Классификация систем термостатирования

Системы термостатирования можно классифицировать по следующим основным признакам.

По степени мобильности различают стационарные и подвижные СТ. Стационарные СТ размещаются как на стартовых, так и на технических позициях. Подвижные СТ устанавливаются на подвижных пусковых установках и в железнодорожных специальных вагонах.

По функциональному назначению СТ подразделяются:

на СТ (нагрев и охлаждение) ракет, ракет-носителей, головных частей и космических аппаратов; при этом следует иметь в виду, что на разных этапах эксплуатации (транспортировка, хранение, подготовка к пуску, а для КА - и полет) термостатирование должно выполнятся разными способами и разными системами;

на системы отвода теплоты (СОТ) от работающих бортовых приборов, отличающихся небольшими тепловыделениями, постоянными и периодическими включениями, т.е. в различном ритме и с разными тепловыделениями;

на системы отвода теплоты от источников с большими тепловыделениями, превышающими десятки и сотни киловатт, работающих кратковременно, в течение нескольких минут, или длительно, от нескольких суток до нескольких недель;

на СТ высококипящих компонентов топлива типа азотного тетраоксида (AT), несимметричного диметилгидразина (НДМГ), ракетного горючего РГ-1, перекиси водорода Н₂О₂ и низкокипящих компонентов топлива - жидкого кислорода и жидкого водорода, низкокипящих технологических криопродуктов - жидкого азота и жидкого гелия;

на СТ (в основном для охлаждения и реже для нагрева) теплоносителей: антифризов, воды (котельного конденсата), солевых растворов СаСl₂ или NaCl, фреонов Rll, R30 и силоксановых жидкостей, моторных масел для двигателей подвижных установок и турбинных масел для нагнетателей воздуха.

По способу термостатирования СТ подразделяются на активные, пассивные и комбинированные.

Активные СТ имеют в своем составе источники теплоты, холода и оборудование для подачи теплоносителя или хладоносителя к объекту термостатирования.

Пассивные СТ обеспечивают тепловой режим ОТ за счёт использования тепловой изоляции. Например, емкости с компонентом топлива покрывают снаружи слоем тепловой изоляции, изделие в контейнере изолируют от окружающей среды воздушной прослойкой и теплоизоляционным материалом контейнера и т.п. Однако только одной пассивной тепловой защиты хватает на некоторое время. Далее наступает регулярный тепловой режим и ОТ либо нагревается, либо охлаждается.

В комбинированных СТ используются активные и пассивные способы термостатирования. Сюда относятся контейнеры с нагревательно-холодильными установками, электротермочехлы и т.п. Удачный выбор тепловой защиты и активных средств позволяет минимизировать СТ по массе, габаритам, экономичности и повысить надежность эксплуатации ОТ.

По применяемому теплоносителю СТ подразделяются на воздушные и жидкостные. Системы, в которых нагрев и охлаждение ОТ осуществляется воздухом или другим газом (например, азотом), называются воздушными системами обеспечения температурного режима (ВСОТР). Иногда к абревиатуре ВСОТР добавляется число, указывающее на температуру точки росы, с которой воздух подается к ОТ. Например, ВСОТР-10 или ВСОТР-30 означают, что в первом случае воздух имеет температуру точки росы t_p= — 10°С, а во втором случае t_p= - 30°С.

Воздух в ВСОТР может поступать к ОТ по замкнутому контуру (что имеет место в подвижных агрегатах-грунтовых и железнодорожных) либо по разомкнутому контуру (в стационарных комплексах). В первом случае поток воздуха, например, снимает поступающий к ОТ теплоприток, нагревается, выполняя роль теплового экрана. Далее по воздуховоду воздух поступает в холодильную установку или в холодильный центр, охлаждается и снова возвращается к ОТ. Работа по замкнутому контуру позволяет осушать воздух в процессе охлаждения и экономить затраты энергии на осушку по сравнению с работой по разомкнутому контуру. Однако работа по замкнутому контуру целесообразна в случае близкого расположения ОТ и НХУ. В стационарных СТ источники холода могут располагаться далеко от ОТ (например, от ракеты-носителя) и единственно возможным вариантом является работа по разомкнутому контуру с выбросом воздуха из ОТ в атмосферу.

Системы термостатирования, в которых перенос теплоты осуществляется жидкими ТН, называются жидкостными системами обеспечения температурного режима (ЖСОТР). ЖСОТР используется в основном для отвода избытков теплоты от работающих приборов и реже - для их обогрева. В первом случае такие системы называют СОТ - системы отвода теплоты. В ЖСОТР и СОТ подача теплоносителя производится по замкнутому контуру.

Используются и другие названия: СОП - система охлаждения приборов; СОТ-система отвода теплоты и НСОТ - наземная система отвода теплоты. Различие между СОТ и НСОТ состоит в следующем. Термостатирование комплекса командных приборов (ККП) на борту ракеты осуществляется последовательно через два - три контура. Тепловыделения прибора отбираются внутренним контуром, затем передаются второму - промежуточному контуру и от него - третьему (внешнему) контуру, соединенными трубами с наземным оборудованием термостатирования. Понятие СОТ относится ко всем контурам циркуляции теплоносителей, а НСОТ - только к внешнему (наземному) контуру.

При наличии достаточного количества холодных грунтовых вод и возможности их использования для снятия избыточных тепловыделений СОТ может быть разомкнутой.

Системы терморегулирования компонентов топлива (КТ) получили название ТСОТР - «топливные системы обеспечения теплового режима». Здесь используются как воздушные, газовые, так и жидкие ТН.

ТСОТР подразделяются: на СТ высококипящих КТ и СТ низкокипящих КТ и других криопродуктов;

на СТ (в основном для охлаждения) теплоносителей: антифризов, воды (котельного конденсата), рассолов и т.д.

Термостатирование высококипящих КТ должно обеспечивать получение и поддержание их заданной температуры и плотности перед заправкой в баки ракеты, а термостатирование криогенных КТ и других криопродуктов (N2 и Не) необходимо еще и для сокращения потерь на испарение. Жидкие и газообразные азот и гелий используются как хладоносители.

По виду среды, в которую возможно или целесообразно отводить тепловыделения ОТ. Таких сред немного: воздух, бетон сооружения с окружающим грунтом, аккумулятор холода и, озможно, близлежащий водоем, в том числе и подземный.

Сброс теплоты в воздух возможен в двух вариантах:

1) нагретый воздух из сооружения или из конденсатора холодильной машины вентилятором выбрасывается в наружный воздух вблизи подземного сооружения;

2) нагретый воздух от различных источников сбрасывается в воздух сооружения и далее за счёт свободной или вынужденной конвекции теплота поступает к стенкам сооружения и путем теплопроводности уходит в бетон и окружающий грунт.

Отвод тепловыделений в бетон сооружения и окружающий грунт непосредственно от источников возможен с использованием промежуточного теплоносителя и грунтового теплообменника. Однако здесь следует учитывать низкую теплопроводность грунтов и, следовательно, грунтовый теплообменник должен иметь большую поверхность теплообмена и гарантированный хороший контакт с грунтом. Практически использование грунта как аккумулятора холода возможно для небольших тепловыделений или как дополнительное место стока теплоты.

Искусственный аккумулятор холода может быть выполнен в виде ёмкости, заполненной водным льдом и ледяной водой. Давние погреба со льдом были первыми аккумуляторами холода. Ледяная вода или промежуточный теплоноситель могут переносить тепловыделения от ОТ в аккумулятор холода (АХ), где они расходуются на плавление льда и нагрев воды.

По организации СТ различаются на комплексные и смешанные, на одноконтурные и многоконтурные. Комплексные СТ включают в себя отдельные системы ВСОТР, ЖСОТР и ТСОТР, подключаемые к одному холодильному центру. Смешанные системы являются многоконтурными. В одних контурах в качестве теплоносителя используется воздух, в других – жидкий теплоноситель (ТЫ), либо во всех контурах используется один ТН. В многоконтурных СТ контуры включаются между собой в основном последовательно и реже - параллельно. Чем больше контуров, тем ниже коэффициент полезного действия СТ: на отвод 1 кВт тепловыделений затрачивается энергии во много раз больше. В смешанных СТ параллельно включенные контуры могут термостатировать разные объекты с совершенно различными тепловыми режимами.

В одноконтурной СТ используется, естественно, только один теплоноситель.