ХОЛОДИЛЬНО-СУШИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2001 года по МПК B64G1/48 

Предлагаемый холодильно-сушильный агрегат (ХСА), предназначен в основном для систем кондиционирования воздуха в обитаемых отсеках космических аппаратов в условиях космического пространства, где необходимо собирать выделяемую экипажем влагу и отводить ее в систему регенерации воды из конденсата.

Холодильно-сушильный агрегат является разновидностью автономного кондиционера, обеспечивающего охлаждение и осушку воздуха в помещении. Принцип действия таких кондиционеров практически одинаков, однако они заметно отличаются по своей конструкции.

Типовой кондиционер состоит из компрессора, конденсатора, расширительного устройства, холодильно-сушильного теплообменника с вентилятором и системой удаления конденсата, который в литературе по кондиционированию называется испарительным теплообменником. При этом в наземных условиях холодильно-сушильный агрегат устанавливается в виде отдельного блока внутри помещения, а снаружи помещения устанавливается вторая часть кондиционера (компрессорно-конденсаторный агрегат). Эти два агрегата связаны между собой трубками, по которым хладагент из компрессорно-конденсаторного агрегата поступает в холодильно-сушильный агрегат. Конструктивная схема такого агрегата приведена в книге О.Я.Кокорина "Установки кондиционирования воздуха", Москва, изд. Машиностроение, 1978 г. на странице 255, а также на стр. 247 этой же книги.

На борту космических аппаратов используют два типа холодильно-сушильных агрегатов: для работы на однофазном теплоносителе типа этиленгликоля или растворов глицерина, а также для работы на двухфазном теплоносителе.

В отличие от наземных аппаратов, где влага, сконденсировавшись на оребренных трубках теплообменника под действием силы тяжести стекает в поддоны, в условиях космического пространства вследствие отсутствия гравитации, сбор влаги осуществляется с помощью гидрофобного материала, впитывающего сконденсировавшуюся влагу, из которого она с помощью насоса откачивается в систему регенерации воды или в сборники конденсата. Это существенное различие в конструкции наземных и бортовых холодильно-сушильных агрегатов.

Прототипом заявляемого устройства является холодильно-сушильный агрегат, описанный на стр. 175- 176 в книге А.С.Елисеева "Техника космических полетов", изд. Машиностроение, 1983 г. Холодильно-сушильный агрегат включает в себя корпус с вентилятором, теплообменной поверхностью, выполненной в виде секций трубок с теплоносителем, влагопоглощающими элементами, установленными между этими секциями, теплопроводящие ребра.

Недостатком указанного холодильно-сушильного агрегата является его достаточно низкая эффективность в части влагосбора, поскольку ребра на трубках были прямоугольной формы, их толщина и форма выбирались только из соображений технологичности изготовления и имеющейся номенклатуры оребренных трубок, поскольку не существовало математического соотношения, связывающего теплофизические параметры секций оребренных трубок с температурой теплоносителя и окружающего воздуха. Как правило, температуру ниже точки росы поддерживали только в трубке и на рабочей поверхности ребра вблизи места контакта. Чем дальше от места крепления ребра, тем выше температура его рабочей поверхности. Это происходит за счет нагревания ребра при обдувании его воздухом. Такой режим позволял охлаждать воздух, но эффективный влагосъем на рабочей поверхности ребра организовать при этом не удается, поскольку значительная часть площади рабочей поверхности находится при температуре выше точки росы и конденсация на ней не происходит.

Кроме того, в прототипе воздух прокачивается сначала через перфорированный корпус холодильно-сушильного агрегата, затем через секцию оребренных неперфорированных трубок с плоскими ребрами, между каждой из трубок установлены влагопоглощающие пластины, кроме того, и внутренняя полость ХСА - прототипа заполнена воздухопроницаемым влагопоглощающим материалом.

Такая конструкция ХСА имеет большое гидравлическое сопротивление по воздуху, что заставляет применять высоконапорные вентиляторы, имеющие высокий уровень шума и большое энергопотребление.

Задачей предлагаемого изобретения являлось повышение эффективности влагосъема холодильно-сушильного агрегата и снижение гидравлического сопротивления воздушного тракта холодильно-сушильного агрегата за счет повышения эффективности теплообменной поверхности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в холодильно-сушильном агрегате, включающем корпус с вентилятором, теплообменной поверхностью, выполненной в виде секций трубок с теплоносителем, влагопоглощающими элементами, установленными между этими секциями, теплопроводящие ребра, причем ребра трубок выполнены в форме полуокружности с радиусом R, где 2R - расстояние между соседними влагопоглощающими пластинами, а длина ребер l выбирается из соотношения:

где
λ - теплопроводность материала ребра,
δ - толщина материала ребра,
f - площадь поперечного сечения ребра,
α - коэффициент теплоотдачи ребра к окружающей среде (заданная фиксированная величина),
Δt - температурный перепад между температурой теплоносителя внутри трубки и заданной температурой воздуха (заданная фиксированная величина),
q - холодопроизводительность трубки с ребром (заданная фиксированная величина),
трубки с теплоносителем закреплены с внутренней стороны теплопроводящего ребра, в точке пересечения полуокружности и нормали n к плоскости вращения вентилятора, причем ребра выполнены перфорированными, влагопоглощающие элементы выполнены в виде пластин, при этом каждая влагопоглощающая пластина, установленная между секциями, связана на выходе теплообменника с общей коллекторной влагопоглощающей пластиной, последний ряд трубок каждой секции имеет воздухонепроницаемую перегородку, закрепленную между концами ребер и образующую замкнутую полость, сообщенную с выходным воздушным отверстием корпуса.

Конкретную реализацию предлагаемого изобретения рассмотрим на примере холодильно-сушильного агрегата системы кондиционирования служебного модуля между народной космической станции.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На чертеже изображена схема предлагаемого холодильно-сушильного агрегата,
где
1 - корпус,
2 - вентилятор,
3 - трубка с хладагентом,
4 - перфорированное теплопроводящее ребро,
5 - межсекционные влагопоглощающие пластины,
6 - коллекторная влагопоглощающая пластина,
7 - воздухонепроницаемая перегородка.

Холодильно-сушильный агрегат включает установленные в едином корпусе 1 вентилятор 2, секции трубок с теплоносителем 3, имеющие перфорированные ребра 4, выполненные в виде полуокружности, нормали которых, проходящие через вершины каждой полуокружности, перпендикулярны плоскости вращения вентилятора, причем трубки жестко прикреплены к ребрам в вершине полуокружностей с внутренней стороны ребра. Концы ребер каждой секции касаются межсекционных влагопоглощающих пластин 5, которые, в свою очередь, на выходе теплообменника связаны с коллекторной влагопоглощающей пластиной 6. Последний ряд ребер каждой секции имеет воздухонепроницаемую перегородку 7, закрепленную между концами ребер.

Выбор длины теплопроводящего ребра осуществляется следующим образом.

Для обеспечения требуемого влагосъема экипажа из трех человек заданная холодопроизводительность должна составлять не менее 1 кВт на температурном уровне 9-10^oC. Заданная температура воздуха в термоотсеке составляет 25^oC, при этой температуре и необходимой для экипажа и приборного оборудования относительной влажности воздуха температура точки росы составит 12^oC. Температурный перепад между температурой теплоносителя внутри трубки и заданной температурой воздуха принимаем равным 20^oC. Коэффициент теплоотдачи от окружающей среды при этих условиях задается α = 20 Вт/м² град. Трубки и теплопроводящие ребра выполнены из алюминиевого сплава с коэффициентом теплопроводности 100 Вт/м град. Задаемся толщиной стенки трубки и теплопроводящего ребра, равной 1 мм. Количество секций с трубками в холодильно-сушильном агрегате принимаем равным 4, причем каждая секция состоит из 25 трубок с прикрепленными теплопроводящими пластинами. Тогда холодопроизводительность трубки с теплопроводящим ребром будет составлять 10 Вт. Площадь поперечного сечения ребра в этой конструкции определяется как произведение толщины ребра на его ширину. Подставляя указанные данные в приведенное выше математическое соотношение получаем необходимую длину ребра, предположим 60 мм. Учитывая, что каждая трубка прикреплена к середине ребра, радиус полуокружности, по которой изгибают ребро этой длины, составит 19 мм. Тогда расстояние между влагопоглощающими элементами, установленными между каждой секцией, составит 38 мм. Перфорация ребер может быть выполнена различным образом, необходимо только обеспечить заданную производительность вентилятора по воздуху в этом агрегате. В конкретном случае она выполняется сверлением отверстий диаметром 2 мм по всей поверхности ребра. Последний ряд трубок каждой секции имеет воздухопроницаемую перегородку, закрепленную между концами ребер. При этом она образует замкнутую полость, сообщенную с выходным воздушным отверстием корпуса.

Холодильно-сушильный агрегат работает следующим образом.

Влажный воздух обитаемого отсека нагнетается вентилятором 2 внутрь корпуса 1 холодильно-сушильного агрегата. Проходя через перфорированные ребра 4, охлаждаемые проходящим по трубкам 3 хладагентом до температуры, ниже температуры точки росы, воздух охлаждается и конденсируется на поверхности ребер. Скондесировавшаяся влага под действием набегающего воздушного потока, перемещаясь по поверхности ребер 4, попадает на межсекционные влагопоглощающие пластины 5, впитывается ими и под действием капиллярных сил поступает сначала внутрь пластин, а затем попадает под действием капиллярных сил и разрежения, создаваемого внешним насосом откачки конденсата, в коллекторную влагопоглощающую пластину 6, отводится от холодильно-сушильного агрегата либо в систему регенерации конденсата, либо в сборники конденсата. Пройдя каждую секцию перфорированных теплопроводящих пластин, охлажденный и осушенный воздух после последнего ряда трубок попадает в полость, образованную воздухонепроницаемой перегородкой 7 и последней перфорированной пластиной, соединенную с выходным воздушным отверстием корпуса холодильно-сушильного агрегата, через которое воздух выходит в отсек станции.

Предложенное математическое выражение, связывающее теплопроводность и толщину материала ребра, площадь поперечного сечения ребра, заданные значения коэффициента теплоотдачи ребра к окружающей среде, температурный перепад между температурой воздуха и холодопроизводительностью трубки с ребром позволяет выбрать длину ребра l трубки, температура поверхности которого будет всегда ниже точки росы, что обеспечит гарантированный влагосъем на всей поверхности теплопроводящей пластины при наименьших энергетических затратах.

Предложенная конструкция холодильно-сушильного агрегата реализована в конструкции системы кондиционирования воздуха служебного модуля международной космической станции. При этом использованы все материалы российского производства, выпускающиеся промышленными партиями. В качестве влагопоглощающих пластин используется пенополивинилформаль марки "Аквипор" ТУ 6-05-221-833-87, хорошо зарекомендовавшая себя в холодильно-сушильных агрегатах космических аппаратов первого поколения, например транспортных кораблей "Союз", орбитальных станций "Салют". В качестве хладагента используется фреоновая смесь R218, выпускаемая отечественными предприятиями и использующаяся в промышленных холодильных установках. Трубки, пластины, корпус холодильно-сушильного агрегата изготовлены из алюминиевых сплавов по общепринятой в отечественной промышленности технологии.

Изобретение предназначено для систем кондиционирования воздуха в обитаемых гермоотсеках космических аппаратов в условиях космического пространства. Холодильно-сушильный агрегат содержит корпус с вентилятором и теплообменную поверхность. Теплообменная поверхность содержит секции трубок с теплоносителем и влагопоглощающие элементы. Причем ребра трубок выполнены в форме полуокружности. Длина ребер выбирается из соотношения, которое связывает теплопроводность и толщину материала ребра, площадь поперечного сечения ребра, заданные значения коэффициента теплоотдачи ребра к окружающей среде, температурный перепад между температурой воздуха и холодопроизводительностью трубки с ребром. Соотношение позволяет выбрать длину ребра трубки такой, что температура поверхности ребра будет всегда ниже точки росы, что обеспечит гарантированный влагосъем на всей поверхности теплопроводящей пластины при наименьших энергетических затратах. 1 ил.

Холодильно-сушильный аппарат, включающий корпус с вентилятором, теплообменной поверхностью, выполненной в виде секций трубок с теплоносителем, влагопоглощающими элементами, установленными между этими секциями, теплопроводящими ребрами, отличающийся тем, что ребра трубок выполнены в форме полуокружности с радиусом R, где 2R - расстояние между соседними влагопоглощающими элементами, а длина ребер l выбирается из соотношения


где λ - теплопроводность материала ребра;
δ - толщина материала ребра;
f - площадь поперечного сечения ребра;
α - коэффициент теплоотдачи ребра к окружающей среде (заданная фиксированная величина);
Δt - температурный перепад между температурой теплоносителя внутри трубки и заданной температурой воздуха (заданная фиксированная величина);
q - холодопроизводительность трубки с ребром (заданная фиксированная величина),
трубки с теплоносителем закреплены с внутренней стороны теплопроводящего ребра в точке пересечения полуокружности и нормали n к плоскости вращения вентилятора, причем ребра выполнены перфорированными, влагопоглощающие элементы выполнены в виде пластин, при этом каждая влагопоглощающая пластина, установленная между секциями, связана на выходе теплообменника с общей коллекторной влагопоглощающей пластиной, последний ряд трубок каждой секции имеет воздухонепроницаемую перегородку, закрепленную между концами ребер и образующую замкнутую полость, сообщенную с выходным воздушным отверстием корпуса.