Расчет температурных полей в тепловом аккумуляторе с фазовым переходом Текст научной статьи по специальности «Физика»

Решетневскуе чтения. 2017

УДК 536.248.2

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ТЕПЛОВОМ АККУМУЛЯТОРЕ С ФАЗОВЫМ ПЕРЕХОДОМ

Е. Н. Васильев*, В. А. Деревянко

Красноярский научный центр СО РАН Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 E-mail: ven@icm.krasn.ru

На основе численного моделирования исследована динамика температурных полей в тепловом аккумуляторе с фазовым переходом «твердое тело - жидкость» для системы терморегулирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры.

Ключевые слова: тепловой аккумулятор, теплоаккумулирующее вещество, гипертеплопроводящая пластина, тепловой режим, космический аппарат.

CALCULATING TEMPERATURE FIELDS IN THE THERMAL STORAGE WITH PHASE TRANSFORMATION

E. N. Vasil'ev*, V. A. Derevyanko

Federal research center "Krasnoyarsk Science Centre SB RAS"

Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: ven@icm.krasn.ru

The research studies dynamics of temperature fields in the heat storage with a solid-liquid phase change for a thermal control system within on-board electronic equipment; it is based on numerical modeling.

Keywords: thermal storage, thermal storage material, hyperheat-conducting plate, thermal regime, spacecraft.

Тепловой аккумулятор (ТА) перераспределяет пиковое тепловыделение, выделяемое радиоэлектронной аппаратурой (РЭА), на весь период полета по орбите, осуществляя отвод поглощенной рабочим веществом теплоты в перерывах между включениями блоков РЭА. Это позволяет стабилизировать температуру и поддерживать оптимальный тепловой режим приборов. Расчет основных интегральных параметров такого ТА и обоснование выбора теплоаккумулирующего материала (ТАМ) были проведены в [1; 2].

Рассматриваемая конструкция ТА представлена на рис. 1. Блок РЭА 1, выделяющий тепловую мощность Q, установлен на верхнее теплоподводящее основание (ТПО) 2, теплота отводится с нижнего теп-лоотводящего основания (ТОО) 3. Между ребрами 5 находится ТАМ 4, который плавится при постоянной температуре, поглощая выделяемую прибором теплоту. Конструкция ТА имеет повторяющуюся структуру из однотипных симметричных секций, поэтому в качестве расчетной области при моделировании рассматривалась половина объема такой секции, которая на рис. 1 выделена штриховой линией. В качестве ТАМ рассматривался октадекан (С18Н38). У окта-декана температура плавления Т = 28,2°С соответствует оптимальной рабочей температуре РЭА, и он имеет высокую скрытую теплоту фазового перехода q = 244 кДж/кг.

1 «

_ _ _ _ _ 1 4- 7

1 i

1 1 1 1 А ■

1 1 1 1 1 1 1 -г -J-j

Рис. 1. Схема термоэлектрической системы охлаждения

Для расчета температурных полей в ТА использована математическая модель, основанная на численном решении нестационарного двумерного уравнения теплопроводности. Теплота фазового перехода q учитывалась в виде добавки к теплоемкости вещества в узком температурном интервале, находящегося на границе раздела фаз. На основе математической

Тепломассообменные процессы в конструкциях ЯЯ> энергетическихустановок^и систем жизнеобеспечения

модели проведены расчеты температурного поля в объеме ТА с ребрами из меди и гипертеплопроводных (ГТП) пластин [3; 4]. Распределения температуры для ТА с медными ребрами представлены на рис. 2 в виде изолиний с шагом ДГ, граница раздела жидкой и твердой фаз отображена жирной линией, на рисунке также отображены значения минимальной и максимальной температуры в местах их расположения. На приведенной расчетной области ТПО и ТОО соответствуют слои со значениями х = 0-10 мм и х = = 210-220 мм, тепловой поток q0 поступает на левую границу области (х = 0), с правой границы (х = Ь) отводится тепловая мощность q1, нижняя граница (у = 0) соответствует поверхности контакта с ребром, верхняя граница является осью симметрии секции ТА.

а

б

в

Рис. 2. Схема термоэлектрической системы охлаждения

К моменту времени Дt = 1 ч тепловыделение РЭА завершается (рис. 2, а, ДГ = 1 °С). Перепад температуры по длине ребра составляет около 20 °С, из-за недостаточной теплопроводности меди для эффективного подвода теплоты по всей длине ребра. Плавление ТАМ происходит наиболее интенсивно в области, примыкающей к ТПО, здесь фазовая граница достигает верхней границы расчетной области. Вблизи ТОО величина теплового потока, поступающего в объем ТАМ со стороны ребра, значительно ниже, здесь граница плавления продвинулась вглубь менее половины слоя ТАМ. Температура внешней поверхности ТПО, являющейся посадочным местом блока РЭА, отличается от температуры плавления на величину температурного перепада на слое расплавленного ТАМ. Значение этого перепада температуры равно произведению подводимой тепловой мощности и интегрального термического сопротивления слоя вещества между ТПО и фазовым фронтом. В процессе нагрева толщина этого слоя увеличивается, что приводит к соответствующему росту температуры ТПО с течением времени. Средняя температура внешней поверхности ТПО к моменту Дt = 1 ч составляет примерно 55 °С.

После завершения нагрева изменение температуры происходит за счет продолжающегося распространения теплового фронта во внутрь объема ТАМ и теплоот-вода с ТОО. К моменту At = 5 ч область расплавленного ТАМ расположена во внутренней части объема и примыкает к ТПО (рис. 2, б, AT = 0,1 °C). У ребра и оснований образуется слой твердого ТАМ, при этом температура ребра и обоих оснований устанавливается ниже температуры плавления. В дальнейшем уменьшение размеров области расплавленного вещества и снижение температуры оснований продолжается, температурное поле, сформировавшееся в конце первого рабочего цикла (At = 10 ч), приведено на рис. 2, в (AT = 0,5 °C). В дальнейших рабочих циклах динамика процесса не претерпевает значительных изменений. Зависимость температуры посадочного места РЭА имеет повторяющийся и периодический характер, амплитуда температурных колебаний составляет примерно 30 °C. Растущие участки температурной зависимости соответствуют периодам подвода энергии, падающие ветви - временным интервалам, когда тепловыделение РЭА отсутствует. Применения ГТП пластин в качестве ребер позволяет повысить равномерность подвода теплоты к ТАМ и вдвое уменьшить амплитуду температурных колебаний посадочного места РЭА.

Таким образом, проведен анализ динамики температурного поля в ТА и определена амплитуда температурных колебаний посадочного места РЭА при использовании ребер из меди и ГТП пластин.

Библиографические ссылки

1. Васильев Е. Н., Деревянко В. А., Чеботарев В. Е. Теплофизический анализ теплового аккумулятора для системы терморегулирования мощных блоков радиоэлектронной аппаратуры кратковременного действия // Решетневские чтения : материалы XX Междунар. науч. конф. (9-12 ноября 2016, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосм. ун-т. Красноярск, 2016. Ч. 1. С. 220-222.

2. Васильев Е. Н., Деревянко В. А., Чеботарев В. Е. Тепловой аккумулятор для системы терморегулирования мощных блоков радиоэлектронной аппаратуры кратковременного действия // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 4. С. 930-935.

3. Вычислительное моделирование процессов теплообмена в системах терморегулирования космических аппаратов / Е. Н Васильев, В. А. Деревянко, В. Е. Косенко и др. // Вычислительные технологии. 2009. Т. 14. Вып. 6. С. 19-28.

4. Васильев Е. Н., Никифорова Е. С. Математическое моделирование теплового режима гипертеплопроводного радиатора мощного радиоэлемента // Вестник СибГАУ. 2005. Вып. 3. С. 23-26.

References

1. Vasil'ev E. N., Derevyanko V. A., Chebotarev V. E. [Thermophysical analysis of the thermal storage to the temperature control system of powerful blocks of electronic equipment with a short action time]. Materialy XX Mezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Ma-

PewemHeecxye umeHUH. 2017

terials XX Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2016, p. 220-222. (In Russ.)

2. Vasil'ev E. N., Derevyanko V. A., Chebotarev V. E. [Thermal storage to the temperature control system of powerful blocks of electronic equipment with a short action time]. Vestnik SibGAU. 2016, vol. 17, no. 4, p. 930-935. (In Russ.)

3. Vasilyev E. N., Derevyanko V. A., Kosenko V. E. et al. [Computational modeling of heat exchange in ther-

moregulation systems of space vehicle]. Vychislitel'nye tekhnologii. 2009, vol. 14, no. 6, P. 19-28. (In Russ.)

4. Vasilyev E. N., Nikiforova E. S. [Mathematical model of heat exchange processes in honeycomb panels with heat pipes]. Vestnik SibGAU, 2005, no. 3, pp. 23-26. (In Russ.)

© BacnrneB E. H., flepeBarno B. A., 2017