СПОСОБ И СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2020 года по МПК B64D47/00 F25B1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к способам и системам охлаждения, применяемым для обеспечения необходимого теплового режима бортового оборудования летательных аппаратов, в частности, блока радио-электронной аппаратуры, гидравлических устройств, или иных тепловыделяющих устройств, установленных на летательном аппарате и требующих систем охлаждения, в которых в качестве охлаждаемой среды используется жидкость.

Уровень техники

Известна система охлаждения с промежуточным теплоносителем (В.В. Шишов, С.С.Шибаев «Системы с промежуточным носителем для СКВ: новый подход к традиционным решениям» - Журнал «Холодильная техника», №11, 1998 г., стр. 14. рис. 1) первый контур с хладагентом которого содержит компрессор, конденсатор, регулирующий вентиль и испаритель, подключенный ко второму замкнутому контуру, в котором установлен охлаждаемый объект и насос для прокачки охлаждаемой жидкости, конденсатор подключен к третьему замкнутому контуру, в котором установлен насос для прокачки охлаждающей жидкости.

Недостатком аналога является нарушение стабильности работы системы из-за падения давления конденсации и, как следствие, уменьшение расхода хладагента через испаритель и снижение холодопроизводительности при переменном расходе охлаждающей среды в качестве которого может использоваться, например, авиационное топливо или снижении его температуры значительно ниже температуры охлаждаемого объекта вплоть до -60°С. В качестве охлаждающей среды может использоваться, например, авиационное топливо. Это приводит к необходимости устанавливать дополнительный теплообменник для непосредственного охлаждения охлаждаемой жидкости. В такой системе охлаждение возможно только в том случае, когда температура окружающей среды или температура охлаждающей среды ниже температуры охлаждаемой жидкости объектов бортового оборудования или зоны, в которой размещен охлаждаемый объект.

Другим недостатком аналога является, то что при увеличении температуры охлаждающей среды или топлива выше температуры охлаждаемого объекта вплоть до +60°С происходит ухудшение теплосъема в конденсаторе, поскольку уменьшается разница с температурой хладагента внутри замкнутого контура хладагента. При значительном увеличении (уменьшении) температуры охлаждающей среды происходит понижение холодопроизводительности системы охлаждения. При значительном повышении температуры охлаждающей среды повышается температура конденсации, а при значительном уменьшении весь хладагент переходит в жидкое состояние. Контур с хладагентом охлаждающей системы останавливается и охлаждение объекта не происходит.

Третьим недостатком аналога является необходимость поддержания беспрерывной циркуляции смеси «масло-фреон» возвращение масла в компрессор из испарителя и необходимость поддержания температуры застывания масла значительно более низкой, чем температура кипения хладагента, при использовании компрессора движущиеся части которого смазываются маслом, растворенным во фреоне. Необходимо применение масел с более низкой температурой застывания.

Известна «Система охлаждения бортовой аппаратуры подвесного авиационного оптико-электронного контейнера» (патент RU 2429994, МПК B64D 13/08; G12B 15/02 опубликован 27.09.2011) содержащая контур промежуточного теплоносителя, заполненный хладагентом, с испарителями, компрессором, дроссельными регулирующими устройствами и конденсатор с устройством подачи прямоточного забортного воздуха (охлаждающая среда) и систему циркуляции воздуха охлаждаемых объектов, включающую теплообменник испарительного контура, охлаждаемую аппаратуру и вентилятор, дополнительно имеется автономная герметичная, замкнутая вкруговую внутри корпуса подвесного авиационного оптико-электронного контейнера, система циркуляции воздуха содержащая дополнительные вентиляторы. Испарительный контур в линии всасывания компрессора содержит, по меньшей мере, один дополнительный теплообменник с дроссельным регулирующим устройством, который расположен в отдельном герметичном корпусе, подвижном относительно корпуса контейнера, при этом передача хладагента в теплообменник обеспечивается использованием гибких элементов и автоматических регуляторов распределения хладагента по контурам. В испарительном контуре используется хладагент с критической температурой, равной 130°С и выше.

Недостатком данного решения является ухудшение условий охлаждения объектов при снижении или повышении температуры забортного воздуха, из-за нарушения условий конденсации или при полной остановке контура промежуточного теплоносителя, вследствии остановки компрессора или выхода из строя дросселирующих устройств или автоматических регуляторов хладагента.

В качестве прототипа выбрана холодильная установка (патент RU 102769, МПК F25B 1/00, опубликовано 10.03.2011), содержащая в контуре с хладагентом установленные по ходу хладагента компрессор маслоотделитель, конденсатор воздушного охлаждения, конденсатор жидкостного охлаждения, разделительную камеру, дроссельные вентили, отделитель жидкости с орошаемыми насадками, дроссельный вентиль, испаритель, при этом компрессор и маслосборник соединены трубопроводом с отделителем жидкости, в котором установлено поплавковое устройство, предназначенное для определения уровня масла и передачи сигнала электромагнитному вентилю при достижении расчетного максимального уровня масла.

К недостаткам прототипа относятся: сложность точного поддержания температуры в контуре испарителя из-за регулирования подачи хладагента с помощью поплавкового устройства, необходимости подключения и отключения теплообменных аппаратов (конденсатор воздушного охлаждения и конденсатор жидкостного охлаждения) с помощью ручных вентилей,

К недостатку можно также отнести сложность устройства отделителя жидкости с поплавковым устройством и электромагнитным вентилем повышающая вероятность повреждения компрессора из-за гидравлического удара, невозможность полного отделения масла от хладагента в тех случаях, когда растворимость хладагента с маслами ограничена или отсутствует.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей настоящего технического решения является высокоточное поддержание температуры в контуре охлаждающей жидкости охлаждаемого бортового оборудования летательного аппарата в широком диапазоне изменения температуры охлаждающей среды.

Также задачами настоящего технического решения являются:

- обеспечение стабильной работы системы охлаждения бортового оборудования летательного аппарата при поддержании температуры в контуре охлаждаемой среды объектов на борту летательного аппарата при остановке компрессора хладонового контура системы охлаждения;

- уменьшение температурного диапазона охлаждающей среды для работы хладонового контура системы охлаждения бортового оборудования летательного аппарата;

- упрощение конструкции узлов регулирования хладонового контура системы охлаждения за счет отказа от поплавкового клапана, терморегулирующего вентиля и уменьшения количества неуправляемых дросселирующих вентилей;

- отказ от масла, растворяющегося в хладагенте, за счет использования безмасляного центробежного компрессора в системе охлаждения бортового оборудования летательного аппарата;

- уменьшения времени работы компрессора системы охлаждения бортового оборудования летательного аппарата за счет использования естественного холода при низкой температуре окружающей среды и при низкой температуре охлаждающей среды (топлива);

- повышение надежности работы фреонового контура и уменьшение времени работы компрессора системы охлаждения бортового оборудования летательного аппарата за счет установки фреонового насоса для перекачки фреона в жидкой фазе;

- снижение трудоемкости обслуживания системы охлаждения бортового оборудования летательного аппарата;

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способ и систему охлаждения бортового оборудования летательного аппарата, характеризующиеся содержанием трех замкнутых контуров, первый из которых содержит компрессор, воздушный конденсатор с вентилятором, жидкостный конденсатор, ресивер с отделителем жидкости, дросселирующее устройство (дроссель), испаритель, заполненный промежуточным теплоносителем-хладагентом (хладоном), испаритель подключен ко второму замкнутому контуру, в котором установлен охлаждаемый объект и насос для прокачки охлаждаемой жидкости, жидкостный конденсатор подключен к третьему замкнутому контуру охлаждающей жидкости с переменным расходом и температурой, в котором установлен насос для прокачки охлаждающей жидкости

включаются в первом контуре герметичный хладоновый насос-компрессор со встроенным электроприводом, расход которого кратно меньше расхода компрессора, всасывающий патрубок которого подключен к нижней точке ресивера и напорным патрубком врезанным в контур перед дросселирующим устройством, а для предотвращения перетока хладагента от ресивера до дросселирующего устройства и параллельно хладоновому насос-компрессору установлен обратный клапан

применяются в первом контуре центробежный безмасляный компрессор со встроенным электродвигателем

используются несколько сред в качестве охлаждающей среды: либо охлаждающая жидкость с переменным расходом и с изменяющейся температурой, например топливо, либо охлаждающая среда в виде жидкости с низкой температурой кипения, например хладагент (фреон), либо воздушная среда, например атмосферный воздух. Использование различных охлаждающих сред происходит одновременно или попеременно или только одной из сред.

дополнительно содержат блок контроля и управления к которому подключены все датчики давления и температуры и который управляет: насос-компрессором и компрессором в первом контуре с хладагентом, трехходовым краном и насосом в третьем контуре с охлаждающей средой, насосом во втором контуре с охлаждаемой средой.

Так же система охлаждения бортового оборудования летательного аппарата содержит датчики давления: на входе в компрессор и на выходе из компрессора, на выходе хладагента из ресивера, датчик температуры после воздушного конденсатора, после дросселирующего устройства на входе в испаритель первого замкнутого контура с хладагентом.

Так же система охлаждения бортового оборудования летательного аппарата имеет датчики температуры: до и после жидкостного конденсатора, до воздушного конденсатора по воздуху, до и после испарителя во втором замкнутом контуре охлаждаемой средой с охлаждаемым объектом.

В третьем замкнутом контуре параллельно конденсатору по линии охлаждающей среды перед насосом охлаждающей среды и конденсатором размещен трехходовой кран с электроприводом и управлением от блока контроля и управления.

Блок контроля и управления имеет возможность получать сигнал от установленного датчика температуры воздушной среды перед воздушным конденсатором и окружающей летательный аппарат.

Способ охлаждения бортового оборудования летательного аппарата согласно которому поддерживают оптимальный тепловой режим в контуре хладоносителя охлаждаемого бортового оборудования для чего охлаждаемую жидкость, в соответствии с режимом полета и тепловой нагрузкой охлаждают путем передачи тепла от одной из сред или не менее чем двух охлаждающих сред одновременно или попеременно, а именно по получаемой информации от датчиков температуры и давления блоком контроля и управления выбирается среда, которая обеспечивает максимальное изменение контролируемого поддерживаемого параметра (температуры хладагента, температуры охлаждаемой среды), а используя вторую среду для более точного изменения температуры в зависимости от температуры охлаждающих сред и температуры охлаждаемой среды или при одновременном и совместном изменении изменяет пропорции использования сред в достижении параметров охлаждаемой среды.

При отрицательных температурах воздуха окружающей среды имеется возможность охлаждать объекты бортового оборудования без запуска контура с охлаждающей средой или при отсутствии расхода охлаждающей среды (например топлива при выключенных двигателях). Для этого ресивер с отделителем жидкости подключен к специальному хладоновому насос-компрессору для подачи жидкой фазы хладона (или хладагента), в испаритель где он нагревается до температуры не превышающую температуру фазового перехода охлаждаемой средой, циркулирующей во втором контуре охлаждения объектов бортового оборудования.

Жидкий хладон из испарителя прокачивается через весь контур (компрессор, жидкостный конденсатор, воздушный конденсатор), охлаждается, конденсируется, при наличии условий и возвращается в ресивер. Хладоновый насос-компрессор опять откачивает из ресивера жидкий хладон и с повышением давления подает через дросселирующее устройство в испаритель. С повышением температуры охлаждаемого объекта и соответственно температуры охлаждаемой среды в испарителе запускается процесс испарения, увеличения объема его паровой фазы, сопровождающийся повышением давления испарения. С повышением температуры охлаждающей среды в жидкостном или воздушном конденсаторе (повышение температуры топлива или воздушной среды) увеличивается процесс конденсации паров хладона, который сливается в ресивер с отделителем жидкости. Когда давление конденсации достигнет значения при котором расход паровой фазы хладона может обеспечиваться компрессором, то отключается хладоновый насос-компрессор, и включается хладоновый центробежный компрессор.

Когда температура охлаждающей среды (топливо) в третьем контуре становится выше температуры охлаждаемой среды во втором контуре и выше температуры окружающей среды летательного аппарата, то прекращается использование жидкой охлаждающей среды и начинается использоваться воздушная охлаждающая среда, для чего трехходовой кран отключает жидкостный конденсатор, а включение вентилятора на воздушном конденсаторе обеспечивает продолжение процесса конденсации хладона в первом контуре.

Отсутствие масла для смазки компрессора позволяет повысить надежность системы, поскольку нет необходимости отделять масло от хладона, которое может привести к гидроудару при попадании в движущиеся части или замерзнуть при низкой отрицательной температуре, вследствие чего компрессор может начать работать при любой температуре. Отсутствие масла позволяет полностью отказаться от маслоотделителя с поплавковым или иным устройством для измерения уровня и электромагнитного клапана или иного клапана на лини подачи масла в картер компрессора.

Использование центробежного малорасходного компрессора со встроенным электродвигателем, охлаждаемый всем расходом хладона в системе, имеет высокую надежность из-за отсутствия протечек через сальники компрессора с внешним приводом к примеру, электропитание приводного электродвигателя компрессора осуществляется от бортовой сети, при этом компрессор не создает вибраций, поскольку не имеет несбалансированных частей. Возможность работать на хладоне с любой плотностью позволяет менять фреон без подготовки и промывки системы для удаления остатков масла сопоставимого с использовавшимся хладоном.

Наличие дросселирующего устройства позволяет изменять количество подаваемого в испаритель хладона в зависимости от: температуры охлаждающей жидкости, температуры окружающей воздушной среды для изменения температуры во втором контуре с охлаждаемой средой бортового оборудования.

Второй контур постоянно подключен к испарителю, в котором происходит охлаждение охлаждаемой среды, а наличие блока контроля и управления с подключенными датчиками давления и температуры во всех трех контурах системы охлаждения бортового оборудования летательного аппарата и получающий сигнал от датчика температуры окружающего воздуха, показания которого сравниваются с показаниями температуры охлаждаемой среды, проходящей через испаритель и охлаждающей среды жидкостного конденсатора, и используются для формирования управляющих сигналов для: изменения расхода охлаждаемой среды, включения и отключения компрессора, включения и отключения хладонового насос-компрессора, вентилятора воздушного конденсатора, что позволяет обеспечивать стабильную работу системы охлаждения бортового оборудования летательного аппарата с высокоточным поддержанием температуры в контуре охлаждаемой среды для объектов бортового оборудования на борту летательного аппарата в широком диапазоне изменения температуры охлаждающей среды от -60°С до +60°С, окружающего летательный аппарат воздуха от -60°С до +50°С, за счет включения и отключения хладонового насос-компрессора, хладонового центробежного компрессора, вентилятора воздушного конденсатора, изменения расхода в контуре с охлаждающей средой, в зависимости от наличия или отсутствия расхода охлаждающей среды в третьем контуре, величины расхода охлаждающей среды, температуры охлаждающей среды, температуры окружающей среды и требуемой температуры охлаждаемой среды во втором контуре с бортовым оборудованием.

В системе охлаждения бортового оборудования летательного аппарата в первом контуре с хладоном вместо дросселирующего устройства после насос-компрессора может быть установлен электронный терморегулирующий вентиль (ТРВ) с управлением от блока контроля и управления, который изменяет расход хладагента на испаритель во всем диапазоне температур охлаждающей среды, температуры окружающего летательный аппарат воздуха, в зависимости от температуры охлаждаемой среды, что повышает точность и стабильность поддержания температуры охлаждаемой среды и упрощает конструкцию системы охлаждения бортового оборудования летательного аппарата для возможности использования.

В байпас центробежного компрессора установлен двухходовой кран с управлением от блока контроля и управления, который позволяет перепускать пары хладона с напорной ветки компрессора на всасывающий участок для обеспечения требуемого расхода через электронный ТРВ с управлением от блока контроля и управления, что позволяет обеспечить работоспособность системы охлаждения бортового оборудования летательного аппарата с малым расходом и поддерживать температуру охлаждаемой среды с высокой точностью и при этом не изменять производительность компрессора, который работает с постоянной производительностью.

В системе охлаждения бортового оборудования летательного аппарата может быть установлен дополнительный жидкостный теплообменник, для непосредственного охлаждения охлаждающей средой (топливом) охлаждаемой среды объектов бортового оборудования, и который подключается трехходовым регулирующим краном к контуру с охлаждаемой средой в том случае, если насос-компрессор и/или компрессор не работает или температура и/или расход охлаждающей среды мал, для обеспечения условий конденсации в конденсаторе, что позволяет повысить надежность системы охлаждения, не включать насос-компрессор или центробежный компрессор для экономии энергоресурсов и ресурса электроприводных агрегатов, при этом трехходовой кран управляется блоком контроля и управления, что повышает точность поддержания температуры охлаждаемой среды, приводит к уменьшению температурного диапазона работы первого контура с хладоном и уменьшает время работы центробежного компрессора системы охлаждения.

В системе охлаждения бортового оборудования летательного аппарата может быть установлен дополнительный воздухо-жидкостный теплообменник с вентилятором, расположенный в потоке забортного воздуха или на одной линии с воздушным конденсатором первого контура и подключаемый трехходовым регулирующим краном, к контуру охлаждаемой среды с охлаждаемым объектом, при этом трехходовой регулирующий кран и вентилятор подключены к блоку контроля и управления, что повышает надежность системы охлаждения, если насос-компрессор и/или центробежный компрессор не работает или температура и/или расход охлаждающей среды мал, для обеспечения условий конденсации в жидкостном конденсаторе, что позволяет повысить надежность системы охлаждения, не включать насос-компрессор или центробежный компрессор для экономии энергоресурсов и ресурса электроприводных агрегатов, при этом трехходовой кран управляется блоком контроля и управления. Использование дополнительного воздухо-жидкостного теплообменника позволяет не нагревать топливо, используемое в качестве, охлаждающей среды и повысить безопасность летательного аппарата в целом. Вентилятор включается, если отсутствует набегающий воздушный поток, к примеру на стоянке.

В системе охлаждения бортового оборудования летательного аппарата может быть установлен регенеративный теплообменник в виде петель трубопровода на участке от испарителя до центробежного компрессора, расположенных в нижней части ресивера с отделителем жидкости, что обеспечивает перегрев фреона и отсутствие влажного пара на входе в центробежный компрессор, что предотвращает гидравлический удар в проточной части компрессора, вымывание смазки из шариковых подшипников и увеличивает ресурс центробежного компрессора. Кроме того при более высокой температуре пара на всасывании в компрессор, улучшаются рабочие коэффициенты компрессора -коэффициент подачи и КПД. Ресивер-отделитель жидкости имеет объем, достаточный для всего сконденсированного количества хладагента, и форму для расположения петель регенеративного теплообменника, что упрощает систему, повышает надежность, и точность поддержания температуры охлаждаемой среды.

В системе охлаждения бортового оборудования летательного аппарата может быть почти все агрегаты первого контура с хладоном (компрессор, жидкостный конденсатор, ресивер, хладоновый насос-компрессор, дросселирующее устройство) установлены внутри топливного бака или разнесены по нескольким топливным бакам, для экономии места на летательном аппарате, для чего все агрегаты, размещенные внутри топливного бака (или внутри бака с иной технической жидкостью на борту летательного аппарата) и вне его выполнены из нержавеющей стали, а теплообменники и трубопроводы спаяны никелевыми сплавами или сварены без использования медесодержащих припоев.

Краткое описание чертежей

Преимущества и особенности изобретения поясняются конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, где

Фиг. 1 - принципиальная схема системы охлаждения бортового оборудования с блоком контроля и управления;

Фиг. 2 - принципиальная схема системы охлаждения бортового оборудования с электронным ТРВ и двухходовым краном в байпасе компрессора;

Фиг. 3 - принципиальная схема системы охлаждения бортового оборудования с дополнительным жидкостным теплообменником и трехходовым регулирующим краном;

Фиг. 4 - принципиальная схема системы охлаждения бортового оборудования с дополнительным воздухо-жидкостным теплообменником и трехходовым регулирующим краном;

Фиг. 5 - принципиальная схема системы охлаждения бортового оборудования с регенеративным теплообменником;

Фиг. 6 - принципиальная схема системы охлаждения бортового оборудования внутри топливного бака;

Фиг. 7 - принципиальная схема системы охлаждения бортового оборудования внутри топливного бака с электронным ТРВ, двухходовым краном в байпасе компрессора, с дополнительным жидкостным теплообменником, с дополнительным воздухо-жидкостным теплообменником, с регенеративным теплообменником в нижней части ресивера.

На фигурах 1 -7 позициями обозначены следующие элементы.

1 - компрессор;

2 - жидкостный конденсатор;

3 - воздушный конденсатор;

4 - вентилятор;

5 - ресивер;

6 - дросселирующее устройство;

7 - испаритель;

8 - охлаждаемый объект;

9 - циркуляционный насос;

10 - насос охлаждающего контура;

11 - емкость с охлаждающей жидкостью; 12 - трехходовой кран;

13 - насос-компрессор;

14 - обратный клапан;

15 - блок контроля и управления;

16, 17, 18 - датчик давления;

19…27 - датчик температуры;

28 - электронный ТРВ;

29 - двухходовой кран;

30 - дополнительный жидкостный теплообменник;

31 - трехходовой регулирующий кран;

32 - дополнительный воздухо-жидкостный теплообменник;

33 - трехходовой регулирующий кран;

34 - регенеративный теплообменник;

I - первый контур;

II - второй контур;

III - третий контур.

Предлагаемая система охлаждения бортового оборудования летательного аппарата с электронным блоком контроля и управления (фиг.1) выполнена в вид трех контуров, первый из которых I (на остальных чертежах не показан), заполненный промежуточным теплоносителем-хладагентом (хладоном), содержит: компрессор 1, жидкостный конденсатор 2, воздушный конденсатор 3 с вентилятором 4, ресивер 5, дросселирующее устройство 6, испаритель 7.

Вентилятор 4 прокачивает воздух через воздушный конденсатор 3, забирая воздух из атмосферы со стороны воздушного конденсатора и выбрасывая в атмосферу после себя.

Испаритель 7 подключен ко второму замкнутому контуру II (на остальных чертежах не показан), в котором установлен охлаждаемый объект 8, через который циркуляционным насосом 9 прокачивается охлаждаемая в испарителе 7 жидкая охлаждаемая среда.

Жидкостный конденсатор 2 подключен к третьему замкнутому контуру III (на остальных чертежах не показан), в котором с переменным расходом прокачивается насосом охлаждающего контура 10 охлаждающая жидкая среда поступающая из емкости с охлаждающей жидкостью 11 через трехходовой кран 12 регулирующий расход охлаждающей среды в жидкостном конденсаторе 2.

Также имеется герметичный хладоновый насос-компрессор 13 со встроенным электроприводом, всасывающий патрубок которого подключен к нижней точке ресивера 5, а напорный патрубок - к дросселирующему устройству 6. На участке после ресивера 5 параллельно хладоновому насос-компрессору 13, перед дросселем 6 установлен обратный клапан 15.

Система охлаждения бортового оборудования летательного аппарата тема охлаждения бортового оборудования дополнительно содержит блок контроля и управления 15, который управляет компрессором 1, насос-компрессором 13 в первом контуре с хладагентом, циркуляционным насосом 9 во втором контуре с охлаждаемой средой, трехходовым краном 12 и насосом охлаждающего контура 10 в третьем контуре с охлаждающей средой.

Так же система охлаждения бортового оборудования летательного аппарата содержит датчики давления, подключенные к блоку контроля и управления 15: на входе в компрессор датчик давления 16, датчик давления 17 на выходе из компрессора 1, датчик давления 18 на выходе хладагента из ресивера 5.

Система охлаждения содержит датчики температуры: датчик температуры 19 после воздушного конденсатора 3, датчик температуры 20 после дросселя 6 на входе в испаритель 7 первого замкнутого контура с хладагентом, датчик 21, расположенный до жидкостного конденсатора 2 и датчик 22 сразу после жидкостного конденсатора 2, датчик температуры 22 перед емкостью с охлаждающей жидкостью 11, датчик 23, расположенный до испарителя 7 и датчик 25 после испарителя 7 во втором замкнутом контуре охлаждаемой средой с охлаждаемым объектом 8, датчик температуры 26, расположенный в канале до воздушного конденсатора 3 по воздуху.

Для защиты компрессора 1 от перегрева в обмотке приводного электродвигателя установлен датчик температуры 27, подключенный к блоку контроля и управления 15.

Блок контроля и управления 15 имеет возможность обмениваться сигналами с системой управления летательного аппарата.

По варианту системы охлаждения бортового оборудования с электронным ТРВ и двухходовым краном в байпасе компрессора (фиг.2) на входе в испаритель 7, перед датчиком температуры 20 вместо дросселирующего устройства 6 включен электронный ТРВ 28. Для обеспечения расхода требуемой холодопроизводительности системы в байпас компрессора 1 врезан двухходовой кран 29.

По варианту системы охлаждения бортового оборудования с дополнительным жидкостным теплообменником и трехходовым регулирующим краном (фиг.3) в третьем контуре установлен дополнительный жидкостный теплообменник 30, для непосредственного охлаждения охлаждающей средой жидкостью (топливом) охлаждаемой среды объекта 8, и который подключается трехходовым регулирующим краном 31 ко второму контуру с охлаждаемой средой. Жидкостный теплообменник 30 установлен между жидкостным конденсатором 2 и врезкой трубопровода от трехходового крана 12.

По варианту системы охлаждения бортового оборудования с дополнительным воздухо-жидкостным теплообменником с вентилятором и трехходовым регулирующим краном (фиг.4) во втором замкнутом контуре установлен воздухо-жидкостный теплообменник 32, подключаемый посредством трехходового регулирующего крана 33.

По варианту системы охлаждения бортового оборудования с регенеративным теплообменником в нижней части ресивера (фиг.5) Дополнительно установлен регенеративный теплообменник 34 в виде петель трубопровода на участке от испарителя до центробежного компрессора, расположенных в нижней части ресивера 5, что обеспечивает перегрев фреона и отсутствие влажного пара на входе в центробежный компрессор 1.

По варианту системы охлаждения бортового оборудования внутри топливного бака (фиг.6) Весь первый контур с промежуточным теплоносителем-хладагентом (хладоном) расположен в емкости с охлаждающей жидкостью (топливном баке, баке с иной технической жидкостью на борту летательного аппарата) 11, за исключением воздушного конденсатора 3 с вентилятором 4. Все агрегаты, размещенные внутри топливного бака 11 (или внутри бака с иной технической жидкостью на борту летательного аппарата) и вне его выполнены из нержавеющей стали, а теплообменники 2, 3, 7 и трубопроводы спаяны никелевыми сплавами или сварены без использования медесодержащих припоев.

При отрицательных температурах воздуха окружающей среды от -60°С до 0°С и температуре охлаждающей жидкости III контура в диапазоне от -60°С до 0°С, имеется возможность охлаждать объекты 8 бортового оборудования, выделяющие тепло и нагревающие охлаждаемую среду II контура до +60°С градусов, без запуска контура III контура с охлаждающей средой или при отсутствии расхода охлаждающей среды (например топлива при выключенных двигателях). Для этого в I контуре ресивер 5 с отделителем жидкости подключен к специальному хладоновому насос-компрессору 13 для подачи жидкой фазы хладона (или хладагента) с температурой от -60°С в испаритель 7. Обратный клапан 15 не позволяет жидкому хладону, который подается насос-компрессором 13, попадать в ресивер 5. Так как насос-компрессор 13 создает давление, то жидкий хладон, поступает в испаритель 7, там нагревается до температуры +40°С (не превышающую температуру фазового перехода) охлаждаемой средой, циркулирующей в контуре II охлаждения объектов 8 бортового оборудования с помощью циркуляционного насоса 9. Наличие датчиков давления 16, 17 и 18, датчиков температуры 19 и 20 на хладоновом контуре I, датчиков 24, 25 и 26, подключенных к блоку контроля и управления 15 позволяет контролировать давление с температурой в разных частях хладонового контура и поддерживать температуру охлаждаемой среды в контуре II охлаждения объектов 8 посредством включения и выключения насос-компрессора 13.

В испарителе 7 не происходит испарения хладона и он нагревшись с -60°С в жидкой фазе до температуры +40°С (не превышающей температуры фазового перехода) прокачивается через весь I хладоновый контур (компрессор 1, жидкостный конденсатор 2, воздушный конденсатор 3), охлаждается в жидкостном конденсаторе 2, в воздушном конденсаторе 3 до температуры -60. При недостаточном охлаждении хладона включается вентилятор 4, после чего в жидком виде хладон опять возвращается в ресивер 5. Топливо или охлаждающая среда III контура при этом нагревается от -60°С до -40°С (к примеру) в жидкостном конденсаторе 2 и нагревается воздух в воздушном конденсаторе 3, прокачиваемый вентилятором 4.

При необходимости блок контроля 15, по показаниям с датчиков температуры 21 и 22: запускает насос охлаждающего контура 10 и переключает трехходовой кран 12 на определенную величину для изменения расхода охлаждающей среды III контура. По показаниям датчиков 17 и 19 контролируется давление и температура хладона в жидкостном конденсаторе 2 или при необходимости включается и выключается вентилятор 4 воздушного конденсатора 3 для обеспечения точности поддержания температуры жидкого хладона в I контуре.

Хладоновый насос-компрессор 13 периодически включается и откачивает из рессивера 5 жидкий хладон с низкой температурой подавая его в испаритель 7.

При дальнейшей работе в случае повышения температуры охлаждающей среды (окружающей среды или топлива) III контура или температуры охлаждающего воздуха от температуры -60°С до 0°С, температура хладагента в I контуре повышается и охлаждение хладагента до необходимых параметров становится не возможным, тогда в испарителе 7 запускается процесс испарения хладона, происходит увеличение объема его паровой фазы, сопровождающиеся повышением давления испарения, что определяется по датчику давления 16.

Расход жидкого хладагента при высокой температуре жидкого хладагента становится не достаточным для охлаждения охлаждаемой среды II контура в испарителе 7. В конденсаторе 2 и воздушном конденсаторе 3 парообразный хладагент сначала охлаждается, затем хладагент конденсируясь из газового состояния переходит в жидкость. Когда давление конденсации достигнет значения при котором расход паровой фазы хладона может обеспечиваться компрессором, то отключается хладоновый насос-компрессор 13, и включается хладоновый центробежный компрессор 1. система охлаждения бортового оборудования летательного аппарата запускается в режиме парокомпрессионной холодильной машины, когда функционируют все 3 контура.

В режиме парокомпрессионной машины в хладон после компрессора 1 с высокой температурой и давлением поступает в конденсатор 2. Внутри конденсатора 2 горячий газообразный фреон охлаждается до температуры насыщения и конденсируется при постоянных температуре и давлении конденсации за счет нагревания охлаждающей жидкости (топлива) III контура и переходит в жидкую фазу. Если температура охлаждающей жидкости достаточно низкая, то хладон переохлаждается в жидкостном конденсаторе 2, если нет то он может переохладиться в воздушном конденсаторе 3. В воздушном конденсаторе 3 жидкий хладон, переохлаждается до требуемой температуры воздушной средой при включении вентилятора 4. На выходе из конденсатора 3 хладагент находится в жидком состоянии при высоком давлении. Размеры конденсатора 2 и 3 выбраны таким образом, чтобы газ полностью сконденсировался внутри конденсаторов и переохладился. Температура жидкости на выходе из конденсатора 3 оказывается несколько ниже температуры конденсации для данного хладона.

Жидкий хладон сливается в ресивер 5. После ресивера жидкий переохлажденный хладагент с высоким давлением поступает в дросселирующее устройство 6, где дросселируется в проходном сечении до давления испарения с образованием парогазовой смеси хладагента с более низкой температурой и пониженном давлении. При дросселировании температура хладагента снижается до температуры кипения за счет мгновенного испарения части жидкости. После дросселя 6 хладон поступает в испаритель 7, где парожидкостная смесь хладагента кипит, переходя в газообразное состояние, при этом отбирая тепло от охлаждаемой среды II контура охлаждающей объекты 8 бортового оборудования.

Блок контроля и управления 15 по показаниям датчиков давления 17, 18 и датчикам температуры 19, 21, 22, 23 и 26, управляя переключением трехходового клапана 12, и включением насоса охлаждающего контура 10 и вентилятора 4, используя потенциал жидкой и воздушной среды, поддерживает необходимую температуру хладона после дросселя 6 на входе в испаритель 7, определяемую по датчику температуры 20, и обеспечивает температуру в охлаждаемом II контуре объектов 8 бортового оборудования, контролируя ее по датчикам температуры 24 и 25.

Пары хладона из испарителя 7 опять отсасываются компрессором 1 и цикл опять повторяется. Компрессор 1 сжимает газообразный хладон и подает его в конденсатор 2 и воздушный конденсатор 3.

Блок контроля и управления 15 определяет с использованием какой среды или сред можно эффективно охладить и сконденсировать фреон из компрессора 1 и до какой температуры его можно переохладить. Если конденсатор 2 не охлаждается охлаждающей средой, то газообразный фреон конденсируется в воздушном конденсаторе 3 при включении вентилятора 4. Регулируя давление конденсации в жидкостном конденсаторе 2 и воздушном конденсаторе 3 изменением расхода охлаждающей среды III контура обеспечивается изменение перепада давлений на дросселе 6, вследствие чего уменьшается расход хладагента и изменяется холодопроизводительность системы охлаждения при работе в парокомпрессионном режиме.

Для работы системы охлаждения бортового оборудования в автоматическом режиме и повышения точности под держания температуры охлаждаемой среды объектов 8 бортового оборудования во II контуре, регулирование производится путем изменения количества жидкого хладагента подаваемого в испаритель 7 с помощью электронного ТРВ 28 в I контуре (фиг.2). В зависимости от температуры по датчику 24 в контуре II охлаждаемой среды, блок контроля и управления 15 открывает или закрывает сечение электронного ТРВ 28 изменяя температуру хладона по датчику температуры 20, с целью обеспечения получения из испарителя 7 хладагента только в газообразном виде и поддержания давления испарения, и температуры охлаждаемой среды II контура по датчику температуры 25 после испарителя 7. Для обеспечения необходимого расхода хладагента во всем I контуре в байпас компрессора 1 установлен двух-ходовой кран 30, который открывается и подает часть газообразного хладона на вход компрессора 1, который имеет постоянную производительность. Электронный ТРВ 28 обеспечивает скорость потока хладагента в испарителе с высокой точностью соответствующей требуемой холодопроизводительности системы охлаждения объектов 8 бортового оборудования

При отсутствии возможности охлаждать с помощью воздушной среды, при отсутствии возможности охлаждать в режиме парокомпрессионной машины, но при наличии расхода жидкой охлаждающей среды в III контуре с емкостью 11, переключается трехходовой кран 31 и процесс охлаждения охлаждаемой среды II контура происходит в дополнительном жидкостном теплообменнике 30, через который она прокачивается циркуляционным насосом 9 (фиг.3). Для обеспечения требуемой температуры охлаждаемой среды по датчику температуры 25 во II контуре, при работе насоса охлаждающего контура 10, переключением трехходового крана 12 регулируется процесс охлаждения охлаждаемой среды в дополнительном жидкостном теплообменнике 30 путем подмеса обратки из дополнительного жидкостного теплообменника 31. Блок контроля и управления 16 по датчикам температуры 22, 23, 24 определяет угол поворота трехходового крана 12 и необходимость включения и выключения насоса охлаждающего контура 10 в III контуре.

Если в III контуре нет расхода жидкой охлаждаемой среды и не включается насос охлаждающего контура 10, если нет возможности включить центробежный фреоновый компрессор 1 в I контуре, то переключается трехходовой кран 33 и процесс охлаждения охлаждаемой среды II контура происходит в дополнительном воздухо-жидкостном теплообменнике 32 в диапазоне температур, при которой площади теплообменника достаточно для охлаждения охлаждаемой среды и стабильного поддержания температуры в контуре II охлаждения объектов 8 бортового оборудования (фиг.4). Блок управления и контроля 15 по показаниям датчиков температуры 24, 25 и 26 определяет необходимость включения и выключения вентилятора 4.

Или в случае, когда температура охлаждающей среды (например, топлива) в III контуре становится выше температуры охлаждаемой среды во II контуре и выше температуры окружающей среды летательного аппарата, то трехходовой кран 33 отключает испаритель 7 одновременно подключая дополнительный воздухо-жидкостный теплообменник 32, а включение вентилятора 4 обеспечивает продолжение процесса охлаждения охлаждаемой среды во II контуре.

Для обеспечения подачи в компрессор 1 сухого перегретого пара хладона установлен регенеративный теплообменник 34, в котором происходит теплообмен между жидкостью, поступающей из конденсатора 3 к дросселю 6, и паром, поступающим из испарителя 7 к компрессору 1 (фиг.5). Проходя через теплообменник 35, холодный всасываемый компрессором пар хладона из испарителя 7 поглощает теплоту от жидкого хладона и перегревается, а жидкий хладон при этом переохлаждается. Переохлаждение жидкого хладона перед дросселем 6 является положительным процессом, так как снижает дроссельные потери, увеличивая тем самым удельную холодопроизводительность хладагента.

Объем ресивера 5 на стороне жидкого хладагента обеспечивает непрерывную и бесперебойную работу системы охлаждения при различных тепловых нагрузках во II контуре, освобождает конденсатор 2 и 3 от жидкого хладагента, является гидравлическим затвором, препятствующим попаданию пара хладагента в дросселирующее устройство 6.

Когда агрегаты I контура с хладоном (компрессор 1, жидкостный конденсатор 2, ресивер 5, хладоновый насос-компрессор 13, дросселирующее устройство 6, испаритель 7) установлены внутри топливного бака или разнесены по нескольким топливным бакам, на участке от испарителя 7 до компрессора 1 происходит дополнительный перегрев паров хладона, что положительно сказывается на работе компрессора 1, а на участке до ресивера и дросселирующего устройства 6 (или ТРВ 28) в испарителе 7 происходит дополнительное переохлаждение жидкого хладагента, поскольку все находится в охлаждающей среде III контура (фиг.6 и 7).

Группа изобретений относится к холодильной технике, к способам и системам охлаждения, применяемым для обеспечения теплового режима бортового оборудования летательных аппаратов, где в качестве охлаждаемой среды используется жидкость. Система содержит три замкнутых контура, первый из которых содержит компрессор, жидкостный конденсатор, воздушный конденсатор, ресивер, дросселирующее устройство, испаритель, заполненный промежуточным теплоносителем-хладагентом (хладоном). Система дополнительно содержит блок контроля и управления, датчики температуры и давления, центробежный безмасляный компрессор со встроенным электродвигателем. В первый контур включен герметичный хладоновый насос-компрессор со встроенным электроприводом, всасывающий патрубок которого подключен к нижней точке ресивера, а напорный патрубок - перед дросселирующим устройством, от ресивера до дросселирующего устройства и параллельно хладоновому насос-компрессору установлен обратный клапан. Осуществляется высокоточное поддержание температуры в контуре охлаждающей жидкости охлаждаемого бортового оборудования в широком диапазоне изменения температуры охлаждающей среды. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система охлаждения бортового оборудования летательного аппарата, содержащая, три замкнутых контура, первый из которых содержит компрессор, жидкостный конденсатор, воздушный конденсатор, ресивер, дросселирующее устройство, испаритель, заполненный промежуточным теплоносителем-хладагентом (хладоном), при этом испаритель подключен ко второму замкнутому контуру с охлаждаемой средой и насос для прокачки охлаждаемой жидкости, а конденсаторы подключены к третьему замкнутому контуру с охлаждающими средами, в котором установлены устройства для прокачки охлаждающих сред, отличающаяся тем, что система содержит блок контроля и управления, датчики температуры и давления, центробежный безмасляный компрессор со встроенным электродвигателем, а в первый контур системы охлаждения включен герметичный хладоновый насос-компрессор со встроенным электроприводом, всасывающий патрубок которого подключен к нижней точке ресивера, а напорный патрубок - перед дросселирующим устройством, от ресивера до дросселирующего устройства и параллельно хладоновому насос-компрессору установлен обратный клапан.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в первом контуре установлен электронный терморегулирующий вентиль (ТРВ) с управлением от блока контроля и управления, а в байпас центробежного компрессора установлен двухходовой регулирующий кран.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в контуре с охлаждаемой средой установлен жидкостный теплообменник, подключаемый трехходовым регулирующим краном.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в контуре с охлаждаемой средой установлен воздухожидкостный теплообменник, подключаемый трехходовым регулирующим краном.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в первом контуре установлен регенеративный теплообменник в виде петель трубопровода на участке от испарителя до центробежного компрессора, расположенных в нижней части ресивера.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что агрегаты первого контура установлены внутри топливного бака или разнесены по нескольким топливным бакам.

7. Система по п. 6, отличающаяся тем, в первом контуре установлены электронный терморегулирующий вентиль (ТРВ), двухходовой кран в байпасе компрессора, регенеративный теплообменник в нижней части ресивера, а в контуре с охлаждаемой средой - жидкостный теплообменник и воздухожидкостный теплообменник.

8. Способ охлаждения бортового оборудования летательного аппарата, применяемый в системе охлаждения по п. 1, заключающийся в том, что поддерживают оптимальный тепловой режим с высокой точностью в контуре с охлаждаемой средой, для чего охлаждаемую жидкость в соответствии с режимом полета и тепловой нагрузкой охлаждают путем передачи тепла от одной из охлаждающих сред или не менее чем двух охлаждающих сред одновременно или попеременно, а именно по получаемой информации от датчиков температуры и давления блоком управления и контроля выбирается охлаждающая среда, которая обеспечивает максимальное изменение контролируемого поддерживаемого параметра - температуры охлаждаемой среды, и используется другая охлаждающая среда для более точного изменения температуры охлаждаемой среды, или при одновременном и совместном использовании изменяет пропорции охлаждаемых сред при достижении параметров охлаждаемой среды.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в первом контуре установлены электронный терморегулирующий вентиль (ТРВ), двухходовой кран в байпасе компрессора, регенеративный теплообменник в нижней части ресивера, а в контуре с охлаждаемой средой - жидкостный теплообменник и воздухожидкостный теплообменник.