Способ деаэрации жидкости и устройство для его осуществления

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования связных спутников, а также может быть использовано в холодильных установках. По предлагаемому способу деаэрацию проводят в термостатированной емкости поставщика жидкости. Замкнутую полость над зеркалом жидкости в емкости соединяют через вентиль и регулируемый дроссель с вакуумным насосом. Между вентилем и дросселем устанавливают измеритель давления в указанной полости. Вакуумирование данной полости проводят ступенчато, измеряя температуру жидкости и давление ее паров. При этом добиваются достаточно малой разности между измеренным установившимся давлением и давлением насыщенных паров жидкости при измеренной температуре. Технический результат изобретения состоит в упрощении средств деаэрации и уменьшении количества жидкости, теряемой в процессе ее деаэрации. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение, созданное авторами в порядке выполнения служебного задания, относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования (СТР) связных спутников, а также может быть использовано в холодильной технике.

Необходимость проведения деаэрации жидкости (теплоносителя), используемой в жидкостном контуре, обусловлена следующими причинами:

1) для обеспечения полноты заправки предварительно отвакуумированного замкнутого жидкостного контура - в случае заправки недеаэрированной жидкостью в таком жидкостном контуре выделяется растворившийся в ней воздух и образуются достаточно объемные области, заполненные воздухом и парами жидкости, т.е. не обеспечивается полнота заправки контура жидкостью (например, в теплоносителе ЛЗ-ТК-2 при температуре 20°С и атмосферном давлении растворяется ≈ 200 см³ воздуха в одном литре ЛЗ-ТК-2, которое, например, при снижении давления в теплоносителе выделяется из него);

2) для обеспечения бескавитационной работы электронасосного агрегата как в СТР с однофазным жидкостным контуром, так и в двухфазных СТР, т.к. при работе насоса электронасосного агрегата происходит снижение давления теплоносителя в колесе и при определенных температурах теплоносителя в нем возможно выделение растворившегося воздуха с кипением теплоносителя, приводящее к неустойчивой работе насоса с пульсацией и снижением расхода теплоносителя в жидкостном контуре СТР;

3) в случае заправки СТР с двухфазным жидкостным контуром (двухфазных СТР) недеаэрированным (или недостаточно деаэрированным) теплоносителем, в зонах испарения (кипения) происходит выделение растворившегося воздуха, которое собирается в теплообменных устройствах, и в результате этого существенно уменьшается площадь теплообмена и, следовательно, уменьшается их теплоотводящая способность, т.е. ухудшается главная рабочая характеристика СТР; эта проблема также актуальна в холодильной технике, эксплуатирующейся в наземных условиях - из-за накопления выделившегося в зонах испарения (кипения) из рабочей жидкости растворившегося воздуха в теплообменниках уменьшается площадь теплообмена и снижается хладопроизводительность и увеличивается энергопотребление холодильных машин.

Известны способы деаэрации жидкости (удаления растворенного в ней воздуха) в заправщике, описание которых приведено в материалах патентов Российской Федерации №№2144891, 2151719.

Анализ, проведенный авторами опыта проведения деаэрации теплоносителей СТР, показал:

- недостатками известных способов деаэрации является относительно большие потери жидкости;

- недостатками известных устройств-заправщиков, используемых для осуществления деаэрации, является сложность их конструкции.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близкими по технической сущности прототипами предлагаемого технического решения являются:

- способ деаэрации жидкости (жидкого теплоносителя СТР), приведенный в патенте №2151719;

- устройство для деаэрации жидкости (жидкого теплоносителя СТР), выполненное на базе патента №2144891.

Известный способ деаэрации жидкого теплоносителя на основе патента №2151719 (см. фигуру 2), используемый в настоящее время при создании связных спутников, включает в себя следующие основные операции:

1) жидкий теплоноситель 2.1 из тары (баллона) 1 поставщика переливают в емкость 2.2 заправщика 2;

2) включают вакуумный насос 3 и поддерживают в полости над зеркалом жидкости в емкости заправщика давление, измеряемое мановакуумметром 2.3, равное давлению насыщенных паров жидкости для измеренной температуры жидкости в течение, например, не менее 3 часов для обеспечения деаэрации жидкого теплоносителя ЛЗ-ТК-2 (при температуре 20°С давление насыщенных паров ЛЗ-ТК-2 равно ≈0,05 кгс/см²; температура в помещении, где проводится деаэрация теплоносителя, изменяется в диапазоне от 15 до 35°С).

Как показывает опыт использования известного способа нашим предприятием, в этом случае при деаэрации жидкого теплоносителя ЛЗ-ТК-2 невозвратные потери жидкости достаточно высоки и достигают до (5-7)% от количества деаэрируемой жидкости (потери жидкого теплоносителя обусловлены непрерывным (не менее 3 часов) удалением из емкости заправщика совместно с выделившимся из жидкости растворенным в ней воздухом паров жидкости, образующихся при пониженном парциальном давлении жидкости над зеркалом, т.е. образующихся при кипении жидкости).

Как показывает анализ, в случае деаэрации низкокипящих (высокоэффективных с точки зрения обеспечения теплового режима спутников) жидкостей (например, аммиака, фреонов или перфторпентана) по известному способу потери жидкости еще более возрастут из-за высокой плотности пара, например, перфторпентана (давление насыщенных паров которого при температуре 20°С равно 0,724 кгс/см²) по сравнению с парами теплоносителя ЛЗ-ТК-2.

В настоящее время в качестве устройства для обеспечения деаэрации жидкого теплоносителя ЛЗ-ТК-2 используется (см. фигуру 3) заправщик 1 СТР 2, выполненный на базе патента №2144891, который включает в себя заправочную и дренажную емкости 3 и 4, вакуумный насос 5, мановакуумметр 6, отсечной вентиль 7, датчик температуры 9 и деаэрируемую жидкость 8 в заправочной емкости 3.

Как показал анализ, когда необходимо деаэрировать низкокипящую жидкость, например, аммиак, который будет использоваться в двухфазной СТР, из-за высокого давления его насыщенных паров (которое для аммиака при температуре 20°С равно ≈8 кгс/см²) приходится заправочную емкость выполнять с существенно толстыми стенками или дополнительными ребрами жесткости, что усложняет конструкцию заправщика.

Таким образом, существенными недостатками известных технических решений являются относительно большие потери жидкости в процессе проведения ее деаэрации и сложность конструкции устройства, используемого для осуществления известного способа деаэрации жидкости.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеуказанных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается проведением деаэрации жидкости и выполнением устройства для ее осуществления таким образом, что:

1. Деаэрацию жидкости проводят в емкости поставщика при температуре жидкости, соответствующей давлению насыщенных паров не выше атмосферного давления, причем до начала вакуумирования измеряют начальное установившееся давление в замкнутой полости над зеркалом жидкости и, если оно выше давления насыщенных паров жидкости при измеренной температуре ее, давление над зеркалом постепенно снижают до давления не ниже давления насыщенных паров жидкости и прекращают вакуумирование над зеркалом, после чего измеряют установившееся давление в замкнутой полости и сравнивают с давлением насыщенных паров при измеренной температуре, разность которых должна удовлетворять заданному требованию, в противном случае повторяют вакуумирование полости над зеркалом согласно вышеуказанному.

2. Емкость с деаэрируемой жидкостью помещена в термостатирующем устройстве и вентиль емкости соединен с вакуумным насосом через регулируемый дроссель и имеющий вход и выход, установленный после измерителя давления, что и являются существенными отличительными признаками предлагаемых авторами технических решений.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемых технических решений в известных источниках информации не обнаружено, и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемых способе и устройстве его осуществления.

Принципиальная схема предлагаемого устройства для осуществления деаэрации жидкости изображена на фигуре 1 и включает в себя следующие элементы: термостатирующее устройство 1, в котором помещена емкость 2 с деаэрируемой жидкостью 3; измерители давления 4 и температуры 5; регулируемый дроссель 6 - вход его соединен с вентилем 2.1 и он установлен после измерителя давления 4; вакуумный насос 7 - вход его соединен с выходом регулируемого дросселя 6, а выход сообщен с окружающей атмосферой; линию подачи жидкого азота - а; линию удаления паров жидкого азота в окружающую атмосферу - б.

Предложенный способ деаэрации жидкости, осуществляемый с помощью предложенного устройства, включает в себя следующие основные операции (см. фигуру 1):

1) взвешивают емкость 2 с деаэрируемой жидкостью 3, полученные от поставщика жидкости, и устанавливают ее в термостатирующем устройстве 1 вертикально вентилем 2.1 вверх;

2) собирают схему устройства для осуществления деаэрации жидкости согласно фигуре 1 (описание схемы приведено выше); исходное положение: вентиль 2.1 и регулируемый дроссель 6 закрыты; жидкость охлаждена до температуры, обеспечивающей в емкости давление насыщенных паров не выше атмосферного (если в емкости аммиак, то для этого его охлаждают ниже минус 33,4°С - при этой температуре давление насыщенных паров равно атмосферному давлению);

3) открывают вентиль 2.1 и фиксируют установившееся давление P_H в замкнутой полости над зеркалом жидкости;

4) измеряют температуру жидкости t, используя измеритель температуры 5;

5) определяют давление насыщенных паров жидкости P_s для измеренной температуры t, используя справочную табличную (графическую) зависимость P_S=f(t);

6) сравнивают Р′_H и P_S: если Р′_H выше P_S, то включают вакуумный насос 7, и постепенно открывая регулируемый дроссель 6, давление под зеркалом жидкости 3 в емкости 2 снижают, контролируя по измерителю давления 4, до давления не ниже давления насыщенных паров жидкости P_S - после достижения установившегося показания измерителя давления 4 закрывают регулируемый дроссель 6;

7) измеряют установившееся давление Р_H, которое устанавливается через определенное для каждой жидкости время: если за время проведения операции по п.6) растворенный воздух удалился неполностью, тогда Р_H будет больше P_S;

8) проверяют выполнение условия

P_H-P_S≤|ΔP|,

где Р_H - установившееся давление, измеренное измерителем 4, Па;

P_S - давление насыщенных паров жидкости для измеренной, используя измеритель 5 температуры t;

|ΔР| - заданный допуск, который определяет допустимый растворенный остаточный воздух в жидкости, например, не более 5% от первоначального уровня;

9) если условие п.8) выполняется, то это означает, что деаэрация жидкости проведена и разбирают схему фигуры 1;

10) в случае невыполнения условия п.8) повторяют операцию п.п.4)-9);

11) взвешивают баллон с деаэрированной жидкостью и определяют расход жидкости на проведение ее деаэрации.

В настоящее время на предприятии изготовлен опытный образец предложенного авторами устройства и проведены экспериментальные работы по деаэрации низкокипящей жидкости - перфторпентана по предложенному авторами способу, используя вышеуказанное устройство.

Сравнительный анализ данных по деаэрации перфторпентана показывает, что расход жидкости, обусловленный проведением деаэрации ее, не превышает 2,5%, т.е. не менее чем в два раза меньше, чем при проведении деаэрации по известным способу и устройству, и будет обеспечиваться существенная экономия материальных и финансовых средств и времени при изготовлении спутников.

Кроме того, в случае деаэрации аммиака согласно предложенным авторами техническим решениям нет необходимости доработки заправочной емкости с жидкостью, направленной на увеличение толщины стенок емкости или установку дополнительных ребер жесткости по периметру емкости, т.к. в качестве емкости при деаэрации используется тара (баллон) поставщика, выдерживающая давление насыщенных паров аммиака с растворенным воздухом соответственно до температуры окружающего воздуха, равной 50°С (максимально возможная при транспортировании баллона).

Таким образом, как видно из вышеизложенного, в результате использования предложенных технических решений обеспечивается снижение потерь жидкости при проведении ее деаэрации и упрощается конструкция устройства для реализации предложенного способа деаэрации, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

В настоящее время на предприятии ведутся работы по внедрению предложенных авторами технических решений при производстве серийных связных спутников.

1. Способ деаэрации жидкости, включающий вакуумирование замкнутой полости над зеркалом жидкости в емкости и измерение температуры жидкости, отличающийся тем, что деаэрацию проводят в емкости поставщика жидкости при температуре жидкости, соответствующей давлению ее насыщенных паров не выше атмосферного, причем до начала вакуумирования измеряют начальное установившееся давление в замкнутой полости над зеркалом жидкости и, если оно выше давления насыщенных паров жидкости при ее измеренной температуре, то его постепенно снижают до установившегося давления, которое не ниже давления насыщенных паров жидкости, и прекращают вакуумирование замкнутой полости над зеркалом, после чего измеряют установившееся давление в этой полости и сравнивают его с давлением насыщенных паров при измеренной температуре и, если разность давлений превышает заданную, то повторяют вышеуказанное вакуумирование замкнутой полости.

2. Устройство для осуществления деаэрации жидкости, включающее в себя емкость с деаэрируемой жидкостью, измерители давления над зеркалом жидкости и температуры жидкости, вакуумный насос, вентиль, присоединенный к емкости выше уровня жидкости, отличающееся тем, что емкость с жидкостью размещена в термостатирующем устройстве, а вентиль емкости соединен с вакуумным насосом через регулируемый дроссель, имеющий вход и выход и установленный после измерителя давления.