устройство для разделения жидкости и газа в условиях невесомости

Формула изобретения

1. Устройство для разделения жидкости и газа в условиях невесомости, содержащее корпус с входным патрубком и капиллярное заборное устройство с выходным патрубком, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде двух одинаковых усеченных конусов, соединенных между собой большими основаниями с помощью кольцевой вставки в виде тела вращения, внутри корпуса расположены перегородки, оси симметрии которых совпадают с центральной осью корпуса, при этом перегородки расположены друг относительно друга и крайние из них относительно корпуса - с одинаковым угловым шагом, образуя конические кольцевые каналы, расширяющиеся к центральной оси корпуса, между периферийными краями перегородок и внутренней поверхностью кольцевой вставки с зазором размещено указанное капиллярное заборное устройство с выходным патрубком, при этом указанный входной патрубок выполнен в виде трубы, ось которой параллельна оси корпуса, на поверхности трубы выполнены отверстия, оси которых перпендикулярны плоскости, проходящей через оси трубы и корпуса, и направлены в одну сторону, а между соседними перегородками и между крайними перегородками и внутренней поверхностью корпуса расположено по крайней мере одно отверстие, причем в центральной части корпуса установлен дренажный патрубок, вход которого расположен в этой же части корпуса и снабжен дросселем, а на выходе патрубка установлен клапан, при этом на дренажном патрубке размещен конический экран с вершиной конуса, обращенной к входу патрубка, в центральной части корпуса установлен центральный сигнализатор "жидкость-газ", а между перегородками или между перегородками и внутренней поверхностью корпуса установлен по крайней мере один периферийный сигнализатор "жидкость-газ".

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в малом основании одного из конусов корпуса выполнен прозрачный иллюминатор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к космической технике и предназначено для очистки жидкости от газовых включений в условиях невесомости и микрогравитации в системах космических объектов.

Аналогом предлагаемого устройства является центробежный сепаратор, представленный на рис 2.21 стр.47 книги "Капиллярная система отбора жидкости из баков космических летательных аппаратов" под редакцией профессора, д.т.н. В. М. Поляева, М., Учебно-научной производственный центр "Энергомаш", 1997 г.

Центробежный сепаратор включает цилиндрическую емкость, кольцевой диффузор для входящей жидкости, сопловой подводящий аппарат, патрубок для отвода газа и тангенциальный патрубок для отвода жидкости. Расположение соплового аппарата и тангенциального патрубка для отвода жидкости создают вихревое вращательное движение жидкости в цилиндрическом корпусе сепаратора, в результате чего содержащиеся в жидкости газовые включения сепарируются к оси корпуса под действием центробежных сил и образуют вокруг оси сепаратора газовую подушку цилиндрической формы. Газ из подушки удаляется через патрубок, расположенный на оси сепаратора. Жидкость без газовых включений подается через кольцевой диффузор для выходящей жидкости.

Недостатком рассмотренного центробежного сепаратора является то, что он работоспособен только при расходе жидкости и при условии, что действующие на него перегрузки не могут существенно изменить и сместить цилиндрическую форму газовой подушки, поддерживаемую центробежными силами вращающейся жидкости.

Поэтому отвод газа из такого сепаратора, без подачи жидкости или при малых ее расходах, невозможен даже в условиях невесомости, т.к. газовая подушка в этом случае примет равновесную форму и отойдет от дренажного патрубка. Кроме этого, подача жидкости без мелких пузырей не может быть гарантирована без специальных капиллярных заборных устройств (КЗУ).

Прототипом предлагаемого устройства является капиллярная система отбора жидкости (КСОЖ), представленная на рис. 4.15, стр. 94 книги "Капиллярная система отбора жидкости из баков космических летательных аппаратов" под редакцией профессора, д.т.н. В.М. Поляева, М., Учебно-научной производственный центр "Энергомаш", 1997 г. Эта система включает отсек топливного бака, капиллярное заборное устройство (КЗУ) и патрубок для выхода жидкости. Отсек бака имеет цилиндрическую обечайку с эллиптическим днищем, которое само по себе не обеспечивают локализацию жидкости и газовой подушки в определенных местах отсека и поэтому КЗУ имеет сложную систему разветвленных каналов, позволяющую забирать жидкость из любого места отсека бака.

Недостатком рассмотренной КСОЖ является то, что она не позволяет накапливать газ в определенном месте отсека бака и, следовательно, периодически его удалять. Поэтому сепаратор такого типа должен иметь большие габариты и объем для размещения внутри него всего газа, подлежащего сепарации, т.е. по-существу является системой одноразового действия.

Задачей изобретения является создание малогабаритного и легкого устройства для очистки жидкости от газовых включений и удаления газа из загазованной жидкости в условиях невесомости, и, таким образом, обеспечивающего подачу чистой жидкости через КЗУ, а также обеспечивающего локализацию газовой подушки и ее дренажирование из центральной части сепаратора без выброса жидкости.

Эта задача решается тем, что предлагаемое устройство для разделения жидкости и газа в условиях невесомости содержит корпус с входным патрубком, капиллярное заборное устройство с выходным патрубком; корпус выполнен в виде двух одинаковых усеченных конусов, соединенных между собой большими основаниями с помощью кольцевой вставки, представляющей из себя тело вращения; внутри корпуса расположены перегородки, оси симметрии которых совпадают с центральной осью корпуса, при этом перегородки расположены друг от друга и крайние из них от корпуса с одинаковым угловым шагом и образуют конические кольцевые каналы, расширяющиеся к центральной оси корпуса; между периферийными краями перегородок и внутренней поверхностью кольцевой вставки с зазором размещено капиллярное заборное устройство с выходным патрубком; входной патрубок устройства выполнен в виде трубы, ось которой параллельна оси корпуса; при этом на поверхности трубы выполнены отверстия, оси которых перпендикулярны к плоскости, проходящей через оси трубы и корпуса и направлены в одну сторону, между соседними перегородками, а также между крайними перегородками и внутренней поверхностью корпуса расположено по крайней мере одно отверстие; в центральной части корпуса установлен дренажный патрубок, вход которого расположен в центре корпуса и снабжен дросселем, а на его выходе установлен клапан; при этом на дренажном патрубке размещен конический экран с вершиной конуса, обращенной к входу патрубка; в центральной части корпуса установлен центральный сигнализатор "жидкость-газ" и между перегородками или перегородками и внутренней поверхностью корпуса установлен по крайней мере один сигнализатор "жидкость-газ". В малом основании конуса корпуса выполнен прозрачный иллюминатор.

На чертеже представлена схема устройства, где

1 - корпус,

2 - кольцевая вставка,

3 - перегородки,

4 - капиллярное заборное устройство (КЗУ),

5 - дренажный патрубок,

6 - дроссель,

7 - конический экран,

8 - входной патрубок,

9 - отверстия входного патрубка,

10 - иллюминатор,

11 - сигнализатор "жидкость - газ",

12 - сигнализатор "жидкость - газ",

13 - выходной патрубок,

14 - клапан.

Устройство для разделения жидкости и газа имеет корпус 1 в форме двух сложенных большими основаниями усеченных конусов, внутри которых размещены перегородки 3, равномерно сходящиеся с одинаковым углом к периферии корпуса 1 и образующие конические кольцевые каналы. У самого экватора за перегородками внутри сепарирующего устройства установлено КЗУ 4. Внутренняя полость КЗУ 4 соединена с выходным патрубком 13. В центре корпуса находится дренажный патрубок 5 с дросселем 6, коническим экраном 7 и клапаном 14.

В средней части корпуса 1 установлен входной патрубок 8 с отверстиями 9 подвода загазованной жидкости в устройство. Входной патрубок 8 устройства выполнен в виде трубы, ось которой параллельна оси корпуса 1; при этом на поверхности трубы между соседними перегородками 3 выполнены отверстия 9, оси которых перпендикулярны к плоскости, проходящей через оси трубы и корпуса и направлены в одну сторону, такие же отверстия выполнены между крайними перегородками 3 и внутренней поверхностью корпус. Указанных отверстий 9 должно быть по крайней мере одно.

Усеченные конуса корпуса 1 большими основаниями соединены между собой с помощью кольцевой вставки 2, представляющей из себя тело вращения.

Вблизи входа в дренажный патрубок 5 установлен центральный сигнализатор "жидкость-газ" 11. Между перегородками 3 или перегородками и внутренней поверхностью корпуса установлен по крайней мере один периферийный сигнализатор "жидкость - газ" 12.

На малом основании конуса корпуса размещен прозрачный иллюминатор 10.

Для повышения надежности работы устройства при воздействии знакопеременных перегрузок могут быть введены не менее трех периферийных сигнализаторов 12. При этом 3 периферийных сигнализатора 12 должны быть расположены относительно оси корпуса под углом 120^o в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, что обеспечивает регистрацию наличия газа при минимальном объеме жидкости.

Конструкция КЗУ 4 может, например, состоять из набора сваренных между собой трубчатых блоков, перфорированных по поверхности отверстиями. С наружной стороны блоков закреплена мелкоячеистая сетка.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Перед работой весь внутренний объем устройства и КЗУ 4 заполняются чистой жидкостью без газовых включений.

Входной патрубок подвода жидкости 8 соединяется через насос со сменным резервуаром загазованной жидкости, выходной патрубок 13 соединяется с потребителем чистой жидкости.

В процессе работы устройства производится отбор чистой жидкости через выходной патрубок 13, а на ее место поступает жидкость с газом через входной патрубок 8. Тангенциальный ввод жидкости через отверстия 9 входного патрубка 8 создает закрутку жидкости во внутренней полости корпуса 1, что способствует за счет центробежных сил перемещению в жидкости пузырей к центру корпуса и образованию в районе его оси единой газовой подушки. Конические кольцевые каналы, образующиеся перегородками 3 или перегородками 3 и внутренней поверхностью корпуса 1 препятствуют смещению газовой подушки в радиальном направлении под действием случайных перегрузок.

Газовые пузыри при выходе из входного патрубка 8, имеющие размер больше ширины конических каналов между перегородками 3 или перегородками 3 и внутренней поверхностью корпуса 1, под действием капиллярных сил выталкиваются к центру корпуса 1 и объединяются с газовой подушкой. На периферии устройства система перегородок 3 обеспечивает постоянный контакт жидкости с КЗУ 4, из которого очищенная от газовых включений жидкость поступает через выходной патрубок 13 к потребителю.

Когда газовая подушка займет всю центральную зону корпуса устройства, она, сохраняя центровку, начнет перемещаться в зону конических перегородок 3 и постепенно достигнет периферийного сигнализатора "жидкость-газ" 12. Когда центральный 11 и периферийный сигнализаторы 12 одновременно покажут наличие газа, открывается дренаж газа через дренажный патрубок 5 и клапан 14. Дренаж продолжается до почти полного удаления газовой подушки, на место которой поступает загазованная жидкость.

Когда сигнализатор 11 покажет наличие жидкости, клапан 14 закрывается и дренаж газа прекращается. Количество циклов дренажа газа, таким образом, не ограничено, что позволяет одним и тем же устройством очищать любой объем загазованной жидкости.

Для повышения надежности и возможности визуального контроля за работой устройства на передней стенке корпуса 1 установлен иллюминатор 10.

Исходя из поставленной задачи, выбрана такая форма устройства, которая в условиях практической невесомости способствует накоплению и удержанию достаточно большого объема газа с помощью капиллярных сил только в центральной части устройства вокруг дросселя дренажного патрубка 5. Тем самым обеспечивается возможность дренажа газа в условиях невесомости. В то же время выбранная конструкция КЗУ 4 позволяет ему работать в условиях переменных по времени и величине имеющихся на орбитальной станции перегрузок любого направления.

Предлагаемое устройство может применяться, например, в системах жизнеобеспечения орбитальных станций МИР, МКС. Оно может обеспечить безаварийную работу центробежных насосов перекачки жидкости, что исключает затраты времени экипажа станций на восстановление работоспособности систем.

Предложенное устройство изготовлено и опробовано как в наземных условиях, так и в условиях невесомости на орбитальной станции "Мир" в составе космического гидравлического стенда "Волна-2А"". Полученные результаты испытаний подтвердили работоспособность устройства на режимах, соответствующих штатным условиям подачи жидкости на борту орбитальной станции в систему "Электрон-В".

Устройство для разделения жидкости и газа просто в изготовлении, не требует дорогостоящих и дефицитных материалов и его внедрение в космической технике экономически оправдано и целесообразно.