Теплоносители для тепловых труб и наружных гидравлических контуров систем терморегулирования автоматических и пилотируемых космических аппаратов
Автор: Морковин А.В., Плотников А.Д., Борисенко Т.Б.
Журнал: Космическая техника и технологии @ktt-energia
Рубрика: Материалы, производство и технологии изделий РКТ
Статья в выпуске: 3 (10), 2015 года.
Бесплатный доступ
В статье сформулированы требования к однофазным и двухфазным теплоносителям систем терморегулирования космических аппаратов. Приведены физико-химические, тепло-физические и эксплуатационные свойства ряда теплоносителей на основе углеводородов, кремнийорганических и перфторорганических жидкостей, обоснован выбор ряда теплоносителей. Приведены результаты исследования коррозионной стойкости металлических материалов в среде ряда теплоносителей, и разработаны рекомендации по выбору материалов контуров. Предложен новый теплоноситель для тепловых труб и наружных контуров с температурой замерзания не выше -100 °С. Практическая значимость работы подтверждена успешным использованием разработанных и исследованных теплоносителей в системах терморегулирования космических аппаратов.
Теплоноситель, плотность, вязкость, температура замерзания, теплоемкость, теплопроводность, коррозия
Короткий адрес: https://sciup.org/14343491
IDR: 14343491
Текст научной статьи Теплоносители для тепловых труб и наружных гидравлических контуров систем терморегулирования автоматических и пилотируемых космических аппаратов
МОРКОВИН А.В.

ПЛОТНИКОВ А.Д.

БОРИСЕНКО Т.Б.
В активных системах терморегулирования (СТР) пилотируемых и автоматических космических аппаратов (КА) передача тепла от приборно-агрегатного оборудования к устройствам сброса тепла в окружающее пространство — радиационным теплообменникам — осуществляется теплоносителями, циркулирующими через теплообменные устройства внутренних и наружных гидравлических контуров.
Ранее были рассмотрены теплоносители для внутренних контуров СТР [1]. Как показал опыт эксплуатации орбитальной станции «Мир», температура теплоносителя в наружных контурах может опускаться до -80 ° С и ниже. В наружных контурах применяются однофазные и двухфазные теплоносители с низкой температурой замерзания. В автоматических КА применяются СТР с теми же низкотемпературными жидкостями, что и в наружных контурах пилотируемых аппаратов, а также тепловые трубы и активные системы с принудительной циркуляцией жидкости, заправленные двухфазным теплоносителем.
Использование в наружных контурах СТР двухфазных теплоносителей ведет к уменьшению расхода теплоносителя, увеличению коэффициентов теплоотдачи при кипении и конденсации и, как следствие, к уменьшению энергопотребления, массы и размеров элементов двухфазного контура.
В табл. 1 приведены требования, предъявляемые к теплоносителям, применяемым в тепловых трубах и наружных контурах СТР пилотируемых и автоматических КА.
Таблица 1
Требования, предъявляемые к теплоносителям, применяемым в тепловых трубах и наружных контурах систем терморегулирования пилотируемых и автоматических космических аппаратов
Свойства |
Показатели свойств |
|
Однофазные теплоносители |
Двухфазные теплоносители |
|
Температура кристаллизации (плавления), ° С |
не выше –100 |
не выше –70 |
Вязкость кинематическая при +20 ° С, сСт |
не более 1,0 |
— |
Теплопроводность, Вт/(м·К) |
высокая |
высокая |
Теплоемкость, Дж/(г·К) |
высокая |
— |
Теплота испарения, кДж/кг |
— |
не менее 800 |
Коррозионная инертность к материалам СТР |
в течение 15 лет |
в течение 15 лет |
Плотность при +20 ° С, г/см3 |
менее 1,0 |
— |
Температура кипения при атмосферном давлении, ° С |
не ниже 80 |
— |
Давление насыщенного пара при +20 ° С, кг/см2 |
— |
не более 8 |
Учитывая изложенные выше требования, РКК «Энергия» были проведены анализ и исследование углеводородов с низкой температурой замерзания, кремнийорганических жидкостей, перфторуглеродов и двухфазных теплоносителей.
Теплоносители на основе углеводородов При выборе основы для производства теплоносителя первоначально был проведен анализ существующих углеводородов, имеющих температуру замерзания ниже -100 ° С и температуру кипения не ниже +80 ° С. В табл. 2 приведены теплофизические характеристики углеводородов, которые могут быть использованы при изготовлении низкотемпературных теплоносителей. РКК «Энергия» совместно с исследовательской лабораторией ЗАО «Завод имени Теплофизические характеристики углеводородов, ко использованы при изготовлении низкотемпературных |
Шаумяна» был разработан низкотемпературный теплоноситель ЛЗ-ТК-2. При разработке теплоносителя в качестве основы был выбран 2,2,4-триметилпентан (торговое название «Изооктан»). Выбор изооктана обусловлен его доступностью, налаженным производством в связи с широким применением в качестве эталонной жидкости при анализе бензинов на октановое число. Для снижения износа подшипников электронасосных агрегатов в состав теплоносителя включены противоизносные присадки. Таблица 2 торые могут быть теплоносителей |
||||
№ п/п |
Углеводород |
Молекулярная масса |
Температура замерзания, °С |
Температура кипения, °С |
Вязкость, мм2/с |
1 |
3,3-диметилпентан |
100 |
–134,5 |
+86,06 |
0,655 |
2 |
2-метилгексан |
100 |
–118,3 |
+90,05 |
0,557 |
3 |
2,2-диметилгексан |
114 |
–121,2 |
+106,84 |
0,758 |
4 |
2,2,3-триметилпентан |
114 |
–112,3 |
+109,84 |
0,849 |
5 |
2,2,4-триметилпентан (изооктан) |
114 |
–107,4 |
+99,24 |
0,700 |
6 |
3,3-диметилгексан |
114 |
–126,1 |
+111,97 |
0,703 |
7 |
2-метил-3-этилгексан |
114 |
–115,0 |
+115,65 |
0,678 |
8 |
4-метилгептан |
114 |
–121,0 |
+117,71 |
0,664 |
9 |
3-метилгептан |
114 |
–120,5 |
+118,98 |
0,708 |
10 |
2,2,4-триметилгексан |
128 |
–123,4 |
+126,45 |
1,270 |
11 |
2,4,4-триметилгексан |
128 |
–113,4 |
+130,65 |
— |
12 |
2,3,5-триметилгексан |
128 |
–122,2 |
+133,01 |
— |
13 |
2,3,3-триметилгексан |
128 |
–116,0 |
+137,70 |
— |
14 |
2,4-диметил-3-этилпентан |
128 |
–122,4 |
+136,72 |
0,670 |
15 |
4-метилоктан |
128 |
–113,3 |
+142,43 |
— |
16 |
3-метилоктан |
128 |
–107,6 |
+144,18 |
— |
17 |
2,2,6-триметилгептан |
142 |
–105,0 |
+148,98 |
— |
18 |
1-этил-1-бутилциклопропан |
126 |
–102,7 |
+140,41 |
— |
19 |
1,3-диметилциклопентан |
98 |
–133,9 |
+91,73 |
0,682 |
20 |
1,2-диметилциклопентан |
98 |
–117,6 |
+91,87 |
— |
21 |
этилциклопентан |
98 |
–138,4 |
+108,47 |
0,739 |
22 |
1,1,3-триметилциклопентан |
112 |
–142,4 |
+104,89 |
0,827 |
23 |
1,2,3-триметилциклопентан |
112 |
–112,7 |
+110,40 |
— |
24 |
1,2,4-триметилциклопентан |
112 |
–130,8 |
+109,29 |
— |
25 |
1-метил-3-этилциклопентан |
112 |
–108,0 |
+120,80 |
— |
26 |
1-метил-1-этилциклопентан |
112 |
–143,8 |
+121,52 |
— |
27 |
1-метил-2-этилциклопентан |
112 |
–105,0 |
+128,05 |
0,920 |
28 |
изопропилциклопентан |
112 |
–111,4 |
+126,42 |
— |
29 |
пропилциклопентан |
112 |
–117,3 |
+130,95 |
0,880 |
30 |
1-метил-2-пропилциклопентан |
126 |
–123,0 |
+146,30 |
0,622 |
31 |
изобутилциклопентан |
126 |
–115,2 |
+148,80 |
— |
32 |
1,2-диэтилциклопентан |
126 |
–118,7 |
+153,50 |
0,669 |
33 |
бутилциклопентан |
126 |
–108,0 |
+156,60 |
1,260 |
34 |
метилциклогексан |
98 |
–126,6 |
+100,93 |
— |
35 |
1-метил-4-изопропилциклогексан |
140 |
–118,0 |
+170,70 |
— |
36 |
1,3,5-изопропилбензол |
204 |
–118,5 |
+236,00 |
— |
Основные свойства теплоносителя ЛЗ-ТК-2:
теплоемкость при +20 °С, Дж/г^К1,6;
теплопроводность при +20 °С, Вт/м-К0,10;
диэлектрическая проницаемость при +20 °С2,2;
температура вспышки, °С-9;
пределы взрываемости смеси паров теплоносителя с воздухом при +20 ° С, г/л: нижний — 0,05; верхний — 0,275.
При +20 ° С в условиях насыщения в воздухе содержится 0,25 г/л паров теплоносителя ЛЗ-ТК-2.
Основные свойства теплоносителя ЛЗ-ТК-2 приведены в табл. 3–9.
Таблица 3
Зависимость плотности теплоносителя
ЛЗ-ТК-2 от температуры
Температура, ° С |
–90 |
–50 |
0 |
+20 |
+50 |
+90 |
Плотность, г/см3 |
0,782 |
0,749 |
0,708 |
0,692 |
0,667 |
0,631 |
Таблица 4
Зависимость кинематической вязкости теплоносителя ЛЗ-ТК-2 от температуры
Температура, ° С |
–100 |
–80 |
–70 |
–60 |
–50 |
0 |
+20 |
+50 |
+90 |
Вязкость, мм2/с |
15,5 |
6,0 |
4,0 |
3,5 |
2,8 |
0,92 |
0,74 |
0,54 |
0,39 |
Таблица 5
Температура кипения теплоносителя ЛЗ-ТК-2 в зависимости от давления
Давление, кг/см2 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Температура кипения, ° С |
+100 |
+124 |
+142 |
+154 |
+165 |
Таблица 6
Зависимость давления насыщенного пара теплоносителя ЛЗ-ТК-2 от температуры
Температура, ° С |
–60 |
–30 |
–20 |
–10 |
0 |
+10 |
+20 |
+25 |
Давление пара, мм рт. ст. |
0,10 |
1,65 |
3,5 |
7,0 |
13 |
22 |
38 |
49 |
Продолжение табл. 6
Температура, ° С |
+30 |
+40 |
+50 |
+60 |
+70 |
+80 |
+90 |
+110 |
Давление пара, мм рт. ст. |
62 |
97 |
146 |
215 |
305 |
425 |
580 |
1 020 |
Таблица 7
Зависимость изменения объема теплоносителя ЛЗ-ТК-2 от температуры
Температура, ° С |
–100 |
–80 |
–60 |
–40 |
–20 |
Изменение объема, % |
–11,8 |
–10,0 |
–8,2 |
–6,2 |
–4,6 |
Продолжение табл. 7
Температура, ° С |
0 |
+18 |
+20 |
+40 |
+60 |
+80 |
+100 |
Изменение объема, % |
–2,2 |
0 |
+0,2 |
+3,1 |
+5,2 |
+7,5 |
+10,0 |
Таблица 8
Коэффициент поверхностного натяжения теплоносителя ЛЗ-ТК-2 в зависимости от температуры
Температура, ° С |
–80 |
–40 |
0 |
+20 |
+50 |
Поверхностное натяжение, мН/м |
26,5 |
22,5 |
19,0 |
17,0 |
14,2 |
Таблица 9
Растворимость воздуха в теплоносителе ЛЗ-ТК-2 при различных давлениях и температурах в условиях насыщения
Температура, ° С |
Растворимость воздуха, см3/л |
||
1 кг/см2 |
2 кг/см2 |
3 кг/см2 |
|
–85 |
334 |
668 |
1 102 |
–50 |
282 |
563 |
845 |
0 |
230 |
460 |
690 |
+20 |
214 |
429 |
643 |
+50 |
194 |
389 |
583 |
Теплоносители на основе кремнийорганических жидкостей
Теплоноситель ЛЗ-ТК-2 имеет существенный недостаток: пожароопасность (температура вспышки: -9 ° С). Поэтому РКК «Энергия» был проведен поиск других менее пожароопасных низкотемпературных жидкостей. Была рассмотрена группа кремнийорганических жидкостей с низкой температурой замерзания.
Кремнийорганические или силиконовые жидкости представляют собой группу материалов, комплекс свойств которых обеспечивает их работоспособность в широких температурных интервалах, чего не наблюдается ни в одном другом классе природных или синтетических веществ. Они объединяют обширную группу веществ на основе олигоорганосилоксанов (силиконов), не содержащих функциональных реакционноспособных заместителей [2].
Олигоорганосилоксаны имеют ряд особенностей, существенно отличающих эти вещества от других природных и синтетических жидкостей. Для всех олигоорганосилоксанов характерны широкие температурные интервалы нахождения в жидком состоянии, слабая зависимость теплофизических свойств, в т. ч. и вязкости, от температуры, высокие диэлектрические свойства, повышенная термостойкость и химическая инертность.
По химической природе кремнийорганиче-ские жидкости можно разделить на олигодиметилсилоксановые жидкости, состоящие из молекул линейного строения; олигодиметил-(метил)силоксановые жидкости, состоящие из молекул разветвленного строения; олигоэтилсилоксановые; олигометилфенилсилокса-новые и олигогалогеноорганосилоксановые жидкости. Выпускаемые промышленностью олигодиметилсилоксановые жидкости являются смесями гомологов, имеющих одинаковый состав и строение, но различающихся степенью полимеризации, которая определяет вязкость жидкости. Вязкость олигодиметилсилоксановых жидкостей является основной эксплуатационной характеристикой и обычно обозначается в сантистоксах (сСт) в названии торговой марки.
Олигодиметилсилоксановые жидкости с молекулами линейного строения представляют наиболее многочисленный и наиболее широко используемый класс кремнийоргани-ческих жидкостей. Они склонны к кристаллизации в интервале температур -100^-75 ° С [3]. Закристаллизовавшиеся жидкости плавятся при температурах -65^-35 ° С, поэтому за нижнюю границу эксплуатационного температурного интервала линейных олигодиметилсилоксановых жидкостей следует считать температуру плавления.
В отличие от олигодиметилсилоксановых жидкостей, рассмотренных выше, олигодиметил-(метил)силоксановые жидкости включают в свой состав некоторое количество разветвляющих метилсилсесквиоксановых звеньев.
Главное отличие олигодиметил(метил)си-локсановых жидкостей от олигодиметильных аналогов заключается в том, что они не проявляют склонности к кристаллизации. При охлаждении эти жидкости теряют текучесть в области -110 ° С в результате значительного возрастания вязкости, а затем стеклуются. Основной причиной подавления кристаллизации в олигодиметил(метил)силоксановых жидкостях следует считать нарушение регулярности строения силоксановых цепей молекул при введении метилсилсесквиоксановых звеньев.
Отсутствие у олигодиметил(метил)силок-сановых жидкостей склонности к кристаллизации и низкие температуры застывания позволяют использовать их в качестве низкотемпературных теплоносителей, предназначенных для эксплуатации при низких температурах (ниже -100 ° С).
В табл. 10 приведены свойства олигодиметилсилоксановых жидкостей с температурой застывания ниже -100 ° С, которые могут быть применены в качестве низкотемпературных теплоносителей.
В качестве низкотемпературного теплоносителя для космических аппаратов впервые на станции «Мир» была применена кремний-органическая жидкость ПМС-1,5р.
Основные теплофизические характеристики теплоносителя ПМС-1,5р в зависимости от температуры приведены в табл. 11.
Таблица 10
Свойства олигодиметилсилоксановых жидкостей с температурой застывания ниже -100 ° С
№ п/п |
Торговая марка жидкости |
Молекулярная масса |
Температура застывания, ° С |
Плотность, кг/м3 |
Вязкость при +20 ° С, 106 м2/с |
Поверхностное натяжение, мН/м |
Давление пара при +125 ° С, мм рт. ст. |
Температура вспышки, ° С |
Теплоемкость при +20 ° С, кДж/кг·К |
Теплопроводность при +20 ° С, Вт/м^К |
Олигодиметил(метил)силоксановые жидкости с молекулами разветвленного строения |
||||||||||
1 |
ПМС-1р |
— |
–110 |
820 |
1,05±0,05 |
18,3 |
4 977 |
30 |
1,492 |
0,113 |
2 |
ПМС-1,5р |
320…440 |
–110 |
850 |
1,5±0,1 |
18,6 |
2 132 |
50 |
1,609 |
0,117 |
3 |
ПМС-2р |
— |
–113 |
870 |
2,0±0,15 |
18,7 |
500 |
70 |
1,520 |
0,119 |
4 |
ПМС-2,5р |
470 |
–130 |
890 |
2,5±0,2 |
18,7 |
90 |
80 |
1,558 |
0,121 |
5 |
ПМС-Зр |
— |
–108 |
910 |
3,0±0,35 |
18,8 |
30 |
85 |
1,502 |
0,122 |
6 |
ПМС-10р |
— |
–120 |
940 |
10,0±1,0 |
19,1 |
3,84 |
170 |
1,458 |
0,130 |
7 |
ПМС-50р |
— |
–120 |
980 |
50,0±5,0 |
22,1 |
0,78 |
250 |
1,421 |
0,140 |
Олигоэтилсилоксановые жидкости |
||||||||||
8 |
ПЭС-1 |
270…350 |
–115 |
860…900 |
1,5…4,5 |
24,0 |
9,2 |
80 |
1,848 |
0,130 |
9 |
ПЭС-2 |
350…400 |
–110 |
920…950 |
6…12 |
25,8 |
4,32 |
110 |
1,781 |
0,136 |
10 |
ПЭС-3 |
400…500 |
–110 |
950…970 |
14…17 |
25,0 |
0,36 |
125 |
1,719 |
0,139 |
Олигометилфенилсилоксановые жидкости |
||||||||||
11 |
ФМ-5 |
— |
–120 |
940 |
16 |
21,8 |
0,0016 |
200 |
1,685 |
0,137 |
12 |
ФМ-5,6АП |
1 900 |
–110 |
1 067 |
20…27 |
21,7 |
0,06 |
200 |
1,781 |
0,145 |
13 |
ФМ-6 |
3 000 |
–115 |
957 |
50 |
24,1 |
0,011 |
300 |
1,748 |
0,149 |
Таблица 11
Основные теплофизические характеристики теплоносителя ПМС-1,5р в зависимости от температуры
Температура, ° С |
–80 |
–60 |
–40 |
–20 |
0 |
+20 |
+40 |
+60 |
+80 |
+100 |
Плотность, кг/м3 |
953 |
933 |
914 |
895 |
874 |
854 |
835 |
815 |
795 |
775 |
Давление насыщенного пара, Па |
0,025 |
2,15 |
14 |
80 |
380 |
840 |
1 720 |
3 460 |
7 200 |
14 100 |
Вязкость кинематическая, 106 м2/с |
20 |
9,6 |
5,1 |
3,2 |
2,2 |
1,5 |
1,2 |
0,90 |
0,75 |
0,61 |
Теплоемкость, кДж/кг·К |
1,28 |
1,344 |
1,411 |
1,478 |
1,543 |
1,609 |
1,675 |
1,742 |
1,809 |
1,873 |
Теплопроводность, Вт/м·К |
0,137 |
0,133 |
0,129 |
0,125 |
0,121 |
0,117 |
0,113 |
0,109 |
0,105 |
0,101 |
Коэффициент поверхностного натяжения, мН/м |
29,0 |
27,1 |
25,1 |
23,2 |
21,2 |
19,3 |
17,4 |
15,4 |
13,5 |
11,5 |
Теплоноситель ПМС-1,5р состоит из смеси декаметилтетрасилоксана (1) и изодекаметилтетрасилоксана (2).
(СH3)3Si–O–Si(CH3)2–O–
–Si(CH3)2–O–Si(CH3)3 (1)
(СH3)3Si–O–Si(CH3)–O–Si(CH3)3
O–Si(CH3)3
Химический состав теплоносителя ПМС-1,5р представлен на рис. 1.

О 5 10 Время, мин
80 95 110 Температура, °C
Рис. 1. Хроматограмма теплоносителя ПМС-1,5р: 1 — гексаметилдисилоксан; 2 — октаметилтрисилоксан; 3 — октаметилтетрациклосилоксан; 4, 5 — ПМС-1,5р
Наличие в смеси разветвленного изомера обеспечивает более низкую температуру засты- вания жидкости.
Основные физико-химические и теплофизические свойства теплоносителя ПМС-1,5р:
молекулярная масса, у. е. 320…440;
плотность при +20 ° С, кг/м3 0,850^0,860;
температура застывания, ° С не выше -110; вязкость кинематическая, мм2/с:
при +20 ° С 1,6_1,7;
при -70 ° С не более 13;
поверхностное натяжение, мН/м18,6;
давление пара при +125 °С, мм рт. ст. 2 132; температура вспышки в открытом тигле, °С+55;
температурные пределы воспламенения, °С: нижний+32;
верхний+144;
температура самовоспламенения, °С+340.
Теплоносители ЛЗ-ТК-2 и ПМС-1,5р взаимозаменяемы и применяются при заправке СТР транспортных пилотируемых кораблей «Союз» и грузовых кораблей «Прогресс». Оба теплоносителя, не являясь электролитами, имеют низкую коррозионную активность ко всем металлическим материалам, применяемым в СТР КА. Теплоноситель ПМС-1,5р впервые применен для заправки наружных контуров модулей орбитальной станции «Мир». Теплоносителем ПМС-1,5р заправлены наружные контуры Международной космической станции и ее модулей.
Теплоносители на основе перфторорганических жидкостей
В поисках негорючего, нетоксичного теплоносителя, который можно было бы использовать как в гидравлических контурах СТР разрабатываемых автоматических и пилотируемых КА, так и в разрабатываемых одноконтурных системах пилотируемых кораблей, был исследован класс перфторорга-нических соединений с низкой температурой замерзания. Перфторорганические жидкости представляют собой химические соединения, в которых все атомы водорода замещены атомами фтора. Ряд таких жидкостей имеет низкую температуру замерзания, ниже -100 ° С, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к теплоносителям.
В табл. 12 приведены свойства перфторор-ганических жидкостей «ОР-28» и «Карбогал», которые рассматривались в качестве базовых при разработке теплоносителя для гидравлических контуров СТР.
Таблица 12
Свойства перфторорганических жидкостей «ОР-28» и «Карбогал»
№ п/п |
Наименование показателей |
Теплоноситель |
|
«ОР-28» |
«Карбогал» |
||
1 |
Температура застывания, ° С |
≤110 |
≤110 |
2 |
Температура кипения, ° С |
+100 |
+102 |
3 |
Плотность при +20 ° С, кг/м3 |
1 683 |
1 858 |
4 |
Вязкость кинематическая, 10 6 м2/с при +20 ° С |
0,74 |
1,05 |
5 |
Температура разложения, ° С |
>400 |
>400 |
6 |
Теплота испарения при температуре кипения, кДж/(кг·К) |
— |
82,9 |
7 |
Теплопроводность при +20 ° С, Вт/(м-К) |
0,060 |
0,058 |
8 |
Поверхностное натяжение, мН/м |
— |
16,6 |
9 |
Теплоемкость, кДж/(кг·К) при +20 ° С |
0,920 |
0,881 |
10 |
Температура вспышки, ° С |
Отсутствует |
Отсутствует |
11 |
Коэффициент объемного расширения |
0,001 |
0,0014 |
12 |
Токсичность по ГОСТ 12.1.007-76 |
4 класс |
4 класс |
Основные свойства перфторорганических жидкостей в зависимости от температуры приведены в табл. 13 и 14.
Таблица 13
Зависимость теплофизических свойств теплоносителя «Карбогал» от температуры
Температура, ° С |
–60 |
–20 |
0 |
+20 |
+40 |
+80 |
Плотность, кг/м3 |
2 020 |
1 948 |
1 903 |
1 858 |
1 810 |
1 704 |
Вязкость кинематическая, 106 м2/с |
— |
3,35 |
1,74 |
1,05 |
0,75 |
0,57 |
Теплоемкость, кДж/(кг·К) |
0,740 |
0,793 |
0,839 |
0,881 |
0,928 |
1,036 |
Теплопроводность, Вт/(м·К) |
0,066 |
0,062 |
0,060 |
0,058 |
0,055 |
0,051 |
Таблица 14
Зависимость теплофизических свойств теплоносителя «ОР-28» от температуры
Температура, ° С |
–60 |
–20 |
0 |
+20 |
+40 |
+80 |
Плотность, кг/м3 |
1 924 |
1 803 |
1 743 |
1 683 |
1 623 |
1 502 |
Вязкость кинематическая, 106 м2/с |
7,81 |
1,67 |
1,09 |
0,74 |
0,57 |
0,48 |
Теплоемкость, кДж/(кг·К) |
0,792 |
0,852 |
0,885 |
0,920 |
0,957 |
1,039 |
Давление насыщенного пара, мм рт. ст. |
0,2 |
4,1 |
13,9 |
39,4 |
97,8 |
443 |
Перфторорганические жидкости некоррозионноактивны и совместимы с большинством конструкционных и уплотнительных материалов.
Двухфазные теплоносители
Одним из основных путей повышения эффективности СТР КА является использование двухфазных теплоносителей в контурах теплопереноса. Двухфазные теплоносители применяются в тепловых трубах и двухфазных контурах (ДФК) с принудительной прокачкой жидкости электронасосными агрегатами.
Применение двухфазных теплоносителей вместо однофазных позволяет снизить расход теплоносителя, уменьшить мощность прокачивающего устройства, увеличить эффективность теплоотдачи при кипении и конденсации, повысить точность термостабилизации объектов. В итоге существенно снижается масса конструкции и заправленного теплоносителя.
В качестве теплоносителя в тепловых трубах и наружных контурах СТР КА широкое применение нашел аммиак благодаря своим уникальным теплофизическим свойствам. Он имеет высокую теплоту испарения и низкую температуру замерзания по сравнению с другими подобными химическими соединениями с близкой молекулярной массой. Молекулы аммиака представляют собой диполи, образующие водородные связи, что и определяет уникальность его теплофизических свойств.
Длительность функционирования теплоносителя в СТР во многом определяется как чистотой исходного аммиака, так и качеством подготовки магистралей системы. Подготовка СТР складывается из операций по подготовке отдельных узлов и подготовки системы перед заправкой в целом.
РКК «Энергия» совместно с Российским научным центром «Прикладная химия» были проведены детальные исследования по подготовке и заправке модельных емкостей. Их задачей было уточнение критериев качества оценки подготовки системы перед заправкой аммиаком особой чистоты.
В качестве модельных емкостей были использованы баллоны из нержавеющей стали марки 12Х18НЮТ емкостью 1 л.
Технологический процесс подготовки выполнялся по традиционной схеме, используемой при подготовке баллонов и тепловых труб под заправку аммиаком особой чистоты, и состоял из следующих операций:
-
• пропарка при давлении 6 кгс/см2 и+180 ° С;
-
• сушка инертным газом (азот, аргон) при + 120 ° С в течение 10^15 мин;
-
• обезжиривание растворителем с использованием вибратора при +15^25 ° С в течение 30…40 мин;
-
• термовакуумная сушка при +120^145 ° С и давлении 5·10–2 мм рт. ст.;
-
• ополаскивание аммиаком особой чистоты.
В качестве растворителей для обезжиривания в вышеуказанных целях применяли хладон-113 или четыреххлористый углерод.
После обезжиривания и термовакуумной сушки модельные емкости и тепловые трубы заполнялись аммиаком особой чистоты из стандартного баллона методом переконденсации (эта операция имитировала ополаскивание (пассивацию) продуктом собранной системы). Далее проводился отбор проб аммиака на анализ содержания в нем влаги и масла. При содержании в аммиаке влаги, не превышающем 0,001%, и масла не более 1 мг/л, система считалась готовой под заправку аммиаком особой чистоты, в противном случае ополаскивание необходимо было повторить.
Для оценки коррозионной стойкости материалов в аммиаке исследованы металлические материалы и их соединения, наиболее часто применяемые в СТР КА:
-
• нержавеющие стали 12Х18Н10Т, 14Х17Н2, 2X13;
-
• титан и его сплавы ВТ1-0, ВТ14;
-
• алюминиевые сплавы АМг6, АМц, АД1, АВ1, АД0;
-
• контактные пары (сварка трением) 12Х18Н10Т/АД1, ВТ14/АД1, 12Х18Н10Т/ АМг6;
-
• сварные соединения АМг6, 12Х18Н10Т;
-
• паяные ВТ1-0 с покрытием М15-1.
Проведенные исследования показали, что аммиак не является коррозионноактивным продуктом по отношению к нержавеющим сталям и титановым сплавам. Скорость коррозии этих материалов в аммиаке не превышает 0,001 мм/год.
Алюминий и его сплавы в аммиаке подвержены коррозии, в т. ч. локальной питтинговой коррозии. Интенсивность питтинговой коррозии алюминиевых сплавов в аммиаке зависит от их состава (легирования и примесей) и содержания в аммиаке влаги, ионов хлора и кислорода.
Коррозионная стойкость металлических материалов в аммиаке приведена в табл. 15.
Таблица 15
Коррозионная стойкость металлических материалов в аммиаке
Марка материала |
Температура испытаний, ° С |
Продолжительность испытаний, сут |
Содержание воды в аммиаке не более, % |
Фаза аммиака |
Скорость коррозии, мм/год |
Состояние поверхности |
20X13 |
–30 |
30 |
0,200 |
ж, г |
<0,001 |
Без изменений |
20 |
30 |
0,200 |
ж, г |
<0,001 |
Без изменений |
|
50 |
6 |
0,200 |
ж, г |
<0,001 |
Без изменений |
|
12Х1ВН10Т |
–30 |
30 |
0,200 |
ж, г |
<0,001 |
Без изменений |
10...25 |
10...95 |
0,006 |
ж |
<0,001 |
Без изменений |
|
20 |
30 |
0,200 |
ж, г |
<0,001 |
Без изменений |
|
40 |
180 |
0,006 |
ж |
<0,001 |
Без изменений |
|
50 |
6 |
0,200 |
ж, г |
<0,001 |
Без изменений |
|
14Х17Н2 |
–30 |
30 |
0,200 |
ж, г |
<0,001 |
Без изменений |
20 |
30 |
0,200 |
ж, г |
<0,001 |
Без изменений |
|
ВТ1-0 |
–30 |
30 |
0,200 |
ж, г |
<0,001 |
Без изменений |
20 |
30 |
0,200 |
ж |
<0,001 |
Без изменений |
|
ВТ14 |
40 |
180 |
0,006 |
ж |
<0,001 |
Без изменений |
АД0 |
40 |
180 |
0,006 |
ж |
— |
Без изменений |
АВ1 |
40 |
180 |
0,006 |
ж |
— |
Без изменений |
АД1 |
40 |
180 |
0,006 |
ж |
0,030 |
Питтинговая коррозия |
АМц |
–30 |
30 |
0,200 |
ж, г |
— |
— |
40 |
180 |
0,006 |
ж |
0,025 |
Питтинговая коррозия |
|
АМг6 |
–30 |
5 |
0,200 |
ж, г |
— |
— |
40 |
180 |
0,006 |
ж |
0,040 |
Питтинговая коррозия |
|
50 |
40 |
0,200 |
г |
— |
— |
Примечание. При наличии питтинговой коррозии указана глубина наиболее глубокого точечного поражения, обнаруженного при проведении металлографического анализа.
Только у алюминия высокой чистоты марок АД0 и АВ1 не наблюдалось видимых коррозионных поражений на поверхности образцов после испытаний в аммиаке. Наличие примесей в алюминии или его легирование усиливают склонность алюминиевых сплавов к точечной коррозии.
Ниже приведены марки алюминиевых сплавов, которые расположены в ряду по мере увеличения склонности к питтингообразова-нию в аммиаке:
АД1 < АК8 < АМц < Д16 < АМгЗ < АМг6.
Результаты исследования влияния влаги (в диапазоне 0,1…1,0%) на коррозионную стойкость сплава АМг6 в аммиаке показали, что максимальная глубина проникновения питтинговых поражений наблюдается при содержании влаги в аммиаке 0,2%.
Влияние хлор-ионов на процессы питтинго-образования в алюминиевых сплавах аналогично влиянию влаги. Установлено, что в сплаве АМг6 наиболее глубокие питтинги возникают при содержании хлор-ионов в аммиаке в интервале концентраций 0,2…1,2 мг/л. При содержании хлор-ионов более 5 мг/л наряду с питтингообразованием наблюдается заметная равномерная коррозия алюминия и его сплавов.
С целью оценки склонности алюминиевых сплавов к контактной коррозии в аммиаке проведены работы по определению коррозионной стойкости соединений 12Х18Н10Т/ АД1/АМг6 и ВТ1-0/АД1/АМг6.
Коррозионные испытания проводились в аммиаке высокой степени очистки с содержанием воды не более 0,006%, при +40 ° С в течение 180 сут. Результаты испытаний показали, что коррозионные поражения в виде питтингов имели место только у сплавов АД1 (глубиной до 0,05 мм) и АМг6 (глубиной до 0,06 мм). Сравнение последних результатов с данными, приведенными в табл. 15, свидетельствует, что в контакте с указанными материалами усиления коррозии алюминиевых сплавов не наблюдается. Следовательно, работоспособность исследованных соединений в основном будет определяться коррозионным поведением наименее коррозионностойкого материала, сплавов алюминия АД1 и АМг6.
Не обнаружено влияния щелевых зазоров, механических напряжений на характер и степень коррозионного воздействия аммиака на алюминиевый сплав АМг6 и его сварные соединения, выполненные аргоно-дуговой сваркой.
Несмотря на склонность алюминиевых сплавов к питтинговой коррозии, имеется положительный опыт их применения в контакте с жидким и газообразным аммиаком в герметичных конструкциях тепловых труб, баков в течение длительных сроков эксплуатации.
С точки зрения работоспособности конструкционных материалов ДФК представляет собой более сложный и многообразный комплекс по сравнению с тепловыми трубами или баками:
-
• из-за наличия в составе ДФК различных элементов и узлов, более сложных по конструктивному и технологическому исполнению;
-
• из-за более жестких условий работы (температура, давление).
Наличие в системах тупиковых или застойных зон, большее соотношение поверхность/ объем снижают эффективность подготовки внутренних поверхностей и повышают вероятность их загрязнения.
В этом случае прогнозирование сроков сохраняемости свойств материалов должно быть увязано с конкретным конструктивным элементом и технологическими особенностями его изготовления, а также чистотой аммиака.
Применение алюминия и его сплавов в ДФК должно производиться с учетом их конструктивных особенностей, условий работы (температура, давление), технологии обработки материалов и подготовки поверхностей, контактирующих с аммиаком.
Медь и медные сплавы подвергаются в аммиаке коррозии, интенсивность которой усиливается в присутствии влаги и кислорода. Латуни в аммиачной среде склонны к коррозионному растрескиванию и обесцинкованию. Продукты коррозии медных сплавов могут засорить узкие сечения трубопроводов, поэтому медь и ее сплавы не рекомендуются для использования в конструкциях ДФК.
Для снижения коррозионной активности аммиака требуется ограничение содержания влаги, хлор-ионов и кислорода при жестком контроле за содержанием вышеуказанных примесей.
Недостатком аммиака, кроме высокой коррозионной активности по отношению к алюминиевым сплавам, является относительно высокая температура замерзания (-77,7 ° С). При эксплуатации КА иногда требуется, чтобы рабочая температура не превышала -100 ° С.
В последние годы в качестве двухфазного теплоносителя в тепловых трубах, как альтернатива аммиаку, рассматривается пропилен, который имеет температуру замерзания ниже -100 ° С и инертен по отношению ко всем металлическим материалам, применяемым в системах терморегулирования.
Ниже приведены основные физико-химические и теплофизические свойства пропилена: химическая формула СН2=СН–СН3;
молекулярная масса, у. е. 42,081;
температура плавления, ° С -187,65;
температура кипения, ° С —47,7;
температура критическая, ° С -92;
давление критическое, МПа 4,6;
теплота испарения при -47,7 ° С, кДж/моль 18,41;
растворимость воды, %:
при +5 ° С 0,032;
при +35 ° С 0,052.
Основные теплофизические свойства пропилена в зависимости от температуры приведены в табл. 16.
Таблица 16
Основные теплофизические свойства пропилена в зависимости от температуры
Температура, ° С |
–100 |
–50 |
0 |
+20 |
+50 |
+100 |
Вязкость жидкости, 10–3Па·с |
0,370 |
0,200 |
0,128 |
0,100 |
0,060 |
0,001 |
Вязкость пара, мкПа·с |
4,80 |
6,40 |
7,81 |
8,30 |
9,10 |
10,76 |
Давление насыщенного пара, кПа |
2,1 |
200 |
590 |
1 000 |
1 400 |
4 979 |
Теплоемкость жидкости, кДж/(кг·К) |
2,077 |
2,25 |
2,303 |
2,31 |
2,480 |
2,510 |
Теплоемкость пара, кДж/(кг·К) |
— |
1,277 |
1,500 |
1,650 |
1,750 |
1,805 |
Теплопроводность жидкости, Вт/(м·К) |
— |
0,138 |
0,110 |
0,100 |
0,077 |
0,043 |
Теплопроводность пара, Вт/(м·К) |
— |
0,011 |
0,015 |
0,0174 |
0,020 |
0,0256 |
РКК «Энергия» совместно с РНЦ «Прикладная химия» была проведена разработка нового двухфазного теплоносителя, взамен аммиака, с температурой замерзания -100 ° С. В качестве основы теплоносителя использовали смесь аммиака, диметилового эфира и монометиламина. Соотношение компонентов было выбрано таким образом, чтобы температура замерзания смеси составляла -100 ° С.
В исследованном интервале концентраций и температур компоненты смеси были полностью взаиморастворимы. Результаты определения температуры замерзания и плавления трехкомпонентной системы приведены в табл. 17.
Для дальнейшей оценки была выбрана трехкомпонентная смесь следующего состава (массовая доля, %): аммиак — 17,98; диметиловый эфир — 28,78; монометиламин — 53,24. При этом состав пара (%): аммиак — 40,6; диметиловый эфир — 29,8; монометиламин — 29,6; конденсат пара имел температуру замерзания -102^-104 ° С.
Таблица 17
Результаты определения температуры замерзания и плавления трехкомпонентной системы
Состав (массовая доля), % |
Температура, ° С |
|||
аммиак |
диметиловый эфир |
монометиламин |
замерзания |
плавления |
35,12 |
58,65 |
6,23 |
–94,5 |
–92,4 |
31,60 |
52,76 |
15,64 |
–104,4 |
–102,5 |
28,57 |
47,71 |
23,72 |
–110,5 |
–108,5 |
24,56 |
41,02 |
34,42 |
–116,8 |
–114,5 |
21,95 |
36,66 |
41,39 |
–122 |
–121 |
21,12 |
33,82 |
45,06 |
–125 |
–123 |
17,98 |
28,78 |
53,24 |
–135 |
–134 |
15,37 |
24,35 |
60,28 |
–125 |
–124 |
11,09 |
17,57 |
71,34 |
–116 |
–104 |
7,79 |
12,34 |
79,87 |
–116 |
–100 |
Для индивидуальных и смесевых теплоносителей, рекомендуемых к рассмотрению, были рассчитаны теплофизические и физико-химические свойства, которые приведены в табл. 18.
Таблица 18
Физико-химические и теплофизические свойства смесевых теплоносителей
Свойства |
Аммиак |
Монометиламин |
Тройная смесь |
Температура замерзания, ° С |
–77,7 |
–92,5 |
–100 |
Температура кипения, ° С |
–33,4 |
–6,5 |
— |
Давление насыщенного пара при +20 ° С, МПа |
0,8526 |
0,284 |
~0,66 |
Теплота испарения, кДж/кг |
1 186 |
780 |
812…532 |
Вязкость при +20 ° С, 10-3Па< |
0,147 |
0,198 |
~0,16 |
Теплопроводность при +20 ° С, Вт/(мК |
0,4720 |
0,188 |
~0,19 |
Поверхностное натяжение при +20 ° С, 10-3 Н/м |
21,3 |
17,3 |
~16,5 |
Теплоемкость при +20 ° С, кДж/(кг-К) |
4,70 |
3,561 |
— |
Плотность при +20 ° С, кг/м3 |
611,2 |
662,3 |
653…661 |
Выводы
В статье изложены результаты многолетней работы РКК «Энергия» в области разработки и применения теплоносителей для космических аппаратов.
Изучены эксплуатационные свойства теплоносителей для тепловых труб и наружных гидравлических контуров систем терморегулирования автоматических и пилотируемых космических аппаратов.
Впервые рассмотрены свойства смесевых двухфазных теплоносителей с температурой замерзания не выше -100 ° С, способных с высокой эффективностью обеспечивать работоспособность систем терморегулирования космических аппаратов.
Список литературы Теплоносители для тепловых труб и наружных гидравлических контуров систем терморегулирования автоматических и пилотируемых космических аппаратов
- Морковин А.В., Плотников АД, Борисенко Т.Б. Теплоносители для внутренних контуров систем терморегулирования пилотируемых космических аппаратов//Космическая техника и технологии. 2013. № 1. С. 79-87.
- Соболевский М.В., Скороходов И.И., Гриневич К.П. Органосилоксаны. Свойства, получение, применение/Под ред. Соболевского М.В. М.: Химия, 1985. 264 с.
- Алексеев П.Г., Скороходов И.И., Поварнин П.И. Свойства кремнийорганических жидкостей. М.: Энергоатомиздат, 1997. 328 с. Статья поступила в редакцию 27.11.2014 г.