CC BY
32
ВОЕННО-СПЕЦИАЛЬНЫЕ НА УКИ
УДК 621.354.341
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ТЕПЛОПОТЕРЬ НОСИМЫХ СРЕДСТВ СВЯЗИ
Е.И. Лагутина, Д.Н. Стрелков
Рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований структурных, функциональных и временных параметров устройства для компенсации теплопотерь, реализованного в рамках метода повышения технической готовности носимых средств связи путем термостатирования в условиях низких температур.
Ключевые слова: система термостатирования, химический нагревательный элемент, электрический нагревательный элемент.
Интерес к освоению Арктической зоны с точки зрения политических и экономических интересов различных государств в последние годы растет во всем мире, что обусловлено рядом объективных причин. Исходя из этого, Министр обороны Российской Федерации на расширенном заседании коллегии военного ведомства официально объявил, что восстановление и развитие военной инфраструктуры в Арктике станет одним из приоритетов ведомства. В рамках данной установки, в соответствии с Программой развития Арктической зоны Российской Федерации в период 2013-2017 гг. должно быть обеспечено создание единого информационного пространства. Технологической основой информационного пространства должна стать, в том числе, и автоматизированная система управления войсками и средствами межведомственной, межвидовой и межродовой группировки войск, позволяющая формировать единую картину «поля боя» на основе получаемой от различных источников информации, доводить ее до руководства в удобном для принятия решения виде, а также обеспечивать планирование боевого применения войск (сил) и оружия в режиме близком к реальному времени. Для решения указанных задач в тактическом звене управления (ТЗУ) необходимо обеспечить переход к
181
самоорганизующимся и адаптивным сетям. Техническую основу данных сетей должен составить унифицированный ряд радиостанций. Следовательно, в ближайшей перспективе основу системы связи должен составить, в том числе, комплекс многофункциональных программно-аппаратных средств радиосвязи для обеспечения автоматизированной, развед- и поме-хозащищенной засекреченной связи в ТЗУ [1].
Из всего вышесказанного следует, что проблема обеспечения технической готовности техники связи, в частности носимых радиостанций ТЗУ, как неотъемлемой части системы связи, в условиях низких температур является как никогда актуальной. Эксплуатационная надежность техники связи и автоматизированных систем управления войсками в значительной степени определяется технической готовностью химических источников тока (ХИТ), использующихся в качестве источников питания. С понижением температуры происходит частичная или полная потеря работоспособности аккумуляторных батарей (АКБ) (в зависимости от степени снижения температуры). Потеря работоспособности батареи проявляется, прежде всего, в снижении ее энергетических возможностей в режиме разряда, что в свою очередь приводит к систематическим прогрессирующим разрядам, снижению энергетических показателей в целом и преждевременному выходу батареи из строя. Например, согласно технической документации аккумуляторная батарея 10НКГЦ-3,5-2, использующаяся в качестве источника питания на носимой радиостанции Р-168-5УН(1)Е (комплекс «Акведук»), сохраняет электрические характеристики при циклическом воздействии температур от минус 40 до плюс 50 °С, но в то же время в зависимости от температуры окружающего воздуха обеспечивает при разряде следующие емкости:
1) при (20 ± 5) °С - 3,4 А-ч;
2) при минус (20 ± 2) °С - 2,21 А- ч;
3) при минус (30±2) °С - 1,8 А-ч;
4) при минус (40±2) °С - 1,02 А- ч [2].
Наряду с вышеупомянутыми никель-кадмиевыми АКБ на данный момент на носимых средствах связи используются батареи литий-ионной электрохимической схемы. Но такой недостаток, как резкое снижение емкости при низких температурах окружающего воздуха, имеет место и для них.
Проблемы, возникающие в следствие снижения технической готовности ХИТ, при эксплуатации носимых средств радиосвязи ТЗУ в частности, и сбои в работе системы связи в целом, освещены в работах Львова Е.В., Перова Е.А., Переверзева А.В., Шинкарева В.И., Селезнева Н.В., Травникова С.А., Карташева А.В., Костяева Н.И., В.Н. Кучарова. Из их работ можно сделать вывод, что повышение технической готовности АКБ, а, как следствие, и носимых средств связи, к применению по прямому назначению в условиях низких температур окружающего воздуха возможно не-
182
сколькими способами: 1) разработкой аккумуляторных батарей с электрохимическими схемами, адаптированными для работы в условиях низких температур окружающего воздуха; 2) обеспечением теплового режима работы источников питания средств связи.
Вопросами обеспечения температурного режима с помощью систем термостатирования в различных областях занимались такие ученые, как Л.И. Жилина, В.В. Шульгин, Ю.В. Цымбалюк, А.В. Чернышев, Д. А. Бакай, А.А. Крутиков, С.В. Кочергин, В.В. Коротких, М.В. Бялоцкая, С.Н. Семи-кин, В.А. Никоненко, Ю.В. Шевелев, В.А. Свирков. Однако разработанные и описанные в их работах способы и системы термостатирования в неизменном виде не могут быть применены в целях повышения технической готовности АКБ, установленной на носимое средство связи, и, как следствие, самого средства связи.
Это приводит к противоречию между снижением технической готовности носимых средств связи при эксплуатации в условиях низких температур окружающего воздуха, предъявляемыми к ним требованиями по их технической готовности в целях устойчивого функционирования системы связи и отсутствием разработанных методов реализации теории термо-статирования и управляемого нагрева с учетом специфики применения по прямому назначению парка носимых радиостанций тактического звена управления.
С учетом всего сказанного выше был разработан метод повышения технической готовности носимых средств связи ТЗУ в условиях низких температур, схематично представленный на рис. 1.
Метод -повышения -технической -готовности носимых средств -связи.1!
Рис. 1. Метод повышения технической готовности носимых средств связи путем термостатирования в условиях низких температур
183
Реализация данного метода и, как следствие, обеспечение теплового режима работы АКБ, а также увеличение продолжительности времени работы средства связи возможно за счет применения устройства для компенсации теплопотерь аккумуляторных батарей методом термостатирования с использованием разнородных нагревательных элементов [3] (рис. 2).
Составные части устройства и их назначение представлены в таблице.
Назначение составных частей устройства для компенсации
теплопотерь
№ п/п Наименование Назначение Примечание
1 Теплозащитный чехол Тепловая изоляция АКБ носимого средства связи и нагревательных элементов Изготовлен из фольгированного вспененного полиэтилена
2 Электрический нагревательный элемент Нагрев корпуса АКБ. Максимально возможное время работы за счет остаточной электрической энергии АКБ - 2 ч. Суммарное время активной работы в указанный период - 20 мин Выполнен на основе позисторов А60 (8 шт.). В качестве материала корпуса нагревательного элемента используется алюминий
3 Химический нагревательный элемент Нагрев корпуса АКБ. Время разряда (выделения тепловой энергии) - до 6 часов. В качестве материала корпуса нагревательного элемента используется силиконовый каучук. Тепловой эффект достигается протеканием экзотермической реакции в перенасыщенном растворе ацетата натрия трехводного
4 Датчик температуры Контроль температуры корпуса АКБ и включение в работу контроллера
5 Контролер Включение в работу ЭНЭ
При понижении температуры внутри теплозащитного чехла в работу вводится химический нагревательный элемент (ХНЭ). ХНЭ обеспечивает нагрев АКБ от минус 40 до плюс 20 °С и поддержание температурного режима батареи до 6 ч. По окончании работы ХНЭ в целях поддержания теплового режима работы АКБ для дальнейшего обеспечения работы средств связи используется резервный электрический нагревательный элемент (ЭНЭ). Работа ЭНЭ по поддержанию теплового режима АКБ осуществляется в цикличном режиме: с падением температуры корпуса АКБ до 15 °С он вступает в работу, а по достижении температуры корпуса АКБ значения 20 °С автоматически отключается. Работа ЭНЭ по поддержанию теплового режима АКБ продолжается в течение 2 ч.
184
Рис. 2. Структурная схема устройства для компенсации теплопотерь АКБ методом термостатирования с использованием разнородных нагревательных элементов
Система, позволяющая определить координату границы раздела фаз и изменение температуры корпуса АКБ во времени, имеет следующий вид:
е - ° • тк (т) (1)
йт N •(Ж + В • х(т ))'
I • Тк (т) + М,
dTк (т) Е - В • тк (т)
(2)
йт 1 + У • г(т)
где Е, О, N Ж, В, 1, У, I, М - константы, рассчитываемые по формулам
(3) - (11):
(3)
В _а в а Т • РВ • Рд, Ж _ (а т • ^к + а В • ^В )• 1тВ • ^К =
'К
О _ В • А/ТВ • ^к ,
Е _ О • Т
I _
ф, а Б • РБ
СБ М _ I • т0,
ТВ
N _р ТВ • гг • РК
1 _ ж • с Б,
У _ В •с Б, 185
(4)
(5)
(6)
(7)
(8) (9)
(10) (11)
где аВ - коэффициент теплоотдачи от стенок ХНЭ к поверхности батареи, Вт/(м2-°С); ¥В - площадь поверхности корпуса ХНЭ, соприкасающегося с корпусом батареи, м2; Гц - сумма площадей боковых цилиндрических поверхностей всех капсул, м2; ¥К - площадь поверхности химического нагре-
ГГ1-Ц\
вательного элемента, м2; Ау - коэффициент теплопроводности ТАМ в
'у
твердой фазе, Вт/(м • °С); ТФ - температура фазового перехода, °С; аБ - коэффициент температуропроводности батареи, м2/с; ¥Б - площадь поверхности батареи, соприкасающейся с химическим нагревательным элемен-
том, м ; СБ - теплоемкость батареи, Дж/°С; Т0 - начальная температура ба-
ТВ з
тареи, °С; ру^ - плотность ТАМ в твердой фазе, кг/м ; гг - удельная теплота фазового перехода «плавление - кристаллизация», Дж/кг [4].
Математическая модель процесса нагрева аккумулятора с помощью позисторов представлена формулами:
[йтх _ Рус-«1 -(Т1 -Т2)• Г
ёх С1 • ш\
йТ2_ «2 •(Т2-Тз)• Г2-а4 •(Тз -Т4)• ¥з
ёх С3 • тз
ёТз _ «1 • (Т1 - Т2) • Г1 -а2 • Т2 - Тз) • ¥2 - аз • (Т2 - Тзср) • ¥з
ёх С2 • т2
ёТ4 _«5 ^4-Т5)• ¥5-«4 •(Тз -Т4) • ¥4
ёх
С4 т4
(12)
при ^ < ¿ПЕР РП1
при X1 > ¿ПЕР
пи
2
а щ + 2
п и
-ВТ В"г щ
где РУС - мощность устройства больницы, Вт; а1 - коэффициент теплоотдачи от позисторов к корпусу электрического нагревательного элемента, Вт/(м2-°С); Т1 - температура теплоотдающей поверхности позисторов, °С; Т2 - температура корпуса электрического нагревательного элемента, °С; ¥1 - площадь поверхности корпуса электрического нагревательного элемента, м2; с1 - удельная теплоемкость позисторов, Дж/кг-°С; т1 - суммарная масса позисторов, кг; а2 - коэффициент теплоотдачи от аккумулятора к корпусу радиостанции, Вт/(м2-°С); Т3 - температура корпуса радиостанции, °С; Г2 - площадь поверхности теплоотдачи аккумулятора к корпусу радиостанции, м2 ; а4 - коэффициент теплоотдачи от корпуса радиостанции в воздух, Вт/(м2-°С); Т4 - температура окружающего воздуха в теплоизолирующем корпусе, °С; ¥3 - площадь поверхности теплоотдачи аккумулятора в воздух, м ; с3 - удельная теплоемкость корпуса радиостанции, Дж/кг- °С; т3 - масса корпуса радиостанции, кг; а3 - коэффициент теплоотдачи от аккумулятора в воздух, Вт/(м2-°С); Т3СР - температура воздуха, °С; с2 -
удельная теплоемкость аккумулятора, Дж/кг-°С; т2 - масса аккумулятора, кг; а5 - коэффициент теплоотдачи от теплоизолирующего корпуса в окружающую среду (наружный воздух), Вт/(м2-°С); Т4 - температура окружающего воздуха в теплоизолирующем корпусе, °С; Т5 - температура наружного воздуха, °С; Р5 - площадь поверхности теплоотдачи теплоизоли-
22 рующего корпуса, м ; Ь4 - площадь корпуса радиостанции, м ; с4 - удельная теплоемкость теплоизолирующего корпуса, Дж/кг- °С; т4 - масса теплоизолирующего корпуса, кг; п - количество позисторов в устройстве; и -напряжение питания устройства, В; А", В', В" - коэффициенты, зависящие от физико-химических свойств полупроводниковых материалов; а - температурный коэффициент сопротивления позистора, °С-1; П - температура позистора на участке выше температуры переключения, °С; 1П2 - температура позистора на участке ниже температуры переключения, °С [5].
В результате математического моделирования установлено, что параметрами, обеспечивающими тепловой режим работы батареи, являются:
3 3 2
для ХНЭ - площадь поверхности корпуса от 5-10" до 13-10" м , тепловая мощность от 50 до 90 Вт; для ЭНЭ - площадь поверхности корпуса от
3 3 2
10-10" до 14-10" м , тепловая мощность от 6 до 9 Вт.
Для подтверждения теоретических положений были проведены экспериментальные исследования с использованием носимой радиостанции Р-168-5УН(1)Е (источник питания 10НКГЦ-3,5-2). Результаты исследования представлены на рис. 3 - 4.
в
Рис. 3. Зависимость температуры корпуса АКБ от мощности и площади поверхности ХНЭ при температуре окружающего воздуха: а - минус 20 °С; б - минус 30 °С; в - минус 40 °С
187
в
Рис. 4. Зависимость температуры корпуса АКБ от мощности и площади поверхности ЭНЭ при температуре окружающего воздуха: а - плюс 5 °С; б - плюс 10 °С; в - плюс 15 °С
Обработка полученных при экспериментальных исследованиях результатов показала, что параметры нагревательных элементов устройства
для компенсации теплопотерь должны быть следующими: а) для ХНЭ:
з 2
площадь поверхности корпуса не менее 1з-10" м ; тепловая мощность не
з 2
менее 85 Вт; б) для ЭНЭ: площадь поверхности корпуса не менее 12-10" м ; тепловая мощность не менее 8,5 Вт.
Таким образом, обоснованы структурные, функциональные и временные параметры при использовании комбинированного метода термо-статирования, обеспечивающие эффективность применяемого метода в условиях низких температур, и устройства для компенсации теплопотерь в рамках данного метода.
Список литературы
1. Малюков, В. А. Перспективы развития системы связи Вооруженных сил Российской Федерации // Связь в Вооруженных силах Российской Федерации. 2012. Ч. 1. С. 15 - 17.
2. Батареи аккумуляторные 10НКГЦ1,з-2, 10НКГЦз,5-2 и 10НКГЦ6-2: руководство по эксплуатации. М.: Воениздат, 2000. 17 с.
188
3. Патент 165710 РФ. Устройство для компенсации теплопотерь аккумуляторных батарей методом термостатирования с использованием разнородных нагревательных элементов / К.М. Буровский, Е.И. Лагутина Опубл. 10.11.2016. Бюл. № 31.
4. Лагутина Е.И. Математическая модель функционирования системы разогрева аккумуляторной батареи с помощью химического нагревательного элемента // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 4. С.105 - 111.
5. Лагутина Е.И. Математическая модель нестационарного теплообмена между аккумулятором и электрическим нагревательным элементом // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 4. С.120 - 126.
Лагутина Елизавета Игоревна, адъюнкт, below8585@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище,
Стрелков Денис Николаевич, преподаватель, cobalt4@yandex.ru, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище
THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDIES PARAMETERS OF THE DEVICE FOR COMPENSATION OF HEAT LOSSES OF WEARABLE COMMUNICATION
E.I. Lagutina, D.N. Strelkov
The results of theoretical and experimental studies of structural, functional and timing parameters of the device to compensate for heat loss, which was realized in the framework of the method of raising the technical readiness of portable communications devices by thermostatting at low temperatures.
Key words: heating systems, chemical heating element, electric heating element.
Lagutina Elizaveta Igorevna, adjunct, below8585@mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan higher airborne command school,
Strelkov Denis Nikolaevich, teacher, cobalt4@yandex. ru Russia, Ryazan, Ryazan higher airborne command school
