Способ слива теплоносителя из жидкостного контура системы терморегулирования

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования спутников связи. Предлагаемый способ включает в себя охлаждение емкости для слива теплоносителя из жидкостного контура (ЖК) системы до достижения требуемого давления насыщенных паров теплоносителя над его зеркалом в данной емкости. Это давление выбирают, из некоторого соотношения, меньшим давления насыщенных паров для измеренной температуры ЖК на его выходе при сливе. Слив продолжают, пока давление насыщенных паров теплоносителя на выходе ЖК не уменьшится до значения давления насыщенных паров в указанной емкости. Технический результат изобретения состоит в существенном уменьшении безвозвратных потерь теплоносителя и обеспечении высокой экологической чистоты производства. 2 ил.

 

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам терморегулирования (СТР) связных спутников, и создано авторами в порядке выполнения служебного задания.

Известны способы слива теплоносителя из жидкостных контуров системы терморегулирования согласно материалам патентов Российской Федерации №№2151719, 2200689, 2144891, реализованные в производстве, по которым теплоноситель из жидкостного контура (например, при необходимости ремонта аппаратуры спутника) сливается в предварительно отвакуумированную емкость заправщика, затем жидкостный контур продувается сжатым газом, после чего производится вакуумная сушка - удаление остатков теплоносителя из жидкостного контура.

Как показал анализ, общими существенными недостатками известных вышеуказанных способов являются относительно большие безвозвратные потери теплоносителя (уменьшается количество теплоносителя для повторного использования) и снижение степени экологической чистоты производства, в особенности, когда в жидкостном контуре используется низкокипящий теплоноситель.

Анализ источников информации по патентной и научно-технической литературе показал, что наиболее близким по технической сущности прототипом предлагаемого технического решения является способ слива теплоносителя из жидкостного контура СТР, выполненный на базе патента №2151719, используемый в настоящее время в производстве связных спутников.

Известный способ слива теплоносителем из жидкостного контура СТР включает в себя следующие последовательно выполняемые операции (смотри фигуру 2):

- предварительно вакуумируют магистрали слива: дренажную (сливную) емкость 1.1 заправщика 1 и собственно магистраль слива 2;

- сливают теплоноситель из жидкостного контура 3.1 СТР 3;

- продувают жидкостный контур 3.1 сжатым сухим газом (воздухом) 4, (закрыв и открыв соответствующие вентили);

- вакуумируют жидкостный контур 3.1 (закрыв и открыв соответствующие вентили и включив в работу вакуумный насос 5);

- заполняют жидкостный контур сухим газом (воздухом).

Анализ опыта использования известного способа показывает, что безвозвратные потери теплоносителя (в окружающую атмосферу) при сливе из жидкостных контуров СТР связных спутников достигает до (10-15)% от общего объема заправленного в жидкостный контур теплоносителя, что также ухудшает показатели экологической чистоты производства.

Целью предлагаемого авторами технического решения является устранение вышеперечисленных существенных недостатков.

Поставленная цель достигается реализацией в производстве способа слива теплоносителя из жидкостного контура таким образом, что в процессе слива теплоносителя в емкость ее охлаждают до достижения требуемого давления насыщенных паров теплоносителя над поверхностью зеркала в ней ниже значения давления насыщенных паров для измеренной температуры жидкостного контура на выходе его при сливе, удовлетворяя условие

где P_S - требуемое давление насыщенных паров теплоносителя над поверхностью зеркала в емкости в процессе слива, Па;

- давление насыщенных паров, соответствующее измеренной температуре жидкостного контура на выходе его при сливе, Па;

К=0,406 - эмпирический коэффициент, учитывающий отклонения действительных значений параметров от принятых при определении P_S,

m_T - масса теплоносителя в жидкостном контуре до начала слива, кг;

ρ" - плотность паров теплоносителя в жидкостном контуре для измеренной температуры при сливе, кг/м³;

τ - заданная технологическая продолжительность слива, с;

ξ_i, d_i - коэффициенты гидравлического сопротивления и эквивалентные гидравлические диаметры (м) участков магистрали слива от жидкостного контура до емкости,

и продолжают слив до уменьшения давления в жидкостном контуре до значения давления насыщенных паров над поверхностью зеркала теплоносителя в емкости, что и являются, по мнению авторов, существенными отличительными признаками предлагаемого авторами технического решения.

В результате анализа, проведенного авторами известной патентной и научно-технической литературы, предложенное сочетание существенных отличительных признаков заявляемого технического решения в известных источниках информации не обнаружено и, следовательно, известные технические решения не проявляют тех же свойств, что в заявляемом способе слива теплоносителя из жидкостного контура СТР.

На фигуре 1 изображена принципиальная схема предлагаемого способа слива теплоносителя из жидкостного контура СТР, включающего в себя следующие последовательно выполняемые операции:

- взвешивают емкость 1;

- собирают схему согласно фигуре 1;

- предварительно вакуумируют магистраль слива 2 (а также емкость 1, если она пустая); магистраль слива 2 состоит, например, из пяти участков - i=1, 2, 3, 4, 5: 1 - а-б; 2 - б-в; 3 - в-г; 4 - г-д; 5 - д-е; в общем случае участки имеют различные коэффициенты гидравлического сопротивления и различные проходные поперечные сечения (например, опытные значения коэффициентов гидравлических сопротивлений вентилей 6, 7 отнесены к каналу, образованному между клапаном и седлом, имеющему форму кругового кольца - для учета таких случаев при проведении гидравлических расчетов по формулам для круглой трубы вводится термин «эквивалентный гидравлический диаметр» - см., например, стр.281, 103, 282 в справочнике: Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. - М.: Госэнергоиздат, 1959);

- закрывают вентиль 5, открывают вентили 7 (и 6) (начинается слив теплоносителя из жидкостного контура 3.1 СТР 3 в емкость 1, например, при температуре окружающего воздуха ≈25°С: согласно регламентирующим документам в помещении для слива теплоносителя окружающий воздух поддерживается в диапазоне от 15 до 35°С) и одновременно начинают охлаждение емкости 1;

- охлаждают емкость 1 с теплоносителем 1.1 (например, жидким азотом 4) до достижения давления насыщенных паров теплоносителя (Р_S) над поверхностью зеркала в ней ниже значения давления насыщенных паров для измеренной температуры (например, t_CTP=25°С) жидкостного контура на выходе его при сливе (P'_S), удовлетворяя условию (нижеуказанный объективный критерий, относительно простой для использования в процессе слива в условиях производства, установлен авторами на основе анализа физического процесса слива и экспериментальных данных, зафиксированных в процессе опытов по полному сливу теплоносителя из семи различных жидкостных контуров, имеющих замкнутый объем от 3 до 24 дм³):

,

где P_S - требуемое давление насыщенных паров теплоносителя над поверхностью зеркала в емкости в процессе слива, Па;

- давление насыщенных паров, соответствующее измеренной температуре жидкостного контура на выходе его (t_CTP) при сливе, Па (при необходимости, значение периодически уточняют в случае изменения t_CTP);

К=0,406 - эмпирический коэффициент, учитывающий отклонения действительных значений параметров (, m_T, ρ", τ_сл, ξ_i, d_i) от принятых при определении P_S,

m_T - масса теплоносителя в жидкостном контуре до начала слива, кг (несливаемые остатки теплоносителя, как показал анализ, прямо пропорциональны m_T и составляют не более 0,15·m_T),

ρ" - плотность паров теплоносителя в жидкостном контуре для измеренной температуры при сливе, кг/м³;

τ - заданная технологическая продолжительность слива, с;

ξ_i, d_i - коэффициенты гидравлического сопротивления и эквивалентные гидравлические диаметры (м) участков магистрали слива от жидкостного контура до емкости.

Примечания:

1. Второй член правой части вышеуказанного соотношения представляет собой суммарное гидравлическое сопротивление участков магистрали слива от жидкостного контура до емкости (например, состоящего из пяти участков).

Соотношение

вытекает из анализа формулы (1-43), приведенной на стр.27 в справочнике: Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975

где

Подставив, получим для конкретного участка

или для магистрали, состоящей, например, из трех участков

2. При создании телекоммуникационных спутников в соответствии с требованиями контрактных документов устанавливается жесткий график изготовления спутника и, в частности, его системы терморегулирования. Поэтому продолжительность каждого технологического процесса строго нормирована и для успешной реализации графика изготовления каждый технологический процесс, например слив теплоносителя из жидкостного контура системы терморегулирования (СТР), должен быть выполнен в течение или менее заданной продолжительности времени с минимально возможными затратами и с высоким качеством, используя простые и объективные критерии для оценки технологического процесса полного слива теплоносителя из жидкостного контура СТР.

3. Так как температура в помещении и, следовательно, температура жидкостного контура, выше температуры охлажденной емкости, то >P_S и пары теплоносителя будут транспортироваться в емкость и там конденсироваться, тем самым обеспечивая гарантированный полный слив теплоносителя из жидкостного контура 3.1 СТР 3 в емкость 1 в течение заданного времени (τ) после выполнения вышеуказанной операции и нижеуказанной операции - см. ниже:

- продолжают слив при давлении Р_S в емкости до тех пор, пока давление в жидкостном контуре СТР не уменьшится до этого же давления P_S (т.е. обеспечивается практически полное опорожнение жидкостного контура СТР - в нем останутся только пары теплоносителя);

- после этого (открыв и закрыв соответственные вентили) продувают жидкостный контур сухим газом и герметизируют его;

- взвешивают баллон со слитым теплоносителем и определяют массу слитого теплоносителя из жидкостного контура СТР.

Как видно из вышеизложенного, предложенное авторами техническое решение (и как показывает, например, опытный слив низкокипящего теплоносителя перфторпентана из замкнутого объема) обеспечивает слив теплоносителя из замкнутого объема в другую емкость практически без потерь (и слитый теплоноситель будет использоваться в дальнейшем при повторных заправках СТР).

Таким образом, предложенный способ слива теплоносителя из жидкостного контура СТР обеспечивает существенное уменьшение безвозвратных потерь теплоносителя и повышение степени экологической чистоты производства, т.е. тем самым достигаются цели изобретения.

Предложенное авторами техническое решение отражено в технической документации нашего предприятия, по которой будет производиться слив теплоносителя из жидкостных контуров СТР связных спутников.

Способ слива теплоносителя из жидкостного контура системы терморегулирования, включающий предварительное вакуумирование магистрали слива, слив теплоносителя из жидкостного контура через его выход в емкость, продувку сжатым сухим газом жидкостного контура, отличающийся тем, что в процессе слива теплоносителя емкость охлаждают до достижения требуемого давления насыщенных паров теплоносителя над поверхностью его зеркала в этой емкости ниже давления насыщенных паров для измеренной температуры жидкостного контура на его выходе при сливе, удовлетворяя условию

где P_S - требуемое давление насыщенных паров теплоносителя над поверхностью его зеркала в емкости в процессе слива, Па;

P'_S - давление насыщенных паров, соответствующее измеренной температуре жидкостного контура на его выходе при сливе, Па;

К=0,406 - эмпирический коэффициент, учитывающий отклонения действительных параметров от их значений, принятых при определении P_S;

m_T - масса теплоносителя в жидкостном контуре до начала слива, кг;

ρ" - плотность паров теплоносителя в жидкостном контуре для измеренной температуры при сливе, кг/м³;

τ_сл - заданная технологическая продолжительность слива, с;

ξ_i, d_i - коэффициенты гидравлического сопротивления и эквивалентные гидравлические диаметры (м) участков магистрали слива от жидкостного контура до емкости,

и продолжают слив, пока давление насыщенных паров теплоносителя на выходе жидкостного контура (P'_S) не уменьшится до значения давления насыщенных паров над поверхностью зеркала теплоносителя в указанной емкости (P_S).