АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ТЕПЛООБМЕННОГО УСТРОЙСТВА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Интенсивное увеличение требований к активному сроку существования космических аппаратов (КА) влечёт за собой и увеличение требований к энергоустановкам (ЭУ). Отказ ЭУ может фатально повлиять на работоспособность КА, поэтому энергетические установки определяют требования к системам, обеспечивающим термостатирование и терморегулирование внутри КА. В данной работе были рассмотрены теплообменные устройства энергетических установок КА различного исполнения, такие как рекуператор, регенератор.

Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором происходит передача теплоты от одной среды к другой. Среды, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. В качестве теплоносителей могут использоваться пары различных веществ, газы, жидкости и жидкие металлы. Теплоноситель, отдающий теплоту и имеющий более высокую температуру, называется первичным, а воспринимающий теплоту теплоноситель с более низкой температурой называется вторичным.

Передача теплоты может осуществляться при непосредственном контакте обоих теплоносителей, либо через твердую поверхность, разделяющую среды, то есть рекуператоры и регенераторы.

Рекуператор – это теплообменник поверхностного типа для использования теплоты отходящих газов, в котором теплообмен между теплоносителями осуществляется непрерывно через разделяющую их стенку. Рекуператоры различают по схеме относительного движения теплоносителей — противоточные и прямоточные; по конструкции — трубчатые, пластинчатые, ребристые и др.; по назначению — подогреватели воздуха, газа, жидкостей, испарители, конденсаторы и так далее.

Регенератор – это теплообменник, в котором передача теплоты осуществляется путём поочерёдного соприкосновения теплоносителей с одними и теми же поверхностями аппарата. Во время соприкосновения с «горячим» теплоносителем стенки регенератора нагреваются, с «холодным» — охлаждаются.

В работе в качестве объекта исследования выбран космический аппарат тяжёлого класса (свыше 1 тонны) «Спектр – Р» (рисунок 1), для которого подбирается вид теплообменного аппарата. Предполагается, что длительность срока существования КА составляет 10 лет на высокоэллиптической орбите, что обозначает необходимость подбора достаточно мощного теплообменного аппарата.

Рисунок 1. КА «Спектр – Р»

Устройство и принцип работы экспериментального рекуператора следующий: рекуператор представляет собой полый цилиндр большого диаметра, по которому проходят трубки малого диаметра. По цилиндру проходит газ, который необходимо охладить с помощью отдачи тепла через поверхность трубок, где в свою очередь протекает охлаждающая жидкость – теплоноситель, движение газа и теплоносителя противоточное по направлению. Теплообменник находится внутри космического аппарата.

Для тяжёлых КА наиболее предпочтительна форма рекуператора – трубчатая, поэтому, исходя из габаритных размеров КА и предполагаемого охлаждаемого блока выбирается условная схема рекуператора, который должен иметь следующие габаритные размеры: длина – 1750 мм, диаметр – 500 мм (рисунок 2).

Рисунок 2. Расчётная схема рекуператора

Для подбора теплоносителя, используемого для данного рекуператора, рассматриваются теплоносители: фреон R-134a и аммиак. Основные характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики теплоносителей

Расчёт тепловой мощности рекуператора проводятся по следующим уравнениям:

1. Уравнение теплопередачи в рекуперативном теплообменном аппарате:

                                            (1)

где Q – тепловая мощность теплообменника, Вт; k – средний коэффициент теплопередачи через разделяющую теплоносители стенку, Вт/(м²∙К);

 – средняя разность температур (средний температурный напор), °С;

F – площадь поверхности теплообмена, м².

2. Средний температурный напор (среднюю разность температур) для противоточной схемы движения теплоносителей:

                           (2)

3. Критерий Нуссельта для расчёта коэффициента конвективной теплоотдачи газа и теплоносителя:

                                               (3)

                          (4)

4. Общий коэффициент теплопередачи:

                                 (5)

5. Площадь передачи тепла

F = π*d*h*n                                                (6)

F = π*0,015*1,75*736 = 60.695 м²

где d = 0,015 м – диаметр трубок;

h = 1,75 м – длина (высота) рекуператора

n – количество трубок малого диаметра.

Расчёты проводились для газа – аргона, а для теплоносителя – фреона и аммиака. Подбирались трубки диаметром 15 мм и толщиной 3 мм.

Результаты вычислений приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты расчётов

По результатам расчёта теплообменника видно, что наиболее предпочтительно выбрать в качестве теплоносителя аммиак, который является более дешёвым в производстве и легче по массе.

Список литературы:

1. Ходосов, В.В. Теплообменные устройства энергетических установок космических аппаратов: учебное пособие/В.В. Ходосов; Балт. гос.техн. ун-т. – СПб., 2018. –  25 с.
2. Григорьян В.Г., Евдокимов К.В. Энергоустановки космических летательных аппаратов: Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 2007. – 84 с.: ил.
3. Грабин Б.В. Основы конструирования космических аппаратов: Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 2007. – 80 с.: ил.