Раков В.В. 1 , Бобе Л.С. 1 , Винокуров А.В. 2 ,Гершберг И.А. 2
advertisement
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПАКТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ В ТЕПЛОВОМ НАСОСЕ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ Кочетков А.А.1, Бобе Л.С.1, Раков В.В.1, Винокуров А.В.2, Гершберг И.А.2, Тахистов Ф.Ю.2, Романов С.А.2 1 ОАО “НИИХИММАШ”, Москва, Россия ООО “Криотерм”, Санкт Петербург, Россия E-mail: simulation@kryotherm.ru 2 В статье [1] была рассмотрена конструкция термоэлектрического теплового насоса (ТТН) для системы жизнеобеспечения космического корабля [2]. В настоящей статье приводятся результаты осуществленной модернизации ТТН. Необходимость модернизации ТТН обусловлена тем, что космические приложения диктуют жесткие требования по массогабаритным характеристикам и энергетической эффективности. Целью модернизации были, прежде всего, уменьшение массогабаритных характеристик и повышение отопительного коэффициента ТТН. На рис. 1 приведен внешний вид ТТН, на рис. 2 – гидравлическая схема ТТН. Рис. 2 – Гидравлическая схема ТТН. Первая задача – уменьшение массогабаритных характеристик ТТН – была реализована, прежде всего, за счет уменьшения толщины радиаторов ТТН. Для этого были приняты следующие меры: - замена резиновых прокладок периферийного уплотнения на сварку радиаторов ТТН; - уменьшение толщины радиаторов ТТН (с 7 до 1.5 мм) за счет уменьшения толщины проточной части радиаторов (с 1 до 0.5 мм) и уменьшения толщины оснований радиаторов (с 3 до 0.5 мм). Данные меры проиллюстрированы рисунками 3÷4. а) Рис. 1 – Внешний вид ТТН. б) Рис. 3 – Особенности соединения радиаторов ТТН: a) до модернизации – резиновые прокладки (кольца круглого сечения); б) после модернизации - сварка. б) Рис. 4 – Поперечный разрез радиаторов ТТН с термоэлектрическими модулями (ТЭМ): a) до модернизации; б) после модернизации. Надежное сжатие пакета ТЭМ и радиаторов обеспечивалось двумя крайними титановыми пластинами толщиной 8 мм. В целом, за счет изменения конструкции радиаторов, удалось обеспечить снижение веса ТТН на 37 % (с 11.2 до 7.1 кг) и уменьшить толщину корпуса ТТН на 26 мм (с 84 до 58 мм). Внешний вид ТТН (вид сбоку) проиллюстрирован на фотографиях рис. 5. а) б) Рис. 5 – Внешний вид ТТН (вид сбоку): a) до модернизации; б) после модернизации. Таким образом, применение супертонких радиаторов, с толщиной меньше толщины ТЭМ, и замена периферийных резиновых уплотнений на сварку позволили существенно улучшить массогабаритные характеристики ТТН. Количество ТЭМ а) Вторым направлением модернизации была оптимизация характеристик ТЭМ. Условия задачи – одновременное задание параметров напряжения питания, потребляемой мощности и отопительной мощности, диктовали необходимость тщательного подбора типа и количества ТЭМ и схемы их электрического соединения. При выборе ТЭМ использовались передовые наработки в области обеспечения заданных свойств термоэлектрических материалов. В результате оптимизационных расчетов: - был определен оптимальный тип ТЭМ – ТВ-199-1.4-2.5; - обеспечены максимальные значения термоэлектрической добротности ТЭМ; - подобраны значения электрического сопротивления ТЭМ (удельного сопротивления термоэлектрического вещества), позволяющие в полной мере использовать отведенную потребляемую мощность. На рис. 6 и 7 приведены гистограммы распределения характеристик ТЭМ. Из данных гистограмм следует: - применены действительно ТЭМ с максимальным перепадом температур равным 75 К, а не просто отобраны лучшие серийные ТЭМ; - ТЭМ характеризуются высокой воспроизводимостью электрического сопротивления (разброс не превышает 2 %). Максимальная разность температур ТЭМ, К Рис. 6 – Распределение примененных ТЭМ по максимальной разности температур. ЛИТЕРАТУРА Количество ТЭМ 1. 2. Разброс ТЭМ по электрическому сопротивлению относительно среднего значения, % Рис. 7 – Распределение примененных ТЭМ по электрическому сопротивлению. Результаты испытаний ТТН приведены в таблице. Применение компактных теплообменников и оптимизированных ТЭМ позволило обеспечить все технические требования на тепловой насос для регенерационных систем жизнеобеспечения космического корабля. Таблица – Результаты испытаний ТТН Параметр Масса, кг Габариты с учетом штуцеров, мм Теплопроизводительность, не менее, Вт Потребляемая мощность, не более, Вт Отопительный коэффициент Температура средняя, ºС: - в холодном контуре - в горячем контуре Требование Фактически 8.0 7.1 114 × 134 × 385 111 × 127 × 377 600 610 250 233 2.4 2.62 30 45 30 45 Раков В.В., Бобе Л.С., Винокуров А.В., Гершберг И.А., Тахистов Ф.Ю., Балканский А.А. Компактный термоэлектрической тепловой насос с высоким отопительным коэффициентом для агрессивных жидкостей // Термоэлектрики и их применения. Доклады XII Межгосударственного семинара (ноябрь 2010 г.). – СПб: ФТИ, 2010. Бобе Л.С., Гаврилов Л.И., Кочетков А.А., Курмазенко Э.А., Андрейчук П.О., Зеленчуков А.А., Романов С.Ю., Синяк Ю.Е. Регенерация воды и атмосферы на космической станции: опыт орбитальных станций "Салют", "Мир" и МКС, перспективы развития // Сайт ОАО “НИИХИММАШ” [Электронный ресурс]. URL: http://niichimmash.ru/press/publications/regeneratsiya-vody-i-atmosferyna-kosmicheskoy-stantsii-opyt-orbitalnykh-stantsiy-salyut-mir-i-mks-p/ (дата обращения: 06.11.2012).
