Определение характеристик теплового аккумулятора экспериментально-расчетным методом

Язык труда и переводы:
УДК:
53.072.13
Дата публикации:
19 декабря 2021, 03:37
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Воропаев Роман Андреевич
ПАО «РКК «Энергия»
Мацак Иван Сергеевич
ПАО «РКК «Энергия»
Тугаенко Вячеслав Юрьевич
ПАО «РКК «Энергия»
Аннотация:
В качестве основы системы обеспечения теплового режима космического аппарата предложено использовать тепловой аккумулятор. Экспериментально получены значения снимаемых мощностей для различных режимов течения теплоносителя через тепловой аккумулятор. Предложена экспериментально-расчетная методика определения коэффициента расплавления теплоаккумулирующего вещества. Выполнен численный расчет модели теплового аккумулятора в среде ANSYS Fluent. Оценено изменение теплопроводности теплоаккумулирующего вещества при добавлении медного порошка и использовании пористой губки.
Ключевые слова:
тепловой аккумулятор, фазовый переход, теплопроводность суспензии, моделирование в ПО ANSYS Fluent
Основной текст труда

В «РКК «Энергия» ведутся работы по созданию научной аппаратуры для проведения космического эксперимента «Пеликан», целью которого является демонстрации технологии беспроводной передачи энергии с помощью лазерного излучениями между космическими аппаратами. В качестве основы системы обеспечения теплового режима (СОТР) для лазера предложено использовать тепловой аккумулятор (ТА). Отвод тепла от теплоносителя (лазер имеет жидкостное охлаждение) осуществляется за счет фазового перехода теплоаккумулирующего вещества (ТАВ). Использование материалов с фазовым переходом для охлаждения электроники является привлекательной темой в настоящее время. Является одним из возможных реализаций малогабаритных конструкций.

В ходе разработки научной аппаратуры для космического эксперимента был разработан макет ТА. Конструкция ТА представляет собой параллелепипед с размерами 1000x100x11 мм, внутренний объем которого заполнен ТАВ и содержит 36 трубок, окруженных ТАВ, внутренним диаметром 3 мм для прокачки теплоносителя. В качестве ТАВ выбран гексадекан (С16Н34) с температурой плавления 18,2 ° С, что с учетом теплового сопротивления конструкционных элементов позволяет поддерживать лазерные источники при температурах до 35 °С.

В ходе экспериментальных и расчетных работ на макете ТА были определены зависимость отношения жидкой и твердой фазы ТАВ от времени и зависимость снимаемой тепловой мощности одного ТА от расхода теплоносителя и начального температурного состояния ТАВ. Значение тепловой мощности находилось в пределах от 300 до 900 Вт. При этом разность температур теплоносителя на входе и выходе ТА составляла от 2 до 10 °С. Снимаемая тепловая мощность нелинейно уменьшается при снижении расхода теплоносителя через теплообменник ТА при постоянной температуре на входе.

Определение характеристик теплоотвода при фазовом переходе предполагает решение задачи Стефана для ТАВ и уравнения теплового баланса для теплоносителя [1]. Аналитическое решение данной задачи существует только для одномерного случая. Для любых других вариантов геометрии используют приближенные или численные решения [2]. Поэтому тепловой расчет ТА проводился численным методом в среде ANSYS Fluent. Моделирование процесса позволяет оценить влияние на теплотехнические характеристики аккумулятора основных процессов, происходящих в теплообменнике ТА, а именно: конвективный теплообмен, плавление ТАВ и теплообмен излучением. В работе сделан расчет для упрощенных моделей ТА.

В работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследования влияния добавок в ТАВ медного порошка и алюминиевой фольги в различных пропорциях на вязкость и теплопроводность суспензии, теплопроводность которой рассчитывалась по формуле Максвелла [3]:

\lambda _{sus}=\lambda _{liq}\left({\frac {2\lambda _{liq}+\lambda _{hard}-2r\left(\lambda _{liq}-\lambda _{hard}\right)}{2\lambda _{liq}+\lambda _{hard}+r\left(\lambda _{liq}-\lambda _{hard}\right)}}\right),

 где r — объемная доля порошка твердого тела в суспензии; \lambda _{sus},\lambda _{liq},\lambda _{hard} — теплопроводности суспензии, жидкости и твердого тела. Экспериментальные результаты показали, что добавление мелкодисперсного порошка твердого тела в жидкости оказывает незначительное влияние при относительно низких концентрациях и плотностях теплового потока до 15 кВт/м2. Время охлаждения смесей с металлическими добавками значительно увеличилось в 2–3 раза по сравнению с ТАВ без добавок.

Высоко пористые металлические губки с открытыми порами считаются одним из наиболее перспективных материалов для улучшения теплопередачи с помощью ТАВ из-за их высокой теплопроводности и высокой плотности материала [4]. Для улучшения теплопроводности ТАВ и снижения градиентов температур внутри ТАВ, негативно влияющих на характеристики ТА, были исследованы медные пористые губки [5], обладающие сплошной структурой и повышающие эффективность теплоотвода. Средствами ПО ANSYS Fluent численно подтвержден вклад в теплопроводность таких губок. Моделирование проводилось на фрагменте, имеющий форму параллепипеда. Нагрев осуществлялся для одной его грани. Во время моделирования фиксировались зависимости температур от координаты, перпендикулярной нагреву, отношения твердой и жидкой фазы теплоаккумулирующего вещества.

Литература
  1. Самарский А.А., Моисеенко Б.Д. Экономичная схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. Т. 5, № 5. С. 816–827.
  2. Бураго Н.Г., Федюшкин А.И. Численное решение задачи Стефана // Матер. XIII Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI'2020). Алушта, 2020. С. 471–473.
  3. Макарова В.В., Горбачева С.Н., Антонов С.В., Ильин С.О. К вопросу о возможности радикального повышения теплопроводности сред введением дисперсных частиц // Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93, № 12. С. 1696–1715.
  4. Zhao C.Y. Review on thermal transport in high porosity cellular metal foams with open cells // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2012. Vol. 55, no. 13–14. Pp. 3618–3632.
  5. Diani A., Rossetto L. Melting of PCMs Embedded in Copper Foams: An Experimental Study // Materials. 2021. Vol. 14, no. 5. Art. ID 1195. DOI: 10.3390/ma14051195
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.