Разработка оборудования для тестирования тепловых труб Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2015 8. Issue 6. 774-785

УДК 629.783:536

Development of Equipment for Testing of Heat Pipes

Vladimir A. Kulagin*a and Nikita Y. Sokolova, b

aSiberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia bAO «Information Satellite Systemsthem Academician M.F. Reshetnev» 52 Lenin Str., Zheleznogorsk, 662972, Russia

Received 17.04.2015, received in revised form 26.05.2015, accepted 04.06.2015

Presents the results creation of a new workplace for testing of heat pipes and giperteploprovodyaschih sections (GTPS) to ensure the accuracy of the measurements the temperature difference accurate to 0.1 °C between zones of condensation, evaporating GTPS. Is shown a simplified cooling system. Is noted that the cost of the new installation verification GTPS 15 to 20 times smaller than the existing ones.

Keywords: giperteploprovodyaschie section, test the heat pipes, space vehicles, improvement of test equipment.

DOI: 10.17516/1999-494X-2015-8-6-774-785.

Разработка оборудования

для тестирования тепловых труб

В.А. Кулагин3, Н.Ю. Соколов3' б

аСибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, Свободный, 79 бАО «Информационные спутниковые системы им. академикаМ.Ф. Решетнёва» Россия, 662972, Железногорск, ул. Ленина, 52

Изложены результаты создания нового рабочего места для испытаний тепловых труб и гипертеплопроводящих секций (ГТПС) с целью обеспечения точности измерений разницы температур с точностью до 0.1 °С между зонами конденсации, испарения ГТПС. Показано упрощение системы охлаждения. Отмечено, что стоимость новой установки по проверке ГТПС в 15-20 раз меньше, чем существующие.

Ключевые слова: гипертеплопроводящие секции, испытания тепловых труб, космические аппараты, совершенствование испытательного оборудования.

© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: [email protected]

*

Введение

Перспективы развития информационных спутниковых систем в России связаны с созданием негерметичных космических аппаратов (КА). Такие аппараты уже вошли в состав глобальной навигационной системы ГЛОНАСС и в недалеком будущем станут ее основой. Одновременно идет разработка новых моделей КА с увеличенной мощностью более 5 кВт, сроком активного существования более 12 лет и с повышенными точностными навигационно-временными характеристиками [1].

Одной из главных проблем является обеспечение оптимального теплового режима радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) на борту КА. В условиях постоянно возрастающей мощности бортовой аппаратуры и необходимости уменьшения ее объема и массы обеспечение работы КА возможно только за счет увеличения эффективности работы систем отвода тепла.

Основной принцип функционирования системы обеспечения теплового режима заключается в поддержании требуемого диапазона температур на посадочных местах тепловыделяющего оборудования космического аппарата КА при заданных энергопотреблениях. От этого зависит долговечность и надежность функционирования спутника в целом. Для минимизации массоэнергетических параметров системы целесообразно использовать принцип естественной, нерегулируемой передачи тепловой мощности с более высокого температурного уровня на низкий. Это обеспечивается отбором тепловой мощности, выделяемой аппаратурой, от ее посадочных мест на термоплатах (панелях), передачей этой мощности на радиационный теплообменник (РТО) и отводом ее с РТО в окружающее пространство. Наиболее предпочтительным средством реализации этого принципа являются тепловые трубы (ТТ), работающие на основе замкнутого испарительно-конденсационного цикла. ТТ отличаются высокой эффективной теплопроводностью, в десятки раз превышающей теплопроводность металлов [2]. Это позволяет оптимально решать многие инженерные задачи, связанные с передачей тепла с минимальными потерями, охлаждением и термостатированием или термостабилизацией различных объектов, использующихся как на Земле, так и в космическом пространстве.

Важно также развитие методов экспериментального исследования гидродинамики двухфазного газожидкостного течения в микроканале, получение закономерностей режимов течения и определение границ режимов течения, определение потерь на трение для каналов с различной ориентацией относительно вектора силы тяжести [3]. Современные искусственные спутники Земли для связи и телерадиовещания представляют собой КА, оснащенные крупногабаритным негерметичным приборным отсеком в виде блочно-модульной конструкции на основе плоских прямоугольных сотовых панелей [4], несущих на себе теплонагруженные приборы радиоэлектронной бортовой аппаратуры (БА) [5].

Отсутствие в конструкциях ТТ движущихся механических частей, использование для движения теплоносителя только малых капиллярных сил, высокая плотность передаваемого теплового потока при минимальных перепадах температур (термических сопротивлениях) и автономность работы каждой из них, возможность резервирования, минимальное обслуживание и малый удельный вес, бесшумная работа создают им преимущества и обеспечивают надежность и долговечность перед иными способами термостатирования заданного объекта на борту КА. Панели с вмонтированными в них ТТ - надежная защита от ударов микрометеоритов [2].

Изотермализирующая природа ТТ уменьшает температуры мощных компонентов тепловыделяющего оборудования, увеличивая таким образом надёжность их работы. Выигрыш в массе даёт возможность распределения массы КА в пользу систем энергопитания, двигателей и полезной нагрузки [6]. Существуют различные методы проверки работоспособности ТТ -термовакуумные испытания (ТВИ) каждого образца, экспресс-контроль в составе РЭА и т.п. В этой связи важным является совершенствование испытательного оборудования, обеспечивающего высокую точность определения характеристик ТТ, что в итоге обеспечит надежность и долговечность работы КА на орбите.

Методика проведения испытаний ТТ и результаты моделирования

Т-образная плоская тепловая труба, или гипертеплопроводящая секция (ГТПС), - это пакет мини-тепловых труб, заключенных в одном герметичном корпусе. ГТПС предназначены для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов, а также могут быть использованы в любых отраслях промышленности, где необходим быстрый сброс тепла или выравнивание теплового поля [7]. В табл. 1 и на рис. 1 отражены основные характеристики ГТПС и ее монтаж в составе блока прибора.

Существует проблема точного определения эффективной теплопроводности ГТПС, сложность заключается в следующем:

• разница температур между зонами конденсации и испарения менее 2 °С;

• необходимость проведения измерения в двух точках одновременно;

• необходимость стабилизации температуры системы охлаждения;

• требование сохранить поверхности ТТ без механических повреждений.

Сложность определения работоспособности ГТПС с приклеенными к зоне испарения печатными платами (ПП) состоит еще и в том, что на ПП нельзя наносить термопасту, поскольку полное её удаление проблематично, а в случае если на ПП уже установлены РЭА, то невозможно.

Таблица 1. Основные характеристики ГТПС

№ п/п Наименование параметра Значение

1 Эффективная теплопроводность, Вт/мК: при 25 °С при 60 °С До 14000 До 25000

2 При подведении теплового потока мощностью 50 Вт градиент температур между зоной испарения и зоной конденсации в рабочем интервале температур от 18 до 60 °С Менее 2

3 Теплоноситель Вода

4 Стойкость к ионизирующему излучению космического пространства, рад Не менее 1 • 107

5 Суммарная негерметичность секций, л мм.рт.ст./с 1 • 10-4

6 Срок службы, лет 25

7 Толщина, мм < «

Рис. 1. ГТПС в составе блока прибора

Автоматизированное рабочее место испытаний тепловых труб разрабатывалось и создавалось с целью проведения серии испытаний экспериментальных образцов ГТПС в различных режимах и условиях эксплуатации. На рис. 2 представлено такое рабочее место, в котором для стабилизациитемпературы применяют жидкостный криостат LOIP FT-311-B0. Для перекачки жидкосии берут насос перистальтический! LOIP LS-3 0, ГТПС устанавливается на медный водо-блок.

В автоматизированном рабочем месте икпользуется прямое измерение темпервтуры с помощью теомопар, с оединенных с Н-И7Т - измеритеаем милливольтовых сигналов, входящих в состав кисте мы сбори данных LTR27 (рис. 3). LTR27 соединена с персональным компьютером (ПК). Одна термопара находится в зоне конденвации, в данном случае испольлуется термо пара хромель - копель. Другая термопара находится в зоне испарения и помещена на противоположную сторону от нагревателя.

Для того чтобы разница температур была измерена точно, обращаются к методу программного обнуления погрешности. Термопары одновременно погружают в емкость с жидко -

стью, емкость нагревают, при этом данные с термопар записывают в файл и обрабатывают на ПК [8]. Недостатками рабочего места являются:

• общая погрешность системы сбора данных;

• погрешность термопары в зоне конденсации;

• сложность с истемы охлаждения.

Плотный контакт ГТПС с медным водоблоком обеспечивается термопастой КПТ-8. Рассчитано, что при толщине слоя пасты КПТ-8 в 1 мм температура ГТПС увеличивается на 4 °С. Чтобы исключить влияние термопасты на результаты измерений, термопару плотно прижимают 1С зоне конденсации ГТПС. Термопара закреплена внутри болта М4 (рие. 4), болт веручива-ется в водобоок и проходит его насквозь.

Моделирование в программном обеспеченки ANSYS зоны ионденсаопи ГТПС показывает, что распоиожение термопары влияет на озвод тепла (рис. 5). На термопаре при этом наблюдается Веоьшой градиент температуеы.

Из профиля темперттуры на рис. 6 видео, что термопара имеет градиент более 1 °С. По-ск ку измерения проводятся в автоматическом режиме, то из расчета исключаются пог еш-ность округления и субъективная погрешность. В качестве оценки систематической погрешности нринимают погрешность модульной системы сб ора данных 1ЛТе27.

Рис. 3. Модульная система сбора данных LTR27

Рис. 4. Термопара внутри болта М4

Рис. 5. Профиль температуры под ГТПС

_ _ - А

Рис. 6. Профиль температуры термопары в зоне конденсации

Для оцифровки данных в модульной системе сбора данных 1ЛИ27 используют три модуля серии Н-27Х:

• для оцифровки сигнала с термопар 2 модуля Н-27Т. Диапнзон измерения: -25...-+75 мВ; предел о яновной приведенной (к конечному значнниюдааназона измерения входного сигнада) погрешности - «9 %;

• для оцрфрооки сиганна с термометра «опротивления Н-27Я-100. Диапазон измерения 0 + Л00 Ом; предел основно0 афиведанной (к к:оночному значению диапазона измерения входного сигнала) погрешности - «6 %. Данаые взяты из паспорта изделия;

• стандартное отклонение для оценки погрешности зрибора (платы АЦП) находят по формуле

^ Апред

^прибора ' ^ . (1)

Откуда име е м

0,09

3 = 0,0 3 мВ (2)

<°терм. сопр. - -J- - 0,0 2 Ом . (3)

Коэффицие нт термоЭДС (мкВ/°С) для термопар типа ТХК (хромель - копель) в диапазоне температур от минус 200 до (500 °С равен 64-88 мкВ/°С. Пррнимаем is р асчет среднее значение ко эффицмента 76 мкВ/°С. Тогда

боперы - (О.О3/70) • 1000 = 0,39 °К. (4)

Температуррый коэффициент термометра сопрэтивленкя, определяемый как

а - *i°0-*0 (5)

для термометра типа ТСП100 а = «0391, R0 = 50.1 Ом. Зависимость сопротивления от

температуры окрсжающей среды в диапазоне от 0 до 100 °С можно считать линейной, откуда имеем коэффициант термосопротивления (Ом/°С):

" " = a-R0 = 0.196 Ом/°И. (6)

lloo °с Тогда:

а^^^^ДТ. (7)

Тлк как сигналы с термопар и термометра сопротивления затем складываются, то суммарное стандартное отклонение для оценки погрешности прибора (платы АЦП) может быть вычислено оак

м°и°т.°умт. _°°*^терт. °окр. "" 2 ' мтертокоры1 ^ ^ (8)

о общая погрешность измеренрй с проТлемами в зоне кондонсации ГТПС:

a й = |a 2+a 2 « 114 °С (9)

^общая ^сист. сумм. 1 ^конденсации У/

о бщ ая _^исист. сумм. я оНконденсации

Таким образом, автоматизированное рабочее место имеет погрешность измерений более « °С. (Стоит отметить, что при измерениях в диапазоне температур от минус 35 до минус 40 °С криостат системыохлаждения Ь01Р РТ-311-80 работает на максимальной мощности. Требуется отводитз от аТПС тепловой потоз, равный 50 Вт.

На зо новд лисленного моделирования нами ранработанз и« спроектирована установка, позволяющая более точно измерить разаиье3 температур (рис. 7). Повышенье точности измерений связзно с резулттатами мотелирознния в Так, например, получен следующий результат: озой пасты КПТ-8 между лло ской теиловоо трубой (ТТ) и: ГТПС толщиной до « мм не алоялт на температуру ГТПС, з использование термо пасты СооИаЪогаЬогу Ы^иС Р1С03 (тепло-проводность 85 Вт/мК) может (величить толщину сзоя дев «е мм без увеличения температуры ГТПС.

Система охлажденуи построена на радиаторе, контактирующем с элементами Пельтье через термопазту КПТ-8. Длухкзсканный ссссодл^лни» Пельиье обеспечивает разницу температур в

115 °С. Так как производительность модулей пропорциональна силе тока, возможно управление разницей температур и ее стабилизацией.

В программном обеспечении ANSYS смоделированы основные узлы установки. На рис. 8 представлен график сходимости моделирования обдува радиатора тремя вентиляторами ВН-2. Числа Рейнольдса 22961, Пекле 16268.

Радиатор рабочего места рассеивает с шести элементов Пельтье тепловую мощность 600 Вт. Потоки воздуха со скоростью, равной 0,6 м/с, представлены изоповерхностью на рис. 9.

Программный комплекс AN SYS позволяет ре пить у равнение Навье - Сто кса для перено са массы, импульса и энергии, когда вычисляет перенос тепла в ламинарном потоке. Дополнительно решае тся уравнение переноса, когда поток тур) булентный или ко гда включен теплообмен излучением.

Рис. 9. Профиль температуры радиатора

Рис. 10. Изоповерхности воздуха со скоростью « м/с для вертикально расположенного радиатора

Рис. 11. Распределение скорости во здушныхпотоков

Уравнение сохранения массы

|cv-(ptf> = o . (10)

Для несжимаемой жидкости уравнение упро ищется:

V • v = 0. (11)

Уравнение сохранение импульса

¿(pv) + V • (pvv) = -Vp + V • (Т) + рд + Т, (12)

- 782-

где р - статическое давление, т - тензор напряжения, Р5 - гравитационная сила. ^ - с одержит другие источники возникающие из сопротивления, энергии. Тензор напряжения т задак как

т = Ю [(Уу - Уг/7) - у V • V/ ], (13)

где /е - молекулярная вязкость, I - ндиничный тгигоы. Второй член уравнения с правой с тороны учитывает тлиянос оуъемннео расширения. Уравнение соохартаненниег энергии

£ (рЮ) + V • (р/кр) = V, г- ^Ж] + , (14)

(15)

9Дееое-29 «5 К, К — молярная —ртоодимоств) К,проводимость, о^нЕостм^вмае! то работе вентным переносом /Ни = лр-сЧЯтеТ 5/,— г^ытв^.п^ввз'Оййб источник.

Модели турбулентнести 2еоо -Е[оееыоп ди.л.сс ратчета оурбутентной оязкости

[к = рг ^ , (16)

ыдн / -и- средняя нлмнк опреоилнется нс^зес / = ышп(-С, 0.09Стсм); сС и росстонние от стенки; и - константо Вон Ка=емана к = 0.419 ; 15 = тензор отношения д/е фГ^оффэм^ыыноиии к ноитльной длине

8 = [¡Ё^, (17)

где 5ц - уровень ноыырыыжения определяется как

S.. = ife + i^

Ч 2

(18)

где о - мгновенная скор о—ть.

Измерания п-роизвод—тся пк обратной схоме" В Л№У8 смоделировона конструкция, состоящая из ГТПС, плоской ТТ, термопасты (рис 12), Но еону конденс ации ГТПС нанесен слой тцоетркю-цЕССпг^св^тыь:^ СооПоЧогоСогу 1ЧимИ РЮОЗ (теэлопрнооаность 85 Вт/мК) толщиной «о мм. Плоская ТТ имгет эффективную теплопооводностт 20 ООО Вт/мКН Нагревотоль рооположен в верхней често ГТПС.

На рис. 12 еидно, —то пЮлЛоешк^^я ТТ нмеее температурн, одинаковую а зоной конденсации ГТПС-. В зону справа от ГТПС и в зону испарения ГТПС устанавливаются термометры ТЛ-4 с соответствующего диапазона измерений.

Нормативные и технические документы термометров:

1. ГОСТ 28498-90 «Термометры жидкостные стеклянные. Общие технические требования. Методы испытаний».

2. ГОСТ 8.279-78 «Термометры стеклянные жидкостные рабочие. Методы и средства поверки».

3. ГОСТ 8.558-93 «Государственная поверочная схема для средств измерений температуры».

L lh.

■Л+ MTfM hr iv ".TV I

ГГ4ЛО III ■

I jL

I ¡till lit"

:im

I j'JIVUI

У

Рис.12. Распределение скорости воздушных потоков

Таблица 2. Основные характеристики! лабораторных термометров

Обозначение термометров Диапазон измерения, ° С Цена деления, °С Длина, мм не более Диаметр, мм

ТЛ-4 № 1 от минус 30 до 20 « 530 11±1

ТЛ-4 № 2 от 0 до 55

ТЛ-4 № 3 от 50 до 105

4. ТУ 25-2021.003-88 «Термометры стеклянные лабораторные. Технические условия».

Задача состоит в нахождении для данных термометров разницы температур, одновременно погрузив их в жидкость с температурой из диапазона измерений.

В ыводы

Основной результат создания нового рабочего места для испытаний ТТ и ГТПС (см. рис. 7) -это обеспечение точности измерений разницы температур с точностью до « °С между зонами конденсации, испарения ГТПС. Второй по важности резу льтат - упрощение системы охлаждения. Следует отметитн, что ориентировочная енои мость новой установки по проверке ГТПС в 15-20 раз меньше, чем существующие.

Список литературы

[1] Деревянко В.А., Нестеров Д.А., Косенко В.Е. и др. // Вестник СибГАУ 2013. № 6(52). С. 111-116.

[2] Лукс А.Л., Матвеев А.Г. // Вестник СамГУ Естественнонаучная серия. 2008. № 3(62). С. 331-356.

[3] Козулин И.А. // Автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 2013. 23 с.

[4] Кузнецов Г.В. Санду С.Ф. // Теплофизика и аэромеханика. 1998. Т.5. № 3. С. 469-477.

- 784 -

[5] Кузнецов, Г.В. Санду С.Ф. // Special Issue Proceedings of International Conference RDAMM-2001, 2001. Vol. 6. Pt 2. 234-238.

[6] Китаев А.И., Лукс А.Л., Порядин А.В. // Вестник СамГУ. 2009. № 3(19). С. 98-101.

[7] Колоусова А.А. Математическое моделирование теплопереноса в системе «источник тепловыделения - соединительный элемент - тепловая труба». Томск, 2004.

[8] Faghri A. Heat pipe science and technology. Washington: Taylor & Francis, 1995.

[9] Дач П. Д., Рей Д.А. Тепловые трубы. М.: Энергия, 1979.