10.3. Внутренний теплообмен в пкк.

Конструктивно теплообмен в жилом отсеке осуществляется системой вентиляции, передающей тепло, выделенное в атмосферу, в газожидкостные теплообменники, в которых протекает охлажденный теплоноситель.

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. 1.

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 сопротивления 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),

где - F – площадь поверхности ТО, м²; α – коэф. теплоотдачи от воздуха к поверхности, Вт/м²К; β – коэф. 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 коэф. 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 коэф. эффективности охлаждения и коэф. эффективности осушки, значения которых всегда меньше 1.

Величины этих коэф. 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 – N = m ΔР/ρε,

которые, в свою очередь, сводятся к эквивалентной массе затрат электроэнергии: M_N = m_NN = m_N ΔРm/ρε.

Здесь k_м – коэф. конструкции аппарата, кг/м²; ρ – плотность воздуха, ε – КПД привода и побудителя расхода; m_N – удельные затраты массы на получение электрической энергии, кг/кВт.