Система обеспечения теплового режима космического аппарата. Расчет характеристик систем обеспечения теплового режима космических аппаратов, страница 19

В некоторых случаях зоной нагрева может служить и торец. Соответствующая часть внутренней поверхности называется зоной испарения. Другая часть внутренней поверхности (на другом конце ТТ) длиной lk называется зоной конденсации, а соответствующая ей часть наружной поверхности – зоной теплосъема и находится в тепловом контакте со стоком теплоты. Разделяющая зоны испарения и конденсации часть ТТ называется транспортной зоной и ее длина – lт. Если транспортная зона снабжена наружной теплоизоляцией, то ее называют адиабатической зоной. В некоторых случаях длина транспортной зоны может быть равна нулю.

В качестве капиллярной структуры могут использоваться фитиль из проволочной сетки, пористая керамическая труба или какой-нибудь другой пористый материал. Поры капиллярной структуры заполнены рабочей жидкостью – теплоносителем.

В ТТ реализуется замкнутый цикл: испарение – конденсация, т.е. принцип переноса теплоты основан на изменении фазового состояния теплоносителя. Если к зоне нагрева подвести теплоту, то местное увеличение температуры приведет к росту давления паров жидкости (теплоносителя), заполняющей капилляры фитиля. Пар в результате перепада давления будет переходить по транспортной зоне в зону конденсации, где теплота отводится от ТТ. Там пар конденсируется, и конденсат под действием капиллярного напора возвращается в зону нагрева. Как видно, сначала жидкость переходит в пар, поглощая при этом количество теплоты, равное скрытой теплоте парообразования, а затем происходит обратный переход пара в жидкое состояние с выделением в процессе конденсации скрытой теплоты парообразования. Так как скрытая теплота фазового перехода у многих веществ высока, то при реализации указанного процесса обеспечивается высокая плотность теплового потока.

Весь рабочий процесс в ТТ может быть разбит на шесть отдельных стадий:

1) перенос теплоты теплопроводностью от корпуса трубы к границе раздела «жидкость-пар» на поверхности фитиля;

2) фазовый переход «жидкость-пар» с поглощением теплоты, т.е. испарение с границы раздела «жидкость-пар» на поверхности фитиля;

3) перемещение пара из зоны испарения в зону конденсации;

4) фазовый переход «пар-жидкость» с выделением теплоты, т.е. конденсация на границе раздела «пар-жидкость» на поверхности фитиля;

5) передача теплоты теплопроводностью от границы раздела «пар-жидкость» к корпусу трубы;

6) перетекание теплоносителя по капиллярам из зоны конденсации в зону испарения.

Первые пять стадий представляют собой ряд последовательно протекающих процессов тепло- и массопереноса, для осуществления каждого из которых требуется соответствующий перепад температур. Перетекание теплоносителя по капиллярам отличается от пяти первых стадий тем, что жидкости обеспечиваются не перепадом температур, а действием капиллярных сил. В целях уменьшения гидравлического сопротивления капиллярной структуры ТТ снабжаются артериями – каналами различной конфигурации.

Верхний предел работы труб ограничивается только термоустойчивостью применяемых конструкционных материалов и рабочих жидкостей.

Можно указать четыре температурные области применения труб:

1) криогенные температуры;

2) низкие температуры (230 К – 400 К);

3) область средних температур (500 К – 1000 К);

4) область высоких температур (выше 1000 К).

Такое разделение связано с некоторыми характерными особенностями применяемых теплоносителей, а также с особенностями различных теплоэнергетических систем. Таким образом, температурная область работы трубы определяет выбор материалов корпуса и фитиля, вид рабочей жидкости и некоторые конструктивные особенности.

В области криогенных температур теплоносители обладают низкими значениями теплоты парообразования и поверхностного натяжения, поэтому теплопередающая способность криогенных труб невелика. В области низких температур теплоносители обладают обычно низкой теплопроводностью, поэтому перенос теплоты будет происходить при ощутимых перепадах температур между испарителем и конденсатором, сравнимых с общим температурным уровнем трубы. Ниже этот вопрос будет освещен более подробно, так как для систем жизнеобеспечения и терморегулирования летательных аппаратов область низких температур представляет наибольший интерес.