Исследование коротких низкотемпературных тепловых труб с паровым каналом в виде сопла Лаваля. Часть 2 Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.248.2;532.574.2

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОТКИХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ С ПАРОВЫМ КАНАЛОМ В ВИДЕ СОПЛА ЛАВАЛЯ. ЧАСТЬ 2

А. В. Серяков, А. А. Павлов, Ю. Е. Михайлов

Научная лаборатория, специальное конструкторское технологическое бюро по релейной технике Российская Федерация, 173021, Великий Новгород, ул. Нехинская, 55 E-mail: seryakovav@yandex.ru

Работа представляет собой часть комплексного расчетно-экспериментального исследования интенсификации теплопередающих характеристик коротких тепловых труб (ТТ) низкотемпературного диапазона. При аксиальном направлении теплового потока на входе в ТТ, характерном для коротких ТТ, появляется возможность использования струйного парового сопла, аналогичного соплу Лаваля и вытянутого вдоль всей длины ТТ. Это увеличивает скорость течения, частоты пульсаций двухфазного потока пара и коэффициент теплопередачи ТТ.

Низкотемпературные тепловые трубы, сопло Лаваля, емкостный датчик конденсации.

STUDY OF SHORT LOW TEMPERATURE RANGE HEAT PIPES WITH VAPOUR CHANNEL IN THE FORM OF LAVAL NOZZLE. PART 2

A. V. Seryakov, A. A. Pavlov, J. E. Mikhailov

Joint Stock Company Special Relay System Design and Engineering Bureau, 55, Nekhinskaya str., Velikiy Novgorod, 173021, Russian Federation E-mail: seryakovav@yandex.ru

The research is part of a comprehensive theoretical and experimental study of intensification of heat transfer characteristics of short low temperature range heat pipes (HP). At the axial direction of heat flow at the inlet into the HP, a possibility of the jet steam nozzle use appears analogous to the Laval nozzle and surrounded by a capillary porous insertion, layer along the whole length of HP. This increases the flow velocity, the frequency of pulsations of two-phase flow of vapour and the heat transfer coefficient of HP.

Keywords: low-temperature range heat pipes, Laval nozzle, capacitive condensation sensors.

В дополнение к изучению коэффициентов теплопередачи коротких ТТ были проведены измерения пульсационных характеристик ТТ следующим образом. Перегрев испарителя ТТ относительно температуры кипения диэтилового эфира 5T увеличивали дискретными шагами на величину 1 К. На электроды емкостных датчиков подавали электрические импульсы внешнего генератора с частотой следования 10^100 kHz и амплитудой 5V. Начиная с некоторого перегрева 5T испарителя ТТ электрические импульсы оказывались модулированными. Измерение частоты модуляции импульсов проводили через схему усиления и фильтрации 12, цифровой осциллограф 13 и компьютер 14 (см. рис. 1 в ч. 1 статьи). Погрешность измерения частоты модуляции не превышает 5 Hz.

Осциллограммы возрастания частоты модуляции показаны на рис. 1.

Кроме того, было проведено моделирование течений сжимаемой влажной паровой среды внутри парового канала, выполненного в виде сопла, близкого к соплу Лаваля, с помощью программы CFD Design 10.0. При большой тепловой мощности, поступающей в ТТ, и кипении в сеточном испарителе в конфузор-ной части сопла возникает избыток влажного пара, приводящий к росту давления до величины, при которой средняя температура слоев тонкого сеточного испарителя становится меньше температуры кипения

рабочей жидкости, и кипение в испарителе прекращается. Избыток пара распространяется по диффузорной части сопла в охлаждаемую область ТТ и частично конденсируется. В результате конденсации давление снижается, и кипение в тонком испарителе возобновляется. Время роста давления над испарителем и распространение сгустка пара в область конденсации ТТ, завершение конденсации и распространение обратной волны разрежения в испаритель и определяет период пульсаций в паровом канале (рис. 2).

Максимальное значение скорости течения влажного пара диэтилового эфира (рис. 3), полученное расчетным путем в критическом сечении сопла парового канала с помощью цветовой индикации программы CFD Design 10.0, при возникновении пульсаций достигает величины 100-110 м/с. Это позволяет оценить число Рейнольдса парового потока во время пульсаций, определяемое по формуле -mix иП

Re =

Ру

Пп

(3)

Подставляют плотность и динамическую вязкость влажного пара диэтилового эфира р™х~110 2 kg/m3,

(100-110) м/с;

-э„

nmix ~8 10 Pa s, скорость течения uvp

критический диаметр парового канала DC ~ 4 103m, и получают величину Re ~ 500-550, число Прандтля Pr = 0,77.

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов

Рис. 1. Осциллограммы возрастания частоты модуляции

электрических импульсов в зависимости от тепловой нагрузки на ТТ с паровым каналом в виде сопла, близкого

к соплу Лаваля, снизу вверх. Перегрев испарителя ТТ 5Г-5К, частота модуляции/той ~ 396Иг, нижняя осциллограмма; 5Г-15К, /той ~ 502Нг, верхняя осциллограмма. Ниже приведены результаты измерений частотных характеристик ТТ в зависимости от перегрева испарителя ТТ

Рис. 2. Экспериментальные значения частот модуляции электрических импульсов в зависимости от перегрева испарителя ТТ: 1 - ТТ с паровым каналом в виде сопла, близкого к соплу Лаваля; 2 - ТТ со стандартным цилиндрическим паровым каналом, при условии равенства внешнего диаметра труб и минимальной площади сечения капиллярно-пористых вставок

Рис. 3. Расчетные значения пульсаций скорости потока пара в паровом канале ТТ и переход от конвективного к конвективно-

вихревому и затем к пульсационному режиму течения при увеличении перегрева испарителя ТТ относительно температуры кипения эфира на 1 К; 3 К; 5 К; и 7 К, слева направо

Длительность периода пульсаций внутри диффузор-ной части парового канала ТТ оценивают по формуле

М

Дхп

(4)

Подставляют значения расстояния между гребнями (максимумами) пульсаций, полученными из (4),

Al ~ (2-3 )10- m, скорость течения влажного пара в диффузорной части парового канала, полученную с помощью цветовой индикации программой CFD Design 10.0 Uvp ~ (20-30) m/s, и получают численную величину длительности пульсаций Axönum ~ (0,7-1,5)10-3 s.

Полученные значения Axönum близки к экспериментальным Ax0exp ~ (2-2,5)10-3 s.

u

гр

Библиографические ссылки

1. Серяков А. В., Конькин А. В., Белоусов В. К. Применение струйного парового сопла в тепловых трубах среднетемпературного диапазона // Вестник СибГАУ. 2012. Вып. 1(41). С. 142-147.

2. Seryakov A. V. Velocity measurements in the vapour channel of low temperature range heat pipes // International J. of Engineering Research & Technology 2013, Vol. 2, № 8. P. 1595-1603.

3. Seryakov A. V. Pulsation flow in the vapour channel of short low temperature range heat pipes // International J. on Heat and Mass Transfer. Theory and Application. 2014. Vol. 2, № 2. P. 40-49.

References

1. Seryakov A. V., Konkin A. V., Belousov V. K. Primenenie struinogo parovogo sopla v teplovyx trubax srednetemperaturnogo diapazona // Vestnik SibGAU.

2012, vyp. 1(41), s. 142-147.

2. Seryakov A. V. Velocity measurements in the vapour channel of low temperature range heat pipes// International J. of Engineering Research & Technology

2013, vol. 2, № 8, p. 1595-1603.

3. Seryakov A. V. Pulsation flow in the vapour channel of short low temperature range heat pipes // International J. on Heat and Mass Transfer Theory and Application. 2014, vol. 2, № 2, p. 40-49.

© Серяков А. В., Павлов А. А., Михайлов Ю. Е., 2014

УДК 621.396.67

РАЗРАБОТКА ОФСЕТНОЙ АНТЕННЫ С ИНТЕГРАЛЬНЫМ КОНИЧЕСКИМ КОРПУСОМ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

В. Б. Тайгин1, В. В. Болгов1, В. Е. Чичурин1, О. Б. Гоцелюк1, А. В. Лопатин2

:ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

E-mail: taygin@iss-reshetnev.ru

2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: lopatin@krasmail.ru

Рассмотрены различные аспекты проектирования зеркальных офсетных антенн КА. Предложена новая конструкция антенны на основе интегрального конического корпуса. Данное решение приемлемо для целого класса антенн и позволяет значительно сократить габариты конструкции, а также повышает ее жесткость и стабильность наряду с существенным снижением массы.

Ключевые слова: зеркальные антенны, космический аппарат, интегральные оболочки.

DEVELOPMENT OF OFFSET SPACECRAFT ANTENNA WITH INTEGRAL CONICAL CASING

V. B. Taygin1, V. V. Bolgov1, V. E. Chichurin1, O. B. Gotselyuk1, A. V. Lopatin2

JSC "Information Satellite Systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

E-mail: taygin@iss-reshetnev.ru 2 Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: lopatin@krasmail.ru

The various aspects of designing spacecraft offset antennas are studied. A new antenna structure based on the integral conical shell is proposed. This solution is acceptable for a wide class of antennas and allows a considerable reduction of the dimensions of structures, and it also increases stiffness, stability and essentially reduces its mass.

Keywords: reflector antennas, spacecraft, integral shell.

Зеркальные антенны благодаря своей превосходной направленности, высокому коэффициенту усиления, низкому уровню боковых лепестков и высокой надежности нашли широкое применение в космической телекоммуникации, как в наземном сегменте, так и на борту космических аппаратов (КА). Различают

прямофокусные и офсетные зеркальные антенны [1]. Вторые имеют преимущество по поляризационно-избирательным свойствам, однако их компоновка на КА проблематична, так как помимо рефлектора и облучателя антенна должна иметь объединяющую конструкцию, обеспечивающую жесткую фиксацию и