Осушитель воздуха герметичных отсеков космических аппаратов

 

Изобретение предназначено для поддержания влажности воздуха обитаемых герметичных отсеков космических аппаратов, преимущественно орбитальных станций, в зоне комфортных условий, необходимых для эффективной деятельности космонавтов, и может быть использовано на подводных лодках и в закрытых помещениях с повышенной температурой и влажностью. Осушитель воздуха герметичных отсеков содержит кожух с входными и выходными патрубками, устройство для отвода влаги, конденсатор, жидкостной теплообменник и расположенный в полости между основанием конденсатора и корпусом жидкостного теплообменника термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами, заполненными несмачиваемым электротеплоизоляционным материалом, между каждым термомодулем и основанием конденсатора установлена прокладка из теплопроводного материала с тепловым контактом с обеих сторон. Преимущество предлагаемого технического решения состоит в том, что благодаря установке между каждым термомодулем и основанием конденсатора прокладки оптимальной толщины из теплопроводного материала с тепловым контактом с обеих сторон обеспечивается повышение холодильного коэффициента (отношение производимого холода к потребляемой электроэнергии), который характеризует эффективность работы таких устройств. 2 ил.

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. Предлагаемое устройство и предназначено для поддержания уровня влажности воздуха в герметичных отсеках пилотируемых космических аппаратов (КА), в частности в обитаемых отсеках орбитальных станций в зоне комфортных условий.

Известно, принятое за аналог, устройство для осушки воздуха герметичных отсеков КА (см. патент 2134857 от 10.06.99 г.), содержащее кожух с входными и выходными патрубками, устройство для отвода влаги, конденсатор, жидкостной теплообменник и расположенный в полости между основанием конденсатора и корпусом жидкостного теплообменника термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами. Холодные спаи упомянутых термомодулей с тепловым контактом примыкают к поверхности основания конденсатора, а горячие спаи - к поверхности корпуса жидкостного теплообменника, с помощью которого отводится тепло от горячих спаев термоэлектрических модулей.

Недостатком аналога является то, что в нем через зазоры между термомодулями, которые необходимы для исключения непредусмотренных электрических контактов между ними, имеет место существенный подвод тепла от поверхности корпуса жидкостного теплообменника, к которой примыкают горячие спаи термоэлементов к холодной поверхности основания конденсатора.

В условиях невесомости передача тепла через эти зазоры осуществляется теплопроводностью и излучением. А так как продуваемый через устройство воздух будет свободно проникать в эти зазоры и там конденсироваться на холодной поверхности, то передача тепла теплопроводностью будет существенна, во-первых, из-за того, что теплопроводность конденсата на ~2 порядка больше теплопроводности воздуха и, во-вторых, при конденсации воздуха выделяется теплота конденсации. В результате этого эффективность работы устройства, характеризуемая холодильным коэффициентом (отношение производимого холода Q_x к потребляемой электроэнергии N) понижается. Чтобы обеспечить конденсацию заданного количества влаги из продуваемого через устройство воздуха в герметичном отсеке потребуется большее потребление электроэнергии, которая на КА всегда ограничена.

Известен также осушитель воздуха герметичных отсеков КА, выбранный в качестве прототипа (см. патент 2133920 от 27.07.99 г.).

Осушитель воздуха содержит кожух с выходными патрубками, устройство для отвода влаги, конденсатор, жидкостной теплообменник и расположенный в полости между основанием конденсатора и корпусом жидкостного теплообменника термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами, заполненными несмачиваемым электротеплоизоляционным материалом.

В прототипе, по сравнению с аналогом, благодаря заполнению зазоров между термомодулями несмачиваемым электротеплоизоляционным материалом полностью исключается передача тепла излучением и уменьшается передача тепла теплопроводностью от теплой к холодной поверхности, так как коэффициент теплопроводности материала, заполняющего зазоры, например, стеклотекстолита в несколько раз меньше, чем у воды. В результате эффективность работы прототипа выше, чем аналога. Однако при небольшом расстоянии между теплообменными поверхностями (небольшой высоте зазора), которое определяется высотой термомодуля (у разных типов термомодулей высота имеет разную величину) теплоприток теплопроводностью может быть существенным, что приведет к понижению эффективности работы устройства.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы осушителя воздуха герметичных отсеков космических аппаратов.

Сущность изобретения заключается в том, что в осушителе воздуха герметичных отсеков КА, содержащем кожух с входными и выходными патрубками, устройство для отвода влаги, конденсатор, жидкостной теплообменник и расположенный в полости между основанием конденсатора и кожухом жидкостного теплообменника термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами, заполненными несмачиваемым электротеплоизоляционным материалом, между каждым термомодулем и основанием конденсатора установлена прокладка из теплопроводного материала с тепловым контактом с обеих сторон.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями вновь созданная конструкция для осушки воздуха герметичных отсеков КА позволяет повысить эффективность устройства за счет повышения холодильного коэффициента и, следовательно, при одинаковом количестве конденсируемой влаги из прокачиваемого через устройство воздуха уменьшить, по сравнению с известными конструкциями, количество потребляемой энергии, что очень важно для КА, где энергопотребление всегда ограничено. Это достигается тем, что в предлагаемой конструкции между каждым термомодулем и основанием конденсатора установлена прокладка из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например, из меди или алюминия с обеспечением теплового контакта с обеих сторон. Благодаря этому на величину толщины прокладки увеличивается высота зазоров между термомодулями, заполненными электротеплоизоляционным материалом и, следовательно, уменьшается передача тепла теплопроводностью через материал, заполняющий зазоры от поверхности корпуса теплообменника к поверхности основания конденсатора, т.к. при прочих равных условиях передача тепла теплопроводностью уменьшается с увеличением длины между теплообменными поверхностями. Термическое сопротивление между холодными поверхностями термомодулей и основанием конденсатора от установки между ними прокладки из материала с высоким коэффициентом теплопроводности возрастает незначительно, зато теплоподвод через зазоры, заполненные электротеплоизоляционным материалом за счет увеличения расстояния между поверхностями корпуса теплообменника и основанием конденсатора может быть существенно снижен. Существует оптимальная толщина прокладок, при которой разность между отводимым теплом от основания конденсатора через прокладки к холодным поверхностям термомодулей и подводимым теплом от теплой поверхности корпуса теплообменника через зазоры, заполненные электротеплоизоляционным материалом, к основанию конденсатора будет максимальной. Оптимальная толщина прокладок предварительно рассчитывается из уравнения теплового баланса, а затем уточняется в результате экспериментальной отработки, при которой для разных толщин прокладок, близких к расчетной величине, определяется при прочих одинаковых условиях количество сконденсированной из воздуха в единицу времени влаги. Толщина прокладки, при которой получилось максимальное количество сконденсированной влаги, и принимается для использования в данной конструкции осушителя воздуха.

Сущность изобретения поясняется фигурами: фиг. 1 показывает вид сбоку на осушитель воздуха герметичных отсеков КА; фиг. 2 показывает разрез по А-А.

Осушитель воздуха включает кожух 1, в центральной части которого размещено устройство для отвода влаги 2 - жесткий фитиль из пористого материала, выполненный в виде пластины 3 с коническим основанием 4, при этом пластина боковыми торцами, а основание всей конической поверхностью контачат с внутренними поверхностями стенок кожуха 1. Внутри кожуха 1 напротив каждой боковой поверхности пластины 3 установлен конденсатор 5, выполненный из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например, из алюминия в виде основания 6 с ребрами 7, расположенными по всей площади основания. Ребра 7 торцами примыкают к боковой поверхности пластины 3, а зазоры между ребрами образуют каналы 8 для прохода воздуха. Напротив каждого основания 6 конденсатора 5 со стороны неоребренной его поверхности расположен жидкостной теплообменник 9, при этом между основанием 6 конденсатора 5 и корпусом жидкостного теплообменника 9 образована полость 10, в которой размещен термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей 11, которые расположены с зазорами, заполненными несмачиваемым электротеплоизоляционным материалом 12, например, стеклотекстолитом. Горячие поверхности термомодулей 11 с хорошим тепловым контактом примыкают к кожуху жидкостного теплообменника 9, а холодные поверхности термомодулей 11 с хорошим тепловым контактом примыкают к прокладкам 13, выполненным из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например, из алюминия или меди. Противоположные стороны прокладок 13 с хорошим тепловым контактом примыкают к неоребренной поверхности основания 6 конденсатора 5. Кожух 1 снабжен предкамерой 14, герметично закрепленной на торцевых поверхностях оснований 6, конденсаторов 5 и в ее вершине установлен вентилятор 15. Полость 16 предкамеры 14, каналы для прохода воздуха 8, зазоры 17, образованные торцами конденсаторов 5, торцами полости 10, свободный от термомодулей 11, объем которой заполнен стеклотекстолитом, торцами жидкостных теплообменников 9 и внутренней поверхностью основания 4 устройства для отвода влаги 2, а также зазоры 18 между наружными поверхностями корпусов жидкостных теплообменников 9 и противолежащими им внутренними поверхностями кожуха 1 образуют единый воздушный тракт, соединенный с выходными патрубками 19. Между днищем кожуха 1 и основанием 4 устройства для отвода влаги образована полость 20, в которой размещена капиллярная сетка 21 и которая снабжена патрубком 22 для подсоединения к нему насоса для откачки конденсата. Подача охлаждающей жидкости, например, воды в жидкостные теплообменники 9 осуществляется через патрубки 23, а вывод через патрубки 24.

Осушитель воздуха герметичных отсеков КА работает следующим образом.

При повышении влажности в обитаемом отсеке орбитальной станции выше допустимого уровня производится включение вентилятора 15, термоэлектрического охладителя 11, насоса откачки конденсата и агрегатов подачи хладагента в полости жидкостных теплообменников 9. Вентилятор начинает прокачивать влажный воздух из отсеков орбитальной станции через воздушный тракт осушителя воздуха. При движении воздуха через каналы 8 конденсатора 5 воздух за счет теплообмена с холодной поверхностью конденсатора охлаждается и при этом излишняя влага конденсируется на теплообменной поверхности конденсатора и стекает по его ребрам 7 к поверхности пластины 3 устройства для отвода влаги 2. За счет действия капиллярных сил влага всасывается пористым материалом устройства для отвода влаги 2 и перемещается в полость 20, откуда откачивается насосом откачки конденсата. Осушенный воздух через зазоры 17, 18 и выходные патрубки 19 выбрасывается в отсек станции, где смешивается с воздухом отсека, где установлен осушитель воздуха и затем с помощью вентиляторов воздух из этого отсека подается в остальные отсеки. В результате смешения осушенного воздуха с воздухом отсеков влажность воздуха в отсеках постепенно понижается и при достижении заданного уровня влажности термоэлектрический охладитель 11, вентилятор 15, насос откачки конденсата и агрегаты подачи хладагента в полости теплообменников 9 выключаются.

Источником холода в предлагаемом осушителе воздуха является термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей 11, в котором при протекании через него тока на холодных спаях термомодулей происходит выделение холода. За счет небольшого термического сопротивления между холодными поверхностями термомодулей 11 и основанием 6 конденсатора 5 температура поверхности конденсатора 5 незначительно превышает температуру холодных поверхностей термомодулей 11. Тепло, выделяемое прокачиваемым из отсеков воздухом на поверхности конденсатора за счет охлаждения воздуха и конденсации излишней влаги, а также тепло, выделяемое на горячих спаях термомодулей, отводится хладагентом, прокачиваемым через полости теплообменников 9, корпуса которых имеют хороший тепловой контакт с горячими спаями термомодулей.

В известных устройствах из-за небольшого расстояния между теплой поверхностью корпуса теплообменника 9 и холодной поверхностью основания 6 конденсатора 5 имеет место существенный подвод тепла теплопроводностью к конденсатору через зазоры между термомодулями 11, заполненные электротеплоизоляционным материалом. В результате этого температура на поверхности конденсатора 5 повышается. В предлагаемой конструкции, в отличии от известных, за счет установки прокладок из материала с высоким коэффициентом теплопроводности между холодными поверхностями термомодулей термоэлектрического охладителя 11 и неоребренной поверхностью основания 6 конденсатора 5 с обеспечением хорошего теплового контакта с обеих сторон и выбора толщины прокладок из условия, при котором разность между отводимым теплом от конденсатора и проводимым к нему теплом будет максимальной, обеспечивается более низкая температура на поверхности конденсатора по сравнению известными устройствами. При понижении температуры на поверхности конденсатора повышается интенсивность охлаждения прокачиваемого воздуха и увеличивается количество сконденсированной влаги, что позволяет быстрее достичь требуемой влажности воздуха в отсеках орбитальной станции и, следовательно, сократить время работы осушителя. Это приведет к уменьшению потребления электроэнергии, что очень важно для КА, где электроэнергия всегда в дефиците.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях позволяет достигнуть нового технического результата: повысить эффективность работы осушителя воздуха герметичных отсеков КА за счет повышения холодильного коэффициента (отношение производимого холода к потребляемой электроэнергии).

Формула изобретения

Осушитель воздуха герметичных отсеков космических аппаратов, содержащий кожух с входными и выходными патрубками, устройство для отвода влаги, конденсатор, жидкостной теплообменник и расположенный в полости между основанием конденсатора и корпусом жидкостного теплообменника термоэлектрический охладитель на основе скоммутированных между собой термоэлектрических модулей, установленных с зазорами, заполненными несмачиваемым электротеплоизоляционным материалом, отличающийся тем, что между каждым термомодулем и основанием конденсатора установлена прокладка из теплопроводного материала с тепловым контактом с обеих сторон.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2