CC BY
27Решетнеескцие чтения. 2015
Для частных небольших подземных сооружений, как правило, наиболее энергозатратной является система отопления. Среди современных систем отопления можно выделить систему геотермального отопления. Геотермальный (тепловой) насос - ключевой элемент системы, имеющий компактные размеры. Его производительность, например, позволяет на каждый 1 кВт потребленной электроэнергии производить до 4-5 кВт тепловой энергии. Для работы теплового насоса необходим теплообменник с большой протяженностью. Кроме того, теплообменник должен быть погружен в землю на достаточную глубину, чтобы избежать замерзания в нем теплоносителя. Для небольшого подземного жилого сооружения достаточно будет установить вертикальный теплообменник, предварительно пробурив для него одну или несколько скважин. Глубина скважины, в зависимости от технологии, может достигать 50-200 м, при этом срок ее службы около 100 лет [5].
Геотермальная система отопления наиболее эффективна в сочетании с «теплыми полами». Подобный дуэт обеспечивает равномерное распределение температуры и препятствует образованию зон перегрева. «Теплый пол» обладает инерционностью, поэтому помещение медленно нагревается в течение 3-5 часов, но и остывает помещение так же медленно при отключении системы [4].
Энергоэффективность других элементов СЖО повысить сложнее, но можно модернизировать сам дизель-генератор. В автомобилестроении нашлось применение генератору водорода. Подобный генератор, питаясь от электросети автомобиля, посредством электролиза расщепляет молекулы воды на составляющие атомы, т. е. выделяется газовая смесь водорода с небольшим содержанием кислорода. Затем газовая смесь направляется в воздуховод ДВС, где, смешиваясь с топливом, попадает в камеру сгорания. Горение получившейся газовой смести происходит несколько быстрее, чем обычной смеси топлива и воздуха. Газовая смесь вытесняет часть топлива перед подачей в камеру сгорания, частично заменяя его. Таким образом подача топлива принудительно
сокращается. Подобная система ДВС (дизель-генератора в том числе) и генератора водорода позволяет экономить до 40 % топлива при той же нагрузке [1].
Применение современных СЖО в подземных жилых сооружениях закрытого цикла позволяет повысить их автономность. Учитывая также долговечность современных СЖО, можно быть уверенным, что подземные жилые сооружения закрытого цикла останутся пригодными в течение десятков лет.
Библиографические ссылки
1. Елистратов Ф. М., Колюко В. М., Томилин М. С. Силовые установки со свободнопоршневыми генераторами газа. Л. : Судпромгиз, 1959. С. 124-126.
2. Каммерер Ю. Ю., Кутырев А. К., Харкевич А. Е. Защитные сооружения гражданской обороны : учеб. пособие. М. : Энергоатомиздат, 1985. С. 25-34.
3. Каммерер Ю. Ю., Кутырев А. К., Харкевич А. Е. Эксплуатация убежищ гражданской обороны. М. : Стройиздат, 1970. С. 111-119.
4. Писарев Е. Теплый пол. Водяной или электрический. М. : Самиздат, 2012. С. 78-79.
5. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы : пер. с англ. М. : Энергоиздат, 1982. С. 68-72.
References
1. Elistratov F. M., Koljuko V. M., Tomilin M. S. Silovye ustanovki so svobodnoporshnevymi generatorami gaza. Sudpromgiz, Leningrad, 1959. P. 124-126 (In Russ.).
2. Kammerer Ju. Ju., Kutyrev A. K., Harkevich A. E. Zashhitnye sooruzhenija grazhdanskoj oborony. Uchebnoe posobie. M. : Jenergoatomizdat, 1985. P. 2534 (In Russ.).
3. Kammerer Ju. Ju., Kutyrev A. K., Harkevich A. E. Jekspluatacija ubezhishh grazhdanskoj oborony. M. : Strojizdat, 1970. P. 111-119 (In Russ.).
4. Pisarev E. Teplyj pol. Vodjanoj ili jelektricheskij. M. : Samizdat, 2012. P." 78-79 (In Russ.).
5. Reay D., Macmichael D. Heat pumps. Design and applications. Pergamon Press, 1979. P. 68-72.
© Лиманская К. В., Черненко Д. В., 2015
УДК 629.7.048.7
ОХЛАЖДАЮЩАЯ ПАНЕЛЬ С КОНТУРНЫМИ ТЕПЛОВЫМИ ТРУБАМИ ДЛЯ НЕРАВНОМЕРНО
РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА
Ю. Ф. Майданик, С. В. Вершинин, В. Г. Пастухов
Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии наук Российская Федерация, 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 107а Е-шаП: [email protected]
Контурные тепловые трубы (КТТ) относятся к пассивным двухфазным теплопередающим устройствам, которые используются в системах охлаждения как в наземной, так и в космической технике. Представлены результаты разработки и применения миниатюрных КТТ в системе охлаждения полупроводниковых компонентов, неравномерно распределенных на большой поверхности.
Ключевые слова: контурная тепловая труба, система охлаждения, полупроводниковые компоненты.
Тепломассообменные процессы в конструкциях ЛА, энергетическихустаноеок,и систем жизнеобеспечения
A COOLING PANEL WITH LOOP HEAT PIPES FOR NONUNIFORMLY DISTRIBUTED HEAT SOURCES
Yu. F. Maydanik, S. V. Vershinin, V. G. Pastukhov
Institute of Thermal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences 107a, Amundsena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation E-mail: [email protected]
Loop heat pipes (LHPs) belong to passive two-phase heat-transfer devices which are used in cooling systems both of ground and space technology. The paper presents results of development and application of miniature LHPs in a cooling system of semiconductor components nonuniformly distributed on the large surface.
Keywords: loop heat pipe, cooling system, semiconductor components.
Контурные тепловые трубы как высокоэффективные теплопередающие устройства, обеспечивающие почти идеальную тепловую связь между охлаждаемым объектом и удаленным стоком тепла, уже достаточно давно нашли успешное применение в системах терморегулирования (СТР) космических аппаратов как в России, так и за рубежом [1-6]. К числу основных эксплуатационных свойств этих устройств относятся низкое термическое сопротивление, которое обычно находится в пределах от 0,01 до 0,5 °С/Вт, высокая мощность, достигающая 1 кВт и более, способность передавать тепло на расстояние до нескольких метров при любом положении в гравитационном поле и невесомости, а также механическая гибкость и высокая адаптируемость к различным условиям размещения и эксплуатации.
На рубеже 2000-х годов возникли новые вызовы, связанные с бурным развитием мощной микроэлектроники, СВЧ, лазерной и компьютерной техники, теплонапряженные компоненты которой рассеивают до нескольких десятков ватт с квадратного сантиметра.
Во многих случаях эти компоненты размещаются в чрезвычайно стесненных условиях, которые сильно осложняют задачу их эффективного охлаждения. Ответом на эти вызовы стала разработка миниатюрных контурных тепловых труб [7]. Эти устройства, снабженные цилиндрическими испарителями диаметром 5-8 мм и трубопроводами для пара и жидкости диаметром 2-3 мм, имеют массу от 20 до 50 г, легко конфигурируются и способны передавать тепловые
потоки до 200 Вт в диапазоне температур от -100 до + 100 °С. Внешний вид миниатюрных КТТ представлен на рис. 1.
Такие устройства применяются, как правило, для отвода тепла от компактных объектов с площадью термоконтактной поверхности от 1 до 25 см2, рассеивающих тепловые потоки с плотностью от 1 до 100 Вт/см2.
Однако в ряде случаев такие объекты могут быть распределены на относительно большой поверхности, где необходимо одновременно использовать несколько КТТ.
Примером такой задачи, которая была успешно решена, является охлаждающая панель с размерами 325 х 300 х 5 мм, выполненная из алюминия.
В панели были размещены три миниатюрные контурные тепловые трубы с испарителями диаметром 8 мм, обеспечивавшие сбор тепла с наиболее горячих «пятен» и отвод его к удаленному стоку тепла, роль которого выполнял специальный жидкостный теплообменник. Схема охлаждающей панели представлена на рис. 2.
Восемь локальных источников тепла, моделирующих полупроводниковые компоненты, были расположены в ряд вдоль удаленного края панели. Каждый из них при максимальной нагрузке рассеивал 24 Вт. Еще один источник тепла размещался в центре панели и рассеивал до 64 Вт.
Тепловые испытания системы охлаждения проводились при температуре жидкости, циркулирующей в теплообменнике, равной 20 °С.
Рис. 1. Внешний вид миниатюрных КТТ
Решетнееские чтения. 2015
Было показано, что при максимальной суммарной тепловой нагрузке температура наиболее удаленных источников тепла не превышала заданного максимального значения 80 °С. Среднее значение температуры на поверхности панели при этом составляло около 74 °С.
Рис. 2. Схема охлаждающей панели с контурными тепловыми трубами
С помощью программного пакета EFD.Lab было выполнено также компьютерное моделирование системы охлаждения, которое продемонстрировало хорошее соответствие результатам испытаний.
Библиографические ссылки
1. Майданик Ю. Ф. Контурные тепловые трубы -высокоэффективные теплопередающие устройства // Инновации. 2005. № 5. С. 83-86.
2. Maydanik Yu. F. Loop heat pipes // Applied Thermal Engineering. 2005. Vol. 25, № 5-6. P. 635-657.
3. Гончаров К. А. О методах регулирования контурной тепловой трубы внешним тепловым воздействием // Вестник ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина». 2012. № 1. С. 30-37.
4. Goncharov K., Golikov A., Basov A., Elchin A., Prokhorov Yu., Ovchinnikov B. 10-years experience of operation of loop heat pipes mounted on board "Yamal-200" satellite // Proceedings of the 17th International Heat Pipe Conference. Kanpur, India, 2013. P. № 30.
5. Baker C. L., Grob E. W., McCarthy T. V. et al. Geoscience laser altimetry system (GLAS) on-orbit flight report on the propylene loop heat pipes (LHPs) // Proceedings of International Two-Phase Thermal-Control Technology Workshop, Noordwijk, the Netherlands, 2003.
6. Nikitkin M. Loop heat pipes in the USA, from inception to flight // Proceedings of the 2th International Conference "Heat Pipes for Space Application", Moscow, Russia, 2014. P. № 3.1.
7. Pastukhov V. G., Maidanik Yu. F., Vershinin S. V., Korukov M. A. Miniature loop heat pipes for electronics cooling // Applied Thermal Engineering. 2003. Vol. 23, № 9. P. 1125-1135.
References
1. Maydanik Yu. F. [Loop heat pipes - high-efficiency heat-transfer devices]. Innovatsii. 2005, no. 5, p. 83-86. (In Russ.)
2. Maydanik Yu. F. Loop heat pipes (2005) Applied Thermal Engineering, 25 (5-6), pp. 635-657. doi:10.1016/j.applthermaleng.2004.07.010.
3. Goncharov К. А. [On control methods of a loop heat pipe by external thermal effect]. Vestnik FGUP «NPO im. S. A. Lavochkina». 2012, no. 1, p. 30-37. (In Russ.)
4. Goncharov K., Golikov A., Basov A., Elchin A., Prokhorov Yu., Ovchinnikov B. 10-years experience of operation of loop heat pipes mounted on board "Yamal-200" satellite. Proc. of 17th International Heat Pipe Conference. Kanpur, India, 2013, paper № 30.
5. Baker C. L., Grob E. W., McCarthy T. V. et al. Geoscience laser altimetry system (GLAS) on-orbit flight report on the propylene loop heat pipes (LHPs). Proc. of International Two-Phase Thermal-Control Technology Workshop. Noordwijk, the Netherlands, 2003.
6. Nikitkin M. Loop heat pipes in the USA, from inception to flight. Proc. of 2th International Conference "Heat Pipes for Space Application". Moscow, Russia, 2014, paper № 3.1.
7. Pastukhov V. G., Maidanik Yu. F., Vershinin S. V., Korukov M. A. Miniature loop heat pipes for electronics cooling (2003) Applied Thermal Engineering, 23 (9), pp. 1125-1135. doi:10.1016/S1359-4311(03)00046-2.
© Майданик Ю. Ф., Вершинин С. В., Пастухов В. Г., 2015
УДК 629
ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕРМЕТИЧНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Р. Р. Мамедли, Ю. Н. Шевченко, А. В. Делков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-таЛ: [email protected]
Описывается экспериментальный стенд для исследования характеристик электропривода. Исследование характеристик имеет своей целью определение параметров привода и оптимального режима работы. Приводятся методика обработки экспериментальных данных и результаты испытаний.
Ключевые слова: испытательный стенд, характеристика, электропривод.
