Устройство для поддержания давления теплоносителя в контуре системы терморегулирования космического аппарата

 

Изобретение относится к активным системам терморегулирвания /СТР/, преимущественно космических аппаратов, функционирующих на орбите. Устройство согласно предлагаемому изобретению содержит емкость с источником поддержания давления /электронагревателем/ и фазоразделителем /капиллярным слоем на внутренних стенках емкости/, между которыми выполнена структура перфорированных ребер и канавок. Емкость соединена через указанный слой трубопроводом отбора с контуром СТР. Конструкция устройства работоспособна как в случае однофазного, так и двухфазного теплоносителя, обеспечивая отбор жидкой его фазы в невесомости, а также дозированный отбор паровой фазы в систему очистки. Устройство обладает пониженными массой и габаритами при увеличенном гарантийном сроке эксплуатации. 2 ил.

Изобретение относится к космической технике, а именно к системам обеспечения теплового режима (СОТР), предназначенным для поддержания заданного теплового режима жилых отсеков, приборов, агрегатов и различных конструкций космических аппаратов (КА) при нахождении их на орбите.

Известно устройство для поддержания давления жидкого однофазного теплоносителя в контуре системы терморегулирования (СТР) летательного аппарата (см. , например, Г.И.Воронин, М.И.Верба, "Кондиционирование воздуха на летательных аппаратах", М.: Машиностроение, 1965 г.), содержащее емкость с фазоразделителем - эластичной мембраной, разделяющей полость емкости на газовую и жидкостную полости, при этом жидкостная полость соединена трубопроводом с контуром системы термостатирования, а замкнутая газовая полость обеспечивает поддержание давления в контуре системы терморегулирования.

Известно также устройство для поддержания давления жидкого однофазного теплоносителя в контуре СТР КА (см. книгу "Космические аппараты" под общей редакцией К.П.Феоктистова, М, Военное издательство, 1983 г., стр. 197 - 215, рис. 6.7), выбранное в качестве прототипа.

Устройство содержит емкость с фазовращателем - эластичной мембраной, разделяющей полость емкости на газовую и жидкостную, при этом жидкостная полость соединена трубопроводом с контуром системы терморегулирования, а замкнутая полость, заполненная газом с заданным уровнем давления обеспечивает поддержание давления в контуре СТР КА в заданном диапазоне, путем расширения газа и вытеснения за счет перемещения мембраны жидкости из жидкостной полости в контур СТР при понижении давления в контуре ниже заданного уровня и сжатии газа и поглощении части жидкости из контура в жидкостную полость при повышении давления в контуре выше заданного уровня.

Аналог и прототип имеют общие следующие недостатки: - имеют худшие массово-габаритные характеристики по сравнению с устройствами такого же назначения, т. к. в их конструкции в качестве источника поддержания давления в контуре СТР КА используется дополнительная полость, заполненная газом с заданным уровнем давления и в результате общий объем устройства больше на величину объема этой полости при равенстве жидкостных объемов. Объем газовой полости выбирается из условия расширения теплоносителя при повышении его температуры до установленной максимальной величины. При использовании двухфазного теплоносителя в контуре СТР КА объем газовой полости получается весьма существенным, т. к. объемное расширение двухфазного теплоносителя значительно больше, чем однофазного; - не позволяют в процессе эксплуатации при необходимости переходить на другой диапазон регулирования давления, т. к. объем газовой полости рассчитывается на определенный диапазон поддержания давления. Для обеспечения разных диапазонов регулирования давления при использовании таких конструкций надо предусматривать в составе СТР столько емкостей со своим объемом газовой полости, сколько надо обеспечить диапазонов в процессе эксплуатации, что приведет к существенному увеличению массово-габаритных характеристик СТР; - имеют ограниченный ресурс эксплуатации, лимитированный количеством перекладок мембраны из одного положения в другое, который меньше гарантийного срока эксплуатации, требуемого для устройств, устанавливаемых на КА - 16 лет; - и основным недостатком таких устройств является то, что они вообще неприемлемы при использовании в контуре СТР очень эффективного двухфазного теплоносителя, позволяющего существенно уменьшить теплообменные поверхности в контуре из-за интенсификации теплообмена за счет использования теплоты испарения и конденсации, которые у этого продукта значительно больше по сравнению с другими - аммиака. Он применен в разрабатываемой в настоящее время системе терморегулирования КА, рабочий диапазон температур которой от минус 70 до +60^oC и давлении от 0,5 до 24 кгс/см². Эластичных мембран, которые могли бы работать при таких отрицательных температурах и быть совместимыми с аммиаком еще нет.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение работоспособности устройства для поддержания давления теплоносителя в контуре СТР КА при использовании как однофазного, так и двухфазного теплоносителя в широком диапазоне температур от отрицательных до положительных с одновременным улучшением его массово-габаритных и эксплуатационных характеристик и увеличением срока эксплуатации.

Сущность изобретения заключается в том, сто в устройстве для поддержания давления теплоносителя в конуре СТР КА, содержащем емкость с источником поддержания давления и фазовращателем, соединенную трубопроводом отбора с контуром системы терморегулирования, имеющей блок измерения и управления, источник поддержания давления выполнен в виде расположенного вдоль центральной оси емкости трубчатого электронагревателя с перфорированными ребрами, а фазовращатель - в виде оболочки из материала с мелкоячеистой капиллярной структурой, закрепленного на концах упомянутых ребер и расположенного идентично внутренней поверхности емкости с зазором, при этом в зазор введен выходной конец трубопровода отбора и боковые поверхности ребер снабжены капиллчрными канавками, проложенными от вершины до основания ребра, а из центра полости между двумя любыми ребрами выведен дополнительный трубопровод, соединенный с системой очистки паровой фазы теплоносителя, причем выходной конец дополнительного трубопровода снабжен перфорированным наконечником из несмачиваемого теплоносителем материала, а трубчатый электронагреватель электрически связан с упомянутым блоком измерения и управления СТР.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями вновь созданная конструкция обеспечивает работоспособность устройства при использовании в контуре СТР КА как однофазного, так и двухфазного теплоносителя в широком диапазоне температур от отрицательных до положительных, обладает меньшими габаритно-массовыми характеристиками, имеет улучшенные эксплуатационные характеристики и больший гарантийный срок эксплуатации.

Это достигается тем, что в предлагаемой конструкции для разделения фаз и поддержки давления теплоносителя применены элементы (материал из мелкоячеистой капиллярной структуры и внутрибаковый трубчатый электронагреватель), работоспособные в широком диапазоне температур от отрицательных до положительных, при этом объем и масса этих элементов во много раз меньше объема и массы газовой полости известных устройств и практически не влияет на увеличение объема емкости, определяемого заданным количеством заправляемого теплоносителя.

Улучшение эксплуатационных характеристик предлагаемой конструкции достигается тем, что она позволяет в процессе эксплуатации легко переходить на любой требуемый диапазон регулирования давления в контуре СТР КА в пределах заданного рабочего диапазона давлений, например, от 0,5 до 24 кгс/см² и соответственно равновесных им температур от минус 70 до +60^oC для разрабатываемой в настоящее время СТР КА с использованием в качестве теплоносителя аммиака в двухфазном состоянии (жидкость + пар). Это достигается путем переключения на блоке измерения и управления внутрибакового электронагревателя на работу с сигнализатором давления, настроенным на требуемый в данное время уровень регулирования давления.

Увеличение срока эксплуатации предлагаемого устройства по сравнению с известными достигается тем, что в нем отсутствует самый надежный и малоресурсный элемент - мембрана, которая в процессе эксплуатации перемещается из одного положения в другое при вытеснении жидкости в контур СТР или при ее поглощении из контура, и которая даже в процессе заданного количества циклов перемещений может устранять герметичность, что приведет к нарушению работоспособности устройства.

Кроме того, к достоинствам предлагаемого устройства относится и то, что оно обеспечивает очистку теплоносителя от неконденсируемых газовых примесей путем непрерывного дозирования отбора паровой фазы теплоносителя в систему очистки, где эти примеси удаляются, что способствует улучшению теплообменных процессов, т.к. примеси ухудшают теплообмен.

Суть изобретения поясняется чертежами.

Фиг. 1 показывает вид сбоку на устройство.

Фиг. 2 показывает разрез А-А на фиг.1.

Устройство включает емкость 1 с расположенным вдоль ее центральной оси трубчатым электронагревателем 2 с ребрами 3, равномерно расположенными и выполненными из высокотеплопроводного материала, например из алюминия. Ребра 3 имеют перфорацию 4 и их боковые поверхности снабжены капиллярными канавками 5, проложенными от основания до вершины ребра. На концах ребер 3 закреплен материал 6 с мелкоячеистой капиллярной структурой, образующей замкнутую оболочку и расположенный идентично внутренней поверхности емкости с зазором 7. В зазор 7 введен выходной конец трубопровода отбора 8, снабженного запорным клапаном 9 и соединенного с контуром СТР. Из центра полости между двумя любыми ребрами 3 выведен дополнительный трубопровод 10 с запросным клапаном 11, соединенный с системой очистки паровой фазы теплоносителя, причем выходной конец трубопровода 10 снабжен перфорированным наконечником 12, выполненным из несмачиваемого теплоносителем материала, например из стеклопластика, и после наконечника 12 установлена ограничительная шайба 13. Для контроля параметров теплоносителя в емкости 1 она снабжена датчиком давления 14 и датчиком температуры 15, а трубчатый электронагреватель 2 соединен электрической связью 16 с блоком измерения и уплотнения 17 системы терморегулирования.

Работает устройство следующим образом. На Земле через трубопровод 8 производится заправка емкости 1 теплоносителем, например, жидким аммиаком до заданного количества, при этом объем емкости выбирается таким, что после окончания заправки обязательно остается паровая подушка, необходимая для расширения жидкости при ее нагреве. После окончания заправки клапаны, например электроклапаны 9 и 11, закрываются. С закрытыми клапанами устройство в составе СТР КА выводится в космос. После вывода КАК в космос клапаны 9 и 11 открываются, включается циркуляционный насос контура СТР и производится циркуляция теплоносителя в контуре. Через некоторое время после начала работы насоса температура и соответствующее ей давление насыщения двухфазного теплоносителя устанавливаются на каком-то стабильном уровне. Если он окажется ниже нижнего уровня заданного регулируемого диапазона давлений, например, ниже 5,5 кгс/см² (абс.), чему соответствует равновесная температура аммиака 7,5^oC, то по команде с пульта измерения и управления 17 включается электронагреватель 2. В результате работы электронагревателя давление в емкости 1 повышается и жидкость вытесняется из емкости в контур СТР, причем из емкости должна отбираться только жидкая фаза, т. к. далее она попадает в циркуляционный насос, который работает только на жидкости. За счет вытесненной из емкости 1 по трубопроводу 8 в контур СТР жидкости в конденсаторе контура затопляется часть теплоотводящей поверхности и подаваемая в конденсатор после испарителя паровая фаза аммиака при конденсации меньше будет отдавать тепла тепоотводящей поверхности, т. к. часть тепла она будет отдавать затопляющей поверхности жидкости. В результате теплоотвод от теплоносителя в конденсаторе уменьшится и постепенно его температура и, следовательно, давление насыщения в контуре будет повышаться. После повышения давления в контуре, которое фиксируется по установленному там датчику давления, до верхнего уровня регулируемого диапазона давлений, например 6,6 кгс/см² (абс.), чему соответствует равновесная температура 12,5^oC электронагреватель 2 выключается, при этом давление в емкости, фиксируемое датчиком 14 может быть иным. Датчик 14 нужен только для контроля давления в емкости и его показания не учитываются при управлении работой электронагревателя 2. В процессе дальнейшей работы в случае увеличения тепловой нагрузки количество подводимого тепла к циркулирующему в контуре СТР теплоносителю от термостатируемых агрегатов возрастет и температура, а следовательно, и давление теплоносителя в контуре повысится и превысит давление в емкости 1. В результате этого жидкость из контура СТР через трубопровод 8 будет вытесняться в емкость 1, количество жидкости в контуре будет уменьшаться и тепоотводящая поверхность в конденсаторе будет освобождаться от затопляющей ее жидкости. Поэтому от поступающей в конденсатор паровой фазы аммиака будет больше отводиться тепла. В результате температура теплоносителя будет понижаться и после понижения давления в контуре в результате понижения температуры теплоносителя до нижнего уровня - 5,5 кгс/см² опять произойдет включение электронагревателя 2 и вышеописанный процесс повторится. Если по условиям работы потребуется перейти на другой уровень регулирования давления и, следовательно, другой уровень термостатирования, то управление включением и выключением электронагревателя 2 переключается на пульте 17 на другой сигнализатор, настроенный на требуемый уровень, и процесс поддержания давления и, следовательно, температуры будет производиться аналогично вышеописанному.

Отбор жидкой фазы из емкости 1 в контур СТР в условиях невесомости обеспечивается за счет конструктивного исполнения устройства.

В условиях невесомости, если жидкость смачивает материал, то она растекается по его поверхности. В предлагаемом устройстве жидкая фаза аммиака будет располагаться на поверхностях ребер 3, на поверхности электронагревателя 2, когда он не работает, т. к. при его работе на его поверхности может образовываться паровая пленка и в течении всего времени эксплуатации жидкость будет находиться в зазоре 7, образованном внутренней поверхностью емкости и материалом 6 из мелкоячеистой капиллярной структуры, при этом размер ячеек материала такой, который обеспечивает удержание жидкой фазы теплоносителя в упомянутом зазоре за счет действия капиллярных сил при любых имеющих место эксплуатационных нагрузках. По мере вытеснения жидкости из емкости 1 в контур СТР доля паровой фазы будет возрастать, но в зазоре 7 за счет действия капиллярных сил будет находиться жидкая фаза до тех пор, пока хоть в одном месте со стороны электронагревателя 2 будет жидкость. А в этот зазор 7 жидкость будет подаваться по капиллярным канавкам 5 ребер 3.

Перфорационные отверстия 4 на ребрах 3 исключают наличие замкнутых зон в емкости.

В процессе работы клапан 11 на дополнительном трубопроводе 10 все время открыт и из емкости в условиях невесомости отбирается паровая фаза. Это достигается тем, что выходной конец дополнительного трубопровода 10 расположен подальше от металлических поверхностей, т. е. где вероятность нахождения жидкости меньше и выходной конец снабжен перфорированным наконечником 12 из несмачиваемого теплоносителем материала. Поэтому, если в зоне нахождения наконечника 12 окажется жидкость, то за счет того, что материал наконечника не смачивается, жидкость не будет растекаться по его поверхности, а будет соприкасаться с ней в отдельных точках и в мелкие перфорационные отверстия будет отбираться только паровая фаза. Для ограничения расхода пара до требуемой величины на трубопроводе 10 после наконечника 12 установлена ограничительная шайба 13. Отбираемый по трубопроводу 10 пар направляется в систему очистки, где из него удаляются неконденсируемые газы. В результате предлагаемое устройство обеспечивает очистку теплоносителя от неконденсируемых газов, что способствует улучшению теплообмена.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях позволяет достичь нового технического результата: обеспечить работоспособность устройства при использовании в контуре СТР КА как однофазного, так и двухфазного теплоносителя в широком диапазоне температур от отрицательных до положительных, уменьшить габаритно-массовые характеристики, улучшить эксплуатационные характеристики и увеличить срок эксплуатации.

Формула изобретения

Устройство для поддержания давления теплоносителя в контуре системы терморегулирования космического аппарата, содержащее емкость с источником поддержания давления и фазоразделителем, соединенную трубопроводом отбора с контуром системы терморегулирования, имеющей блок измерения и управления, отличающееся тем, что источник поддержания давления выполнен в виде расположенного вдоль центральной оси емкости трубчатого электронагревателя с перфорированными ребрами, а фазоразделитель - в виде оболочки из материала с мелкоячеистой капиллярной структурой, закрепленного на концах упомянутых ребер и расположенного идентично внутренней поверхности емкости, с зазором, при этом в зазор введен выходной конец трубопровода отбора, боковые поверхности ребер снабжены капиллярными канавками, проложенными от вершины до основания ребра, а из центра полости между двумя любыми ребрами выведен дополнительный трубопровод, соединенный с системой очистки паровой фазы теплоносителя, причем выходной конец дополнительного трубопровода снабжен перфорированным наконечником из не смачиваемого теплоносителем материала, а трубчатый электронагреватель электрически связан с упомянутым блоком измерения и управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2