CC BY
19
УДК 536.8, 629.783, 621.371
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ГРАФИТОВОГО ТРУБЧАТОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ СЕЧЕНИЕМ 2 ММ
И. С. Вавилов, А. И. Лукьянчик, П. С. Ячменев, А. В. Лысаков, В. В. Морозов
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-17-21
Аннотация - В работе представлены результаты теплового испытания трубчатого электронагревателя с графитовым элементом сопротивления (ГТЭН), выполненного с диаметром греющей части 2 мм. Назначение данных ГТЭН - использование в качестве дилатометрического привода механического клапана микрорасхода рабочего тела двигателя малого космического аппарата (МКА). Область предполагаемого применения ГТЭН сечением 2 мм накладывает ограничения по массе, тепловой инерции и энергопотреблению. В работе показано, что ГТЭН сечением 2 мм отличается высокой скоростью выхода до уровня равновесной температуры, высокой чувствительностью, быстрым охлаждением и созданием требуемых дилатометрических усилий.
Ключевые слова: коэффициент теплового расширения, графит, температура, мощность, корректирующая двигательная установка.
I. Введение
Известен простой способ создания высоких усилий при малых перемещениях - дилатометрический. В электротермических микродвигателях МКА эффекты теплового расширения тел никоим образом не задействованы, хотя величины перемещений могут достигать значений 0.5 мм, что является не малой величиной. При этом, в зависимости от площади поперечного сечения материала (обычно, сталь 12Х18Н9Т(10Т)), можно получить усилия воздействия от 20 Н до 20000 Н. Не требуется дополнительных промежуточных преобразователей и источников энергии. При работе нагревательных элементов корректирующей двигательной установки (КДУ) МКА тепловой поток идёт на конвективный нагрев и диссоциацию рабочего тела, часть теплового потока неизбежно уходит на изменение внутренней энергии материала ТЭН и конструкций двигателя. Изменение внутренней энергии реализуется в виде удлинения тела за счёт увеличения межатомного расстояния.
Коллективом авторов был исследован теплообмен в нагреваемой капиллярной трубе с течением азота. Было установлено, что эффективный теплосъём происходит при малом расходе азота при низком давлении. Для обеспечения подобных условий необходимо, чтобы на нагревательный элемент с урезанным расходом подавалось рабочее тело, прошедшее редуцирование (дросселирование). Традиционно это достигается установкой электромагнитного клапана и газового редуктора давления.
Дилатометрические свойства материалов позволяют создать простое устройство, совмещающее в одном узле нагревательный элемент, дроссель, клапан и регулятор расхода рабочего тела.
Дилатометрические эффекты лежат в основе приборов измерения размеров тела, вызванных тепловым воздействием [1]: приборов измерения температуры, дилатометрических датчиков-реле для контроля температуры среды (например, ТА-1038, ТАД-101 ГК «Промприбор»), дилатометрических электрических терморегулирую-щих устройств (например, ТУДЭ-М1 ООО НПО «Импульс») [2].
Во всех случаях тепловое расширение металлического стержня оказывает механическое воздействие и отклоняет стрелку прибора (дилатометрические термометры) [3], либо замыкает контакты электрической цепи (датчики-реле, терморегуляторы).
Из вышесказанного видно, что области применения дилатометрического эффекта в практике достаточно ограничены. В данной работе показана возможность применения этого эффекта в ракетно-космической техники в части корректирующих двигательных установок малых и сверхмалых космических аппаратов (СМК). Низкое энергопотребление, ограниченное число элементов автоматики, малые габариты и масса открывают перспективу эксплуатации подобных двигателей на СМК массой до 10 кг без ущерба для энергетики аппарата.
Исследования ГТЭН с внутренним капиллярным газоводом показало, что при мощности ГТЭН до 5 Вт можно добиться высокого значения импульса тяги двигателя за счет эффективного теплообмена в разреженном газе. В этой статье будет показано, что при низком энергопотреблении (также до 5 Вт) можно получить перемещение стержня ~ 0.5 мм при небольших габаритных размерах ГТЭН и высокую чувствительность к тепло-съёму, если рассматривать ГТЭН как регулятор расхода рабочего тела.
II. Постановка задачи
В ходе проведения работы были поставлены и решены следующие задачи:
1. изготовить экспериментальный образец ГТЭН с диаметром греющей части 2 мм, длиной греющей части 80 мм;
2. провести тепловые испытания ГТЭН «на воздухе» с использованием контрольно -измерительного оборудования;
3. произвести измерение линейных размеров ГТЭН в «холодном» и «горячем» состояниях.
Изготовление ГТЭН и исследовательские испытания проводились с использованием производственно -
технической баз научно-исследовательской лаборатории «Двигательные установки микротяги малых космических аппаратов» (ОмГТУ, кафедра «АВиРС»).
III. Теория
Перед тем как перейти к результатам исследования ГТЭН сечением 2 мм, проиллюстрируем область применения данной разработки. На рис. 1 представлена принципиальная схема электротермического микродвигателя с дилатометрическим приводом дроссельного клапана. Рабочее тело подаётся на вход дроссельного клапана, на запирающий орган которого при нагреве ГТЭН воздействует дилатометрическая сила F№J1 Эта сила создаёт кольцевую щель малого проходного сечения, в которой происходит дросселирование потока жидкости (газа). Микрорасход рабочего тела подаётся в щелевое пространство между корпусом и разогретым ГТЭН, происходит теплообмен, испарение жидкости (разогрев газа) и выход пара (газа) через сопло. Истечение разогретого пара (газа) создаёт реактивную тягу, малой величины. В случае заброса давления на входе в клапан ГТЭН выходит из теплового баланса, охлаждается и клапан перекрывается. Т.о. происходит авторегулирование давления в кольцевой щели и на выходе из сопла. Для устранения застойных явлений в кольцевой щели (когда жидкость скапливается в нижней части кольцевой щели, локально остужая корпус ГТЭН) ГТЭН имеет завихритель (также можно применить винтовую насечку на корпусе ГТЭН или повысить его шероховатость).
Данная схема была реализована в прототипе, который подтвердил работоспособность концепции. Дилатометрическим приводом прототипа является ГТЭН диаметром 3.6 мм, длиной 70 мм, рабочим телом была вода. Давление воды на входе в клапан при испытаниях прототипа составляло 2 атм., расход воды при работе прототипа 5.5-6 мг/с. На выходе из сопла посредством запотевания зеркала определялся водяной пар. Потребляемая электрическая мощность ГТЭН 5 Вт. С момента подачи напряжения на токовводы «холодного» ГТЭН до появления пара проходило ~ 15 мин. С момента прекращения подачи напряжения до исчезновения пара проходило ~ 2 мин. Избыточное давление пара составляло 490-500 Па. Эксперименты производились «на воздухе».
Рис. 1. Принципиальная схема простейшего дилатометрического микродвигателя: 1 - бак с рабочим телом; 2 - клапан дроссельный обратный; 3 - ГТЭН с завихрителем (насечками на корпусе);
4 - внешний корпус; 5 - сопло
Очевидным недостатком, выявленным при испытаниях прототипа, является большой промежуток времени между подачей напряжения на контакты ГТЭН и открытием клапана. Это связано с большой теплоёмкостью ГТЭН. Для решения данной проблемы был предложен и изготовлен ГТЭН со значительно меньшим поперечным сечением греющей части, что минимизирует объём силикатного герметика, применяемого для изоляции токопроводящих элементов от корпуса. Силикаты обладают низким коэффициентом теплопроводности, высокой теплоёмкостью [4], увеличение объёма герметизирующих материалов ведёт к увеличению градиента температуры между осью ТЭН и его поверхностью. ГТЭН диаметром 2 мм представлен на рис. 2. Для иллюстрации габаритных размеров ГТЭН на рис. 2 представлен штангенциркуль.
Рис. 2. ГТЭН с диаметром греющей части 2 мм: 1 - греющая часть ГТЭН (диаметр 2 мм); 2 - корпус контактной группы (диаметр 4 мм); 3 - токовводы ГТЭН
Традиционно корпусные детали (поз. 1 и 2 на рис. 2) ТЭН изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Данное требование обусловлено возможным контактом с агрессивными средами (например, аммиаком). Коллектив авторов работает над применением экологически безопасных и дешёвых видов топлив, приоритетным направлением является разработка двигателей на воде, поэтому использование в конструкции 12Х18Н10Т не является определяющим.
Тепловые испытания ГТЭН производились с использованием следующего оборудования:
1. источник питания АР$-7205;
2. многоканальный прецизионный измеритель температуры МИТ-8;
3. термопара типа ТХА;
4. ПК с программным обеспечением для регистрации температуры.
Регистрация температуры производилась при подаче к ГТЭН напряжений 3 В, 3.5 В, 4 В.
Результаты тепловых испытаний «на воздухе» представлены графиками зависимости температуры поверхности ГТЭН (в 0С) от времени нагрева (в секундах) (рис. 3). При нагреве в условиях вакуума температура может быть выше на 140 0С-170 0С вследствие отсутствия конвективного теплообмена и малой поверхности излучения данного ГТЭН.
Рис. 3. Результаты тепловых испытаний ГТЭН
Видно, что выход на равновесную температуру при всех подводимых мощностях занимает от 240 до 255 с. (рис. 3.). С момента выключения источника питания до полного остывания поверхности ГТЭН прошло 355 с. (для 8 Вт), 315 с. (для 6 Вт) и 340 с. (для 4.5 Вт). По сравнению с тепловым элементом прототипа, исследуемый ГТЭН выходит на стационарный режим быстрее в 3,5 раза. Подтверждением высокой чувствительности нагревательного элемента является участок на графике, выделенный овалом (см. рис. 3). Наблюдатель, при испытании, создал своим присутствием вынужденное движение воздуха, что охладило ГТЭН на 60 0С менее чем за 10 с.
Длина греющей части ГТЭН была непосредственно измерена штангенциркулем при температуре 320 0С. Величина удлинения составила 0.45 мм.
Усилие, создаваемое ГТЭН на запорном элементе клапана, можно оценить, используя теорию сопротивления материалов при расчёте центрально-сжатых стержней на устойчивость [5]. По формуле Эйлера имеем:
Г = , (1)
1 шах , ч 2
^ГТЭН )
где Е - модуль упругости стали 12Х18Н10Т при температуре эксплуатации; I - момент инерции сечения греющей части ГТЭН; ЬГТЭН - длина стержня; ц - коэффициент приведённой длины (коэффициент Ясинского). Для исследуемого случая выбран наихудший вариант ц=2. Момент инерции равен:
J = ^'(в4 -ВА ). (2)
у внеш внутр у 4 '
Здесь Бвнеш и Овнухр - соответственно внешний и внутренний диаметры греющей части ГТЭН. Решая уравнения (1) и (2), была получена дилатометрическая максимальная сила, которую может развить ГТЭН. Она составила 22.7 Н. Следует отметить, что внутреннее наполнение ГТЭН не учитывалось в расчёте.
IV. Результаты экспериментов Результаты экспериментов отражены в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ГТЭН
Мощность, Вт Мах температура, °С Время нестационарного режима, с Время остывания, с Дилатометрическое удлинение, мм Усилие, Н
4.5 205 240-255 340 - 22.7
6 260 315 -
8 323 355 0.45
V. Обсуждение результатов
В результате исследования было выявлено:
1. ГТЭН с сечением 2 мм обладает высокой скоростью выхода на стационарный тепловой режим, что отразится на быстродействии клапана, приводом которого является ГТЭН;
2. ГТЭН имеет высокую температуру поверхности при малой подводимой мощности, что вызвано малым содержанием огнеупорных материалов и малой поверхностью радиационного теплообмена;
3. ГТЭН, выполненный из капиллярной трубки с толщиной стенки 0.16 мм, может обеспечить дилатометрическое усилие на клапане в 22.7 Н и величину открытия дроссельной щели до 0.45 мм.
VI. Выводы и заключение
В работе показано, что ТЭН с графитовым элементом сопротивления способен давать объёмный нагрев по всей длине корпуса при малых мощностях. Данное обстоятельство открывает возможность использования данных ГТЭН при проектировании электротермических микродвигателей для СКА массой до 10 кг, при этом получить высокий удельный импульс тяги. Дилатометрический клапан-испаритель на основе синтеза ГТЭН с дросселирующим клапаном позволяет существенно упростить конструкцию двигательной установки, улучшить её массогабаритные характеристики.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена в рамках конкурса «Молодой учёный» 2017.
Список литературы
1. Новикова С. И. Тепловое расширение твердых тел: монография. М.: Наука, 1974. 294 с.
2. Устройства терморегулирующие дилатометрические электрические 1Р54 ТУДЭ-М1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 10 с.
3. Киреева Л. А. Автоматика и телемеханика систем газоснабжения: краткий иллюстрированный конспект лекций. Калининград: ФГОУ СПО КГКГ, 2010. 156 с.
4. Машкин Н. А., Игнатова О. А. Строительные материалы. Краткий курс : учеб. пособие. Новосиб. гос. архитектур.-строит. ун-т (Сибстрин). 2-е изд., перераб. Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2012. 200 с.
5. Расчет центрально-сжатых стержней на устойчивость: методические указания к выполнению расчетно-графических работ для студентов строительных и механических специальностей и направлений бакалавриата / сост. Е. А. Мартынов. Омск: Изд-во СибАДИ, 2013. 44 с.
УДК 536.8, 629.783, 621.371
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В КАППИЛЯРНОМ ГАЗОВОДЕ НАГРЕВАТЕЛЯ С ГРАФИТОВЫМ ЭЛЕМЕНТОМ СОПРОТИВЛЕНИЯ
И. С. Вавилов, А. И. Лукьянчик, П. С. Ячменев, А. С. Власов1, А. В. Лысаков, В. В. Морозов
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 1 Филиал «Омское моторостроительное объединение имени П.И. Баранова», АО «НПЦ газотурбостроения «Салют», г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-21-31
Аннотация - Целью настоящей работы является исследование теплообмена во внутреннем газоводе трубчатого электронагревателя с графитовым элементом сопротивления (ГТЭН) при прохождении через него микроскопических объёмов рабочего тела (в данном исследовании азота). Данная работа является составной частью работы по исследованию и проектированию электротермического микродвигателя с СВЧ-нагревом рабочего тела. Практической значимостью исследования, представленного в статье, является проектирование дилатометрического клапана-испарителя, выполняющего роль радиатора охлаждения кристалла твердотельного СВЧ-генератора (СВЧ-транзистора). Также результаты применимы для проектирования дилатометрического клапана-двигателя омического электротермического микродвигателя (ЭТМД) сверхмалого космического аппарата (СМКА). Актуальность работы в данном направлении определяется необходимостью применения энергосберегающих технологий при проектировании и изготовлении ЭТМД для СМКА. Методы исследования - теоретико-экспериментальные. Теоретическая обработка экспериментальных данных показала очень эффективный энергосъём при прохождении азота по капиллярному внутреннему газоводу ГТЭН. Показана возможность диссоциации и ионизации молекул азота при низкой мощности ГТЭН. Показана возможность получения высокого удельного импульса тяги ГТЭН, если рассматривать его как движитель ЭТМД.
Ключевые слова: графит, СВЧ, азот, малый космический аппарат, теплопроводность, теплообмен, клапан.
I. Введение
Работа современных мощных СВЧ-транзисторов сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, которая отводится от кристалла на керамический корпус и далее через радиатор охлаждения.
В устройствах на СВЧ-транзисторах обычно используется конвективное (воздушное) охлаждение или водяное. В целевой аппаратуре эти транзисторы устанавливаются на массивные металлические подложки, чтобы обеспечить теплоотвод на корпус. В мощных телекоммуникационных системах (например, с транзисторными блоками на LDMOS-транзисторах BLF578XR) разогрев аппаратуры может достигать 60 0С [1].
Выходная мощность СВЧ-транзистора (мощность, которую он отдаёт в типичной схеме генератора на заданной частоте [2] зависит от величины нагрева его кристалла. Рабочая температура кристалла указывается изготовителем и может находиться в диапазоне от 125 0С до 255 0С (карбид-кремниевые СВЧ-транзисторы, например, CRF24010 [3]). Зависимость выходной мощности транзистора BLF578XR от величины нагрева представлена в исследовании [1].
Перспектива применения твёрдотельных приборов СВЧ в качестве ускорителя рабочего тела ЭТМД сопряжена с проблемой теплоотвода в условиях космического вакуума. Ввиду отсутствия конвективного теплообмена температура корпуса СВЧ-транзистора может быть выше на 100-120 0С. Например, исследуемый в данной работе ГТЭН равновесную температуру при испытаниях на воздухе достиг за 600 с и значение её составило
