Состав КА. Основные системы КА. Используемые материалы, страница 2

Рисунок 1 Структурная схема СЭС

Основные агрегаты СЭС (БФ, БХ, АРК) функционально связаны между собой и в процессе работы СЭС в составе КА достаточно сложно взаимодействуют друг с другом

Схема функциональных связей агрегатов в СЭС

На рис.2 приведена схема декомпозиции СЭС на агрегаты (БФ, БХ, АРК), узлы (группы БФ, блоки БХ, регуляторы АРК (РИМ, ЗРУ, БЛУ, БЦВМ)) и элементы (ФП, АК).

Схема декомпозиции СЭС на агрегаты, узлы и элементы

Рисунок 2 Схема декомпозиции СЭС

Используя структурную схему СЭС и схему декомпозиции СЭС, формируем структуру функциональных связей агрегатов СЭС (рис.2.6), групп ФП в БФ (узлы, рис.2.7), ФП в группы ФП (элементы, рис2.8), блоков(Б) аккумуляторов (АК)  в БХ (рис.2.9), аккумуляторов в блоки (рис.2.10).

+ См. монографию (Солнечные энергосистемы КА. Математическое и физическое моделирование) с.67

35. Концепция построения моделирующих систем и стендов для автономных исследований и испытаний отдельных агрегатов и комплексных испытаний ЭУ в целом

См. монографию (Солнечные энергосистемы КА. Математическое и физическое моделирование) с.93…103

68. (Б.2 п.4) Паротурбинные ЭУ, работающие по циклу Ренкина. Сравнение с циклом Брайтона.

Паровой цикл Ренкина

Параметры цикла Ренкина существенно зависят от свойств рабочего тела, поэтому рассмотрим основные особенности i-s диаграмм различных парообразных рабочих тел. На рис.4.31 изображен общий вид диаграммы i-s рабочего тела, претерпевающего фазовые превращения. Здесь АК – линия перехода жидкости в пар, К – критическая точка, КВ – линия сухого насыщения парами (линия насыщения), х=0,0.1,…,1.0 – линии постоянной сухости пара.

В области двухфазного состояния изобары и изотермы изображаются прямыми наклонными линиями. (Действительно, если , то в координатах i-s – это уравнение прямой.)

В области перегретого пара изотермы переходят в горизонтальные линии, а изобары – в логарифмические спирали. Вдали от линии насыщения, где силы межмолекулярного воздействия в паре практически отсутствуют, пар по своим свойствам приближается к идеальному газу. Это состояние пара называется идеально газовым состоянием. Следовательно, газ представляет собой перегретый пар.

Из рис.4.31 видно, что при переходе по линии насыщения от низких температур к высоким энтропия падает. Это значит, что при таком процессе количество тепла, содержащееся в паре, уменьшается. Этот факт свидетельствует об отрицательной теплоемкости сухого насыщенного пара. Такие рабочие тела называются рабочими телами с отрицательной теплоемкостью сухого насыщенного пара, т.е. С_р”<0 (вода, спирты, аммиак, щелочные металлы и др.)

На рис.4.32 показана i-s диаграмма рабочего тела с положительной теплоемкостью сухого насыщенного пара (С_р”>0). Здесь при переходе от низкой температуры сухого насыщенного пара к более высокой энтропия повышается, что свидетельствует о нагреве рабочего при положительной температуре. Такие рабочие тела называют еще рабочими телами с S-образной линией насыщения (углеводороды, высокотемпературные органические теплоносители, кремнийорганические вещества, криогенные жидкости и др.).

На рис. 4.33 и 4.34 показаны циклы Ренкина для рабочих тел с С_р”>0 и С_p”<0.

Процессы 1-2 могут протекать в любой расширительной машине (турбине, МГД-генераторе, поршневой машине и др.)

Многоконтурные схемы обеспечивают безопасность и надежность ЭУ, особенно с использованием ядерных источников энергии (рис.5).

Сравнение циклов

Сравнение циклов (рис.6) проводим по основному агрегату, создающему энергию, - расширительной машине, например турбине. При этом полагаем температуры на входе и выходе из турбин, теплоперепады, срабатываемые в турбинах одинаковыми, т.е. . В качестве цикла Ренкина рассмотрен влажно паровой цикл, когда расширение пара 1-2 протекает в двухфазной области. Видно, что площадь цикла (заштриховано) почти совпадает с площадью эквивалентного цикла Карно, имеющего те же температурные пределы Т_max и T_min (штриховые линии). Это значит, что термический КПД влажно парового цикла Ренкина максимально приближен к термическому КПД цикла Карно

, т.е. энергетический КПД  влажно парового цикла Ренкина высок.

Аналогичное сравнение цикла Брайтона с эквивалентным циклом Карно показывает, что цикл Брайтона заметно отличается от цикла Карно, что свидетельствует о низкой эффективности цикла Брайтона по сравнению с влажно-паровым циклом Ренкина.

В цикле Брайтона на привод компрессора тртится около 70% мощности турбины и только 30% полезно используется для привода электрогенератора. В цикле Ренкина для привода конденсатного насоса, создающего то же давление, что и компрессор в цикле Брайтона, тратится в тысячи раз меньше энергии, чем для привода компрессора в эквивалентном цикле Брайтона, т.к. плотность конденсата на три порядка выше плотности пара (газа). Следовательно, в цикле Ренкина восстановление параметров (давления и температуры) происходит за счет низкокачественной тепловой энергии, в то время, как в цикле Брайтона – за счет высококачественной механической энергии.

(И ряд других преимуществ).

Но цикл Ренкина имеет и ряд недостатков, которые существенно ограничивают его использование в ЭУ, особенно космического назначения. Одним из его недостатков является влага, выпадающая из пара в процессе его расширения в турбине. Капли влаги приводят к  интенсивному эрозионному износу лопаточного аппарата и тормозят рабочее колесо.