Разработка методик расчета, проектирования и испытания баллона с криогенной заправкой для бортовой дроссельной системы охлаждения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.07, кандидат наук Сармин, Дмитрий Викторович

• Сармин, Дмитрий Викторович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Сармин, Дмитрий Викторович

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень условных обозначений, индексов и сокращений

Введение

Глава 1 Бортовые системы охлаждения летательных аппаратов

1.1 Современное состояние развития бортовых систем охлаждения аэрокосмического назначения

1.2 Дроссельные системы охлаждения

1.2.1 Замкнутые дроссельные системы охлаждения

1.2.2 Баллонные дроссельные системы охлаждения

1.3 Схемы и конструкции дроссельных микроохладителей

1.4 Системы охлаждения с использованием хладагента в субкритическом состоянии

1.5 Системы охлаждения с хранением сжиженных хладагентов при температуре окружающей среды

1.6 Выбор типа систем охлаждения

Выводы по 1 главе

Глава 2 Баллон с криогенной заправкой (БКЗ)

2.1 Рабочий процесс баллонной дроссельной системы

2.2 Баллон с криогенной заправкой

2.3 Теплофизика процессов в баллоне с криогенной заправкой

2.3.1 Масса заправляемого рабочего тела

2.3.2 Определение времени хранения криоагента в БКЗ в безрасходном состоянии

2.3.3 Физико-математическая модель процессов в баллоне с криогенной заправкой

2.4 Алгоритм и результаты расчёта параметров в баллоне (БКЗ)

Выводы по 2 главе

Глава 3 Экспериментальные исследования процессов в баллоне с криогенной заправкой

3.1 Объект исследования. Цели и задачи эксперимента

3.2 Подготовка и проведение испытаний

3.3 Обработка результатов испытаний БКЗ

3.4 Анализ результатов испытаний БКЗ

3.5. Исследование температурного состояния стенки БКЗ

3.6 Расчёт на прочность баллона в программном пакете ANS YS Structural

3.6.1 Граничные условия

3.6.2 Настройка постпроцессора

3.6.3 Анализ результатов

3.7 Оценка погрешностей определяемых величин. Основные положения используемого метода оценки погрешности

3.8 Рекомендации по доработке конструкции БКЗ

Выводы по 3 главе

Глава 4 Определение характеристик дроссельной системы охлаждения на базе баллона высокого давления и БКЗ при различных начальных параметрах

4.1 Время функционирования дроссельных систем охлаждения

4.2 Работа баллонного микроохладителя при использовании азота с околокритическими параметрами

4.4 Технико-экономические характеристики дроссельной системы охлаждения

на базе БКЗ

4.5 Оптимальная масса криопродукта и масса ёмкостей для его хранения

Выводы по 4 главе

Заключение

Список использованных источников

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ИНДЕКСОВ И СОКРАЩЕНИЙ

Условные обозначения:

п ДЖ

Я - газовая постоянная,

кг-К

с1 „ -наружный диаметр баллона, м ; йн - внутренний диаметр баллона, м ;

кг

Рстенки - плотность материала стенки, —г;

м

Vс - объем стенки баллона (одного погонного метра), м3\ тс - масса стенки баллона (одного погонного метра), кг\

Н

Р0 - начальное давление в баллоне, —т',

м

7^ - начальная температура стенки баллона, К;

о щЩэю

Сс - начальная теплоемкость стенки баллона,

кг-К

й Т - диаметр термосной ёмкости, м ;

8из - толщина изоляции, м ;

с1из - диаметр изоляции термосной ёмкости, м ;

Уг - объем термоса баллона, м3;

Т°ж - начальная температура жидкости, К;

Токр - температура окружающей среды, К;

1Ж - энтальпия жидкости при определённой температуре,

кг

кДж .

кг

£> - плотность жидкости, —г,

~ Ж

м

УУ1Ж - масса жидкости в одном погонном метре термоса, кг;

иг - начальный удельный объем газа, —;

кг

Уг - объем газовой полости, м3;

Щ - масса газа, находящегося в газовой полости, кг;

Я пот ~ тепл°5 потребное для нагрева 1 кг жидкости, цЦщ

бпот ~ тепло, потребное для нагрева жидкости, цЦщ

\ - коэффициент теплопроводности газа, Вт /м- К;

Лиз - коэффициент теплопроводности изоляции термоса, Вт / м- К;

Qc - мощность теплового потока от стенки к жидкости, Вт / м\

Тж - время прогрева жидкости до нового значения температуры, с;

Т'с - температура стенки баллона, К;

А тисп - время, за которое происходит испарение части жидкости, с;

Ост - количество тепла, через газовую прослойку от стенки к жидкости, цЦщ Г - теплота испарения жидкости, кДж / кг;

Ьтж - масса жидкости, испарившейся за промежуток времени Атист кг;

3'

м

б - удельный объем жидкости,

кг

д V ж Р - объем газовой полости в термосе, м3;

О - удельный объем паров жидкости в термосе, —;

кг

Атп - масса паров в объёме, освободившемся от испарения жидкости, кг;

а газа

Шхолод - масса низкотемпературного газа, кг;

■газа ~ кДж

1халод ~ энтальпия паров испарившеися жидкости,

кг кДж

Су- изохорная теплоемкость газа,

кг • К

АТг - изменение температуры в газовой полости, К; Т'г+] - температура в газовой полости, К; гИ*х - масса газа в газовой полости, К;

Ог - удельный объем газа в газовой полости,—;

кг

Р - давление в баллоне,

м

ЛГС - изменение температуры стенки баллона, К;

Т'с+] - уточнённое значение температуры стенки баллона, К;

т'^ - масса жидкости в термосе, кг;

У^1 - общий объем, освободившийся в термосе от жидкости, м3; а0щГ внешний коэффициент теплоотдачи.

тбвд- время работы штатной системы, мин; тбкз- время работы штатной системы с БКЗ, мин; Спр- приведенная теплоёмкость, кДж/ кг -К;

энтальпии газа до дросселирования, кДж / кг-,

- энтальпии газа после дросселирования, кдж / Кг\

тепловыделение чувствительного элемента, Вт;

~ тепловыделение из окружающей среды, Вт; <2 х - холодопроизводительность дроссельной системы, Вт; ар - гидравлическое сопротивление теплообменника, МПа; Рост - остаточное давление в баллоне, МПа; рГТ - плотность насыщенных паров в термосной ёмкости, кг!мъ; О*

тепловая нагрузка на микроохладитель, Вт;

М0 - минимальный расход хладагента, кг/с, М - фактический расход хладагента, кг/с;

АТН - температурный напор на теплом конце теплообменника БВД, К; А Тн ' - температурный напор на теплом конце теплообменника БКЗ, К;

- общая поверхность теплообмена, м ;

^ - средне интегральный коэффициент теплопередачи; Вт/(м2-К); Т2в - температура газа перед дросселем, К;

кДж

- энтальпия рабочего тела после дросселя,-;

1 кг

- охлаждение прямого потока до температуры постоянного

2

теплосодержания, м ;

Рх - площадь теплообменника необходимая для понижения температуры газа

2

до заданного уровня, м ;

- «избыточная» поверхность теплообменника, м2;

кДж

шн - потери холода от недорекуперации,-;

кг

ДТХ, ДТр - средние температурные напоры между потоками, К;

кх , кр - средне интегральные значения коэффициентов теплопередачи для зон

теплообменника Рх и

(2г = М-(/, -14)~ тепловая нагрузка на зону Рр теплообменника, Вт; 0рХ ~ тепловая нагрузка на зону Вт.

Сокращения: ОЭС - оптико-электронная система; ИК - инфракрасный приёмник излучения; БВД - баллон высокого давления; БКЗ - баллон с криогенной заправкой; ЗДС - замкнутая дроссельная система; ДСО - дроссельная система охлаждения; БДСО - бортовая дроссельная система охлаждения; ПКГ - полупроводниковые квантовые генераторы; СВЧ - сверхвысокая частота; ЛА - летательный аппарат; ГКМ - газовая криогенная машина; СПГ - сжиженный природный газ; СО - система охлаждения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методик расчета, проектирования и испытания баллона с криогенной заправкой для бортовой дроссельной системы охлаждения»

ВВЕДЕНИЕ

В современных летательных аппаратах авиационного и космического назначения все более широкое применение находят различные оптико-электронные и квантовые системы и устройства навигационного, боевого и научного назначения. Лазерные дальномеры, прицелы, системы наведения, лидары, гироскопы - вот далеко не полный перечень устройств, основным элементом которых является оптико-электронный прибор [1,2].

Одним из основных элементов оптико - электронных систем (ОЭС) являются инфракрасные приёмники (ИК-приёмники). Высокая эффективность работы ИК-приёмников обеспечивается охлаждением до температуры 77 К и ниже [3,4]. Для этого существуют различные системы и агрегаты, классификация которых представлена в главе 1.

Обеспечение охлаждения до криогенных уровней температуры ИК -приёмников, элементов оптических систем и других устройств, устанавливаемых на летательных аппаратах, - важнейшее требование, предъявляемое ко многим авиационным и космическим проектам. Существует множество систем охлаждения, разной степени совершенства, которые могут удовлетворить тем или иным техническим требованиям. Основными параметрами, которыми отличаются аэрокосмические системы охлаждения от промышленных или систем наземного применения, являются:

- минимально возможная масса и габариты;

- минимально возможная потребляемая мощность;

- высокая надёжность, исключающая необходимость ремонта.

Степень совершенства бортовых систем охлаждения (СО) в значительной

мере определяет возможности аэрокосмической техники.

Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения эффективности существующих и разработки новых более современных систем охлаждения с улучшенными тактико - техническими и эксплуатационными характеристиками.

Дроссельная система охлаждения с предлагаемым в данной диссертационной работе баллоном, имеет ряд преимуществ перед другими типами бортовых дроссельных систем, основным из которых будет увеличение времени функционирования. Новизна и ожидаемая перспективность дроссельной системы охлаждения на базе баллона с криогенной заправкой (БКЗ) требуют разработки экспериментальных образцов и проведения опережающих исследований.

Целью работы является повышение эффективности бортовой системы охлаждения за счёт применения в её составе баллона с криогенной заправкой.

Объект исследования:

- теплофизические процессы в баллонах с криогенной заправкой используемых в дроссельной системе охлаждения (ДСО).

Предметом исследования являются:

- методики расчёта, проектирования и испытаний баллонов с криогенной заправкой для дроссельных систем охлаждения.

В соответствии с поставленной целью были определены задачи исследования. Их содержанием было:

- анализ современного состояния развития СО и обоснование использования баллона с криогенной заправкой в составе бортовой дроссельной системы охлаждения;

- разработка физических и математических моделей для анализа процессов в баллоне с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы охлаждения на его базе, учитывающие специфику неравновесных двухфазных систем;

- разработка методики и рекомендаций по расчёту, проектированию и испытанию баллона с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы на его базе;

- создание экспериментальной установки для проведения испытаний баллона с криогенной заправкой, проведение экспериментов с целью

подтверждения расчётных методик и оценки работоспособности экспериментального образца БКЗ;

- получение характеристик бортовых дроссельных систем охлаждения на базе баллона с криогенной заправкой.

Методы исследования.

Общий методологический подход при выполнении работы базируется на аналитических методах, численном моделировании, экспериментальных исследованиях опытного образца баллона с криогенной заправкой с привлечением аппарата вычислительной математики и современных программных средств как существующих, так и специально созданных в процессе работы.

Экспериментальные исследования проводились на стендовом оборудовании кафедры теплотехники и тепловых двигателей СГАУ.

Достоверность, обоснованность и представительность результатов работы обеспечены применением при теоретическом исследовании законов сохранения в общепризнанном виде, корректным использованием экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

- анализ режимно-параметрических характеристик баллона с криогенной заправкой;

- методики расчёта, и проектирования баллона с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы на его базе;

- результаты расчётно-теоретического анализа физических процессов в баллоне с криогенной заправкой и результаты экспериментальных исследований;

- численное моделирование (прогнозирование) рабочих характеристик бортовой дроссельной системы охлаждения на базе баллона с криогенной заправкой;

Научная новизна:

- разработана физико-математическая модель баллона с криогенной заправкой;

- решена задача определения параметров состояния криопродукта в неравновесной двухфазной системе с граничными условиями первого рода при условии размещения жидкой фазы внутри газовой среды;

- разработаны методики, и рекомендации по расчёту, проектированию и испытаниям баллона с криогенной заправкой как нового элемента для бортовых дроссельных систем охлаждения;

- разработана методика моделирования (численный эксперимент) и расчёта теплофизических процессов в баллоне с криогенной заправкой, как в неравновесной двухфазной термодинамической системе;

- проведены испытания экспериментального образца БКЗ, позволившие получить результаты, подтверждающие расчётную методику; создана и апробирована методика проведения испытаний БКЗ, учитывающая особенности использования криопродукта;

- впервые получены характеристики дроссельной системы охлаждения на основе БКЗ как нового бортового комплекса.

Практическая ценность:

- получены теоретические и экспериментальные данные по теплофизическим параметрам рабочего тела в баллоне нового типа;

- выявленные преимущества БКЗ позволяют разработать типоряд специальных баллонов с улучшенными эксплуатационными характеристиками;

- разработаны рекомендации для расчёта, и проектирования баллона с криогенной заправкой и бортовой дроссельной системы на его базе;

- анализ физических процессов в БКЗ позволяет выявить их влияние на характеристики штатных бортовых дроссельных систем охлаждения и подтвердить возможность их совместной эксплуатации без внесения изменений в конструкцию криоохладителей;

- разработанный алгоритм и программа расчёта могут быть использованы для существующих и вновь проектируемых криогенных ёмкостей и систем охлаждения, а также в методике испытаний БКЗ.

Реализация и внедрение результатов работы:

Результаты внедрения диссертационной работы подтверждены актами использования в Государственном научном центре Российской Федерации ОАО «НПО «Орион», г. Москва.

Апробация диссертационной работы:

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» НМТ-2008, г. Москва, МАТИ, 2008 г.; XX международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения г. Москва, ФГУП НПО «Орион», 2008 г. международной молодёжной конференции «XVI Туполевские чтения» г. Казань, КГТУ, 2008 г; международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» г. Самара, СГАУ, 2009 г.; XXI международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения г. Москва, ФГУП НПО «Орион», 2010 г.; международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» г. Самара, СГАУ, 2011 г.; IX международной научной конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», г. Алушта, Институт теплофизики СО РАН им. С.С. Кутателадзе, 2011 г.

Публикации:

По результатам выполненных исследований имеется 14 печатных работ, в том числе шесть работ опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых Высшей аттестационной комиссией, восемь публикаций в тематических сборниках и трудах конференций.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов к

главам, общих выводов, заключения, списка литературы из 60 наименований. Основное содержание работы изложено на 155 страницах (включает 78 рисунков и 14 таблиц).

Во введении изложены основные особенности бортовых систем охлаждения, на основе чего обосновывается актуальность темы и определяется цель исследований, приводится научная новизна. Кроме того изложена теоретическая и практическая значимость, а также методология и методы исследований.

В первой главе представлен анализ современного состояния развития бортовых систем охлаждения и их подсистем. Приводятся типовые конструкции микроохладителей, включая использующиеся в них теплообменники, и дроссельные устройства, а также рассматриваются дроссельные системы охлаждения как замкнутого, так и разомкнутого цикла с ёмкостями содержащие в себе рабочие тела, в жидком и газообразном состоянии.

Большой вклад в развитие бортовых криогенных систем охлаждения авиационно-космического назначения внесли такие учёные как Афанасьев Н.М, Архаров A.M., Бродянский В.М., Боярский М.Ю., Гороховский Г.А., Григоренко Н.М., Прусман Ю.О., Суслов А.Д., Микулин Е.И. Меркулов А.П. И т.д. К наиболее значительному вкладу в развитие таких систем можно отнести московские вузы такие как МЭИ, МАИ и МГТУ им. Баумана, а среди опытно-конструкторских организаций можно отметить такие как — НТК «Криогенная техника» (г. Омск), НПО «Криогенмаш» (г. Балашиха, МО), НПО «ОРИОН» (г. Москва), и др.

Анализ бортовых дроссельных систем охлаждения показывает, что у используемых рабочих тел существует потенциал, который ранее не использовался в ДСО применительно к авиационной технике. Принципиальные улучшения характеристик таких систем возможны благодаря реализации в них новых физических принципов с совершенствованием их подсистем.

Дроссельные системы охлаждения используются в авиации как системы с

Дроссельные системы охлаждения используются в авиации как системы с разомкнутым и замкнутым циклом. В системах с разомкнутым циклом (баллонные системы) масса заправки и давление рабочего тела в баллоне определяют их эксплуатационные свойства и реализуемые характеристики.

Это является причиной того, что создание баллона нового типа, способного улучшить характеристики бортовой системы охлаждения, является актуальной задачей.

Баллон с криогенной заправкой (БКЗ) - это элемент бортовой дроссельной системы охлаждения, обладающий новыми функциональными свойствами.

А именно: повышенными эксплуатационными характеристиками, сочетающими в себе универсальность для хранения и использования газов как в компримированном, так и в криогенно-жидком состоянии, и увеличенным эксплуатационным ресурсом и временем функционирования СО.

Во второй главе представлены исследования, содержащие теоретический анализ рабочего процесса в баллоне с криогенной заправкой (БКЗ). Предложена следующая конструкция баллона. Внутри баллона высокого давления размещается криогенный сосуд (термос) в который заливается рабочее тело. При этом между оболочкой термоса и внутренней стенкой баллона образуется не заполняемая жидкостью газовая полость с теплоизоляцией. Соотношение объёмов термоса и газовой полости таково, что, если криопродукт заправляемый в термос полностью газифицируется, то газ заполнит весь объем баллона, и это будет соответствовать стандартному давлению и номинальной массе заправки газообразным продуктом.

Отправной точкой при проектировании БКЗ является масса заправляемого рабочего тела. Исходя из массы рабочего тела в жидком состоянии, рассчитывается его объем, а затем подбирается термос. Учитывая конечное давление во всем объёме БКЗ, выбирается объём самого баллона, содержащего как термос, так и многослойную экранную теплоизоляцию. В зависимости от конечных параметров температуры и давления однофазного

рабочего тела во всем объёме БКЗ подбирается как сама теплоизоляция, так и

У

количество экранов.

Сложность решения задачи заключается в том, что рассматриваемая термодинамическая система «газовая полость - жидкость» не является равновесной. Как подсистема - газовая полость является открытой (т.е. с переменной массой рабочего тела). Теплоперенос осуществляется теплопроводностью через многослойную газовую стенку со встречным потоком газа с переменным по радиусу расходом, причём описанные процессы являются нестационарными.

Был разработан алгоритм и составлена программа расчёта. Программа выполнена в системе программирования Delphi 7 и работает в среде Windows ХР.

Опираясь на разработанную методику расчёта происходящих процессов, изложенную в главе 2, с помощью специально созданной программы были получены данные по изменению давления и температуры в БКЗ в зависимости от времени хранения криопродукта.

В третьей главе содержатся результаты экспериментальных исследований процессов в баллоне с криогенной заправкой.

На базе БКЗ с целью изучения физической картины и процессов в баллоне была создана экспериментальная установка.

Испытания проводились для двух режимов: безрасходного и расходного. В ходе испытаний производилась регистрация давления и температуры. Давление в баллоне изменялось от 0,1 до 1,6 МПа. Уровень давления при испытаниях ограничивался требованиями техники безопасности, при этом на теплофизические процессы это не оказывало влияния. Температура стенки баллона в различных сечениях в зависимости от времени работы фиксировалась тепловизором.

Максимальное расхождение теоретических и экспериментальной данных по давлению составило 10 % и 3 % по температуре, что вполне приемлемо для подтверждения методики с учётом принятых допущений.

В четвертой главе были проведены сравнительные расчёты работы дроссельных систем охлаждения при различных начальных параметрах рабочего тела.

В первом случае в дроссельной системе используется стандартный баллон, заправленный азотом с начальным давлением р0 = 30 МПа и

температурой Т0 = 293 К. Во втором случае в составе дроссельной системы используется предлагаемый баллон (БКЗ). При моделировании работы сравниваемых систем охлаждения (СО) принималось, что стандартный и исследуемый баллоны имеют объем Уб-\0 л, начальная масса рабочего тела

равна щ—Ъ кг, а холодопроизводительность систем задаётся величиной Qx=\0 Вт. Результаты расчётов удельной холодопроизводительности и расхода хладагента по времени для двух систем показывают, что время функционирования дроссельной системы со стандартным баллоном и БКЗ соответственно равны тБВД = 60 мин и тБКЗ = 90 мин.

Для расчёта характеристик теплообменника дроссельных систем была выбрана методика расчёта режима «избыточной» холодопроизводительности (2Х при переменном расходе хладагента. Сравнение полученных расчётных данных позволяют сделать вывод, что потребная теплопередающая поверхность микроохладителя дроссельной системы с БКЗ в 5 - 10 раз меньше, чем у аналогичной системы со стандартным баллоном, то есть БКЗ может работать в составе любой штатной дроссельной СО.

Гидравлическое сопротивление ЛР в каналах высокого и низкого давления микроохладителя на порядок ниже для дроссельной системы охлаждения с БКЗ. Данный результат обусловлен тем, что в дроссельной системе на базе БКЗ для обеспечения требуемой холодопроизводительности имеют место существенно меньшие расходы и, соответственно, скорости рабочего тела в каналах микроохладителя.

Технико-экономическая оценка применения БКЗ в составе ДСО в сравнении с баллоном высокого давления (БВД) показывает снижение массы

системы в 1,5 - 2 раза, либо пропорциональное увеличение времени ее функционирования по сравнению с существующими штатными системами.

Таким образом, при одинаковой массе заправки в составе ДСО применение БКЗ увеличивает время работы бортовой системы охлаждения в 1,2 - 1,5 по сравнению с БВД. Для условий фиксированного времени работы бортовой ДСО, в состав которой входит БКЗ, рабочего тела потребуется на 40 - 60 % по массе меньше по сравнению с ДСО на базе баллона высокого давления.

Таким образом, исследуемая система БКЗ позволяет снизить массогабаритные характеристики системы, увеличить эффективность использования рабочих тел на борту ЛА.

ГЛАВА 1 БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

1.1 Современное состояние развития бортовых систем охлаждения аэрокосмического назначения

На рисунке 1.1 приведена обобщённая криотехническая характеристика изделий криоэлектроники. Она носит упрощённый в значительной мере условный характер и не исчерпывает всех возможных на практике сочетаний параметров. Дополнительные сведения по некоторым из этих изделий -приёмникам инфракрасного излучения (ИК - приёмники) и СВЧ - приборам указаны в источниках [5].

Криоэлектронные приборы можно классифицировать по следующим признакам.

- По температуре криостатирования - на приборы с гелиевым (до 15 К), неоново водородным (до 70 К) и азотным (свыше 70 К) уровнями охлаждения;

- По величине тепловой нагрузки - приборы с малым внутренним тепловыделением и незначительной массой охлаждаемых элементов (ИК-приёмники), со значительным тепловыделением, но малой теплоёмкостью элементов (полупроводниковые квантовые генераторы - ПКГ) и, наконец, с относительно большой массой и теплоёмкостью охлаждаемых элементов, но малыми внутренними тепловыделениями (СВЧ - приборы).

1 - ИК-приёмники; 2 - СВЧ-приборы; 3 - ПКГ.

Рисунок 1.1- Области температур криостатирования и тепловых нагрузок для

различных приборов [6] 17

1 - дроссельная дюза; 2 - фоточувствительный элемент; 3 - вакуумная колба; 4 - выходные оптические окна; 5 - медный хладопровод; 6 - теплоизоляция; 7 -конусный микротеплообменник Хэмпсона; 8 - фильтр; 9 - корпус криостата Рисунок 1.2 - Конструктивная схема микроохладителя с коническим микротеплообменником для глубоко охлаждаемого ИК-приёмника

ИК-приёмники - глубоко охлаждаемые приёмники инфракрасного излучения составляют, по-видимому, наиболее представительную в настоящее время группу приборов криоэлектроники, широко применяемых совместно с микрокриогенными системами в самых различных областях исследований. Типичная конструкция фотоприёмника (рисунок 1.2) содержит кроме охлаждаемого фоточувствительного элемента теплоизолирующий вакуумный сосуд с оптически прозрачными входными окнами и корпусные узлы, обеспечивающие герметичность и прочность прибора.

Выход расширенного хладагента

Вход сжатого Т хладагента

Существуют, например, глубоко охлаждаемые фотоприёмники без вакуумной тепловой изоляции, фотоприёмники, конструктивно встроенные в контейнер с хладагентом или размещённые непосредственно на «холодной» головке охлаждающего устройства и др.

Существенная особенность фотоприёмников незначительные тепловыделения ()*в в чувствительном элементе; лишь в многоэлементных

приборах на основе низкоомных полупроводников величина 0*в может достигать 0,5 - 1 Вт. Теплопритоки из окружающего среды и приведенная теплоемкость Спр, как правило, относительно невелики, что позволяет сопрягать фотоприёмники практически с любым типом микрокриогенной установки. Требования к стабильности температуры криостатирования для большей части приборов этого типа достаточно просты (за исключением сверхпроводниковых болометров, а также фотоприёмников, в которых регламентируется уровень низкочастотных шумов).

Весьма близки к фотоприёмникам по конструкции полупроводниковые квантовые генераторы (ПКГ) - лазеры и светодиоды. Главное отличие их с криотехнической точки зрения состоит в том, что на активном элементе ПКГ, установленном обычно в той же зоне прибора, что и фоточувствительный элемент приёмника, выделяется значительная тепловая мощность до 10-20 Вт на один канал. Эта особенность ПКГ требует тщательной оценки условий теплообмена в зоне активного элемента и ограничивает выбор возможных вариантов систем охлаждения.

Криоэлектронные СВЧ - устройства, в конструктивном отношении представляющие собой самостоятельную категорию низкотемпературных приборов, отличающихся, в первую очередь, относительно большими

значениями теплопритоков (2 г и СПР. Это связано со значительными размерами криостатов, в которых размещены охлаждаемые СВЧ-блоки, заметными теплопритоками по волноводам и другим устройствам для ввода СВЧ-сигнала, а также существенно большей, чем в ИК-приёмниках и ПКГ, массой охлаждаемых узлов. Во многих случаях конструкция приборов этого типа не позволяет установить микрокриогенную установку в непосредственной близости от охлаждаемого объекта и осуществить локальное охлаждение

активного элемента (например, диода в параметрическом усилителе), что вызывает дополнительные потери холода.

В последнее время наиболее часто применяют комплексное охлаждение всего тракта усиления - входного СВЧ - фильтра, параметрического диода и других блоков; при этом все многофункциональное устройство размещают в криостате, поверхность внутреннего контейнера которого охлаждается до рабочей температуры. В качестве примера такой криостат, описанный в работе [7], показан на рисунке 1.3.

1 - микроохладитель; 2 - камера; 3 - трубчатый теплообменник Рисунок 1.3 - Конструктивная схема криостата интегрального СВЧ -

устройства

Охлаждающее устройство криостата работает по дроссельному циклу с одновременным использованием нескольких микроохладителей 1; камера 2 охлаждается потоком хладагента с помощью трубчатого теплообменника 3.

Конструкция охлаждаемого устройства и физические характеристики его активного (чувствительного) элемента во многом определяют также схему сопряжения устройства с микрокриогенной установкой; узел их стыковки должен удовлетворять комплексу требований, обеспечивающих нормальную работу термостатируемого устройства при определённых параметрах установки.

Вибрации установки, если они существуют, не должны, по возможности, передаваться охлаждаемому объекту. Температурный перепад и потери холода в зоне стыка должны быть минимальными; пульсации температуры, возникающие в холодной головке микрокриогенной установки, во многих случаях могут вызвать ухудшение характеристик прибора и должны быть исключены применением специальных конструктивных мер. Взаимное размещение установки и охлаждаемого прибора, а также конструкцию узла и сопряжения следует выбирать из условия экранировки прибора от влияния электромагнитных полей, возникающих при работе установки.

Важной задачей является также обеспечение герметичности и прочности узла сопряжения для исключения возможности повреждения, охлаждаемого объекта при работе системы охлаждения.

Для захолаживания бортовых систем охлаждения могут быть использованы следующие способы и охладители:

- забортный воздух с температурой до - 40°С (для авиационных систем);

- использование физической теплоты и тепла фазового перехода запасённого на борту жидкого криоагента;

- термомеханические охладители, работающие по обратным циклам (парокомпрессионные холодильные машины, ГКМ Стерлинга, Такониса, пульсационные охладители);

- дроссельные системы охлаждения, работающие от газа высокого давления, запасённого в баллонах;

- вихревая система охлаждения, с делящей вихревой трубой, работающая на воздухе с давлением до 0.6 МПа, поступающего от двигателя самолёта;

- термоэлектрические системы охлаждения, основанные на эффекте Пельтье.

В таблице 1 представлен сравнительный анализ приведённых способов захолаживания.

Таблица 1.1 - Сравнительный анализ способов охлаждения

№ Способы захолаживания Преимущества Недостатки Проблемы Примечания

1. Забортный воздух Простота Зависимость от высоты и скорости самолёта Организация забора воздуха. Влажность воздуха. Необходимость в теплообменнике Возможно использование на транспортных и дозвуковых JIA. На высотах с отриц. температурой или в особых климатических условиях

Невозможность

2. Жидкий криоагент Простота системы; Высокий потенциал холодопроизводитель ности длительного наземного хранения. Необходимость запаса на борту количества криоагента, соответствующего времени работы комплекса. Сложность подачи рабочего тела при эволюциях и перегрузках. Организация производства, хранения и закачки криоагента в условиях аэродрома В зависимости от используемого рабочего тела температура захолаживания может быть от - 80 °С до 0 -250 С

Возможность

3. ГКМ Стерлинга получения температуры охлаждения в широком диапазоне до 80К. Возможность использования для ИК систем Сложность ГКМ, относительно небольшой ресурс. Высокая стоимость. Стыковка с объектом охлаждения В зависимости от количества каскадов температура захолаживания может быть от до - 200 °С

Продолжение таблицы 1.1

4. Дроссельные системы охлаждения Простота. Наличие серийных систем. Универсальность применения для бортовых систем Существенная масса баллонов. Изменение температуры дросселирования Хранение газа высокого давления, повышенные требования к чистоте рабочего тела. В зависимости от используемого рабочего тела температура захолаживания может быть от - 80 °С до - 200 °С

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сармин, Дмитрий Викторович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1 Архаров, A.M. Криогенные системы: основы теории и расчёта [Текст] / A.M. Архаров. - М.: Машиностроение, 1988. - 464 с.

2 Мс Cormick, J.A. Progress on the development of miniature turbo machines for low - capacity reverse - Brayton cryocoolers / J.A. Mc Cormick, W.L. Swift, H. Sixsmith // Cryocoolers 9, Plenum Press, New York, 1997.- P.- 475-483.

3 Фрадков, А.Б. Гелиевые и водородные криостаты без дополнительного охлаждения жидким азотом [Текст] / А.Б. Фрадков // Приборы и техника эксперимента», 1961, № 4 - С 25 - 35.

4 Nellis, G. Reverse Brayton cryocooler for NICMOS / G. Nellis, F. Dolan, J. Mc Cormick, W. Swift, H. Sixsmith, J. Gibbon, S. Castles // Cryocoolers 10, Plenum Press, New York, 1999.-P.-431-438.

5 Бродянский, B.M. Методика расчёта схем криогенных установок [Текст] : учеб. пособие / В.М. Бродянский, А.Г. Тащина. - М.: Моск. энергетич. инст., 1972.-86 с.

6 Новотельнов, В.Н. Криогенные машины [Текст] / В.Н. Новотельнов, А.Д. Суслов, В.Б. Полтараус. - Спб.: Политехника, 1991. - 335 с.

7 Архаров, A.M. Низкотемпературные газовые машины (криогенераторы) [Текст] / A.M. Архаров. - М.: Машиностроение, 1969. - 224с.

8 Gedeon, D. DC gas flows in Stirling and pulse tube refrigerators / D. Gedeon // Cryocoolers 9, Plenum Press, New York, 1997.- P.- 385 - 392.

9 Biberman, L.M. A brief history of imaging devices for night vision / L.M. Biberman, and R.L. Sendall // in Electro-Optical Imaging: System Performance and Modeling, edited by L.M. Biberman, SPIE Press, Bellingham, 2000-Chapter 1-P. 11-26.

10 Красночуб, E.K. Микрокриогенные системы охлаждения космических летательных аппаратов инфракрасного наблюдения на основе микрокриогенных систем [Текст] / Е.К. Красночуб // Полет. - Самара, 2004. -№11.-С. 41-48.

11 Cryogenic coolers [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о фирме «Astrium». - Режим доступа: http://www.astrium-space.com/, свободный.

12 Baars, J. New aspects of the material and device technology of intrinsic infrared photo detectors / J. Baars // Physics and Narrow Gap Semiconductors, edited by E. Gornik, Springer, Berlin, 1982,- P.-280 - 282.

13 Elliott, C.T. An integrating detector for serial scan thermal imaging / C.T. Elliott, D. Day, B.J. Wilson//Infrared Physics, 1982.-№2.-P.-31-42.

14 Köhler, J.W.L. Fundamentals of the gas refrigeration machine / J.W.L. Köhler, С.О. Jonkers // Philips Tech, 1954,- Rev. 16 №3,- P.- 69-78.

. 15 Little, W.A. Recent developments in Joule-Thomson cooling: gases, coolers, and compressors / W. A. Little // Proc. 5th International Conference on Cryocoolers. Monterey CA, 1988.-№2-P-3-11.

16 Кузьменко, Г.П. Разработка и исследование высокопроизводительных теплообменных каналов криогенных испарителей [Текст] / Т.П. Кузьменко, В.К. Орлов, В.Е. Позняк // Химическое и нефтяное машиностроение. 1980-№3-С. 13-15.

17 Radebaugh, R. A comparison of three types of pulse tube refrigerators: New methods for reaching 60 К / R. Radebaugh, J. Zimmerman, D.R. Smith, B. Louie // Adv. in Cryogenic Engineering, Plenum Press, New York, 1986-Vol. 31-P - 779-789.

18 Скотт, Р.Б. Техника низких температур [Текст] / Р.Б Скотт.-М.: Изд-во иностр. лит., 1962. - 435 с.

19 Radebaugh, R. Recent developments in cryocoolers / R. Radebaugh // Proc. 19th International Congress of Refrigeration, The Hague, Netherlands, 1995-№2.-P.-973-989.

20 Бамбушек, E.M. Тепловые и конструктивные расчёты холодильных машин [Текст] / Е.М. Бамбушек [и др.]; обгц.ред. И.А. Сакун.- JL: Машиностроение, 1987. - 422 с.

21 Фастовский, В.Г., Петровский Ю.В., Ровинекий А.Е. Криогенная техника [Текст]/ А.Г. Надольников, В.Г. Фастовский, Ю.В. Петровский. - М.: изд-во «Энергия», 1967.-273 с.

22 Чумак, И.Г. Холодильные установки [Текст] / И.Г. Чумак [и др.] -М.: Агропромиздат, 1991.-416 с.

23 Пат. 2163690 Российская Федерация, M1TK7F17C9/02, F17T10/06. Топливный баллон [Текст]/Довгялло А.И., Лукачев С.В. и др.; заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет. - № 99114577/06; заявл. 02.07.1977; опубл. 27.02.2001, Бюл. №6. -6 с.

24 Bennet, I.A.R., Collier J.G. Heat transfer to two-phase gas-liquid systems / I.A.R. Bennet, J.G. Collier // P.l Steam-water mixtures in the liquid-dispersed region in an annulus - Trans. Inst. Chem. Eng. 1961, 39, №2 - P. 113-126.

25 Уайт, Т.К. Экспериментальная техника в физике низких температур [Текст] / Г.К. Уайт. - М.: Физматгиз, 1961.- 368 с.

26 Григорьев, В.А. О корреляции экспериментальных данных по теплообмену при кипении некоторых криогенных жидкостей в свободном объёме [Текст] / Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. // Теплоэнергетика, 1973 - №9 - С. 57-63.

27 Bankoff, S.G. Minimum thickness of a draining liquid film - Int. J. Heat and Mass Transfer / S.G. Bankoff// Int. J. Heat Mass Transfer.- Vol. 14.- P.- 21432146.

28 Сармин, Д.В., Довгялло А.И. Предварительные исследования тепловых процессов в баллоне с криогенной заправкой бортовой дроссельной системы [Текст] / Д.В. Сармин, А.И. Довгялло, Д.А. Угланов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева, 2011 - №3 (Ч.4).-С. 78 - 84.

29 Исаченко, В.П. Теплопередача [Текст]: учеб. пособие / В.А. Осипова, А.С Сукомел.- М.: Энергия, 1975.- 488 с.

30 Цой, П.В. Методы расчёта задач тепломассопереноса [Текст] / П.В. Цой. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 416 с.

31 Стрижало, В. А. Прочность материалов и конструкций при криогенных температурах [Текст] / В.А. Стрижало, Н.В. Филин, Б.А Куранов. -Киев: Наук. Думка, 1988. - 240 с.

32 Сармин, Д.В. Имитационные испытания баллона с криогенной заправкой для дроссельной системы охлаждения и ее сравнительные характеристики [Текст] / Д.В. Сармин., С.О. Некрасова Д.А. Угланов, А.И. Довгялло // статья в научно - техническом журнале «Прикладная физика», 2013.-№4.-С. 54-60.

33 Каплун, А.Б. ANSYS в руках инженера [текст] / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева // Практическое руководство - М.: - Едиториал УРСС, 2003.-272 с.

34 Алямовский, A.A. Solid Works. Компьютерное моделирование в инженерной практике [Текст] / A.A. Алямовский, A.A. Собачкин, Е.В. Одинцов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

35 Феодосьев, В.И. Сопротивление материалов [Текст] / В.И. Феодосьев. - М: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. - 592 с.

36 Кирильцев, В.Т. Измерение физической величины [Текст] : учеб. пособие / В.Т. Кирильцев. - Самара: Самарский университет, 1992. - 64 с.

37 Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений [Текст] / П.В. Новицкий, И.А. Зограф. - JL: Энергоатомиздат, Ленигр. отд-е, 1991.-304 с.

38 Надольников, А. Г., Фастовский В. Г., Петровский Ю. В. -«Приборы и техника эксперимента», 1963 .- № 6.- С 84-92

39 ГОСТ 949 - 73. Баллоны стальные малого и среднего объёма для газов на Р < 19,6МПа (200 кгс/см ). Технические требования [Текст] - Введ. 1973-01-10. - М.: Издательство стандартов, 1973. - 98 с.

40 Микрокриогенные системы [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о НТК «Криогенная техника». - Режим доступа: http://www.cryontk.com/, свободный.

41 Микрокриогенные системы [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о фирме ОАО «Сибкриотехника». - Режим доступа: http://www.sibycryo.com/, свободный.

42 Сармин, Д.В. Дроссельная бортовая система охлаждения на базе баллона с криогенной заправкой [Текст] / Д.В. Сармин, А.И. Довгялло, Д.А. Угланов // статья в научно - техническом журнале «Прикладная физика», 2010.-№6.-С. 75-78.

43 Красночуб, Е.К Перспективы применения замкнутых дроссельных микрокриогенных систем на борту КА [Текст] / Е.К. Красночуб В.И. Могорычный., А.И. Довгялло //Сборник научно-технических статей по ракетно-космической тематике; общ.ред. Козлов Д.И. - Самара: ЦСКБ-прогресс, 2001 -С. 78-183.

44 Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей [Текст] / Н.Б. Варгафтик. - М.: Наука, 1972. - 716с.

45 Бабичев А.П. Справочник физические величины [Текст] / А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, А.Н. Братковский. - М.: Энергоатомиздат, 1991. -1232 с.

46 Архипов, В.Т. Оптимизация дроссельных микрокриогенных систем [Текст] / В.Т. Архипов, В.А. Шевченко // Тепло и массообмен в криогенной технике: сб. науч. тр. / Физ.-техн. ин-т низ. Температур. - Киев: Наук. Думка, 1990.-С. 74-80.

47 Сармин, Д.В. Анализ работы баллонного микроохладителя при использовании азота с околокритическими параметрами [Текст] / Д.В. Сармин,

A.И. Довгялло, А.П. Логашкин, Д.А. Угланов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева, 2009.-№3 (4.2) - С. 328-334.

48 Кейс, В. М., Лондон Л. А. Компактные теплообменники [Текст] /

B.М. Кейс, Л.А. Лондон - М.: Госэнергоиздат, 1962. - 223 с.

49 Грезин, А.К. Микрокриогенная техника [Текст] / А.К. Грезин, B.C. Зиновьев. - М.: Машиностроение, 1977. - 232 с.

50 Михеев, М. А. Основы теплопередачи [Текст] / М.А. Михеев, И.М. Михеева. - М.: Энергия, 1977. - 336 с.

51 Кутателадзе, С.С. Теплопередача при конденсации и кипении [Текст] / С.С. Кутателадзе - М.: Машгиз, 1952. - 232 с.

52 Кравченко, В.А., Островский, Ю.Н. Влияние шероховатости поверхности на теплообмен при кипении лёгких углеводородов и азота [Текст] /

B.А. Кравченко, Ю.Н. Островский // Теплофизика и теплотехника- ИНГН, 1978,- Вып. 35.-С. 44-47.

53 Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям [Текст] / И.Е. Идельчик; под ред. М.О. Штейнберга. - М.: Машиностроение., 1992.-672 с.

54 Справочник по физико-техническим основам криогеники / под. ред. М.П. Малкова. - М.: «Энергия», 1985. - 490 с.

55 Калинин, Э.К., Ярхо С.А. Влияние чисел Яе и Рг на эффективность теплообмена в трубах [Текст] / Э.К. Калинин, С.А. Ярхо // Инж.-физ. журн., 1966.-№4,-С. 64-69.

56 Карагусов, В.И. Установки и системы микрокриогенной техники [текст] / В.И. Карагусов, Н.В. Карагусова // Учеб. пособ. - Омск, 2010-ОмГТУ. — 88 с.

57 Круз, П. Основы инфракрасной техники [текст] / П. Круз, Л. Макглоулин, Р. Макквистан // М., 1964 Воениздат. - 464 с.

58 Гужов, А.И. Сбор, транспорт и хранение природных углеводородных газов [текст] / А.И. Гужов, В.Г. Титов, В.Ф. Медведев, В.А. Васильев // Учебное пособие. М., «Недра», 1978, 405 с.

59 Волф, У Справочник по инфракрасной технике [текст] / Л. Биберман, Г. Герсон, Джемисон Дж., К. Кук, Э. Ла Рокка, К. Мюллер, Э. Рабин и др. // Проектирование инфракрасных систем. - М.: Мир, 1999. - Т.4 - 472 с.

60 Сармин, Д.В. Сравнение массовых характеристик баллонов с криогенной заправкой и высокого давления для дроссельной системы охлаждения [Текст] / Д.В. Сармин, А.И. Довгялло, Д.А. Угланов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика

C.П. Королева, 2013.-№3 (41).- С. 172 - 175.