Внешний теплообмен ПКК

Рис. 11.1. Расчетная схема элемента теплообменника перекрестного тока.

Схема функционирования ХСА.

Поскольку в функции СОТР в жилом отсеке входит не только отвод тепла, но и осушка воздуха, оба эти процесса происходят в одном аппарате, называемом ХСА (холодильно-сушильный аппарат). Схема этого аппарата состоит из 3-х контуров – воздушного и двух жидкостных (один связывает ХСА с подсистемой внешнего теплоотвода в космос, другой обеспечивает выделение из воздуха влаги и сохранения ее для дальнейшего использования). Рис. 13.2.

Принципиальная схема ХСА включает в себя: дублированный вентилятор, обеспечивающий циркуляцию воздуха через систему охлаждающих поверхностей, выполняемых в виде труб или каналов другой формы, по которым циркулирует теплоноситель с температурой на входе Т_о.

При обтекании воздухом охлаждаемой поверхности он охлаждается, и содержащиеся в нем пары воды выпадают в виде жидкой пленки (конденсата) на внешних поверхностях охлаждающих трубок. В условиях невесомости эта нарастающая во времени пленка конденсированной воды будет увеличивать тепловое сопротивление процесса теплоотдачи от воздуха к поверхности, и ее надо удалять.

Удаление сконденсированной воды в невесомости обычно осуществляется с помощью твердых сорбентов (фитилей), по которым под действием капиллярных сил вода отсасывается в промежуточный сборник конденсата, заполненный капиллярно-пористым смачиваемым поглотителем. Из промежуточного сборника вода транспортируется гидронасосом в основной сборник конденсата, также заполненный насыпкой из влагопоглощающего пористого материала.

Воздух, захватываемый при отсосе жидкости из промежуточного сборника, после прохождения насыпки основного сборника отделяется от капель воды и возвращается в отсек.

Основные задачи проектного расчета ХСА:

- выбор температуры (Т_о) охлаждающей жидкости на входе в ХСА;

- определение величины рабочей поверхности теплообмена (F) воздуха и жидкости и расхода воздуха (w), обеспечивающих необходимый теплосъем и необходимую производительность по конденсации паров воды;

- оптимизация расхода теплообменника.

При прохождении воздуха через ТО изменение его теплового состояния определяется 2-мя совместно протекающими процессами:

- охлаждением воздуха под действием ΔТ,

- осушкой воздуха под действием разности плотностей пара в воздухе и насыщенного пара при температуре поверхности.

Общая тепловая производительность ТО (Q) определяется 2-мя составляющими – процессом теплообмена (Q_т) и процессом массообмена при конденсации паров воды (Q_м):

Q = Q_т + Q_м = αF (T_ср -T_о) + rβF (ρ_ср - ρ_о), (13.3)

где - F – площадь поверхности ТО, м²;

α – коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности, Вт/м²К; β – коэффициент массообмена при переносе паров воды диффузией из потока воздуха к холодной поверхности, м/с.

Коэффициенты α и β характеризуют интенсивность процессов теплообмена и массообмена и определяются прежде всего гидродинамическим режимом течения (скоростями течения воздуха в каналах теплообменника – ламинарным или турбулентным. Значения этих коэффициентов определяются по специальным соотношениям.

В реальном ТО параметры воздуха на выходе (температура и влагосодержание) всегда несколько ниже теоретических из-за ограниченной поверхности теплообмена. Это отражается введением коэффициента эффективности охлаждения и коэффициента эффективности осушки, значения которых всегда меньше 1.

Величины этих коэффициентов зависят от конструкции ТО и обычно составляют 0,6 – 0,8.

При расчете конструктивных параметров ТО существует оптимум скорости течения воздуха через ТО. С одной стороны, с увеличением скорости (расхода) коэффициенты α и β растут, при этом площадь F и масса ТО уменьшаются; с другой стороны, при этом возрастают энергопотребление на прокачку воздуха (с большим расходом) и соответственно масса побудителей расхода (эквивалентная).

Оптимизацию обычно проводят с использованием диаграммы i – d (энтальпия – влагосодержание воздуха).

Основные задачи проектного расчета тепло- и массообменного аппарата обычно сводятся к определению необходимой рабочей поверхности F, массового расхода воздуха m и возникающего гидравлического сопротивления ΔР необходимых для обеспечения заданной тепловой (или массообменной) производительности аппарата Q при заданных температуре воздуха Т_о на входе в аппарат и температуре поверхности теплообмена Т_с.

Определяются основные технические параметры аппарата:

- масса конструкции -

М_к = k_м F,

- - энергозатраты на прокачку воздуха –

ΔР

N = m ----------

ρε,

которые, в свою очередь, сводятся к эквивалентной массе затрат электроэнергии:

ΔР m

M_N = m_N N = m_N ----------

ρε,

Здесь k_м – коэффициент конструкции аппарата, кг/м²;

ρ – плотность воздуха,

ε – КПД привода и побудителя расхода;

m_N – удельные затраты массы на получение 1 кВт электрической энергии, кг/кВт.

Кроме ТО в СОТР важную роль играют радиаторы, излучающие тепло в космос - Рис 11.2.

Проектирование РТО заключается в определении:

- формы излучающего элемента,

- числа элементов N_эл,

- расхода теплоносителя через элемент q_эл

Q_рто = N_эл F_эл q_эл

Промежуточные величины, сначала определяемые расчетом, а потом проверяемые в испытаниях:

Т_вх - температура теплоносителя на входе в элемент

Т_вх - температура теплоносителя на выходе из элемента

Т_ср - средняя по длине элемента температура

В расчете имеют значение диаметр труб, оптические свойства материала радиатора и внешних покрытий.

Удельная масса РТО – 50 кг/кВт

Удельная теплоотдача РТО – 250 Вт/м²

В общем случае суммарный тепловой поток Q_Σ, падающий на поверхность ПКК, включает:

Q_Σ = Q_c + Q_атм + Q_пл + Q_отр + Q_доп, (13.4)

где Q_c – поток прямого солнечного излучения,

Q_атм – нагрев от соударения ПКК с молекулами атмосферы,

Q_пл – поток собственного излучения планеты,

Q_отр - поток отраженной планетой солнечной радиации,

Q_доп - дополнительный лучистый поток, поступающий на часть поверхности ПКК от других его частей.

При движении ПКК на расстоянии от Земли более 200 км, от Марса – более 100 км можно пренебречь нагревом его поверхности от соударения с молекулами атмосферы.

Наибольший вклад вносит поток прямого солнечного излучения, более 90% которого приходится на видимую часть спектра.

Когда ПКК заходит в тень Земли, на него действует только поток Q_пл.

В защите ПКК от нагрева Солнцем могут быть использованы 2 пути: изоляция и сброс поступающего тепла излучением в космос. Значительно экономичнее первый путь. Он заключается в применении теплоизолирующих материалов.

Одно направление тепловой изоляции – применение отражающих тепловой поток покрытий, второе – применение материалов, поглощающих тепло, третий – использование комбинирующих конструкций в виде так называемой экрано-вакуумной теплоизоляции.

13.5. Особенности конструкции СОТР.

Внешние условия работы радиационного теплообменника (РТО).

Лучистая энергия, падающая на поверхность РТО, складывается из прямого солнечного излучения, излучения Земли и отраженного Землей солнечного излучения. Поглощающая и излучающая способность любого материала изменяется с изменением длины волны. Если на поверхности создать сеть довольно малых впадин, то поглощаться будет только коротковолновое излучение. Отражение от поверхности может быть зеркальным с углом отражения, равным углу падения, или рассеянным согласно закону косинусов Ламберта, или может иметь любую из нескольких промежуточных форм.

При нагревании окисляемых металлов спектральная избирательность поверхности увеличивается из-за образования окисной пленки, имеющей высокую отражательную способность в ИК спектре и довольно низкую поглощающую способность. Если пленка жаростойкая, можно получить отражение до 0,85 (при 60-120^оС).

Считаются перспективными материалами для наружных покрытий РТО окись цинка, карбонат магния, двуокись циркония, окись меди, свинца, хрома.

Увеличение отражения получается при поверхности из диэлектрического материала. Дополнительное отражение создает белая краска.

В США используются краски на силиконовой или акриловой основе. Для белой краски из TiO₂,талька и сульфида цинка отражение 0,85-0,87, а поглощение – 0,17 – 0,7.

В космосе материалы покрытий испаряются быстрее, чем на Земле, особенно под воздействием УФ. УФ может вызвать пожелтение краски и увеличить поглощение на 15%. При большой длительности полета используется органический поглотитель УФ для защиты оболочки. В США используется виниловая оболочка Т-34Р. Кроме того, разрабатываются новые типы поглотителей, включающие органические вещества.

В многослойных оболочках могут использоваться материалы, отражательная способность которых меняется с температурой.

РТО используются для отвода избыточного тепла в космос путем излучения. Космические РТО должны обладать минимальной удельной массой, способностью длительно работать без потерь рабочего вещества, стойкостью против метеорных пробоев, высокими значениями степени черноты поверхности и низкими коэффициентами поглощения солнечных лучей.

Наиболее широко применяется конструкция, состоящая из набора трубок, соединенных между собой ребрами разной конфигурации. Такая конструкция в 4 - 5 раз легче, чем чистый трубчатый ТО. Повреждение ребер метеорами не вызывает выхода ТО из строя. В зависимости от радиационных и теплопроводящих свойств материала ТО, его геометрических размеров и ориентации в пространстве дополнительное оребрение такой конструкции в некоторых случаях способствует увеличению количества передаваемого тепла (а в других случаях приводит к обратному эффекту).

Характеристики РТО сильно зависят от свойств материалов. Опыт показывает, что наиболее пригодны для изготовления низкотемпературных РТО алюминий и магний. Предпочтение отдается алюминию, поскольку методы получения сплавов из него более отработаны.

Для предотвращения разрушения РТО от ударов метеоров уязвимую часть РТО разбивают на секции. В этом случае при повреждении заменяются только пробитые секции. При конструировании обеспечивается минимальная начальная масса секционированного РТО при заданной вероятности успешного завершения полета. Если РТО собран из сравнительно тяжелых и малоуязвимых секций, то его полезная площадь в конце полета будет мало отличаться от начальной, и для компенсации пробоев коэффициент избыточности начальной поверхности должен быть небольшим. Применение легких секций создает увеличение вероятности пробоя и коэффициент начальной избыточности поверхности должен быть больше.

Расчеты показывают, что большие по площади РТО при большой длительности полета будут подвержены пробою как при секционировании, так и без него.

Секционирование обеспечивает максимальный потенциальный выигрыш при полетах с большой вероятностью избежать пробоя. Так, при применении 100 секций масса поверхности уменьшается в 16 раз по сравнению с не секционированной конструкцией. При этом в секционированном РТО повышение вероятности избежания пробоя с 0,9 до 0,999 достигается при увеличении массы поверхности всего на 14%, тогда как в не секционированном РТО того же достичь можно лишь при увеличении массы на 370%.

Однако секционирование выдвигает проблему обеспечения надежности РТО. РТО, разделенный на секции, с устройством для ликвидации пробоев и повреждений изоляции отличается сложностью конструкции. Кроме того, устройства для восстановления разрушенных поверхностей утяжеляют систему. Целесообразность секционирования должна определяться с учетом этих вопросов.

Для защиты от метеоров применяются амортизаторы, представляющие собой стенку, помещенную с наружной стороны защищаемой поверхности. При соприкосновении с амортизатором метеорные частицы взрываются, и их энергия гасится. Эффект торможения усиливается, если пространство между амортизатором и защищаемой оболочкой заполнено слоем волокнистого материала (стекловата).

Дата добавления: 2013-12-13