CC BY
55
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки
Количество выделяемого тепла, учитываемого циклограммой, находилось с помощью уравнения теплового баланса [1]:
бэт = во + Отр + О + -, (1)
п
где О0 - теплопродукция в состоянии покоя (Вт); втр -затраты на терморегуляцию организма (Вт); О - статическая работа (Вт); N - внешняя механическая работа; П - термический коэффициент полезного действия.
При расчёте значений вэт для каждой фазы циклограммы задавались:
1) одинаковое значение теплопродукции, вычисляемое по формуле в0 = 105 • (Оч/70)23, где Оч - масса космонавта;
2) различные значения следующих параметров. Затраты на терморегуляцию организма Отр, а также механические показатели: работы N и момента М, влияющие на величину
О = 0,52Л + 3,5-М и п = 0,25(1-ехр(-Х'Л),
где х = 0,023 + 0,075 ехр(-0,03-Л) [2].
Были смоделированы 3 варианта перехода от начальной фазы «Ожидание» к завершающей фазе «Выполнение работы»: 1-й вариант - «Ступенчатый переходной режим», 2-й вариант - «Линейный переходной режим», 3-й вариант - «Нелинейный переходной режим». Длительность перехода для всех вариантов была задана одинаковой, а характер промежуточной фазы «Подготовки к работе» моделировался переменным: от явно выраженного в 1-м варианте, до неопределённого в вариантах 2 и 3. Объём тепловыделения оценивался как величина, прямо пропорциональная
площади криволинейной трапеции с верхним основанием в виде линии циклограммы.
Анализ представленных циклограмм указывает на снижение теплопродукции при нелинейном переходном режиме (вариант 3) по сравнению со ступенчатым и линейным режимами перехода (варианты 1 и 2). Характер нелинейности переходного режима был обоснован теоретически и нуждается в экспериментальном подтверждении. В реальных условиях он может быть иным.
Так как в рамках всего процесса продолжительность переходных режимов составляет большой удельный вес, то становится актуальной проблема экспериментальных исследований закономерностей тепловыделения космонавта на этапе переходных режимов при выполнении типовых видов работ, как внутри космической станции, так и в открытом космосе. В последнем случае это позволит усовершенствовать программу управления ранцевой системой термореглирования скафандра, повысить ресурс её работы, а также комфортность пребывания в нём космонавта.
Библиографические ссылки
1. Космические аппараты / под общ. ред. К. П. Феоктистова. М. : Воениздат, 1983. 319 с.
2. Пичулин В. С., Олизаров В. В. Системы терморегулирования индивидуального защитного снаряжения экипажей ЛА : учеб. пособие. М. : МАИ, 1995. 60 с.
© Конышев В. П., 2014
УДК 621.325.5
Е. В. Кулаков, М. Ю. Хайцен Научный руководитель - М. Г. Мелкозеров Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ГРУНТОВЫХ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
Предложена схема обеспечения холодным воздухом на основе геотермальной энергии грунта. Также рассматривается предварительная методика расчета данных СКВ и дальнейшая сравнительная экономическая оценка.
Современные системы кондиционирования воздуха (СКВ) работают на специальных холодильных агентах, которые совершают работу для переноса теплоты от кондиционируемого объема в окружающую среду. В данной статье предлагается использовать схему СКВ на основе низкопотенциальной энергии грунта (см. рисунок). Расположенная близко от поверхности земли геотермия проходит до 400 метров в глубину и использует имеющеюся в почве и грунтовых водах диапазон температур от 5 до 250 °С. Техническое использование этого равномерного в течении года уровня температур в почве - интересная возможность использования регенеративной энергии. Минимальная технически пригодная глубина закла-
дывания земляных теплообменников - 1,5 м. На глубине от 10 м. влияние солнечной радиации и сезонных колебаний температуры полностью отсутствуют. Здесь равномерная температура почвы поддерживается за счет горячего ядра Земли [1].
В предложенной схеме рабочим телом может быть: вода, соляной раствор или этиленгликоль, что дает достаточное преимущество перед СКВ, работающими на холодильных агентах. Теплоноситель на входе в воздухоохладитель 1 имеет температуру от 5 до 8 °С. Проходя через воздухоохладитель, теплоноситель нагревается до температуры 9-12 °С. Далее теплоноситель по теплой линии 2 поступает в геотермальный (земляной) теплообменник 3, где охлаждает-
Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов»
ся до температуры грунта. После охлаждения, теплоноситель подается по холодной линии 4 в воздухоохладитель при помощи насоса 5. Геотермальный теплообменник закапывается ниже линии грунта 6 от 1,5 до 10 метров, в зависимости от местоположения и требований к СКВ.
Отличительной чертой данных СКВ является наличие не только конвективного теплообмена, но и теплопередачи между геотермальным теплообменником и грунтом. Исходными данными для расчета являются: мощность воздухоохладителя (кВт), температуры охлаждаемого объема, теплоносителя и грунта (°С). Одной из основных задач расчета является определение длины геотермального теплообменника (площадь, м2). В качестве основы используем расчет геотермальных горизонтальных теплообменников для тепловых насосов [2] и сравним полученные данные с методикой расчета нестационарной теплопередачи по намограмам включающих в себя критериальные уравнения Фурье. Дальнейшей задачей является гидравлический расчет трубопроводов для подбора насоса.
После получения данных на затраты оборудования, монтажно-строительные работы и затраты на обеспечение работы, произведем экономическую оценку целесообразности данной СКВ. В качестве сравнения выбираем одноименные воздухоохладители (фанкойлы) фирмы Аегйеск. Предполагается провести расчет для разных типоразмеров воздухоохладителей, для разных типов геотермальных теплообменников и провести сравнительный анализ.
Принципиальная 3D схема низкопотенциальной грунтовой СКВ.
1 - воздухоохладитель; 2 - теплая линия;
3 - геотермальный теплообменник, 4 - холодная линия; 5 - насос; 6 - линия грунта
Библиографические ссылки
1. Кулаков Е. В., Мелкозеров М. Г. Охлаждение помещений за счет низкопотенциальной тепловой энергии // Решетневские чтения. 2013. С. 138.
2. Кулаков Е. В. Схема обеспечения помещения горячей водой и холодным воздухом на основе теплового насоса // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2013. С. 77.
© Кулаков Е. В., Хайцен М. Ю., 2014
УДК 62.68
Р. Р. Мамедли, С. И. Парфенок Научный руководитель - А. В. Делков Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И МЕТОДОВ ИХ УТИЛИЗАЦИИ
Оцениваются проблемы и перспективы утилизации низкопотенциальных тепловых источников. Рассматриваются вопросы проектирования паротурбинных установок на органических рабочих телах.
Тенденции роста цен на энергоносители и сокращение их запасов определяют необходимость поиска путей разработки и эффективного использования новых и альтернативных источников энергии. По результатам анализа отечественной и зарубежной литературы возможно выделить 4 типа источников тепла, являющихся перспективными для освоения и требующих разработки специфического подхода к их использованию в качестве энергетических ресурсов [1; 2]:
■ геотермальное тепло;
■ тепловая мощность солнечного излучения;
■ тепловые выбросы промышленности;
■ тепловые потоки от двигателей и бортовой аппаратуры транспортных систем, в том числе автомобилей, морского транспорта, космических аппаратов.
Особенность тепловых выбросов энергоустановок -наличие отличной от окружающей среды температуры, которой, впрочем, не достаточно для организации традиционных паросиловых циклов на водяном паре. Температурный напор, - разница между температурой теплового источника и окружающей средой, - для этих источников лежит в диапазоне 60-200 °С. В зарубежной литературе такие источники получили название низкопотенциальные (low heat). Кроме тепловых выбросов промышленных предприятий к низкопотенциальным тепловым источникам часто относят геотермальную энергию и тепловую энергию солнечного излучения.
На сегодняшний день это направление энергопользования сдерживается отсутствием эффективных энергетических установок, позволяющих утилизиро-
