Способ испарительного охлаждения пористых элементов

Способ испарительного охлаждения пористых элементов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

" -тели ОП ИСАЙИ

Союз Советских

Социалистических

Республик

ИЗОБРЕТЕНИЯ (iii782054

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, свид-ву— (51) М. Кл.

Н 02 К 9/20 (22) Заявлено 020179 (21) 2706134/? 4-07 с присоединением заявки ¹â€”

Государствеииый комитет

СССР по делам изооретеиий и открытий (23) Приоритет—

Опубликовано 23.11,80. Бюллетень Мо 43 (53) УДК621. 313. .713(088.8) Дата опубликования описания 251180 (72) Автор изобретения

В. С. Сапелкин (71) Заявитель (54 ) СПОСОБ ИСГ АРИТЕЛЬНОГО ОХЛМ<ДЕНИН

ПОРИСТ61Х ЭЛЕМЕНТОВ

2 тель. Пар отбирает дополнительное количество тепла от пористого вольфрама, понижая таким образом температуру поверхности. Выбор охладителя и пористости матрицы .зависит от условий .работы. Такие охладители, как серебро, медь, цинк и гидрид лития, привлекли наибольшее внимание.

Этот способ применяется в основном для организации охлаждения при высоких температурах, например в соплах ракетных двигателей, где целесообразно применение в качестве охлаждающих агентов различных металлов, однако применительно к температурам порядка 50-500 С, имеющим место в теплоэнергетике, охлаждение испарением металлов практически не применяется, так как при указанных температурах большинство металлов испаряется очень медленно и охлаждение при этом весьма малоэффективное. Кроме того, пары металлов могут конденсироваться в трактах за пористыми стенками, что недопустимо, например для электрических машин.

Известен способ, примененный в системе испарительного охлаждения электрических машин, при котором активные части и отдельные конструкциИзобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для охлаждения конструкционных элементов электрических машин, сопел ракетных двигателей, камер плазмотронов и 5 т. п. машин.

Известно, что эффективным способом защиты конструкционных элементов от перегрева является пористое охлаждение, при котором охладитель, проходя )0 через поры, отбирает тепло от стенки, а выйдя на поверхность, снижает интенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой. Если охладителем является жидкость, то при ее испарении поглощается скрытая теплота фазового перехода. Например, наполняя или пропитывая пористый вольфрамовый вкладыш сопла другим материалом, который может испаряться при меньшей температуре, поглощая при этом тепло, можно добиться снижения температуры стенки.. Составной вкладыш работает как поглотитель тепла до тех пор, пока температура его поверхности не 25 достигнет точки кипения или разложения заполняющей фазы. Тогда начинается его испарение с образованием зоны пористого вольфрама, через которую фильтруется парообразный охлади782054

5 ционных элементов охлаждающим агентом

50 и его испарение при нагреве элементов машины, пропитку пористых конструкционных элементов осуществляют ферромагнитной жид остью,после пропитки которой элементы помещают в магнитное по- ле с регулируемой напряженностью, увеличивают напряженность поля и отверждают ферромагнитную жидкость, а при перегреве элементов, который определяют при помощи датчика, указанный хладагент, путем уменьшения напряжен- 60 ности магнитного поля, ожижают, обеспечивая его испарение, и отводят его парОвую фазу, одновременно подавая дополнительную порцию хладагента в жидкой фазе. 65 онные пористые элементы машины .пропи тываются жидким охлаждающим агентом, который испаряется при работе машины и обеспечивает при этом кратковременное, интенсивное и равномерное ее охлаждение (1) .

Недостаток известного способа заключается в том, что испарение жидкого охлаждающего агента в процессе нагрева конструкционного элемента начинается намного раньше, чем-температура элемента достигнет допустимой величины. Например,. допустимая температура перегрева конструкционных элементов электромашины 50 С. Применяемые для охлаждения жидкие хладагенты, например содержащие спирты, испаряют- 15 ся практически при температуре выше температуры замерзания, т. е. даже при нормальной температуре, когда температура ниже допустимой и конструкционные элементы вполне работоспо- Щ собны без охлаждения, происходит бесполезное испарение хладагента. Часть охлаждающего агента таким обраэом расходуется неэкономно, нерационально. Очевидно, что количество охлаждающего агента для охлаждения элемента при его нагреве до температуры, выше допустимой, уменьшается и поэтому ресурс охлаждения уменьшается.

Известен также способ испарительного охлаждения пористых элементов аппарата, в частности электрической машины, при котором в полости аппарата устанавливают датчи изменения температурных параметров, заключающийся в дискретной подаче жидкой фазы хладагента с пропиткой,элементов и отводе паровой фазы, начало и конец которых определяют по указанному изменению параметров (2J . однако указанный способ .также не 40 обеспечивает необходимого увеличения ресурса работы и экономичности охлаждения.

Цель изобретения — увеличение ресурса и экономичности охлаждения. 45

Поставленная цель достигается тем, что в способе испарительного охлаждения конструкционных элементов машин, включающем пропитку пористых конструк!

На фиг. 1 схематически изображена. электрическая машина с охлаждаемым статором; на фиг. 2 — сопло с охлаждаемой критической частью.

Электрическая машина содержит ротор 1 и статор 2, который выполнен пористым, пропитан ферромагнитной жидкостью и содержит магнитопровод

3, соединенный электрической цепью 4 с источником 5 тока. С источником 5 электрической цепью б соединен датчик

7 температуры.

Сопло в критической части выполнено из пористого материала 8 и пропитано ферромагнитной жидкостью. Снаружи сопла размещен источник внешнего магнитного поля — магнитопровод 9, соединенный электрической цепью 10 с источником 11 тока. Датчик 12 температуры электрической цепью 13 также соединен с источником 11- тока. Стрелками показано направление течения рабочего газа через сопло и направле ние течения охладителя — феррожидкости в критической части сопла.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1. Статор электрической машины имеет электрическую изоляцию с допустимой температурой нагрева 70 С. По условиям эксплуатао ции допускается работа электрической машины при температурах ниже 70 С, при повышении температуры изоляции выше 70ОC требуется охлаждение статора. Статор изготавливают из пористой электротехнической стали и пропитывают феррожидкостью, приготовленной на основе этилового спирта, имеющего температуру кипения 78ОС в который добавляют мелкодисперсные частички ферромагнетика — никеля имеющего

I точку Кюри 358ОС. Размер никелевых частии150-500 А . Количество никелевых частиц в этиловом спирте может составлять от 0,2 вес.Ъ до 50 вес.Ъ.

Для улучшения стабильности в нее может быть добавлена олеиновая кислота.

После пропитки статора электрической машины названной жидкостью, имеющей намагниченность насыщения около 40 гс, осуществляют ее отверждение путем повышения напряженности магнитного поля в магнитопроводе 3.

Отверждение жидкости с содержанием никеля 10 вес.В осуществляют повышением напряженности магнитного поля до величин порядка 1500-3000 Э. Если используется жидкость с уменьшенным количеством никеля, то напряженность магнитного поля для ее отверждения должна быть повышена, с увеличением количества никеля соответственно на-. пряженность для отверждения уменьшается. В общем сЛучае величина напряженности для отверждения жидкости зависит от магнитных свойств ферромагнетика и от era концентрации в среденосителе и может быть выбрана опыт782054

5 !

О

15 лаждения, хладагент отверждают и тем самым резко уменьшают его расход.

Предлагаемый способ может быть полезен, например в транспортных энергеЯ тических установках, где невыгодно ным путем для каждого конкретного случая, применительно к условиям работы той или иной машины, в которой осуществляется пористое испарение. С помощью датчика температуры — электротермометра 7 в цепи б вырабатывается электрический сигнал, который поступает на источник 5 тока и вызывает ,изменение напряженности поля в магнитопроводе 3.

Регулирование напряженности осуществляется следующим образом.

При превышении температуры статора более 70 С сигнал, поступающий на источник 5 тока„ используется для уменьшения силы тока и соответствен. но напряженности магнитного поля в магнитопроводе 3. При уменьшении напряженности жидкость из твердой становится жидкой и интенсивно испаряется, охлаждая статор. При охлаждении статора ниже 70 С снова термометр вырабатывает сигнал, который используется для повышения напряженности магнитного поля до величины, обеспечивающей отверждение жидкости, при этом резко уменьшается ее испарение.

Таким образом, в электрической ма,шине по предложенному способу обеспечивается резкая интенсификация испарения охлаждающей жидкости из жидкого ее состояния в периоды, когда температура статора повышается выше 70 С и практически предотвращается испарение при температуре ниже 70 С, когда о жидкость находится в твердом состоянии.

Пример 2. Высокотемпературное сопло в критической части имеет вкладыш, изготовленный из пористого вольфрама, который пропитывают жидкостью, состоящей из лития, в который введен ферромагнетик — порошкообраз ный кобальт (точка Кюри кобальта равна 11400С). Температура плавления лития 182 С, температура кипения лития

1350 С. Снаружи сопла, в районе критической части, размещают электромагнит 9, соединенный электрической цепью 10 с источником 11 тока. Кроме того, источник 11 тока соединен электрической цепью 13 с датчиком 12 температуры — термопарой, встроенной в пористый вольфрамовый вкладыш. Электромагнит 9 создает магнитное поле, которое отверждает жидкость, пропитывающую вольфрамовый вкладыш. При превышении температуры в месте установки термопары значения большего 1000 С, О сигнал с термопары используется для уменьшения тока от источника 11, а, следовательно, и для уменьшения напряженности магнитного поля электромагнита 9. При этом происходит резкое снижение жидкости и она начинает интенсивно испаряться в направлении, обозначенном стрелками, охлаждая критическую часть сопла. При падении температуры ниже 1000 С сигнал с тер о мопары используется для уэсли ения напряженности магнитного поля, которое отверждает феррожидкость, предотвращая ее испарение.

В рассмотренных примерах пористые элементы соединены с емкостями, заполненными феррожидкостью, для подпитывания элементов новыми порциями феррожидкости взамен испарившейся. Процесс подпитки осуществлен за счет воздействия на феррожидкость магнитным полем во время испарения феррожидкости из ее жидкого состояния.

Как в примере с охлаждением электрической машины, так и в примере с охлаждением сопла, без осуществления процесса отверждения хладагента-ферромагнитной жидкости, охлаждение конструкционных пористых элементов осуществлялось бы, начиная уже с температуры плавления хладагента, т. е. на режимах, где охлаждение совери1енно не требуется. Таким образом, во всех случаях.при использовании известных способов пористого охлаждения наблюдается нерациональное, неэкономичное 5 охлаждение.

Предлагаемый способ наиболее целесообразно применять при осуществлении тепловой защиты элементов машин испарением низкотемпературных охлаж-. дающих агентов на основе воды, оргаЗО нических растворителей спиртов и даже криогенных жидкостей, например жидкого азота и т. и. вещества, которые при использовании известных способов начинают испаряться зацолго

З5 до достижения допустимых температур нагрева конструкции. Так, например, возможна организация охлаждения по предлагаемому способу электрических машин с криогенным контуром охлажде40 ния. В этом случае ферромагнитная жидкость может быть приготовлена на основе криогенного хладагента. Предлагаемый способ может быть использован и при организации охлаждения конструкции при действии высоких температур, кроме названного примера, в плазмотронах, каналах мГД-установок и т, п. В этих случаях жидкости приготавливают на основе расплавленных металлов и сплавов, например галия, натрия, калия, лития и т. п. с добавками кобальта, сплавов кобальта с самарием и др.

Использование предлагаемого способа испарительного охлаждения обес 5 печивает возможность повышения ресурса и экономичности охлаждения, так ка с интенсивное испарение обеспечивается только при перегреве конструкции, а при работе конструкции в диЯ апазоне температур, не требующих охФормула изобретения

Фие 2

ВНИИПИ Заказ 8160/67 Тираж 783 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная 4

7 7-82 0

1 Ф Ъ име т ь большой з апас охлади Геля, но требуется длительное осуществление эффективной тепловой защиты. Предлагаемый способ позволяет применить целый ряд достаточно низкотемпературных охладителей для организации тепловой защиты в электрических машинах на уровне температур 500-200 С, в то время как известный способ не позволяет рационально испольэовать низкотемпературные охладители, так как они испаряются раньше, чем конструкция перегреется. Расширение температурного диапазона применения низкотемпературных охладителей имеет ряд преимуществ, например„ по сравнению с тепловой защитой испарением легкоплавких 15 щелочных металлов, так как при этом не засоряются узлы машин конденсатором металлов и снижается коррозионное взаимодействие конденсата с конструкционными материалами.

Перечисленные преимущества указывают на то, что от использования предлагаемого способа испарительного охлаждения может быть получен экономический эффект в целом ряде теплотехнических устройств транспортного назначения, где предъявляются жесткие требования по ограничению веса запасаемого хладагента. Предлагаемый способ позволяет тем же самым количеством хладагента осуществлять испарительное охлаждение именно на режимах перегрева, за счет чего ресурс работы машины в режиме охлаждения увеличивается.

Способ испарительного охлаждения пористых элементов аппарата, в частности электрической машины, при кото° ром в полости аппарата устанавливают датчик изменения температурных параметров, заключающийся в дискретной подаче жидкой фазы хладагента с пропиткой элементов и отводе паровой фазы, начало и конец которых определяют по указанному изменению параметров, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса работы аппарата и экономичности охлаждения, в качестве хладагента используют ферромагнитную жидкость, после пропитки которой элементы помещают в магнитное поле с регулируемой напряженностью, отверждают указанный хладагент путем увеличения напряженности магнитного поля, а при перегреве элементов, который определяют при помощи упомянутого датчика, указанный хладагент, путем уменьшения напряженности магнитного поля, ожижают, обеспечивая его активное испарение, и отводят его паровую Фазу, одновременно подавая дополнительную порцию хладагента в жидкой фазе.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 187135, кл. H 02 K 9/20, 1958.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 559335, кл. Н 02 K 9/20, 1975.