Способ удаления теплоносителя из систем терморегулирования космических аппаратов

 

Изобретение относится к космической технике. Цель изобретения - повышение эффективности выпаривания путем сокращения времени проведения процесса. Способ удаления теплоносителя из систем терморегулирования космических аппаратов заключается в сливе теплоносителя и последующем его выпаривании в вакуум через отводящий пары трубопровод при непрерывном измерении давления среды в системе терморегулирования. Выпаривание теплоносителя в вакуум прекращают по достижении скачкообразного выравнивания давлений в системе терморегулирования и отводящем пары трубопровода на уровне, равном или меньшем статического давления паров в отводящем трубопроводе. 1 ил.

Изобретение относится к космической технике, в частности к способам контроля выпаривания жидких фракций токсичных теплоносителей гидравлических систем терморегулирования (СТР) космических аппаратов в ходе проведения ремонтно-восстановительных работ экипажем. Способ обладает следующими недостатками: отсутствует объективный критерий прекращения процесса выпаривания, который гарантирует полное выпаривание жидких фракций, т.е. однозначно не гарантируется безопасность экипажа при разборке гидравлических стыков из-за возможного попадания жидкой фракции в атмосферу отсека; отсутствие объективного критерия прекращения процесса заставляет многократно увеличивать расчетное время процесса выпаривания, однако, при этом увеличивается и время нахождения гидромагистралей ГТР (из которых производится выпаривание теплоносителя) по вакуумом, что также снижает безопасность проведения ремонтных работ; с учетом того, что способ не гарантирует полного выпаривания жидких фракций теплоносителя, экипаж в ходе проведения разборки гидравлических стыков СТР вынужден использовать средства индивидуальной защиты и изменять режим работы систем обеспечения жизнедеятельности; учитывая возможность попадания жидких фракций в атмосферу обитаемых отсеков, появляется необходимость в медико-биологических исследованиях и технических экспериментах, связанных с функционированием систем обеспечения жизнедеятельности. Цель изобретения повышение эффективности процесса выпаривания путем сокращения времени проведения процесса. Указанная цель достигается тем, что в способе, заключающемся в сливе теплоносителя и последующем его выпаривании в вакуум через отводящий пары трубопровод при непрерывном измерении давления среды в системе терморегулирования, выпаривание теплоносителя в вакуум прекращают при достижении скачкообразного выравнивания давлений в системе терморегулирования и отводящем пары трубопроводе на уровне, равном или меньшем статического давления паров в отводящем трубопроводе. На чертеже изображена схема участка гидромагистрали СТР. Участок гидромагистрали содержит трубопровод 1, слой выпариваемого теплоносителя 2, внутреннюю полость 3 трубопровода, отводящий пары трубопровод 4, клапан 5, измерительные приборы 6 и 7. В качестве теплоносителя использован многокомпонентный теплоноситель, представляющий собой 36,5% водного раствора этиленгликоля с антикоррозионными и антифрикционными присадками. После открытия клапана 5 и сообщения внутренней полости 3 с забортным вакуумом (космическим пространством) давление среды во внутренней полости трубопровода начинает понижаться. При достижении этим давлением значения насыщенных паров теплоносителя, соответствующего его фактической температуре, начинается кипение теплоносителя, т.е. процесс выпаривания с выбросом паров жидкой фракции теплоносителя по трубопроводу 4 в вакуум. С приемлемой погрешностью для данного процесса можно допустить, что фактическая температура теплоносителя будет равна температуре стенок трубопровода. Учитывая, что трубопроводы расположены внутри обитаемых отсеков, их температура будет определяться температурой воздуха отсеков. Так как для поддержания режима кипения необходима затрата определенного тепла, то фактическая температура трубопроводов будет на 2-3^оС меньше температуры воздуха. Таким образом, при выпаривании жидких фракций теплоносителя мы имеет дело с процессом кипения жидкостей при низких давлениях, соответствующих давлениям насыщенных паров при температуре, близкой к температуре воздуха в обитаемых отсеках. Так как температура воздуха внутри обитаемых отсеков составляет ≈ 20^оС, давление, которое установится внутри трубопровода при выпаривании данного теплоносителя будет равно ≈ 16 мм рт.ст. Для данной схемы можно считать, что на установившемся режиме выпаривания теплоносителя параметры среды внутри трубопровода не изменяются, так как убыль пара за счет его истечения в вакуум постоянно восстанавливается за счет кипения жидкости, т.е. с большой степенью достоверности можно принять, что мы имеем дело с истечением пара из сосуда неограниченной емкости. В соответствии с теорией при адиабатическом истечении газов из таких сосудов режим истечения может быть определен из соотношений < для случая закритического режима истечения; > для случая докритического режима истечения. где P_s давление внешней среды; Р₁ давление среды внутри сосуда; К показатель адиабаты газов. Для данной схемы и теплоносителя P_s 1 ˙10⁴ 10⁶ мм рт.ст. Р₁16 мм рт.ст. К 1,29, т.е. имеем случай закритического истечения пара теплоносителя. Показатель адиабаты практически всех газов лежит в пределах 1,29-1,67. Давление внешней среды, т. е. давление окружающего космический аппарат пространства, с учетом всех факторов (работа двигателей ориентации, сажение покрытий, красок и т.п.) не превышает 1˙ 10^-4 10^-6 мм рт.ст. Давление насыщенных паров теплоносителя для температуры 20^оС (т.е. давление, при котором ведется выпаривание жидких фракций) находится в диапазоне 10-100 мм рт.ст. Таким образом, можно утверждать, что при выпаривании практически всех применяемых в настоящее время теплоносителей, мы имеем случай закритического истечения пара, при котором скорость истечения устанавливается равной местной скорости звука. На основании этого для конца отводящего пары трубопровода справедливо соотношение P₂= P₁-ΔP_mp- где Р₂ статическое давление пара в конце отводящего трубопровода; ΔР_mp потери давления на трение в отводящем трубопроводе; ρ- плотность пара; а местная скорость звука в паре. Пренебрегая ввиду незначительности потерями на трение из-за малой плотности пара, можно считать, что на установившемся режиме выпаривания между давлениями Р₁ и Р₂ существует перепад давлений, равный скоростному напору. Учитывая, что при выпаривании теплоносителя имеем дело с водяным паром, то величина скоростного напора в данной схеме будет составлять 9 мм рт.ст. т.е. статическое давление в конце отводящего трубопровода будет равно ≈ 7 мм рт. ст. Фактически же реальный перепад давлений будет несколько больше за счет потерь на трение и за счет понижения давления паров в отводящем трубопроводе из-за температурной депрессии (по экспериментальным данным эта составляющая равна 2-3 мм рт.ст.). В процессе выпаривания теплоносителя давление Р₁ в гидромагистрали СТР будет составлять ≈ 16 мм рт.ст. а давление в конце отводящего трубопровода ≈ 4-5 мм рт.ст. (с учетом фактических потерь). Учитывая, что потерями на трение можно пренебречь, измерять статическое давление пара 2 можно практически на любом участке отводящего трубопровода. После полного выпаривания жидких фракций теплоносителя парообразование прекращается, потери пара за счет его истечения не компенсируются и давление среды Р₁ внутри трубопровода начинает понижаться, теоретически стремясь к давлению окружающей среды. Как только скоростной напор, создаваемый истекающим паром станет равным нулю, т. е. истечение газа за счет парообразования прекратится, статические давления Р₁ и Р₂ сравняются и в дальнейшем практически вместе будут теоретически стремиться к давлению окружающей среды. Но на практике всегда существует достаточное газовыделение из выпаренных компонентов теплоносителя, резиновых уплотнений, материалов гидросистемы, которое создает остаточный фон давления на уровне 1-3 мм рт.ст. Уменьшение этого фона до давления окружающей среды процесс достаточно длительный. Время снижения давления Р₁ до уровня Р₂ может быть определено из соотношения (закритический режим). τ · ln где τ время снижения давления Р₁ до уровня Р₂; V_м объем внутренней полости выпариваемой магистрали; f_y диаметр отводящего пары трубопровода; К показатель адиабаты газа; R газовая постоянная; T_r температура истекающего газа. Р₁ начальное давление газа в магистрали;
Р₂ начальное давление газа в отводящем пары трубопроводе на установившемся режиме выпаривания. Из этого соотношения следует, что для практических величин (V_м 1,5-5˙ 10^-3 м³; f_y 5-15 ˙10^-3 м; К 1,67; R ≈ 30 кг ˙м/кг ˙град; Т 278-283^оК) время снижения давления составляет 0,02-0,08 с, т.е. имеем дело со скачкообразным снижением давления Р₁ до уровня Р₂. С учетом того, что в конце процесса режим истечения пара может стать докритическим, это время возрастает до 0,5-1,0 с.

Формула изобретения

СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ИЗ СИСТЕМ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ, заключающийся в сливе теплоносителя и последующем его выпаривании в вакуум через отводящий пары трубопровод при непрерывном измерении давления среды в системе терморегулирования, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса выпаривания путем сокращения времени проведения процесса, выпаривание теплоносителя в вакуум прекращают по достижении скачкообразного выравнивания давлений в системе терморегулирования и отводящем пары трубопроводе на уровне, равном или меньшем статического давления паров в отводящем трубопроводе.