Устройство для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов Российский патент 2024 года по МПК F24F3/14 B64G1/00 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к системам создания комфортных условий пребывания экипажей космических орбитальных станций в процессе полета.

Длительная эксплуатация современных орбитальных станций, изменение количества космонавтов на борту, большая программа различных исследований и изменение состава оборудования и аппаратуры для исследований приводят к изменению влажностных нагрузок. В результате этого уровень влажности в отсеке может выйти за пределы комфортных условий, необходимых для эффективной деятельности космонавтов. В связи с этим требуется необходимость поддержания уровня влажности воздуха обитаемых отсеков орбитальных станций в зоне комфортных условий.

Устройство для осушки воздуха является разновидностью автономного кондиционера, основной задачей которого является осушка воздуха герметичных отсеков космических аппаратов (КА).

В отличие от наземных аппаратов, где влага, сконденсировавшись на оребренных поверхностях теплообменника, под действием силы тяжести стекает в поддоны, в условиях космического пространства из-за отсутствия гравитации, сбор влаги осуществляется с помощью гидрофильного материала, впитывающего сконденсировавшуюся влагу, из которого она с помощью насоса откачивается в систему регенерации воды или в сборники конденсата. В этом заключается существенное различие в конструкции наземных и бортовых кондиционерах.

Известен блок охлаждения и осушки воздуха (Авторское свидетельство СССР N 635366, кл. F24F 3/14, опубл. 30.11.1978), содержащий кожух с предкамерой и входными и выходными патрубками, трубчатый теплообменник-конденсатор, по трубам которого прокачивается хладоноситель, обеспечивающий температуру на теплообменной поверхности, необходимую для конденсации излишней влаги продуваемого через эту поверхность воздуха, вентилятор, фитиль и влагосборник.

Известна также установка для охлаждения и осушки воздуха (Авторское свидетельство СССР N 547591, кл. F28L 7/00, опубл. 25.02.1977), которая содержит кожух с предкамерой и с входными и выходными патрубками, трубчатый теплообменник-конденсатор с фитилями в межтрубном пространстве, подключенному к влагосборнику, снабженному конденсатным насосом и вентилятор для подачи охлаждаемого воздуха.

Указанные блок и установка имеют следующие общие недостатки:

- требуют наличия хладоносителя для обеспечения конденсации влаги на теплообменной поверхности конденсатора, при этом для эффективной осушки воздуха температура хладоносителя во входном коллекторе трубчатого теплообменника-конденсатора должна быть не выше 7-10°С, наличие такого уровня температур на подводящих трубах и арматуре, проложенных по обитаемому отсеку, может привести к несанкционированной конденсации влаги в различных местах отсека, что приведет к возникновению источников сырости и зон возможного развития бактериальной флоры, все это ухудшает экологию среды обитания экипажа;

- требуют наличия на борту космического аппарата специального внутреннего контура охлаждения, для создания требуемого уровня температуры хладоносителя на входе в теплообменник и, следовательно, дополнительной арматуры, гидроразъемов, теплообменников, автоматики и т.д. Все это усложняет эксплуатацию и увеличивает массу системы терморегулирования.

Известны принципы кондиционирования воздуха с использованием термоэлектрического охлаждения, представленные в книге Воронина Г.И. и Вербы М.И. «Кондиционирование воздуха на летательных аппаратах» (издательство «Машиностроение», Москва, 1965 г., стр. 70, раздел 3.6 «Бортовые системы кондиционирования на ракетах и управляемых снарядах»).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является осушитель воздуха герметичных отсеков космических аппаратов (патент РФ №2133920, опубл. 27.07.1999, МПК: F24F 3/14 (2006.01), F28D 7/00 (2006.01), который принят за прототип. Осушитель воздуха включает кожух, в центральной части которого размещено устройство для отвода влаги - жесткий фитиль из пористого материала, выполненный в виде пластины с коническим основанием. Внутри кожуха напротив каждой боковой поверхности пластины установлен конденсатор, выполненный из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например, из алюминия в виде основания с ребрами, расположенными по всей площади основания. Ребра торцами примыкают к боковой поверхности пластины, а зазоры между ребрами образуют каналы для прохода воздуха. Напротив каждого основания конденсатора со стороны неоребренной его поверхности расположен жидкостной теплообменник, при этом между основанием конденсатора и корпусом жидкостного теплообменника образована полость, в которой размещен термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, которые расположены с зазорами, заполненными несмачиваемым электротеплоизоляционным материалом, например, стеклотекстолитом. Горячие поверхности термоэлектрических модулей с хорошим тепловым контактом примыкают к кожуху жидкостного теплообменника, а холодные поверхности термоэлектрических модулей с хорошим тепловым контактом примыкают к неоребренной поверхности основания конденсатора. Кожух снабжен предкамерой, герметично закрепленной на торцевых поверхностях оснований конденсаторов и в ее вершине установлен вентилятор. Полость предкамеры, каналы для прохода воздуха конденсаторов, зазоры, образованные торцами конденсаторов, торцами полости, свободный от термоэлектрических модулей, объем которой заполнен несмачиваемым электротеплоизоляционным материалом, торцами жидкостных теплообменников и внутренней поверхностью основания устройства для отвода влаги, а также зазоры между наружными поверхностями корпусов жидкостных теплообменников и противолежащими им внутренними поверхностями кожуха образуют единый воздушный тракт, соединенный с выходными патрубками. Между днищем кожуха и основанием устройства для отвода влаги образована полость, в которой размещена капиллярная сетка и которая снабжена патрубком для подсоединения к нему насоса для откачки конденсата.

К недостаткам прототипа следует отнести:

- отсутствие возможности замены малоресурсных элементов, входящих в состав охладителя, например, таких как термоэлектрические модули;

- наличие энергозатрат термоэлектрического охладителя на захолаживание потока воздуха от температуры на входе в охладитель до температуры, необходимой для выпадения конденсата («точки росы»);

- пониженную температуру воздуха на выходе из термоэлектрического охладителя, что может привести к снижению температуры в жилой зоне герметичного отсека космического аппарата и дополнительным энергозатратам на поддержание ее на комфортном уровне;

- отсутствие сбора влаги из зоны у основания ребер оребренной поверхности конденсатора, являющейся зоной с наименьшей температурой, соответственно в этой зоне будет происходить наиболее интенсивное выпадение влаги из воздуха, что может привести к затоплению части проходного сечения воздушных каналов конденсатора и, следовательно, к уменьшению расхода воздуха и влагосъема осушителя;

- отсутствие контроля температуры охлаждающей поверхности конденсатора, в связи с этим ее температура может опуститься ниже 0°С, что приведет к обмерзанию охлаждающей поверхности и, следовательно, к уменьшение проходного сечения воздушных каналов конденсатора;

- необходимость отключения осушителя при переключении рабочего жидкостного контура космического аппарата на резервный в связи с тем, что жидкостные теплообменники выполнены одноконтурными.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов, а также увеличение его эффективности.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями, вновь созданная конструкция для осушки воздуха герметичных отсеков КА позволяет повысить эффективность за счет:

- использования регенерации тепла охлажденного и входного потоков воздуха;

- повышения температуры выходящего воздуха;

- обеспечения отбора образовавшегося конденсата из зоны с наименьшей температурой;

- организации раздельной откачки конденсата из влагосборников теплообменников-конденсаторов и сборника конденсата;

- введения возможности контроля температуры охлаждающей поверхности конденсатора,

- обеспечения непрерывности работы при переключении с основного жидкостного контура космического аппарата на резервный, следовательно, при одинаковом количестве конденсируемой влаги из прокачиваемого через устройство воздуха уменьшить, по сравнению с известными конструкциями, количество потребляемой энергии, что очень важно для космических аппаратов, где энергопотребление всегда ограничено.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов, содержащем предкамеру с установленным в ее вершине вентилятором, выходные патрубки, конденсаторы, жидкостные теплообменники, технологические полости, образованные основаниями конденсаторов и корпусами жидкостных теплообменников, в каждой из которых размещен термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами, которые заполнены несмачиваемым электротеплоизолятором, устройство для отвода влаги, штуцер откачки конденсата и единый воздушный тракт. Конструкция устройства для осушки воздуха выполнена по блочному принципу и состоит из блока подачи и выхода воздуха, блока конденсаторов и блока сборника конденсата с возможностью их замены. Блок подачи и выхода воздуха включает упомянутую предкамеру с размещенным в ее вершине вентилятором, воздухо-воздушный теплообменник, установленный в едином воздушном тракте между предкамерой и блоком конденсаторов и выполненный в виде противоточного пластинчатого теплообменника с чередующимися полостями прямого и обратного хода, теплообменная поверхность которых может быть развита за счет использования гофрированных вкладышей, при этом на выходе упомянутых полостей прямого и обратного хода организованы полости без гофрированных вкладышей для обеспечения разделения потока воздуха на две части, два воздуховода подачи охлажденного воздуха, установленные на выходные фланцы прямого хода воздухо-воздушного теплообменника со стороны выхода воздуха из полостей прямого хода, и упомянутые выходные патрубки, установленные на выходные фланцы обратного хода воздухо-воздушного теплообменника со стороны выхода воздуха из полостей обратного хода, причем предкамера установлена на входной фланец прямого хода воздухо-воздушного теплообменника со стороны входа воздуха в полости прямого хода. Блок конденсаторов включает плиту, два теплообменника-конденсатора, каждый из которых состоит из жидкостного теплообменника, выполненного двухконтурным и содержащего корпус с оребрением и промежуточную пластину, разделяющую жидкостный теплообменник на две полости, каждая из которых соединена с входным и выходным патрубками, двух конденсаторов, каждый из которых выполнен в виде основания с ребрами, зазоры между которыми образуют каналы для прохода воздуха, при этом часть оребренной поверхности выполнена с увеличенным межреберным расстоянием для установки дополнительных фитилей, позволяющих собирать конденсат в зоне у основания ребер, двух термоэлектрических охладителей, каждый из которых размещен в упомянутой технологической полости, и двух влагосборников, каждый из которых содержит корпус, который крепится к жидкостному теплообменнику и в котором размещается фитиль влагосборника, при этом в массиве фитиля влагосборника установлен перфорированный коллектор, соединенный со штуцером откачки конденсата из влагосборника, и воздуховод подачи охлажденного и осушенного воздуха, установленный на упомянутой плите между теплообменниками-конденсаторами, к которым крепится плита со стороны входа в них воздуха. Блок сборника конденсата включает поддон, выполняющий функцию кожуха, в котором расположен фитиль блока сборника конденсата, при этом на основании поддона установлены заборные устройства конденсата, выполненные в виде полукруглых в сечении перфорированных желобов и закрепленные на основании поддона так, что между внутренней поверхностью желобов и основанием поддона образуется полость откачки конденсата, соединенная со штуцерами откачки конденсата из блока сборника конденсата, причем блок подачи и выхода воздуха установлен на плиту блока конденсаторов, а блок сборника конденсата установлен на выходные фланцы теплообменников-конденсаторов и входной фланец воздуховода подачи осушенного и охлажденного воздуха со стороны выхода воздуха из теплообменников-конденсаторов. Единый воздушный тракт образован полостью предкамеры, полостями прямого хода воздухо-воздушного теплообменника, полостями без гофрированных вкладышей, полостями воздуховодов подачи охлажденного воздуха, каналами для прохода воздуха в конденсаторах, зазорами между торцами теплообменников-конденсаторов и поверхностью фитиля сборника конденсата, полостью воздуховода подачи осушенного и охлажденного воздуха, полостями обратного хода воздухо-воздушного теплообменника, полости без гофрированных вкладышей и полостями выходных патрубков. Устройство для отвода влаги состоит из фитилей влагосборников, дополнительных фитилей для сбора конденсата в зоне у основания ребер конденсаторов и фитиля блока сборника конденсата, при этом на основании неоребренной поверхности каждого конденсатора, к которой примыкают холодные поверхности термоэлектрических модулей соответствующего термоэлектрического охладителя, установлены датчики температуры.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Влажный воздух из системы вентиляции космического аппарата отбирается вентилятором и направляется в воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ), где охлаждается обратным потоком осушенного воздуха. После ВВТ воздух поступает в теплообменники-конденсаторы (ТК), где охлаждается до температуры ниже «точки росы» с помощью термоэлектрических охладителей. Из ТК выходит осушенный холодный воздух, который поступает в ВВТ, нагревается входящим потоком воздуха и возвращается в систему вентиляции космического аппарата. Образовавшийся конденсат собирается с помощью фитилей влагосборников, входящих в состав ТК, а также удаляется с теплообменной поверхности конденсатора скоростным потоком воздуха и попадает на фитиль в составе блока сборника конденсата и периодически откачивается из него и влагосборников насосом откачки конденсата. Тепло с горячих спаев термоэлектрических модулей (ТЭМ), входящих в состав термоэлектрических охладителей, отбирается с помощью прокачки теплоносителя жидкостного контура космического аппарата через жидкостные теплообменники (ЖТП) ТК.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-4).

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов.

На фиг. 2 представлен разрез А-А.

На фиг. 3 представлен разрез Б-Б.

На фиг. 4 представлена расчетная схема воздухо-воздушного теплообменника.

На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения:

I - блок подачи и выхода воздуха;

II - блок конденсаторов;

III - блок сборника конденсата;

1 - воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ);

2 - входной фланец прямого хода ВВТ;

3 - предкамера;

4 - вентилятор;

5 - выходные фланцы прямого хода ВВТ;

6 -воздуховоды подачи охлажденного воздуха;

7 - выходные фланцы обратного хода ВВТ;

8 - выходные патрубки;

9 - теплообменники-конденсаторы (ТК);

10 - воздуховод подачи осушенного и охлажденного воздуха;

11 - плита; 12-поддон;

13 -фитиль блока сборника конденсата;

14 - основание поддона 12;

15 - заборные устройства конденсата (желоба);

16 - полости откачки конденсата;

17 - штуцеры откачки конденсата из блока сборника конденсата;

18 - выходные фланцы теплообменников-конденсаторов 9;

19 - входной фланец воздуховода 10;

20 - полости прямого хода ВВТ;

21 - полости обратного хода ВВТ;

22 - гофрированные вкладыши ВВТ;

23 - полости ВВТ без гофрированных вкладышей;

24 - жидкостные теплообменники (ЖТ);

25 - конденсаторы;

26 - влагосборники;

27 - корпус с оребрением ЖТ 24;

28 - промежуточная пластина ЖТ 24;

29 - полость основного жидкостного контура (жидкостного теплообменника 24);

30 - входной патрубок полости основного жидкостного контура 29;

31 - выходной патрубок полости основного жидкостного контура 29;

32 - полость резервного жидкостного контура (жидкостного теплообменника 24);

33 - входной патрубок полости резервного жидкостного контура 32;

34 - выходной патрубок полости резервного жидкостного контура 32;

35 - основание конденсатора 25;

36 - ребра конденсатора 25;

37 - каналы для прохода воздуха в конденсаторах 25;

38 - дополнительные фитили;

39 - технологическая полость;

40 - термоэлектрические охладители;

41 - термоэлектрические модули (ТЭМ);

42 - несмачиваемый электротеплоизолятор;

43 - датчики температуры;

44 - корпус влагосборника 26;

45 - фитиль влагосборника 26;

46 - перфорированный коллектор;

47 - штуцеры откачки конденсата из влагосборника 26;

48 - устройство для отвода влаги;

49 - полость предкамеры 3;

50 - полости воздуховодов охлажденного воздуха 6;

51 - зазоры между торцами ТК 9 и поверхностью фитиля блока сборника конденсата 13;

52 - полость воздуховода подачи охлажденного и осушенного воздуха Ю;

53 - полости выходных патрубков 8;

«вх1», «1», «2», «вых1», «вх2», «3», «4», «вых2» - расчетные сечения.

Конструкция предложенного устройства для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов, представленная на фиг. 1-3, выполнена по блочному принципу и состоит из блока подачи и выхода воздуха (I), блока конденсаторов (II) и блока сборника конденсата (III).

Основным элементом блока подачи и выхода воздуха (I) является воздухо-воздушный теплообменник (1), установленный в едином воздушном тракте между предкамерой (3) и блоком конденсаторов (II). На входной фланец прямого хода (2) воздухо-воздушного теплообменника (1) со стороны входа воздуха в полости прямого хода (20) установлена предкамера (3), а в ее вершине установлен вентилятор (4). На выходные фланцы прямого хода (5) воздухо-воздушного теплообменника (1) со стороны выхода воздуха из полостей прямого хода (20) установлены два воздуховода подачи охлажденного воздуха (6). На выходные фланцы обратного хода (7) воздухо-воздушного теплообменника (1) со стороны выхода воздуха из полостей обратного хода (21) установлены два выходных патрубка (8).

Воздухо-воздушный теплообменник (1) выполнен в виде противоточного пластинчатого теплообменника, в котором чередуются полости прямого (20) и обратного хода (21), теплообменная поверхность которых развивается за счет использования гофрированных вкладышей (22). На выходе полостей прямого (20) и обратного хода (21) организованы полости без гофрированных вкладышей (23) для обеспечения разделения потока воздуха на две части.

В блок конденсаторов (II) входят два теплообменника-конденсатора (9) и воздуховод подачи осушенного и охлажденного воздуха (10), установленные на плите (11). Причем теплообменники-конденсаторы (9) крепятся к плите (11) со стороны входа в них воздуха, а воздуховод подачи осушенного и охлажденного воздуха (10) устанавливается с той же стороны плиты (11), что и теплообменники-конденсаторы (9) и располагается между ними.

Каждый теплообменник-конденсатор (9) состоит из жидкостного теплообменника (24), двух конденсаторов (25), двух термоэлектрических охладителей (40) и двух влагосборников (26).

Каждый жидкостный теплообменник (24) содержит корпус с оребрением (27) и промежуточную пластину (28), разделяющую жидкостный теплообменник на две полости (29) и (32), каждая из которых соединена с входными и выходными патрубками (30), (33) и (31), (34) соответственно. Полость (29) жидкостного теплообменника (24), соединенная с входным (30) и выходным (31) патрубками, предназначена для прокачки теплоносителя основного жидкостного контура КА, а полость (32), соединенная с входным (33) и выходным (34) патрубками, предназначена для прокачки теплоносителя резервного жидкостного контура КА.

Каждый конденсатор (25), выполнен в виде основания (35) с ребрами (36), а зазоры между ребрами (36) образует каналы (37) для прохода воздуха. Часть оребренной поверхности конденсатора (25) выполнена с увеличенным межреберным расстоянием для установки дополнительных фитилей (38), позволяющих собирать конденсат в зоне у основания ребер (36) конденсатора (25).

При этом между основанием (35) каждого конденсатора (25) и корпусом жидкостного теплообменника (24) образована технологическая полость (39), в которой размещен термоэлектрический охладитель (40) на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей (41) (например, типа S-127-10-15 ТУ 6341-001-43547909-2009), которые расположены с зазорами, заполненными несмачиваемым электротеплоизолятором (42) (например, типа Система полиуретановая СПУ-17 «ЗМ» по ТУ 2254-046-21095499-01). "Холодные" спаи термоэлектрических модулей (41) с хорошим тепловым контактом прижаты к неоребренной поверхности основания (35) конденсатора (25), а "горячие" спаи - к корпусу жидкостного теплообменника (24).

Каждый влагосборник (26) содержит корпус (44), который крепится к жидкостному теплообменнику (24) и в котором размещается фитиль влагосборника (45), при этом в массиве фитиля влагосборника (45) установлен перфорированный коллектор (46), соединенный со штуцером откачки конденсата из влагосборника (47).

Блок сборника конденсата (III) состоит из поддона (12), выполняющего функцию кожуха, в котором расположен фитиль блока сборника конденсата (13). На основании (14) поддона (12) установлены заборные устройства конденсата (15), выполненные в виде полукруглых в сечении перфорированных желобов и закрепленные на основании поддона так, что между внутренней поверхностью желобов и основанием (14) поддона (12) образуется полость откачки конденсата (16), которая соединена со штуцерами откачки конденсата (17) из блока сборника конденсата (III).

Блок подачи и выхода воздуха (I) установлен на плиту (11) блока конденсаторов (II). На выходные фланцы теплообменников-конденсаторов (9) и входной фланец (19) воздуховода подачи осушенного и охлажденного воздуха (10) со стороны выхода воздуха из теплообменников-конденсаторов (9) установлен блок сборника конденсата (III).

На основании (35) неоребренной поверхности каждого конденсатора (25), к которой примыкают «холодные» поверхности термоэлектрических модулей (41) соответствующего термоэлектрического охладителя (40), расположены датчики температуры (43) (например, типа ТМ293-02 БЫ2.821.293ТУ).

Принцип сборки устройства для осушки воздуха позволяет производить замену вентилятора (4) из состава блока подачи и выхода воздуха (I), блока конденсаторов (II) и блока сборника конденсата (III).

Фитили влагосборников (45), дополнительные фитили (38) и фитиль блока сборника конденсата (13) совместно составляют устройство для отвода влаги (48).

Полость (49) предкамеры (3), полости прямого хода (20) воздухо-воздушного теплообменника (1), полости без гофрированных вкладышей (23), полости (50) воздуховодов подачи охлажденного воздуха (6), каналы для прохода воздуха (37) в конденсаторах (25), зазоры (51) между торцами теплообменников-конденсаторов (9) и поверхностью фитиля сборника конденсата (13), полость (52) воздуховода подачи осушенного и охлажденного воздуха (10), полости обратного хода (21) воздухо-воздушного теплообменника (1), полости без гофрированных вкладышей (23) и полости (53) выходных патрубков (8) образуют единый воздушный тракт.

Материалами, из которого можно изготавливать большинство элементов устройства для осушки воздуха, являются алюминиевые сплавы, например АМГ-6 ГОСТ 4784-97. Фитили влагосборников (45) и фитиль блока сборника конденсата (13), а также дополнительные фитили (38) могут быть изготовлены из открытопористого материала, например, поливинилформаля пористого марки ТПВФ-ЗБФ ТУ 2244-043-12677854-2007.

Устройство для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов работает следующим образом: через полости (29) или (32) жидкостных теплообменников (24) постоянно прокачивается теплоноситель основного или резервного жидкостного контура космического аппарата (например, теплоноситель «ТРИОЛ» ТУ 0258-004-00205073-97) (основной и резервный жидкостные контура КА на фиг. не показаны), при повышении влажности в обитаемом отсеке космического аппарата выше допустимого уровня производится включение вентилятора (4), термоэлектрических модулей (41) и насоса откачки конденсата (на фиг. не показан). Вентилятор (4) начинает прокачивать влажный воздух из отсека КА через единый воздушный тракт устройства для осушки воздуха. При движении воздуха через полости прямого хода (20) воздухо-воздушного теплообменника (1) за счет теплообмена с охлажденным и осушенным воздухом, проходящим через полости обратного хода (21), воздух охлаждается до температуры «точки росы», далее в каналах (37) конденсаторов (25) воздух за счет теплообмена с холодной поверхностью конденсаторов (25) охлаждается, и при этом излишняя влага конденсируется на оребренной поверхности конденсатора (25). Часть сконденсировавшейся влаги стекает по ребрам (36) конденсатора (25) к фитилям влагосборника (45). За счет действия капиллярных сил влага всасывается пористым материалом фитилей влагосборника (45) и откачивается насосом через штуцера откачки конденсата из влагосборника (47). Другая часть влаги, сконденсировавшейся в зоне у основания ребер (36) конденсатора (25), за счет действия капиллярных сил всасывается пористым материалом дополнительных фитилей (38) и передается в массив фитилей влагосборника (45). Часть влаги, не поглощенная фитилями влагосборника (45) и дополнительными фитилями (38), сдувается потоком воздуха с оребренной поверхности конденсатора (25) и при ударе потока воздуха в фитиль блока сборника конденсата (13) за счет действия центробежных сил выпадает на его поверхность, затем за счет действия капиллярных сил влага всасывается пористым материалом фитиля блока сборника конденсата (13) и откачивается насосом откачки конденсата (на фиг. не показан) через штуцеры откачки конденсата из блока сборника конденсата (17). Охлажденный и осушенный воздух через зазоры (51) и полость (52) поступает в полости обратного хода (21) воздухо-воздушного теплообменника (1), где за счет теплообмена с влажным воздухом позволяет снизить температуру последнего до «точки росы» и через выходные патрубки (8) выбрасывается в отсек космической станции, где смешивается с воздухом отсека. В результате такого смешения влажность воздуха отсека постепенно понижается и при достижении заданного уровня влажности термоэлектрические модули (41), вентилятор (4) и насос откачки конденсата (на фиг. не показан) выключаются.

В процессе работы устройства для осушки воздуха имеется возможность контролировать температуру основания (35) конденсатора (25) по показаниям датчиков температуры (43). При приближении температуры основания (35) конденсатора (25) к нулевым значениям снимается питание с термоэлектрических модулей (41) термоэлектрического охладителя (40), примыкающего к соответствующему конденсатору. При повышении этой температуры до значений, исключающих обмерзание теплообменной поверхности конденсатора (25), питание термоэлектрических модулей (41) соответствующего термоэлектрического охладителя (40) восстанавливается. При этом вентилятор (4) и термоэлектрические модули (41) остальных термоэлектрических охладителей (40) остаются включенными.

В связи с тем, что жидкостные теплообменники (24) выполнены двухконтурными, то при переходе работы с основного на резервный жидкостный контур космического аппарата работа устройства осушки воздуха не прерывается.

Раздельная откачка конденсата из фитилей влагосборников (45) и фитиля сборника конденсата (13) способствует более полному осушению фитилей в процессе работы насоса откачки конденсата и, следовательно, увеличению производительности устройства осушки воздуха.

Тепловые расчеты показывают, что с помощью подобного устройства возможно достигнуть влагосъема 500 г/ч при следующих условиях:

- напряжение питания термоэлектрических охладителей (40) составляет 27 В;

- суммарный расход теплоносителя основного или резервного жидкостного контура КА через полости (29) или (32) жидкостных теплообменников (24) составляет 110 см³/с;

- температура теплоносителя основного или резервного жидкостного контура КА на входе в полости (29) или (32) жидкостных теплообменников (24) составляет не более 19°С;

- расход воздуха через единый воздушный тракт составляет 40 л/с;

- температура воздуха на входе в единый воздушный тракт составляет не более 21°С;

- относительная влажность воздуха на входе в единый воздушный тракт составляет не менее 70%.

Для достижения заданного влагосъема требуется охладить воздух до температуры 10,6°С, при этом будет затрачено 862 Вт тепла.

При напряжении питания термоэлектрических охладителей (40) 27 В и предположении, что между «горячими» и «холодными» спаями термоэлектрических модулей (41) реализуется перепад температур 20°С, количество тепла, поглощаемого на «холодном» спае одного термоэлектрического модуля типа S-127-10-15

ТУ 6341-001-43547909-2009 (по паспортным данным) составляет 7,3 Вт, а его энергопотребление составляет 5,6 Вт.Таким образом, в случае отсутствия ВВТ (1) часть термоэлектрических модулей (41) будет работать на захолаживание воздуха до температуры «точки росы», и на этом участке не будет происходить выпадения влаги из воздуха. При этом потребуется использовать 118 термоэлектрических модулей, и их суммарное энергопотребление составит порядка 660,8 Вт.Температура воздуха на выходе устройства в этом случае будет 10,6°С.

Для охлаждения потока воздуха с температурой 21°С и относительной влажностью 70% с расходом 40 л/с до «точки росы» (15,3°С и 100%), требуется отвести от него 280 Вт тепла. Использование регенерации между охлажденным воздухом на выходе из блока конденсаторов (II) и влажного воздуха на входе с помощью ВВТ (1) позволяет снизить температуру воздуха на входе в блок конденсаторов (II) до «точки росы». В этом случае для достижения заданного влагосъема требуется использовать 80 термоэлектрических модулей, и их суммарное энергопотребление составит порядка 448 Вт. Также температура воздуха на выходе устройства повышается до 16,1°С.

Таким образом, использование ВВТ (1) позволяет сократить необходимое количество используемых термоэлектрических модулей (41), что уменьшает массогабаритные характеристики теплообменников-конденсаторов (9) и снижает суммарное энергопотребление устройства для осушки воздуха. Кроме того, применение в конструкции устройства для осушки воздуха ВВТ (1) позволяет повысить выходную температуру воздуха с 10,6 до 16,1°С. На такой подогрев потребовалось бы затратить дополнительные 280 Вт от бортовых электронагревателей.

В заданных условиях энергопотребление на осушку воздуха снижается в два раза.

Расчетная схема ВВТ для определения его тепловых характеристик с указанием расчетных сечений представлено на фиг. 4.

На фиг. 4 за «прямой ход» принята полость ВВТ, в которую подается горячий воздух, а за «обратный ход» - полость ВВТ, в которую подается холодный воздух.

Для расчета тепловых характеристик, ВВТ можно условно разбить на три характерных участка:

- на «расчетном участке I» воздух прямого хода ВВТ движется в каналах гофра, а воздух обратного хода ВВТ - в полости ВВТ без гофрированного вкладыша;

- на «расчетном участке И» воздух прямого и обратного хода ВВТ движется в каналах гофра;

- на «расчетном участке III» воздух прямого хода ВВТ движется в полости ВВТ без гофрированного вкладыша, а воздух обратного хода ВВТ - в каналах гофра.

С одной стороны для «расчетного участка I» тепло, отведенное от воздуха прямого хода ВВТ, равно теплу, подведенному к воздуху обратного хода ВВТ. Соответственно для «расчетного участка I» может быть составлено балансовое уравнение (1):

С другой стороны для «расчетного участка I» может быть составлено балансовое уравнение (2):

где - коэффициент теплопередачи для «расчетного участка I», Вт/К;

- логарифмический перепад температур для «расчетного участка I», °С.

Аналогичные уравнения можно составить для «расчетного участка II» и «расчетного участка III»:

Решение системы уравнений (1) - (6) позволяет определить расчетный теплосъем ВВТ. Для заданных условий теплосъем ВВТ составит 290 Вт.Таким образом, предложенная конструкция ВВТ позволяет охладить входящий воздух до температуры 15,3°С.

В составе блока конденсаторов (II) теплообменники-конденсаторы (9) установлены параллельно, как по потоку воздуха, так и по теплоносителю основного или резервного жидкостного контура КА. Соответственно для достижения влагосъема устройства для осушки воздуха 500 г/ч, один теплообменник-конденсатор (9) должен снимать не менее 250 г/ч при следующих условиях:

- напряжение питания термоэлектрических охладителей (40) составляет 27 В;

- расход теплоносителя основного или резервного жидкостного контура КА через полости (29) или (32) жидкостных теплообменников (24) составляет 55 см³/с;

- температура теплоносителя основного или резервного жидкостного контура КА на входе в полости (29) или (32) жидкостных теплообменников (24) составляет не более 19°С;

- расход воздуха через воздушные каналы (37) теплообменника-конденсатора (9) составляет 20 л/с;

- температура воздуха на входе в воздушные каналы (37) теплообменника-конденсатора (9) составляет не более 15,3°С;

- относительная влажность воздуха на входе в воздушные каналы (37) теплообменника-конденсатора (9) составляет не менее 100%.

Методика расчета термоэлектрического охладителя с учетом наличия термического сопротивления со стороны «горячего» и «холодного» спаев ТЭМ приведена в книге Каганов М.А., Привин М.Р. «Термоэлектрические тепловые насосы (теоретические основы расчета)» (издательство «Энергия», Ленинград, 1970 г., с. 174).

Тепло, поглощенное «холодным» спаем одного ТЭМ в случае отсутствия термического сопротивления между охлаждаемой средой и «холодным» спаем ТЭМ, определяется по формуле (7):

где R_тэм - электрическое сопротивление ТЭМ, Ом;

I - сила тока, проходящего через ТЭМ, А;

e_тэм ~ величина термо-э.д.с, развиваемая ТЭМ,

Т_г - температура горячего спая ТЭМ, К;

ΔT - перепад температуры между горячим и холодным спаями ТЭМ, К;

λ_тэм - коэффициент теплопроводности ТЭМ,

S_тэм - площадь поверхности одного спая ТЭМ, м²;

d_тэм ~~ толщина ТЭМ, м²;

Тепло, выделившееся на «горячем» спае одного ТЭМ в случае отсутствия термического сопротивления между охлаждающей средой и «горячим» спаем ТЭМ, определяется по формуле:

Для удобства расчетов формулы (7) и (8) можно записать в безразмерном виде:

где - безразмерная удельная холодопроизводительность/теплопроизводительность на единицу площади ТЭМ;

- безразмерная плотность тока, проходящего через ТЭМ;

- безразмерная температура «холодного»/«горячего» спая ТЭМ;

- безразмерный перепад температур между спаями ТЭМ;

Формулы (7а) и (8а) справедливы в случае отсутствия термических сопротивлений на спаях ТЭМ.

При наличии термических сопротивлений со стороны «холодного» и «горячего» спаев ТЭМ баланс тепла для ТЭМ в безразмерном виде может быть записан следующим образом:

где

- безразмерная температура воздуха/теплоносителя основного или резервного жидкостного контура;

- безразмерный перепад температур между воздухом и теплоносителем основного или резервного жидкостного контура;

- критерий Био для «холодного»/«горячего» спая ТЭМ;

k_x,г- приведенный коэффициент теплопередачи со стороны «холодного»/«горячего» спая ТЭМ,

Решение системы уравнений (9)-(10) позволяет определить расчетный влагосъем ТК. Для заданных условий влагосъем одного ТК составит 278 г/ч.

Устройство для осушки воздуха изготовлено и прошло часть автономной отработки в рамках лабораторных отработочных испытаний с положительными результатами.

Изобретение относится к области космической техники, а именно к системам создания комфортных условий пребывания экипажей космических орбитальных станций в процессе полета. Устройство для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов содержит предкамеру с установленным в ее вершине вентилятором, выходные патрубки, конденсаторы, жидкостные и воздухо-воздушный теплообменники, технологические полости, образованные основаниями конденсаторов и корпусами жидкостных теплообменников, в каждой из которых размещен термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами, которые заполнены несмачиваемым электротеплоизолятором, устройство для отвода влаги, штуцер откачки конденсата и единый воздушный тракт, причем его конструкция выполнена по блочному принципу и состоит из блока подачи и выхода воздуха, блока конденсаторов и блока сборника конденсата с возможностью их замены, при этом на основании неоребренной поверхности каждого конденсатора установлены датчики температуры. При реализации изобретения достигается повышение эффективности устройства для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов. 4 ил.

Устройство для осушки воздуха герметичных отсеков космических аппаратов, содержащее предкамеру с установленным в ее вершине вентилятором, выходные патрубки, конденсаторы, жидкостные теплообменники, технологические полости, образованные основаниями конденсаторов и корпусами жидкостных теплообменников, в каждой из которых размещен термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами, которые заполнены несмачиваемым электротеплоизолятором, устройство для отвода влаги, штуцер откачки конденсата и единый воздушный тракт, отличающееся тем, что его конструкция выполнена по блочному принципу и состоит из блока подачи и выхода воздуха, блока конденсаторов и блока сборника конденсата с возможностью их замены, при этом блок подачи и выхода воздуха включает упомянутую предкамеру с размещенным в ее вершине вентилятором, воздухо-воздушный теплообменник, установленный в едином воздушном тракте между предкамерой и блоком конденсаторов и выполненный в виде противоточного пластинчатого теплообменника с чередующимися полостями прямого и обратного хода, теплообменная поверхность которых может быть развита за счет использования гофрированных вкладышей, при этом на выходе упомянутых полостей прямого и обратного хода организованы полости без гофрированных вкладышей для обеспечения разделения потока воздуха на две части, два воздуховода подачи охлажденного воздуха, установленные на выходные фланцы прямого хода воздухо-воздушного теплообменника со стороны выхода воздуха из полостей прямого хода, и упомянутые выходные патрубки, установленные на выходные фланцы обратного хода воздухо-воздушного теплообменника со стороны выхода воздуха из полостей обратного хода, причем предкамера установлена на входной фланец прямого хода воздухо-воздушного теплообменника со стороны входа воздуха в полости прямого хода, блок конденсаторов включает плиту, два теплообменника-конденсатора, каждый из которых состоит из жидкостного теплообменника, выполненного двухконтурным и содержащего корпус с оребрением и промежуточную пластину, разделяющую жидкостный теплообменник на две полости, каждая из которых соединена с входным и выходным патрубками, двух конденсаторов, каждый из которых выполнен в виде основания с ребрами, зазоры между которыми образуют каналы для прохода воздуха, при этом часть оребренной поверхности выполнена с увеличенным межреберным расстоянием для установки дополнительных фитилей, позволяющих собирать конденсат в зоне у основания ребер, двух термоэлектрических охладителей, каждый из которых размещен в упомянутой технологической полости, и двух влагосборников, каждый из которых содержит корпус, который крепится к жидкостному теплообменнику и в котором размещается фитиль влагосборника, при этом в массиве фитиля влагосборника установлен перфорированный коллектор, соединенный со штуцером откачки конденсата из влагосборника, и воздуховод подачи охлажденного и осушенного воздуха, установленный на упомянутой плите между теплообменниками-конденсаторами, к которым крепится плита со стороны входа в них воздуха, блок сборника конденсата включает поддон, выполняющий функцию кожуха, в котором расположен фитиль блока сборника конденсата, при этом на основании поддона установлены заборные устройства конденсата, выполненные в виде полукруглых в сечении перфорированных желобов и закрепленные на основании поддона так, что между внутренней поверхностью желобов и основанием поддона образуется полость, соединенная со штуцерами откачки конденсата из сборника конденсата, причем блок подачи и выхода воздуха установлен на плиту блока конденсаторов, а блок сборника конденсата установлен на выходные фланцы теплообменников-конденсаторов и входной фланец воздуховода подачи осушенного и охлажденного воздуха со стороны выхода воздуха из теплообменников-конденсаторов, единый воздушный тракт образован полостью предкамеры, полостями прямого хода воздухо-воздушного теплообменника, полостями без гофрированных вкладышей, полостями воздуховодов подачи охлажденного воздуха, каналами для прохода воздуха в конденсаторах, зазорами между торцами теплообменников-конденсаторов и поверхностью фитиля сборника конденсата, полостью воздуховода подачи осушенного и охлажденного воздуха, полостями обратного хода воздухо-воздушного теплообменника, полостью без гофрированных вкладышей и полостями выходных патрубков, устройство для отвода влаги состоит из фитилей влагосборников, дополнительных фитилей для сбора конденсата в зоне у основания ребер конденсаторов и фитиля блока сборника конденсата, при этом на основании неоребренной поверхности каждого конденсатора, к которой примыкают холодные поверхности термоэлектрических модулей соответствующего термоэлектрического охладителя, установлены датчики температуры.