CC BY
43<Тешетневс^ие чтения. 2016
Проведение эксперимента и уточнение математической модели позволит найти оптимальные параметры подобных установок в диапазоне до 500 Вт. Кроме того, планируется доработка математической модели паротурбинной установки. Корректировке подвергнутся расчетные коэффициенты потерь, которые определяются при анализе экспериментальных данных. В результате на основе полученной модели предполагается проводить оптимизацию паротурбиной установки.
Библиографические ссылки
1. Ramon F. G. A Viable Megawatt-Class Space Power Plant under Rankine Cycle // J. of Energy and Power Engineering. 2012. № 6. P. 683-694.
2. Lahey R. T., Dhir V. Research in Support of the Use of Rankine Cycle Energy Conversion Systems for Space Power and Propulsion, NASA/ CR-2004-213142, July 2004. URL: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/ casi.ntrs.nasa.gov/20040086725.pdf.
3. Tarlecki J., Lior N., Zhang N. (Evaluation of Some Thermal Power Cycles for Use in Space. Proc. ECOS 2006. Crete, Greece. 12-14 July 2006.
4. Делков А. В., Ходенков А. А., Шевченко Ю. H. Сравнение прямого и обратного цикла в системах терморегулирования космических аппаратов негерметичного исполнения // Вестник СибГАУ. 2014. № 4 (56). С. 154-159.
5. Гришутин М. М. Паротурбинные установки с органическими рабочими телами Л. : Машиностроение, 1988.
6. Разработка установок-утилизаторов низкопотенциального тепла на основе органического цикла
Ренкина / А. А. Кишкин, Д. В. Черненко, А. А. Ходенков, А. В. Делков, Ф. В. Танасиенко // Альтернативная энергетика и экология : междунар. науч. журн. 2013. № 14. С. 57-63.
References
1. Ramon F. G. A Viable Megawatt-Class Space Power Plant under Rankine Cycle // Journal of Energy and Power Engineering. 2012. № 6. P. 683-694.
2. Lahey R. T., Dhir V. Research in Support of the Use of Rankine Cycle Energy Conversion Systems for Space Power and Propulsion, NASA/CR-2004-213142, July 2004. URL: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/ casi.ntrs.nasa.gov/20040086725.pdf.
3. Tarlecki J., Lior N. and Zhang N. (2006). Evaluation of Some Thermal Power Cycles for Use in Space. Proc. ECOS 2006. Crete, Greece. 12-14 July 2006.
4. Delkov A. V., Khodenkov A. A., Shevchenko Yu. N. Comparison of the forward and return cycle in thermoregulation systems of spacecraft untight performance // Journal of Siberian state aerospace University academician M. F. Reshetnev. 2014. № 4 (56). Р. 154-159.
5. Grishutin M. M. steam-Turbine plant with an organic working bodies), Leningrad : Mashinostroenie, 1988.
6. Razrabotka ustanovok-utilizatorov nizkopotent-sial'nogo tepla na osnove organicheskogo tsikla Renkina / Kishkin A. A., Chernenko D. V., Khodenkov A. A., Delkov A. V., Tanasiyenko F. V. (Russian Development of systems-low-grade heat recovery based on an organic Rankine cycle) // ISJAEE. 2013. № 14. P. 57-63.
© Булов А. О., Жиганов А. И., Шевченко Ю. Н., 2016
УДК 629.783
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНЫХ БЛОКОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ
Е. Н. Васильев1, В. А. Деревянко1*, В. Е. Чеботарев2
Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44
2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
*Е-таП: dv@icm.krasn.ru
Представлен анализ применения тепловых аккумуляторов с гипертеплопроводящими пластинами в качестве ребер для обеспечения оптимальных тепловых режимов блоков радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов.
Ключевые слова: тепловой аккумулятор, теплоаккумулирующее вещество, гипертеплопроводящая пластина, тепловой режим, космический аппарат.
ШепломассооВменные процессы в конструкциях ЯЛ, энергетических.установоки систем жизнеобеспечения
THERMOPHYSICAL ANALYSIS OF THE THERMAL STORAGE TO THE TEMPERATURE CONTROL SYSTEM OF POWERFUL BLOCKS OF ELECTRONIC EQUIPMENT WITH A SHORT OPERATION TIME
E. N. Vasil'ev1, V. A. Derevyanko1, V. E. Chebotarev2
federal research center «Krasnoyarsk Science Centre of the Siberian Branch of Russian Academy of Science»,
Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 2JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Street, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation *E-mail: dv@icm.krasn.ru
The research analyses the use of thermal storage with hyperheat-conducting plates as edges for optimal thermal modes of spacecraft electronic equipment blocks.
Keywords: thermal storage, thermal storage material, hyperheat-conducting plate, thermal regime, spacecraft.
Для обеспечения работы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) большой мощности, работающей в прерывистом и периодическом режиме, требуется излучающий радиатор, соответствующий пиковой нагрузке. Если пиковая нагрузка значительно превышает среднюю за период обращения по орбите, то большие размеры и вес радиатора, соответствующие пиковой нагрузке, приведут к значительному увеличению общей стоимости выведения спутника на орбиту.
Размеры и вес радиатора КА могут быть уменьшены при применении теплового аккумулятора (ТА), использующего плавящиеся рабочие вещества, обладающие относительно большой теплотой фазовых превращений и позволяющих многократно их использовать при воздействии пиковых тепловых нагрузок. В таком случае ТА перераспределяет пиковую, сосредоточенную во времени теплоту, выделяемую БА, на весь период полета по орбите, осуществляя отвод поглощенного рабочим веществом тепла в перерывах между включениями блоков РЭА. Это позволяет стабилизировать температуру и поддерживать оптимальный тепловой режим приборов не только в периоды пикового тепловыделения, но также предотвратить резкое уменьшения температуры, когда тепловыделение отсутствует.
Для эффективного применения теплоаккумули-рующего вещества (ТАВ), использующего скрытую теплоту фазового превращения в чередующихся циклах накопления и выделения теплоты, оно должно удовлетворять особым теплофизическим свойствам.
Критериями для выбора оптимального ТАВ являются: соответствие температуры изменения фазы рабочему диапазону РЭА, высокая скрытая теплота, хорошая теплопроводность жидкой и твердой фаз, небольшая разница между плотностями двух фаз. Кроме того, ТАВ должно плавиться конгруэнтно с минимальным переохлаждением и быть химически стабильным, иметь малую степень переохлаждения, отсутствие реакций с материалом контейнера и небольшие изменения объема при фазовых превращениях.
Анализ данных [1; 2] показал, что для блоков РЭА в качестве ТАВ оптимальным является использование
органических веществ. Это практически полностью снимает вопросы коррозионного разрушения контейнера, обеспечивает высокие плотности запасаемой энергии, оптимальный диапазон температур плавления, неплохие экономические показатели. Основной их недостаток - сравнительно низкая теплопроводность, и его преодоление требует специальных технических решений.
В данной работе в качестве ТАВ рассматривается органическое соединение октадекан с 18 атомами углерода (C18H38). У октадекана температура изменения фаз соответствует диапазону «максимальная - минимальная» рабочая температура электронных компонентов, и он имеет высокую скрытую теплоту. Кроме того, октадекан является химически стабильными по отношению к металлам и имеет малую разницу в плотностях твердой и жидкой фаз.
Температура изменения фазы октадекана 28,2 °C, его скрытая теплота фазового перехода qф = = 244 кДж/кг, удельная теплоемкость 2,3 кДж/(кг-К) и плотность р = 814 кг/м3. В жидкой фазе, плотность уменьшается примерно на 5 %. Теплопроводность октадекана составляет в среднем X = 0,25 Вт/(м-К), как для жидкой, так и для твердой фаз.
Из-за низкой теплопроводности октадекана процесс теплопередачи в его объеме затруднен. Поэтому для применения октадекана в ТА необходимым условием является интенсификация теплообмена за счет развития площади контакта с ТАВ, чтобы теплота передавалась и проникала во весь его объем.
Эффективным методом для развития площади контакта в ТА является применение оребрения. Значительное увеличение площади теплообмена возможно при тонких ребрах, имеющих большую высоту. Однако возможности развития площади теплообмена ограничены тем, что в результате бокового теплообмена температура по высоте ребра снижается и с определенного момента дальнейшее развитие поверхности не приводит к заметному повышению эффективности теплообмена. Возможность многократного увеличения площади и интенсификации теплообмена создает применение в качестве ребер гипертеплопро-водящих (ГТП) пластин, эффективная теплопровод-
Решетневские чтения. 2016
ность которых в 10 и более раз превышает теплопроводность меди.
Анализ эффективности применения ТА проведен на примере блока РЭА, выделяющего тепловую мощность Q = 10 кВт периодически в течение At = 60 мин, период покоя составляет 23 часа, весь цикл составляет 24 часа. Для рассеивания такой пиковой мощности необходим радиатор с площадью примерно 25 м2, при распределении мощности на весь временной цикл необходимая площадь радиатора уменьшается в 24 раза. Номинальная масса ТАВ для прибора с таким режимом работы m = QAt^ ~ 148 кг, объем ТАВ составит V = m/p ~ 0,18 м3, здесь qф - удельная теплота фазового перехода, p - плотность. В результате подвода-отвода тепловой мощности к ТА от поверхности ребра происходит циклическое движение фазовой границы. На границе раздела фаз температура равна температуре плавления ТАВ, температура поверхности ребра при этом отличается от температуры плавления на величину AT = q5/X, где q - плотность теплового потока на боковой поверхности ребра; 5 - толщина слоя ТАВ между поверхностью ребра и фазовой границей; X - коэффициент теплопроводности ТАВ.
Величина максимального AT^ является важным исходным параметром, определяющим амплитуду температурных колебаний в основании блока и влияющим на шаг и количество ребер в ТА.
Максимальному AT^ соответствует максимальное значение 5мах, которое является амплитудой циклического движения фазовой границы. Значение q определяется соотношением q = Q/NS, здесь N - количество ребер в ТА; S - площадь обеих боковых поверхностей теплоотвода ГТП пластины, выполняющей функцию ребра. С другой стороны оптимальный шаг между ребрами равен 25мах и выражается формулой h = 25мах = V/ NS. Приведенные выше соотношения при заданных значениях Q, S позволяют однозначно определить количество ребер N и расстояние между ребрами h:
N - Qf^" , h - 2 lXATmaxА . S\ ЧфРАТта* V qфP
Значения N и h зависят от размеров ГТП пластины, теплофизических свойств ТАВ и режима тепловыделения блока РЭА. Для AT^ = 10 °С, S = 0,08 м2 и значений других входящих в формулы параметров, которые приведены выше, получены величины N = 337 и h = 1,4 см.
Титановая ГТП пластина такой площади весит около 150 г, при этом суммарный вес ТАВ и ребер составит примерно 200 кг.
Эффективность теплообмена ребра в объеме ТА была определена как отношение теплоотдачи реального ребра с неоднородным распределением температуры к теплоотдаче идеального ребра, имеющего температуру основания по всей высоте.
Распределение температуры по высоте ребра определялось по численному решению уравнения теплопроводности, при этом учитывались высота и теплопроводность ребра, значение локального коэффициента теплообмена а. Расчет был проведен для величины а = 71 Вт/К, соответствующей среднему значению 5 = 0,55мах. Для ребра на основе ГТП пластины эффективная теплопроводность задавалась равной 104 Вт/(м-К), его эффективность теплообмена составила 96 %. Для медного ребра такой же толщины эффективность теплообмена 51 %. Результаты этого расчета показали необходимость использования ГТП пластин в качестве ребер в объеме ТА.
Таким образом, проведен анализ возможности применения ТА с ГТП пластинами для системы терморегулирования мощных блоков КА кратковременного действия. Показана необходимость использования ГТП пластин в качестве ребер для повышения эффективности теплообмена в объеме теплового аккумулятора.
Библиографические ссылки
1. Алексеев В. А. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. М. : Энергия, 1975. 88 с.
2. A review on phase change energy storage: materials and applications / M. M. Farid, A. M. Khudhair, S. A. Razack, S. Al-Hallaj // Energy and Management. 2004. Vol. 45. P. 1597-1615.
References
1. Alekseev V. A. Okhlazhdenie radioelektronnoi ap-paratury s ispol'zovaniem plavyashchikhsya veshchestv [The Cooling of Radio-Electronic Equipment Using Melting Materials]. Moscow : Energiya, 1975. 88 p.
2. Farid M. M., Khudhair A. M., Razack S. A., Al-Hallaj S. A review on phase change energy storage: materials and applications // Energy and Management. 2004. Vol. 45. P. 1597-1615.
© Васильев Е. H., Деревянко В. А., Чеботарев В. Е., 2016
