Устройство для нагрева текучей среды - RU2607427C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству для нагрева текучей среды, позволяющему нагревать текучую среду в жидком состоянии, в частности, для ее испарения и перегрева; оно также охватывает ракету-носитель, содержащую такое устройство.

Такое устройство, в частности, может быть использовано для испарения жидкости, которую желательно использовать в газообразной форме: так в качестве распространенного варианта такое устройство может быть использовано в ракете-носителе для повышения давления жидкого компонента топлива перед его впрыском в камеру сгорания.

Уровень техники

В многочисленных ракетах-носителях для реактивного движения используют компоненты топлива, представляющие собой жидкости, например сжиженный двухатомный водород (LH2) и сжиженный двухатомный кислород (LO2), которые поэтому хранят в резервуарах в жидком состоянии. Давление в резервуарах таких жидких компонентов топлива в таких носителях на стадиях полета по баллистической траектории, как правило, понижено; однако если по завершении такой стадии полета по баллистической траектории необходим повторный запуск двигателя, давление в резервуарах жидких компонентов топлива следует повторно повысить, чтобы давление компонентов топлива соответствовало условиям их подачи в двигатель.

Для осуществления такого повышения давления в оптимальном варианте используют автономное повышение давления, производимое путем вывода и перевода в газообразное состояние части каждого из компонентов топлива, которую затем вновь вводят в верхнюю часть соответствующего резервуара в газообразном состоянии. Такое автономное повышение давления позволяет избежать необходимости наличия специальных средств повышения давления, как правило, резервуара с газообразным гелием под высоким давлением, который уменьшает полезную массу.

С этой целью сжиженный компонент топлива обычно пропускают через теплообменник, в который поступают горячие газы из горелки, осуществляющей сжигание двух компонентов топлива, как правило, тех же двух компонентов топлива, которые используют для реактивного движения. Однако поскольку такое сгорание весьма экзотермично, его невозможно осуществлять в стехиометрических условиях, так как в таком случае в процессе горения происходило бы высвобождение чрезмерного количества теплоты, что приводило бы к чрезмерному повышению температуры, вызывающему повреждение материалов горелки или теплообменника.

В связи с этим в соответствии с известными технологиями используют составы смеси, далекие от таких стехиометрических условий: таким образом, достигаемые температуры сохраняют на уровне, переносимом материалами, но значительную часть компонентов топлива, которая не сгорает, теряют вместе с газами, производимыми в процессе сгорания. Таким образом, эффективность такого способа достаточно низка: значительную часть полезного топлива, отбираемого для ее осуществления, в конечном итоге утрачивают. С учетом ограничений на массу и объем такой ракеты-носителя очевидно, что данная технология неудовлетворительна.

Таким образом, существует насущная потребность в устройстве для преобразования текучей среды в газообразное состояние, лишенном недостатков, свойственных вышеупомянутым известным решениям.

Раскрытие изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается устройство для нагрева текучей среды, содержащее первую горелку, обеспечивающую первое сгорание ограничивающего компонента топлива и избыточного компонента топлива, первый модуль теплообменника, в котором первые газы сгорания, производимые в указанном первом сгорании, отдают тепло текучей среде, и по меньшей мере одну вторую горелку, в которую вводят с одной стороны первые газы сгорания, а с другой стороны ограничивающий компонент топлива для осуществления второго сгорания ограничивающего компонента топлива и по меньшей мере части несгоревшего избыточного компонента топлива, присутствующего в первых газах сгорания, причем вторые газы сгорания, производимые в указанном втором сгорании, циркулируют во втором модуле теплообменника, отдавая тепло текучей среде. Газы сгорания, производимые в каждом из сгораний, циркулируют в трубках для газов сгорания внутри одного и того же общего теплообменника, состоящего из указанных модулей теплообменника, в котором газы отдают тепло текучей среде, циркулирующей между трубками для газов сгорания.

Таким образом, даже хотя первое сгорание происходит в условиях, отличных от стехиометрических, и, следовательно, в первых газах сгорания присутствует несгоревший избыточный компонент топлива, то часть такого несгоревшего компонента топлива может быть израсходована во втором модуле горелки путем обеспечения его сгорания с ограничивающим компонентом топлива; таким образом, сокращают потери избыточного компонента топлива.

Такое второе сгорание возможно, так как первые газы сгорания отдают тепло текучей среде в первом модуле теплообменника, за счет чего охладились. Затем во втором модуле горелки они могут быть повторно нагреты, например, до той температуры, которую они имели на выходе из первого модуля горелки.

Таким образом, суммарная эффективность устройства увеличивается благодаря уменьшению потерь избыточного компонента топлива к концу второго сгорания. В результате уменьшается количество компонента топлива, необходимое для производства того же самого количества теплоты, что дает прямую экономическую выгоду, и сокращаются необходимые запасы топлива, уменьшая хранящийся объем компонента топлива и необходимую загружаемую массу, что дает значительный непрямой экономический эффект.

Кроме того, при заданном количестве теплоты, необходимом для испарения и перегрева текучей среды, производство такого количества теплоты может быть распределено между двумя горелками. В частности, это позволяет отрегулировать последовательные сгорания так, чтобы получить температуры, менее опасные для материалов. Это позволяет также уменьшить размеры и, следовательно, массу каждой из горелок. Даже несмотря на то, что суммарная масса устройства может возрасти, такое увеличение может быть скомпенсировано упомянутой выше экономией массы компонентов топлива.

Настоящее описание касается в основном применения, направленного на испарение и возможный перегрев текучей среды, изначально находящейся в жидком состоянии: само собой разумеется, что настоящее изобретение также охватывает приложения, которые превосходят критические термодинамические условия, и, следовательно, нагрев текучей среды приводит к ее переходу в сверхкритическое состояние без испарения. В связи с этим достаточно понимать, что настоящее изобретение обеспечивает возможность нагрева текучей среды до температуры, требуемой для ее использования.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления устройство может содержать несколько горелок: в каждую n-ю горелку, начиная со второй, вводят с одной стороны (n-1)-е газы сгорания, производимые в (n-1)-м сгорании, а с другой стороны ограничивающий компонент топлива для осуществления n-го сгорания ограничивающего компонента топлива и по меньшей мере части несгоревшего избыточного компонента топлива, присутствующего в (n-1)-х газах сгорания; при этом n-e газы сгорания, производимые в указанном n-м сгорании, циркулируют в n-м модуле теплообменника, отдавая тепло текучей среде. Такие горелки организованы последовательно, что позволяет обеспечивать в каждой горелке расходование части избыточного компонента топлива, не сгоревшего в предыдущем сгорании, и, таким образом, достигать суммарного приближения к стехиометрическим условиям, обеспечивающим максимальную эффективность. Это также позволяет распределять производство теплоты между несколькими процессами сгорания и, следовательно, оптимизировать каждый из таких процессов. Таким образом, обеспечивается усиление всех вышеупомянутых преимуществ.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления соотношение компонентов смеси для каждого из сгораний может быть установлено таким, чтобы температура, образующаяся в устройстве, не превышала максимальную температуру, определяемую устойчивостью материалов устройства. При этом может быть поставлена задача приближения к максимальной температуре с сохранением некоторого интервала безопасности. Это позволяет обеспечить производство максимального количества теплоты без повреждения материалов установки, а именно материалов горелки и теплообменника. Такая максимальная температура обычно составляет порядка 900°С.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления число горелок и количества ограничивающего компонента и избыточного компонента топлива, вводимых в них, могут быть такими, чтобы обеспечить, по существу, полное сгорание избыточного компонента топлива в результате последнего сгорания. Таким образом, обеспечивают достижение стехиометрических условий для устройства в целом и, следовательно, максимальной эффективности.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления помимо (n-1)-х газов сгорания в n-ю горелку вводят только ограничивающий компонент топлива: дополнительного ввода избыточного компонента топлива не производят. Таким образом, избыточный компонент топлива вводят только один раз, в первую горелку, что упрощает конструкцию контура распределения избыточного компонента топлива.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления устройство содержит от 5 до 6 горелок. Оптимальное число горелок получают в результате компромисса между преимуществами, обеспечиваемыми дополнительным сгоранием, которое повышает эффективность и снижает полезную массу топлива, и недостатками, связанными с увеличением массы и повышением сложности конструкции устройства в результате использования каждой дополнительной горелки. Оно зависит, в частности, от максимальной температуры, выдерживаемой материалами.

В некоторых вариантах осуществления текучая среда представляет собой сжиженный компонент топлива, испарение и перегрев которого необходимо обеспечить. В частности, это характерно для ракеты-носителя, в которой такой испаренный компонент топлива может быть использован для поднятия давления в резервуаре сжиженного компонента топлива.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления такой компонент топлива, используемый для подъема давления, представляет собой то же вещество, что и ограничивающий или избыточный компонент топлива. Таким образом, необходимы всего два разных компонента топлива, что значительно упрощает конструкцию систем хранения и распределения.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления ограничивающий компонент топлива представляет собой двухатомный кислород, а избыточный компонент топлива представляет собой двухатомный водород. Данные компоненты топлива, крайне широко используемые в авиационно-космической области, обладают высокой реакционной способностью.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления массовое соотношение компонентов смеси для смеси двухатомного кислорода и двухатомного водорода в первой горелке равно единице. По всем горелкам соотношение компонентов смеси может достигать 8, что соответствует стехиометрическому соотношению реакции 2Н₂+O₂=2Н₂O.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления трубки для газов сгорания могут иметь круглое или прямоугольное поперечное сечение.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления горелки могут быть расположены в ряд вдоль одной из сторон общего теплообменника, причем газы сгорания циркулируют от одной горелки к другой, пересекая общий теплообменник по трубкам для газов сгорания, имеющим U-образную форму. Такое решение облегчает установку горелок и их контуров питания и управления.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления общий теплообменник представляет собой кожухотрубный теплообменник, содержащий перегородки. Такие перегородки определяют канал циркуляции потока текучей среды, определенный в трех измерениях, увеличивая таким образом длину пути, проходимого текучей средой в соприкосновении с трубками для газов сгорания и, следовательно, усиливая теплообмен.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления общий теплообменник содержит элементы теплообмена в зоне взаимодействия между газами сгорания и текучей средой. Это позволяет увеличить площадь поверхности теплообмена.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления такие элементы теплообмена могут представлять собой спиральные ребра, расположенные вокруг и/или внутри трубок для газов сгорания. Такие ребра, с одной стороны, увеличивают площадь поверхности теплообмена, а с другой стороны, приводят текучую среду в круговое движение вокруг трубок для газов сгорания, что способствует дополнительному усилению теплообмена.

В соответствии с другими вариантами осуществления такие элементы теплообмена могут представлять собой радиальные ребра, расположенные вокруг и/или внутри трубок для газов сгорания.

В соответствии с другими вариантами осуществления такие элементы теплообмена могут представлять собой кольца, расположенные вокруг и/или внутри трубок для газов сгорания.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления поперечное сечение трубок для газов сгорания и/или поперечное сечение канала циркуляции текучей среды могут быть переменными. Они таким образом могут быть выполнены с учетом изменений плотности или массового расхода или так, чтобы обеспечить компенсацию падения напора.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления общий теплообменник образован двумя половинами корпуса, соединенными одна с другой и снабженными соединительными швами. Такие две половины корпуса в сборе могут заключать в себе все трубки для газов сгорания. Сборка устройства в данном варианте осуществления особенно упрощена.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления газы сгорания и текучая среда циркулируют в общем теплообменнике в противоположных направлениях.

В соответствии с другими вариантами осуществления газы сгорания и текучая среда циркулируют в общем теплообменнике в одном и том же направлении.

В соответствии с другими вариантами осуществления на некоторых участках общего теплообменника циркуляция происходит в противоположных направлениях, а на других участках теплообменника циркуляция происходит в одном и том же направлении.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления горелки используют инжекторы и свечи зажигания, конструкция и действие которых сходны с используемыми в автомобилях. Также могут быть использованы и системы инжекции и зажигания любых других типов.

В соответствии с изобретением также предлагается ракета-носитель, содержащая устройство для нагрева текучей среды по изобретению.

Краткое описание чертежей

Вышеупомянутые особенности и преимущества изобретения и иные станут ясны из нижеследующего подробного описания примеров осуществления предлагаемого устройства. Данное подробное описание приведено со ссылками на прилагаемые чертежи.

Прилагаемые чертежи схематичны и предназначены прежде всего для иллюстрации принципов изобретения.

Одинаковые элементы (или части элементов) обозначены на разных чертежах одними и теми же ссылочными номерами. На чертежах:

На фиг. 1 схематично представлено в разрезе устройство по изобретению.

На фиг. 2 схематично представлена трубка для газов сгорания, снабженная спиральными ребрами.

На фиг. 3 схематично представлена трубка для газов сгорания, снабженная радиальными ребрами.

Осуществление изобретения

Для более конкретного представления изобретения ниже приведено подробное описание примера осуществления устройства по изобретению, содержащее ссылки на прилагаемые чертежи. Следует понимать, что изобретение не ограничено данным примером.

На фиг. 1 схематически представлено в разрезе устройство 1. Устройство 1 содержит общий теплообменник 10, первую горелку 21 и четыре другие горелки 22, 23, 24, 25.

Общий теплообменник 10 содержит входное отверстие 11, выходное отверстие 12 и несколько внутренних перегородок 13. Испаряемая текучая среда F входит в общий теплообменник 10 через входное отверстие 11, циркулирует по каналу 14, ограниченному перегородками 13, и выходит из общего теплообменника 10 через выходное отверстие 12. Решетка из перегородок 13 может быть выполнена трехмерной так, чтобы увеличить длину пути текучей среды F в канале 14 между входным отверстием 11 и выходным отверстием 12. Жирные стрелки на фиг. 1 обозначают путь потока текучей среды F в канале 14 общего теплообменника 10.

Первая горелка 21 расположена вплотную к первой стороне 15 общего теплообменника 10 или вблизи нее. В первую горелку подают избыточный компонент Ε топлива, как правило, представляющий собой двухатомный водород Н₂, и ограничивающий компонент L топлива (поток L1), как правило, представляющий собой двухатомный кислород O₂. Сгорание избыточного компонента Ε вместе с ограничивающим компонентом L в первой горелке 21 производит первые газы В1 сгорания, которые поступают в первую трубку 31 для газов сгорания. Трубка 31 расположена в канале 14 общего теплообменника 10 вблизи выходного отверстия 12. Она имеет U-образную форму, возвращается к первой стороне 15 общего теплообменника 10 и выходит своим концом во вторую горелку 22.

В данном примере осуществления изобретения первая трубка 31 и перегородки 13 расположены таким образом, что первые газы В1 сгорания и текучая среда F циркулируют в противоположных направлениях.

Соотношение компонентов смеси для первого сгорания в первой горелке 21 установлено так, чтобы температура Т1 первых газов В1 сгорания на выходе из первой горелки 21 была ниже максимальной температуры, допустимой для материалов устройства 1. Такое соотношение компонентов смеси не является стехиометрическим: в первых газах В1 сгорания присутствует избыточный компонент Е.

Первые газы В1 сгорания циркулируют по первой трубке 31 для газов сгорания, отдавая тепло текучей среде F, что обеспечивает возможность ее испарения и перегрева. При этом происходит охлаждение первых газов В1 сгорания, в результате чего они поступают во вторую горелку 22 при температуре Т1ʹ, меньшей, чем их температура Т1 на выходе из первой горелки 21.

Вторая горелка 22 также расположена вплотную к первой стороне 15 общего теплообменника 10 или вблизи нее. Она расположена вблизи первой горелки 21. Во вторую горелку 22 поступают первые газы В1 сгорания и ограничивающий компонент L топлива (поток L2). Сгорание ограничивающего компонента L с оставшимся избыточным компонентом Е, присутствующим в первых газах В1 сгорания, производит вторые газы В2 сгорания, которые выходят во вторую трубку 32 для газов сгорания. Вторая трубка 32, аналогично трубке 31, расположена внутри канала 14 общего теплообменника 10, выше по потоку от первой трубки 31 для газов сгорания, возвращается к первой стороне 15 общего теплообменника 10 и выходит своим концом в третью горелку 23.

Соотношение компонентов смеси для второго сгорания во второй горелке 22 также установлено так, чтобы, с учетом температуры Т1ʹ первых газов В1 сгорания, температура Т2 вторых газов В2 сгорания на выходе из второй горелки 22 была ниже максимальной температуры, допустимой для материалов устройства 1. Такое соотношение компонентов смеси не является стехиометрическим: во вторых газах В2 сгорания присутствует избыточный компонент Ε топлива.

Вторые газы В2 сгорания циркулируют по второй трубке 32 для газов сгорания, отдавая тепло текучей среде F, что обеспечивает возможность ее испарения. При этом происходит охлаждение вторых газов В2 сгорания, в результате чего они поступают в третью горелку 23 при температуре Т2ʹ, меньшей, чем их температура Т2 на выходе из второй горелки 22.

Третья и четвертая горелки 23 и 24, соединенные с соответствующими третьей и четвертой трубками 33 и 34 для газов сгорания, имеют конструкцию, принципы работы и назначение, аналогичные второй горелке 22 и второй трубке 32 для газов сгорания, так как в газах сгорания по-прежнему присутствует избыточный компонент Ε топлива.

Пятая и последняя горелка 25 расположена вплотную к первой стороне 15 общего теплообменника 10 или вблизи нее. Она расположена вблизи четвертой горелки 24 в ряду с остальными горелками. В нее поступают четвертые газы В4 сгорания и ограничивающий компонент L топлива (поток L5). Сгорание ограничивающего компонента L с оставшимся избыточным компонентом Е, присутствующим в четвертых газах В4 сгорания, производит пятые газы В5 сгорания, которые выходят в пятую трубку 35 для газов сгорания. Пятая трубка 35 для газов сгорания может не иметь U-образной формы: она расположена внутри канала 14 общего теплообменника 10 вверх по потоку от четвертой трубки 34 для газов сгорания и вблизи входного отверстия 11 общего теплообменника 10. Затем она выходит из общего теплообменника 10 и выводит пятые газы В5 сгорания вовне через выхлопное отверстие 35а.

С учетом температуры Т4ʹ четвертых газов сгорания на входе в пятую горелку 25 и малого остаточного количества избыточного компонента Ε топлива в четвертых газах В4 сгорания соотношение компонентов смеси для пятого сгорания в пятой горелке 25 может быть установлено стехиометрическим без превышения максимальной температуры, допустимой для материалов устройства 1. В таком случае происходит полное сгорание ограничивающего компонента L и избыточного компонента Ε топлива, так что пятые газы В5 сгорания уже не содержат избыточного компонента Е.

Пятые газы В5 сгорания циркулируют по пятой трубке 35 для газов сгорания, отдавая тепло текучей среде F, что обеспечивает возможность ее испарения. При этом происходит охлаждение пятых газов В5 сгорания, после чего они выходят из общего теплообменника 10 и устройства 1 через выхлопное отверстие 35а. Затем они могут быть использованы в других частях ракеты-носителя: в частности, может быть предусмотрено полезное применение их импульса или их остаточной температуры.

На фиг. 2 представлен пример осуществления элемента теплообмена, который может быть установлен на вышеописанных трубках 31-35 для газов сгорания. Вокруг трубки 31 для газов сгорания установлено спиральное ребро 40. Такое спиральное ребро 40 увеличивает площадь теплообмена между газами В1 сгорания и испаряемой текучей средой F. Кроме того, оно вовлекает текучую среду F во вращение вокруг трубки 31, тем самым увеличивая длину пути, проходимого текучей средой в соприкосновении с трубкой. Такие спиральные ребра 40 могут быть предусмотрены на всей длине трубок 31-35 для газов сгорания или лишь на некоторых участках таких трубок.

На фиг. 3 представлен другой пример осуществления элемента теплообмена, который может быть установлен на вышеописанных трубках 31-35 для газов сгорания. Вдоль трубки 31 для газов сгорания установлено радиальное ребро 400. Такое радиальное ребро 400 увеличивает площадь теплообмена между газами В1 сгорания и испаряемой текучей средой F. Вокруг одной и той же трубки 31 может быть расположено произвольное число ребер 400; они могут быть или не быть регулярно распределены по окружности. Такие радиальные ребра 400 могут быть предусмотрены на всей длине трубок 31-35 для газов сгорания или лишь на некоторых участках таких трубок. Некоторые из трубок 31-35 могут быть оборудованы спиральными ребрами 40, а другие трубки 31-35 - радиальными ребрами 400.

Варианты или примеры осуществления, описанные в настоящем документе, приведены в качестве иллюстраций, не накладывающих каких-либо ограничений, и специалист в данной области легко сможет, основываясь на настоящем описании, внести изменения в данные варианты или примеры осуществления или предложить другие варианты или примеры осуществления, не выходя за рамки объема изобретения.

Кроме того, различные характеристики таких вариантов или примеров осуществления могут быть использованы по отдельности или в различных сочетаниях. В случае их использования в сочетаниях такие характеристики могут соответствовать вышеописанным или быть изменены, поскольку изобретение не ограничено конкретными сочетаниями, представленными в настоящем описании. В частности, если иное прямо не оговорено, характеристики, описанные в приложении к некоторому варианту или примеру осуществления, могут быть применены аналогичным образом и к другим вариантам или примерам осуществления.

Реферат

Изобретение относится к энергетике. Устройство для нагрева текучей среды содержит первую горелку, обеспечивающую первое сгорание ограничивающего компонента топлива и избыточного компонента топлива, и первый модуль теплообменника, в котором первые газы сгорания, производимые в указанном первом сгорании, отдают тепло текучей среде. При этом устройство дополнительно содержит вторую горелку, в которую вводят с одной стороны первые газы сгорания, а с другой стороны - ограничивающий компонент топлива, для осуществления второго сгорания ограничивающего компонента топлива и, по меньшей мере, части несгоревшего избыточного компонента топлива, присутствующего в первых газах сгорания. Причём вторые газы сгорания, производимые в указанном втором сгорании, циркулируют во втором модуле теплообменника и также отдают тепло текучей среде. Таким образом, газы сгорания, производимые в каждом из сгораний, циркулируют по трубкам для газов сгорания, внутри одного и того же общего теплообменника, состоящего из указанных модулей теплообменника, в котором они отдают тепло текучей среде. Также представлена ракета-носитель, содержащая устройство для нагрева текучей среды. Изобретение позволяет повысить температуру и давление жидкого компонента топлива перед его впрыском в камеру сгорания. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула