ОСУШИТЕЛЬ 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 станцией 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 в герметичных отсеках пилотируемых космических аппаратов, в частности в обитаемых отсеках орбитальных станций в зоне комфортных условий.

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

Блок охлаждения и осушки воздуха имеет следующие недостатки:
- требует наличия хладоносителя для обеспечения конденсации влаги на теплообменной поверхности конденсатора, при этом для эффективной осушки воздуха температура хладоносителя на входе теплообменник - конденсатор должна быть не выше 7 - 10 ^o C. Наличие такого уровня температур на подводящих трубах и арматуре, проложенных по обитаемым отсекам, может привести к несанкционированной конденсации влаги, что приведет к возникновению источников сырости и зон возможного развития бактериальной флоры. Все это ухудшает экологию среды обитания экипажа.

- наличие в охлаждающей системе рабочей жидкости может привести к ее утечке и, следовательно, к загрязнению среды обитания экипажа;
- имеет сравнительно большие габаритно-массовые характеристики, т.к. использование трубчатых теплообменников для конденсации влаги при омывании их поверхностей воздухом не позволяет достичь высокого уровня компактности - отношения площади теплообменной поверхности к занимаемому объему;
- требует 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 позволяет производить регулирования температуры охлаждающей поверхности.

Известен также "Воздухоохладительный агрегат" (см. Л. Н. Анатычук "Термоэлементы и термоэлектрические устройства", справочник, стр. 468, рис. XI 60), выбранный в качестве прототипа.

Воздухоохладительный агрегат содержит кожух с входными и выходными патрубками, устройство для отвода влаги и технологическую полость, образованную поверхностью теплообменника-конденсатора и поверхностью жидкостного теплообменника, в которой размещен термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами. Холодные спаи упомянутых модулей с тепловым контактом примыкают к поверхности теплообменника-конденсатора, а горячие спаи - к поверхности жидкостного теплообменика, с помощью которого отводится тепло от горячих спаев термоэлектрических модулей.

Устройство прототипа благодаря применению термоэлектрического охлаждения позволяет исключить присущие аналогу вышеописанные недостатки, а именно: не оказывает вредного воздействия на экологию окружающей среды, компактно и удобно в эксплуатации. Однако устройство прототипа имеет недостаток, связанный с тем, что термоэлектрические модули располагаются с технологическими зазорами. Это необходимо для того, чтобы не было непредусмотренных электрических контактов между термомодулями. В результате при работе воздухоохладительного агрегата через эти зазоры будет происходить передача тепла от "горячей" поверхности, к которой примыкают "горячие" спаи термомодулей к холодной поверхности. В условиях невесомости передача тепла через зазоры будет осуществляться и излучением. А т.к. продуваемый через устройство воздух будет свободно проникать в эти зазоры и там конденсироваться на холодной поверхности, то передача тепла теплопроводностью будет существенна, т.к. теплопроводность воды примерно на 2 порядка больше теплопроводности воздуха. Из-за этого эффективность работы устройства, характеризуемая холодильным коэффициентом (отношение производимого "холода" QX к потребляемой электроэнергии N) понижается. Чтобы обеспечить конденсацию заданного количества влаги из продуваемого через устройство воздуха потребуется большее потребление электроэнергии. А на космических аппаратах потребление электроэнергии всегда очень ограничено.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы осушителя воздуха герметичных отсеков космических аппаратов.

Сущность изобретения заключается в том, что в осушителе воздуха герметичных KA, содержащем кожух с входными и выходными патрубками, устройство для отвода влаги и технологическую полость, образованную основанием конденсатора и корпусом жидкостного теплообменника, в которой размещен термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами, свободный объем технологической полости заполнен несмачиваемым электротеплоизолятором.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями вновь созданная конструкция для осушки воздуха герметичных отсеков KA позволяет повысить эффективность работы устройства за счет повышения холодильного коэффициента и, следовательно, при одинаковом количестве конденсируемой влаги из прокачиваемого через устройство воздуха уменьшить, по сравнению с известными конструкциями, количество потребляемой энергии, что очень важно для KA, где энергопотребление очень ограничено.

Это достигается тем, что в предлагаемой конструкции весь свободный объем технологической полости заполнен несмачивамым электроизолятором, например, стеклотекстолитом. Заполнение свободного объема может быть осуществлено предварительно заготовленными по размеру и объему зазоров пластинами из стеклотекстолита или заполнением свободного объема зазора насыпным компонентом. Смачиваемые электротеплоизоляционные материалы использовать нельзя, хотя многие из них, например пенополиуретан, имеют меньший коэффициент теплопроводности, чем стеклотекстолит, но при увлажнении за счет адсорбирования влаги из воздуха они могут потерять электроизоляционные свойства и существенно ухудшить теплоизоляционные свойства. Заполнение зазоров электротеплоизолятором позволяет исключить непредусмотренные электрические контакты между термомодулями, т.е. исключить нарушение требуемой коммутации термомодулей и при этом существенно уменьшить передачу тепла от "горячей" поверхности к "холодной", т.к. при заполнении зазоров между термомодулями стеклотекстолитом передача тепла теплопроводностью уменьшается в 3-4 раза (коэффициент теплопроводности стеклотекстолита в 3-4 раза меньше, чем у воды), а передача тепла теплопроводностью полностью исключается.

Суть изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан вид сбоку на осушитель воздуха герметичных отсеков KF.

На фиг. 2 показан разрез по А-А.

Осушитель воздуха включает кожух 1, в центральной части которого размещено устройство для отвода влаги 2, например жесткий фитиль из пористого материала, выполненный в виде пластины 3 с коническим основанием 4. внутри кожуха 1 напротив каждой боковой поверхности пластины 3 установлен конденсатор 5, выполненный в виде основания 6 с ребрами 7, которые торцами примыкают к боковой поверхности пластины 3, а зазоры между ребрами образует каналы 8 для прохода воздуха. Напротив каждого основания 6 конденсатора 5 со стороны неоребренной его поверхности расположен жидкостной теплообменник 9, при этом основанием 6 конденсатора 5 и корпусом жидкостного теплообменника 9 образована технологическая полость 10, в которой размещен термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей 11, которые расположены с зазорами, заполненными электротеплоизолятором 12, выполненным в виде пластин из стеклотекстолита, подобранных на макете по форме и объему зазоров. "Холодные" поверхности термомодулей 11 с хорошим тепловым контактом прижаты к неоребренной поверхности основания 6 конденсатора 5, а "горячие" поверхности термомодулей 11 припаяны к корпусу жидкостного теплообменника 9. Кожух 1 снабжен предкамерой 13, герметично закрепленной на торцевых поверхностях оснований 6 конденсаторов 5, и в ее вершине установлен вентилятор 14. Полость 15 предкамеры 13, каналы для прохода воздуха 8, зазоры 16, образованные торцами технологической полости 10, свободный объем которой заполнен стеклотекстолитом, торцами жидкостных теплообменников 9 и внутренней поверхностью основания 4 устройства для отвода влаги 2, а также зазоры 17 между наружными поверхностями корпусов жидкостных теплообменник 9 и противолежащими им внутренними поверхностями кожуха 1 образуют единый воздушный тракт, соединенный с выходными патрубками 18. Между днищем кожуха 1 и основанием 4 устройства для отвода влаги 2 образована полость 19, в которой размещена капиллярная сетка 20 и которая снабжена патрубком 21 для подсоединения к нему насоса для откачки конденсата. Подача охлаждающей жидкости, например воды, в жидкостные теплообменники 9 осуществляется через патрубки 22, а вывод - через патрубки 23.

Осушитель воздуха герметичных отсеков KA работает следующим образом: при повышении влажности в обитаемом отсеке орбитальной станции выше допустимого уровня производится включение вентилятора 14, термоэлектрического охладителя 11, насоса откачки конденсата и агрегатов подачи хладагента в полости жидкостных теплообменников 9. Вентилятор начинает прокачивать влажный воздух из отсека через воздушный тракт осушителя воздуха. При движении воздуха через каналы 8 конденсатора 5 воздух за счет теплообменника с холодной поверхностью конденсатора охлаждается и при этом излишняя влага конденсируется на теплообменной поверхности конденсатора и стекает по его ребрам 7 к поверхности пластины 3 устройства для отвода влаги 2. За счет действия капиллярных сил влага всасывается пористым материалом устройства для отвода влаги 2 и перемещается в полость 19, откуда откачивается насосом. Осушенный воздух через зазоры 16, 17 и выходные патрубки 18 выбрасывается в отсек станции, где смешивается с воздухом отсека. В результате такого смешения влажность воздуха отсека постепенно понижается и при достижении заданного уровня влажности термоэлектрический охладитель 11, вентилятор 14, насос откачки конденсата и агрегаты подачи хладагента в полости теплообменников 9 выключаются.

Источником холода в предлагаемом осушителе воздуха является термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей 11, в котором при протекании через него тока на холодных спаях термомодулей происходит выделение холода. За счет хорошего теплового контакта холодных поверхностей термомодулей с основанием 6 конденсатора 5, выполненного из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например из АМГ 6, температура поверхности конденсатора практически совпадает с температурой холодных поверхностей термомодулей. Тепло, выделяемое прокачиваемым из отсека воздухом на поверхности конденсатора за счет охлаждения воздуха и конденсации излишней влаги, а также тепло, выделяемое на "горячих" спаях термомодулей, отводится хладагентом, прокачиваемым через полости теплообменников 9, корпуса которых припаяны к поверхностям горячих спаев термомодулей.

В известных устройствах воздух при движении внутри устройства попадает в технологическую полость, в которой расположен термоэлектрический охладитель и заполняет в ней весь свободный объем. Попадая в эту полость, воздух частично охлаждается и затем конденсируется на основании конденсатора, к которому примыкают "холодные" поверхности термомодулей, при этом происходит выделение дополнительного тепла на поверхности конденсатора. Кроме того, к этой поверхности подводится тепло излучением от "горячих" поверхностей корпусов теплообменников 9 через зазоры между термомодулями и теплопроводностью через водовоздушную среду, заполняющую зазоры. В предлагаемой конструкции, в отличие от известных, прокачиваемый воздух не попадает в технологическую полость, т.к. весь ее свободный объем заполнен электротеплоизолятором, что приводит к существенному уменьшению теплопритока к "холодной" поверхности конденсатора. При меньшем теплопритоке температура на поверхности конденсатора будет ниже и, следовательно, интенсивность охлаждения прокачиваемого воздуха и конденсации излишней влаги будет выше, что позволит быстрее достичь требуемой работы осушителя, это приведет к уменьшению потребления энергии, что очень важно для КА, где электроэнергия всегда в дефиците. Для обеспечения осушки воздуха до того же уровня влажности за тоже время в известных устройствах потребуется к термоэлементам подводить большую мощность по сравнению с предлагаемым устройством.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достигнуть нового технического результата - повысить эффективность работы осушителя воздуха герметичных отсеков КА за счет повышения холодильного коэффициента.

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 подводных лодках и в закрытых помещениях с повышенными температурой и влажностью. Осушитель воздуха герметичных отсеков космических аппаратов содержит кожух с входными и выходными патрубками, устройство для отвода влаги и технологическую полость, образованную основанием конденсатора и корпусом жидкостного теплообменника, в которой размещен термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами, при этом свободный объем технологической полости заполнен несмачиваемым электроизолятором. Преимущество предлагаемого технического решения по сравнению с известными состоит в том, что благодаря заполнению свободного объема технологической полости, где располагаются термоэлектрический охладитель, несмачиваемым электротеплоизолятором существенно уменьшается приток тепла, от "горячей" поверхности, к которой припаяны "горячие" поверхности термоэлектрических модулей, к "хоподной" поверхности, что приводит к повышению холодильного коэффициента (отношение производимого "холода" к потребляемой электроэнергии), который характеризует эффективность работы таких устройств. 2 ил.

Осушитель воздуха герметичных отсеков космических аппаратов, содержащий кожух с входными и выходными патрубками, устройство для отвода влаги и технологическую полость, образованную основанием конденсатора и корпусом жидкостного теплообменника, в которой размещен термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами, отличающийся тем, что свободный объем технологической полости заполнен несмачиваемым электротеплоизолятором.