical solution is the closest to the proposed and taken as a prototype.

Недостатки прототипа состоят в следующем. Масса зерновой засыпки в рабочих каналах, через которые продувается водород, мала по сравнению с массой теплоаккумулирующего блока. Из-за нарушения теплового контакта зерновой засыпки с поверхностями стенок каналов теплоаккумулирующего блока при термоциклировании происходит неравномерное остывание зерновой засыпки в радиальном направлении, что снижает эффективность теплообмена, так как увеличивается доля проходящего недогретого газа, в результате чего температура рабочего тела на выходе из ТА значительно отличается от температуры теплоаккумулирующего блока. Термические напряжения, возникающие вследствие термоудара при подаче холодного рабочего тела в нагретый до максимальной температуры теплоаккумулирующий блок, приводят к растрескиванию секторных элементов в условиях термоциклирования. Кроме того, наружный корпус и крышки практически не участвуют в процессе накопления и отдачи тепла к рабочему телу из-за наличия промежуточной высокотемпературной теплоизоляции, однако их масса соизмерима с массой теплоаккумулирующего вещества.The disadvantages of the prototype are as follows. The mass of grain filling in the working channels through which hydrogen is blown is small compared with the mass of the heat storage unit. Due to the violation of the thermal contact of the grain backfill with the surfaces of the walls of the channels of the heat storage unit during thermal cycling, the grain backfill is unevenly cooled in the radial direction, which reduces the heat transfer efficiency, since the fraction of passing underheated gas increases, as a result of which the temperature of the working fluid at the outlet of the TA is significantly different from the temperature of the heat storage unit. Thermal stresses arising due to thermal shock when a cold working fluid is fed into a heat storage unit heated to a maximum temperature leads to cracking of sector elements under thermal cycling. In addition, the outer casing and covers practically do not participate in the accumulation and transfer of heat to the working fluid due to the presence of intermediate high-temperature thermal insulation, however, their mass is comparable with the mass of the heat-accumulating substance.

Задачами предлагаемого изобретения являются повышение эффективности теплообмена, повышение стойкости конструкции к термоударам и снижение массы теплового аккумулятора.The objectives of the invention are to increase the efficiency of heat transfer, increasing the resistance of the structure to thermal shock and reducing the mass of the heat accumulator.

Для решения поставленных задач предложен ТА, который содержит теплоаккумулирующий блок, составленный из набора теплоаккумулирующих модулей, выполненных осесимметричными и состоящими из соизмеримых по массе внешнего и внутреннего элементов, между которыми образована кольцевая щель для протока и нагрева рабочего тела, экранно-вакуумную теплоизоляцию, патрубки ввода и вывода рабочего тела. На торцах каждого модуля имеются каналы подвода и отвода рабочего тела, при этом каналы подвода рабочего тела через трубопроводы подсоединены к вынесенному за пределы экранно-вакуумной теплоизоляции входному коллектору с патрубком ввода рабочего тела, а каналы отвода рабочего тела подсоединены к размещенному под слоем экранно-вакуумной теплоизоляции выходному несущему коллектору с патрубком вывода рабочего тела, при этом выходной несущий коллектор снабжен силовыми стойками, крепящими теплоаккумулирующий блок к силовой раме, вынесенной за пределы экранно-вакуумной теплоизоляции.To solve the tasks, a TA is proposed, which contains a heat storage unit composed of a set of heat storage modules made axisymmetric and consisting of external and internal elements comparable in mass, between which an annular gap is formed for the flow and heating of the working fluid, screen-vacuum thermal insulation, input pipes and withdrawal of the working fluid. At the ends of each module there are channels for supplying and discharging the working fluid, while the channels for supplying the working fluid through the pipelines are connected to an input manifold located outside the screen-vacuum thermal insulation with the input pipe of the working fluid, and the channels of the working fluid are connected to the screen-vacuum placed under the layer thermal insulation of the output bearing manifold with the outlet pipe of the working fluid, while the output bearing collector is equipped with power racks that fasten the heat storage unit to the power frame outside the screen vacuum insulation.

В каждый трубопровод подвода рабочего тела может быть установлен жиклер, при этом размер проходного сечения жиклера выбирают из условия обеспечения заданного расхода через каждый теплоаккумулирующий модуль. Трубопроводы подвода рабочего тела могут быть выполнены в продольном направлении по движению рабочего тела из материалов с последовательно увеличивающейся термостойкостью.A nozzle can be installed in each pipeline for supplying the working fluid, while the size of the nozzle's flow area is selected from the condition of ensuring a given flow rate through each heat-accumulating module. Pipelines for supplying a working fluid can be made in the longitudinal direction along the movement of the working fluid from materials with successively increasing heat resistance.

На входном торце внутреннего элемента теплоаккумулирующего модуля может быть установлен рассекатель потока рабочего тела.At the input end of the internal element of the heat storage module, a flow divider of the working fluid can be installed.

Выходной коллектор может быть образован присоединенными к теплоаккумулирующим модулям коллекторными пластинами с каналами для протока рабочего тела и поперечно расположенной коллекторной пластиной с патрубком вывода рабочего тела.The output collector can be formed by collector plates connected to the heat storage modules with channels for the flow of the working fluid and a transverse collector plate with the output of the working fluid.

Теплоаккумулирующие модули и отводные коллекторы могут быть выполнены из графита, на внутренние стенки каналов для протока рабочего тела при необходимости могут быть нанесены защитные покрытия.The heat storage modules and drain manifolds can be made of graphite, and protective coatings can be applied to the inner walls of the channels for the flow of the working fluid.

Силовые стойки могут быть выполнены из низкотеплопроводного термостойкого материала.Power racks can be made of low heat conductive material.

Повышение эффективности теплообмена в предлагаемом ТА обеспечивается тем, что кольцевой канал для протока рабочего тела образуется между внешним и внутренним элементами модуля, имеющими соизмеримые массы. При этом нагрев рабочего тела осуществляется от обеих горячих поверхностей в течение всего времени цикла протекания рабочего тела. Малые значения гидравлического диаметра кольцевой щели и развитая поверхность теплообмена обеспечивают минимальную разность между температурой рабочего тела на выходе из ТА и температурой теплоаккумулирующего блока.Improving the efficiency of heat transfer in the proposed TA is ensured by the fact that an annular channel for the flow of the working fluid is formed between the external and internal elements of the module having comparable masses. In this case, the heating of the working fluid is carried out from both hot surfaces throughout the entire cycle of the flow of the working fluid. Small values of the hydraulic diameter of the annular gap and a developed heat exchange surface provide the minimum difference between the temperature of the working fluid at the outlet of the TA and the temperature of the heat storage unit.

В отличие от прототипа, предложенный ТА не имеет внутреннего и наружного корпусов и коллекторных крышек, вследствие чего уменьшается общая масса ТА, приближаясь к массе теплоаккумулирующего блока. Термические напряжения, возникающие вследствие термоудара при подаче холодного рабочего тела в разогретый теплоаккумулирующий блок, уменьшаются и выравниваются за счет осесимметричности каждого модуля и уменьшения радиальной толщины внешнего и внутреннего элементов до величин, допустимых прочностньми характеристиками графита.Unlike the prototype, the proposed TA does not have an inner or outer case and collector covers, as a result of which the total mass of the TA decreases, approaching the mass of the heat storage unit. Thermal stresses arising as a result of thermal shock when a cold working fluid is fed into a heated heat storage unit are reduced and equalized due to the axisymmetry of each module and a decrease in the radial thickness of the external and internal elements to values admissible by the strength characteristics of graphite.

Кроме того, составление теплоаккумулирующего блока из набора осесимметричных модулей позволяет провести значительный объем работ по отработке технологических и конструктивных решений по ТА на одном теплоаккумулирующем модуле, что приведет к сокращению времени и стоимости разработки ТА.In addition, the compilation of a heat storage unit from a set of axisymmetric modules allows you to carry out a significant amount of work on the development of technological and structural solutions for SLT on one heat-storage module, which will lead to a reduction in the time and cost of developing SLTs.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется чертежами: на фиг.1 представлен продольный разрез ТА, на фиг.2 и 3 - вид сверху и снизу соответственно.The essence of the invention is illustrated by drawings: figure 1 shows a longitudinal section of a TA, figure 2 and 3 are a top view and a bottom view, respectively.

Теплоаккумулирующий блок ТА составлен из набора осесимметричных теплоаккумулирующих модулей 1 с образованием центральной полости для подвода тепловой энергии 2 (на чертеже она занята электрическим нагревателем). Теплоаккумулирующий модуль состоит из внутреннего 3 и внешнего 4 элементов, между которыми образована кольцевая щель 5 для протока рабочего тела. Трубопроводы подвода рабочего тела 6 подсоединены к входному коллектору 7 с патрубком ввода рабочего тела 8, вынесенными за пределы экранно-вакуумной теплоизоляции 9. Теплоаккумулирующие модули 1 крепятся к выходному несущему коллектору, который образован коллекторными пластинами 10, 11, 12 с каналами для протока рабочего тела и поперечно расположенной коллекторной пластиной 13 с патрубком вывода рабочего тела 14. Выходной несущий коллектор снабжен силовыми стойками 15, крепящими теплоаккумулирующий блок к силовой раме 16. На входном торце внутреннего элемента 3 теплоаккумулирующего модуля установлен рассекатель потока рабочего тела 17. В каждый трубопровод 6 установлен жиклер 18.The heat storage unit TA is composed of a set of axisymmetric heat storage modules 1 with the formation of a central cavity for supplying thermal energy 2 (in the drawing, it is occupied by an electric heater). The heat storage module consists of internal 3 and external 4 elements, between which an annular gap 5 is formed for the flow of the working fluid. The pipelines for supplying the working fluid 6 are connected to the inlet manifold 7 with the input pipe of the working fluid 8 outside the screen-vacuum thermal insulation 9. The heat storage modules 1 are attached to the output supporting manifold, which is formed by collector plates 10, 11, 12 with channels for the flow of the working fluid and a transverse collector plate 13 with a nozzle for outputting the working fluid 14. The output bearing collector is equipped with power racks 15 that fasten the heat storage unit to the power frame 16. At the input end An early element 3 of the heat storage module is equipped with a flow divider for the working fluid 17. A jet 18 is installed in each pipeline 6.

Функционирование предлагаемой конструкции ТА осуществляется следующим образом. Тепловая энергия из центральной полости 2 распространяется излучением в вакууме между теплоаккумулирующими модулями 1 и происходит накопление тепловой энергии (режим заряда теплового аккумулятора). Все модули и выходной коллектор разогреваются до одной и той же температуры, так как экранно-вакуумная теплоизоляция 9, окружающая теплоаккумулирующий блок, задерживает лучистую тепловую энергию.The functioning of the proposed design TA is as follows. Thermal energy from the central cavity 2 is propagated by radiation in a vacuum between the heat storage modules 1 and thermal energy is accumulated (charge mode of the thermal accumulator). All modules and the output collector are heated to the same temperature, since the screen-vacuum thermal insulation 9 surrounding the heat storage unit delays radiant thermal energy.

В режиме разряда теплового аккумулятора подвод тепловой энергии к теплоаккумулирующим модулям прекращается. Рабочее тело (например, водород) подается в патрубок 8, проходит через входной коллектор 7, жиклеры 18 и по трубопроводам 6 поступает в кольцевые щели 5 между внутренним 3 и внешним 4 элементами модулей. Протекая через кольцевые щели 5, рабочее тело прогревается от внутреннего 3 и внешнего 4 элементов модулей и на выходе имеет температуру, близкую к температуре теплоаккумулирующего блока. Далее рабочее тело по каналам в коллекторных пластинах 10, 11, 12 и 13 поступает в патрубок 14, а из него уходит к потребителю нагретого рабочего тела, например к соплу ракетного двигателя. После нагрева до заданной температуры необходимого количества рабочего тела его подача в тепловой аккумулятор прекращается, и цикл работы ТА на режимах заряда и разряда может повторяться.In the discharge mode of the heat accumulator, the supply of thermal energy to the heat storage modules is stopped. The working fluid (for example, hydrogen) is supplied to the pipe 8, passes through the inlet manifold 7, the nozzles 18 and through pipelines 6 enters the annular slots 5 between the inner 3 and outer 4 elements of the modules. Flowing through the annular slots 5, the working fluid warms up from the internal 3 and external 4 elements of the modules and at the outlet has a temperature close to the temperature of the heat storage unit. Further, the working fluid flows through the channels in the collector plates 10, 11, 12, and 13 into the nozzle 14, and from it leaves the heated working fluid, for example, to the nozzle of the rocket engine, to the consumer. After heating the required amount of the working fluid to a predetermined temperature, its supply to the heat accumulator stops, and the TA operation cycle in charge and discharge modes can be repeated.

Расчеты, выполненные для следующих характерных технических требований к ТА: энергоемкость 270 МДж, рабочее тело - водород, расход рабочего тела 13 г/с, продолжительность режима разряда 900 с, температура рабочего тела на входе в ТА 300 К, давление рабочего тела 1.0 МПа, среднеинтегральная за время режима разряда температура рабочего тела на выходе из ТА 2000 К - показали, что необходимое количество теплоаккумулирующих модулей составляет 18 шт., масса одного теплоаккумулирующего модуля 8 кг, длина теплообменного канала 700 мм, ширина кольцевой щели между внутренним и наружным элементами модуля 2 мм. При этом максимальное значение температуры водорода на выходе из ТА в начале режима разряда составляет 2100 К, а минимальное значение температуры водорода на выходе из ТА в конце режима разряда составляет 1900 К. В течение всего времени режима разряда разница между температурой рабочего тела и температурой теплоаккумулирующего блока на выходе из ТА составляет не более 50 К.Calculations performed for the following characteristic technical requirements for TA: energy consumption of 270 MJ, working fluid is hydrogen, working fluid consumption is 13 g / s, duration of the discharge mode is 900 s, working fluid temperature at the inlet of the hydraulic fluid is 300 K, working fluid pressure is 1.0 MPa, the average integral temperature of the working fluid at the outlet of the TA 2000 K during the discharge mode showed that the required number of heat storage modules is 18 pcs., the mass of one heat storage module is 8 kg, the length of the heat exchange channel is 700 mm, the width of the annular gap between internal and external elements of the 2 mm module. In this case, the maximum value of the hydrogen temperature at the outlet of the TA at the beginning of the discharge mode is 2100 K, and the minimum value of the hydrogen temperature at the outlet of the TA at the end of the discharge mode is 1900 K. During the entire time of the discharge mode, the difference between the temperature of the working fluid and the temperature of the heat storage unit at the exit from the TA is not more than 50 K.

Таким образом, предложенная конструкция теплового аккумулятора позволяет повысить эффективность теплообмена, повысить стойкость конструкции к термоударам, снизить общую массу, сократить время и стоимость разработки ТА.Thus, the proposed design of the heat accumulator makes it possible to increase the efficiency of heat transfer, increase the resistance of the structure to thermal shock, reduce the total mass, and reduce the time and cost of developing SLT.

Claims

1. A heat accumulator for heating the working fluid, comprising a heat storage unit composed of a set of heat storage modules with the formation of a central cavity for supplying thermal energy, screen-vacuum thermal insulation, nozzles for the input and output of the working fluid, characterized in that the modules are made axisymmetric and consisting of commensurable according to the mass of the external and internal elements, between which an annular gap is formed for the flow of the working fluid, and at the ends of each module there are channels for supplying and discharging the working fluid body, while the channels for supplying the working fluid through the pipelines are connected to the input manifold that is outside the screen-vacuum insulation with the input of the working fluid, and the channels of the removal of the working fluid are connected to the output supporting manifold with the pipe of the output of the working medium located under the layer of screen-vacuum thermal insulation, in this case, the output bearing collector is equipped with power racks fastening the heat storage unit to a power frame removed from the screen-vacuum thermal insulation.

2. A heat accumulator for heating the working fluid according to claim 1, characterized in that a nozzle is installed in each supply pipe of the working fluid, and the size of the nozzle through passage is selected to ensure a given flow rate through each heat storage module.

3. The thermal accumulator for heating the working fluid according to claim 1, characterized in that the pipelines for supplying the working fluid are made in the longitudinal direction along the movement of the working fluid from materials with successively increasing heat resistance.

4. The heat accumulator for heating the working fluid according to claim 1, characterized in that at the input end of the inner element of the heat storage module is installed a flow divider for the working fluid.

5. The heat accumulator for heating the working fluid according to claim 1, characterized in that the output collector is formed by collector plates with channels for the flow of the working fluid and a transverse collector plate with a pipe outlet of the working fluid.

6. Thermal battery for heating the working fluid according to claim 1, characterized in that the power racks are made of low-temperature heat-resistant material.