УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА Российский патент 1998 года по МПК F24F3/14 G05D22/00 F28D7/00 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к системам создания комфортных условий пребывания экипажей космических орбитальных станций в процессе полета.

Длительная эксплуатация современных орбитальных станций, изменение количества космонавтов на борту, большая программа различных исследований и изменение состава оборудования и аппаратуры для исследований приводят к изменению влажностных нагрузок. В результате этого уровень влажности в отсеке может выйти за пределы комфортных условий, необходимых для эффективной деятельности космонавтов. Предлагаемое устройство предназначено для поддержания уровня влажности воздуха обитаемых отсеков орбитальных станций в зоне комфортных условий.

Известен, принятый за аналог блок охлаждения и осушки воздуха (см. Авторское свидетельство СССР N 635366, кл. F 24 F 3/14, 1977), содержащий кожух с предкамерой и входными и выходными патрубками, трубчатый теплообменник-конденсатор, по трубам которого прокачивается хладоноситель, обеспечивающий температуру на теплообменной поверхности, необходимую для конденсации излишней влаги продуваемого через эту поверхность воздуха, вентилятор, фитиль и влагосборник.

Известна также установка для охлаждения и осушки воздуха (см. Авторское свидетельство СССР N 547591, кл. F 28 L 7/00, 1975), выбранная в качестве прототипа.

Установка содержит кожух с предкамерой и с входными и выходными патрубками, трубчатый теплообменник-конденсатор с фитилями в межтрубном пространстве, подключенному к влагосборнику, снабженному конденсатным насосом и вентилятор для подачи охлаждаемого воздуха.

Аналог и прототип имеют следующие общие недостатки:
требуют наличия хладоносителя для обеспечения конденсации влаги на теплообменной поверхности конденсатора, при этом для эффективной осушки воздуха температура хладоносителя во входном коллекторе трубчатого теплообменника-конденсатора должна быть не выше 7 - 10^oC, наличие такого уровня температур на подводящих трубах и арматуре, проложенных по обитаемому отсеку, может привести к несанкционированной конденсации влаги в различных местах отсека, что приведет к возникновению источников сырости и зон возможного развития бактериальной флоры, все это ухудшает экологию среды обитания экипажа;
имеют недостаточно эффективные габаритно-массовые характеристики, т.к. использование трубчатых теплообменников для конденсации влаги при смывании их поверхностей воздухом не позволяет достичь высокого уровня компактности - отношение площади теплообменной поверхности к занимаемому ей объему (см. В. М.Кейс и А.Л.Лондон, Компактные теплообменники. -М.: Энергия, 1967);
требуют наличия на станции специального внутреннего контура охлаждения, для создания требуемого уровня температуры хладоносителя на входе в теплообменник и, следовательно, дополнительной арматуры, гидроразъемов, теплообменников, автоматики и т.д. Все это усложняет эксплуатацию и увеличивает массу системы терморегулирования станции;
не исключают возможности уноса влаги выходящим из устройства в отсек осушенным воздухом. Это приводит к увеличению времени работы устройства до достижения требуемого уровня влажности в отсеке и, следовательно, к увеличению расхода электроэнергии, количество которой на станции всегда ограничено.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для регулирования влажности воздуха обитаемых отсеков орбитальных станций, позволяющего улучшить экологию обитаемой среды при одновременном уменьшении габаритно-массовых характеристик устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для регулирования влажности воздуха обитаемых отсеков орбитальных станций, содержащее кожух с предкамерой и с входными и выходными патрубками, конденсатор, вентилятор и фитиль, введен термоэлектрический охладитель, в центральной части кожуха размещен фитиль, выполненный в виде пластины с основанием и напротив каждой боковой поверхности пластины фитиля расположен конденсатор, выполненный в виде основания с ребрами, примыкающими торцами к соответствующей боковой поверхности пластины фитиля и образующими каналы для прохода воздуха, к основанию конденсатора с тепловым контактом примыкают поверхности холодных спаев термоэлектрического охладителя, к поверхностям горячих спаев которого с тепловым контактом примыкает корпус жидкостного теплообменника, в предкамере, герметично закрепленной на торцевых поверхностях оснований конденсаторов, установлен вентилятор, при этом полость предкамеры, каналы для прохода воздуха в конденсаторах, зазоры между торцами конденсаторов, термоэлектрического охладителя, жидкостных теплообменников и внутренней поверхностью основания фитиля, а также зазоры между наружными поверхностями корпусов жидкостных теплообменников и противолежащими им внутренними поверхностями кожуха образуют единый воздушный тракт, соединенный с выходными патрубками, а наружная поверхность основания фитиля и днище кожуха образуют полость, снабженную патрубком для откачки конденсата и в упомянутой полости расположен, по крайней мере, один слой капиллярной сетки.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями вновь созданная конструкция при функционировании не оказывает вредного воздействия на экологию среды обитания экипажа орбитальных станций, удобна в эксплуатации и обладает минимальными габаритно-массовыми характеристиками, по сравнению с известными конструкциями такой же производительности по количеству собираемой влаги в единицу времени.

Это достигается тем, что во-первых, в предлагаемой конструкции благодаря введению в нее высокоэффективного, компактного, не оказывающего вредного воздействия на экологию и удобного в эксплуатации охлаждающего элемента - термоэлектрического охладителя, работающего на принципе термоэлектрического эффекта (эффект Пельтье), заключающегося в том, что при протекании тока через цепь, составленную из разнородных проводящих материалов, на их спаях происходит либо поглощение, либо выделение тепла, отпадает необходимость в специальном контуре охлаждения со всеми вызываемыми им отрицательными последствиями: появление источников сырости в отсеке, зон развития бактериальной флоры, увеличение массы системы терморегулирования станции и усложнение эксплуатации; во-вторых, благодаря использованию в предлагаемой конструкции теплообменников с высокоэффективными теплообменными поверхностями и с высоким уровнем компактности уменьшаются массово-габаритные характеристики устройства при сохранении такой же производительности по количеству собираемой влаги; в-третьих, благодаря конструктивному выполнению фитиля исключается возможность уноса сконденсированной влаги из устройства осушенным выходящим воздухом, т.к. если выпавшая влага на ребра пластин конденсатора не успеет поглотиться пластиной фитиля, то при ударе потока воздуха в основание фитиля за счет действия центробежных сил она выделится на поверхность основания фитиля и далее за счет действия капиллярных сил будет перемещена во влагосборник, следовательно, сокращается время работы устройства до достижения требуемого уровня влажности в отсеке, а значит и время работы агрегатов, потребляющих электроэнергию при функционировании устройства осушки воздуха; в-четвертых, позволяет легко регулировать холодопроизводительность и, следовательно влагопроизводительность путем регулирования тока питания.

На фиг. 1 представлен вид сбоку на устройство; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б (расположение ребер конденсатора на его основании).

Устройство включает кожух фиг. 1 и 2, в центральной части которого размещен жесткий фитиль 2 из пористого материала, например, из поливилформаля марки ТПВФ-1-20. Фитиль 2 выполнен в виде пластины 3 с основанием 4, при этом пластина боковыми торцами, а основание всей торцевой поверхностью контачат с внутренними поверхностями стенок кожуха 1. Внутри кожуха 1 напротив каждой боковой поверхности пластины 3 установлен конденсатор 5, выполненный из высокотеплопроводного материала, например, из алюминия в виде основания 6 с ребрами 7, расположенными по всей площади основания и образующими пучок с шахматным расположением ребер в пучке (фиг. 3 показано расположение ребер 7 конденсатора). Ребра 7 торцами примыкают к боковой поверхности пластины 3, а зазоры между ребер образуют каналы 8 для прохода воздуха. Внутри кожуха 1 также установлен термоэлектрический охладитель 9, представляющий собой группу последовательно соединенных, конструктивно объединенных и скоммутированных между собой термоэлектрических модулей 10, каждый из которых представляет собой группу последовательно соединенных отдельных пар полупроводниковых элементов различной проводимости и конструктивно выполнен таким образом, что спаи, на которых поглощается тепло (холодные спаи) расположены на одной поверхности, а спаи на которых выделяется тепло (горячие спаи), расположены на противоположной поверхности. В зависимости от холодопроизводительности, которую должен обеспечивать термоэлектрический охладитель 9 и которая определяется заданным максимальным количеством конденсируемой влаги в единицу времени и исходя из холодопроизводительности каждого термомодуля 10 определяется требуемое количество термомодулей, которые компануются в отдельные группы исходя из конструктивных соображений. К поверхностям холодных спаев термоэлектрических моделей 10 через тонкий слой (от 0,1 до 0,5 мм) высокотеплопроводной кремнийорганической пасты, например, марки ЦИАТИМ прижат своим основанием 6 конденсатор 5, а к поверхностям горячих спаев термомодулей 10 припаян корпус жидкостного теплообменника 11, базирующего на высокоэффективной пластинчато-ребристой теплообменной поверхности на основе коротких гофров.

Предкамера 12 герметично закреплена на торцевых поверхностях оснований 6 конденсаторов 5 и в ее вершине установлен вентилятор 13. Полость 14 предкамеры 12, каналы 8 для прохода воздуха, конденсатора 5, зазоры 15, образованные между торцами конденсаторов 5, торцами термоэлектрического охладителя 9, торцами жидкостных теплообменников 11 и внутренней поверхностью основания 4 фитиля 2, а также зазоры 16 между наружными поверхностями корпусов жидкостных теплообменников 11 и противолежащими им внутренними поверхностями кожуха 1 образуют единый воздушный тракт, соединенный с выходными патрубками 17.

Наружная поверхность основания 4 фитиля 2 и днище кожуха 1 образуют полость 18 для сбора конденсата, снабженного патрубком 19 для подсоединения к нему насоса откачки конденсата. В полости 18 по всей площади ее днища расположены один или несколько слоев капиллярной сетки 20, которая обеспечивает подачу конденсата со всего объема полости к патрубку 19.

Подача хладагента, например, ТЕМП в жидкостные теплообменники 11 осуществляется через патрубки 21, а вывод его из жидкостных теплообменников осуществляется через патрубки 22.

Устройство работает следующим образом.

При повышении влажности в отсеке орбитальной станции выше допустимого уровня производится включение вентилятора 13, термического охладителя 9, насоса откачки конденсата, который работает по заданной предварительно отработанной на Земле программе, например, в течение 30 секунд с интервалом 5 минут и агрегатов подачи хладагента в полости жидкостных теплообменников 11. Вентилятор начинает прокачивать влажный воздух из отсека через воздушный тракт устройства для регулирования влажности воздуха. При движении воздуха через каналы 8 конденсатора 5 воздух за счет теплообмена с холодной поверхностью конденсатора охлаждается и при этом излишняя влага конденсируется на теплообменной поверхности конденсатора и стекает по его ребрам к поверхности пластины 3 фитиля 2. За счет действия капиллярных сил влага всасывается фитилем и перемещается в полость 18, откуда откачивается насосом откачки конденсата. Влага, которая не поглотилась пластиной 3 фитиля 2 уносится потоком воздуха и при ударе потока воздуха в основание 4 фитиля 2 за счет действия центробежных сил выпадает на его поверхность, откуда за счет действия капиллярных сил перемещается в полость 18. Осушенный воздух через зазоры 15, 16 и выходные патрубки 17 выбрасывается в отсек станции, где смешивается с воздухом отсека. В результате такого смешения влажность воздуха отсека постепенно понижается и при достижении заданного уровня влажности термический охладитель 9, вентилятор 13, насос откачки конденсата и агрегаты подачи хладагента в полости теплообменников 11 выключается.

Источником холода в разработанном устройстве является термоэлектрический охладитель 9, в котором при протекании через него тока на холодных его спаях происходит поглощение тепла. За счет хорошего теплового контакта основания конденсатора с поверхностями холодных спаев и за счет того, что длина ребер конденсатора выбрана из условия, чтобы перепад температуры по длине ребра был минимальным, например, не более 0,1^o температура поверхности конденсатора практически соответствует температуре холодных спаев термоэлектрического охладителя 9. За счет омывания воздухом при его движении поверхности конденсатора происходит теплообмен, эффективность которого увеличивается за счет шахматного расположения ребер в пучке. В результате теплообмена воздух охлаждается. Тепло, выделяемое воздухом при охлаждении, тепло, выделяемое при конденсации и тепло выделяемое на горячих спаях термоэлектрического охладителя отводится хладагентом внутреннего контура обогрева (на поверхности этого контура конденсация влаги не происходит), прокачиваемым через полости теплообменников 11, корпуса которых припаяны к поверхностям горячих спаев термического охладителя. Теплообменники имеют высокоэффективную теплообменную поверхность и поэтому при выбранном расходе хладагента прогрев хладагента получается незначительным, всего 3 - 4^o. Если заданная температура хладагента на входе 19^oC то на выходе из теплообменника при максимальном режиме тепловыделения (когда максимальная холодопроизводительность и максимальное энергопотребление) она будет 23^oC. Значит средняя температура горячих спаев будет

Поддерживать температуру горячих спаев надо как можно ниже, так как чем меньше перепад температур между горячими и холодными спаями термоэлектрического охладителя, тем больше холодильный коэффициент - отношение холодопроизводительности к затрачиваемой электрической мощности. Например, в разработанном устройстве температура холодных спаев находится на уровне 7^oC и при температуре горячих спаев 21^oC разность температур между слоями будет 14^oC. Такой разности температур при термоэлектрической добротности Z = 3•10^-3 K^-1, которая определяется свойствами материалов термомодулей, соответствует холодильный коэффициент 2. Это значит, что при энергопотреблении 500 Вт холодопроизводительность будет 1000 Вт. Чтобы получить такую холодопроизводительность в известных устройствах при их неэффективных теплообменных поверхностях необходимо обеспечить большие расходы хладагента, что требует больших затрат электроэнергии которая на орбитальной станции всегда дефицитна.

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями предлагаемое устройство благодаря применению высокоэффективного экологически чистого охлаждающего элемента - термоэлектрического охладителя и высокоэффективных теплообменников с высоким уровнем компактности и взаимной конструктивной связи узлов и агрегатов устройства обеспечивает улучшение экологии обитаемых отсеков орбитальных станций при одновременном уменьшении массово-габаритных характеристик устройства.

Устройство предназначено для поддержания влажности воздуха обитаемых отсеков орбитальных станций в зоне конфортных условий, необходимых для эффективной деятельности космонавтов, а также, может быть использовано на Земле для регулирования влажности воздуха в закрытых помещениях. Устройство для регулирования влажности воздуха содержит кожух 1 с входными и выходными патрубками, конденсатор 5, вентилятор 13 и фитиль. В устройство введен термоэлектрический охладитель 9, работа которого основана на использовании термоэлектрического эффекта (эффекта Пельтье), заключающегося в том, что при протекании тока через цепь, составленную из разнородных проводящих материалов, на их спаях в зависимости от направления тока происходят либо поглощение, либо выделение тепла. К поверхностям холодных спаев термоэлектрического охладителя 9 с тепловым контактом примыкает основание 6 ребристого конденсатора 5, торцы ребер 7 которого примыкают к фитилю. При прокачке вентилятором 13 воздуха через каналы, образованные между ребрами 7 конденсатора 5, холодные спаи поглощают тепло из воздуха и излишняя влага из охлажденного воздуха выделяется на ребрах 7 конденсатора 5, поглощается фитилем и за счет действия капиллярных сил перемещается во влагосборник 18. Осушенный воздух через выходные патрубки 17 выводится в отсек. Тепло с горячих спаев отводится с помощью хладоносителя, прокачиваемого через полости теплообменников 11, на основе коротких гофров, корпуса которых припаяны к поверхности горячих спаев термоохладителя. Конструкция обеспечивает эффективное регулирование влажности без нарушения экологии окружающей среды при одновременном уменьшении массово-габаритных характеристик, благодаря применению высокоэффективных теплообменников с высоким уровнем компактности. 3 ил.

Устройство для регулирования влажности воздуха обитаемых отсеков орбитальных станций, содержащее кожух с предкамерой и входными и выходными патрубками, конденсатор, вентилятор и фитиль, отличающееся тем, что в него введен термоэлектрический охладитель, в центральной части кожуха размещен жесткий фитиль, выполненный в виде пластины с основанием, и напротив каждой боковой поверхности пластины фитиля расположен конденсатор, выполненный в виде основания с ребрами, примыкающими торцами к соответствующей боковой поверхности пластины фитиля и образующими каналы для прохода воздуха, к основанию конденсатора с тепловым контактом примыкают поверхности холодных спаев термоэлектрического охладителя, к поверхностям горячих спаев которого с тепловым контактом примыкает корпус жидкостного теплообменника, в предкамере, герметично закрепленной на торцевых поверхностях оснований конденсаторов, установлен вентилятор, при этом полость предкамеры, каналы для прохода воздуха в конденсаторах, зазоры между торцами конденсаторов, термоэлектрического охладителя, жидкостных теплообменников и внутренней поверхностью основания фитиля, а также зазоры между наружными поверхностями корпусов жидкостных теплообменников и противолежащими им внутренними поверхностями кожуха образуют единый воздушный тракт, соединенный с выходными патрубками, а наружная поверхность основания фитиля и днище кожуха образуют полость, снабженную патрубком для откачки конденсата, и в упомянутой полости расположен по крайней мере один слой капиллярной сетки.