Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОСУШКИ ВНУТРЕННИХ МАГИСТРАЛЕЙ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ

Изобретение относится к космической технике, конкретно к способам осушки магистралей гидравлических систем терморегулирования после слива теплоносителя из системы.

При наземной подготовке космических объектов периодически возникает необходимость слива теплоносителя из гидравлических систем терморегулирования. Это требуется в том случае, когда в результате наземной подготовки выявляется необходимость доработки материальной части системы или перезаправки системы в случае выявления внутри магистрали воздушных пузырей, попавших в систему вместе с теплоносителем вследствие ошибок при заправке системы.

Поскольку системы терморегулирования являются сложными пространственными системами, имеющими разветвленную сеть трубопроводов, включая агрегаты, закольцовки и тупиковые зоны, полный слив теплоносителя из такой системы невозможен.

Поэтому в системе после слива остается, как правило, от 1 до 10% теплоносителя. В качестве теплоносителей применяют различные специальные теплоносители как на водных растворах, так и различные хладоны.

После слива теплоносителя такие магистрали сушат, причем к осушке предъявляются высокие требования, поскольку остаток теплоносителя в системе не позволяет достичь глубокого вакуума в системе 1-1,5 мм рт.ст., обеспечивающего необходимое качество заправки (минимальное количество воздуха в системе).

Способы осушки гидромагистралей от остатков жидкого теплоносителя можно разделить на два основных вида: осушку продувкой сухим газом или газообразным хладагентом и осушку путем вакуумирования магистралей.

В холодильной технике часто используется способ осушки, при котором остатки влаги удаляются посредством подогрева участков магистрали и продувкой их сухим азотом. Этот способ описан в журнале "Холодильная техника" N 5, 1996 г. с.15 (рис.1). Недостатком этого способа является необходимость расхода сухого азота и расхода горючих газов, если для разогрева используется газовая горелка.

В книге авторов И.Г.Чумака и др. "Холодильные установки" Москва, "Легкая и пищевая промышленность", 1982, с. 325 для удаления влаги и воздуха перед заправкой фреоном крупные установки вакуумируют до остаточного давления 5,33 кПа, а малые герметичные установки - до давления 13 Па. Согласно ГОСТ 17240-71 герметичные компрессоры должны сушиться в печи с продувкой сухим воздухом. Статоры встроенных электродвигателей подвергают длительной вакуумно-термической осушке с электроподогревом обмоток током пониженного напряжения. Эти способы требуют стационарного оборудования для сушки, например, печи. Кроме того, сушка систем в печи может осуществляться только для систем небольших размеров.

В книге В.Б.Якобсона "Малые холодильные машины", Москва, "Пищевая промышленность", 1977 г. с. 337-339 описан способ осушки гидромагистралей, при котором их продувают сухим воздухом в течение нескольких часов, при этом сухость воздуха определяется по точке росы, которая не должна превышать -50^oC. Этот способ практически невозможно использовать для систем сложной геометрической формы, где мала площадь контакта жидкости с воздухом.

В книге В.Б. Якобсона "Малые холодильные машины", Москва, изд. "Пищевая промышленность", 1977 г. на стр. 339 описан способ, при котором гидромагистрали вакуумируют до давления 0,1 мм рт.ст. (13 Па), при этом обеспечивается удаление кислорода и дополнительная сушка.

Однако вакуумирование до такого давления относительно быстро (0,5- 1 час) можно осуществить в системах простой формы и с малым внутренним объемом. Для систем сложной пространственной формы с большими внутренними объемами реализация осушки по данному способу потребует либо очень мощных и, соответственно, дорогих вакуум-насосов или при обычных для практики насосах растянется на многие часы.

Описанные способы применяют для гидравлических контуров простой конфигурации, которая характерна для малых холодильных машин. Обязательным условием использования способа осушки продувкой сухим воздухом является отсутствие тупиковых зон, т.е. воздух должен проходить через все участки контура и желательно полным расходом. Естественно, что при этом расходуется значительное количество сухого воздуха или азота.

Необходимость подогрева осушаемых магистралей при сушке продувкой также является существенным недостатком данного способа.

Осушку гидромагистралей вакуумированием используют для средних и крупных холодильных установок при их перезаправке.

Один из самых распространенных способов осушки крупных гидравлических систем сложной пространственной формы, к каким можно отнести крупные промышленные холодильные установки, описан в справочнике "Эксплуатация холодильников", Москва, "Пищевая промышленность, 1977 г., с. 35. Для осушки таких систем от остаточной влаги ее вакуумируют до остаточного давления 10 мм рт. ст. При указанном остаточном давлении отсос производят в течение 3-4 часов под вакуумом, после чего под этим вакуумом систему выдерживают в течение 24 часов. Его основным недостатком является большая затрата времени на процесс сушки.

В справочнике "Эксплуатация холодильников", Москва, "Пищевая промышленность, 1977 г. , стр. 47-48 описан способ сушки с двукратным вакуумированием, причем первый раз вакуумирование осуществляют до промежуточного давления 40 мм рт.ст., после чего система заполняется парами теплоносителя, затем осуществляется повторное вакуумирование уже до более глубокого вакуума 0,1 мм рт. ст. К недостаткам данного способа следует отнести то обстоятельство, что он может применяться только для систем, заправляемых легкокипящими теплоносителями (или хладагентами, как их называют в холодильной технике). В системах терморегулирования космических аппаратов такие хладагенты применяются только в бортовых компрессионных машинах. Основные же контуры системы терморегулирования объемом от 40 до 200 литров (их количество достигает 4-6) заправляются теплоносителями с высокой температурой кипения для того, чтобы при возможной разгерметизации контура внутри гермоотсека не происходило бы интенсивное испарение теплоносителя и попадание его внутрь обитаемого объема космического объекта. Поэтому данные способы малоприменимы для осушки гидравлических контуров систем терморегулирования.

Недостатком способа-прототипа является то, что он не учитывает количество оставшегося в системе теплоносителя и его свойства. Поэтому жестко установленное количество циклов (3 цикла) не всегда полностью осушают гидромагистрали сложной формы, имеющие трубопроводы малого диаметра, в том числе тупиковые зоны, в которых, как правило, после слива остается значительное количество теплоносителя. Кроме того, коэффициент парообразования теплоносителя также влияет на степень осушки системы. В тупиковых зонах, в которых площадь испаряемой поверхности очень мала, добиться выхода теплоносителя из этих участков можно только лишь вакуумируя систему до давления ниже давления насыщенных паров, при котором хладагент интенсивно испаряется и его пары занимают практически весь объем системы.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа осушки, позволяющего гарантированно удалять остатки теплоносителя из сложных пространственных систем с малой площадью контакта поверхности теплоносителя с воздухом внутри системы, при котором за минимально возможное время будет достигнута полная осушка гидравлических магистралей от теплоносителя.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе осушки внутренних магистралей системы терморегулирования, включающем многократные последовательные операции вакуумирования и наддува магистралей сухим газом, перед первым циклом вакуумирования измеряют внутренний объем системы после слива теплоносителя и температуру слитого теплоносителя, каждую операцию вакуумирования осуществляют до давления ниже давления насыщенных паров слитого теплоносителя при измеренной температуре, каждую операцию наддува системы сухим газом осуществляют после достижения в системе давления насыщенных паров при измеренной температуре, при этом количество последовательных циклов вакуумирования и наддува выбирают из соотношения

где V_изм.0 - объем магистрали, измеренный перед заправкой системы теплоносителем;
V_изм.1 - объем системы, измеренный после слива теплоносителя;
К - коэффициент парообразования теплоносителя.

Измерение объема внутренних магистралей после слива теплоносителя позволяет определить количество оставшегося в системе теплоносителя, что дает возможность начать осушку, зная конкретное количество оставшейся жидкости. Измерение температуры слитого теплоносителя дает возможность точно определить давление насыщенных паров оставшейся в системе жидкости, поскольку это давление может сильно меняться в зависимости от температуры. Вакуумирование магистрали с остатками теплоносителя до давления ниже давления насыщенных паров слитого теплоносителя при измеренной температуре позволяет испариться внутри системы максимально возможному количеству оставшейся жидкости (но не более того количества, которое займет в оставшемся объеме системы при давлении насыщенных паров). Последующий наддув системы сухим воздухом позволяет связать парообразный теплоноситель и вывести его из системы при последующем вакуумировании. Результаты экспериментального исследования данного способа на модельной установке с прозрачными трубками показали, что пары теплоносителя интенсивно испаряются и выходят из тупиковых зон системы при вакуумировании системы до давления ниже давления насыщенных паров. Хотя в процессе последующего наддува небольшая часть паров осаждается на внутренних стенках труб, затем при последующем вакуумировании эта часть испаряется, смешивается с сухим воздухом и выходит из системы на следующем цикле.

Расчетная формула, учитывающая объем системы перед заправкой, объем системы после слива теплоносителя и коэффициент парообразования теплоносителя позволяет точно определить количество циклов вакуумирования и наддува, необходимых для полного удаления теплоносителя из системы.

Наддув магистралей сухим воздухом вместо наддува их сухим газом позволяет уменьшить потребные эксплуатационные расходы при реализации способа.

Конкретную реализацию предложенного способа рассмотрим на примере осушки внутренних магистралей системы терморегулирования служебного модуля международной космической станции.

В процессе наземной подготовки системы терморегулирования в одном из контуров вышел из строя гидравлический насос, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя в контуре. Для его замены потребовалось слить теплоноситель из контура системы, причем магистрали, измеренный перед заправкой системы теплоносителем V_изм.0 был равен 40 литров. Теплоноситель был слит в сливной бак заправочной станции. Измеренная температура слитого теплоносителя, равная 26^oC, соответствовала среднемассовой температуре магистрали с остатками теплоносителя.

После этого с помощью стандартного газового счетчика типа ГСБ-400 измерили объем магистрали контура V_изм.1 после слива теплоносителя. Его величина составила 36 литров. Разница между объемами в 4 литра и является объемом теплоносителя, оставшегося в системе после слива.

Коэффициент парообразования специального хладагента, используемого в системе, равен К=43 (1 литр теплоносителя при давлении насыщенных паров образует 43 литра насыщенного пара). Тогда количество циклов, необходимое для полного удаления теплоносителя из системы, составит n = ((40-36)•36)/43 = 4,3. Округляя это значение до целой величины в большую сторону, получаем, что для полного удаления данного количества теплоносителя достаточно 5 циклов вакуумирования и наддува.

Естественно, что для других теплоносителей и объемов количество циклов будет меняться в широких диапазонах, при этом, в соответствии с данным способом, можно всегда достаточно точно определить конкретное число циклов для полной осушки. При этом процесс сушки заметно ускоряется, поскольку не требуется глубокого вакуумирования системы.

Первое вакуумирование магистрали осуществляют до давления на 3-4 мм рт. ст ниже давления насыщенных паров теплоносителя при измеренной температуре. Для теплоносителя служебного модуля это давление при температуре 26^oC составит 20 мм рт.ст. После того как только давление в системе достигнет давления насыщенных паров (по опыту 8 - 10 минут), производится наддув системы сухим газом до давления, не выше максимального рабочего давления в системе. Затем давление стравливается из системы и начинается операция повторного вакуумирования. После пяти последовательных циклов операция осушки была закончена, что было подтверждено исследованием газа, стравленного из системы в процессе последнего цикла.

Данный способ после экспериментальной отработки на модельной установке гидравлического стенда служебного модуля прошел промышленную апробацию при сушке рабочих магистралей наружного контура охлаждения системы терморегулирования служебного модуля, а также при ремонте системы терморегулирования транспортного корабля "Союз".

В настоящее время способ рекомендован для реализации на борту международной космической станции при проведении ремонтно-восстановительных работ и введен в бортовую документацию.