Испытания на воздействие отрицательных температур

Воспроизведение низких температур для испытаний конструкций КЛА в основном осуществляется для решения двух задач: — охлаждаемые (например, жидким азотом или жидким гелием) панели выполняют функции криогенных насосов, т.е. обеспечиваю» вакуум за счет конденсации на их поверхности паров и газов, критические температуры которых выше критической температуры применяемого хладагента;

— использование криогенных жидкостей позволяет получать на поверхностях элементов конструкции КЛА (например, на материалах тепловой защиты) отрицательные температуры, характерные для таких этапов эксплуатации, как орбитальный полет КЛА или эксплуатация КЛА в период предстартовой подготовки.

Воспроизведение на поверхностях конструкции КЛА циклов нагрев-охлаждение позволяет изучать проблемы прочности в условиях так называемого «теплового удара», что не менее важно, чем, например, решение проблем статической или динамической прочности.

Холодильные установки можно разделить на установки:

— для охлаждения до -180°С;

— для охлаждения до -270°С;

— для получения сверхнизких температур, ниже -270°С.

Рассмотрим некоторые способы охлаждения, используемые для испытаний конструкции ЛА в условиях воздействия отрицательных температур.

Наиболее простым способом получения холодного воздуха является использование вихревой трубы (рис. 2.103).

Сущность ее работы состоит в том, что закрученный через тангенциальное сопло 2 сжатый воздух, расширяясь, расслаивается на холодную и горячую составляющие, которые отделяются друг от друга. Холодный воздух выходит через отверстие в диафрагме 3, горячий воздух выходит через другой конец трубы 5, снабженный дросселем 1. КПД вихревой трубы не превышает 0,1 и в семь-восемь раз ниже КПД холодильной машины.

В воздушной холодильной установке (рис. 2.104) используется охлаждающий эффект расширения сжатого воздуха. В компрессоре 1 воздух от начального давления р_о и температуры T₀ сжимается до давления р_к. При этом температура воздуха T_k будет значительно выше температуры окружающей среды. Сжатый воздух поступает в теплообменнй1С 2, охлаждается окружающим воздухом или водой до температуры Гз (теряя при этом теплоту Q1. Сжатый и охлажденный воздух поступает в детендер 3, в котором расширяется до начального давления р₀. в процессе расширения воздуха температура его падает значительно ниже температуры окружающей среды. Из детендера холодный воздух поступает в охлаждаемое помещение 4, охлаждает окружающие предметы, получая от них теплоту Q₂, нагревается до температуры T_x и вновь поступает в компрессор.

В паровой компрессорной холодильной установке (рис. 2.105) получение холода обеспечивается за счет изменения агрегатного состояния охладителя — кипения его при низких температурах с отводом от охлаждаемого тела необходимой теплоты парообразования с последующей конденсацией паров за счет предварительного повышения давления и температуры с дальнейшим понижением температуры хладагента.

В испарителе при низком давлении происходит кипение хладагента с поглощением теплоты охлаждающего тела (ограниченного объема). Влажный пар хладагента всасывается и сжимается адиабатно компрессором 2, который подает его при более высоком давлении (и температуре) в конденсатор 3. Конденсат хладагента пропускается через редукционный регулирующий вентиль 4, в котором давление снижается до давления всасывания в компрессоре, и хладагент вновь поступает в испаритель.

Работа термоэлектрического холодильника (рис. 2.106) основана на том, что при пропускании постоянного тока через цепь, составленную из двух разнородных металлов или полупроводников, на одном из спаев теплота выделяется, а на другом поглощается (эффект Пельтье). Термоэлемент состоит из двух последовательно соединенных полупроводников. При пропускании электрического тока на одном спае (T_x) теплота поглощается, на другом (T_r) — выделяется; если на спае T_r теплоту интенсивно отбирать, то спай T_x охладится и может служить холодильным

устройством. Особенно эффективны полупроводниковые охлаждающие устройства.

В абсорбционной холодильной установке (рис. 2.107) для сжатие паров хладагента используется не механический компрессор, а термохимический. Так, например, если в качестве рабочего тела использовать водоаммиачный раствор, то аммиак выполняет роль хладагента, в вода — абсорбента. В этом случае хладагент (аммиак) должен иметь низкую температуру кипения и растворяться или поглощаться рабочим телом, которое может быть как жидким, так и твердым.

В генераторе 1 при подводе внешней теплоты Q' происходит выпаривание хладагента из концентрированного водоаммиачного раствора при максимальном давлении в системе. Получающийся из водоаммиачного раствора аммиак поступает в конденсатор 2, где конденсируется при том же давлении, отдавая теплоту Q₁, а слабый водоаммиачный раствор для обогащения аммиаком направляется в абсорбер 5 через регулирующий вентиль 7. Жидкий аммиак из конденсатора 2 поступает через регулирующий вентиль 3 в испаритель 4, в котором давление значительно ниже, чем в генераторе 1 и конденсаторе 2. В испарителе аммиак кипит с поглощением теплоты Q₂ охлаждаемого холодильной установкой тела (или помещения). Из испарителя пары аммиака поступают в абсорбер 5, где они поглощаются слабым водоаммиачным раствором, перетекающим через регулирующий вентиль 7 из генератора 1.

Процесс в абсорбере идет с выделением теплоты и при минимальном для всей системы давлении. Интенсивное поглощение аммиака в абсорбере как бы отсасывает аммиачные пары из испарителя и тем самым поддерживает в нем непрерывный процесс кипения. Выделяющаяся в абсорбере теплота Q₂`` поглощается системой охлаждения (водяной или воздушной). Так как давление в генераторе значительно выше, чем в абсорбере, то движение паров аммиака из генератора в конденсатор и далее из конденсатора через регулирующий вентиль в испаритель, а также движение слабого раствора из генератора в абсорбер осуществляются под действием перепада давления. Перекачивание крепкого водоаммиачного раствора из абсорбера в генератор производится насосом б. Следовательно, для работы абсорбционной холодильной установки механической энергии для привода насоса требуется значительно меньше, чем для привода компрессора. Абсорбционная установка, рассчитанная на работу с малым перепадом давления между генератором и абсорбером, может быть выполнена безнасосной. В этом случае движение водоаммиачного раствора осуществляется благодаря разности его плотностей на различных участках контура циркуляции, т.е. используется так называемая термосифонная циркуляция.