ВОЗДУШНАЯ СИСТЕМА ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2002 года по МПК F24F5/00 F24F3/14 B64D13/00 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для обеспечения необходимых температурно-влажностных режимов космических объектов в процессе их наземной подготовки на стартовой позиции, особенно в зимних условиях, когда атмосферный воздух, забираемый для термостатирования, имеет низкие температуру и влагосодержание и требует подогрева и увлажнения без капельной влаги, то есть качественного и надежного кондиционирования.

Известна система кондиционирования, в которой производится тепловлажностная обработка атмосферного воздуха, содержащая воздухозаборное устройство, утепленный клапан, воздушный фильтр, калориферы первой ступени подогрева, имеющие обводной канал, регулирующие клапаны, регулирующие устройства, смесительную камеру, в которой подогретый атмосферный воздух подмешивается с воздухом, поступающим из кондиционируемого помещения, каплеотделитель, оросительную камеру с форсунками для увлажнения воздуха путем разбрызгивания воды, второй каплеотделитель, поддон, в который стекает разбрызгиваемая вода, вторую смесительную камеру, в которой к увлажненному воздуху вновь подмешивается воздух, поступающий из кондиционируемого помещения, фильтр, калорифер второй ступени подогрева с обводным каналом, регулирующие клапаны, регулирующие задвижки, вентилятор и распределительную сеть воздуховодов [1].

К достоинствам этой системы следует отнести возможность кондиционирования воздуха в жилых и производственных помещениях, в которых воздух не загрязнен вредными веществами, а к числу недостатков - следующее:
- использование неочищенной водопроводной воды, содержащей различные примеси, находящиеся во взвешенном состоянии (мелкие твердые частицы извести, солей кальция, магния и др.), которые могут уноситься водонасыщенным потоком, забивать форсунки, фильтры и, частично пройдя последние, отлагаться на поверхности элементов конструкции, что недопустимо для воздушного термостатирования космических объектов, так как не только снижает качество, надежность и эффективность термостатирования, но и может привести к нарушению условий для нормального функционирования космических объектов;
- возможность попадания капельной влаги на термостатируемый объект, что недопустимо;
- сложность и низкие параметры кондиционирования (темп, производительность, тепловая мощность), вследствие чего систему невозможно использовать для обеспечения необходимых температурно-влажностных режимов космических объектов.

Известна увлажнительная установка с кипятильником, содержащая бак с водой, регулятор уровня, поплавковый выключатель, регулятор влажности воздуха, контактор, датчик влажности (сухой и увлажненный термометры сопротивления), паропровод и трубопровод подачи, соединяющий компрессор с кабиной самолета [2].

К достоинствам этой установки можно отнести простоту конструкции и несложность в изготовлении, а к недостаткам - следующее:
- использование неочищенной воды, вызывающей загрязнение не только пара, но и поверхности кипятильника (а также внутренней поверхности бака), что ухудшает теплопередачу от кипятильника к воде, снижает надежность и эффективность работы;
- возможность попадания капельной влаги на элементы конструкции (аппаратуру, приборы, источники питания и т.п.), поскольку насыщенный пар в баке не подвергается ни нагреву, ни перегреву, что при термостатировании космических объектов недопустимо, так как это снизило бы качество, надежность и эффективность воздушного термостатирования;
- необходимость надежного смачивания одного из термометров сопротивления, что усложняет эксплуатацию психрометрических датчиков, а стало быть и установки в целом, что снижает их надежность.

Известно теплообменное устройство для перегрева насыщенного пара, содержащее теплоизолированный корпус с патрубками подачи и отвода пара, в котором размещены трубчатые электронагревательные элементы с токоподводящими концами, выведенными в примыкающую к корпусу камеру охлаждения [3].

К достоинствам этого устройства можно отнести высокую герметичность соединения элементов и несложность изготовления.

К недостаткам следует отнести следующее:
- наличие одного лишь пароперегревателя недостаточно для оптимального воздушного термостатирования космических объектов;
- чрезмерно высокие параметры перегретого пара, создаваемые устройством (давление 0,6-0,8 МПа, температура 350-380^oС), невозможно использовать для воздушного термостатирования. Все это вместе взятое не обеспечивает необходимую надежность термостатирования.

Анализ патентов и научно-технической литературы показал, что по технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близкой к предлагаемому изобретению является воздушная система термостатирования головного блока (с космическим объектом) на стартовой позиции с расходом воздуха 4 м³/с и температурой от минус 10 до 40^oС. Эта система содержит размещенные на агрегате (башне) обслуживания вентиляторы для подачи воздуха, фильтр, воздухоохладители первой и второй ступеней, электронагреватель, линию оттаивания воздухоохладителей, включающую вентилятор оттайки и электронагреватель оттайки, трубопровод подачи и механизм отвода бортового разъемного соединения, размещенный на земле холодильный центр, в котором расположены холодильные машины, рассольные баки для теплоносителя, группа насосов, система рассольных и водяных трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой и пульты управления [4].

Данная воздушная система термостатирования головного блока выбрана нами в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

К достоинствам прототипа следует отнести возможность обеспечения и поддержания заданной температуры термостатирующего воздуха, подаваемого в головной блок, а к недостаткам - невозможность обеспечения и поддержания влажности воздуха в требуемом оптимальном диапазоне без искусственного увлажнения воздуха чистым паром, не содержащим капельную влагу, что снижает качество, надежность и эффективность воздушного термостатирования, без которых немыслимо обеспечение и поддержание заданных температурно-влажностных режимов космических объектов на этапе их предпусковой подготовки.

Задачей изобретения является повышение качества, надежности и эффективности воздушного термостатирования космических объектов путем увлажнения термостатирующего воздуха нагретым чистым паром, не содержащим капельной влаги.

Требуемый технический результат достигается благодаря тому, что воздушная система термостатирования космических объектов, содержащая вентилятор, трубопровод подачи с фильтром и запорно-регулирующей арматурой, соединяющий вход системы с вертикальным трубопроводом, проложенным по агрегату обслуживания и соединенным с входным люком космического объекта, воздухоохладители первой и второй ступеней и связанный с ними холодильный центр, электронагреватель, линию оттаивания воздухоохладителей, включающую вентилятор оттайки и электронагреватель оттайки, и пульты управления, согласно изобретению снабжена соединенным с трубопроводом подачи резервуаром и соединенным с ним посредством вертикального трубопровода с управляемой задвижкой теплоизолированным увлажнителем воздуха, выполненным в виде парогенератора, состоящего из заполненной дистиллированной водой и снабженной стаканом цилиндрической емкости с установленными на ней шкалой уровня, датчиками нижнего и верхнего уровней, в нижней части которой расположены закрепленные в ее торцевых стенках блоки трубчатых электронагревателей, и паронагревателя, представляющего трубчатый электронагреватель, установленный внутри стакана и закрытый сверху герметичной крышкой, при этом стакан через выходной патрубок и паропровод соединен с трубопроводом подачи.

Авторам предлагаемого изобретения не известны аналогичные технические решения, в связи с чем, по мнению авторов, заявляемая совокупность неразрывно связанных существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, обеспечивающих достижение требуемого технического результата, соответствует критериям изобретения "существенные отличия" и "положительный эффект".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана воздушная система термостатирования космических объектов; на фиг.2 - выноска А на фиг. 1 - схема расположения трубки, соединяющей трубопровод подачи 2 с резервуаром 18; на фиг.3 - выноска Б на фиг.1 - схема расположения в трубопроводе подачи 2 выходной части паропровода 30 (стрелкой указано направление потока).

Система содержит установленный на земле вентилятор 1, трубопровод подачи 2 с фильтром 3 и запорно-регулирующей арматурой 4, соединяющий вход 5 системы с вертикальным трубопроводом 6 с фильтрами тонкой очистки (последние условно не показаны), проложенным по агрегату обслуживания 7 и соединенным с входным люком 8 космического объекта 9, воздухоохладители первой 10 и второй 11 ступеней и связанный с ними холодильный центр 12, электронагреватель 13, линию оттаивания 14 воздухоохладителей 11, включающую вентилятор 15 оттайки и электронагреватель 16 оттайки, а также пульты управления 17, расположенные в холодильном центре 12.

Воздушная система термостатирования космических объектов снабжена соединенным с трубопроводом подачи 2 резервуаром 18 и соединенным с ним посредством вертикального трубопровода 19 с управляемой задвижкой 20 теплоизолированным увлажнителем 21 воздуха. Все оборудование расположено в помещении.

Увлажнитель 21 воздуха выполнен в виде парогенератора, состоящего из заполненной дистиллированной водой и снабженной стаканом 22 цилиндрической емкости с установленными на ней шкалой 23 уровня, датчиками нижнего 24 и верхнего 25 уровней. В нижней части емкости увлажнителя 21 воздуха расположены закрепленные в ее торцовых стенках блоки трубчатых электронагревателей 26. Паронагреватель 27 представляет собой трубчатый электронагреватель, установленный внутри стакана 22 и закрытый сверху герметичной крышкой 28. Стакан 22 через выходной патрубок 29 и паропровод 30 соединен с трубопроводом подачи 2.

Воздушная система термостатирования космических объектов работает по разомкнутому циклу, то есть с выбросом воздуха наружу.

Летом атмосферный воздух имеет высокие температуру и влагосодержание. Прежде чем подать такой воздух на термостатирование, его необходимо охладить и осушить. Охлаждение воздуха происходит в два этапа: на первом этапе атмосферный воздух, засасываемый вентилятором 1 и подаваемый в трубопровод подачи 2, проходит через фильтр 3, где очищается от пыли и грязи, охлаждается в воздухоохладителе 10 первой ступени до температуры 2-5^oС за счет теплообмена с теплоносителем (27-29%-ный раствор хлористого кальция), поступающим из холодильного центра 12. Одновременно происходит осушение - высадка (до 95%) влаги, содержащейся в забираемом воздухе, которая стекает в поддон воздухоохладителя и отводится.

На втором этапе воздух в воздухоохладителе 11 второй ступени охлаждается до температуры ниже 0^oС с выпадением влаги на поверхности воздухоохладителя в виде инея ("снеговой шубы"). По мере уменьшения сечения воздухоохладителя вследствие образования инея подача воздуха с одного воздухоохладителя переключается на другой, а для оттаивания первого из двух параллельных воздухоохладителей 11 включаются вентилятор 15 оттайки и электронагреватель 16 оттайки. Этот воздух для термостатирования не используется и выбрасывается через сбросной вентиль в атмосферу.

Таким образом, охлажденный воздух, пройдя электронагреватель 13 (который включается по мере необходимости), по трубопроводу подачи 2 и вертикально установленному трубопроводу 6 (снабженному фильтрами тонкой очистки) подается через люк 8 на термостатирование космического объекта 9.

Зимой атмосферный воздух имеет низкие температуру и влагосодержание.

В тех случаях, когда относительная влажность воздуха не ниже минимально допустимого значения, например 30%, подаваемый на термостатирование воздух подогревается в электронагревателе 13.

При этом для получения воздуха с заданной "точкой росы" он предварительно может охлаждаться в воздухоохладителях, где происходит выпадение влаги.

Во всех случаях (летом, зимой), когда относительная влажность атмосферного воздуха ниже минимально допустимого значения или возникает необходимость повышения относительной влажности до оптимального или максимально допустимого значения, предлагаемое изобретение позволяет осуществить необходимое увлажнение воздуха при любых климатических и метеорологических условиях.

До начала работы трубопровод подачи 2 соединяют с резервуаром 18, а затем по вертикальному трубопроводу 19 через управляемую задвижку 20 заполняют увлажнитель 21 воздуха дистиллированной водой.

Управляемая задвижка 20 автоматически следит за уровнем дистиллированной воды, отключая трубчатые электронагреватели (ТЭНы) 26 при понижении уровня по сигналу датчика 24 нижнего уровня и отсекая подачу дистиллированной воды в увлажнитель 21 воздуха по сигналу датчика 25 верхнего уровня.

Блоки трубчатых электронагревателей 26 нагревают дистиллированную воду до температуры кипения. Образовавшийся при этом пар нагревается (в случае необходимости перегревается) в стакане 22 паронагревателем 27 и через выходной патрубок 29 подается в паропровод 30 и далее, смешиваясь с воздухом, подаваемым вентилятором 1, по трубопроводу подачи 2 и вертикальному трубопроводу 6 поступает на термостатирование космического объекта 9.

Для контроля влажности и температуры термостатирующего воздуха на агрегате 7 обслуживания перед входным люком 8 космического объекта 9 установлен термогигрометр 31 - датчик температуры и влажности (такой же термогигрометр 32 установлен на входе 5 в систему).

Вторичный прибор (преобразователь) датчика установлен в холодильном центре 12 в пульте управления 17. Контролируемые параметры термостатирующего воздуха - температура, температура точки росы и относительная влажность - отображаются на вторичном приборе.

Снабжение воздушной системы термостатирования космических объектов соединенным с трубопроводом подачи 2 резервуаром 18 и соединенным с ним посредством вертикального трубопровода 19 с управляемой задвижкой 20 теплоизолированным увлажнителем 21 воздуха, выполненным в виде парогенератора, состоящего из заполненной дистиллированной водой и снабженной стаканом 22 цилиндрической емкости с установленными на ней шкалой уровня 23, датчиками нижнего 24 и верхнего 25 уровней, позволяет, во-первых, иметь в резервуаре 18 достаточный запас чистой, дистиллированной воды, не содержащей механических примесей, могущих загрязнять пар, что повышает качество, надежность и эффективность воздушного термостатирования космических объектов, повышает готовность системы к штатной работе, во-вторых, осуществить выдавливание из резервуара 18 дистиллированной воды по вертикальному трубопроводу 19 через управляемую задвижку 20 в увлажнитель воздуха 21. Этому способствует также то, что резервуар 18 расположен выше увлажнителя 21 воздуха. В-третьих, благодаря управляемой задвижке 20, автоматически следящей за уровнем дистиллированной воды в увлажнителе 21 воздуха, представляется возможным заблаговременно отключить ТЭНы 26 по сигналу датчика 24 нижнего уровня и гарантировать их защиту от перегорания, а также прекратить подачу дистиллированной воды по сигналу датчика 25 верхнего уровня и поддерживать необходимый объем для образующегося пара. Все это повышает качество, надежность, технический уровень и эффективность предлагаемого изобретения.

Шкала уровня 23 позволяет визуально наблюдать за уровнем дистиллированной воды в увлажнителе 21 воздуха. Использование цилиндрической емкости для увлажнителя 21 воздуха позволяет в ее нижней части оптимально (например, в шахматном порядке) расположить блоки ТЭНов 26, закрепив их токоподводящие концы в торцевых стенках емкости, а внутри стакана 22 установить паронагреватель 27, что повышает компактность конструкции и облегчает процесс эксплуатации.

То, что токоподводящие концы ТЭНов 26 закрыты сверху герметичной крышкой, повышает их надежность и безопасность работы. Соединение стакана 22 через выходной патрубок 29 и паропровод 30 с трубопроводом подачи 2 делает возможным надежное увлажнение воздуха, подаваемого вентилятором 1. Участок, трубопровода подачи 2 от места ввода пара (фиг.3), включая вертикальный трубопровод 6 с фильтрами тонкой очистки, до термогигрометра 31 служит камерой смешения пара с воздухом, что также повышает качество и надежность термостатирования.

Таким образом, совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, их неразрывное единство и целенаправленность позволяют получить существенный положительный эффект, а именно повысить качество, надежность и эффективность воздушного термостатирования космических объектов путем увлажнения термостатирующего воздуха нагретым чистым паром, не содержащим капельную влагу, а также, как показали расчетно-теоретические исследования, обеспечить необходимые температурно-влажностные режимы космических объектов (в диапазонах температур от 5 до 80^oС и относительной влажности от 25 до 85%) при любых климатических и метеорологических условиях.

Изобретение будет использовано в полном объеме в системах воздушного термостатирования космических объектов типа "Кластер-2".

Источники информации
1. Богословский В.Н., Щеглов В.П., Разумов Н.Н. Отопление и вентиляция. 2-е издание, перераб. и дополн. - М.: Стройиздат, 1980, с.245-246, рис. XVI. 2 - аналог.

2. Быков Л.Т., Егоров М.С., Тарасов П.В, Высотное оборудование самолетов. М.: Госиздат оборонной промышленности, 1958, с. 90-92, фиг.2.22 - аналог.

3. RU 2062963 C1, 27.06.1996 г. - аналог.

4. Космодром. Под общей редакцией А.П.Вольского. М.: Воениздат, 1977, с. 210-211, рис. 6.2 - прототип.

5. RU 2135910 C1, 05.01.98 - аналог.

6. SU 456120 А, 05.01.75 - аналог.

7. SU 1783259 A1, 23.12.92 - аналог.

8. SU 606049 A1, 16.11.76 - аналог.

9. SU 552472 A1, 22.08.75 - аналог.

10. SU 422170 A1, 02.03.71 - аналог.

11. SU 308277 А, 09.01.70 - аналог.

12. RU 569263 А, 10.12.75 - аналог.

13. SU 681299 А, 26.12.77 - аналог.

14. US 3287924 А, 1966 - аналог.

15. Космонавтика. Энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1985, 528 с. Термостатирование, с. 395 - аналог.

16. Ракеты-носители. Под общей редакцией проф. С.О.Осипова. М.: Воениздат, 1981, 315 с. - аналогов не обнаружено.

17. Космические программы, ракеты-носители и космические объекты РФ, США, Великобритании, Франции, ФРГ, ЧССР, Китая, Индии, Японии и др. В кн.: Космонавтика. Энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, с. 180-200 - аналогов не обнаружено.

18. RU 2064733 (1966) - 2074521 А, 27.02.97 - аналоги.

19. Заявка Франции 2186114 А, 1974.

20. Франция 2566985 от 1986, Н 05 В 3/28.

21. US 1980528 (1932) - 3255337 (1966), НК 219-528 - аналогов не обнаружено.

22. ЕР 62079 от 1981, кл. Н 05 В 3/34.

23. Япония 49-28694, Н 05 В 3/34, 1981.

24. ФРГ 1440642 (заявка), Н 05 В 3/36, 1973.

25. ФРГ 2202208, F 21 H 2/01, 1973.

26. Великобритания 1115643, Н 05 В 3/34, 1968.

27. ГДР 253470, F 24 J 3/18, 1988.

28. SU 11884883, F 26 B 23/04, 1985.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для обеспечения необходимых температурно-влажностных режимов космических объектов в процессе их наземной подготовки на стартовой позиции, особенно в зимних условиях, когда атмосферный воздух, забираемый для термостатирования, имеет низкие температуру и влагосодержание и требует подогрева и увлажнения без капельной влаги, то есть качественного и надежного кондиционирования. Воздушная система термостатирования космических объектов содержит вентилятор, трубопровод подачи с фильтром и запорно-регулирующей арматурой, соединяющий вход системы с вертикальным трубопроводом, проложенным по агрегату обслуживания и соединенным с входным люком космического объекта, воздухоохладители первой и второй ступеней и связанный с ними холодильный центр, электронагреватель, линию оттаивания воздухоохладителей, включающую вентилятор оттайки и электронагреватель оттайки, и пульты управления, согласно изобретению снабжена соединенным с трубопроводом подачи резервуаром и соединенным с ним посредством вертикального трубопровода с управляемой задвижкой теплоизолированным увлажнителем воздуха, выполненным в виде парогенератора, состоящего из заполненной дистиллированной водой и снабженной стаканом цилиндрической емкости с установленными на ней шкалой уровня, датчиками нижнего и верхнего уровней, в нижней части которой расположены закрепленные в ее торцевых станках блоки трубчатых электронагревателей, и паронагревателя, представляющего трубчатый электронагреватель, установленный внутри стакана и закрытый сверху герметичной крышкой, при этом стакан через выходной патрубок и паропровод соединен с трубопроводом подачи. Техническим результатом является повышение качества, надежности и эффективности воздушного термостатирования космических объектов путем увлажнения термостатируемого воздуха нагретым чистым паром, не содержащим капельной влаги. 3 ил.

Воздушная система термостатирования космических объектов, содержащая вентилятор, трубопровод подачи с фильтром и запорно-регулирующей арматурой, соединяющий вход системы с вертикальным трубопроводом, проложенным по агрегату обслуживания и соединенным с входным люком космического объекта, воздухоохладители первой и второй ступеней и связанный с ними холодильный центр, электронагреватель, линию оттаивания воздухоохладителей, включающую вентилятор оттайки и электронагреватель оттайки, и пульты управления, отличающаяся тем, что она снабжена соединенным с трубопроводом подачи резервуаром и соединенным с ним посредством вертикального трубопровода с управляемой задвижкой теплоизолированным увлажнителем воздуха, выполненным в виде парогенератора, состоящего из заполненной дистиллированной водой и снабженной стаканом цилиндрической емкости с установленными на ней шкалой уровня, датчиками нижнего и верхнего уровней, в нижней части которой расположены закрепленные в ее торцевых стенках блоки трубчатых электронагревателей, и паронагревателя, представляющего трубчатый электронагреватель, установленный внутри стакана и закрытый сверху герметичной крышкой, при этом стакан через выходной патрубок и паропровод соединен с трубопроводом подачи.