Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание научно-технического задела и экспериментальных образцов высокоэффективных двухфазных систем охлаждения с естественной циркуляцией для космических и транспортных приложений

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
двухфазные системы охлаждения, теплообмен, испарение, конденсация, тепловая труба, контурная тепловая труба, пульсационная тепловая труба, мениск, скачок температуры и давления, эксперименты, моделирование, кинетические уравнения.

Цель проекта:
Создание научно-технического задела, разработка и создание экспериментальных образцов высокоэффективных двухфазных систем охлаждения с естественной циркуляцией для космических и транспортных приложений. Развитие сотрудничества с иностранным партнером.

Основные планируемые результаты проекта:
Проект направлен на решение важной научно-технической задачи – создание научного задела и экспериментальных образцов высокоэффективных двухфазных систем охлаждения с естественной циркуляцией, позволяющих при минимальной массе и объёме отводить высокие плотности теплового потока, в том числе и при относительно низкой разности температур меж-ду теплоотдающей поверхностью и стоком тепла.
Создание компактных теплообменных аппаратов связано с необходимостью разработки устройств, обладающих высокими теплопередающими свойствами при небольших габаритах и массе. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют тепловые трубы, которые обла-дают эффективной теплопроводностью в сотни раз выше, чем материалы, имеющие самую высокую теплопроводность, например, медь. Проект главным образом направлен на
-получение фундаментальных основ по созданию испарителя с удлиненным мениском для тепловой трубы
- исследовании межфазной области жидкость-пар/газ при испарении и конденсации
- создание конденсатора и контурной тепловой трубы.

Основными результатами проекта в целом должны стать:
1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической лите-ратуры, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках настоящих при-кладных научных исследований. Обоснование и выбор направления исследований. Результаты анализа технических решений в области разработки двухфазных систем охлаждения с есте-ственной циркуляцией для космических и транспортных приложений на основе выполненных патентных исследований. (этап 1)
2. Математические модели тепломассобмена в теплообменных системах космических летатель-ных аппаратов, включающих испаритель и конденсатор, учитывающие динамику и кинетику процесса теплообмена с фазовыми переходами на микроуровне. Результаты теоретических и экспериментальных исследований в области межфазной границы жидкость-пар в испаритель-ной системе тепловой трубы с использованием кинетической теории. (этап 1-5)
3. Серия микротермопар для исследования межфазной границы раздела. Метод исследования межфазной границы раздела с помощью микротермопар. Экспериментальная установка с мик-ротермопарой для исследования температурных скачков в межфазной области. (этап 1)
4. Разработка метода создания удлиненного динамического мениска, обеспечивающего интен-сивное испарение и интенсификацию теплообмена. Экспериментальная установка для исследования испарения и теплообмена в динамическом мениске (этап 2). Результаты эксперимен-тальных и теоретических исследований удлиненного динамического мениска. (этап 3-5)
5. Техническая документация на изготовление экспериментального образца конденсатора пара новой конструкции для контурной тепловой трубы. Экспериментальный образец конденсатора пара новой конструкции для контурной тепловой трубы (этап 2). Результаты эксперименталь-ных и теоретических исследований конденсации пара на криволинейных ребрах. (этап 1-5)
6. Техническая документация на изготовление экспериментального образца контурной тепло-вой трубы. Методическая документация на проведение испытаний экспериментального образца контурной тепловой трубы и его тестирования в различных условиях. Экспериментальный об-разец контурной тепловой трубы. Результаты экспериментального исследования устойчиво-сти работы контура. (этап 4-5)
7. Технические требования и предложения по разработке экспериментальных образцов высоко-эффективных двухфазных систем охлаждения с естественной циркуляцией для космических и транспортных приложений. (этап 5)

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В проекте предполагается значительно продвинуться в исследованиях межфазной области жидкость-пар при испарении и конденсации. Создан новый экспериментальный стенд и разработана оригинальная методика проведения опытов (этап 1). В этой части исследований авторы предполагают так же превысить мировой уровень исследований и получить новые, про-рывные результаты. Часть данных будет получена с помощью уникальной термопары, которая имеет один линейный размер порядка 3-4 микрон (этап 1). Термопара будет перемещается вы-сокоточными подвижками с шагом порядка 0.5-1 микрон (этап 2). Эксперимент будет контролироваться компьютеризированной системой. Все теоретические исследования по данному направлению предполагается проводить с партнером из Франции.
Одним из наименее изученных вопросов является поведение «удлиненного» мениска в контурной тепловой трубе. Такой мениск обеспечивает наиболее стабильную работу устройства. В ПТТ наиболее высокая интенсивность теплоотдачи наблюдается при испарении тонкой пленки жидкости отделяющей паровой пузырь от поверхности нагрева. На участках с микрооребрением, в капиллярных каналах и структурах поведение мениска определяет интенсивность теплообмена. Важно исследовать возможность создания и поддержания участка испаряющейся пленки с минимальной толщиной и максимальной протяженностью. В проекте будут предпри-няты значительные, как теоретические, так и экспериментальные, усилия по данному направле-нию исследований. Создан новый стенд оригинальной конструкции, где предполагается зафиксировать «удлиненный» мениск между двумя прозрачными пластинами с различной смачивае-мостью и исследовать его с применением нескольких высокоточных оптических методов (этап 2). В этой части исследований авторы предполагают превысить мировой уровень исследований и получить новые, прорывные результаты.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Предметом работ является экспериментальное и теоретическое исследование физических явлений при интенсивном испарении и конденсации, поиск методов интенсификации теп-лообмена, разработка новых математических моделей, описывающих работу отдельных узлов тепловых труб для наземных и космических приложений, конструирование и изготовление про-тотипов технических устройств. В результате выполнения ПНИ будут разработан и создан экс-периментальный образец высокоэффективного конденсатора пара нового типа (этап 2) для систем охлаждения с естественной циркуляцией теплоносителя (тепловой трубы) для охлаждения бортовой электроники космических аппаратов. Значительное внимание будет уделено работе на системном уровне. Будет создан экспериментальный макет крупной контурной тепловой трубы. Будет разработана и запатентована конструкция конденсатора нового типа для контурных теп-ловых труб (этап 3). Конденсатор может применяться как для космических, так и наземных транспортных систем (скоростные поезда). При космическом приложении конденсатор может иметь высокую степень метеоритной защиты. Конденсатор будет испытан с помощью макета контурной тепловой трубы. При создании макета крупной контурной тепловой трубы предполагается использовать опыт создания и использования таких контуров партнера из Франции.
Проект находится на стыке нескольких научных дисциплин: термодинамики, механики, физики, коллоидной химии и прикладной математики. Результаты исследований необходимы для создания новых эффективных теплообменных систем и энергоэффективных технологий производства энергии, которые работают при различных уровнях гравитации и в условиях мик-рогравитации, в том числе систем для охлаждения электроники и поддержания жизнедеятельности космонавтов. Аналогичные системы и технологии в ближайшее время будут востребованы в авиации, на скоростном железнодорожном транспорте, в автомобилестроении. Кипение, испарение, конденсация, тонкие пленки жидкости, обеспечивают наиболее эффективные процессы тепло- и массопередачи в условиях пониженной и переменной гравитации.

Текущие результаты проекта:
Поставленные на второй этап исполнения проекта задачи полностью решены.

Разработана модель процесса конденсации движущегося пара в конденсаторе с продольными криволинейными ребрами с отсосом конденсата из межреберного пространства с учетом капиллярных сил и сил гравитации. Построена нестационарная модель в приближении тонкого слоя. Показано, что достигается стационарный процесс и система является устойчивой, так как заполнение межреберного пространства приводит к уменьшению зоны интенсивной конденсации и снижению притока конденсата, поэтому наступает устойчивое равновесие между отсосом конденсата и притоком конденсата за счет конденсации. Модель процесса конденсации движущегося пара в конденсаторе с продольными криволинейными ребрами с отсосом конденсата из межреберного пространства с учетом капиллярных сил и сил гравитации должна обеспечивает верификацию расчетных алгоритмов и погрешность моделирования не более 10 %.
Проведен анализ влияния скорости потока пара на интенсивность конденсации. Динамическое воздействие пара при относительно небольших его расходах основное влияние оказывает на течение конденсата в межреберном пространстве, когда величина межфазного трения достаточна для преодоления вязкого трения в жидкости. В данной модели влияние скорости потока пара моделируется опосредованно через величину скорости отсоса конденсата. При увеличении скорости отсоса конденсата высота заполнения межреберной впадины сконденсировавшейся жидкость уменьшается. Величина глубины заполнения канавки достаточно чувствительна к изменению скорости откачки конденсата. Показан механизм, как при заполнении межреберной впадины изменяется расход конденсата вдоль ребра. Исследовалось влияние перепада температуры при постоянной скорости отсоса. При увеличении перепада температуры увеличивается высота заполнения межреберной канавки.

Разработана техническая документация на изготовление экспериментального образца конденсатора пара новой конструкции для контурной тепловой трубы. Эскизная конструкторская документация на изготовление экспериментального образца конденсатора пара новой конструкции для контурной тепловой трубы в составе: принципиальная схема; чертеж общего вида; инструкция по эксплуатации; программа и методика испытаний.
Создан экспериментальный образец конденсатора пара для контурной тепловой трубы. Экспериментальный образец состоит из следующих основных компонентов: рабочий участок; высокоточный жидкостной насос; испаритель; жидкостной расходомер; персональный компьютер; датчики температуры и давления; регулятор расхода пара; регулятор давления; вакуумный насос; контрольно-измерительная система; теплоизоляционный кожух; тепловентилятор; термостат; жидкостной контейнер; вентили. Экспериментальный образец имеет возможность транспортировки и взаимозаменяемости отдельных узлов и агрегатов и имеет возможность дальнейшего применения в качестве учебно-демонстрационных для проведения образовательного процесса.

Создана экспериментальная установка для исследования испарения и теплообмена в динамическом мениске. В состав которой входят: рабочий участок; оптическая система; высокоточный насос; персональный компьютер; цифровая видеокамера; виброизоляционная настольная система с компрессором для размещения стенда. Экспериментальная установка имеет возможность транспортировки и взаимозаменяемости отдельных узлов и агрегатов и имеет возможность дальнейшего применения в качестве учебно-демонстрационных для проведения образовательного процесса.

Проведено экспериментальное исследование теплообмена, температурных скачков и испарения в двухфазной системе - модели испарительной системы тепловой трубы. С помощью разработанной методики установлено существование скачка температуры на межфазной границе, значение которого растет с увеличением температуры. Получена подробная картина температурного поля в области межфазной границы с помощью прецизионной подвижки с малым шагом. Погрешность итоговых измерений 5-10 % .

Принято участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию результатов. Для освещения и популяризации результатов ПНИ на этапе 2 сделаны доклады на шести Международных и Всероссийских конференциях и семинарах для освещения и популяризации результатов ПНИ на этапе 2. Тем самым выполнен показатель по количеству мероприятий на 2015 год. Публикации и диссертации, подготовленные по результатам ПНИ.
По материалам работ первого и второго этапа опубликованы и приняты в печать 5 публикаций в издания, включенные в базы данных Scopus и WEB of Science со ссылками только на Соглашение в соответствии с требованиями.

Партнером выполнено моделирование неравновесных процессов с фазовыми превращениями в части постановки граничных условий для нелинейной задачи.