СПОСОБ ЗАПРАВКИ СИСТЕМ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДВУХФАЗНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B64G1/00 B64G1/50 B64G5/00 F25B27/00 

Изобретения относятся к холодильной и космической технике, а именно к вопросам заправки контуров холодильных установок и систем терморегулирования космических аппаратов теплоносителями, а также могут быть использованы в отраслях, где предъявляются повышенные требования к качеству заправки систем терморегулирования.

Известен способ заполнения холодильных установок рабочим телом (аммиаком, фреоном и др.) /1, 2/. Способ заключается в том, что заполнение системы холодильных установок аммиаком производят из баллонов или цистерн в количестве, определяемом допустимой нормой заполнения каждого элемента и агрегата установки. Баллон устанавливают в наклонном положении вентилем вниз, и аммиак перетекает самотеком за счет разности уровней жидкости. Баллоны до зарядки и после зарядки взвешиваются; сопоставление весов позволяет контролировать полноту освобождения баллона и учитывать действительное количество аммиака, пошедшего на заполнение системы.

Требования по примесям. Аммиак содержит воду, масло, воздух. Воду в количестве не более 0,2%, концентрацию которой определяют перед заправкой химическим анализом; масло является необходимым компонентом и служит для смазки цилиндра поршневого компрессора; воздух допускается в количестве до 50 кПа, при превышении этой нормы его удаляют через выпускной вентиль.

Недостатками этого способа являются невозможность выполнения заправки, когда объект находится гораздо выше источника с теплоносителем, а также обеспечить низкое содержание посторонних примесей.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения по совокупности существенных признаков, относящимся к способу, является способ заправки систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) теплоносителями /3/. В этом способе заправку СТР КА теплоносителем производят следующим образом: вакуумируют магистрали до давления 0,8-1,0 (106-133 Па) и заполняют их предварительно деаэрированным теплоносителем в объеме, учитывающем термическое расширение теплоносителя при его циркуляции в системе. Затем на ~10 ч включают гидронасосы системы для обеспечения циркуляции теплоносителя, в процессе которой происходит растворение воздуха, оставшегося в системе после вакуумирования. После чего производят окончательный тарированный слив теплоносителя из системы и устанавливают при помощи газовых компенсаторов рабочее давление в системе на уровне 500-700 мм рт.ст.

Недостатками этого способа являются невозможность полного удаления оставшегося воздуха (или его компонентов) из теплоносителя и других примесей, оставшихся на внутренних стенках магистралей СТР после операций по их очистке, а также контролировать их присутствие в теплоносителе.

Известно устройство /4/ - передвижной заправщик, который содержит бак с теплоносителем и с газовой подушкой над его поверхностью, систему наддува с агрегатами управления и автоматики, гибкую магистраль подачи теплоносителя, включающую запорный вентиль и фильтр. Работает заправщик за счет вытеснения теплоносителя давлением газа (воздуха, азота и др.) из бака в заправляемый тракт.

Недостаток устройства - контакт теплоносителя с газом, в результате которого происходит растворение его в теплоносителе, что не допускается при длительном функционировании СТР, заполненной теплоносителем, на орбите.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения по совокупности существенных признаков, относящимся к устройству, является устройство для заправки жидкого теплоносителя. /5/. Устройство содержит емкость, заполненную частично теплоносителем и имеющую паровую подушку; в составе емкости для измерения температуры теплоносителя имеется датчик температуры, а для измерения давления в паровой подушке - мановакуумметр; соединенные с емкостью линии: линия вакуумирования, включающая в себя отсечные вентили, вакуумный насос; линия наддува, включающая в себя отсечной вентиль, источник сжатого газа (сжатый газ используется при продувке емкости перед его заполнением теплоносителем), капиллярный испаритель с электронагревателем, установленный вблизи уровня расположения нижней части емкости и разделяющий жидкостную и паровую полости; линия подачи теплоносителя в жидкостной тракт СТР, включающая в себя отсечной вентиль; в составе емкости также имеются отсечные вентили, один из которых предназначен для дренажа газов из емкости, а другой предназначен для заполнения емкости теплоносителем.

Недостатками этого устройства является невозможность заправить СТР КА в следующих случаях, когда:
- жидкий теплоноситель при нормальных условиях - газ;
- требуется заполнить не весь объем магистралей СТР, а только часть, для чего требуется точная весовая дозировка теплоносителя;
- жидкий теплоноситель имеет степень очистки, на порядок более высокую, чем чистота подготовки внутренних поверхностей магистралей СТР КА, для чего необходима многократная промывка магистралей самим теплоносителем с контролем проб на содержание микропримесей.

Технической задачей, решаемой заявляемой группой изобретений, является дозированная по массе заправка контуров систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) теплоносителями особой чистоты с малым содержанием микропримесей, которая гарантирует длительный ресурс работы СТР КА (10-15 лет) благодаря малой вероятности образования в среде агрессивного теплоносителя неконденсирующихся газов, которые существенно снижают эффективность СТР КА.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе заправки СТР КА двухфазным теплоносителем вакуумируют систему, заполняют ее теплоносителем, включают систему с циркуляцией теплоносителя в течение заданного времени, сливают теплоноситель из системы, согласно изобретению заполняют рабочую емкость с теплоносителем и промывают им контур СТР, производят охлаждение рабочей емкости с теплоносителем и частичный слив теплоносителя из контура СТР за счет его перетекания в рабочую емкость, после чего осуществляют ее нагрев, заполняют пробоотборник и дренажный баллон теплоносителем, осуществляют контроль пробы теплоносителя на содержание в нем посторонних микропримесей, при минимальном содержании микропримесей полностью удаляют теплоноситель из контура СТР за счет его испарения дополнительным теплом, получаемым от перегрева пара теплоносителя, после чего осуществляют дозированную штатную заправку контура СТР двухфазным теплоносителем с заданным соотношением пара и жидкости, обеспечивающим эффективную работу системы терморегулирования, а при содержании микропримесей выше предельно допустимой нормы операции заполнения рабочей емкости, промывки и контроля повторяют многократно.

В качестве теплоносителя, используемого для заправки СТР, может применяться аммиак особой чистоты. При использовании в качестве теплоносителя аммиака особой чистоты промывку осуществляют до содержания влаги в теплоносителе ≤0,001%, масла ≤0,5 мг/л.

Для достижения указанного выше технического результата предлагается устройство для заправки СТР КА двухфазным теплоносителем.

Устройство для заправки СТР КА двухфазным теплоносителем, содержащее по крайней мере одну емкость для хранения заправляемого теплоносителя, рабочую емкость с теплоносителем и средствами измерения температуры теплоносителя и давления в паровой подушке, сообщенную с линиями: вакуумирования с вакуумным насосом, заправки теплоносителя из емкости хранения и подачи теплоносителя в контур СТР, включающими в себя отсечные вентили, и электронагреватель. Согласно изобретению рабочая емкость с теплоносителем выполнена с двойными стенками, образующими полость, установлена на электронных весах и посредством трубопроводов сообщается со вспомогательным замкнутым контуром с рабочей жидкостью (например, водой), в котором последовательно с электронагревателем, подключенным к источнику напряжения через терморегулятор, установлены: датчик температуры, подключенный к терморегулятору, жидкостно-жидкостный теплообменник, один из каналов которого входит в состав вспомогательного замкнутого контура, а другой - в состав замкнутого контура холодильного агрегата с хладагентом, датчик температуры, подключенный к холодильному агрегату, и центробежный насос, а к линии подачи теплоносителя на вход в контур СТР подсоединены через соответствующие отсечные вентили линии: слива жидкого теплоносителя в дренажный баллон, отбора проб жидкого теплоносителя в пробоотборник, сброса паров теплоносителя в емкость с нейтрализующим раствором, продувки и опрессовки тракта газообразным азотом из баллона с редуктором, подачи на вход в контур СТР перегретого пара теплоносителя, которая содержит последовательно соединенные агрегаты: насос, дозатор расхода, парогенератор с автономной системой подогрева, датчик температуры и отсечные вентили, кроме того, верхняя часть рабочей емкости с теплоносителем, имеющая паровую подушку, соединена с предохранительным клапаном, а через соответствующий отсечной вентиль - с выходом контура СТР, при этом устройство снабжено индикатором предельно допустимой концентрации паров теплоносителя со звуковой и световой сигнализацией.

Предлагаемое устройство для заправки иллюстрируется схемой, представленной на чертеже.

Устройство для заправки, представленное на чертеже, содержит: линию вакуумирования 1, включающую вакуумный насос 2, вакуумметр 3, отсечной вентиль 4; линию заправки 5 теплоносителя, содержащую по крайней мере одну емкость 6 для хранения заправляемого теплоносителя, частично заполненную, например, аммиаком особой чистоты и имеющую паровую подушку 7, а также измерительный датчик давления 8, сеточный фильтр 9, отсечной вентиль 10; линию продувки и опрессовки 11, включающую баллон с азотом особой чистоты 12, редуктор 13 с манометрами высокого 14 и низкого 15 давлений, вентиль 16; рабочую емкость 17 с теплоносителем, выполненную с двойными стенками 18, включающую: компенсаторы силовых напряжений 19, измерительные датчики: электронные весы 20, датчик давления 21, датчик температуры 22; линию подачи 23 теплоносителя на вход в контур СТР 24 с отсечным вентилем 25; замкнутый контур 26 с рабочей жидкостью (например, водой), включающий центробежный насос 27, электронагреватель 28, программный терморегулятор 29, жидкостно-жидкостный теплообменник 30, холодильный агрегат 31, датчики температуры 32 и 33; предохранительный клапан 34; линию сброса паров теплоносителя 35, включающую емкость 36 с нейтрализующим раствором, сливной вентиль 37, отсечной вентиль 38; линию отбора проб жидкого теплоносителя 39, включающую пробоотборник 40 и отсечной вентиль 41; линию слива 42 теплоносителя в дренажный баллон 43, датчик давления 44 и отсечной вентиль 45; линию связи 46 паровой подушки рабочей емкости 17 с выходом контура СТР 24, включающую отсечной вентиль 47; линию подачи на вход в контур СТР перегретого пара теплоносителя 48, включающую центробежный насос 49 с магнитным приводом, дозатор расхода 50, парогенератор 51, датчик температуры 52, отсечные вентили 53 и 54; индикатор предельно допустимой концентрации (ПДК) 55 паров теплоносителя со звуковой и световой сигнализацией в помещении, где расположено заправочное устройство.

Устройство работает следующим образом.

После состыковки устройства с контуром СТР КА, производим опрессовку контура. Для этого подаем через редуктор 13 из баллона 12 газообразный азот особой чистоты до давления p=2,00 МПа, что соответствует давлению аммиака при температуре t=+50^oC. Производим вакуумирование контура СТР КА и магистрали устройства до давления p= 10 Па. Контроль осуществляем по вакуумметру 3, заполняем рабочую емкость 17 теплоносителем, например аммиаком особой чистоты, для этого включаем центробежный насос 27, холодильный агрегат 31 и настраиваем его рабочую температуру - t_хол на 15-20^oС ниже комнатной - t_К. Открываем вентили 10 и вентиль емкости 6 для хранения заправляемого теплоносителя. Происходит заполнение рабочей емкости 17 теплоносителем за счет перетекания его из емкости для хранения заправляемого теплоносителя 6 в рабочую емкость 17, до необходимого веса, контролируемого по весам 20, вследствие разности давлений - ΔР насыщенных паров теплоносителя - P_s (t) при различных температурах, контролируемых по датчикам давления 8 и 21. (Например, при t_К=20^oC, P_s (t_хол)=0,85 МПа, P_s (t_хол)=0,45-0,5 МПа, т.е. ΔР= 0,35-0,4 МПа). Закрываем вентили 10 и вентиль емкости 6 для хранения заправляемого теплоносителя, выключаем холодильный агрегат 31. После чего заполняем контур СТР теплоносителем, для этого включаем электронагреватель 28 и настраиваем программный терморегулятор 29 на температуру t_гор на 15-20^oС выше комнатной. Открываем вентиль 25 и производим полное заполнение контура СТР теплоносителем, контролируемое по весам 20, за счет перетекания его вследствие разности давлений насыщенных паров из рабочей емкости 17, находящийся при температуре - t_гор в тракт СТР, находящегося при комнатной температуре - t_K. (Например, P_s (t_гор)=1,3-1,55 МПа, P_s (t_K)=0,85 МПа, тогда ΔР= 0,45-0,7 МПа). Осуществляем промывку контура СТР, для чего производим принудительную циркуляцию жидкого аммиака в контуре СТР, включив бортовой аммиачный гидронасос в течение заданного времени. Для слива теплоносителя из контура СТР в рабочую емкость 17 включаем холодильный агрегат 31 и настраиваем его рабочую температуру на 15-20^oС ниже комнатной. Открываем вентиль 25 и заполняем рабочую емкость 17 теплоносителем за счет перепуска его из контура СТР вследствие разности давлений насыщенных паров (контроль по датчику давления 21, массы - по весам 20). Небольшая часть теплоносителя может остаться в СТР КА в U-образных и "тупиковых" зонах контура. Для взятия проб на анализ и слив теплоносителя в дренажный баллон 43 включаем электронагреватель 28, настраиваем программный терморегулятор 29 на температуру на 15-20^oС выше комнатной. Открываем вентиль 41 и заполняем пробоотборник 40 на 80% жидким теплоносителем за счет перепуска его из рабочей емкости 17 вследствие разности давлений насыщенных паров (контроль по датчику давления 21, массы - по весам 20). Закрываем вентиль 41. Открываем вентиль 45 и перепускаем остальной теплоноситель из рабочей емкости 17 в дренажный баллон 43 (контроль по датчикам давления 21 и 44). Для контроля проб аммиака на микропримеси снимаем пробоотборник 40 и производим экспресс-анализ пробы теплоносителя на содержание микропримесей в химической лаборатории. При отрицательном результате повторяем следующие операции: заполнение емкости, заполнение контура СТР теплоносителем, промывку контура СТР теплоносителем, слив теплоносителя из контура СТР в емкость, взятие проб на анализ и слив теплоносителя в дренажный баллон, контроль проб аммиака на микропримеси, а при положительном - выполняем действия, описанные ниже.

Производим полное удаление теплоносителя из контура СТР 24 за счет его испарения. Для этого открываем вентили 53 и 54, закрыв вентиль 25. Включаем насос 49, который обеспечивает заданный расход благодаря дозатору расхода 50, и устанавливаем подводимую к парогенератору 51 мощность такую, чтобы обеспечить полное испарение заданного расхода теплоносителя и перегрев его паров на 10-15^oС (контроль осуществляем по датчику температуры 52). За счет теплоты перегрева происходит испарение остатков аммиака из U-образных и "тупиковых" зон контура СТР, а его пары, проходя по трубопроводу 46, попадают в рабочую емкость 17, где конденсируются, увеличивая массу теплоносителя, контролируемую по весам 20.

Штатная заправка теплоносителя производится заполнением рабочей емкости 17 и заполнением контура СТР теплоносителем. После окончания заправки вентили 25 и 47 закрываются, и СТР отсоединяется от устройства. Остатки паров теплоносителя из устройства сбрасываются в емкость 36 с нейтрализующим раствором и сливаются в канализацию через сливной вентиль 37.

Для случая, когда теплоноситель является токсичным веществом, присутствие паров которого в помещении представляет опасность для обслуживающего персонала (например, аммиак), устройство оборудовано индикатором 55 предельно допустимой концентрации паров теплоносителя. В аварийной ситуации, например, при разгерметизации трубопроводов, когда произойдет утечка теплоносителя в атмосферу, индикатор ПДК подает световой и звуковой сигнал, после чего персонал должен покинуть помещение, надеть противогазы и устранить неисправность.

Пример 1. На основе предлагаемого изобретения изготовлено автономное подвижное заправочное устройство. В июне-июле 2000 г. на площадке "Байконур" произведена заправка контура летной экспериментальной установки (ЛЭУ), размещенной на транспортном корабле "Прогресс-246", который установлен на стапеле на 3-4 м выше заправочного устройства. ЛЭУ является аналогом СТР, предназначенной для работы в двухфазном режиме, т.е. по испарительно-конденсационному циклу. В качестве теплоносителя использовался жидкий аммиак о. ч. Произведена трехкратная промывка контура ЛЭУ, взяты три пробы после промывок, затем произведена штатная заправка контура жидким аммиаком в количестве 4,25±0,1 кг (7,0 л) при общем объеме тракта 13,5 л.

Летный эксперимент с СТР КА, заправленной двухфазным теплоносителем, проведен впервые в России в условиях невесомости и прошел успешно, показав эффективность ее функционирования за время существования КА на орбите (около 2 мес).

Источники информации
1. Е.С. Курылев, Н.А. Герасимов. Холодильные установки. М., Машгиз, 1961 г., стр. 525-529.

2. А.И. Кулаковский, В.И. Новиков, С.С. Червяков. Ремонт и эксплуатация холодильных установок. М., Высшая школа, М., 1992 г., стр. 190.

3. В.М.Цихоцкий, В.Я.Васильев и др. Способ заправки гидравлических систем терморегулирования космических аппаратов теплоносителями, а. с. СССР 1797245, В 64 G 1/00, опубл. 27.06.99 г., бюл. 48.

4. В.Ф.Бугаенко. Пневмоавтоматика ракетно-космических систем. М., Машиностроение, 1979 г., стр. 118-119.

5. Акчурин В. П., Загар О.В., Колесников А.П. и др. Устройство для заправки жидким теплоносителем, патент Российской Федерации 2144891, В 64 G 1/50, опубл. 27.01.02 г., бюл. 3.

Изобретение относится к холодильной и космической технике, а именно к вопросам заправки контуров систем терморегулирования (СТР) теплоносителями. Сначала контур системы вакуумируется, затем заполняется теплоносителем и обеспечивается его циркуляция в течение определенного времени, после чего теплоноситель частично сливается из контура в дренажный баллон с одновременным взятием проб в пробоотборник для химического анализа. Операция по промывке повторяется столько раз, сколько необходимо для получения требуемой нормы по микропримесям. После этого теплоноситель полностью удаляют из контура и окончательно производят дозированную заправку контура жидким теплоносителем с заданной точностью. Все операции по перемещению теплоносителя между емкостью для хранения заправляемого теплоносителя, контуром СТР, пробоотборниками и дренажным баллоном осуществляют принудительно за счет разности давления насыщенных паров теплоносителя, которая создается при помощи емкости с теплоносителем, охлаждаемой холодильным агрегатом или нагреваемой электронагревателем в зависимости от последовательности операций при заправке и промывке. Для достижения указанного выше технического результата предлагается устройство для заправки СТР двухфазным теплоносителем, космических аппаратов теплоносителями, содержащее по крайней мере одну емкость для хранения заправляемого теплоносителя, емкость с теплоносителем и средствами измерения температуры теплоносителя и давления в паровой подушке. Емкость с теплоносителем сообщается с линией вакуумирования, снабженной вакуумным насосом, линией заправки теплоносителя из емкости хранения и линией подачи теплоносителя в контур СТР КА, включающими в себя отсечные вентили, и электронагреватель. Технический результат - улучшение заправки контуров систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов, продление ресурса работы СТР космических аппаратов. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ заправки систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) двухфазным теплоносителем, включающий операции по вакуумированию системы, заполнению ее теплоносителем, включению системы с циркуляцией теплоносителя в течение заданного времени, сливу теплоносителя из системы, отличающийся тем, что при заполнении рабочей емкости теплоносителем и промывании им контура СТР производят охлаждение рабочей емкости с теплоносителем и частичный слив теплоносителя из контура СТР за счет его перетекания в рабочую емкость, после чего осуществляют нагрев рабочей емкости, заполняют пробоотборник и дренажный баллон теплоносителем, осуществляют контроль пробы теплоносителя на содержание в нем посторонних микропримесей, при минимальном содержании микропримесей полностью удаляют теплоноситель из контура СТР за счет его испарения дополнительным теплом, получаемым от перегретого пара теплоносителя, после чего осуществляют дозированную штатную заправку контура СТР двухфазным теплоносителем, а при содержании микропримесей выше предельно допустимой нормы операции заполнения рабочей емкости, промывки и контроля повторяют многократно. 2. Способ заправки систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) двухфазным теплоносителем по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используется аммиак особой чистоты. 3. Способ заправки систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) двухфазным теплоносителем по пп.1 и 2, отличающийся тем, что промывку осуществляют до содержания влаги в теплоносителе 0,001%, а масла 0,5 мг/л. 4. Устройство для заправки систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов двухфазным теплоносителем, содержащее по крайней мере одну емкость для хранения заправляемого теплоносителя, рабочую емкость с теплоносителем и средствами измерения температуры теплоносителя и давления в паровой подушке, сообщенную с линиями: вакуумирования с вакуумным насосом, заправки теплоносителя из емкости хранения и подачи теплоносителя в контур СТР, включающими в себя отсечные вентили, и электронагреватель, отличающееся тем, что рабочая емкость с теплоносителем выполнена с двойными стенками, образующими полость, установлена на электронных весах и посредством трубопроводов сообщается со вспомогательным замкнутым контуром с рабочей жидкостью (например, водой), в котором последовательно с электронагревателем, подключенным к источнику напряжения через терморегулятор, установлены: датчик температуры, подключенный к терморегулятору, жидкостно-жидкостный теплообменник, один из каналов которого входит в состав вспомогательного замкнутого контура, а другой - в состав замкнутого контура холодильного агрегата с хладагентом, датчик температуры, подключенный к холодильному агрегату, и центробежный насос, а к линии подачи теплоносителя на вход в контур СТР подсоединены через соответствующие отсечные вентили линии: слива жидкого теплоносителя в дренажный баллон, отбора проб жидкого теплоносителя в пробоотборник, сброса паров теплоносителя в емкость с нейтрализующим раствором, продувки и опрессовки тракта газообразным азотом из баллона с редуктором, подачи на вход в контур СТР перегретого пара теплоносителя, которая содержит последовательно соединенные агрегаты: насос, дозатор расхода, парогенератор с автономной системой подогрева, датчик температуры и отсечные вентили, кроме того, верхняя часть рабочей емкости с теплоносителем, имеющая паровую подушку, соединена с предохранительным клапаном, а через соответствующий отсечной вентиль - с выходом контура СТР, при этом устройство снабжено индикатором предельно допустимой концентрации паров теплоносителя со звуковой и световой сигнализацией.