CC BY
146
УДК 629.783
Вестник СибГАУ Том 17, № 4. С. 930-935
ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНЫХ БЛОКОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ
Е. Н. Васильев1 , В. А. Деревянко1, В. Е. Чеботарев2
Красноярский научный центр СО РАН,
Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
*E-mail: ven@icm.krasn.ru
Аккумулирование скрытой теплоты является одним из наиболее эффективных способов терморегулирования. В отличие от способа аккумулирования за счет обычной теплоемкости, способ аккумулирования за счет скрытой теплоты обеспечивает гораздо более высокую плотность аккумулирования с меньшей разницей температуры между процессами аккумулирования и выделения теплоты. Рассмотрена система терморегулирования космического аппарата, основанная на применении веществ с фазовым переходом «твердое тело -жидкость», для мощных тепловыделяющих узлов, которые работают с периодическим и кратковременным включением. Рассмотрены различные группы теплоаккумулирующих веществ, таких как металлы, неорганические и органические материалы. Органические материалы определены как оптимальные вещества для терморегулирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Большинство органических теплоаккумулирующих веществ являются неагрессивными и химически стабильными, практически не переохлаждаются, совместимы с большинством материалов и имеют высокую скрытую теплоту на единицу веса. Их основным недостатком является низкое значение коэффициента теплопроводности. Этот недостаток применения органических теплоаккумулирующих веществ, связанный с низкой теплопроводностью, может быть успешно решен с помощью параллельно расположенных в объеме теплового аккумулятора гипертеплопроводящих пластин. Представлен анализ применения тепловых аккумуляторов с гипертеплопроводящими пластинами в качестве ребер для обеспечения оптимальных тепловых режимов блоков радиоэлектронной аппаратуры. Выполнен расчет основных параметров теплового аккумулятора. Определены масса теплоаккумулирующего вещества, количество ребер, расстояние между ребрами в зависимости от амплитуды температурных колебаний, тепловыделения радиоэлектронной аппаратуры и теплофизических свойств вещества. На основе решения уравнения теплопроводности проведен расчет эффективности теплообмена ребер в объеме теплового аккумулятора. Показана более высокая эффективность теплообмена гипертеплопроводящих пластин по сравнению медными ребрами.
Ключевые слова: тепловой аккумулятор, теплоаккумулирующее вещество, гипертеплопроводящая пластина, тепловой режим, космический аппарат.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 4, P. 930-935
THERMAL STORAGE TO THE TEMPERATURE CONTROL SYSTEM OF POWERFUL BLOCKS OF ELECTRONIC EQUIPMENT WITH A SHORT ACTION TIME
E. N. Vasil'ev1*, V. A. Derevyanko1, V. E. Chebotarev2
Krasnoyarsk Science Centre SB RAS, Institute of Computational Modeling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 2JSC "Information satellite system" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation *E-mail: ven@icm.krasn.ru
Latent heat storage is one of the most efficient ways of thermal control. Unlike the sensible heat storage method, the latent heat storage method provides much higher storage density, with a smaller temperature difference between storing and releasing heat. This paper considers a spacecraft thermal control system based of solid-liquid phase
change material for the high heat dissipating component which works intermittently with short duty. Different groups of thermal storage materials, such as metals, inorganic and organic materials are considered. Organic materials are defined as the optimal substances for the thermal control of spacecraft electronic equipment are determined. Most organic thermal storage materials are non-corrosive and chemically stable, exhibit little or no subcooling, are compatible with most materials and have a high latent heat per unit weight. Their main disadvantage is low value of the coefficient of thermal conductivity. The drawback of organic thermal storage materials application due to low thermal conductivity can be successfully resolved by means of parallel arrangement ofthe hyperheat-conducting plates in the volume of the heat accumulator. Analysis ofthe use of thermal accumulators with hyperheat-conducting plates as edges for optimal thermal modes of blocks of electronic equipment is presented. The calculation of the basic parameters of the thermal accumulator is performed. Mass of heat storage material, number of edges, spacing between edges depending on the temperature fluctuation amplitude, ofthe electronic equipment heat and properties of material was determined. On the basis ofthe solution ofthe heat equation the calculation ofthe heat exchange efficiency of edges in the volume ofthe heat accumulator is made. Higher heat exchange efficiency of the hyperheat-conducting plates compared to copper edges is showed.
Keywords: thermal storage, thermal storage material, hyperheat-conducting plate, thermal regime, spacecraft.
Введение. Для обеспечения работы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) большой мощности, работающей на космическом аппарате (КА) 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 позволяющие многократно их использовать при воздействии пиковых тепловых нагрузок. В таком случае ТА перераспределяет пиковую, сосредоточенную во времени теплоту, выделяемую 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 не только в периоды пикового тепловыделения, но также предотвратить резкое уменьшение температуры, когда тепловыделение отсутствует.
Радиолокационные изображения земной поверхности, получаемые из космоса с помощью современных радиолокаторов, по своей детальности и информативности не уступают лучшим оптическим изображениям. Космические радиолокационные системы являются эффективным средством дистанционного зондирования, позволяющим проводить наблюдения территорий Земли независимо от погодных условий и времени суток. Применение космических радиолокаторов в мировой практике дистанционного зондирования Земли за последние годы показало их высокую эффективность в решении широкого круга прикладных задач. Активные фазированные антенные решетки (АФАР) являются наиболее перспективным примером РЭА большой мощности и кратковременного действия [1]. При использовании АФАР важнейшей проблемой является отвод тепловой мощности [2-4]. Коэффициент полезного действия приемо-передающего модуля не превышает 45 %, поэтому AФAР выделяет
большое количество теплоты, которая должна быть отведена, чтобы предохранить чипы передатчика от перегрева. Перегрев негативно сказывается на параметрах прибора, в частности, на частотных характеристиках и на значениях выходной мощности, а также на надежности устройства в целом. Применение систем терморегулирования с ТА является перспективным направлением оптимизации тепловых режимов АФАР.
Анализ теплоаккумулирующих веществ. Для
эффективного применения теплоаккумулирующего 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 стабильными, иметь малую степень переохлаждения, отсутствие реакций с материалом контейнера и небольшие изменения объема при фазовых превращениях.
Известны обширные списки наиболее подходящих материалов, которые могут быть использованы для теплового аккумулирования [5-7]. В качестве ТАВ возможно использование следующих групп веществ: металлов и эвтектических сплавов, гидратов солей, органических соединений. Характерные представители этих групп веществ, имеющих температуру плавления, близкую к рабочему диапазону РЭА, приведены в таблице. Основным недостатком гидратов солей является их неконгруэнтное плавление. Обычно при плавлении образуются жидкая насыщенная фаза и твердая фаза в виде более низкого гидрата той же соли, которая при этом осаждается. Кроме того, расплавам гидратов солей свойственно переохлаждение с последующей взрывной кристаллизацией. Соединения и сплавы легких металлов обладают сравнительно невысокими значениями теплоты фазового перехода, они могут претерпевать значительное переохлаждение, также их существенными недостатками принято считать коррозионную активность, существенное изменение
объема при плавлении. Многие органические соединения имеют невысокую стоимость и достаточно высокие плотности аккумулирования теплоты, претерпевают незначительное переохлаждение, являются химически инертными и устойчивыми к фазовой сегрегации, но имеют низкую теплопроводность (0,2 Вт/мК).
Сравнение и анализ характеристик ТАВ показали, 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, позволяющих увеличить площадь и эффективность теплообмена. В данной работе в качестве ТАВ рассматривается органическое соединение октадекан с 18 атомами углерода (С18Н38). 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 плотно-
стях твердой и жидкой фаз. Температура изменения фазы октадекана 28,2 °C, его скрытая теплота фазового перехода дф = 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/(мК) 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. Один из возможных вариантов конструкции системы охлаждения представлен на рис. 1. Прибор РЭА 1, выделяющий тепловую мощность Q, устанавливается на теплоотводящее основание ТА 2. Между ребрами ТА 2 находится теплоаккумулирующее вещество 4, которое плавится при постоянной температуре, поглощая выделяемую прибором теплоту. По окончании работы РЭА тепловой аккумулятор охлаждается теплоносителем, протекающим по каналам охлаждения ТА 5 и внешнего радиатора 6. Отведенная теплота излучается с поверхности радиатора в окружающее пространство.
Теплоаккумулирующие вещества и их теплофизические свойства
Вещества Температура Теплота плавления, Теплопроводность, Плотность, кг/м3
плавления, °С кДж/кг Вт/(м-К)
CaCl2-6H2O 29 190,8 0,54 - жид., 1562 - жид.,
1,088 - тв. 1802 - тв.
Галлий, Ga 29,8 80,2 26 - жид., 6100 - жид.,
33 - тв. 5900 - тв.
Октадекан, C18H38 28,2 244 0,25 814
[О ООО ООО G- -
/ ¿¿у ГЛ J \ У- У
Рис. 1. Схема конструкции системы охлаждения с ТА: 1 - прибор РЭА; 2 - теплоотводящее основание ТА; 3 - ребра ТА; 4 - ТАВ; 5 - каналы охлаждения ТА; 6 - излучающий радиатор
Рис. 2. Схема теплообмена в ТА с ГТП-пластинами: 1 - теплоотводящее основание ТА; 2 - ребро ТА; 3 - фронт плавления; 4 - ТАВ
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 дает техническое решение, которое заключается в применение в качестве ребер гипертеплопрово-дящих (ГТП) пластин. ГТП-пластины по своей сути являются плоскими тепловыми трубами, в которых высокая эффективность теплопередачи обеспечивается за счет фазовых превращений теплоносителя при движении в пористой среде [8-12]. Эффективная теплопроводность ГТП-пластин в 10 и более раз превышает теплопроводность меди.
Расчет характеристик ТА. Анализ эффективности применения ТА проведен на примере блока РЭА, выделяющего тепловую мощность Q = 10 кВт периодически в течение At = 60 минут, 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/q^, ~ 148 кг, объем ТАВ составит V = m/p ~ 0,18 м3, здесь дф - удельная теплота фазового перехода, p - плотность.
Рассмотрим процесс теплообмена в ТА с ГТП-пластинами в качестве ребер (рис. 2). 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; 1 - коэффициент теплопроводности ТАВ.
Величина максимального ДГмах является важным исходным параметром, определяющим амплитуду температурных колебаний в основании блока и влияющим на шаг и количество ребер в ТА. Максимальному ДТмах соответствует максимальное значение 5мах, которое является амплитудой циклического движения фазовой границы. Значение q определяется соотношением q = (/N5, где N - количество ребер в ТА; 5 - площадь обеих боковых поверхностей теплоотво-да ГТП-пластины, выполняющей функцию ребра. С другой стороны, оптимальный шаг между ребрами равен 25тах и выражается формулой Ъ = 25тах = ^N5. Приведенные выше соотношения при заданных значениях (, 5 позволяют однозначно определить количество ребер N и расстояние между ребрами Ъ:
N = -
At
¿У HPATm;
h = 2 lATmxAt
V 9фр
Значения N и Ъ зависят от размеров ГТП-пластины, теплофизических свойств ТАВ и режима тепловыделения блока РЭА. Для ДГтах = 10 °С, 5 = 0,08 м2 и значений других входящих в формулы параметров, которые приведены выше, получены величины N = 337 и Ъ = 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 из численного решения [13-15] уравнения теплопроводности вида
дТ „5 2T „5 2T
CfP"S7 = dxF + ду? + qv(x' У ~av(x'y, t ,
где X - коэффициент теплопроводности; x - координата по высоте ребра; а - локальный коэффициент теплообмена. Два последних слагаемых в данном уравнении описывают боковой теплообмен ребра с ТАВ. Расчет был проведен для величины а = 71 Вт/К, соответствующей среднему значению 5 = 0,55max. Для ребра на основе ГТП-пластины эффективная теплопроводность задавалась равной 104 Вт/(мК), 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.
Заключение. Проведен анализ характеристик различных теплоаккумулирующих веществ и определены оптимальные вещества для терморегулирования мощных блоков радиоэлектронной аппаратуры КА периодического и кратковременного действия. Рассчитаны параметры и характеристики ТА с ГТП-пластинами для системы терморегулирования блоков РЭА. Показана необходимость использования ГТП-пластин в качестве ребер для повышения эффективности теплообмена в объеме ТА. Значения параметров ТА в значительной мере зависят от конструкции и характеристик бортовой аппаратуры КА.
Благодарности. Работа выполнена в ходе выполнения комплексного проекта от 01.12.2015 г. № 02.G25.31.0182 при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России).
Acknowledgments. The work was performed during the execution of a complex project from 01.12.2015 № 02.G25.31.0182 with the financial support of the Russian Government (Ministry of Education of Russia).
Библиографические ссылки
1. Гостюхин В. Л., Трусов В. Н., Гостюхин А. В. Активные фазированные антенные решетки М. : Радиотехника, 2011. 302 с.
2. Крахин О. И., Радченко В. П., Венценосцев Д. Л. Методы создания системы отвода тепла теплонагру-женных частей ФАР // Радиотехника. 2011. № 10. С. 88-94.
3. Токмаков Д. И. Проблемы создания системы охлаждения активной фазированной антенной решетки сантиметрового диапазона [Электронный ресурс] // Труды МАИ : электрон. журнал. Вып. 68. URL: www. mai.ru/science/trudy/.
4. Глинский И. А., Зенченко Н. В. Расчет тепло-распределяющего элемента конструкции для мощных СВЧ-транзисторов // Микроэлектроника. 2015. Т. 44, № 4. С. 269-274.
5. Алексеев В. А. Охлаждение радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ. М. : Энергия, 1975. 88 с.
6. Grodzka P. G. Thermal Control of Spacecraft by, Use of Solid-Liquid Phase-Change Materials // AIAA Paper 70-12, presented at the AIAA 8th Aerospace Sciences Meeting. New York, 1970.
7. A review on phase change energy storage: materials and applications / M. M. Farid [et al.] // Energy and Management. 2004. Vol. 45. P. 1597-1615.
8. Пат. 2457417 Российская Федерация. МПК F 28 D 15/00. Металлическая тепловая труба плоского типа / Буров А. Е., Деревянко В. А., Косенко В. Е. и др. № 2010147662/06 ; заявл 22.10 2010 ; опубл. 27.07.2012, Бюл. № 21. 14 с.
9. Пат. 2403692 Российская Федерация. МПК H 05 K 01/00, H 05 K 07/20. Модуль радиоэлектронной аппаратуры с гипертеплопроводящим основанием / Сунцов С. Б., Косенко В. Е., Деревянко В. А. № 2009116488/07 ; заявл 29.04 2009 ; опубл. 10.11.2010, Бюл. № 31. 6 с.
10. Вычислительное моделирование процессов теплообмена в системах терморегулирования космических аппаратов / Е. Н. Васильев [и др.] // Вычислительные технологии. 2009. Т. 14, вып. 6. С. 19-28.
11. Деревянко В. А. Когда в космосе жарко // Наука из первых рук. 2011. № 1. С. 28-33.
12. Васильев Е. Н., Никифорова Е. С. Математическое моделирование теплового режима гипертеплопроводного радиатора мощного радиоэлемента // Вестник СибГАУ. 2005. Вып. 3. С. 23-26.
13. Самарский А. А. Теория разностных схем. М. : Наука, 1989. 616 с.
14. Васильев Е. Н., Деревянко В. В. Математическая модель процессов теплообмена в сотовой панели с тепловыми трубами // Вестник СибГАУ. 2010. Вып. 2 (28). С. 4-7.
15. Васильев Е. Н., Дектерев А. А. Математическое моделирование процессов тепломассообмена в двухфазном контуре терморегулирования с капиллярным насосом // Вестник СибГАУ. 2008. Вып. 4 (21). С. 12-16.
References
1. Gostuykhin V. L., Trusov V. N., Gostuykhin A. V. Aktivnye fazirovannye anntennye reshetki [Active phased antenna arrays], Moscow, Radiotekhnika Publ., 2011, 302 p. (In Russ.).
2. Krakhin O. I., Radchenko V. P.,Ventsenostsev D. L. [The methods of making heat removal system of thermal loaded parts of the PAA]. Radiotekhnika. 2011, No. 10, P. 88-94 (In Russ.).
3. Tokmakov D. I. [Problems of creation of cooling system of the centimeter range active phased antenna array]. Trudy MAI. No. 68 (In Russ.). Available at: www.mai.ru/science/trudy/.
4. Glinskii I. A., Zenchenko N. V. Computer simulation of the heat distribution element for high power microwave transistors. Russian Microelectronics. 2015, Vol. 44, No. 4, P. 236-240.
5. Alekseev V. A. Okhlazhdenie radioelektronnoi ap-paraturys ispol'zovaniem plavyashchikhsya veshchestv [The Cooling of Radio-Electronic Equipment Using Melting Materials]. Moscow, Energiya Publ., 1975, 88 p.
6. Grodzka P. G. Thermal Control of Spacecraft by, Use of Solid-Liquid Phase-Change Materials. AIAA Paper, 70-12, presented at the AIAA 8th Aerospace Sciences Meeting. New York, 1970.
7. 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.
8. Burov A. E., Derevyanko V. A., Kosenko V. E. et al. Metallicheskaya teplovaya truba ploskogo tipa [Metal heat pipe of flat type]. Patent RF, No. 2457417, 2012 (In Russ.).
9. Burov A. E., Derevyanko V. A., Kosenko V. E. Modul' radioelektronnoi radioapparatury s giperteplo-provodyashchim osnovaniem [Module of radio-electronic equipment with hyperheatconducting base]. Patent RF, No. 2403692, 2010 (in Russ.).
10. Vasilyev E. N., Derevyanko V. A., Kosenko V. E. et al. [Computational modeling of heat exchange in thermoregulation systems of space vehicle]. Vychisliternye tekhnologii. 2009, Vol. 14, No. 6, P. 19-28 (In Russ.).
11. Derevyanko V. A. [When the space is hot]. Science First Hand. 2011, No 1, P. 28-33.
12. Vasilyev E. N., Nikiforova E. S. [Mathematical model of heat exchange processes in honeycomb panels
with heat pipes]. Vestnik SibGAU. 2005, No. 3, P. 23-26 (In Russ.).
13. Samarskii A. A. Teoriya raznostnykh skhem [The theory of difference schemes]. Moscow, Nauka Publ, 1989, 616 p. (In Russ.).
14. Vasilyev E. N., Derevyanko V. V. [Mathematical model of heat exchange processes in honeycomb panels with heat pipes]. Vestnik SibGAU. 2010, No. 2 (28), P. 4-7 (In Russ.).
15. Vasilyev E. N., Dekterev A. A. [Mathematical modeling of heat and mass transfer processes in the two-phase thermal control loop with the capillary pump]. VestnikSibGAU. 2008, No. 4 (21), P. 12-16 (In Russ.).
© Васильев Е. Н., Деревянко В. А., Чеботарев В. Е., 2016
