Способ испарительного охлаждения пористых элементов

т ффф-теЛнОП ИСАЙИ Союз Советских Социалистических Республик(23) Приоритет заявки Мо сударстве ыи комитетРоретеиийытий оо делами от 23,11,80. Бюллетень Мо Опубликован УДК 621, 31 .713(088.8 Дата опубликования описания 251180тел лич ма,п си ,эл ти Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано дляохлаждения конструкционных элементовэлектрических машин, сопел ракетныхдвигателей, камер плазмотронов и 5т. п, машин,Известно, что эффективным способомзащиты конструкционных элементов отперегрева является пористое охлаждение, при котором охладитель, проходя тОчерез поры, отбирает тепло от стенки,а выйдя на поверхность, снижаетинтенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой. Если охладителемявляется жидкость, то при ее испарении поглощается скрытая теплота фазового перехода, Например, наполняяили пропитывая пористый вольфрамовыйвкладыш сопла другим материалом, который может испаряться при меньшей 0температуре, поглощая ри этом тепло,можно добиться снижения температурыстенки. Составной вкладыш работаеткак поглотитель тепла до тех пор, пока температура его поверхности не 25достигнет точки кипения или разложения заполняющей фазы. Тогда начинается его испарение с образованиемзоны пористого вольфрама, через которую фильтруется парообразный охладиь. Пар отбирает дополнительное коество тепла от пористого вольфрапонижая 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 соп лах 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 стен ками, что недопустимо, например для электрических машин.Известен способ, примененный встеме испарительного охлажденияектрических машин, при котором аквные части и отдельные конструкци782054На фиг. 1 схематически изобРажена.электрическая машина с охлаждаемымстатором; на фиг. 2 - сопло с охлаждаемой критической частью.Электрическая машина содержит роф тор 1 и статор 2, который выполненпористым, пропитан ферромагнитнойжидкостью и содержит магнитопровод3, соединенный электрической цепью 4с источником 5 тока, С источником 5электрической цепью б соединен датчик7 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 систочником 11 тока, Датчик 12 температуры электрической цепью 13 такжесоединен с источником 11 тока, Стрелками показано направление течениярабочего газа через сопло и направление течения охладителя - феррожидкости в критической части сопла,Способ осуществляют следующим образом.П р и м е р 1, Статор электрической машины имеет электрическуюизоляцию с допустимой температуройнагрева 70 С. По условиям эксплуатаоции допускается работа электрическоймашины при температурах ниже 700 С,при повышении температуры изоляциивыше 70 С требуется охлаждение статоора. Статор изготавливают из пористойэлектротехнической стали и пропитывают феррожидкостью, приготовленной наоснове этилового спирта, имеющеготемпературу кипения 78 ОС, в которыйдобавляют мелкодисперсные частичкиферромагнетика - никеля, имеющеготочку Кюри 358 С. Размер никелевыхчастиц 150-500 А . Количество никелевых частиц в этиловом спирте можетсоставлять от 0,2 вес.% до 50 вес.Ъ.Для улучшения стабильности в нее может быть добавлена олеиновая кислота,После пропитки статора электрическоймашины названной жидкостью, имеющейнамагниченность насыщения около 40 гс,осуществляют ее отверждение путем повышения напряженности магнитного поляв магнитопроводе 3. онные пористые элементы машины .пропитываются 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 процессенагрева конструкцибнного элемента начинается намного раньше, чем-температура элемента достигнет допустимойвеличины, Например,. допустимая температура перегрева конструкционных элементов электромашины 50 С, Применяемые для охлаждения жидкие хладагенты, например содержащие спирты, испаряются практически при температуре вышетемпературы замерзания, т. е. дажепри нормальной температуре, когдатемпература ниже допустимой и конструкционные элементы вполне работоспособны без охлаждения, происходит бесполезное испарение хладагента, Частьохлаждающего агента таким обраэомрасходуется неэкономно, нерационально, Очевидно, что количество охлаждающего агента для охлаждения элементапри его нагреве до температуры, выше допустимой, уменьшается и поэтомуресурс охлаждения уменьшается.Известен также способ испарительного охлаждения пористых элементов аппарата, в частности электрическоймашины, при котором в полости аппарата устанавливают датчик изменения температурных параметров, заключающийся в дискретной подаче жидкой фазы хладагента с пропиткой,элементов и отводепаровой фазы, начало и конец которых определяют по указанному изменениюпараметров 2 .Однако указанный способ .также не 40обеспечивает необходимого увеличенияресурса работы и экономичности охлаждения.Цель изобретения - увеличение ресурса и экономичности охлаждения. 45Поставленная цель достигается тем,что в способе испарительного охлаждения конструкционных элементов машин,включающем пропитку пористых конструкционных элементов охлаждающим агентом 0и его испарение при нагреве элементовмашины, пропитку пористых конструкционных элементов осуществляют ферромагнитной жидКостьс,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- бО ности магнитного поля, ожижают, обеспечивая его испарение, и отводят его парОвую фазу, одновременно подавая дополнительную порцию хладагента в жидкой фазе. 65 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 напряженность для отверждения уменьшается. В общем сЛучае величина напряженности для отверждения жидкости зависит от магнитных свойств ферромагнетика и от его концентрации в среде- носителе и может быть выбрана опыт5 О 15 лаждения, хладагент отверждают и тем самым резко уменьшают его расход. Предлагаемый способ может быть полезен, например в транспортных энергв 5 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 - электро- термометра 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 соответственно напряженности магнитного поля в магнитопроводе 3. При уменьшении напряженности жидкость из твердой становится жидкой и интенсивно испаряется, охлаждая статор, При охлаждении статора ниже 700 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 ОС и практически предотвращается испарение при температуре ниже 70 С, когдао жидкость находится в твердом состоянии,П р и м е р 2, Высокотемпературное сопло в критической части имеет вкладыш, изготовленный из пористого вольфрама, который пропитывают жидкостью, состоящей из лития, в который введен ферромагнетик - порошкообразный кобальт (точка Кюри кобальта равна 11400 С). 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, 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 теро 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 совервенноне требуется. Таким образом, во всехслучаях.при использовании известныхспособов пористого охлаждения наблюдается нерациональное, неэкономичное 5 охлаждениеПредлагаемый способ наиболее целесообразно применять при осуществлении тепловой защиты элементов машиниспарением низкотемпературных охлаж-.дающих агентов на основе воды, орга- ЗО нических растворителей спиртов и даже криогенных жидкостей, напримержидкого азота и т, и. вещества, которые при использовании известныхспосббов начинают испаряться зацолго З 5 до достижения допустимых температурнагрева конструкции. Так, например,возможна организация охлаждения попредлагаемому способу электрическихмашин с криогенным контуром охлажде ния, В этом случае ферромагнитнаяжидкость может быть приготовлена наоснове криогенного хладагента. Предлагаемый способ может быть использован и при организации охлаждения конструкции при действии высоких температур, кроме названного примера, вплазмотронах, каналах мГД-установоки т, п. В этих случаях жидкости приготавливают на основе расплавленныхметаллов 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 печивает возможность повышения ресурса и экономичности охлаждения, так ка)с интенсивное испарение обеспечивается только при перегреве конструкции, а при работе конструкции в ди апазоне температур, не требующих охФормула изобретения е ираж 783 Подписное Заказ 8160/6 НИИП Ужгород, ул, Проектная 4 илиал ППП "Патент 7 7820Ф иметь большой запас охладиГеля, 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 низко- температурные 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 незасоряются 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 охлажденияпористых элементов аппарата, в частности электрической машины, при котоф ром в полости аппарата устанавливаютдатчик изменения температурных параметров, заключающийся в дискретнойподаче жидкой фазы хладагента с пропиткой элементов и отводе паровойфазы, начало и конец которых определяют по указанному изменению параметров, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью увеличения ресурса работы аппаратаи экономичности охлаждения, в качестве хладагента используютферромагнитную жидкость, после пропитки которой элементы помещают вмагнитное поле с регулируемой напряженностью, отверждают указанный хладагент путем увеличения напряженностимагнитного поля, а при перегреве элементов, который определяют при помощи упомянутого датчика, указанныйхладагент, путем уменьшения напряженности магнитного поля, ожижают, обеспечивая его активное испарение, и отводят его паровую фазу, одновременноподавая дополнительную порцию хладагента в жидкой фазе,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 187135, кл. Н 02 К 9/20, 1958,2. Авторское свидетельство СССРР 559335, кл, Н 02 К 9/20, 1975,