RU2548468C2

RU2548468C2 - Thermal control system of spacecraft

Info

Publication number: RU2548468C2
Application number: RU2012126427/11A
Authority: RU
Inventors: Антонина Евгеньевна Потапова; Виктор Павлович Леонов; Владимир Игоревич Лихачев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Красная Звезда"; Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2015-04-20
Also published as: RU2012126427A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to a temperature control system (TCS) of the on-board equipment of the spacecraft. TCS is made on the basis of a two-stage heat pump. The on-board instruments are mounted on temperature-controlled panels (1) and give up heat through the steam chambers of the panels to the evaporators (5) of the working body (WB) of the lower cascade (freon). The WB enters to the input of the compressor (2), then - to the intermediate heat exchanger (3) and through the expander (4) to the evaporator (5). In the heat exchanger (3) WB condenses and gives up heat to WB of the upper cascade (a mixture of gases He and Xe). The latter is heated in the regenerator (9) and passes to the input of the compressor (7). After that WB of the upper cascade enters the end heat exchanger (8), where transmits heat to the circuit of radiation heat exchanger (13), then enters to the regenerator (9) and through the expander (10) to the condenser (3). WB of the radiator circuit is a liquid metal coolant pumped by electromagnetic pump (12). After receiving heat in the exchanger (8) from WB of the upper cascade, this coolant gives it to vaporisation zones of heat pipes - the main radiating elements of the heat exchanger (13). Cooling of the compressor-expander turbine unit of each cascade is performed by WB of this cascade through the tubes wound on the walls of the turbine unit casing.

EFFECT: increasing the temperature of the radiation heat exchanger (13), and thus - the improvement of its weight and size characteristics.

1 dwg

Description

Изобретение относится к системам обеспечения теплового режима аппаратуры космического аппарата.The invention relates to systems for providing thermal conditions for spacecraft equipment.

Известен ряд систем обеспечения теплового режима космических аппаратов, которые включают в себя радиационный теплообменник, а также холодильные системы, содержащие последовательно включенные в замкнутый контур циркуляции рабочего тела (хладагента) испаритель, конденсатор, дроссельную запорно-регулирующую арматуру и компрессор. Так же известны системы, в которых дроссельная запорно-регулирующая арматура заменена на детандер, что позволяет повысить экономичность систем /Г.И. Воронин. Системы терморегулирования космических аппаратов, М.: Машиностроение, 1968, 316 с./. Известны компрессорно-детандерные турбоагрегаты космического назначения / Патент RU №94022667 «Компрессорно-детандерный турбоагрегат»/.A number of systems are known for providing the thermal regime of spacecraft, which include a radiation heat exchanger, as well as refrigeration systems containing an evaporator, a condenser, a butterfly valve, and a compressor that are sequentially included in the closed loop of the working fluid (refrigerant) circulation. Systems are also known in which the throttle shut-off and control valves are replaced by an expander, which makes it possible to increase the efficiency of the systems / G.I. Voronin. Systems of thermal control of spacecraft, M.: Mechanical Engineering, 1968, 316 pp. /. Known compressor-expansion turbine units for space use / Patent RU No. 94022667 "Compressor-expansion turbine unit" /.

Также известны системы с тепловым насосом, например система с тепловым насосом, содержащим последовательно включенные в замкнутый контур циркуляции хладагента испаритель, конденсатор, дроссельную запорно-регулирующую арматуру и вакуумный насос / Патент RU №2382295 «Тепловой насос»/.Systems with a heat pump are also known, for example, a system with a heat pump containing a vaporizer, a condenser, throttling valves and a vacuum pump sequentially connected in a closed circuit of the refrigerant circulation / Patent RU No. 2382295 “Heat pump” /.

Недостатком перечисленных выше систем является ограниченная возможность для повышения температуры радиационного теплообменника, следствием чего является его большая площадь и масса при излучении тепловой энергии для систем с повышенным энерговыделением на борту.The disadvantage of the above systems is the limited ability to increase the temperature of the radiation heat exchanger, which results in its large area and mass when radiating thermal energy for systems with increased energy release on board.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение, - уменьшение массогабаритных характеристик радиационного теплообменника, путем повышения его температурного уровня при помощи сжатия рабочего тела в компрессоре теплового насоса для систем с повышенным энерговыделением на борту.The task to which the claimed invention is directed is to reduce the weight and size characteristics of a radiation heat exchanger by increasing its temperature level by compressing the working fluid in a heat pump compressor for systems with increased energy release on board.

Технический результат - минимизация массогабаритных характеристик радиационного теплообменника, необходимых для излучения теплоты, отводимой от аппаратуры за счет повышения температуры поверхности панелей.The technical result is the minimization of the weight and size characteristics of a radiation heat exchanger, necessary for the radiation of heat removed from the equipment by increasing the surface temperature of the panels.

Этот результат достигается тем, что: в системе обеспечения теплового режима, содержащей термостатирующие панели, выполненные в виде паровых камер, на стенках которых размещается термостатируемая аппаратура, и тепловой насос, тепловой насос выполнен по двухкаскадной схеме. В тепловом насосе в качестве рабочего тела в нижнем каскаде выбран фреон R142b, а в качестве рабочего тела верхнего каскада выбрана газовая смесь инертных газов Не+Хе. Верхний каскад теплового насоса содержит регенератор. При этом в паровых камерах размещаются элементы испарителя теплового насоса таким образом, что зоны испарения испарителя хладагента нижнего каскада являются зонами конденсации рабочего тела паровых камер. Также у компрессорно-детандерных турбоагрегатов на стенки корпуса турбоагрегата в зоне расположения электроприводов навиты трубки с прокачиваемым по ним рабочим телом, частично отбираемым на выходе из компрессорной ступени.This result is achieved by the fact that: in the thermal management system, comprising thermostatic panels, made in the form of steam chambers, on the walls of which thermostatic equipment is placed, and a heat pump, the heat pump is made in two stages. In the heat pump, R142b freon was chosen as the working fluid in the lower cascade, and the inert gas mixture He + Xe was chosen as the working fluid of the upper cascade. The upper stage of the heat pump contains a regenerator. Moreover, the elements of the heat pump evaporator are placed in the steam chambers in such a way that the evaporation zones of the lower stage refrigerant evaporator are the condensation zones of the working medium of the steam chambers. Also, in the compressor-expander turbine units, tubes are wound on the walls of the turbine unit body in the area where the electric drives are located, with a working fluid pumped over them, partially selected at the outlet of the compressor stage.

На фиг. 1 приведена схема СОТР.In FIG. 1 shows the scheme of COTR.

Система обеспечения теплового режима состоит из термостатирующих панелей, теплового насоса и контура радиационного теплообменника.The thermal management system consists of thermostatic panels, a heat pump and a radiation heat exchanger circuit.

В соответствии с фиг. 1 тепловой насос состоит из двух каскадов.In accordance with FIG. 1 heat pump consists of two stages.

В состав нижнего каскада входят термостатирующие панели 1 в виде паровых камер, в которых размещаются элементы испарителя 5 таким образом, что зоны испарения испарителя 5 рабочего тела нижнего каскада являются зонами конденсации рабочего тела паровых камер, компрессорно-детандерный турбоагрегат, содержащий компрессор 2, детандер 4 и обеспечивающий работу компрессора 2 электродвигатель 6, а также соединительные трубопроводы. Передача теплоты из нижнего каскада теплового насоса в верхний каскад осуществляется в конденсаторе-промежуточном теплообменнике 3.The lower cascade includes thermostatic panels 1 in the form of steam chambers, in which the elements of the evaporator 5 are placed in such a way that the evaporation zones of the evaporator 5 of the working fluid of the lower cascade are zones of condensation of the working medium of the steam chambers, a compressor-expansion turbine unit containing compressor 2, expander 4 and ensuring the operation of the compressor 2 electric motor 6, as well as connecting pipelines. Heat is transferred from the lower stage of the heat pump to the upper stage in the condenser-intermediate heat exchanger 3.

В состав верхнего каскада входят компрессорно-детандерный турбоагрегат, содержащий компрессор 7, детандер 10 и обеспечивающий работу компрессора 7 электродвигатель 11, концевой теплообменник 8, регенератор 9, а также соединительные трубопроводы.The upper cascade includes a compressor-expander turbine unit containing a compressor 7, an expander 10 and providing the compressor 7 with an electric motor 11, an end heat exchanger 8, a regenerator 9, and also connecting pipelines.

В состав контура радиационного теплообменника 13 входит соответствующий контур концевого теплообменника 8 и электромагнитный насос 12.The composition of the circuit of the radiation heat exchanger 13 includes the corresponding circuit of the end heat exchanger 8 and the electromagnetic pump 12.

Охлаждение компрессорно-детандерного турбоагрегата каждого каскада теплового насоса осуществляется при помощи навитых на стенки корпуса турбоагрегата в зоне расположения электродвигателя (электропривода) трубок с прокачиваемыми по ним рабочим телом данного каскада, частично отбираемым на выходе из соответствующего компрессора.The compressor-expander turbine unit of each cascade of the heat pump is cooled by means of tubes wound on the walls of the turbine unit casing in the zone where the electric motor (electric drive) is located, with the working fluid of this cascade pumped through them, partially selected at the outlet of the corresponding compressor.

Согласно фиг. 1 рабочее тело нижнего каскада получает теплоту от термостатирующих панелей 1 (через паровые камеры), испаряется в испарителе 5 и поступает на вход компрессора 2, где после сжатия поступает в конденсатор-промежуточный теплообменник 3 теплового насоса. В нем рабочее тело нижнего каскада конденсируется и отдает теплоту рабочему телу верхнего каскада. Затем рабочее тело нижнего каскада направляется в детандер нижнего каскада 4, где расширяется и поступает на вход испарителя 5.According to FIG. 1, the working fluid of the lower cascade receives heat from thermostatic panels 1 (through steam chambers), evaporates in the evaporator 5 and enters the compressor 2, where after compression it enters the heat pump condenser-intermediate heat exchanger 3. In it, the working fluid of the lower cascade condenses and gives off heat to the working fluid of the upper cascade. Then the working fluid of the lower cascade is sent to the expander of the lower cascade 4, where it expands and enters the inlet of the evaporator 5.

После получения теплоты от нижнего каскада рабочее тело верхнего каскада из конденсатора-промежуточного теплообменника 3 направляется в регенератор 9, где подогревается и идет на вход в компрессор верхнего каскада 7. После сжатия в компрессоре 7 рабочее тело верхнего каскада поступает в концевой теплообменник 8, где передает полученную теплоту в контур радиационного теплообменника 13. После этого оно направляется в регенератор 9, где отдает часть теплоты на подогрев потока рабочего тела на входе в компрессор 7, а затем поступает в детандер 10 верхнего каскада, где происходит его расширение. После детандера 10 рабочее тело верхнего каскада идет на вход в конденсатор-промежуточный теплообменник 3.After receiving heat from the lower cascade, the working fluid of the upper cascade from the condenser-intermediate heat exchanger 3 is sent to the regenerator 9, where it is heated and goes to the input of the compressor of the upper cascade 7. After compression in the compressor 7, the working fluid of the upper cascade enters the end heat exchanger 8, where it transfers the resulting heat into the circuit of the radiation heat exchanger 13. After that, it is sent to the regenerator 9, where it gives part of the heat to heat the flow of the working fluid at the inlet to the compressor 7, and then enters the expander 10 the upper cascade, where it expands. After the expander 10, the working fluid of the upper cascade goes to the entrance to the condenser-intermediate heat exchanger 3.

Прокачиваемый по контуру радиационного теплообменника 13 с помощью электромагнитного насоса 12 жидкометаллический теплоноситель, получив теплоту в концевом теплообменнике 8 от рабочего тела верхнего каскада, в коллекторах радиационного теплообменника 13 отдает полученную теплоту зонам испарения тепловых труб, являющихся основными теплоизлучающими элементами радиационного теплообменника.The liquid metal coolant pumped along the contour of the radiation heat exchanger 13 using an electromagnetic pump 12, having received heat in the end heat exchanger 8 from the working medium of the upper cascade, in the collectors of the radiation heat exchanger 13 gives the heat received to the evaporation zones of the heat pipes, which are the main heat-emitting elements of the radiation heat exchanger.

Claims

The system of providing the thermal regime of the spacecraft, comprising thermostatic panels made in the form of steam chambers, the evaporation zones of the evaporator of the working fluid of the lower cascade being the condensation zones of the working fluid of these steam chambers, the walls of which are thermostatically controlled equipment, a two-stage heat pump, consisting of an evaporator in which the thermal energy of the devices is transferred from thermostatic panels to the lower stage of the heat pump, the working fluid of which is freon R1 42b, compressor expander turbines for each of the cascades, a condenser which is an intermediate heat exchanger between the lower and upper cascades, with a gas mixture of inert gases He and Xe selected as a working fluid in the upper cascade, a regenerative heat exchanger that improves the thermodynamic cycle efficiency of the upper stage of the heat pump, and a radiation heat exchanger installed as a final heat-saving device, connected to the upper cascade of the heat pump through a hydraulic circuit from the end m heat exchanger.