УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУШКИ ВОЗДУХА ГЕРМЕТИЧНЫХ ОТСЕКОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 1999 года по МПК F24F3/14 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 и предназначено для поддержания уровня влажности воздуха обитаемых отсеков орбитальных станций в зоне комфортных условий.

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

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

Установка содержит корпус с предкамерой с вентилятором для прокачки воздуха и с входными и выходными патрубками, трубчатый теплообменник с фитилями в межтрубном пространстве, соединенными с основанием фитиля, расположенным в полости днища корпуса, снабженного патрубком для откачки конденсата.

Аналог и прототип имеют следующие общие недостатки:
- не исключают наличия нерабочих зон во влагопоглощающем материале (фитиле), которые только увеличивают объем устройства и, следовательно, приводят к увеличению его габаритно-массовых характеристик устройства;
- требуют наличия большей теплообменной поверхности по сравнению с более эффективными теплообменными устройствами для обеспечения конденсации того же количества влаги, т.к. использование трубчатых теплообменников не позволяет достичь высокого уровня компактности - отношение площади теплообменной поверхности к занимаемому объему, что приводит к увеличению габаритно-массовых характеристик;
- не исключают возможности уноса сконденсированной влаги выходящим из устройства в отсек осушенным воздухом, что приводит к увеличению времени работы устройства до достижения требуемого уровня влажности в отсеке и, следовательно, к увеличению расхода электроэнергии, потребляемой агрегатами, работающими при функционировании устройства для осушки воздуха, а потребление электроэнергии на орбитальной станции ограничено.

Задачей настоящего изобретения является улучшение габаритно-массовых и эксплуатационных характеристик устройства для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов (КА).

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для осушки герметичных отсеков КА, содержащем корпус с предкамерой с вентилятором, входными и выходными патрубками, теплообменник и фитиль, днище корпуса выполнено с боковыми поверхностями, сходящимися к центральному выходному патрубку, в центральной части корпуса размещен жесткий фитиль, представляющий собой стержень с основанием, идентичным днищу корпуса, при этом боковые поверхности основания фитиля примыкают к внутренним поверхностям днища корпуса, по обе стороны стержня фитиля расположены теплообменники, выполненные в виде оребренных с двух сторон пластин и закрытых крышками со стороны корпуса, при этом торцевые поверхности крышек теплообменников образуют зазор с внутренней поверхностью основания фитиля, ребра, примыкающие торцами к стержню фитиля, образуют каналы для прохода воздуха, а ребра, примыкающие торцами к крышкам теплообменников, образуют каналы для прохода хладоносителя, между основанием днища и фитилем размещена капиллярная сетка, а наружные поверхности крышек теплообменников и внутренние боковые поверхности корпуса снабжены дополнительными фитилями, контактирующими с основанием центрального фитиля, при этом части дополнительных фитилей на крышках теплообменников, расположенных в зазоре, имеют отверстия.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями вновь созданная конструкция обладает минимальными габаритно-массовыми характеристиками по сравнению с известными конструкциями такой же производительности по количеству собираемой влаги, исключает возможность уноса сконденционированной влаги выходящим из устройства в отсек осушенным воздухом, что приводит к уменьшению времени работы устройства до достижения требуемого уровня влажности в отсеке и, следовательно, к уменьшению энергопотребления. А габаритно-массовые и энергетические характеристики являются одними из основных для устройств, устанавливаемых на космических аппаратах.

Это достигается тем, что в предлагаемой конструкции во влагопоглощающем материале (фитиле) отсутствуют нерабочие зоны, т.к. боковая поверхность основания фитиля соответствует линиям стока потока влаги, поглощенной фитилем и отсасываемой из него насосом откачки конденсата (НОК) через патрубок, расположенный по центральной оси устройства.

Из гидродинамики известно, что линии стока распределяются по пути наименьшего гидравлического сопротивления, т.е. при течении через пористый однородный материал распределяются по кратчайшему пути. Поэтому при равномерном распределении потока на одной стороне тела и истечении его через противоположную сторону через патрубок, расположенный по центральной оси, боковые поверхности, образованные линиями стока, будут сходиться к этому патрубку.

Зоны основания фитиля, расположенные за пределами боковой поверхности, образованной линиями стока, будут застойными. В них все время будет находиться поглощенная влага, которая не будет оттуда удаляться, т.к. после отсоса жидкости из зоны основания фитиля, ограниченной боковой поверхностью, образованной линиями стока, откуда жидкость удаляется в первую очередь, так как гидравлическое сопротивление здесь меньше, чем у линии стока за пределами этой боковой поверхности, после удаления жидкости в эту зону начнет подсасываться воздух и НОК отключается. В таких устройствах пор результатам отработки определяется время работы НОК до момента попадания в него воздуха и уже при эксплуатации устройства в составе космического аппарата это время отслеживается автоматикой. После остановки НОК через некоторое время (которое также заранее устанавливается в результате экспериментальной отработки) НОК снова включается на заданное время, и влага за это время опять не будет удалена из вышеупомянутых зон по вышеупомянутым причинам. Таким образом, эти зоны являются балластом конструкции и приводят к увеличению габаритно-массовых характеристик устройства. В предлагаемом устройстве, в отличие от известных, такие зоны отсутствуют, т.е. объем, занимаемый фитилем при такой же эффективности работы, меньше и меньше полость днища корпуса, в котором расположено основание фитиля, что позволяет улучшить габаритно-массовые характеристики по сравнению с известными устройствами.

Уменьшение габаритно-массовых характеристик в предлагаемом устройстве по сравнению с известными достигается также и в результате того, что в нем теплообменники выполнены в виде оребренных с двух сторон пластин из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например, из алюминия, что позволяет эффективно производить отвод тепла от прокачиваемого воздуха к хладоносителю и на одинаковой площади получить большую поверхность теплообмена, чем при использовании трубчатых теплообменников, как в известных устройствах. В результате, для отвода одного и того же количества тепла от прокачиваемого воздуха объем, занимаемый теплообменниками, в предлагаемом устройстве меньше, чем в известных, что приводит к уменьшению массово-габаритных характеристик устройства.

Кроме того, предлагаемое устройство, благодаря конструктивному выполнению основного фитиля и введению дополнительных фитилей, исключает возможность уноса сконденсированной влаги из устройства осушенным выходящим воздухом, т.к. если выпавшая на ребрах пластин теплообменника влага не успеет поглотиться стержнем 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 поглощаться основанием фитиля и при дальнейшем движении воздуха в зазоре между дополнительными фитилями остатки влаги будут поглощаться этими фитилями и при включении НОК влага из них будет удаляться через основание основного фитиля, с которым они связаны. В результате исключения уноса влаги из устройства в отсек КА осушенным воздухом сокращается время работы устройства до достижения требуемого уровня влажности в отсеке, и, следовательно, время работы агрегатов, потребляющих электроэнергию при функционировании устройства для осушки воздуха.

Суть изобретения поясняется фигурами:
Фиг. 1 показывает вид сбоку на устройство.

Фиг. 2 показывает разрез по А - А.

Фиг. 3 показывает разрез по Б - Б - расположение рядов ребер на поверхности пластины теплообменника и ребер в рядах со стороны пластины, омываемой прокачиваемым воздухом.

Фиг. 4 показывает разрез по В - В - расположение рядов ребер на поверхности пластины теплообменника и ребер в рядах со стороны пластины, омываемой хладоносителем.

Устройство включает корпус 1 (фиг. 1, 2) с предкамерой 2 с вентилятором 3. Днище 4 корпуса 1 выполнено с боковыми поверхностями, сходящимися к центральному выходному патрубку 5, к которому подсоединяется насос откачки конденсата (на фигурах насос не показан).

В центральной части корпуса 1 размещен жесткий фитиль из пористого материала, например, из пенополивинилформаля марки ТПВФ-1-20, представляющий собой стержень 6 с основанием 7 с боковыми поверхностями 8, идентичными днищу 4 и примыкающими к внутренним поверхностям днища корпуса. По обе стороны стержня 6 расположены теплообменники 9, каждый из которых выполнен в виде оребренной с двух сторон пластины из высокотеплопроводного материала, например, из алюминия, разделяющей теплообменник на две полости - воздушную и жидкостную. Жидкостные полости теплообменников 9 закрыты крышками 10, при этом торцевые поверхности крышек 10 образуют с внутренней поверхностью основания 7 зазор 11. Ребра 12 (фиг. 1, 2, 3) теплообменников 9, примыкающие торцами к стержню 6 фитиля образуют каналы 13 для прохода воздуха в воздушных полостях теплообменников 9, а ребра 14 (фиг. 1, 2, 4) теплообменников 9, примыкающие торцами к крышкам 10, образуют каналы 15 для прохода хладоносителя в жидкостных полостях теплообменников. Между основанием днища 4 и основанием 7 фитиля образован зазор 16, в котором размещена капиллярная сетка 17, обеспечивающая сбор влаги из этого зазора и предотвращающая попадание пористого материала фитиля через патрубок 5 в насос откачки конденсата.

На наружных боковых поверхностях крышек 10 теплообменников 9 и внутренних боковых поверхностях корпуса 1 расположены дополнительные фитили 18, выполненные из пористого материала, например, из пенополивинилформаля ТПВФ-1-20, контактирующие с основанием 7 центрального фитиля и между наружными поверхностями этих фитилей имеются зазоры 19 для прохода воздуха, при этом части дополнительных фитилей 18 на крышках 10 теплообменников 9, расположенные в зазоре 11, имеют отверстия 20 для прохода воздуха из зазора 11 в зазор 19. В предкамере 2 после вентилятора 3 расположен разделитель потока 21. Отвод воздуха из устройства осуществляется через патрубки 22. Подача хладоносителя, например, ТЕМП в жидкостные полости теплообменников 9 осуществляется через патрубки 23, а отвод его через патрубки 24.

Работает устройство следующим образом.

При повышении влажности в отсеке КА выше допустимого уровня производится включение вентилятора 3, агрегатов подачи хладоносителя в жидкостные полости теплообменников 9 и насоса откачки конденсата, который работает по заданной предварительно отработанной на Земле программе, например, в течение 30 секунд через 5 минут вентилятор начинает прокачивать влажный воздух, поступающий из отсека. При движении воздуха по каналам 13 воздушных полостей теплообменников 9 в результате теплообмена с оребренными поверхностями пластин теплообменников температура воздуха понижается. Отводимое от воздуха тепло передается хладоносителю, который подается через штуцеры 23 из холодного контура системы терморегулирования КА в жидкостные полости теплообменников. При движении хладоносителя по каналам 15 он поглощает отводимое от воздуха тепло.

Излишняя влага охлажденного воздуха конденсируется на теплообменных поверхностях воздушных полостей теплообменников 9 и затем поглощается боковыми поверхностями стержня 6 фитиля. За счет действия капиллярных сил влага постепенно заполняет весь объем фитиля. Сконденсированная влага, которая не успела поглотиться стержнем 6, уносится потоком воздуха и при ударе потока воздуха в основание 7 фитиля за счет действия центробежных сил выпадает на его поверхности и далее под действием капиллярных сил постепенно заполняет весь объем основания 7. Остатки непоглощенной влаги центральным фитилем, при дальнейшем движении воздуха в зазорах 19, который туда подается через отверстия 20, поглощаются дополнительными фитилями 18. Осушенный воздух выбрасывается из устройства в отсек КА через выходные патрубки 22. Через установленное время включается НОК, который отсасывает влагу из объема центрального фитиля и дополнительных фитилей 18, связанных с центральным фитилем, которая сначала поступает в зазор и через патрубок 5, соединенный с зазором 16, подается в НОК.

В результате смешения влажного воздуха отсека КА с осушенным воздухом, выбрасываемым из устройства, влажность воздуха отсека постепенно понижается и при достижении заданного уровня влажности выключаются вентилятор 3, агрегаты подачи хладоносителя в жидкостные полости теплообменников 9 и насос откачки конденсата.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достигнуть нового технического результата: уменьшить габаритно-массовые характеристики устройства для осушки воздуха герметичных отсеков КА и сократить энергопотребление при его функционировании.

Устройство предназначено для поддержания влажности воздуха обитаемых герметичных отсеков космических аппаратов, преимущественно орбитальных станций, в зоне комфортных условий, необходимых для эффективной деятельности космонавтов, и может быть использовано на Земле для регулирования влажности воздуха в закрытых помещениях. Устройство для осушки герметичных отсеков космических аппаратов содержит корпус с предкамерой и вентилятором, входными и выходными патрубками, теплообменник и фитиль, причем боковая поверхность основания фитиля и соответственно днища корпуса выполнены в соответствии с поверхностью, образованной линиями стока потока поглощенной фитилем влаги при откачке ее насосом, что исключает наличие в основании фитиля нерабочих зон, т.е. зон, находящихся за пределами этой боковой поверхности, из которых в течение всего времени работы устройства влага не удаляется. Такое конструктивное выполнение основания фитиля и днища корпуса позволяет существенно уменьшить габаритно-массовые характеристики устройства. Кроме того, уменьшение упомянутых характеристик в предлагаемом устройстве достигается благодаря эффективной организации теплообмена при отводе тепла от прокачиваемого через устройство воздуха к хладоносителю, что позволяет сократить размеры теплообменников. Достоинством предлагаемого устройства является также и то, что в нем благодаря конструктивному выполнению фитилей исключается унос влаги из устройства в отсек осушенным воздухом, что сокращает время работы устройства и, следовательно, энергозатраты на его работу. 4 ил.

Устройство для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов, содержащее корпус с предкамерой с вентилятором, входными и выходными патрубками, теплообменник и фитиль, отличающееся тем, что днище корпуса выполнено с боковыми поверхностями, сходящимися к центральному выходному патрубку, в центральной части корпуса размещен жесткий фильтр, представляющий собой стержень с основанием, идентичным днищу корпуса, при этом боковые поверхности основания фитиля примыкают к внутренним поверхностям днища корпуса, по обе стороны стержня фитиля расположены теплообменники, выполненные в виде оребренных с двух сторон пластин и закрытых крышками со стороны корпуса, при этом торцевые поверхности крышек теплообменников образуют зазор с внутренней поверхностью основания фитиля, ребра, примыкающие торцами к стержню фитиля, образуют каналы для прохода воздуха, а ребра, примыкающие торцами к крышкам теплообменников, образуют каналы для прохода хладоносителя, между основанием днища и фитилем размещена капиллярная сетка, а наружные боковые поверхности крышек теплообменников и внутренние боковые поверхности корпуса снабжены дополнительными фитилями, контактирующими с основанием центрального фитиля, при этом части дополнительных фитилей на крышках теплообменников, расположенные в зазоре, имеют отверстия.