THERMAL STORAGE TO THE TEMPERATURE CONTROL SYSTEM OF POWERFUL BLOCKS OF ELECTRONIC EQUIPMENT WITH A SHORT ACTION TIME

Толық мәтін

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 (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 ρ = 814 кг/м3. В жидкой фазе плотность уменьшается примерно на 5 %. Теплопроводность октадекана составляет в среднем λ = 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. 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 плавления, °С Теплота плавления, кДж/кг Теплопроводность, Вт/(м·К) Плотность, кг/м3 CaCl2·6H2O 29 190,8 0,54 - жид., 1,088 - тв. 1562 - жид., 1802 - тв. Галлий, Ga 29,8 80,2 26 - жид., 33 - тв. 6100 - жид., 5900 - тв. Октадекан, C18H38 28,2 244 0,25 814 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 гипертеплопроводящих (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 Δt = 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 = QΔt/qф ≈ 148 кг, объем ТАВ составит V = m/ρ ≈ 0,18 м3, здесь qф - удельная теплота фазового перехода, ρ - 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 ΔT = qδ/λ, где q - плотность теплового потока на боковой поверхности ребра; δ - толщина слоя ТАВ между поверхностью ребра и фазовой границей; λ - коэффициент теплопроводности ТАВ. Величина максимального ΔTмах является важным исходным параметром, определяющим амплитуду температурных колебаний в основании блока и влияющим на шаг и количество ребер в ТА. Максимальному ΔTмах соответствует максимальное значение δмах, которое является амплитудой циклического движения фазовой границы. Значение q определяется соотношением q = Q/NS, где N - количество ребер в ТА; S - площадь обеих боковых поверхностей теплоотвода ГТП-пластины, выполняющей функцию ребра. С другой стороны, оптимальный шаг между ребрами равен 2δmах и выражается формулой h = 2δmах = V/NS. Приведенные выше соотношения при заданных значениях Q, S позволяют однозначно определить количество ребер N и расстояние между ребрами h: Значения N и h зависят от размеров ГТП-пластины, теплофизических свойств ТАВ и режима тепловыделения блока РЭА. Для ΔTmах = 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 из численного решения [13-15] уравнения теплопроводности вида , где λ - коэффициент теплопроводности; x - координата по высоте ребра; α - локальный коэффициент теплообмена. Два последних слагаемых в данном уравнении описывают боковой теплообмен ребра с ТАВ. Расчет был проведен для величины α = 71 Вт/К, соответствующей среднему значению δ = 0,5δmax. 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. 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.

Авторлар туралы

E. Vasil’ev

Krasnoyarsk Science Centre SB RAS, Institute of Computational Modeling SB RAS

Email: ven@icm.krasn.ru
50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

V. Derevyanko

Krasnoyarsk Science Centre SB RAS, Institute of Computational Modeling SB RAS

50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

V. Chebotarev

JSC “Information satellite system” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар