RU2366865C1

RU2366865C1 - Heat accumulator for working medium heating

Info

Publication number: RU2366865C1
Application number: RU2008115410/06A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Каревский (RU); Андрей Владимирович Каревский; Евгений Николаевич Кирюшин (RU); Евгений Николаевич Кирюшин; Юрий Михайлович Кочетков (RU); Юрий Михайлович Кочетков; Юрий Аркадьевич Ошев (RU); Юрий Аркадьевич Ошев; Сергей Александрович Попов (RU); Сергей Александрович Попов; Анатолий Кузьмич Соловьев (RU); Анатолий Кузьмич Соловьев
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша"
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-09-10

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: heat accumulator is intended for gas flow heating using heat energy accumulation, and can be applied in power propeller aggregates of spacecrafts for periodic accumulation of heat energy with further heating of working medium, such as hydrogen, flowing through accumulator. Heat accumulation unit consists of heat accumulation module set with sealing elements, collector and working medium inlet pipes, heat insulation and carrying frame. Each heat accumulation module and respective socket in working medium outlet collector feature guiding site and thread in front of sealing element at the side of working medium outlet collector. Clearance between each module and respective socket in working medium outlet collector is filed with glue and guiding sites and thread. Glue with thermal stability exceeding working medium heating temperature is selected.

EFFECT: protection of sealing elements against hot hydrogen access, therefore higher operational fail-safety and reliability.

8 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для нагрева газового потока с использованием аккумулирования тепловой энергии. В частности, в энергодвигательных установках космических летательных аппаратов требуется тепловой аккумулятор (ТА) для периодического накопления тепловой энергии с последующим нагревом протекающего через ТА рабочего тела, например водорода. На режиме накопления тепловой энергии ТА может использовать сконцентрированную энергию солнечного излучения или омические нагреватели, питающиеся от бортового источника электроэнергии.The invention relates to devices for heating a gas stream using the storage of thermal energy. In particular, in energy propulsion systems of spacecraft, a thermal accumulator (TA) is required for the periodic accumulation of thermal energy with subsequent heating of a working fluid, such as hydrogen, flowing through the TA. In the thermal energy storage mode, the TA can use concentrated solar radiation energy or ohmic heaters powered by an onboard power source.

Известен ТА для нагрева рабочего тела, содержащий осесимметричный теплоаккумулирующий блок с продольными каналами в виде радиальных пазов. В каждом канале установлен защитный элемент, выполненный в виде тонкостенного полого вкладыша, повторяющего форму паза, внутри которого протекает рабочее тело (см. патент РФ №2172450, МКИ 7 F24H 7/00, опубл. 20.08.2001 г.. бюлл. №23). Конструкция трактов ТА по рабочему телу требует применения на входе и выходе герметичных фасонно-сварных коллекторов с тонкостенными вкладышами радиальных каналов из тугоплавких материалов, например вольфрама, рения или молибдена. При этом металлические коллекторы и вкладыши не участвуют в процессе накопления и отдачи тепла к рабочему телу из-за своей малой теплоемкости, однако их масса соизмерима с массой теплоаккумулирующего вещества.Known TA for heating the working fluid, containing an axisymmetric heat storage unit with longitudinal channels in the form of radial grooves. In each channel, a protective element is installed, made in the form of a thin-walled hollow liner, repeating the shape of the groove, inside which the working fluid flows (see RF patent No. 2172450, MKI 7 F24H 7/00, published on 08/20/2001, bull. No. 23 ) The design of the TA tracts along the working fluid requires the use of sealed shaped-welded collectors with thin-walled liners of radial channels from refractory materials, such as tungsten, rhenium, or molybdenum, at the inlet and outlet. In this case, metal collectors and inserts do not participate in the process of accumulation and transfer of heat to the working fluid due to their low heat capacity, however, their mass is comparable with the mass of heat-accumulating substance.

Известен ТА для нагрева рабочего тела, содержащий теплоаккумулирующий блок, составленный из набора теплоаккумулирующих модулей с образованием центральной полости для подвода тепловой энергии, в котором теплоаккумулирующие модули выполнены осесимметричными и состоящими из соизмеримых по массе внешнего и внутреннего элементов, между которыми образована кольцевая щель для протока рабочего тела, а каналы подвода рабочего тела подсоединены к входному коллектору, каналы отвода рабочего тела подсоединены к выходному несущему коллектору (см. патент РФ №2244187, МПК 7 F24H 7/00, опубл. 20.02.2004 г., бюлл. №5). При этом модули и коллектор вывода могут быть выполнены из графита, на внутренние стенки каналов для протока рабочего тела могут быть нанесены защитные покрытия. Указанное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому и принято за прототип.Known TA for heating the working fluid, containing a heat storage unit, composed of a set of heat storage modules with the formation of a Central cavity for supplying thermal energy, in which the heat storage modules are made axisymmetric and consisting of mass-comparable external and internal elements, between which an annular gap is formed for the flow of the working body, and the channels of the supply of the working fluid are connected to the input collector, the channels of the withdrawal of the working fluid are connected to the output carrier collector ( see RF patent No. 224187, IPC 7 F24H 7/00, publ. 02.20.2004, bull. No. 5). In this case, the modules and the output collector can be made of graphite, protective coatings can be applied to the inner walls of the channels for the flow of the working fluid. The specified technical solution is the closest to the proposed and taken as a prototype.

Недостатками прототипа является следующее. Каждый модуль крепится к коллектору вывода посредством шести резьбовых стяжек, которые в силу требуемых температур нагрева рабочего тела ~2000 К выполнены из молибдена. При первоначальном разогреве ТА и его термобароциклировании при работе (охлаждение при продувке водородом при рабочем давлении - нагрев при накоплении тепла при окружающем вакууме) происходит ослабление и циклическое изменение усилия стягивания из-за различных коэффициентов термического расширения материалов - графита и молибдена. Ослабление и изменение усилия стягивания графитовых деталей приводит к более легкому доступу горячего водорода к уплотнительным элементам, особенно при их больших радиальных размерах, и возможному более быстрому разъеданию последних при ресурсном функционировании ТА. За время работы в космосе, например, при переходе с низкой опорной орбиты на геостационарную, ТА может реализовывать до 300 циклов с разогревом - охлаждением и изменением давления в тракте. Сквозное разъедание любого из уплотнительных элементов приводит к разгерметизации водородного тракта и выходу ТА из строя.The disadvantages of the prototype is the following. Each module is attached to the output collector by means of six threaded ties, which are made of molybdenum due to the required heating temperatures of the working fluid ~ 2000 K. Upon initial heating of the TA and its thermobarocycling during operation (cooling by purging with hydrogen at operating pressure - heating by heat accumulation under ambient vacuum), the tension is weakened and cyclically changed due to different thermal expansion coefficients of materials - graphite and molybdenum. The weakening and change in the pulling force of the graphite parts leads to easier access of hot hydrogen to the sealing elements, especially with their large radial dimensions, and possible faster erosion of the latter during the life of the TA. During work in space, for example, when moving from a low reference orbit to a geostationary one, a satellite can realize up to 300 cycles with heating - cooling and pressure changes in the path. Through corrosion of any of the sealing elements leads to depressurization of the hydrogen path and the failure of the TA.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение безотказности и надежности ресурсного функционирования ТА с одновременным уменьшением его массы.The task of the invention is to increase the reliability and reliability of the resource functioning of the TA with a simultaneous decrease in its mass.

Для решения поставленной задачи предложен ТА, который содержит теплоаккумулирующий блок, составленный из набора теплоаккумулирующих модулей с уплотнительными элементами, коллектор и патрубки ввода рабочего тела, коллектор и патрубок вывода рабочего тела, теплоизоляцию, силовую раму. Каждый теплоаккумулирующий модуль и соответствующее ему посадочное гнездо в коллекторе вывода рабочего тела снабжены направляющим участком и резьбой, расположенными перед уплотнительным элементом со стороны коллектора вывода рабочего тела. При этом зазоры между каждым модулем и соответствующим ему посадочным гнездом в коллекторе вывода рабочего тела на направляющих участках и резьбах заполнены клеем. Клей выбирается с термостойкостью, которая превышает температуру нагрева рабочего тела.To solve this problem, a TA is proposed that contains a heat storage unit composed of a set of heat storage modules with sealing elements, a collector and nozzles for introducing a working fluid, a collector and nozzle for withdrawing a working fluid, thermal insulation, and a power frame. Each heat storage module and its corresponding seat in the working fluid outlet manifold are provided with a guide section and a thread located in front of the sealing element on the side of the working fluid outlet manifold. At the same time, the gaps between each module and its corresponding mounting socket in the collector of the output of the working fluid on the guide sections and threads are filled with glue. The glue is selected with a heat resistance that exceeds the heating temperature of the working fluid.

Коллектор вывода рабочего тела может быть выполнен в виде диска, в котором все посадочные гнезда для модулей соединены внутренними каналами с посадочным гнездом для патрубка вывода рабочего тела.The collector of the output of the working fluid can be made in the form of a disk in which all the mounting slots for the modules are connected by internal channels to the mounting slot for the output pipe of the working fluid.

Силовая рама ТА может быть выполнена в виде каркасной конструкции из низкотеплопроводного термостойкого материала и соединена с коллектором вывода рабочего тела со стороны патрубка вывода рабочего тела.The TA power frame can be made in the form of a frame structure made of low-heat-conducting heat-resistant material and connected to the collector of the outlet of the working fluid from the side of the outlet of the working fluid.

Патрубок вывода рабочего тела и соответствующее ему посадочное гнездо в коллекторе вывода рабочего тела могут быть снабжены направляющим участком и резьбой, расположенными перед уплотнительным элементом со стороны коллектора вывода рабочего тела, при этом зазор между патрубком вывода и соответствующим ему посадочным гнездом в коллекторе вывода рабочего тела на направляющем участке и резьбе заполнен клеем, термостойкость которого превышает температуру нагрева рабочего тела.The outlet pipe of the working fluid and the corresponding mounting socket in the output pipe of the working fluid can be provided with a guide section and a thread located in front of the sealing element from the side of the working fluid output manifold, while the gap between the outlet pipe and its corresponding mounting socket in the working fluid outlet manifold the guide section and the thread are filled with glue, the heat resistance of which exceeds the heating temperature of the working fluid.

Каждая заглушка внутреннего канала, выходящего на внешнюю поверхность коллектора вывода рабочего тела, и соответствующее ей посадочное гнездо в коллекторе вывода рабочего тела могут быть снабжены направляющим участком и резьбой, расположенными перед уплотнительным элементом со стороны коллектора вывода рабочего тела, при этом зазоры между каждой заглушкой и соответствующим ей посадочным гнездом в коллекторе вывода рабочего тела на направляющих участках и резьбах заполнены клеем, термостойкость которого превышает температуру нагрева рабочего тела.Each plug of the internal channel extending to the external surface of the working fluid output manifold, and its corresponding mounting socket in the working fluid output manifold, can be provided with a guide section and a thread located in front of the sealing element on the side of the working fluid output manifold, with gaps between each plug and the corresponding mounting socket in the collector of the outlet of the working fluid on the guide sections and threads is filled with glue, the heat resistance of which exceeds the temperature of the heating and the working fluid.

Уплотнительные элементы теплоаккумулирующих модулей, патрубка вывода рабочего тела, заглушек внутренних каналов коллектора вывода рабочего тела могут быть выполнены из терморасширенного графита.The sealing elements of the heat storage modules, the outlet pipe of the working fluid, plugs of the internal channels of the collector output of the working fluid can be made of thermally expanded graphite.

Теплоаккумулирующие модули, коллектор и патрубок вывода рабочего тела, заглушки внутренних каналов коллектора вывода рабочего тела могут быть выполнены из материалов, обладающих близкими значениями коэффициента термического расширения.The heat storage modules, the collector and the outlet pipe of the working fluid, the plugs of the internal channels of the collector of the output of the working fluid can be made of materials having close values of the coefficient of thermal expansion.

Теплоаккумулирующие модули, коллектор и патрубок вывода рабочего тела, заглушки внутренних каналов коллектора вывода рабочего тела могут быть выполнены из силицированного графита.The heat storage modules, the collector and the outlet pipe of the working fluid, the plugs of the internal channels of the collector output of the working fluid can be made of siliconized graphite.

Повышение безотказности и надежности ресурсного функционирования ТА обеспечивают замоноличиванием собираемой конструкции теплоаккумулирующего блока с помощью термостойкого клея. Соединение каждой пары: модуль-коллектор вывода рабочего тела, выполняют с помощью резьбы и направляющего участка. Усилие стягивания остается постоянным, не изменяющимся при начальном разогреве ТА и его термобароциклировании во время работы. Герметичность обеспечивают уплотнительные элементы. Доступ горячего водорода к уплотнительным элементам затруднен, так как все зазоры между каждым модулем и соответствующим ему посадочным гнездом в коллекторе вывода рабочего тела на направляющих участках и резьбах заполнены клеем. Даже если в клее останется свищ, то во время продувки ТА из тракта горячего водорода сквозь свищ будет проникать значительно меньшее количество горячего водорода, чем через все поперечное сечение зазора в месте соединения каждого модуля с коллектором вывода рабочего тела. При 100%-ном заполнении каждого зазора клеем эффект защиты уплотнительных элементов усиливается дополнительно.Increasing the reliability and reliability of the resource functioning of the TA is ensured by monoling the assembled design of the heat storage unit using heat-resistant adhesive. The connection of each pair: the module-collector output of the working fluid, is performed using a thread and a guide section. The pulling force remains constant, not changing during the initial heating of the TA and its thermobarocycling during operation. Tightness is provided by sealing elements. The access of hot hydrogen to the sealing elements is difficult, since all the gaps between each module and its corresponding landing slot in the working fluid outlet manifold on the guide sections and threads are filled with glue. Even if a fistula remains in the glue, then during the purging of TA from the hot hydrogen path through the fistula, a significantly smaller amount of hot hydrogen will penetrate than through the entire cross-section of the gap at the junction of each module with the working fluid output collector. With 100% filling of each gap with glue, the protection effect of the sealing elements is further enhanced.

Выполнение выходного коллектора в виде диска позволяет уменьшить количество мест стыковки и уплотнений по тракту вывода горячего водорода, так как отпадает необходимость в поперечной коллекторной пластине, что также повышает надежность ТА.The execution of the output manifold in the form of a disk allows to reduce the number of joints and seals along the hot hydrogen output path, since there is no need for a transverse collector plate, which also increases the reliability of the TA.

Выполнение патрубка вывода рабочего тела, заглушек внутренних каналов коллектора вывода рабочего тела и самого коллектора с тем же набором отличительных конструктивных элементов, что и при соединении модулей с коллектором вывода рабочего тела, также повышает надежность ТА. Однако из-за меньших радиальных размеров и, в некоторых случаях, по эксплуатационным требованиям и патрубок, и заглушки могут быть выполнены по-иному.The execution of the outlet pipe of the working fluid, the plugs of the internal channels of the collector output of the working fluid and the collector with the same set of distinctive structural elements as when connecting the modules to the output collector of the working fluid also increases the reliability of the TA. However, due to the smaller radial dimensions and, in some cases, according to operational requirements, both the pipe and the plugs can be made differently.

Выполнение всех уплотнительных элементов из терморасширенного графита повышает надежность ТА. Это происходит не только за счет лучшей герметизации внутреннего тракта ТА из-за наличия у терморасширенного графита остаточной микроупругости в готовом изделии, но и за счет того факта, что горячий водород, проникая сквозь свищ в клее к уплотнительному элементу, образует с графитом метан, и последний препятствует дальнейшему поступлению новых партий водорода сквозь свищ в зону реагирования.The implementation of all sealing elements from thermally expanded graphite increases the reliability of TA. This happens not only due to better sealing of the TA internal path due to the presence of residual microelasticity in the finished product in thermally expanded graphite, but also due to the fact that hot hydrogen, penetrating through the fistula in the adhesive to the sealing element, forms methane with graphite, and the latter prevents the further flow of new batches of hydrogen through the fistula into the reaction zone.

Выполнение модулей, коллектора и патрубка вывода рабочего тела, заглушек внутренних каналов коллектора вывода из материалов, обладающих близкими значениями коэффициента термического расширения, повышает надежность ТА, т.к. при разогреве ТА и его термоциклировании возникающие термические напряжения из-за разности линейных удлинений в соединяемых парах: модуль-коллектор вывода, заглушка-коллектор вывода, патрубок и коллектор вывода, будут минимальными.The implementation of the modules, the collector and the outlet pipe of the working fluid, the plugs of the internal channels of the collector of the output of materials having close values of the coefficient of thermal expansion, increases the reliability of the TA, because during heating of the TA and its thermal cycling, the resulting thermal stresses due to the difference in linear elongations in the connected pairs: output collector module, output plug-collector, outlet pipe and output collector will be minimal.

Выполнение модулей, коллектора и патрубка вывода рабочего тела, заглушек внутренних каналов коллектора вывода из силицированного графита сводит до нуля все термические напряжения в соединяемых парах и, кроме того, значительно повышает безотказность и надежность ресурсного функционирования ТА вследствие своей повышенной стойкости в горячем водороде, достаточной для вырабатывания заданного ресурса ТА.The implementation of the modules, the collector and the outlet pipe of the working fluid, plugs of the internal channels of the collector of the output from siliconized graphite reduces to zero all thermal stresses in the connected pairs and, in addition, significantly increases the failure-free and reliable service life of the TA due to its increased resistance in hot hydrogen, sufficient for generating a given TA resource.

Одновременно с повышением безотказности и надежности ресурсного функционирования ТА происходит уменьшение массы ТА, что также имеет положительное значение для аппаратов космического применения. Уменьшение массы ТА происходит за счет следующего: отказ от молибденовых болтов при стягивании графитовых элементов конструкции ТА; отказ от шестигранных приливов под резьбовые гнезда в нижней части каждого модуля; отказ от поперечной пластины коллектора вывода рабочего тела; выполнение силовой рамы в виде каркасной конструкции, т.е. отказ от молибденовых фланцев и болтов на верхнем конце стоек, от стальных бобышек, гаек и листовой сварной рамы на нижнем конце стоек.Simultaneously with an increase in the reliability and reliability of the resource life of the SL, a decrease in the mass of the SL occurs, which is also of positive importance for space vehicles. The decrease in the mass of TA occurs due to the following: failure of molybdenum bolts when tightening graphite structural elements of the TA; rejection of hexagonal tides for threaded sockets in the lower part of each module; rejection of the transverse plate of the collector output of the working fluid; the implementation of the power frame in the form of a frame structure, i.e. rejection of molybdenum flanges and bolts at the upper end of the uprights, from steel bosses, nuts and welded sheet metal frame at the lower end of the uprights.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется чертежами: на фиг.1 представлен продольный разрез ТА, на фиг.2 - вид снизу ТА, на фиг.3 - узел I фиг.1, на фиг.4 - узел II фиг.1, на фиг.5 - узел III фиг.1.The essence of the invention is illustrated by drawings: in Fig. 1 is a longitudinal section of a TA, in Fig. 2 is a bottom view of a TA, in Fig. 3 is a node I of Fig. 1, in Fig. 4 is a node II of Fig. 1, in Fig. 5 - node III of figure 1.

Теплоаккумулирующий блок ТА (см. фиг.1 и 2) составлен из набора осесимметричных теплоаккумулирующих модулей 1 с образованием центральной полости 2 для подвода тепловой энергии (на чертеже она занята электрическим нагревателем). Теплоаккумулирующий модуль 1 состоит из внутреннего 3 и внешнего 4 элементов, между которыми образована кольцевая щель 5 для протока рабочего тела. Трубопроводы 6 подвода рабочего тела подсоединены к входному коллектору 7 с патрубком 8 ввода рабочего тела. Теплоаккумулирующие модули 1 крепятся к коллектору 9 вывода рабочего тела, к которому с другой стороны присоединен патрубок 10 вывода рабочего тела. В коллекторе 9 вывода рабочего тела выполнены внутренние каналы 11 с заглушками 12 со стороны внешней поверхности коллектора 9. Силовая рама 13 выполнена в виде каркасной конструкции и соединена с коллектором 9 вывода рабочего тела во стороны патрубка вывода 10. Теплоизоляция 14 окружает с внешней стороны теплоаккумулирующий блок ТА.The heat storage unit TA (see FIGS. 1 and 2) is composed of a set of axisymmetric heat storage modules 1 with the formation of a central cavity 2 for supplying thermal energy (in the drawing, it is occupied by an electric heater). The heat storage module 1 consists of an internal 3 and an external 4 elements, between which an annular gap 5 is formed for the flow of the working fluid. Pipelines 6 for supplying a working fluid are connected to an input manifold 7 with a pipe 8 for introducing a working fluid. The heat storage modules 1 are attached to the collector 9 output of the working fluid, to which on the other hand is connected to the pipe 10 output of the working fluid. In the collector 9 of the output of the working fluid, internal channels 11 are made with plugs 12 from the side of the external surface of the collector 9. The power frame 13 is made in the form of a frame structure and is connected to the collector 9 of the output of the working fluid in the direction of the output pipe 10. Thermal insulation 14 surrounds the heat storage unit from the outside TA.

На фиг.3 каждый модуль 1 (3-4-5) и соответствующее ему посадочное гнездо 15 в коллекторе 9 вывода рабочего тела снабжены направляющим участком 16 и резьбой 17, расположенными перед уплотнительным элементом 18 со стороны коллектора 9 вывода рабочего тела. Зазор между каждым модулем 1 (3-4-5) и соответствующим ему посадочным гнездом 15 в коллекторе 9 вывода рабочего тела на направляющем участке 16 и резьбе 17 заполнен клеем 19.In Fig.3, each module 1 (3-4-5) and its corresponding mounting slot 15 in the collector 9 of the output of the working fluid are provided with a guide portion 16 and a thread 17 located in front of the sealing element 18 from the side of the collector 9 of the output of the working fluid. The gap between each module 1 (3-4-5) and its corresponding mounting slot 15 in the collector 9 output of the working fluid on the guide portion 16 and the thread 17 is filled with glue 19.

На фиг.4 патрубок 10 вывода рабочего тела и соответствующее ему посадочное гнездо 20 в коллекторе 9 вывода рабочего тела снабжены направляющим участком 21 и резьбой 22, расположенными перед уплотнительным элементом 23 со стороны коллектора 9 вывода рабочего тела. Зазор между патрубком 10 вывода рабочего тела и соответствующим ему посадочным гнездом 20 в коллекторе 9 вывода рабочего тела на направляющем участке 21 и резьбе 22 заполнен клеем 24.Figure 4, the pipe 10 of the output of the working fluid and the corresponding mounting socket 20 in the collector 9 output of the working fluid are provided with a guide section 21 and a thread 22 located in front of the sealing element 23 from the side of the collector 9 of the output of the working fluid. The gap between the nozzle 10 of the output of the working fluid and the corresponding mounting socket 20 in the collector 9 of the output of the working fluid on the guide section 21 and the thread 22 is filled with glue 24.

На фиг.5 каждая заглушка 12 внутреннего канала 11, выходящего на внешнюю поверхность коллектора 9 вывода рабочего тела, и соответствующее ей посадочное гнездо 25 в коллекторе 9 вывода рабочего тела снабжены направляющим участком 26 и резьбой 27, расположенными перед уплотнительным элементом 28 со стороны коллектора 9 вывода рабочего тела. Зазор между каждой заглушкой 12 и соответствующим ей посадочным гнездом 25 в коллекторе 9 вывода рабочего тела на направляющем участке 26 и резьбе 27 заполнен клеем 29.In Fig. 5, each stub 12 of the inner channel 11, facing the outer surface of the working fluid output manifold 9, and its corresponding mounting socket 25 in the working fluid output manifold 9 are provided with a guide portion 26 and a thread 27 located in front of the sealing element 28 from the collector side 9 output of the working fluid. The gap between each plug 12 and its corresponding mounting slot 25 in the collector 9 output of the working fluid on the guide section 26 and the thread 27 is filled with glue 29.

Функционирование предлагаемой конструкции ТА происходит следующим образом (см. фиг.1). Тепловая энергия из центральной полости 2 распространяется между модулями 1. При этом происходит накопление тепловой энергии с подъемом температуры всех модулей 1 до заданного значения. Теплоизоляция 14 и силовая рама 13 из низкотеплопроводного термостойкого материала препятствуют потерям тепловой энергии. (Это режим заряда ТА). Затем включается подача рабочего тела через патрубок ввода 8 и коллектор ввода 7 и начинается продувка ТА рабочим телом, которое нагревается до заданной температуры, проходя сквозь модули 1. С течением времени продувки температура рабочего тела начинает снижаться одновременно со снижением температуры ТА до допустимых пределов в конце продувки. Нагретое рабочее тело через коллектор вывода 9 и патрубок вывода 10 поступает, например, в двигательную установку космического аппарата. (Это режим разряда ТА). Циклы повторяются по заданной программе.The functioning of the proposed design TA is as follows (see figure 1). Thermal energy from the central cavity 2 is distributed between the modules 1. At the same time, thermal energy is accumulated with a rise in temperature of all modules 1 to a predetermined value. Thermal insulation 14 and the power frame 13 made of low heat conductive heat-resistant material prevent the loss of thermal energy. (This is the TA charge mode). Then, the supply of the working fluid through the inlet pipe 8 and the input manifold 7 is turned on, and the purge of the TA begins with the working fluid, which heats up to the set temperature, passing through the modules 1. Over the purge time, the temperature of the working fluid begins to decrease simultaneously with the decrease in the temperature of the TA to the permissible limits at the end purge. The heated working fluid through the output manifold 9 and output port 10 enters, for example, in the propulsion system of the spacecraft. (This is the TA discharge mode). The cycles are repeated according to a given program.

Во время продувки ТА водородом поднимается давление во внутреннем тракте ТА до рабочего значения. В этот момент горячий водород через возможные мелкие свищи проникает сквозь клей 19 в резьбе 17 и на направляющем участке 16 к уплотнительному элементу 18, изготовленному из терморасширенного графита. Взаимодействуя с графитом, водород образует микродозу метана, который далее препятствует проникновению следующих порций водорода, поскольку, с одной стороны, метан удерживается уплотнительным элементом 18, с другой стороны, мелкие свищи в клее 19 заполнены водородом. Далее во времени водород может только посредством диффузии проникать в метановую зону, в которой давление метана начинает превышать давление водорода в тракте ТА - каналы 11 и кольцевые щели 5.During the purging of the TA with hydrogen, the pressure in the internal path of the TA rises to the operating value. At this moment, hot hydrogen through possible small fistulas penetrates through the glue 19 in the thread 17 and on the guide portion 16 to the sealing element 18 made of thermally expanded graphite. Interacting with graphite, hydrogen forms a microdose of methane, which further prevents the penetration of the following portions of hydrogen, since, on the one hand, methane is held by the sealing element 18, on the other hand, small fistulas in the glue 19 are filled with hydrogen. Further in time, hydrogen can only penetrate into the methane zone through diffusion, in which the methane pressure begins to exceed the hydrogen pressure in the TA path - channels 11 and annular slots 5.

При конкретном исполнении ТА модули 1, коллектор 9 и патрубок 10 вывода рабочего тела, заглушки 12 изготавливают из силицированного графита, обладающего повышенной стойкостью в горячем водороде, достаточной для обеспечения требуемого ресурса ТА. Уплотнительные элементы 18, 23, 28 изготавливают из терморасширенного графита, обладающего остаточной микроупругостью в готовом изделии. Эти элементы обеспечивают герметичность теплоаккумулирующего блока. При сборке зазоры 19, 24, 29 заполняют клеем, стойким до 2000°С. Клей обеспечивает замоноличивание теплоаккумулирующего блока и одновременно затрудняет доступ горячего водорода к уплотнительным элементам 18, 23, 28. При этом герметичность по клею не требуется.In a specific embodiment, TA modules 1, a collector 9 and a nozzle 10 for discharging a working fluid, plugs 12 are made of siliconized graphite, which has increased resistance in hot hydrogen, sufficient to provide the required TA resource. Sealing elements 18, 23, 28 are made of thermally expanded graphite having residual microelasticity in the finished product. These elements ensure the tightness of the heat storage unit. During assembly, the gaps 19, 24, 29 are filled with glue resistant to 2000 ° C. The glue provides monolithic heat storage unit and at the same time makes it difficult for hot hydrogen to access the sealing elements 18, 23, 28. In this case, the glue tightness is not required.

Проработка конструкции ТА сравнительно с прототипом тех же параметров: энергоемкость 270 МДж, расход водорода 13 г/с, продолжительность продувки водородом 900 с, давление водорода 1,0 МПа, средняя температура водорода за время продувки 2000 К, количество модулей 18, масса одного модуля 8 кг при длине теплообменного участка 700 мм, дает заметное снижение массы ТА по сравнению с прототипом. При этом экономится 7,2 кг за счет отказа от молибденовых болтов M10×70 мм для стягивания модулей и пластин коллектора вывода, 16,0 кг при отказе от поперечной коллекторной пластины, 1,1 кг за счет удаления шестигранных приливов под резьбовые гнезда в нижней части каждого модуля, 3,2 кг за счет применения силовой рамы в виде каркасной опорной конструкции, изготовленной из углерод-углеродного материала, с отказом от молибденовых фланцев и болтов и стальных бобышек и гаек. Суммарное снижение массы ТА по сравнению с прототипом равно 27,5 кг, что составляет заметную величину, например, от массы всех 18 модулей, равной 144 кг.The design development of the TA is compared with the prototype of the same parameters: energy consumption of 270 MJ, hydrogen consumption of 13 g / s, duration of hydrogen purging of 900 s, hydrogen pressure of 1.0 MPa, average hydrogen temperature during purging of 2000 K, number of modules 18, weight of one module 8 kg with a heat-exchange section length of 700 mm, gives a noticeable reduction in the mass of TA in comparison with the prototype. This saves 7.2 kg due to the rejection of M10 × 70 mm molybdenum bolts for tightening the modules and plates of the output collector, 16.0 kg when rejecting the transverse collector plate, 1.1 kg due to the removal of hexagonal tides under the threaded sockets in the bottom parts of each module, 3.2 kg due to the use of a power frame in the form of a frame supporting structure made of carbon-carbon material, with the rejection of molybdenum flanges and bolts and steel bosses and nuts. The total weight reduction of TA in comparison with the prototype is equal to 27.5 kg, which is a noticeable amount, for example, from the mass of all 18 modules, equal to 144 kg.

Таким образом, предложенная конструкция теплового аккумулятора позволяет повысить безотказность и надежность ресурсного функционирования ТА при одновременном снижении массы ТА.Thus, the proposed design of the heat accumulator allows to increase the reliability and reliability of the resource functioning of the TA while reducing the mass of the TA.

Claims

1. A thermal battery for heating the working fluid, comprising a heat storage unit composed of modules with sealing elements, collectors and nozzles for input and output of the working fluid, thermal insulation, power frame, characterized in that each module and its corresponding mounting slot in the collector output of the working fluid equipped with a guide section and a thread located in front of the sealing element from the side of the collector output of the working fluid, while the gaps between each module and its corresponding mounting socket the house in the collector of the outlet of the working fluid on the guide sections and threads is filled with glue, the heat resistance of which exceeds the heating temperature of the working fluid.

2. A heat accumulator for heating the working fluid according to claim 1, characterized in that the collector of the output of the working fluid is made in the form of a disk, in which all the mounting slots for the modules are connected by internal channels to the mounting slot for the outlet of the working fluid.

3. The heat accumulator for heating the working fluid according to claim 1, characterized in that the power frame is made in the form of a frame structure of a low-temperature heat-resistant material and is connected to the collector of the output of the working fluid from the side of the outlet of the working fluid.

4. The heat accumulator for heating the working fluid according to claim 1, characterized in that the outlet pipe of the working fluid and its corresponding mounting socket in the output manifold of the working fluid are provided with a guide portion and a thread located in front of the sealing element from the side of the working fluid output manifold, the gap between the outlet pipe and its corresponding mounting socket in the collector of the outlet of the working fluid on the guide section and the thread is filled with glue, the heat resistance of which exceeds the heating temperature of the worker about the body.

5. A heat accumulator for heating the working fluid according to claim 1, characterized in that each plug of the inner channel facing the outer surface of the working fluid output manifold, and its corresponding mounting socket in the working fluid output manifold, are provided with a guide section and a thread located in front of the sealing an element from the side of the collector of the outlet of the working fluid, with gaps between each plug and its corresponding mounting socket in the collector of the output of the working fluid on the guiding sections and threads They are glued with glue whose thermal stability exceeds the heating temperature of the working fluid.

6. Thermal battery for heating the working fluid according to claim 1, characterized in that the sealing elements are made of thermally expanded graphite.

7. The heat accumulator for outputting the working fluid according to claim 1, characterized in that the modules, the collector and the outlet pipe of the working fluid, the plugs of the internal channels of the collector output of the working fluid are made of materials having close values of the coefficient of thermal expansion.

8. The thermal accumulator for outputting the working fluid according to claim 1, characterized in that the modules, the collector and the outlet pipe of the working fluid, the plugs of the internal channels of the collector output of the working fluid are made of siliconized graphite.