13.3. Внутренний теплообмен в пкк.

Конструктивно теплообмен в жилом отсеке осуществляется системой вентиляции, передающей тепло, выделенное экипажем и оборудованием в атмосферу, в подсистему внешнего теплообмена.

Напоминаю, что теплообмен между телами в природе происходит несколькими способами:

- контактно – теплопроводностью (по градиенту температуры – от нагретой части к холодной),

- конвективно – перемещением нагретых частей жидкости и газа по градиенту плотности,

- изменением агрегатного состояния нагретого или охлажденного вещества (затвердевание – расплавление, испарение – конденсация); при использование в качестве теплоносителя воды возможно изменение состояния воды из твердого – льда в газообразное – пар, минуя жидкую фазу; этот процесс называется сублимацией, он требует существенно больших затрат тепла, чем испарение жидкой воды и часто используется в космической технике.

- лучистый обмен – излучение тепла от нагретого тела в окружающее пространство в соответствии с законом Стефана – Больцмана

Q = εσ F N⁴

где Q - выделяемое телом тепло, Ватт,

σ - постоянная Стефана – Больцмана,

ε - степень черноты нагретого тела,

F - площадь излучающей поверхности радиатора м²,

T - температура поверхности излучателя о К.

Внутренние источники тепла.

Q_вн = Q_эк + Q_об

Q_эк = q_чел L_эк

В технике нагрев и охлаждение производятся специальными агрегатами – теплообменниками, которые благодаря специфике конструкции осуществляют процессы теплообмена с наименьшими потерями, то есть наиболее эффективно.

Существует несколько видов теплообменников. В каждом виде используется свое вещество в качестве теплоносителя.

В космической технике наиболее распространены жидкие теплоносители: вода, спирт (из-за меньшей температуры замерзания) и различные спиртовые смеси (этилен-гликоль).

В СОТР применяются 2 основных вида теплообме5нников:

- газо-жидкостной (ГЖТ),

- жидкостно-жидкостной (ЖЖТ).

Пример ГЖТ – холодильно-сушильный агрегат (ХСА), который мы рассматривали в КСЖО, основанном на запасах.

В ЖЖТ используются наиболее компактные схемы, использующие перекрестные потоки теплоносителей.

Расчетная схема ЖЖТ представлена на Рис. 13.1. в виде ряда пластин, обтекаемых взаимно перпендикулярными потоками теплоносителей. В расчетной схеме принимается, что длины ходов теплоносителей равны геометрическим размерам теплообменника, то есть теплообменник – система пластин с размерами l_r и l_x. Число пластин – N. Каждая из пластин обтекается теплоносителями с расходами G_r /N и G_x/N.

N = F/ l_r l_x (13.2)

Существует система уравнений, по которой можно определить проектные характеристики теплообменника.

У

G_x

l_r

l_x

G_r

Х

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