CC BY
481Региетмевскме чтения. 2016
Структурные модели ТЭУ (прямой и обратный цикл): ПТУ - паротурбинная установка; ХМ - холодильная машина; И - испаритель; КД - конденсатор; Т - турбина; КМ - компрессор; Н - насос; КТ - капиллярная трубка; стрелками обозначено направление потоков вещества и энергии
Решение задач проектирования целесообразно вести с использованием математических моделей [2; 3]. Создание математических моделей теплоэнергетических установок, работающих по прямым и обратным циклам, является перспективным направлением в современных исследованиях [4; 5]. Модель позволяет рассчитать основные параметры процесса при известных граничных условиях по конструкции и окружающей среде, получить их изменение при варьировании входных данных, оценить влияние различных факторов на работу установки.
Библиографические ссылки
1. Теплосиловые системы: Оптимизационные исследования / А. М. Клер, Н. П. Деканова, Э. А. Тюрина и др. Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 2005. 236 с.
2. Тарасик В. П. Математическое моделирование технических систем : учебник для вузов. Минск : ДизайнПРО, 2004. 640 с.
3. Хубка В. Теория технических систем : пер. с нем. М., 1987. 208 с.
4. Воронин А. В. Моделирование технических систем : учеб. пособие. Томск : Изд-во Томск. поли-технич. ун-та, 2013. 130 с.
5. Делков А. В., Ходенков А. А., Шевченко Ю. Н. Сравнение прямого и обратного цикла в системах терморегулирования космических аппаратов негерметичного исполнения // Вестник СибГАУ. 2014. № 4 (56). С. 154-159.
References
1. Kler A. M., Dekanova N. P., Tyurina E'. A. Te-plosilovy'e sistemy': Optimizacionny'e issledovaniya [Thermal power system: Optimization studies] Novosibirsk : Nauka. Sib. otd-nie publ., 2005. 236 р.
2. Tarasik V. P. Matematicheskoye modelirovaniye tekhnicheskikh system [Mathematical modeling of technical systems]. Minsk : DizaynPRO publ., 2004. 640 p.
3. Hubka V. Teoriya tekhnicheskikh system [Theory of technical systems]. M., 1987. 208 p.
4. Voronin A. V. Modelirovanie texnicheskix sistem [Modelling of Technical Systems], Tomsk : Tomsk. politexnich. un-ta, 2013. 130 p.
5. Delkov A. V., Xodenkov A. A., Shevchenko Yu. N. [Comparison of direct and reverse cycle systems, thermal control of spacecraft leaking execution] // Vestnik SibSAU. 2014. № 4 (56). P. 154-159. (In Russ.)
© Лоскутова А. Г., Федорчук О. О., Брот А. А., 2016
УДК 629.783:536
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ТЕПЛОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ БОРТОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ С ПЛОСКИМИ ТЕПЛОВЫМИ ТРУБАМИ
Д. А. Нестеров1*, В. В. Деревянко1, С. Б. Сунцов2
1Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44
2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика M. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: *[email protected]
Разработан программный комплекс для проведения тепловых расчетов бортовой электронной аппаратуры с использованием плоских тепловых труб для отвода тепла от электронных компонентов. Программный комплекс учитывает математические модели теплопередачи в плоских тепловых трубах и является эффективным инструментов теплового проектирования бортовой РЭА в АО «ИСС».
Ключевые слова: плоская тепловая труба, охлаждение электронных компонентов, вычислительное моделирование, программный комплекс
ШепломассооВменные процессы в конструкциях ЯЛ, энергетических.установоки систем жизнеобеспечения
SOFTWARE FOR THERMAL SIMULATION OF ONBOARD EQUIPMENT WITH EMBEDDED FLAT HEAT PIPES
D. A. Nesterov1*, V. V. Derevyanko1, S. B. Suntsov2
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: [email protected]
The paper describes the use offlat heat pipes for increasing efficiency of heat removal from the elements of onboard spacecraft electronic equipment; it requires the development of appropriate software for thermal simulation. The developed software accounts the mathematical models of thermal processes taking place in the flat heat pipes. The software is used in JSC "ISS" as effective tool for thermal design of onboard space equipment.
Keywords: flat heat pipe, electronics cooling, computational modelling, software for thermal simulation.
Для отвода тепла от элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в космических аппаратах (КА) применяются теплоотводящие конструкции со встроенными плоскими тепловыми трубами - гипертепло-проводящие секции (ГТПС). Передача тепла в тепловых трубах осуществляется за счет энергии фазового перехода, что обеспечивает эффективную теплопроводность, в 10-100 раз превышающую теплопроводностью алюминия [1-3]. Плоские тепловые трубы встраиваются в алюминиевые рамки, на которые наклеиваются платы с радиоэлементами. Ниже показана фотография образца плоской тепловой трубы Т-образного вида (см. рисунок, а), конструкция блока РЭА с двумя встроенными тепловыми трубами (см. рисунок, б). Разработка ГТПС была проведена кооперацией трех организаций: института вычислительного моделирования СО РАН (г. Красноярск), АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» (г. Железногорск) и АО «Уральский электротехнический комбинат» (г. Новоуральск).
Использование ГТПС позволяет снизить температуру электронных радиоэлементов (ЭРИ), увеличить плотность монтажа и мощность используемых схем
[4-5].
Внедрение в производство блоков РЭА с использованием ГТПС потребовало изменения методов теплового проектирования.
Используемые ранее программные продукты для моделирования теплообмена в бортовой РЭА (в АО «ИСС») не позволяют учитывать физические явления, определяющие перенос тепла в ГТПС. Внутри тепловой трубы в местах подвода тепла жидкий теплоноситель испаряется и движется по паровым каналам к области охлаждения, где пар конденсируется и движется обратно по фитилю за счет капиллярных сил. Кроме того, эффективная работа тепловой трубы требует выполнения определенных условий, связанных с расположением и плотностью мощности источников тепла, с теплофизическими характеристиками теплоносителя, температурой теплоотвода, структурой фитиля и паровых каналов. Эти условия зависят от множества взаимосвязанных параметров и должны быть рассчитаны и учтены на стадии проектирования. Поэтому создание бортовых систем с применением ГТПС потребовало разработки программного комплекса для проведения тепловых расчетов РЭА с использованием моделей, учитывающих работу плоских тепловых труб.
Решетневские чтения. 2016
В ИВМ СО РАН по заказу АО «ИСС» был разработан программный комплекс моделирования бортовой РЭА, который обеспечивает полный тепловой расчет прибора РЭА, содержащего в своем составе блоки со встроенными плоскими тепловыми трубами. Входными данными являются геометрические и теп-лофизические характеристики узлов прибора, расположение и мощность тепловыделяющих элементов, параметры тепловых контактов. При использовании ГТПС учитываются характеристики теплоносителя и материалов фитиля и корпуса тепловой трубы, параметры и геометрия пористой структуры. Выходными данными программного комплекса являются температуры элементов, тепловые поля конструкций прибора РЭА и поверхности теплоотводящего основания. При наличии ГТПС определяются распределения давлений и скоростей паровой и жидкостной фаз теплоносителя, наличие зон осушения или замерзания теплоносителя.
Расчетный модуль программного комплекса использует в работе набор различных математических моделей для решения тепловой задачи. Для плоских тепловых труб были разработаны специальные модели и алгоритмы, основанные на совместном решении двухмерных уравнений теплопроводности, уравнений сохранения массы жидкости и пара, дополненных уравнениями Дарси. В модели используются усредненные характеристики, которые отражают проницаемость внутренней структуры плоской тепловой трубы для пара и жидкости. Система уравнений в области плоской тепловой трубы имеет вид
Яу[-<П,УТ) + еТ + ^ = Д , (1)
Ау [ • р^^Е^Ур) = -деу / Неу,
Лу [ ^к, ур ) / нег, (2)
где Т(х, - распределение температуры; а и X - толщина и эффективная теплопроводность корпуса тепловой трубы (без теплоносителя); е(х, у) и Дх, у) -коэффициенты, учитывающие внешние потоки тепла; дДх, у) - поглощаемое испаряющимся теплоносителем в тепловой трубе тепло (Вт/м2); Р(х, у) и Ру(х, у) -давления жидкости и пара; Неу - скрытая теплота парообразования теплоносителя; ц и р - вязкость и плотность фаз теплоносителя; К , К„ - коэффициенты (в общем случае тензоры), определяющие проницаемость капиллярной структуры тепловой трубы для жидкости и пара.
Система уравнений (1)-(2) решается итерационно, при этом на каждой итерации после расчета распределения давлений жидкости и пара проверяется капиллярное условие: р (х, у) - р (х, у) < 2а ^(6) / гс.
В области, где это условие не выполняется, перенос тепла осуществляется только за счет теплопроводности конструкции. Величина qev в этой области принимается равной нулю для последующих итераций.
В результате работы создан эффективный инструмент для теплового проектирования приборов и блоков бортовой РЭА, в конструкции которых используются встроенные плоские тепловые трубы. Программный комплекс позволяет осуществлять оптимизацию конструкции и компоновки бортовой РЭА с учетом особенностей и возможностей ГТПС. Эффективное использование ГТПС позволяет применять более мощное и компактное оборудование, что приводит к увеличению энергоемкости и уменьшению габаритов и массы КА.
Библиографические ссылки
1. Чи С. Тепловые трубы: теория и практика. М. : Машиностроение, 1981. 207 с.
2. Дан П. Д., Рей Д. А. Тепловые трубы / пер. с англ. Ю. А. Зейгарника. М. : Энергия, 1979. 272 с.
3. Amir Faghri. Heat pipe science and technology. Taylor and Francis, London, 1995. 874 p.
4. Derevyanko V., Nesterov D., Matrenin V. et al. The results of mathematical modeling and experimental investigations of the flat heat pipes // Proceeding of the 15th International Heat Pipe Conference. Clemson, SC, USA. 2010. April 25-30.
5. Derevyanko V., Nesterov D., Suntsov S. Experimental investigation of flat heat pipes to remove high heat fluxes // Proceeding of the 16th International Heat Pipe Conference. Lyon, France, 2012. May 20-24.
References
1. Chi S. W. Heat pipe theory and practice: a sourcebook (Series in thermal and fluids engineering). Hemisphere Pub. Corp., 1976. 242 p.
2. Dunn P. D., Reay D. A. Heat Pipes. Pergamon Press, Oxford, New York, 1976. 299 p.
3. Amir Faghri. Heat pipe science and technology. Taylor and Francis, London, 1995. 874 p.
4. Derevyanko V., Nesterov D., Matrenin V. et al. The results of mathematical modeling and experimental investigations of the flat heat pipes. Proceeding of the 15th International Heat Pipe Conference. Clemson, SC, USA. 2010. April 25-30.
5. Derevyanko V., Nesterov D., Suntsov S. Experimental investigation of flat heat pipes to remove high heat fluxes. Proceeding of the 16th International Heat Pipe Conference. Lyon, France. 2012. May 20-24.
© Нестеров Д. А., Деревянко В. В., Сунцов С. Б., 2016
