Моделирование процессов тепломассопереноса в микроканальных теплообменниках систем управления космической техники Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 532.685

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В МИКРОКАНАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Д. А. Коновалов, Н. Н. Кожухов, И. Г. Дроздов

Воронежский государственный технический университет Российская Федерация, 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14 E-mail: dmikonovalov@yandex.ru

Работа посвящена исследованию тепломассобмена в микроканалах на основе нитевидных монокристаллов кремния теплообменных элементов для телекоммуникационных систем космической техники. Исследованы критические режимы работы системы.

Ключевые слова: компактный теплообменник, развитая поверхность теплообмена, монокристалл кремния, система термостатирования, тепловая защита.

MODELING PROCESSES OF HEAT AND MASS TRANSFER IN MICROCHANNEL HEAT EXCHANGERS OF SPACE TECHNOLOGY CONTROL SYSTEMS

D. A. Konovalov, N. N. Kozhukhov, I. G. Drozdov

Voronezh State Technical University 14, Moskovsky prosp., Voronezh, 394026, Russian Federation E-mail: dmikonovalov@yandex.ru

The research studies heat transfer in microchannels based on the whiskers of silicon heat exchange elements for space technology telecommunication systems. The paper investigates critical modes of the system.

Keywords: compact heat exchanger, the extended heat exchange surface, whiskers of silicon, control system temperature, thermal protection.

Развитие таких отраслей, как космическая техника, энергетика и электроника, приводит к повышению тепловых нагрузок различных элементов оборудования, входящего в состав космических, энергетических и телекоммуникационных систем. Исследование способов интенсификации теплоэнергетических процессов является актуальной задачей при создании стабильных систем отвода теплоты. Особое место отводится термостатированию, которое заключается в разработке технологий обеспечения температуры приборов и устройств космических аппаратов с высокой стабильностью (±0,1 °С).

Одним из эффективных способов интенсификации теплопереноса является использование пористых и микроканальных теплообменников [1-2], которые получили широкое применение в системах тепловой защиты жидкостных ракетных двигателей, а также блоков питания, микросхем, современных процессоров, станций базовой, спутниковой и космической связи, тепловой поток в которых составляет свыше 100 Вт/см2.

На процесс теплопереноса существенное влияние оказывает термическое сопротивление между «горячей» поверхностью и охладителем, которое зачастую сводит «на нет» эффективность пористого охлаждения. Решением данной проблемы является использование микроканальных элементов на основе монокристаллов кремния, что позволяет снизить практически до нуля термическое сопротивление между подложкой и теплообменными элементами. Были разработаны и созданы теплообменные аппараты с теплоотво-дящими элементами в виде матрицы нитевидных кри-

сталлов кремния, которые выращены на подложке полупроводника и образуют развитую поверхность теплообмена [3-4].

Один из макетов теплообменника с теплоотводя-щими элементами из нитевидных кристаллов кремния, выращенных на подложке полупроводника, представлен на рис. 1, а, б.

В работе проведено моделирование тепломассоб-мена для матрицы, изображенной на рис. 1, в.

Для математического моделирования использовался расчетный комплекс Ansys Fluent. Использовалась двухслойная модель SST, обеспечивающая хорошую сходимостью для задач, где необходимо учитывать, как условия течения охладителя во входящем потоке, так и в пограничном слое вблизи шипов [5]. На входе в расчетную область задавались постоянный расход и температура. Рабочий агент считается вязкой несжимаемой средой, а течение потока - трехмерное стационарное.

Подвод тепла был задан граничными условиями второго рода на нижней поверхности расчетной модели (рис. 2, а).

На выходе из расчетной области задаются «мягкие» граничные условия (условие продолжения решения). На остальных поверхностях задаются условия прилипания и адиабатности.

Тепловой поток для теплонапряженного элемента (2x2 см) составил 100 Вт/см2. Исследуемый диапазон расходов охладителя составил от 3,0-10-4 кг/с до 12,0-10-4 кг/с. Теплоотводящие элементы расположены в шахматном порядке (рис. 3 б), высота шипов 1 мм.

Решетнеескцие чтения. 2015

а б в

Рис. 1. Микроканальный теплообменник с теплоотводящими нитевидными монокристаллами кремния: а - общий вид; б - фотография подложки; в - микроканальный элемент со сплошным расположением шипов

Рис. 2. Модель области течения: граничные условия; б - расположение шипов

б

а

а

По результатам вычислительного эксперимента были получены картины распределения давления, скорости и температуры охладителя для различных режимов работы.

Установлено, что наблюдается симметричное течение относительно стенок, а температура шипов может существенно отличаться от температуры охладителя, что ведет к локальному перегреву. Большая высота теплоотводящих элементов с увеличением расхода охладителя далеко не всегда повышает эффективность охлаждения, а зачастую приводит к дополнительным затратам на транспортировку охладителя. Высота монокристаллического шипа свыше 0,7 мм позволяет теплообменнику работать при относительно небольшом гидравлическом сопротивлении, при этом существенно не влияя на теплоперенос и отводимый тепловой поток. В начальном гидродинамическом участке высота шипа может быть снижена до величины от 0,2 до 0,3 мм.

Проведенные исследования показали, что микроканальные теплообменники на основе нитевидных монокристаллов кремния обладают большим потенциалом теплосъема, чем их аналоги на основе пористых теплообменных элементов.

Библиографические ссылки

1. Интенсификация тепло- и массообмена на макро-, микро- и наномасштабах : монография / Б. В. Дзюбенко, Ю. А. Кузма-Кичта, А. И. Леонтьев и др. М. : ФГУП «ЦНИИАТоминформ», 2008. 532 с.

2. Разработка и моделирование микроканальных систем охлаждения : монография / Д. А. Коновалов, И. Г. Дроздов, Д. П. Шматов и др. Воронеж : Воронеж. гос. техн. ун-т, 2013. 222 с.

3. Исследование нестационарного теплообмена в микроканальных теплообменных элементах на основе нитевидных кристаллов кремния : труды шестой Российской национальной конференции по теплообмену / Д. А. Коновалов, И. Н. Лазаренко, Д. П. Шматов и др. М. : Изд. дом МЭИ, 2014. Т. 3. С. 71-72.

4. Пат. 58788. Российская Федерация. МПК H01L23/34. Устройство охлаждения для электронных компонентов / Дроздов И. Г., Кожухов Н. Н., Мозговой Н. В., Коновалов Д. А., Шматов Д. П. № 2006113838/22 ; заявл. 24.04.2006 ; опубл. 27.11.2006, бюл. № 33. 5 с.

5. Белов И. А., Исаев С. А. Моделирование турбулентных течений : учеб. пособие / Балтийский гос. техн. ун-т «Военмех». СПб., 2001. 106 с.

References

1. Dzyubenko B. V., Kuzma-Kichta Yu. A., Leont'ev A. I., Fedik I. I., Kholpanov L. P. Intensifikatsiya teplo- i massoobmena na makro-, mikro- i nanomasshtabakh. [Intensification of heat and mass transfer at the macro-, micro - and nanoscale]. Moscow, FGUP «TsNIIATominform», 2008. 532 p.

2. Konovalov D. A., Drozdov I. G., Shmatov D. P., Dakhin S. V., Kozhukhov N. N. Razrabotka i modelirovanie mikrokanal'nykh sistem okhlazhdeniya [Development and modeling of microchannel cooling systems].Voronezh, VSTU publ., 2013. 222 p.

3. Konovalov D. A., Lazarenko I. N., Shmatov D. P., Drozdov I. G. The study of unsteady heat transfer in microchannel heat transfer elements with whiskers of silicon. [Issledovanie nestatsionarnogo teploobmena v mikrokanal'nykh teploobmennykh elementakh na osnove

nitevidnykh kristallov kremniya]. Trudy shestoy Rossiyskoy natsional'noy konferentsii po teploobmenu. [Sixth national conference on heat and mass transfer]. Moscow, 2014, Vol. 3, pp. 71-72. (In Russ).

4. Drozdov I. G., Kozhukhov N. N., Mozgovoy N. V., Konovalov D. A., Shmatov D. P. Ustroystvo okhlazhdeniya dlya elektronnykh komponentov. [Cooling

device for electronic components] Patent RF, no. 58788, 2006.

5. Belov I. A., Isaev S. A. Modelirovanie turbulentnykh techeniy. [Modeling of turbulent flows]. Sankt-Peterburg, BGTU pub., 2001. 106 p.

© Коновалов Д. А., Кожухов Н. Н., Дроздов И. Г., 2015

УДК 697

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ АВТОНОМНОСТИ СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ЖИЛОГО СООРУЖЕНИЯ ЗАКРЫТОГО ЦИКЛА

К. В. Лиманская, Д. В. Черненко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: Ksenlima@mail.ru

Представлены способы повышения автономности системы жизнеобеспечения закрытого цикла при строительстве малых подземных жилых сооружений.

Ключевые слова: система жизнеобеспечения, тепловой насос, генератор водорода.

THE METHODS OF INCREASING LIFE SUPPORT SYSTEM AUTONOMY OF INHABITED UNDERGROUND CONSTRUCTIONS OF THE CLOSED CYCLE

K. V. Limanskaya, D. V. Chernenko

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: Ksenlima@mail.ru

The paper describes ways to increase autonomous life support system of the closed cycle while constructing small inhabited underground accommodations.

Keywords: life support system, thermal pump, hydrogen generator.

В современном мире угрозой для жизни человека являются не только природные катаклизмы, но и последствия деятельности человечества: техногенные аварии, теракты, военные действия и т. д. Сохранить жизнь в подобных чрезвычайных ситуациях можно с помощью специально обустроенных подземных жилых сооружений, таких как убежища, укрытия, бункеры и др.

Строительство частных подземных жилых сооружений общей площадью менее 100 м2 в последнее время набирает популярность. В мирное время у подобных сооружений также находится масса применений, что положительно сказывается на их популярности [2].

Данные сооружения, как правило, хорошо укреплены от разрушающих факторов различного характера, а также оснащены мощной системой жизнеобеспечения (СЖО). Основной задачей СЖО подземных жилых сооружений является поддержание санитарно-гигиенических условий (условий обитаемости) в помещении на время пребывания человека.

В состав СЖО входят: системы вентиляции, отопления, водоснабжения, канализации, электроснабже-

ния и средств связи. Каждая из этих систем дублируется, тем самым повышая общую надежность СЖО. Также человек всегда имеет возможность приводить в действие любую из систем с помощью своей мускульной силы, на случай исчерпания всех запасов источников энергии.

По умолчанию в подземных жилых сооружениях забор воздуха и поступление электроэнергии осуществляются с поверхности. Электроэнергия питает всю СЖО, и ее работа не ограничена во времени. Если подача электроэнергии от внешних источников прекращается, то главным источником становится, как правило, дизель-генератор. Он способен обеспечить стабильную работу всех элементов СЖО, но его использование ограничивается запасами топлива. Поэтому дизель-генератор подбирается из условия выходной мощности и расхода топлива [3].

Таким образом, фактором, ограничивающим время работы СЖО, является максимально возможный запас топлива для работы дизель-генератора. Увеличить время автономной работы СЖО можно с помощью снижения расхода топлива. Для этого необходимо понизить нагрузку на генератор.